Файл: Лекции по теоретической метрологии.doc

Существуют методы оценивания объема и качества интеллектуальной работы, знаний субъекта в определенной области, уровня художественных произведений, жесткости природных проявлений.

Те свойства, которые не подлежат аппаратурной оценке из-за того, что не имеют объективно оцениваемого содержания, а также те, представления о физическом содержании которых на нынешнем этапе недостаточно корректно, относят к «нефизическим величинам». В отличие от метрологии, объектом которой являются аппаратурные измерения физических величин, экспертными оценками и повышением их объективности занимается квалиметрия.

Естественные системы единиц

При построении систем единиц физических величин давно наблюдалось стремление к выбору в качестве основных «естественных единиц». Эти единицы доступны на определенном уровне науки и техники, а их эталоны неуничтожимы. Если воспроизведение таких единиц будет достаточно точным, их стабильность во времени будет гарантирована.

При создании метрической системы («системы мер и весов», где под «мерами» понимали единицы длины, а под «весом» – единицы массы) за основу взяли длину окружности Земли. Метр был определен как 1/10000000 часть длины четверти Парижского меридиана, килограмм – как масса одного кубического дециметра воды при ее наивысшей плотности (температура воды 4 ^оС). Земля и вода представлялись неуничтожимыми и стабильными. 10 декабря 1799 года во Франции ввели новую («метрическую») систему единиц. Тогда же была отчеканена посвященная этому событию медаль с надписью «На все времена, для всех народов» (другой известный перевод – «Для всех времен и народов»). Главным эталоном системы была платиновая концевая мера длины (длина 1 м).

Однако правильность исходного объекта (форма Земли) оставляла желать лучшего. Кроме того, точность измерения длины исходного объекта была недостаточно высокой, в результате при повышении точности измерений следовало или менять размеры единиц или отказываться от их «естественного» происхождения. В метрической системе было принято именно последнее решение – за метр была принята длина платиновой концевой меры («метра архива»), а за килограмм – масса платиновой гири («килограмма архива»).

В физике неоднокразтно разрабатывались «естественные системы единиц», основанные на использовании для основных единиц универсальных физических постоянных (констант). М.Планк предложил систему единиц, в основу которой были положены гравитационная постоянная, скорость света, постоянная Планка и постоянная Больцмана. Хартри разработал «систему атомных единиц», в которой за основные приняты заряд электрона, масса электрона, радиус первой боровской орбиты атома водорода и постоянная Планка. В этой системе единиц уравнения ядерной физики освобождаются от лишних числовых множителей и приобретают более простой вид. Для релятивистской квантовой механики иногда пользуются системой, в которой основными единицами являются постоянная Планка, скорость света и масса какой-либо элементарной частицы (электрона или протона). В качестве четвертой единицы принимают постоянную Больцмана. Предлагались и другие «естественные системы единиц», но все они широкого распространения не получили. Основная причина

---

ограниченного применения подобных систем в том, что точность измерений предлагаемых констант не обеспечивает требуемого уровня точности установления ряда основных и производных единиц.

В некоторых источниках говорится, что размеры единиц делают «естественные системы единиц» неудобными для практического применения, но это не очень корректный довод. В Международной системе единиц единица длины (метр) определена через скорость света, а секунда – через миллиарды периодов излучения цезия-133, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома.

Из приведенных примеров видно, что и сверхбольшие физические величины (скорость света), и сверхмалые (период излучения атома цезия-133) вполне могут быть использованы для построения удобных единиц основных величин, если только точность воспроизведений их с помощью эталонов будет достаточно высокой. Для воспроизведения основных единиц СИ используются физические константы и высокостабильные ядерные явления. Этот подход сближает «искусственные» и «естественные» системы единиц физических величин.

Известные системы единиц физических величин

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц физических величин. Система строилась как совокупность независимых друг от друга основных единиц, а остальные единицы системы (производные) можно было определить с помощью основных, используя известные связи между ними. Он разработал систему единиц, в которой за основные были приняты три единицы – длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда). Эту систему единиц Гаусс назвал «абсолютной системой».

В дальнейшем появился ряд систем единиц физических величин, базирующихся на метрической системе мер и построенных по предложенному Гауссом принципу. Основные различия заключались в значениях и числе основных единиц.

Система СГС, в которой основными единицами являются сантиметр, грамм и секунда была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом электриков. Конгресс ввел наименование для двух важнейших производных единиц: дина – для единицы силы и эрг – для единицы работы. Для мощности в системе СГС применялся эрг в секунду, для давления – дина на квадратный сантиметр. В области механических величин система вполне обеспечивала образование производных единиц.

---

Сложнее обстоит дело с применением системы СГС для электрических и магнитных измерений. Для обеспечения единиц электрических и магнитных величин систему СГС пришлось модифицировать, причем из семи модификаций наибольшее распространение нашли три:

• 
  система СГСЭ, в которой диэлектрическая проницаемость вакуума принята равной неименованной единице (ее называют абсолютной электростатической системой единиц);
  
• 
  система СГСМ, в которой за неименованную единицу принята магнитная проницаемость вакуума (ее называют абсолютной электромагнитной системой единиц).
  
• 
  система СГС симметричная или система Гаусса. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные с магнитными единицами СГСМ.
  

Абсолютная практическая система электрических единиц была принята Первым Международным конгрессом электриков в 1881 г. В ее основу была положена система СГСМ, но электрические и магнитные единицы были образованы из соответствующих единиц абсолютной электромагнитной системы СГСМ путем умножения их на соответствующие степени числа 10. В соответствии с названием абсолютная практическая система должна была обеспечить потребности практических электриков, которым электрические и магнитные единицы системы СГС показались недостаточно удобными (одни слишком велики, другие слишком малы).

Первыми из практических электрических единиц были:

• 
  единица силы электрического тока – ампер (1 А = 10^-1 электромагнитным единицам силы тока СГСМ);
  
• 
  единица электродвижущей силы – вольт (1 В = 10⁸ единиц электродвижущей силы СГСМ);
  
• 
  единица электрической емкости – фарада (1 Ф = 10^-9 единицам электрической емкости СГСМ;
  
• 
  единица электрического сопротивления (1 Ом = 10⁹ единицам сопротивления СГСМ). Единица электрического сопротивления получила наименование в честь Ома не во время создания системы, а несколько позднее.
  

Множители 10ⁿ были приняты для сближения системы с метрической, а значения степеней выбирали из практических соображений. Так множитель 10⁹ для новой единицы сопротивления взяли потому, что эта единица должна была быть близка к размеру применявшихся в то время единиц сопротивления, например, ртутной единицы Сименса (сопротивление столбика ртути длиной 100 см и поперечным сечением 1 мм

---

²). Множитель 10⁸ для практической единицы электродвижущей силы был взят для приближения к электродвижущей силе элемента Даниэля, имевшего э.д.с., близкую к 1 В.

В дальнейшем решениями Международной электротехнической комиссии и генеральных конференций по мерам и весам были установлены другие практические электрические и магнитные единицы (джоуль, ватт, генри, вебер, сименс, тесла и др.).

Уже Второй Международный конгресс электриков в 1889 г. установил еще три практические электрические единицы:

• 
  единицу энергии – джоуль (1 Дж = 10⁷ единицам энергии СГСМ);
  
• 
  единицам мощности – ватт (1 Вт = 10⁷ единицам мощности СГСМ);
  
• 
  единицу индуктивности – квадрант (впоследствии это наименование заменили на «генри» 1 Гн = 10⁹ единицам индуктивности СГСМ).
  

Международные электрические единицы. В 1893 г. Третий Международный конгресс электриков принял международные электрические единицы, которые определялись с помощью эталонов, обеспечивающих их воспроизведение с наивысшей достижимой для того времени точностью. Отход от «теоретических определений», абсолютной практической системы электрических единиц (определение через единицы длины, массы и времени) объяснялся трудностями их точного воспроизведения с помощью эталонов.

Новым электрическим единицам было присвоено наименование «международных электрических единиц». Конгресс установил три основные международные электрические единицы:

• 
  ом, для определения которого использовали ртутный эталон;
  
• 
  ампер, определяемый с помощью серебряного вольтметра;
  
• 
  вольт, определяемый по элементу Кларка.
  

Остальные электрические единицы (кулон, фарада и др.) были определены как производные.

Международная Лондонская конференция электриков в 1908 г. утвердила спецификации для воспроизведения международного ома и международного ампера. Конференция рекомендовала принять в качестве единиц, которые при воспроизведении с помощью эталонов обеспечивают достаточную точность для практических измерений, международный ом, международный ампер, международный вольт и международный ватт. Принятые Конференцией международные электрические единицы начали вводить законодательными актами в разных странах, и они получили широкое распространение до их отмены. Решением Международного комитета мер и весов с 1 января 1948 г. было предложено перейти на абсолютные электрические единицы (1 международный ом = 1,00049 абсолютного ома; 1 международный вольт = 1,00034 абсолютного вольта). В СССР международные электрические единицы были утверждены в 1929 г., а 1 мая 1948 г. они были отменены в связи с переходом на абсолютные практические электрические единицы.

---

Система МКГСС – система единиц физических величин с основными единицами: метр (единица длины), килограмм-сила (единица силы) и секунда – единица времени.

При установлении метрической системы мер килограмм был принят за единицу веса, поскольку различение массы и веса (силы тяжести) произошло несколько позднее. В конце XIX века килограмм стали рассматривать как единицу веса, а затем и как более общую единицу силы. В итоге была создана система единиц физических величин МКГСС с тремя основными единицами (метр, килограмм-сила и секунда). Килограмм-сила (кгс) –сила, которая сообщает телу с массой, равной массе международного прототипа килограмма, «нормальное ускорение свободного падения» (9,80665 м/с²).

В результате за единицу массы в системе МКГСС приняли массу тела, получающего ускорение 1 м/с² под действием приложенной силы 1 кгс. Единица массы МКГСС – 1 кгс•с²/м = 9,81 кг – единицы массы СИ. Эту единицу иногда называют «технической единицей массы» (т. е. м.).

Система МКГСС нашла достаточно широко распространение в технике, поскольку в ряде случаев выражение сил в единицах веса дает определенные удобства (например, при определении нагрузок в строительстве).

Одним из недостатков системы было сходство наименований единиц силы и массы, что часто приводило к путанице, имеющей место и сегодня. Попыткой устранения этого недостатка было использование вместо «килограмм-силы» в некоторых странах (например, в Австрии, ФРГ) нового наименования единицы силы – килопонд.

Основы системы МКСА были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи (второе наименование, принятое в 1958 г. Международной электротехнической комиссией – «система Джорджи»). Основные единицы системы МКСА: метр, килограмм, секунда и ампер. В системе МКСА сила измеряется в ньютонах, работа и энергия в джоулях, мощность в ваттах.

В системе МКСА согласованы механические единицы и единицы абсолютной практической системы электрических и магнитных единиц (ампер, вольт, ом, кулон и др.). В настоящее время единицы системы МКСА входят в Международную систему единиц физических величин (SI).

Система МКСА была законодательно введена в СССР стандартом ГОСТ 8033-56 «Электрические и магнитные единицы», действовавшим с 1 января 1957 г. до введения стандарта, основанного на SI.

В системе единиц МТС основными единицами являются: единица длины (метр), единица массы (тонна) и единица времени (секунда). В системе МТС единицей силы служит стен (сн), равный силе, сообщающей массе 1 т ускорение 1 м/с

---