Еталони одиниць фізичних величин

Перевагою такого еталону є можливість відтворення довжини в діапазоні значень до 1м. Середнє квадратичне відхилення при відтворенні метра не перевищує 10-8. Такі високі точності потрібні не тільки в метрології, але і в машинобудуванні, для потреб якого розроблені лазерні інтерференційні вимірювачі переміщень з похибкою 10-7м і менше.

Більш точними мірами довжини, що використовуються на приладобудівних і машинобудівних підприємствах, є кінцеві міри довжини. Довжина в них визначається не відстанню між штрихами, а відстанню між двома паралельними площинами. За точністю виготовлення кінцеві міри ділять на п’ять класів: 0, 1, 2, 3, 4. Для уявлення про точність виготовлення кінцевих мір можна вказати, наприклад, що міра класу 0 з номінальним розміром 8 мм може мати похибку не більше 0. 1 мкм. Така сама міра класу 4 може мати похибку не більше 2 мкм.

Первинний еталон одиниці маси. Кілограм – одиниця маси, яка дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма, який зберігається у Міжнародному бюро мір і ваг у Парижі (З ГКМВ 1901р.). Державний первинний еталон повинен складатися з комплексу таких засобів вимірювальної техніки:

• первинного еталона – гирі масою 1 кг із спеціального немагнітного сплаву;
• компаратора (еталонної ваги). Державний первинний еталон забезпечує відтворення одиниці з середнім квадратичним відхиленням результату вимірювання, яке не перевищує 810-3мг (ДСТУ 3381-96).

Первинний еталон одиниці часу і частоти. Перехід на природну атомну одиницю часу був узаконений в 1967 р. на XIII Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг. Одиниця часу – секунда – дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Стабільність частоти цезієвого еталону є наслідком квантових закономірностей, що зумовлюють постійність енергії переходу атомів з одного енергетичного рівня на інший при відсутності зовнішніх магнітних полів. У первинному еталоні часу і частоти використовується перехід між двома енергетичними рівнями атома водню, при цьому частота випромінювання збуджених атомів, при відсутності зовнішніх впливів, постійна і дорівнює 1420405751, 8 Гц. У склад еталону входять група водневих генераторів, група кварцових генераторів, комплект подільників частоти, апаратура для порівнювання частот і допоміжні засоби вимірювань.

Первинний еталон одиниці сили електричного струму. Постановою IX Генеральної міжнародної конференції з мір і ваг було прийнято таке означення ампера: ампер дорівнює силі незмінного струму, який при протіканні через два паралельні прямолінійні провідники нескінченної довжини і зникло малої площі кругового поперечного перерізу, що розташовані у вакуумі на відстані 1м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1м силу взаємодії, яка дорівнює 210-7Н (9 ГКМВ (1948р.)).

Первинний еталон одиниці температури. Одиниця термодинамічної температури – кельвін – була прийнята на XII Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг як 1/273, 16 частина термодинамічної температури потрійної точки води. Потрійна точка води – це стан рівноваги її твердої, рідкої і газоподібної фаз. Поряд з термодинамічною температурою Кельвіна використовується також і термодинамічна температура Цельсія, одиницею якої є градус Цельсія °С.

Зв'язок між температурою Кельвіна і температурою Цельсія виражається співвідношенням

t°C=T-273, 16K

де t – температура Цельсія в міжнародній практичній температурній шкалі 1968 р; Т- температура Кельвіна; 273, 16 К- температура точки розтоплення льоду за шкалою Кельвіна.

Міжнародна практична температурна шкала 1968 р. заснована на значеннях температур, що присвоєні певній кількості відтворюваних станів рівноваги (визначальних постійних точок), специфікованих і атестованих на інтерполяційних приладах (13 ГКМВ (1967р.)).

Первинний еталон одиниці сили світла. Повний випромінювач в еталоні кандели виконаний у вигляді трубки з оксиду торію, зануреної в розтоплену платину. В еталоні кандела (кд) – сила світла, що випромінюється з поверхні площею 1/60000 м2 повного випромінювача, в перпендикулярному напрямку, при температурі випромінювача, яка дорівнює температурі тверднення платини при тиску 101325 Па. Сила світла, яке випромінюється з порожнини випромінювача, порівнюється з силою світла вторинних еталонів (спеціальні лампи розжарення) за допомогою фотометра. Середнє квадратичне відхилення похибки відтворення кандели не перевищує 110-3кд при систематичній складовій 310-3кд. Кандела дорівнює силі світла в заданому напрямку джерела, яке випромінює монохроматичне випромінення частотою 5401012Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку 1/683 Вт/ср. (16 ГКМВ (1976р.)).

Одиниця кількості речовини. Необхідність введення одиниці кількості речовини в практику вимірювань і розрахунків була обгрунтована на XIV Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг (1971 p.), де до основних одиниць фізичних величин був доданий моль. Моль дорівнює кількості речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0, 012 кг. Точно відтворити одиницю кількості речовини можна різноманітними способами, наприклад, спалюючи 0, 012 кг вуглецю у чистому кисні, отримаємо точно один моль молекул вуглекислого газу. Визначення кількості речовини за допомогою прямих вимірювань можна здійснювати в ядерних реакціях і в реакціях за участю елементарних частинок.

Еталони мір, їх походження та історія їх вдосконалення

Нагадаємо, що в жовтні 1960 року в Парижі відбулася ХI Генеральна конференція по заходах і терезах. Конференція прийняла нові визначення таких основних одиниць як метр і секунда і затвердила нову систему одиниць (SI). В серпні 1961 року в нашій країні була введена «Міжнародна система одиниць», що скорочено позначалася буквами СІ. Подальші уточнення СІ зазнала в 1981 році і з тих пір залишається без змін.

Одиниця фізичної величини – це фізична величина, якій за визначенням привласнено числове значення рівне одиниці. Одиниці підрозділяються на основні і похідні.

В даний час СІ містить в своїй підставі сім основних (еталонних) одиниць і дві додаткові.

Раніше одиниці вимірювань визначалися зразковими, еталонними тілами, що зберігалися в Міжнародному бюро заходів і терезів в Парижі і дуже точними їх копіями, що зберігалися в національних палатах. У нас ці еталони зберігалися в палаті мір і терезів в Санкт-Петербурзі. Але з часом, у міру розвитку наших уявлень про фізику переглядалися і еталони фізичних величин.

Так спочатку в 1791 році при введенні метричної системи метр був визначений як одна десятимільйонна частина четверті паризького меридіана. В 1799 році на основі вимірювань частини дуги меридіана був виконаний еталон метра у вигляді платинової кінцевої міри.

Створена за ініціативою Російської Академії наук Міжнародна комісія по прототипах метричної системи, враховуючи можливість більш точних вимірювань меридіана, прийняла рекомендацію про відмову від природного еталона і про ухвалення як початкова міра метра архіву. В 1889 році I Генеральна конференція по заходах і терезах затвердила платиноірідієвий штриховий еталон метра як міжнародний прототип метра.

Враховуючи, що ніяке удосконалення платиноірідієвого прототипу метра не дозволяє підвищити його точність вище досягнутої в 0, 1 мкм, і маючи нагоду вибрати довжину хвилі випромінювання атома як природний еталон довжини, що дає точність відтворення майже на два порядки більше, ХI Генеральна конференція вирішила: метр є довжина, рівна 1 650 763, 73 довжин хвиль у вакуумі випромінювання, відповідного переходу між рівнями 2p10 5d5 атома криптону 86.

Сучасне визначення: Метр рівний відстані, яку проходить плоска електромагнітна хвиля у вакуумі за 1/299792458 частку секунди.

Багато змін зазнало поняття секунда.

В 18 столітті секунда визначалася як 1/86400 частина середніх сонячних діб, проте виявилося, що обертання Землі схильне нерегулярним коливанням. З 1872 року по 1093 рік середня тривалість доби збільшилася на 0, 007 секунди, з 1903 по 1034 рік вона зменшилася на 0, 005 секунди, а потім почала знов зростати. Таким чином, середні доби можуть бути визначені лише з точністю до 10-7, що недостатнє для використовування їх як еталон при розвитку сучасної надвисокочастотної (СВЧ) техніки.

ХI Генеральна конференція по заходах і терезах запропонувала зв'язувати визначення секунди не з обертанням Землі навкруги своєї осі, як робилося раніше, а з рухом Землі по орбіті навкруги Сонця. Як еталон часу приймається тривалість тропічного року, тобто проміжок часу між двома послідовними весняними рівноденнями. Згідно новому визначенню, секунда є 1/31556925, 9747 частиною тропічного року для 1900 року січня 0 в 12 годин ефемеридного часу. Ефемеридним часом називається час, по якому обчислюють ефемериди, – координати небесних тіл, встановлюване за наслідками астрономічних наглядів і не залежне від коливань швидкості обертання Землі.

Проте дане визначення теж проіснувало не довго. Подальше збільшення точності вимірювань тимчасових процесів вимусило фізиків перейти до більш стабільного і точно зміряного атомного еталона часу.

Сучасне визначення одиниці часу – Секунда рівна 9192631770 періодам випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Одиниці вимірювання маси, температури, сили струму не зазнали значних змін з 1791 року. А ось одиниця сили світла в російській системі СІ навіть змінила свою назву. Раніше вона називалася свічка – і визначалася як значення одиниці сили світла, випромінюваного чорним тілом перпендикулярно поверхні площею 1/60 см2 при температурі 2042, 5 До (затвердіння платини при нормальному тиску).

Сучасна назва одиниці сили світла – кандела – рівна силі світла в заданому напрямі від джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540•1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямі складає 1/683 Вт/ср.

Одиниця кількості речовини так само поповнила список основних одиниць системи СІ порівняно недавно.

Разом з сімома основними одиницями СІ прийнято ще користуватися двома додатковими одиницями, вельми корисними для вирішення фізичних задач, але що належать швидше до такої науки як геометрія, ніж фізика. Йдеться про радіан і стерадіан.

Якщо уважно проглянути програму по фізиці для вступаючих до вузів, то там йдеться ще і про позасистемні одиниці. Що це таке?

Ми все добре знаємо, що порівнювати між собою однорідні величини люди почали дуже давно. Це була вимога землеробства і торгівлі, що розвивається. І у всіх країнах незалежно один від одного придумувалися міри довжини, площі, об'єму, ваги, тиску, потужності і т. д. Дотепер ще широко використовуються одиниці деяких фізичних величин не вхідні в систему СІ, їх використовування звичне і зручне, до них всі звикли і спроби переходу до вимірювань системними одиницями не прижилися (пригадаємо досвід переходу до вимірювання атмосферного тиску в Паскалях, коли народ заплутався в нулях).

Позасистемні одиниці вимірювання, що часто зустрічаються:

Кінська сила (л. з.) – одиниця потужності (двигунів)

1 л. з. = 735, 49875 Вт

Міліметр ртутного стовпа (мм рт. ст.) – одиниця тиску

1 мм рт. ст. = 133 Па

Атмосфера фізична (атм) – одиниця тиску

1 атм = 1, 01 • 105 Па

Атмосфера технічна (ат) – одиниця тиску

1 ат = 9, 81 • 104 Па

Треба помітити, що особливо багаті різними одиницями вимірювання довжини, ваги, тиску, температури. Так вже склалося історично, і в різних країнах дотепер користуються в побуті різними заходами.

Приведемо зведену таблицю основних фізичних величин, як вони визначені в даний час.