ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ
ЛЕКЦИИ 1 – 3
1. Виды физических величин.
2. Системы единиц физических величин
3. Международная система единиц
4. Эталоны основных единиц системы СИ
ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Понятие о физической величине — одно из наиболее общих в физике и метрологии. Под физической величиной понимается «свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта». Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них эти параметры различны. То же самое можно сказать и о других величинах — электрическом токе, вязкости жидкостей или потоке излучения.
Для того, чтобы можно было установить различия в количественном содержании в каждом данном объекте свойства, отображаемого физической величиной, вводится понятие размера физической величины.
Между размерами каждой физической величины существуют отношения, которые, как оказывается при их подробном изучении, имеют ту же логическую структуру, что и отношения между числовыми формами (целыми, рациональными или действительными числами, векторами, матрицами). Поэтому множество числовых форм с определенными отношениями между ними (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и т. д.) может служить моделью физической величины, т. е. множества ее размеров с отношениями между ними.
Если соответствие между формальной моделью и самой физической величиной оказывается достаточно строгим и точным, то изучение физических величин и связей между ними можно свести к исследованию лишь их моделей.
Комплекс правил, в соответствии с которыми числовые формы приписываются размерам величин, определяется наличием тех или иных отношений на множестве их размеров. В связи с этим можно выделить три группы физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам.
К первой группе отнесем величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения типа «тверже—мягче», «теплее—холоднее», «одинаково твердые—одинаково теплые». В математике эти отношения получили названия отношений порядка и эквивалентности. Существование подобных отношений устанавливается теоретически, исходя из общефизических соображений, или экспериментально с помощью специальных технических устройств (средств измерений) либо наблюдателем. Так, мы без труда находим, что медь тверже резины, но для обнаружения различия в твердости двух образцов твердости приходится прибегать к помощи измерительных приборов.
К величинам первой группы относится, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, или температура, понимаемая просто как степень нагретости тела.
Вторая группа величин характеризуется тем, что отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между их размерами, но и между различиями (разностями) в парах размеров. К этой группе относятся такие величины, как время, потенциал, энергия или температура, связанная, по определению, со шкалой ртутного термометра. Возможность сравнения разностей их размеров вытекает из самих определений этих величин. Так, разности температур считаются равными, если равны расстояния между соответствующими отметками на шкале ртутного термометра. Способ градуировки шкалы не имеет при этом никакого значения. Ясно, что проверить равенство разностей температуры, определенной просто как степень нагретости тел, не представляется возможным.
На множестве размеров величин третьей группы определены, кроме вышеперечисленных, еще и отношения, называемые операциями, подобные арифметическому сложению и вычитанию. Операция считается определенной, если ее результат (сумма или разность) снова является размером той же физической величины, и существует способ ее технической реализации. Операция сложения определяет операцию умножения размеров величин на любое целое число п. Результат такого умножения есть просто сумма п размеров данной величины. К числу подобных величин относятся, например, длина, давление, масса или термодинамическая температура.
Сумма двух масс — это масса такого тела, которое уравновешивает на весах первые два, положенные на одну чашу, а разностью является масса тела, которое нужно положить на чашу весов, где помещено более легкое тело, чтобы привести весы в равновесие. Но такие величины, как электрический потенциал или время, уже не относятся к этой группе, поскольку разность двух потенциалов уже не потенциал, а разность двух моментов времени не является снова моментом.
Нетрудно заметить, что к величинам третьей группы можно отнести и множество различий (разностей) в размерах величин второй группы, поскольку для них тоже могут быть найдены операции, подобные сложению. Поскольку все арифметические операции сводятся, по существу, к сложению, то эти величины оказываются наиболее удобными для применения в физике. Поэтому часто только такие величины и относят к числу физических.
Интересно отметить, что определения многих физических величин не являются неизменными, а постоянно уточняются. Уточнение определений происходит в направлении, позволяющем вскрыть все большее число отношений на множестве их размеров и ввести их, таким образом, в число величин третьей или хотя бы второй группы, что позволяет значительно упростить аналитические выражения физических законов.
Не случайно температура была упомянута среди величин всех трех групп. Вначале ее определяли интуитивно как степень нагретости тела. Определенная таким образом температура могла входить в законы физики только в неявном виде.
Определение, связавшее температуру с ртутной шкалой, позволило перевести ее во вторую группу величин. Благодаря этому температура вошла в некоторое, правда, еще очень ограниченное число уравнений физики. И только определение, которое дал Кельвин, и определение, основанное на явлении теплового расширения идеальных газов, а также данное тем же Кельвином доказательство идентичности этих двух определений, позволили перевести температуру в разряд величин третьей группы и сделать ее равноправной физической величиной.
СИСТЕМЫ ВЕЛИЧИН И СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ
Описание свойства, характеризуемого данной величиной, осуществляется на языке других, ранее определенных величин. Эта возможность обусловливается наличием объективно существующих взаимосвязей между свойствами объектов, которые, будучи переведены на язык величин, становятся их моделями, образующими в своей совокупности систему уравнений, описывающих данный раздел физики. Эти уравнения, записанные в самом общем виде, называются уравнениями между величинами. С их помощью формулируются определения одних величин на языке других и указываются способы измерения. Если бы число уравнений равнялось числу связываемых ими величин, то все они могли бы быть определены не друг через друга, а в каких-то других терминах, понятных нам и без вышеприведенных рассуждений. Но число уравнений в любом разделе науки всегда меньше числа входящих в них величин, поэтому принято выделять в отдельную группу некоторые величины, число k которых должно равняться разности между числом п величин и числом т независимых уравнений между ними. Эти величины и соответствующие им единицы называются основными величинами и основными единицами. Все остальные величины и единицы определяются однозначно через основные и называются производными. Совокупность выбранных основных величин и образованных с их помощью величин производных называется системой величин. Так же создаются и системы единиц. Важно отметить, что в рамках одной концепции система основных величин вовсе не обязана совпадать с системой основных единиц в том смысле, что за основные единицы могут приниматься единицы не тех величин, которые принимаются за основные.
В уравнения между величинами входят также универсальные постоянные и физические константы; они отличаются от коэффициентов пропорциональности тем, что характеризуют какие-то определённые свойства физических объектов. Коэффициенты пропорциональности появляются в уравнениях между величинами лишь из-за несогласованности единиц измерения или характеризуют свойства симметрии физических законов.
Правила, по которым тот или иной комплекс единиц выбирают в качестве основного, не могут быть обоснованы теоретически. Единственным аргументом в пользу выбора может служить лишь эффективность и целесообразность использования данной системы.
Для практических целей измерения в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые могут быть воспроизведены с наибольшей точностью. В механике это длина, масса и время. Изучение термодинамики приводит к необходимости введения четвертой величины — температуры и ее единиц-В электродинамике и фотометрии появляются еще две основные величины и две единицы — сила электрического тока и сила света.
СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.
В 1832 г. ученый К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы — длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными единицами длины, массы и времени, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.
В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.
Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин.
Система СГС
Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом электриков. Конгресс установил систему СГС по принципам, предложенным Гауссом, и ввел наименование для двух важнейших производных единиц: дина — для единицы силы и эрг — для единицы работы. Для измерения мощности в системе СГС применяется эрг в секунду, для измерения кинематической вязкости — стоке, динамической — пуаз.
Давление в системе СГС измеряют в динах на квадратный сантиметр. Эта единица в прошлом называлась бар, однако в связи с переименованием в бар единицы давления, равной 105 Н/м2, для единиц давления СГС иногда применяют наименование барий и одновременно микробар (так как она равна одной миллионной нового бара).
В области механических измерений система СГС опирается на три основные единицы, из которых остальные образуются как производные.
Сложнее обстоит дело с применением системы СГС для электрических и магнитных измерений. Исторически сложилось так, что для них к настоящему времени существует семь видов системы СГС для электрических и магнитных величин, из которых наиболее распространены следующие три:
1. Система СГСЭ, построенная на трех основных единицах —сантиметре, грамме, секунде; диэлектрическая проницаемость вакуума принята равной безразмерной единице. Эта система называется также абсолютной электростатической системой единиц.
2. Система СГСМ, основные единицы которой такие же, как и системы СГСЭ, — сантиметр, грамм, секунда, а магнитная проницаемость вакуума принята равной безразмерной единице. Эта система называется также абсолютной электромагнитной системой единиц.
3. Система СГС, называемая также системой СГС симметричной или системой Гаусса. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные с магнитными единицами СГСМ.
Система СГС (симметричная) отличается стройностью и логичностью построения, она когерентна (согласованна) и широко применяется в физике для выражения измеряемых физических величин и расчетов. Система была допущена к применению в СССР государственным стандартом на электрические и магнитные единицы (ГОСТ 8033—56). До настоящего времени значительное число физических констант выражалось в единицах СГС. Однако большинство единиц СГС (дина, эрг, единицы электрических величин СГС и др.) имеет неудобные размеры и в практике не применяется.
Система МКГСС
Как известно, в период установления метрической системы мер, в конце XVIII столетия, килограмм был принят как единица веса.
Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр — единица длины, килограмм-сила — единица силы и секунда — единица времени (система МКГСС). Килограмм-сила (кгс) — это сила, которая сообщает массе, равной массе меж-
дународного прототипа килограмма, ускорение 9,80665 м/с2 (нормальное ускорение свободного падения).
Эта система единиц широко распространилась в механике и в технике, получив неофициальное наименование «техническая». Одной из причин распространения системы MKJCC явилось удобство выражения сил в единицах веса и удобный размер основной единицы силы — килограмм-силы.
В некоторых странах (например, Бельгии) система МКГСС была названа метрической исходя из того, что первоначально, при установлении метрической системы мер, килограмм служил не единицей массы, а единицей веса. Однако наряду с распространением системы МКГСС в технике все больше вырисовывались ее недостатки, связанные с использованием в качестве основной единицы силы, а не массы.
Первый недостаток состоит в том, что нарушается принцип выбора в качестве основной единицы той, которая может наиболее точно воспроизводиться. Единица силы воспроизводится менее точно, чем единица массы.
Второй недостаток заключается в сходности наименования единицы силы — килограмм-силы и метрической единицы массы — килограмма, что часто приводит к путанице. Частичным решением этого вопроса явилось принятие в отдельных странах (Австрия, ГДР, ФРГ) нового наименования килограмм-силы: килопонд.
Третьим крупным недостатком системы МКГСС является ее некогерентность (несогласованность) с единицами электрических и магнитных величин. Если единицей работы и энергии в системе МКГСС служит килограмм-сила-метр, то в системе практических электрических единиц работа и знергия измеряется джоулями, поэтому при переходе в расчетах от механических величин к электрическим (а также к тепловым, световым и т. д.) требуется переходный множитель.
За единицу массы в системе МКГСС принята масса тела, получающего ускорения 1 м/с2 под действием приложенной силы 1 кгс. Эта единица (килограмм-сила-секунда в квадрате на метр) иногда называется технической единицей массы (т. е. м.) или инертной, хотя оба эти наименования не установлены ни в одной из рекомендаций на единицы физических величин. Единица массы МКГСС — кгс • с2/м~9,81 кг — единицы массы СИ.
Широко применялись в технике единица работы и энергии МКГСС — килограмм-сила-метр (кгс • м) и единица мощности — килограмм-сила-метр в секунду (кгс-м/с).
Система МТС
В системе единиц МТС основными единицами являются: единица длины — метр, единица массы — тонна и единица времени — секунда.
Эта система единиц впервые установлена в 1919 г. во Франции, где была принята в законоположении о единицах измерений. В 1927—1933 гг. система МТС была рекомендована советскими стандартами на механические единицы. Выбор тонны в качестве основной единицы массы казался удачным, так как достигалось соответствие между единицами длины и объема, с одной стороны, и единицей массы — с другой (с точностью, достаточной для большинства технических расчетов, 1 т соответствует массе 1 м3 воды). Кроме того, единица работы и энергии в этой системе (килоджоуль) и единица мощности (киловатт) совпадали с соответствующими кратными практическими электрическими единицами.
В системе МТС единицей силы служит стен (сн), равный силе, сообщающейся массе 1 т ускорение 1 м/с2, единицей давления — пьеза — 1 сн/'м2.
Однако в СССР система МТС не нашла практического распространения и в 1955 г. при утверждении ГОСТ 7664—55 «Механические единицы» не была в него включена. Во Франции применение этой системы также отменено законоположением от 3 мая 1961 г.
Абсолютная практическая система электрических единиц
Абсолютная практическая система электрических единиц была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом электриков в качестве производной от системы СГСМ и предназначалась для практических измерений в связи с тем, что электрические и магнитные единицы системы СГС оказались неудобными для практики (одни слишком велики, другие слишком малы). В абсолютной практической системе электрические и магнитные единицы были образованы из соответствующих единиц абсолютной электромагнитной системы СГСМ путем умножения их на соответствующие степени числа 10.
В числе первых практических электрических единиц были приняты:
а) практическая единица электрического сопротивления, рав-ная 109 единицам сопротивления СГСМ, которая получила впоследствии наименование «ом»;
б) практическая единица электродвижущей силы, равна 10s единицам электродвижущей силы СГСМ, названная «вольт»;
в) практическая единица силы электрического тока — ампер, равная 10"1 электромагнитным единицам силы тока СГСМ;
г) практическая единица электрической емкости, равна 10~9 единицам электрической емкости СГСМ, названная «фарада».
Множитель 109 для практической единицы сопротивления взят из тех соображений, что единица сопротивления должна была по размеру быть близка к большинству существовавших в то время единиц сопротивления, особенно к ртутной единице Сименса (сопротивление столбика ртути длиной 100 см и поперечным сечением 1 мм2), тогда широко распространенной. Множитель 108 для практической единицы электродвижущей силы был выбран с целью возможного приближения к электродвижущей силе элемента Даниэля, наиболее распространенного в то время и имевшего э.д.с., близкую к 1 В.
Второй Международный конгресс электриков в 1889 г. включил в список практических электрических единиц еще три:
а) джоуль как единицу энергии, равную 107 единицам энергии СГСМ;
б) ватт, равный 107 единицам мощности СГСМ;
в) квадрант (впоследствии это наименование заменено на «генри») как единицу индуктивности, равную 109 единицам индуктивности СГСМ.
В дальнейшем решениями Международной электротехнической комиссии и генеральных конференций по мерам и весам были установлены другие практические электрические и магнитные единицы (вебер, сименс, тесла и др.).
Международные электрические единицы
В 1893 г. в Чикаго Третий Международный конгресс электриков принял международные электрические единицы, отличавшиеся от единиц абсолютной практической системы электрических единиц тем, что они базировались не на теоретическом определении единиц, а на их эталонах. Это объяснялось трудностями точного воспроизведения теоретически установленных абсолютных практических электрических единиц. Взамен их были установлены практические электрические единицы, основанные на соответствующих абсолютных единицах, но определяемые с помощью условных эталонов, служащих для их воспроизведения. Этим электрическим единицам в отличие от абсолютных, определяемых теоретически через единицы длины, массы и времени, было присвоено наименование «международных электрических единиц».
Конгресс установил три основные международные электрические единицы: международный ом, для определения которого использовали ртутный эталон, международный ампер, определяемый с помощью серебряного вольтаметра, и международный вольт, определяемый по элементу Кларка. Остальные электрические единицы (международный кулон, международная фарада и др.) были определены как производные от них.
Завершением работы по установлению международных электрических единиц и четкому разграничению абсолютных практических единиц и международных явились решения Международной Лондонской конференции электриков в 1908 г. В качестве единиц, которые с достаточным приближением при практических измерениях и для законодательных целей воспроизводят электрические единицы, конференция рекомендовала принять международный ом, международный ампер, международный вольт и международный ватт. Конференция утвердила спецификации для воспроизведения международного ома и международного ампера.
После этого международные электрические единицы начали вводить законодательными актами в разных странах, и они получили широкое распространение до отмены их с 1 января 1948 г. решением Международного комитета мер и весов, когда был совершен переход на абсолютные электрические единицы с. соотношениями: 1 международный ом= 1,00049 абсолютного ома; 1 международный вольт = 1,00034 абсолютного вольта.
Международные электрические единицы были введены в нашей стране постановлением Высшего Совета Народного Хозяйства РСФСР от 7 февраля 1919 г. «Об электрических единицах» и общесоюзным стандартом ОСТ 515 «Международные электрические единицы», утвержденным в 1929 г. Они отменены с 1 мая 1948 г. в связи с переходом на абсолютные практические электрические единицы.
Система МКС А
Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи (поэтому система имеет и второе наименование, принятое в 1958 г. Международной электротехнической комиссией, — «система Джорджи», но не получившее, однако, распространения). Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. В системе МКСА сила измеряется в ньютонах, работа и энергия в джоулях, мощность в ваттах.
В системе МКСА механические единицы полностью согласованы с единицами абсолютной практической системы электрических и магнитных единиц — ампером, вольтом, омом, кулоном и др. Система МКСА является частью Международной системы единиц (СИ), применяемой для измерения электрических и магнитных величин.
Система МКСА установлена в качестве основной в ГОСТ 8033—56 «Электрические и магнитные единицы», действующем в СССР с 1 января 1957 г. В этом стандарте система МКСА принята для рационализованной формы уравнений электромагнитного поля (в которой множитель 4π исключен из наиболее важных и часто применяемых уравнений). В соответствии с этим взяты следующие значения постоянных: для электрической постоянной
ε0 = 8,85·10-12 Ф/м и для магнитной постоянной μ0 = 4π·10-7 Гн/м,
где с — числовое значение скорости света в вакууме, равное 2,997925·108 м/с.
ВНЕСИСТЕМНЫЕ ЕДИНИЦЫ
Наряду с системами единиц физических величин в практику измерений вводились единицы, не входящие ни в одну из систем, — так называемые внесистемные единицы. Число их довольно велико, причем возникновение большинства связано с соображениями удобства при измерениях тех или иных величин. Так, исторически возникла единица давления — атмосфера, равная давлению, производимому силой 1 кгс на площадь 1 см2, ибо атмосфера близка по размеру к среднему давлению атмосферного воздуха на уровне моря.
К числу важнейших внесистемных единиц, имеющих широкое применение, относятся единицы длины — ангстрем, икс-единица, световой год, парсек; площади — ар, гектар; объема — литр; массы — карат; давления — атмосфера, бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба; количества теплоты — калория; электрической энергии — электронвольт, киловатт-час; акустических величин — децибел, фон, октава; ионизирующих излучений — рентген, рад, кюри.
Внесистемными единицами являются также такие распространенные единицы времени, как минута и час, а также кратные и дольные единицы измерения, иногда имеющие собственные наименования, например единица длины — микрон (мк), равный 10~6 м и в соответствии с правилами образования дольных единиц называемый в настоящее время микрометром (мкм); единица массы — тонна (т), равная 1000 кг и как кратная единица массы, называемая также мегаграмм (Мг) и т. д.
В связи с унификацией единиц и принятием единой системы единиц число применяемых внесистемных единиц будет сведено к минимуму, определяемому потребностью в них для практических целей. Отдельные же распространенные внесистемные единицы, являющиеся собственными наименованиями некоторых кратных и дольных единиц СИ, — тонна, гектар и т. д. — могут сохраниться при практических измерениях.
УСТАНОВЛЕНИЕ ЕДИНОЙ МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ
Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, настойчиво выдвигали требование унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.
Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).
Применявшаяся в механике и механических прикладных науках система МКГСС не отвечала этим требованиям, так как не была согласована с практическими электрическими единицами. Размеры единиц системы СГС, широко применяемых физиками, были слишком неудобны для использования в технике.
В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча) практической системы единиц для международных сношений. Одновременно Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разработке единой Международной системы единиц.
Эта комиссия в 1956 г. разработала проект Международной системы единиц, который был принят Международным комитетом по мерам и весам и в 1960 г. утвержден XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI — начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.
Принятие Международной системы единиц явилось важным прогрессивным актом, подытожившим большую многолетнюю подготовительную работу в этом направлении и обобщившим опыт работы научно-технических кругов разных стран и международных организаций по метрологии, стандартизации, физике и электротехнике.
Решения Генеральной конференции и Международного комитета мер и весов по Международной системе единиц учтены в рекомендациях Международной организации по стандартизации (ИСО) по единицам измерений, приняты Международной организацией законодательной метрологии и уже нашли отражение в законодательных положениях о единицах и в стандартах на единицы во многих странах мира.
Международная система единиц вошла в рекомендации по единицам Международного союза чистой и прикладной физики, принята Международной электротехнической комиссией и рядом других международных организаций. Организация объединенных наций по образованию, науке и культуре (ЮНЕСКО) призвала все страны—члены организации принять Международную систему единиц.
В 1961 г. Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР утвердил ГОСТ 9867—61 «Международная система единиц», которым устанавливается предпочтительное применение этой системы во всех областях науки и техники и при преподавании.
В 1970 г. в СССР была издана окончательная редакция проекта стандарта «Единицы физических величин», в котором в основу единиц, принятых для обязательного применения, положены единицы Международной системы.
Международная система единиц имеет ряд достоинств, важнейшими из которых являются:
1. универсальность — охват ею всех областей науки, техники, народного хозяйства;
2. унификация единиц для всех видов измерений; так, вместо ряда единиц давления (атмосфера, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, бар, пьеза, дина на квадратный сантиметр и др.) в СИ применяется единая единица давления — паскаль; вместо ряда единиц работы и энергии (килограмм—сила—метр, эрг, калория, килокалория, киловаттчас, электрон—вольт и др.) — одна единица для измерения работы и всех видов энергии — джоуль.
3. применение удобных для практики основных и большинства производных единиц (площади — квадратный метр, объема — кубический метр,электрического напряжения — вольт, электрического сопротивления — ом и др.);
4. когерентность (связность, согласованность) системы; коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице;
5. четкое разграничение в СИ единиц массы (килограмма) и
силы (ньютона);
6.упрощение записи уравнений и формул, отсутствие в них
переводных коэффициентов, появлявшихся в связи с тем, что ве
личины, входящие в эти формулы, давались в разных системах
единиц;
7. облегчение педагогического процесса в средней и высшей
школе (отпадает необходимость подробного изучения множества
систем единиц и внесистемных единиц);
8. лучшее взаимопонимание при дальнейшем развитии научно-
технических и экономических связей между различными странами.
ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ
Основные единицы Международной системы единиц были выбраны в 1954 г. X Генеральной конференцией по мерам и весам. При этом исходили из того, чтобы: 1) охватить системой все области науки и техники, 2) создать основу образования производных единиц для различных физических величин, 3) принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получившие широкое распространение, 4) выбрать единицы таких величин, воспроизведение которых с помощью эталонов возможно с наибольшей точностью.
В 1971 г. XIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла седьмую основную единицу СИ — единицу количества вещества— моль.
Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие:
Метр — длина, равная 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона-86.
Килограмм — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.
Секунда — 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2-10~7Н на каждый метр длины.
Кельвин — единица термодинамической температуры — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки -воды.
Кандела — сила света, испускаемого с площади 1/600000 м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па.
Моль — количество вещества, содержащее столько же молекул (атомов, частиц), сколько атомов содержится в нуклиде углеро-да-12 массой 0,012 кг.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИ
Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы — для измерения плоского и телесного углов.
Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем они не являются и производными единицами, так как не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными.
Единица плоского угла — радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'44,8".
Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, — телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.
Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле
где Q — телесный угол; а — плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.
Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу π ср — плоский угол 120°, углу 2 π ср — плоский угол 180°.
Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов (например, стерадиан используется в светотехнике), для практических же измерений их не применяют, так как большинство важных для практики значений углов (полный угол, прямой угол и т. д.) в радианах
выражаются трансцендентными числами (2 π, π/2 — и т. д.)
Практически плоские углы чаще всего измеряют в угловых градусах, минутах и секундах, и в этих единицах проградуи-ровано большинство угломерных приборов. Применяют и другие угловые единицы (полный оборот, прямой угол, град, равный 0,01 прямого, и т. д.). Измерительных приборов, шкала которых была бы градуирована в радианах, не изготовляют; нет приборов и для измерения телесных углов в стерадианах.
Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в качестве эталона радиана принят комплекс средств измерений для воспроизведения единицы плоского угла с помощью многогранных призм. Для этой цели используют кварцевую 36- или 24-гранную призму, углы между гранями которой измеряют с помощью двух автоколлиматоров. Обычно сличают аттестуемый многогранник и эталонный, помещая их один на другой на оптической головке, играющей роль поворотного устройства.
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭТАЛОНАХ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭТАЛОНОВ
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.
Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.
Эталонпредставляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хране- ние единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным. Первичные эталоны основ- ных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением. Примером первичного эталона является комплекс средств измерений для воспроизведения метра в длинах световых волн излучения криптона-86.
Для воспроизведения единиц в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления, температуры, особые состояния вещества, крайние участки диапазона измерений и т. п.), создаются и утверждаются специальные эталоны.
Специальный эталонвоспроизводит единицу в особых условиях и заменяет в этих условиях первичный эталон.
Примером специального эталона является эталон мощности электромагнитных волн при частотах 2,6 ... 37,5 ГГц в волно-водных трактах.
Первичный, или специальный, эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным.
Государственные эталоны утверждаются Государственным комитетом стандартов, и на каждый из них утверждается государственный стандарт.
Основное назначение эталонов — служить материально-технической базой воспроизведения и хранения единиц физических величин. Принят принцип систематизации эталонов по воспроизводимым единицам.
Основные единицы Международной системы единиц (СИ) должны воспроизводиться с помощью государственных эталонов, т. е. централизованно. Дополнительные, производные, а при необходимости и внесистемные единицы, исходя из соображений технико-экономической целесообразности, воспроизводятся одним из двух способов:
1) централизованно — с помощью единого для всей страны го-сударственного эталона;
2) децентрализованно — посредством косвенных измерений, вы-
полняемых в органах метрологической службы с помощью образ
цовых средств измерений.
Централизованно воспроизводится большинство важнейших производных единиц СИ (ньютон, джоуль, паскаль, ом, вольт, генри, вебер и др.), а децентрализованно — производные единицы, размер которых не может передаваться прямым сравнением с эталоном (например, единицы площади) или, если поверка мер посредством косвенных измерений проще, чем их сравнение с эталоном, и обеспечивает необходимую точность (например, меры вместимости и объема). При этом, когда для воспроизведения единицы необходимо специально предназначенное оборудование, создаются поверочные установки высшей точности. Примером такой поверочной установки является тахометрическая установка, сравнивающая частоту вращения с частотой образцового генератора.
В метрологической практике широко распространены вторичные эталоны,значения которых устанавливаются по первичным эталонам. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.
В качестве примеров вторичного эталона можно привести эталон-копию единицы массы килограмма в виде платино-ири-диевой гири № 26 и рабочий эталон килограмма, изготовленный из нержавеющей стали.
По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.
Эталон-копияпредставляет собой вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он не всегда может быть физической копией государственного эталона.
Эталон сравнения— вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом. Примером эталона сравнения может служить группа нормальных элементов, применяемая для сличения государственного эталона вольта СССР с эталоном вольта Международного бюро мер и весов.
Эталон-свидетель— вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель применяется лишь тогда, когда государственный эталон является невоспроизводимым.
Рабочий эталон— вторичный эталон, применяемый для хранения единицы и передачи ее размера образцовым средствам измерений высшей точности и при необходимости — наиболее точным рабочим мерам и измерительным приборам.
Допускается применение государственного эталона в качестве рабочего, если это предусмотрено правилами хранения и применения эталона.
Государственные эталоны всегда осуществляются в виде комплекса средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающих воспроизведение единицы и в необходимых случаях ее хранение, а также передачу размера единицы вторичным эталонам.
Вторичные же эталоны могут осуществляться в виде: а) комплекса средств измерений, б) одиночных эталонов, в) групповых эталонов, г) эталонных наборов.
Одиночный эталонсостоит из одной меры, одного измерительного прибора или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение или хранение единицы самостоятельно без участия других средств измерений того же типа. Примерами одиночного эталона являются вторичные эталоны единицы массы — килограмма в виде платино-иридиевой и стальных гирь.
Групповой эталонсостоит из совокупности однотипных мер, измерительных приборов или других средств измерений, применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы. Примером группового эталона служит эталон-копия вольта, представляющий собой группу из 20 нормальных элементов.
Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифметическое из значений, воспроизводимых отдельными мерами и измерительными приборами, входящими в состав группового эталона.
Отдельные меры и измерительные приборы, входящие в групповой эталон, применяют в качестве одиночных рабочих эталонов, если это допустимо по условиям хранения единицы.
Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного составов. В групповые эталоны переменного состава входят меры и измерительные приборы, периодически заменяемые новыми.
Эталонный наборпредставляет собой набор мер или измерительных приборов, позволяющий хранить единицу или измерять величину в определенных пределах. Эти меры или измерительные приборы предназначены для различных значений или различных областей значений измеряемой величины Примером эталонного набора является рабочий эталон единицы плотности жидкостей в виде набора денсиметров, служащих для определения плотности жидкостей в различных участках диапазона.
Подобно групповым эталонам эталонные наборы могут быть постоянного и переменного состава.
Государственные эталоны хранятся в метрологических институтах. Для проведения работ с государственными эталонами назначаются особые ответственные лица — ученые хранители эталонов.
Вторичные эталоны используются в метрологических институтах и в других крупных органах Государственной метрологической службы. По разрешению Госстандарта допускается их хранение и применение в органах ведомственной метрологической службы.
Кроме национальных эталонов единиц физических величин существуют международныеэталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов. Программой деятельности Международного бюро предусмотрены систематические международные сличения национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами и между собой.
Эталоны метра и килограмма сличают раз в 25 лет, электрические и световые эталоны (вольта и ома, канделы и люмена) — раз в 3 года. Проводятся также эпизодические международные сличения эталонов радия, других источников ионизирующих излучений, платиновых термометров сопротивления, температурных ламп и др.
ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ — МЕТРА
В конце XVIII века, в период введения метрической системы мер, был принят первый эталон единицы длины — метр. За метр приняли одну десятимиллионную часть четверти Парижского меридиана.
В 1799 г. на основе измерений части дуги меридиана был изготовлен эталон метра в виде платиновой концевой меры, переданный на хранение в Национальный Архив Франции и получивший название «метра Архива». Метр Архива представляет собой платиновую линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами, равным 1 м,
Повторные измерения дуги меридиана, выполненные в XIX веке, показали, что длина принятого метра несколько короче подлинного «естественного» метра. Так как в дальнейшем при более точных измерениях, вероятно, можно было получить различные значения основной единицы длины, Международная комиссия по прототипам метрической системы, созданная по инициативе Петербургской Академии наук, в 1872 г. решила отказаться от «естественного» эталона метра и принять в качестве исходной меры длину метра Архива.
В соответствии с решением этой комиссии был изготовлен 31 эталон метра в виде штриховой меры из сплава платины с иридием. Из них метр № 6 оказался при 0°С равным метру Архива и был принят в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были распределены между различными государствами.
Эталон метра представляет собой платино-иридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении форму X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм. Платино-иридиевый эталон метра № 28, полученный Россией в 1889 г., был в последующем утвержден в качестве Государственного эталона СССР.
В 1927 г. VII Генеральная конференция по мерам и весам утвердила следующее определение метра, действовавшее до 1960 г. «Единица длины — метр — определяется расстоянием при 0°С между осями двух средних штрихов, нанесенных на платино-ири-диевом бруске, хранящемся в Международном бюро мер и весов и принятом в качестве прототипа метра I Генеральной конференцией по мерам и весам, при условии, что эта линейка находится при нормальном атмосферном давлении и поддерживается двумя роликами диаметром не менее 1 см, расположенными симметрично в одной горизонтальной плоскости на расстоянии 571 мм один от другого».
Требования к повышению точности эталона единицы длины (платино-иридиевый прототип метра не может дать точности воспроизведения выше 0,1—0,2 мкм), а также целесообразность установления естественного и неразрушимого эталона привели к тому, что XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. приняла в качестве эталона единицы длины метр, выраженный в длинах световых волн оранжевой линии спектра криптона-86, соответствующей переходу между уровнями 2p10 и 5d5 этого атома.
В резолюции XI Генеральной конференции по мерам и весам о новом определении метра указывается, что, с одной стороны, международный прототип не определяет метр с точностью, достаточной для современных потребностей, и что, с другой — желательно принять естественный и неразрушимый эталон, поэтому конференция решает:
1. Метр — есть длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86.
2. Определение метра, действующее с 1889 г., основанное на международном платино-иридиевом эталоне, отменяется.
3. Международный прототип метра, утвержденный I Генеральной конференцией по мерам и весам в 1889 г., будет храниться в Международном бюро мер и весов в таких же условиях, какие были установлены в 1889 г.
Новый эталон метра может воспроизводиться в отдельных метрологических лабораториях, и точность его по сравнению с платино-иридиевым прототипом выше на порядок (в 10 раз).
ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ МАССЫ – КИЛОГРАММА
При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4° С). В этот период были проведены точные определения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и в воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.
Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Как и прототип метра, он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.
В XIX веке повторно осуществили несколько тщательных измерений массы одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4° С. При этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0,028 г) меньше массы прототипа килограмма Архива. Для того, чтобы при дальнейших более точных взвешиваниях не менять значения исходной единицы массы, на Международной комиссии по эталонам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.
При изготовлении платино-иридиевых эталонов килограмма за международный прототип был принят тот, масса которого менее всего отличалась от массы прототипа килограмма Архива. Он представляет собой гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм.
В связи с принятием условного прототипа единицы массы литр оказался не равным кубическому дециметру. Это отклонение (1 л = 1,000028 дм3) соответствует разности между массой международного прототипа килограмма и массой кубического дециметра воды. В 1964 г. XII Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение о приравнивании объема 1 л к 1 дм3 (точно).
Следует отметить, что в момент установления метрической системы мер не было четкого разграничения понятий массы и веса, поэтому международный прототип килограмма считался эталоном единицы веса. Однако уже при утверждении международного прототипа килограмма на I Генеральной конференции по мерам и весам 1889 г. килограмм был утвержден в качестве прототипа массы. Четкое разграничение килограмма как единицы массы и килограмма как единицы силы было дано в решениях III Генеральной конференции по мерам и весам.
В связи с развитием работ по созданию новых эталонов единиц физических величин, основанных на атомных постоянных (метра — на длине световой волны, секунды — на частоте колеба-
ний атомов и молекул, электрических и магнитных единиц — на гиромагнитном отношении протона), возник вопрос и о связи единицы массы с атомными константами. Этим объясняются предложения о применении для метрологических целей такой константы, как масса нейтрона.
Разработка и создание образцов одноизотопного состава с массой порядка 1 мг для исследования их масс спектрометрическим и массовым методами является весьма перспективной. Можно предполагать, что это даст возможность связать современный условный эталон массы, имеющий разрушимый и невоспроизводимый характер, с естественными константами масс атомных частиц, неизменных с точностью, далеко превосходящей любые практические требования.
Государственный первичный эталон килограмма предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения массы — килограмма.
В состав эталона входит:
1. Копия международного прототипа килограмма — платино-иридиевый прототип № 12, представляющая собой гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Плотность платино-иридиевого сплава — 21548, 1 кг/м3, содержание иридия в сплаве 10,08—10,09%, объем килограмма при 0°С составляет 46,408 см3.
2. Эталонные весы № 1 (Рупрехта) на 1 кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам по методике, установленной спецификацией.
Масса килограмма № 12 в 1899 г. равнялась 1 кг+0,068 мг. По результатам сличений с эталонами Международного бюро мер и весов, произведенных в 1948—1954 гг., масса прототипа № 12 равна 1,000000085 кг.
Цена деления эталонных весов не превышает 4-Ю-8 кг, среднее квадратическое отклонение ряда наблюдений не более 3-10~8 кг.
ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ВРЕМЕНИ — СЕКУНДЫ
Еще в древности счет времени основывался на периоде обращения Земли вокруг своей оси.
До недавнего времени секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток. За средние солнечные сутки принимали интервал времени между двумя последовательными одноименными кульминациями среднего Солнца. Под средним Солнцем понимали воображаемое Солнце, движущееся равномерно по небесному экватору и совершающее один оборот по небесному своду за тот же промежуток времени, что и истинное Солнце, движущееся неравномерно по эклиптике. Однако наблюдения за продолжительный период времени показали, что вращение Земли подвержено
нерегулярным колебаниям, которые не позволяют рассматривать его в качестве достаточно стабильной естественной основы для определения единицы времени.
Средние солнечные сутки определены с погрешностью 10-7. Эта точность совершенно недостаточна при нынешнем состоянии техники частот.
Возникла необходимость в новом естественном эталоне времени, обеспечивающем большую точность воспроизведения единицы времени — секунды. После рассмотрения этого вопроса на генеральных ассамблеях Международного астрономического союза и генеральных конференциях по мерам и весам было принято в I960 г. новое астрономическое определение единицы времени. Оно основано не на вращении Земли вокруг своей оси, а на движении Земли вокруг Солнца. В качестве основы определения принята длительность тропического года, т. е. интервал времени между двумя весенними равноденствиями, следующими одно за другим. Это позволяет почти на три порядка (в 1000 раз) повысить точность определения единицы времени.
За секунду была принята 1/31556925,9747 часть тропического года на 0 января 1900 г. в 12 часов эфемеридного времени. Тропический год сам по себе не является постоянным, поэтому было необходимо исходить из одного определенного года. Дата «О января 1900 г. 12 часов» выражена в принятом астрономами порядковом счете времени и соответствует полудню 31 декабря 1899 г. Под эфемеридным временем понимают время в системе счисления, в которой длительность единицы равна эфемеридной секунде, согласно приведенному выше определению секунды через тропический год на 0 января 1900 г.
Практически точная единица времени стала доступной благодаря сигналам времени, передаваемым по радио. Эти сигналы передаются от кварцевых часов (генераторов электромагнитных колебаний с пьезокварцевыми резонаторами), которые являются мерами частоты.
В последние годы созданы новые молекулярные и атомные эталоны частоты и времени, основанные на способности молекул и атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими уровнями в области радиочастот. В настоящее время имеется несколько типов молекулярных и атомных эталонов частоты и времени, из которых наиболее широко применяются следующие:
-молекулярный генератор с молекулярным пучком аммиака (NHg), разработанный советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, основанный на разделении молекул аммиака по двум энергетическим уровням посредством сортирующего и фокусирующего электрического поля;
-эталон с атомным пучком цезия, основанный на сортировке атомов цезия по уровням сверхтонкой структуры с помощью неоднородного магнитного поля.
ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ СИЛЫ СВЕТА — КАНДЕЛЫ
В прошлом столетии в разных странах применялись различные эталонные источники единицы силы света — свечи. На Международном конгрессе электриков в 1881 г. была принята единица силы света — единица Виоля. За единицу Виоля принималась сила света, излучаемая квадратным сантиметром поверхности затвердевающей платины по направлению нормали к этой поверхности. В 1889 г. на Международном конгрессе электриков способ воспроизведения единицы Виоля получил название «абсолютного эталона силы света». Одна двадцатая единицы Виоля была принята конгрессом как практическая единица силы света.
Учитывая, что реальное осуществление эталона единицы Виоля связано с серьезными трудностями, Международный конгресс электриков в 1893 г. принял в качестве эталона силы света предложенную в 1884 г. нормальную лампу Гефнера-Альтенека, в которой сжигался чистый амилацетат. Сила света этой лампы принималась за единицу при высоте пламени 40 мм и ширине 8 мм.
В конце первого десятилетия XX века был поставлен вопрос о замене пламеневых эталонов силы света эталонами, осуществленными при помощи электрических ламп накаливания. В 1909 г. за единицу силы света была принята «международная свеча», являющаяся производной от единицы Виоля и осуществляемая и поддерживаемая при помощи электрических ламп. Эталонные электрические лампы могли сохранять в течение многих лет неизменно световые единицы с погрешностью не больше 0,1%.
К концу тридцатых годов в метрологических учреждениях были созданы новые световые эталоны, основанные на полном излучателе (абсолютно черном теле).
В современном первичном эталоне единицы силы света (рис. 1,слева внизу) в качестве полного излучателя используется керамическая трубочка, помещенная в расплавленную платину с точкой плавления 2042 К- Платина находится в керамическом тигле 2, нагреваемом от генератора высокой частоты 1. Верхнее отверстие
трубки дает излучение, как абсолютно черное тело определенной температуры. Затем размер канделы от первичного светового эталона передается с помощью оптической системы 3 и фотометра 4 рабочему эталону — лампе накаливания 5.
Рис. 1
В соответствии с принятым в 1948 г. и уточненным в 1967 г. на генеральных конференциях по мерам и весам определением за кан-делу принимается сила света, испускаемого с площади 1/600000 м2 сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре затвердевания платины (при атмосферном давлении, равном 101325 Па).
Государственный первичный эталон единицы силы света — канделы — состоит из
двух взаимозаменяемых полных излучателей с обозначением 1-ба и 2-бв, осуществляемых по спецификации Международного комитета мер и весов на первичный световой эталон; (полный излучатель представляет собой тонкостенную трубку из плавленой окиси тория, погруженную в чистую платину в сосуде из окиси тория. Сосуд с платиной установлен в два кварцевых стакана, заполненных один окисью тория, другой – окисью циркония); аппаратуры к полным излучателям:
а) высокочастотной индукционной печи для нагрева и возбуждения свечения излучателя;
б) оптических устройств для фокусировки изображения светящегося отверстия излучателя;
в) установки со зрительным и фотоэлектрическим фотометром для передачи размера единицы вторичным эталонам.
Среднее квадратическое отклонение результата воспроизведения и передачи единицы силы света Государственным первичным эталоном не превышает 2-10-3.
Для дальнейшего совершенствования и повышения точности первичного светового эталона был внесен ряд предложений. Замена точки затвердевания платины точкой затвердевания иридия дала бы выигрыш в яркости эталонного источника (более чем в 10 раз). С другой стороны, чтобы облегчить создание полного излучателя, предложено уменьшить опорную температуру, например, до точки затвердевания золота или палладия. Предлагается также в качестве основы для построения эталона силы света применять не излучатель, а приемник света.