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.