Международная система единиц СИ

«Ни одно изобретение не может сразу стать совершенным».

Цицерон

Впервые понятие системы единиц, как совокупности основных и производных единиц, в 1832 году предложил немецкий ученый К.Ф. Гаусс. Основные правила построения данной системы сводились к следующему:

· Обоснованно, но практически произвольно выбираются независимые друг от друга основные ФВ;

· Устанавливаются основные единицы ФВ. Для этого, какому-либо размеру основной ФВ приписывается числовое значение равное 1. Данный выбор никак не обосновывался теоретически, был произвольным и определялся исключительно удобством его применения;

· Устанавливаются производные единицы ФВ на основе физических формул (определяющих уравнений).

Гауссом была разработана система единиц, названная им «абсолютной». В качестве основных единиц в данной системе были приняты: единица длины – метр, единица массы – миллиграмм, единица времени – секунда. Абсолютной данная шкала являлась только по условному названию, так как для оптики, химии и молекулярной физики данных единиц было явно недостаточно.

В 1881 году была предложена система СГС. Основными единицами данной системы были сантиметр, грамм и секунда, а производными – килограмм-сила (единица силы) и эрг (единица работы). Основным неудобством данной системы являлась трудность пересчета единиц в другие системы. В начале ХХ века была разработана система МКСА, которая основывалась на метре, килограмме, секунде и ампере (единице силы тока), а производными единицами служили Ньютон - единица силы, Джоуль - единица энергии и Ватт – единица мощности. В дальнейшем стали возникать все новые и новые системы единиц, пока их обилие не стало тормозить НТП. Ни одна из предложенных систем не являлась универсальной, так как не охватывала все области деятельности точных наук.

Многообразие систем единиц для разных областей измерений создавало трудности в научной и экономической деятельности людей, как в отдельных странах, так и в международном масштабе. Поэтому, для обеспечения единства измерений, унификации и систематизации единиц ФВ, в 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ) была принята Международная система единиц SI (отSistem International) [16-24].

Система СИ является универсальной для всех разделов физики, и в настоящее время состоит из семи основных (табл. 7), двух дополнительных и необходимого числа производных единиц (табл. 8, рис. 3).

Таблица 7

Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ

Наименование величины	Размерность величины	Обозначение величины	Наименование единицы	Обозначение единицы (русское)	Обозначение единицы (международное)
Основные
Длина	L	l	метр	м	m
Масса	M	m	килограмм	кг	kg
Время	T	t	секунда	с	s
Сила электрического тока	I	I	ампер	А	F
Термодинамическая температура	Q	T	кельвин	К	K
Количество вещества	N	n v	моль	моль	mol
Сила света	J	J	канделла	кд	cd
	Дополнительные
Плоский угол			радиан	рад	rad
Телесный угол			стерадиан	ср	sr

К основным единицам системы СИ относятся:

· единица длины – метр – расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Ранее действующее определение метра, как «расстояние, определяемое при температуре 0^оС между осями двух средних штрихов, нанесенных на платиноирудиевом бруске, хранящимся в Международном бюро мер и весов и принятом в качестве прототипа метра Первой 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» имело существенные недостатки. Оно не соответствовало прототипу «естественной» меры, так как в результате повторных измерений выяснилось, что длина принятого метра несколько меньше одной десятимиллионной доли четверти парижского меридиана. Во-вторых, при измерении штриховой меры неизбежны погрешности, обусловленные шириной самих штрихов и их формой. Новое определение метра является достаточно точным, хотя, как это не парадоксально, ставит длину в зависимость от времени.

Таблица 8

Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название

Величина	Единица
Наименование	Размер- ность	Наиме- нование	Обозна- чение	Выражение через единицы СИ
Частота	T^-1	Герц	Гц	с^-1
Сила, вес	LMT^-2	Ньютон	Н	м кг с^-2
Давление, механическое напряжение	L^-1MT^-2	Паскаль	Па	м^-1 кг с^-2
Энергия, работа, количество теплоты	L^2MT^-2	Джоуль	Дж	м^2кг с^-2
Мощность	L^2MT^-3	Ватт	Вт	м^2кг с^-3
Количество электричества	TI	Кулон	Кл	с А
Электрическое напряжение, по- тенциал, электродвижущая сила	L^2MT^-3I^-1	Вольт	В	м^2кг с^-3 А^-1
Электрическая емкость	L^-2M^-1T^4I^2	Фарад	Ф	м^-2кг^-1с^4А^2
Электрическое сопротивление	L^2MT^-3I^-2	Ом	Ом	м^2кг с^-3 А^-2
Электрическая проводимость	L^-2M^-1T^3I^2	Сименс	См	м^-2кг^-1с^3А^2
Поток магнитной индукции	L^2MT^-2I^-1	Вебер	Вб	М^2 кг с^-2 А^-1
Магнитная индукция	MT^-2I^-1	Тесла	Тл	кг с^-2 А^-1
Индуктивность	L^2MT^-2I^-2	Генри	Гн	м^2 кг с^-2 А^-2
Световой поток	J	Люмен	Лм	кд ср
Освещенность	L^-2J	Люкс	Лк	м^-2 кд ср
Активность радионуклида	T^-1	Бекке- рель	Бк	с^-1
Поглощенная доза ионизирующего излучения	L^2T^-2	Грей	Гр	м^2 с^-2
Эквивалентная доза излучения	L^2T^-2	Зиверт	Зв	м^2 с^-2

· единица массы – килограмм – равная массе международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия. До сих пор килограмм является чисто договорной единицей, так как современное развитие науки пока не позволяет с достаточной степенью точности связать килограмм с естественными атомными константами, которые могли бы стать базой для создания более совершенного эталона килограмма. Килограмм является прототипом единицы массы, а не веса, потому что вес оказывается различным в зависимости от широты местности и ее высоты над уровнем моря, в то время как масса остается неизменной.

· единица времени – секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей. В более привычном понимании мы рассматриваем секунду, как 1/86400 часть продолжительности солнечных суток, хотя нахождение единицы времени в соответствии с данным определением очень условно, и зависит от изменения истинных солнечных суток в течении года.

· единица силы электрического тока – ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным 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.

· единица термодинамической температуры – кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Следует отметить, что единица измерения совпадает с общепринятой и широко применяемой единицей температуры по шкале Цельсия – градусом.

· единица количества вещества – моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода -12 массой 0,012 кг.

· единица силы света – канделла равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*10¹²Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср².

Три первые единицы системы применяются в механике. Для образования производных величин в области электрических и магнитных измерений добавляется единица силы электрического тока, в области теплотехники – единица термодинамической температуры, в оптике – единица силы света, в молекулярной физике – единица количества вещества.

В системе СИ впервые введено понятие дополнительных единиц: радиана и стерадиана, однако определение дополнительным единицам не дано. Радиан – единица плоского угла, равная внутреннему углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Стерадиана – единица телесного угла, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности этой сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Рис. 3. Связь основных и некоторых производных единиц системы СИ

На территории России система СИ постоянно действует с 1 января 1982 года в соответствии с ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин» [25]. Все ранее действующие до 1982 года системы единиц подлежат изъятию. Система СИ принята и используется в большинстве стран мира. Это обусловлено ее явными достоинствами и преимуществами перед другими системами, к которым относятся:

· унификация единиц ФВ на базе системы СИ;

· универсальность для всех областей науки и техники;

· удобство практического применения;

· упрощение записи уравнений и формул, в связи с отсутствием переводных коэффициентов;

· единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования;

· облегчение педагогического процесса в средней и высшей школе;

· улучшение взаимопонимания при дальнейшем развитии научно-технических и экономических связей между странами;

· повышение эффективности труда проектировщиков, конструкторов, производственников и научных работников;

· возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением.

Дата добавления: 2014-11-29