Класифікація величин

 

Зміст

Вступ

1.Класифікація величин

1.1 Загальні поняття про еталони

1.2 Класифікація еталонів

1.3 Еталон одиниці довжини -- метр

1.4 Еталон одиниці маси -- кілограм

1.5 Еталон одиниці часу -- секунда

1.6 Еталон одиниці сили електричного струму -- ампер

1.7 Еталон одиниці температури -- кельвін

1.8 Еталон одиниці сили світла – кандела

2.Основні метрологічні  поняття і терміни

Література (1)

                    (2)

 

Вступ

Проблема забезпечення єдності вимірювань має вік, порівнянний з віком людства. Як тільки людина стала обмінювати або продавати результати своєї праці, виникло питання - як великий еквівалент цієї праці і як великий продукт, представлений на обмін або продаж. Для характеристики цих величин використовувалися різні властивості продукту - розміри, - як лінійні, так і об'ємні, - маса або вага, пізніше колір, смак, склад і т. д. і т. п. Природно, що в давні часи ще не існувало розвиненого математичного апарату, не було чітко сформульованих фізичних законів, що дозволяють охарактеризувати якість і вартість товару. Тим не менше проблема справедливої ​​збалансованої торгівлі була актуальна завжди. Від цього залежав добробут суспільства, від цього ж виникали війни.  
Першими засобами забезпечення єдності вимірювань були об'єкти, які є в розпорядженні людини завжди. Так з'явилися перші міри довжини, що спираються на розміри рук і ніг людини. На Русі використовувалися лікоть, п'ядь, сажень, косий сажень. На Заході - дюйм, фут, що зберегли свою назву до цих пір. Оскільки розміри рук і ніг у різних людей були різними, то належне єдність вимірювань не завжди вдавалося забезпечити. Наступним кроком були законодавчі акти різних правителів, розпорядчі, наприклад, за одиницю довжини вважати середню довжину стопи декількох людей. Іноді правителі просто робили два карби на стіні ринкової площі, наказуючи всім торговцям робити копії таких «еталонних мір». В даний час таку міру можна бачити на Вандомській площі в Парижі в тому місці, де колись розташовувався головний ринок Європи.  
У міру розвитку людства і науки, особливо фізики і математики, проблему забезпечення єдності вимірювань стали вирішувати більш широко. З'явилися державні служби та сховища заходів, з якими торговцям в законодавчому порядку наказувалося порівнювати свої заходи. Для визначення розмірів одиниць вибиралися розміри об'єктів, які не змінюються з часом. Наприклад, для визначення розміру одиниці довжини вимірювався меридіан Землі, для визначення одиниці маси вимірювалася маса літра води. Одиниці часу з давніх часів до теперішнього моменту пов'язують з обертанням Землі навколо Сонця і навколо власної осі.  
Подальший прогрес у забезпеченні єдності вимірювань складався вже в довільному виборі одиниць, не пов'язаних з речовинами або об'єктами. Це пов'язано з тим фактом, що виготовити копію заходи (передати розмір одиниці будь-якої величини) можна з набагато більш високою точністю, ніж повторно незалежно відтворити цю міру. У самому справі, точність визначення довжини меридіана і поділу його на 40 мільйонів частин виявляється дуже невисокою. Докладно до цього ми повернемося при визначенні основних понять і категорій метрології. Тут в короткому історичному екскурсі цікаво згадати, що програма вимірювання довжини паризького меридіана виявилася більш корисною у складанні детальних карт перед наполеонівськими війнами, ніж у точному визначенні одиниці довжини.  
Гігантський стрибок в точності вимірювань механічних величин був здійснений при впровадженні лазерів у вимірювальну техніку. Образно кажучи, точність засобів вимірювання стала визначатися параметрами окремого атома. Якщо вибрати певний тип атома, певний ізотоп елемента, помістити атоми в резонатор лазера і використовувати всі переваги, властиві лазерному випромінюванню, то реально досяжна похибка відтворення одиниці довжини може позначатися в тринадцятому-чотирнадцятим знаках.  
Історія розвитку науки про забезпечення єдності вимірювань може бути простежена не тільки на вдосконаленні точності та однаковості визначення якоїсь однієї одиниці. Важливим моментом є кількість одиниць фізичних величин, їх віднесення до основних або похідних, а також історичний аспект освіти поздовжніх і кратних одиниць.  
У міру вдосконалення фізики і математики з'явилася проблема виміру нового класу фізичних величин. Так при розвитку теорії електрики постало питання - як бути з одиницями електромагнітних величин? З одного боку, новий клас явищ підказував необхідність введення нових одиниць і величин. З іншого - початково був встановлений зв'язок між електромагнітними явищами і ефектами механічними - закони Кулона і Біо-Савара-Лапласа. Точки зору найбільш авторитетних вчених з цього приводу також розділилися. Деякі вважали, що «розгляд (електромагнітних явищ) буде більш плідною, якщо ввести четверту, не залежну від механічних одиницю» (А. Зоммерфельд). Інші, навпаки, вважали різні прояви властивостей матерії єдиним цілим і були противниками введення незалежних електричних величин та одиниць. У результаті в практиці з'явилися системи одиниць фізичних величин, що мають різне число основних, тобто довільно вибраних, фізичних величин. Детально на цьому ми зупинимося в розділі, присвяченому одиницям фізичних величин.  
З історичної точки зору цікаво звернути увагу на сформовану практику освіти Дольних (більш дрібних) і кратних (більших) одиниць фізичних величин. В даний час ми користуємося в основному десятковою системою рахунку, і чинна міжнародна система одиниць фізичних величин наказує утворювати частинні та кратні одиниці, домножимо розмір основної одиниці на множник, кратний десяти. Тим не менш, історія знає використання найрізноманітніших множників кратності. Наприклад, сажень як міра довжини дорівнювала трьом аршинам, 1 фут дорівнював 12 дюймам, 1 аршин - 16 вершка, 1 пуд - 40 фунтам, 1 золотник - 96 часткам, 1 верста - 500 сажням і т.д.  
Така історично склалася практика освіти поздовжніх і кратних величин виявилася вкрай незручною. Тому при прийнятті міжнародної системи одиниць СІ на цю проблему зверталася особлива увага. За великим рахунком десяткова система виявилася незручною тільки при обчисленні часу, тому що одиниці однойменної величини різного розміру виявилися кратними 12 (співвідношення року і місяця) і 365,25 (співвідношення року і доби). Ця кратність обумовлена ​​швидкістю обертання Землі і фазами Місяця і є найбільш природною. Подальша заміна кратності у співвідношенні час-хвилина і хвилина-секунда з 60 на кратне 10 вже особливого сенсу не мала. З інших часто вживаних фізичних величин і одиниць відступу від десяткової системи збереглося в градусній мірі кута, коли окружність ділиться на 360 градусів, а градус на хвилини і секунди.  
Здійснюючи історичний екскурс у метрологію, не слід забувати, що все сказане повною мірою відноситься тільки до країн-учасниць Метричної конвенції. У багатьох країнах до цих пір зберігається своя особлива, іноді екзотична система фізичних величин і одиниць. Серед цих країн, як це не дивно, знаходяться Сполучені Штати Америки - сучасна супердержава. Усередині цієї країни до цих пір в побуті величини та одиниці старої Англії. Навіть температуру там прийнято вимірювати в градусах Фаренгейта.  
У зв'язку з вищевикладеним знайомство з системами одиниць, відмінними від системи СІ, знайомство з різними системами рахунку одиниць при вимірах в даний час носять не тільки пізнавальний характер. При розширенні міжнародних контактів може виявитися так, що знання альтернативних систем величин і одиниць послужить користувачеві добру службу.  
При викладі основних моментів, що відносяться до системи СІ, і при розгляді окремих видів вимірювань ми іноді будемо повертатися до історичних коренів вибору тих чи інших фізичних величин. Зараз важливо пам'ятати, що розглянута проблема оптимального вибору фізичних величин і одиниць буде існувати завжди, так як науково-технічний прогрес постійно надає нові можливості в практиці вимірювань. Сьогодні це лазери і синхротронне випромінювання, і завтра, можливо, з'являться нові горизонти, які спираються на «теплу надпровідність» або яке-небудь чудове досягнення людської думки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Класифікація величин

1.1 Загальні поняття про еталони

Для забезпечення єдності вимірювань необхідна чітка тотожність одиниць, в яких були б проградуйовані усі засоби технічних вимірювань однієї й тієї самої фізичної величини. Це досягається шляхом точного відтворення та збереження прийнятих на Міжнародній конференції з мір і ваги одиниць фізичних величин і передачі їх розмірів засобам вимірювань.Відтворення, збереження та передача розмірів одиниць проводиться за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірювань. Вищою ланкою у метрологічному колі передачі розмірів одиниць вимірювання фізичних величин є еталони.

Еталон одиниці фізичної величини -- це засіб вимірювальної техніки, який забезпечує відтворення та зберігання одиниці фізичної величини та передавання її розміру відповідним засобам, що стоять нижче за повірочною схемою, офіційно затверджений як еталон.

Всі основні одиниці фізичних величин відтворюються з найвищою точністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються у Міжнародному бюро мір та ваги у спеціальних лабораторіях у м. Севра поблизу Парижа. Програмою діяльності Міжнародного бюро мір та ваги передбачені систематичні міжнародні зіставлення національних еталонів великих метрологічних лабораторій різних держав з міжнародними еталонами та між собою.

Еталони метра та кілограма звіряються раз на 25 років, електричні та світлові еталони (ампера, вольта, ома, кандели та ін.) -- раз на 3 роки. Проводяться також епізодичні міжнародні звіряння еталонів джерел іонізаційного випромінювання, платинових термометрів опору, температурних ламп та ін.

Основне призначення еталонів -- бути матеріальною базою для відтворення та збереження одиниць фізичних величин.

 

1.2 Класифікація еталонів

еталон фізичний величина

Міжнародні та національні еталони поділяються на первинні та вторинні еталони. Первинним називається еталон, за допомогою якого відтворюється одиниця фізичної величини з найвищою точністю відповідно у світі й державі. За точністю відтворення одиниці він є найточнішим. Первинні еталони одиниць основних фізичних величин відтворюють одиниці відповідно до їхнього визначення, прийнятого Міжнародною конференцією з мір та ваги. Наприклад, первинний еталон метра у довжинах світлових хвиль випромінювання криптону-86.

Для відтворення одиниць в особливих умовах, в яких пряма передача розміру одиниці від еталонів технічно неможлива із заданою точністю (високий тиск, температура, частота та ін.), розробляються та затверджуються спеціальні еталони.

Первинні та спеціальні еталони офіційно затверджуються для держави як первинні і називаються державними еталонами. Державні еталони затверджуються Держстандартом, і на кожний з них ухвалюється державний стандарт.

Державні еталони зберігаються у метрологічних інститутах або центрах держави, а для проведення робіт з ними призначаються відповідальні вчені, зберігачі еталонів.

У метрологічній практиці широко використовують вторинні еталони, значення яких встановлюється за найточнішими первинними еталонами.

За своїм метрологічним призначенням вторинні еталони поділяються на еталони-копії, еталони передавання, еталони-свідки та робочі еталони.

Еталон-копія є вторинним еталоном, призначеним для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим еталонам. Він не завжди може бути фізичною копією державного еталону.

Еталон передавання -- вторинний еталон, який призначений для звіряння еталонів, котрі з тих чи інших причин не можуть безпосередньо звірятися один з одним. Прикладом еталону передавання може бути група нормальних елементів, яка використовується для звіряння державного еталона вольта з еталоном вольта Міжнародного бюро мір та ваги.

Еталон-свідок -- вторинний еталон, призначений для повірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Еталон-свідок має найвищу серед вторинних еталонів точність та використовується лише тоді, коли державний еталон не можна відтворити.

Робочий еталон -- вторинний еталон, призначений для збереження одиниці й передачі її розміру зразковим засобам вимірювальної техніки а в окремих випадках -- робочим засобом вимірювальної техніки найвищої точності.

Державні еталони завжди представляють комплекс засобів вимірювань та допоміжних пристроїв, які забезпечують відтворення одиниці фізичної величини, а в необхідних випадках її збереження та передачу розміру одиниці вторинним еталоном.

Вторинні еталони можуть подаватися у вигляді комплексу засобів вимірювань, поодиноких і групових еталонів та еталонних приладів.

Поодинокий еталон складається з одного вимірювального засобу (міри, приладу), який забезпечує відтворення та збереження одиниці самостійно, без участі інших засобів вимірювання того самого типу. Прикладом поодинокого еталона є вторинний еталон одиниці маси -- кілограм у вигляді платино-іридієвої та сталевої гирі.

Груповий еталон складається із сукупності однотипних засобів вимірювань, що використовуються як одне ціле для підвищення надійності збереження одиниці. Прикладом групового еталона є еталон-копія вольта у вигляді 20 нормальних елементів.

Вторинні еталони (робочі) використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних територіальних органах Держстандарту України, а з дозволу Держстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.

 

1.3 Еталон одиниці довжини -- метр

Наприкінці XVIII століття при введенні метричної системи мір був прийнятий перший еталон одиниці довжини -- метр. За метр прийняли одну десятимільйонну частину Паризького меридіана.

У 1799 році на основі виміряної частини дуги меридіана був виготовлений еталон метра у вигляді платинової лінійки шириною 25 мм, товщиною 4 мм та довжиною в 1 м. Пізніше платиновий метр передали на збереження до Національного архіву Франції, який одержав назву "метра Архіву".

Повторні вимірювання дуги меридіана показали, що довжина метра дещо коротша за дійсний "природний" метр, проте Міжнародна комісія з прототипів метричної системи у 1872 році вирішила відмовитись від "природного" еталона метра і за одиницю довжини прийняла "метр Архіву".

За рішенням цієї комісії був виготовлений 31 прототип метра у вигляді штрихової міри з платино-іридієвого сплаву. Серед них прототип № 6 при температурі 0 °С виявився найбільш тотожним "метру Архіву" і в 1889 р. на І Генеральній конференції з мір та ваги був ухвалений за міжнародний еталон метра. Решта 30 прототипів були розподілені між державами-учасницями, які у 1875 році підписали Метричну конвенцію.

Еталон метра -- це платино-іридієва фігурна лінійка довжиною 102 см з поперечним перерізом у формі X, вписаної в уявний квадрат, сторона якого дорівнює 20 мм. На верхніх площинах Х-форми на обох кінцях лінійки проведено по 3 штрихові лінії, а одиниця довжини в 1 метр розташована між середніми штриховими лініями.

Росія у 1889 році одержала платино-іридієвий прототип метра № 28, який пізніше був затверджений як державний еталон метра в СРСР.

У 1927 році VII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила таке визначення метра: "Одиниця довжини метр визначається відстанню при 0 °С між осями двох середніх штрихів, нанесених на платино-іридієвому бруску, який зберігається у Міжнародному бюро мір та ваги і прийнятий за еталон метра І Генеральною конференцією з мір та ваги, за умови, що ця лінійка зберігається при нормальному атмосферному тиску і підтримується двома роликами діаметром не менше 1 см, розміщеними симетрично в одній горизонтальній площині на відстані 571 мм один від одного".

Науково-технічний прогрес потребує підвищення точності еталона одиниці довжини, тому що платино-іридієвий прототип метра неспроможний забезпечити необхідну високу точність відтворення, вищу за 0,1--0,2 мкм. До того ж назріла необхідність розроблення природного неруйнівного еталона, що обумовлює встановлення нового природного еталона метра.

У 1960 році XI Генеральною конференцією з мір та ваги було ухвалено новий хвильовий еталон метра, який виражається у довжинах світлових хвиль у вакуумі оранжевої лінії спектру криптону-86. Відповідно до рішення конференції "метр -- це довжина, що дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі й відповідає переходу між рівнями 2р10 та 5d5 атома криптону-86".

Новий еталон метра можна відтворити у метрологічних лабораторіях з точністю, яка на порядок вища від плати-но-іридієвого його прототипу, хоча на конференції підкреслювалося, що точність нового еталона є недостатньою через несиметричність випромінювання монохроматичного джерела. Вчені світу працюють над розробленням нових монохроматичних джерел випромінювання, що дасть змогу максимально підвищити точність одиниці довжини.

Місце зберігання еталона метра у колишньому СРСР -- Всесоюзний науково-дослідний інститут метрології ім. Д.І. Менделєєва (ВНДІМ) (м. Санкт-Петербург). В Україні еталон метра зберігається у Харківському науково-виробничому об'єднанні "Метрологія".

За рішенням останньої Генеральної конференції з мір і ваги ухвалене таке визначення одиниці довжини метр: метр -- довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/299792458 частину секунди.

 

1.4 Еталон одиниці маси -- кілограм

При встановленні метричної міри за одиницю маси прийнято масу одного кубічного дециметра чистої води при температурі, що забезпечує її найбільшу густину (4 °С).

Виготовлений на основі точних зважувань перший прототип кілограма є платиновою циліндричною гирею висотою 39 мм, що дорівнює діаметру циліндра. Як і прототип метра, кілограм передано на зберігання у Національний архів Франції.

При виготовленні платино-іридієвих еталонів кілограма за міжнародний прототип було прийнято той, маса якого менше за все відрізнялася від маси "кілограма Архіву". Міжнародний прототип кілограма -- це гиря у вигляді прямого циліндра із заокругленими ребрами діаметром і висотою 39 мм.

Оскільки прийнятий умовний прототип одиниці маси -- літр -- також не був абсолютно тотожним кубічному дециметру (1 л = 1,000028 дм3) і невідповідність між ними становила різницю між масою міжнародного прототипу кілограма і масою кубічного дециметра води, то у 1964 році XII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила рішення про прирівняння об'єму 1 літра до 1 дм3.

Зазначимо, що у період встановлення метричної системи мір не було чіткого розуміння маси та ваги, тому міжнародний прототип кілограма приймали як еталон одиниці ваги. Проте уже при затвердженні міжнародного прототипу в 1889 р. кілограм був прийнятий як прототип маси. Чітке розмежування між кілограмом маси та кілограмом сили було здійснене за рішенням III Генеральної конференції з мір та ваги.

З розвитком наукових робіт щодо створення нових природних еталонів одиниць фізичних величин, що базувалися на атомних постійних величинах (метр -- на довжині світлових хвиль; секунда -- на частоті коливань атомів та молекул), виникло питання про зв'язок одиниці маси з атомними константами. Цим пояснюється пропозиція щодо використання для метрологічних цілей такої константи, як маса нейтрона. Можна припустити, що це дасть можливість з високою точністю ув'язати сучасний умовний еталон маси з природними константами маси атомних часток.