Класифікація величин

Державним первинним еталоном кілограма в колишньому СРСР був платино-іридієвий прототип № 12 -- гиря у вигляді прямого циліндра з заокругленими ребрами, діаметром та висотою 39 мм. Густина платино-іридієвого сплаву -- 21548,1 кг/м3, вміст іридію у сплаві -- 10,08--10,09 %, об'єм кілограма при 0 °С становить 46,408 см3.

У 1899 р. маса прототипу кілограма № 12 дорівнювала 1,000000068 кг. За результатами звіряння його з міжнародними еталонами у 1948--1954 pp. маса прототипу № 12 стала дорівнювати 1,00000085 кг.

 

 

 

 

 

1.5 Еталон одиниці часу -- секунда

Ще в стародавні часи відлік часу ґрунтувався на обертанні Землі навколо своєї осі. До недавнього часу секунда визначалась як 1/8640 частини середньої сонячної доби. За середню сонячну добу прийнято інтервал часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями середнього Сонця. Під середнім Сонцем розуміли уявне Сонце, яке рівномірно рухається по небесному екватору і здійснює один оберт по небосхилу за той проміжок часу, що й істинне Сонце, яке рухається нерівномірно за екліптикою. Проте спостереження показали, що обертанню Землі властиві нерегулярні коливання, а це не дозволяє вважати його природною стабільною основою визначення одиниці часу. Середня сонячна доба визначається з похибкою 10-7. Ця точність недостатня для сучасного стану техніки частот.

Потрібен був новий природний еталон часу, який забезпечував би високу точність відтворення одиниці часу -- секунди. У 1960 році було прийняте нове астрономічне визначення одиниці часу, в основу якого покладено не обертання Землі навколо своєї осі, а рух Землі навколо Сонця. Це забезпечувало підвищення точності вимірювання одиниці часу на три порядки (у 1000 разів).

За секунду прийняли 1/31556925,9747 частини тропічного року на 0 січня 1900 року о 12-й годині ефемеридного часу. Тропічний рік сам по собі не є постійним, тому дата "0 січня 1900 р. 12 годин" виражена у прийнятому астрономами відліку часу і відповідає полудню 31 грудня 1899 р. Під ефемеридним часом розуміють час у системі рахунку, де тривалість одиниці дорівнює ефемеридній секунді, визначеній через тропічний рік на 0 січня 1900 р.

Практично точна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам точного часу, що передаються по радіо з кварцових годинників, які є мірами частоти.

Останнім часом створені нові молекулярні та атомні еталони частоти і часу, які ґрунтуються на здатності молекул та атомів випромінювати і поглинати енергію під час переходу між двома енергетичними рівнями в діапазоні радіочастот.

У 1967 р. XIII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила нове визначення секунди як інтервалу часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань. Такі коливання відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 за відсутності збурень зовнішніми полями.

На рис. 1 подано схему цезієвого атомно-променевого еталона часу та частоти. Джерело 1 атомного пучка розміщене у металевому контейнері, у стінці якого є канал для формування потоку. Температура джерела -- 100--150 °С. Магнітом 2 здійснюється сортування атомів пучка за сигналами надтонкої структури: виділяються атоми зі станом F = 3, M = 0 i F = 0, M = 0.

 

До резонаторів 3 підводиться надвисокочастотний сигнал з частотою 9 192 631 770 Гц від кварцових генераторів, яка може змінюватися у незначних межах. Під дією цього сигналу виділені атоми переходять зі стану F = З, М = 0 до стану F = 4, М = 0 або ж у зворотному напрямку.

Другий сортувальний магніт 2' виділяє з атомного пучка лише ті атоми, які перейшли з одного стану в інший в результаті взаємодії з полем сигналу. Атоми, які здійснили перехід, потрапляють до приймача 4 і реєструються індикатором 5.

Якщо частота підведеного сигналу від кварцових генераторів 6 відповідає частоті переходу, то покази індикатора 5 є максимальними. Якщо ж частоти не збігаються, то покази індикатора різко знижуються. Максимальні покази індикатора відповідають стабільності та точності частот. Частота сигналу за максимальними показами індикатора дорівнює 9 192 631 770 Гц.

Всі вузли установки розміщені у камері з високим вакуумом.

Стабільність цезієвих еталонів дорівнює 10-11, що дозволяє використовувати їх службам часу та частоти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.6 Еталон одиниці сили електричного струму -- ампер

Виходячи з визначення сили струму як фізичної величини, яка дорівнює заряду, що проходить крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу, слід було б за основну одиницю прийняти певний заряд, який, наприклад, був би рівний заряду електрона. Проте сьогодні це не можна реалізувати з достатньою точністю, тому довелося відмовитися від одиниці кількості електрики як основної електричної одиниці і прийняти за еталонну одиницю силу струму -- ампер.

У 1893 р. Міжнародний конгрес електриків у Чикаго затвердив перший еталон сили електричного струму -- ампер, установивши так званий міжнародний ампер. Ампер відтворювався за допомогою срібного вольтметра і визначався так: "Міжнародний ампер -- незмінний струм, який проходячи через водний розчин азотнокислого срібла за дотримання прикладеної інструкції і специфікації виділяє 0,001118 грама срібла за 1 с".

У 1948 р. при переході на абсолютну практичну систему електричних одиниць міжнародний ампер було відмінено, а в основу сучасного еталона ампера покладено закон взаємодії електричних струмів.

IX Генеральна конференція  з мір та ваги у 1948 р. ухвалила  таке визначення ампера: "1 ампер -- дорівнює силі незмінного струму, який під час проходження по  двох паралельних прямолінійних  провідниках нескінченної довжини  та нескінченно малого кругового  поперечного перерізу, розміщених  у вакуумі на відстані 1м один  від одного, зумовив би на кожній  ділянці провідника завдовжки 1м  силу взаємодії, що дорівнює 2·10-7Н ".

Державний первинний еталон ампера -- це комплекс вимірювальних засобів у складі струмових ваг електродинамічної системи, ваг з дистанційним управлінням та апаратури для передачі розміру одиниці. Похибка відтворення розміру одиниці сили струму державним первинним еталоном ампера не перевищує 1*10-3 %.

Досягнення сучасної фізики в галузі дослідження атомного ядра розкривають нові можливості для розробки досконаліших еталонів одиниці електричного струму та заряду.

 

1.7 Еталон одиниці температури -- кельвін

Вимірювання температури з моменту винаходу термометра Галілеєм у 1598 р. ґрунтувалося на використанні властивостей термометричної речовини (газу, рідини) і пов'язано з іменами таких вчених, як Фаренгейт, Реомюр, Цельсій, Томсон (Кельвін) та ін.

У середині XVIII століття У. Томсон (Кельвін) показав, що можна встановити термодинамічну температурну шкалу, яка б не залежала від термометричної речовини.

Винайдення термодинамічної температурної шкали ґрунтується на II законі термодинаміки. Якщо в оберненому циклі Карно тіло, що здійснює цикл, поглинає теплоту Q1 при температурі Т1 і віддає тепло Q2 при температурі Т2, то відношення абсолютних температур Т1/Т2 дорівнює відношенню кількості тепла Q1/Q2. Згідно з положенням термодинаміки, це відношення не залежить від властивостей термодинамічної речовини.

Вимірюючи кількість теплоти з достатньою точністю, можна визначити співвідношення температур та температуру конкретного об'єкта.

Встановлена таким чином термодинамічна температурна шкала, яка незалежна від властивостей термометричної речовини, називається шкалою Кельвіна.

При встановленні термодинамічної температурної шкали для збереження наступності числового вираження її зі стоградусною температурною шкалою Цельсія температурний проміжок між точками танення льоду та кипіння води прийняли за 100 °С.

Томсон і незалежно від нього Д.І. Менделєєв довели доцільність побудови термодинамічної шкали температур за однією реперною точкою -- точкою абсолютного нуля. Така шкала має значні переваги і дозволяє визначити абсолютну температуру точніше, ніж шкала з двома реперними точками.

Похибка відтворення точки кипіння води становить 0,002--0,01 °С, точка танення льоду -- 0,0002--0,001 °С, потрійна точка води -- 0,0001 °С.

X Генеральна конференція  з мір та ваги у 1954 році ухвалила  рішення про термодинамічну температурну  шкалу з однією реперною точкою -- потрійною точкою води, яка вища  за точку танення льоду на 0,01 °С (273,16 К).

Таким чином, термодинамічна температура є основною і позначається символом Т. її одиницею служить кельвін -- 1/273,16 частини потрійної точки води.

Температура у градусах Цельсія позначається символом t і визначається таким чином:

t = Т - Т0.

де Т0= 273,15 К.

Градус Цельсія дорівнює кельвіну.

 

 

 

 

1.8 Еталон одиниці сили світла -- кандела

У минулому столітті різні держави використовували різні еталонні джерела одиниці сили світла -- свічки.

На Міжнародному конгресі електриків у 1881 р. був прийнятий еталон світла -- одиниця Віоля. За одиницю Віоля визнавалася сила світла, яка випромінювалась квадратним сантиметром поверхні твердіючої платини у нормальному напрямку до цієї поверхні. Пізніше спосіб відтворення одиниці Віоля одержав назву "абсолютного еталона сили світла". У 1889 році конгресом за практичну одиницю світла була прийнята одна двадцята одиниці Віоля.

З огляду на труднощі реалізації еталона одиниці Віоля Міжнародний конгрес у 1893 році приймає за еталон лампу Гефнера -- Альтенека, а пізніше -- керамічні трубки та інші джерела світла.

Лише у 1967 році Генеральна конференція з мір та ваги визначила за одиницю сили світла канделу. Це світло, яке випромінюється з площини перерізом 1/600 000 м2 повного випромінювача у перпендикулярному до цього перерізу напрямку при температурі твердіння платини і тиску в 101 325 Па.

Державний первинний еталон одиниці світла -- кандела складається з двох взаємозамінних повних випромінювачів та апаратури вимірювання. Повний випромінювач являє собою тонкостінною трубку з оксиду торію, занурену у розплавлену платину. Нагрівання платини проводиться у високочастотній індукційній печі, а вимірювання сили світла -- за допомогою фотоелектричного фотометра.

Середнє квадратичне відхилення результату відтворення та передачі одиниці сили світла державним еталоном не перевищує 2 * 103.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література(1)

1. В.Д.Цюцюра, С.В.Цюцюра. Метрологія  та основи вимірювань. Навч. посібн., К., "Знання -Прес", 2003

2. Крылова Г. Д. Основы  стандартизации, сертификации, метрологии: учебник для вузов - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 1999.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Метрологія (від грец. metron — міра і lógoς — слово, учення) — наука про вимірювання фізичних величин, методи досягнення єдності їх одиниць і розмірностей в системі та необхідної точності розміру вимірюваного об’єкта чи явища.

Метрологія історична — розділ економіки, що вивчає розвиток систем грошових одиниць та розрахунків оподаткування в різних країнах.

Якщо друга дефініція терміна метрологія є спеціально цікавою економістам, то перша — саме й визначає предмет нашої навчальної дисципліни. Зверніть увагу на виділені слова у першій дефініції. Чи для всіх цих слів-термінів ви можете сформувати коректні дефініції? Корисно викласти дефініції цих термінів письмово так, як ви їх розумієте до вивчення матеріалу.

А тепер розглянемо їх у такому порядку.

Поняття «фізична величина» (ф. в.) — це характеристика об’єкта чи явища матеріального світу, які можна виміряти. Наприклад, довжина, маса, температура, тиск та ін. Отже, це не самі об’єкти чи явища і не їхні розміри, як інколи помилково вважають!

Поняття «фізична величина» має двоїстий характер: загальне як якісна характеристика множини об’єктів чи явищ матеріального світу та індивідуальне як кількісна характеристика кожного з цих об’єктів окремо. Наприклад, фізична величина «довжина» — це узагальнена якісна характеристика, що стосується цілої множини об’єктів (довжини олівця, діаметра молекули кисню), а фізична величина «температура» — множини явищ (температура замерзання води, плавлення золота тощо). Але водночас це індивідуальна кількісна характеристика кожного з них (відповідно 18 см, 3Å, 273 К та 1063ºС).

У наведених прикладах одиниці фізичних величин — сантиметр (см), ангстрем (Å), кельвін (К), градус Цельсія (ºС) — це фіксовані за розміром «міри» відповідної фізичної величини — довжини й температури.

Кількісний вміст фізичної характеристики конкретного фізичного об’єкта чи явища називають розміром і виражають формулою,

,  (1)

де Х — значення конкретної фізичної величини — «розмір величини»;

   — число, числове значення фізичної величини;

   — прийнята одиниця фізичної величини.

Наприклад, для довжини об’єкта lА вираз «довжина 245 м» за формулою (1) запишемо: розмір , а для атмосферного тиску Р вираз «тиск 95,2 кПа»: розмір .

Як ви вже помітили, термін «розмір фізичної величини» застосовується для будь-яких фізичних величин. Розмір фізичної величини не залежить також від вибраної одиниці і залишається незмінним за застосування різних одиниць тієї самої фізичної величини . Але при цьому відповідно змінюється числове значення . Наприклад, розмір фізичної величини маси одного бареля нафти (135 кг) залишається тим самим, якщо за одиницю вимірювання взяти не кілограм, а фунт. Змінюється тільки числове значення розміру фізичної величини — 297,6 lb.

Система фізичних величин — це сукупність взаємозв’язаних фізичних величин, яку використовують у певній галузі науки, техніки та економіки. Для позначення системи фізичних величин звичайно користуються абревіатурою з перших літер назв одиниць основних величин системи, а саме: СГС, МКС та ін.

Основні фізичні величини — це величини, узяті за незалежні, які використовуються для визначення всіх інших величин системи — похідних. У наведених вище це відповідно (см, г, с) і (м, кг, с).

Похідні — фізичні величини, які в кожній системі виводяться через визначальні рівняння зв’язку, котрі, як правило, є простими фізичними формулами. Наприклад, у системі, де основними величинами є маса (т), довжина (l) і час (t), похідна величина — енергія (робота) — (А) виводиться з визначального рівняння взаємозв’язку трьох основних величин m, l і t. Для цього використовують так звані розмірності.