Понятие физической величины. Основные и производные физические величины

     Килограмм - единица массы, равная массе 1,000028 дм3 воды при температуре ее наибольшей плотности 4 єС. 

     Эталон  килограмма в России представляет собой  цилиндр высотой и диаметром  по 39 мм с закругленными ребрами. Ведутся работы по определению килограмма через Вольт и Ом с помощью  обращенных ампер-весов. 

     Секунда - единица времени, равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Эталон секунды установлен в 1967 г. Он основан на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул. В пассивных квантовых стандартах используются частоты спектральных линий поглощения, в активных - вынужденное испускание фотонов частицами. Применяются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называемые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы). Пассивные стандарты частоты - на пучке атомов цезия (цезиевые реперы частоты) 

     Для воспроизведения секунды используются цезиевые генераторы (эталоны) частоты - это высокостабильные генераторы монохроматического излучения (сигнала) с частотой 9192631770 Гц; погрешность частоты не превышает 1,5*10 -13. В государственном эталоне России используются водородные генераторы периодически сличаемые с цезиевыми, их долговременная частота не постулирована, но нестабильность меньше 3*10 -14. кроме того эталон содержит аппаратуру формирования и хранения шкал времени. Основная шкала ТА - равномерного атомного времени с фиксированным нулем, не связанным с вращением и положением в пространстве Земли. Другие шкалы: UT0 - всемирного времени (средняя солнечная «с» ); UT1 с поправкой на колебания полюсов земли; UT2 - с поправкой на сезонную неравномерность вращения Земли. Это всемирные шкалы, постепенно расходящиеся с ТА из-за замедления скорости вращения Земли. Чтобы их согласовать, введена шкала UTC, в которой 1с utc=1с та, а начало счета может меняться на 1с с 1-го числа каждого месяца (1.01 или 1.06) В России по шкале UTC передают сигналы времени по TV или радио. 

     Ампер - единица силы электрического тока. Ампер равен силе неизменяющегося  тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной  длины и ничтожно малой площади  кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н. 

     В качестве эталонов Ампера используются ампер-весы, реализующие А путем  измерений силы, либо путем измерения  момента силы, действующего на катушку с током, помещенную в магнитное поле другой катушки. Это точные равноплечие весы, выполненные из немагнитных материалов. На одном конце коромысла подвешена чашка для размещения постоянного и дополнительного уравновешивающих грузов. К другому концу коромысла подвешивается подвижная катушка, входящая коаксиально в неподвижную катушку большего диаметра. Обмотки катушек (в простейшем случае) соединены последовательно. В обесточенном режиме весы уравновешиваются. При прохождении через катушки электрического тока подвижная катушка втягивается в неподвижную (или выталкивается из нее ). Для восстановления равновесия служит дополнительный уравновешивающий груз. По результатам метрологического исследования рассчитывают значение массы этого груза, соответствующего, например, силе электрического тока 1А. Включив в цепь катушек эталонный резистор, можно откалибровать эталонные меры ЭДС (эталонные меры силы тока пока не применяются). 

     Более точные эталоны, основанные на измерениях магнитной индукции методом ядерного магнитного резонанса, используются пока только в качестве вторичных. В 1992 г. в России утвержден национальный эталон А, размер которого воспроизводится с использованием элементов Вольта и Ома. Cреднее квадратическое отклонение (СКО) не более 1·10-8, не исключенные систематические погрешности (НСП) не более 1·10 -7 (у ампер-весов CKO?4·10-6, HCП?8·10-6). 

     Кельвин - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической  температуры тройной точки воды. Тройная точка воды - это состояние  воды в запаянном стеклянном сосуде, при котором лед, вода и ее пары находятся в равновесии: вода не замерзает, не испаряется, лед не тает, пар не конденсируется. 

     Государственные первичные эталоны России воспроизводят  международную градусную шкалу  МГШ-90 в двух поддиапазонах: 0,8…273,16 К и 373,16…2773 К. В состав низкотемпературного  эталона в качестве основной его части входят две группы железо-родиевых и платиновых термометров сопротивления, градуировочные зависимости которых определены по результатам сличений результатов, полученных в лабораториях России, Англии, США, Австралии и Голландии. Каждая группа содержит два платиновых и два железо-родиевых термометра, постоянно находящихся в блоке сравнения - массивном цилиндре с четырьмя продольными каналами для термометров. Передача шкалы термометрам - вторичным и рабочим эталонам осуществляется приведением их в тепловой контакт с эталонным блоком сравнения и сличением в криостате. В набор контрольной аппаратуры эталона помимо устройств для точных измерений сопротивлений входит комплект установок для реализации температур реперных точек, газовый интерполяционный термометр с уникальным ртутным манометром и криостат сравнения. СКО эталона 0,3…1,0 мК, НСП 0,4…1,5 мК наименьшее значение воспроизводимой температуры - 0,8 К. 

     В состав второго эталона входят платиновые термометры сопротивления, температурные  лампы, аппаратура воспроизведения реперных точек в диапазоне 273,16…1355,77 К, (СКО?5·10-5...1·10-2; НСП?1·10-45…10-3). Установлены следующие соотношения по различным температурным шкалам: 

     шкале Цельсия: С=К=tС+273,16 

     шкале Реомюра:1R=1,25 C; tС=1,25 tR; T=1,25 tR+273,16 

     шкале Фаренгейта: 1F=5/9C=5/9K; tС=5/9( tF-32); T=5/9( tF-32)+273,16 

     Канделла - единица силы света, равная силе света  в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение  частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Инициаторами введения этой единицы были астрономы. В государственном эталоне свет испускается с определенной поверхности затвердевающей платины при определенных внешних условиях и воспринимается первичным фотометром, созданным на основе неселективного радиометра, спектральная чувствительность которого скоррелирована на специальном фильтре под функциональную зависимость от длины волны. Эталон воспроизводит единицу силы света в диапазоне 30…110 кд с СКО?0,1·10-2 и НСП?0,25·10-2. 

     Моль - единица количества вещества, равная количеству вещества, содержащему столько  же структурных элементов (атомов, молекул), сколько их содержится в 0,012 кг углерода-12. Эталоны моля никогда не создавались, так как масса одного моля различных веществ или структур, численно равная числу Авогадро - 6,025·1023 частиц; средства измерений, отградуированные в молях, не выпускаются. Есть обоснованные предложения исключить моль из основных единиц СИ и допустить его к применению наравне с единицами СИ как специальную единицу массы, удобную для химических расчетов. 

     Эталонная база России имеет 114 государственных  эталонов и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. Из них 52 находятся во ВНИИМ  им. Д.И.Менделеева (С.-Пб.), в т.ч. эталоны  м, кг, А, К, рад; 25 - во ВНИИФТРИ (физико-технических и радиотехнических измерений, г.Москва, в т.ч. эталоны единиц времени и частоты; 13 - во ВНИИ оптико-физических измерений в т.ч. канделлы; соответственно 5 и 6 - в Уральском и Сибирском НИИ метрологии.

     Производная единица системы единиц физических величин - единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. 

     Производные единицы СИ образуются из основных, дополнительных и ранее образованных производных единиц СИ при помощи уравнений связи между физическими величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Для этого величины в правой и левой частях уравнения связи принимают равными единицам СИ. Например, для производной единицы скорости, определяемой из уравнения v = L/T, записывают уравнение единиц [v] = [L] /[T], а вместо символов Lи T подставляют их единицы (1 м и 1 с) и получают [V]=1 м/1 с = 1 м/с. Это означает, что единицей скорости в СИ является метр в секунду. Производным единицам могут присваиваться наименования в честь известных ученых. Так, уравнение связи между величинами для определения единицы давления p=F/S, уравнение связи между единицами давления, силы и площади [р]= [F]/[S]. Подставив вместо F и S единицы этих величин в СИ (1 Н и 1 м2), получим [р]=1 н/ 1 м2 = 1 Н/м2. Этой единице присвоено наименование - паскаль (Па) по имени французского математика и физика Блеза Паскаля. 
 

     Государственная метрологическая служба России (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создается для управления деятельностью по обеспечению единства измерений. 

     Общее руководство ГМС осуществляет Ростехрегулирование (или Госстандарт РФ), на которое Законом "Об обеспечении единства измерений" возложены следующие функции:

     • межрегиональная и межотраслевая  координация деятельности по обеспечению  единства измерений;

     • представление Правительству РФ предложений по единицам величин, допускаемым  к применению;

     • установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;

     • определение общих метрологических  требований к средствам, методам  и результатам измерений;

     • государственный метрологический  контроль и надзор;

     • контроль за соблюдением условий международных договоров РФ о признании результатов испытаний и поверки средств измерений;

     • руководство деятельностью Государственной  метрологической службы и иных государственных  служб обеспечения единства измерений;

     • участие в деятельности международных организаций по вопросам обеспечения единства измерений;

     • утверждение нормативных документов по обеспечению единства измерений;

     • утверждение государственных эталонов;

     • установление межповерочных интервалов средств измерений;

     • отнесение технических устройств к средствам измерений;

     • установление порядка разработки и  аттестации методик выполнения измерений;

     • ведение и координация деятельности Государственных научных метрологических  центров (ГНМЦ), Государственной метрологической  службы, Государственной службы времени и частоты (ГСВЧ), Государственной службы стандартных образцов (ГССО), Государственной службы стандартных справочных данных (ГСССД);

     • аккредитация государственных центров  испытаний средств измерений;

     • утверждение типа средств измерения;

     • ведение Государственного реестра  средств измерений;

     • аккредитация метрологических служб  юридических лиц на право поверки  средств измерений;

     • утверждение перечней средств измерений, подлежащих поверке;

     • установление порядка лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений;

     • организация и координация деятельности государственных инспекторов по обеспечению единства измерений

     • организация деятельности и аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ;

     • планирование и организация выполнения метрологических работ.

     2. В состав ГМС входят семь  государственных научных метрологических  центров, Всероссийский научно-исследовательский  институт метрологической службы (ВНИИМС) и около 100 центров стандартизации и метрологии. Наиболее крупные среди научных центров — НПО "ВНИИ метрологии имени Д.И. Менделеева" (ВНИИМ, Санкт-Петербург), НПО "ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений" (ВНИИФТРИ, Московская область), Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, Новосибирск), Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, Екатеринбург). Научные центры являются держателями государственных эталонов, а также проводят исследования по теории измерений, принципам и методам высокоточных измерений, разработке научно-методических основ совершенствования российской системы Намерений.