Международная система единиц - International System of Units

Логотип СИ, созданный BIPM , показывающий семь базовых единиц СИ и семь определяющих констант.
Базовые единицы СИ
Условное обозначение Имя Количество
s второй время
м метр длина
кг килограмм масса
А ампер электрический ток
K кельвин термодинамическая температура
моль крот количество вещества
CD кандела интенсивность света
SI, определяющие константы
Условное обозначение Имя Точное значение
Δ ν Cs частота сверхтонкого перехода Cs 9 192 631 770  Гц
c скорость света 299 792 458  м / с
час Постоянная Планка 6,626 070 15 × 10 -34  J⋅s
е элементарный заряд 1,602 176 634 × 10 −19  С
k Постоянная Больцмана 1,380 649 × 10 −23  Дж / К
N A Константа Авогадро 6.022 140 76 × 10 23  моль -1
K cd светоотдача из540 ТГц излучение 683 лм / Вт

Международная система единиц, известная под аббревиатурой международной СИ на всех языках , а иногда и многословно , как система СИ , это современная форма метрической системы : 41 и наиболее широко используемая в мире система измерений . : 252 Созданная и поддерживаемая Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM), международной организацией с 62 государствами-членами , это единственная система измерения с официальным статусом почти во всех странах мира, применяемая во всех сферах жизни. : наука, технологии, промышленность и повседневная торговля. СИ представляет собой согласованную систему единиц измерения, начинающуюся с семи основных единиц , которыми являются секунда (символ s, единица времени ), метр (м, длина ), килограмм (кг, масса ), ампер (А, электрический ток). ), кельвин (K, термодинамическая температура ), моль (моль, количество вещества ) и кандела (кд, сила света ). Система может включать в себя когерентные блоки для неограниченного количества дополнительных количеств. Они называются когерентными производными единицами , которые всегда можно представить как произведение мощностей основных единиц. Двадцать две связанные производные единицы были снабжены специальными именами и символами. Семь основных единиц и 22 когерентных производных единицы со специальными названиями и символами могут использоваться в комбинации для выражения других связанных производных единиц. Поскольку размеры когерентных единиц будут удобны только для некоторых приложений, а не для других, СИ предоставляет двадцать префиксов, которые при добавлении к имени и символу когерентной единицы дают двадцать дополнительных (некогерентных) единиц СИ для того же количества. ; эти некогерентные единицы всегда являются десятичными (т. е. степенью десяти) кратными и частями когерентной единицы. СИ задуман как развивающаяся система; создаются единицы и префиксы, а определения единиц изменяются в соответствии с международным соглашением по мере развития технологии измерения и повышения точности измерений.

С 2019 года величины всех единиц СИ были определены путем объявления, что семь определяющих констант имеют определенные точные числовые значения, выраженные в единицах СИ. Этими определяющими константами являются скорость света в вакууме c , частота сверхтонкого перехода цезия Δ ν Cs , постоянная Планка h , элементарный заряд e , постоянная Больцмана k , постоянная Авогадро N A и световая отдача K cd. . Характер определяющих констант варьируется от фундаментальных природных констант, таких как c, до чисто технической константы K cd . До 2019 года h , e , k и N A не определялись априори, а представляли собой довольно точно измеренные величины. В 2019 году их значения были зафиксированы по определению на основе их лучших оценок на тот момент, что обеспечивало преемственность с предыдущими определениями базовых единиц.

Нынешний способ определения СИ является результатом многолетнего движения к все более абстрактной и идеализированной формулировке, в которой реализации единиц концептуально отделены от определений. Следствием этого является то, что по мере развития науки и технологий могут быть введены новые и превосходные реализации без необходимости переопределения единицы. Одна из проблем с артефактами заключается в том, что они могут быть потеряны, повреждены или изменены; во-вторых, они вносят неопределенность, которую нельзя уменьшить за счет достижений науки и техники. Последним артефактом, использованным СИ, был Международный прототип килограмма , цилиндр из платины и иридия .

Первоначальной мотивацией для разработки СИ было разнообразие единиц, которые возникли в системах сантиметр-грамм-секунда (СГС) (в частности, несоответствие между системами электростатических единиц и электромагнитных единиц ) и отсутствие координации между различные дисциплины, которые их использовали. Генеральная конференция по мерам и весам (французский язык: Conférence женераль де меры и весы - CGPM), который был создан в Метрической конвенции 1875 г., приняла участие многих международных организаций установить определения и стандарты новой системы и стандартизировать правила для записи и представления измерений. Система была опубликована в 1960 году в результате инициативы, начатой ​​в 1948 году, поэтому она основана на системе единиц метр – килограмм – секунда (MKS), а не на каком-либо варианте CGS.

Вступление

Страны, использующие метрическую (СИ), имперскую и обычную системы США по состоянию на 2019 год.

Международная система единиц или СИ - это десятичная и метрическая система единиц, созданная в 1960 году и с тех пор периодически обновляемая. СИ имеет официальный статус в большинстве стран, включая США , Канаду и Соединенное Королевство , хотя эти три страны входят в горстку стран, которые в той или иной степени также продолжают использовать свои обычные системы. Тем не менее, с таким почти универсальным уровнем признания СИ «использовалась во всем мире как предпочтительная система единиц, основной язык для науки, техники, промышленности и торговли».

Единственными другими типами систем измерения, которые до сих пор широко используются во всем мире, являются общепринятые системы измерения имперской системы и США , и они юридически определены в терминах СИ . Существуют и другие, менее распространенные системы измерения, которые иногда используются в определенных регионах мира. Кроме того, существует множество отдельных единиц, не относящихся к системе СИ, которые не принадлежат ни к какой всеобъемлющей системе единиц, но, тем не менее, регулярно используются в определенных областях и регионах. Обе эти категории единиц также обычно юридически определяются в терминах единиц СИ.

Контрольный орган

СИ была учреждена и поддерживается Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM). На практике CGPM следует рекомендациям Консультативного комитета по единицам (CCU), который является фактическим органом, проводящим технические обсуждения, касающиеся новых научных и технологических разработок, связанных с определением единиц и СИ. CCU подчиняется Международному комитету мер и весов (CIPM), который, в свою очередь, подчиняется CGPM. Подробнее см. Ниже .

Все решения и рекомендации относительно единиц измерения собраны в брошюре под названием Международная система единиц (СИ) , которая публикуется Международным бюро мер и весов (BIPM) и периодически обновляется.

Обзор агрегатов

Базовые единицы СИ

СИ выбирает семь единиц в качестве базовых единиц , соответствующих семи базовым физическим величинам. Они вторые , с символом s , который является единицей СИ физического количества времени ; метр , символ м , блок СИ длины ; килограмм ( кг , единица массы ); ампер ( А , электрический ток ); кельвин ( K , термодинамическая температура ); моль ( моль , количество вещества ); и кандела ( кд , сила света ). Все единицы в системе СИ могут быть выражены в терминах основных единиц, а базовые единицы служат предпочтительным набором для выражения или анализа отношений между единицами.

Производные единицы СИ

Система допускает неограниченное количество дополнительных единиц, называемых производными единицами , которые всегда могут быть представлены как произведения степеней основных единиц, возможно, с нетривиальным числовым множителем. Когда этот множитель равен единице, единица называется когерентной производной единицей. Базовые и когерентные производные единицы СИ вместе образуют согласованную систему единиц ( набор когерентных единиц СИ ). Двадцать две связанные производные единицы были снабжены специальными именами и символами. Семь основных единиц и 22 производных единицы со специальными названиями и символами могут использоваться в комбинации для выражения других производных единиц, которые используются для облегчения измерения различных величин.

Почему СИ сохранил различие между базовыми и производными единицами

До своего переопределения в 2019 году СИ была определена через семь базовых единиц, из которых производные единицы были построены как произведения мощностей базовых единиц. После переопределения SI определяется путем фиксации числовых значений семи определяющих констант. Это приводит к тому, что различие между базовыми единицами и производными единицами, в принципе, не требуется, поскольку все единицы, как базовые, так и производные, могут быть построены непосредственно из определяющих констант. Тем не менее, различие сохраняется, потому что «это полезно и исторически хорошо установлено», а также потому, что серия стандартов ISO / IEC 80000 определяет базовые и производные величины, которые обязательно имеют соответствующие единицы СИ.

Метрические префиксы СИ и десятичный характер СИ

Как и все метрические системы, СИ использует метрические префиксы для систематического построения для одной и той же физической величины набора единиц, которые являются десятичными кратными друг другу в широком диапазоне.

Например, в то время как согласованной единицей длины является метр, СИ обеспечивает полный диапазон меньших и больших единиц длины, любая из которых может быть более удобной для любого конкретного приложения - например, расстояние проезда обычно указывается в километрах ( символ км ), а не в метрах. Здесь метрический префикс « кило- » (символ «k») означает коэффициент 1000; таким образом,1 км =1000 м .

Текущая версия SI предоставляет двадцать метрических префиксов, которые обозначают десятичные степени в диапазоне от 10 -24 до 10 24 . Большинство префиксов соответствуют целым степеням 1000; единственные, которые этого не делают, - это 10, 1/10, 100 и 1/100.

В общем, для любой связной единицы с отдельным именем и символом формируют новую единицу, просто добавляя соответствующий префикс метрики к имени связной единицы (и соответствующий префиксный символ к символу связной единицы). Поскольку метрический префикс обозначает конкретную степень десяти, новая единица всегда является кратной или долей кратной степени когерентной единицы. Таким образом, преобразование между разными единицами СИ для одной и той же физической величины всегда осуществляется с точностью до десяти. Вот почему СИ (и метрические системы в более общем смысле) называют десятичной системой единиц измерения .

Группировка, образованная символом префикса, прикрепленным к символу единицы (например, « км », « см »), составляет новый неотделимый символ единицы. Этот новый символ может быть возведен в положительную или отрицательную степень и может быть объединен с другими символами единиц для образования составных символов единиц. Например, г / см 3 - это единица плотности в системе СИ , где см 3 следует интерпретировать как ( см ) 3 .

Когерентные и некогерентные единицы СИ

Когда префиксы используются с согласованными единицами СИ, результирующие единицы больше не являются когерентными, потому что префикс вводит числовой коэффициент, отличный от единицы. Единственным исключением является килограмм, единственная связная единица СИ, название и символ которой по историческим причинам включают префикс.

Полный набор единиц СИ состоит как из когерентного набора, так и из кратных и подкратных единиц когерентных единиц, сформированных с использованием префиксов СИ. Например, метр, километр, сантиметр, нанометр и т. Д. - все единицы измерения длины в системе СИ, хотя согласованной единицей СИ является только метр . Аналогичное утверждение справедливо и для производных единиц: например, кг / м 3 , г / дм 3 , г / см 3 , мкг / км 3 и т.д., все единицы СИ плотности, но из них лишь кг / м 3 является когерентная единица СИ.

Более того, метр - единственная связная единица измерения длины в системе СИ. Каждая физическая величина имеет ровно одну согласованную единицу СИ, хотя эта единица может быть выражена в различных формах с использованием некоторых специальных имен и символов. Например, когерентная единица измерения количества движения в системе СИ может быть записана как кг⋅м / с или как Н⋅с , и используются обе формы (например, сравните соответственно здесь : 205 и здесь : 135 ).

С другой стороны, несколько разных величин могут использовать одну и ту же когерентную единицу СИ. Например, джоуль на кельвин (символ Дж / К ) - это связная единица СИ для двух различных величин: теплоемкости и энтропии ; другим примером является ампер, который является когерентной единицей СИ как для электрического тока, так и для магнитодвижущей силы . Вот почему важно не использовать только единицу для определения количества.

Более того, одна и та же связная единица СИ может быть базовой единицей в одном контексте, но когерентной производной единицей - в другом. Например, ампер является базовой единицей, когда это единица электрического тока, и когерентной производной единицей, когда это единица магнитодвижущей силы. В качестве, возможно, более известного примера рассмотрим количество осадков , определяемое как объем дождя (измеряемый в м 3 ), выпавший на единицу площади (измеренный в м 2 ). Поскольку м 3 / м 2 = м , отсюда следует, что когерентной производной единицей осадков в системе СИ является метр, даже несмотря на то, что метр, конечно, также является базовой единицей длины в системе СИ.

Разрешенные единицы, не относящиеся к системе СИ

Существует специальная группа единиц, которые называются «единицами, не относящимися к системе СИ, которые принимаются для использования с системой СИ». См. Полный список единиц, не относящихся к системе СИ, упомянутых в системе СИ . Для преобразования большинства из них в соответствующие единицы СИ требуются коэффициенты преобразования, которые не являются степенями десяти. Некоторыми распространенными примерами таких единиц являются обычные единицы времени, а именно минуты (коэффициент преобразования 60 с / мин, поскольку 1 мин =60 с ), час (3600 с ), а день (86 400  с ); градус (для измерения плоских углов,1 ° = π/180 рад ); и электронвольт (единица энергии,1 эВ =1.602 176 634 × 10 −19  Дж ).

Новые юниты

СИ задуман как развивающаяся система; создаются единицы и префиксы, а определения единиц изменяются в соответствии с международным соглашением по мере развития технологии измерения и повышения точности измерений.

Определение величин единиц

С 2019 года величины всех единиц СИ определяются абстрактным образом, который концептуально отделен от любой их практической реализации. А именно, единицы СИ определяются заявлением, что семь определяющих констант имеют определенные точные числовые значения, когда выражаются в единицах их СИ. Вероятно, наиболее широко известной из этих констант является скорость света в вакууме c , которая в СИ по определению имеет точное значение c =299 792 458  м / с . Остальные шесть констант - это Δ ν Cs , частота сверхтонкого перехода цезия ; h - постоянная Планка ; е - элементарный заряд ; k - постоянная Больцмана ; N A - постоянная Авогадро ; и К кд , то световая эффективность монохроматического излучения с частотой540 × 10 12  Гц . Характер определяющих констант варьируется от фундаментальных природных констант, таких как c, до чисто технической константы K cd . До 2019 года h , e , k и N A не определялись априори, а представляли собой довольно точно измеренные величины. В 2019 году их значения были зафиксированы по определению на основе их лучших оценок на тот момент, что обеспечивало преемственность с предыдущими определениями базовых единиц.

Что касается реализаций, то то, что в настоящее время считается лучшими практическими реализациями единиц, описывается в так называемых « mises en pratique » , которые также публикуются BIPM. Абстрактная природа определений единиц - это то, что позволяет улучшать и изменять mises en pratique по мере развития науки и техники без необходимости изменять сами определения.

В некотором смысле этот способ определения единиц СИ не более абстрактен, чем способ, которым производные единицы традиционно определяются в терминах основных единиц. Рассмотрим конкретную производную единицу, например, джоуль, единицу энергии. Его определение в базовых единицах - кгм 2 / с 2 . Даже если доступны практические реализации метра, килограмма и секунды, практическая реализация джоуля потребует какой-то ссылки на лежащее в основе физического определения работы или энергии - некоторая реальная физическая процедура для реализации энергии в количестве один джоуль, чтобы его можно было сравнить с другими примерами энергии (например, с содержанием энергии бензина, подаваемого в автомобиль, или электричества, подаваемого в дом).

Аналогичная ситуация с определяющими константами и всеми единицами СИ. Фактически, чисто математически , единицы СИ определяются так, как если бы мы объявили, что это единицы определяющей константы, которые теперь являются базовыми единицами, а все остальные единицы СИ являются производными единицами. Чтобы сделать это более ясным, сначала обратите внимание, что каждая определяющая константа может быть принята как определяющая величину единицы измерения этой определяющей константы; например, определение c определяет единицу м / с как1 м / с =c/299 792 458 ('скорость одного метра в секунду равна одному 299 792 458- я скорость света '). Таким образом, определяющие константы напрямую определяют следующие семь единиц:

  • герц ( Гц ), единица физической величины частоты (заметим , что проблемы могут возникнуть при работе с частотой или постоянной Планка , поскольку единицы измерения угловой (цикл или Radian) опущены в СИ);
  • метр в секунду ( м / с ), единица скорости;
  • Джоуля-вторых ( J⋅s ), единица действия ;
  • кулоны ( С ), единицей электрического заряда ;
  • джоуль на кельвин ( Дж / К ), единица как энтропии и теплоемкости ;
  • обратный моль ( моль -1 ), единица константы преобразования между количеством вещества и количеством элементарных объектов (атомов, молекул и т. д.);
  • и люмен на ватт ( лм / Вт ), единица константы преобразования между физической мощностью, переносимой электромагнитным излучением, и внутренней способностью того же излучения создавать визуальное восприятие яркости у людей.

Кроме того, с помощью анализа размерностей можно показать, что каждая когерентная единица СИ (базовая или производная) может быть записана как уникальный продукт мощностей единиц СИ, определяющих константы (в полной аналогии с тем фактом, что каждая когерентная производная единица СИ единица может быть записана как уникальное произведение мощностей основных единиц СИ). Например, килограмм можно записать как кг = ( Гц ) ( Дж⋅с ) / ( м / с ) 2 . Таким образом, килограмм определяется в терминах трех определяющих констант Δ ν Cs , c и h, потому что, с одной стороны, эти три определяющие константы соответственно определяют единицы Гц , м / с и Джс , а на с другой стороны, килограмм можно записать в этих трех единицах, а именно: кг = ( Гц ) ( Джс ) / ( м / с ) 2 . Правда, вопрос о том, как на самом деле реализовать килограмм на практике, на этом этапе все еще остается открытым, но это на самом деле не отличается от того факта, что вопрос о том, как на самом деле реализовать джоуль на практике, все еще в принципе открыт даже как только человек достиг практической реализации метра, килограмма и секунды.

Определение фундаментальных констант по сравнению с другими методами определения

Текущий способ определения СИ является результатом многолетнего движения к все более абстрактной и идеализированной формулировке, в которой реализации единиц концептуально отделены от определений.

Большим преимуществом такого подхода является то, что по мере развития науки и технологий могут быть введены новые и превосходные реализации без необходимости переопределения единиц. Единицы теперь могут быть реализованы с точностью, которая в конечном итоге ограничивается только квантовой структурой природы и нашими техническими возможностями, но не самими определениями. Любое действительное физическое уравнение, связывающее определяющие константы с единицей, может быть использовано для реализации единицы, тем самым создавая возможности для инноваций ... с возрастающей точностью по мере развития технологий ». На практике Консультативные комитеты CIPM предоставляют так называемые « mises en pratique » (практические методы), которые представляют собой описания того, что в настоящее время считается наилучшим экспериментальным воплощением этих единиц.

Этой системе не хватает концептуальной простоты использования артефактов (называемых прототипами ) в качестве реализации единиц для определения этих единиц: с прототипами определение и реализация являются одним и тем же. Однако использование артефактов имеет два основных недостатка, которые, как только это становится технологически и научно осуществимо, приводят к отказу от них как от средства определения единиц. Одним из основных недостатков является то, что артефакты могут быть потеряны, повреждены или изменены. Во-вторых, они не могут извлечь выгоду из достижений науки и техники. Последним артефактом, использованным СИ, был Международный прототип килограмма (IPK), особый цилиндр из платино-иридия ; с 1889 по 2019 год килограмм по определению равнялся массе ИПК. Обеспокоенность относительно его стабильности, с одной стороны, и прогресс в точных измерениях постоянной Планка и постоянной Авогадро, с другой, привели к пересмотру определения базовых единиц , введенному в действие 20 мая 2019 года. изменение СИ с момента его первого формального определения и создания в 1960 году, результатом которого стали определения, описанные выше.

В прошлом существовали также различные другие подходы к определениям некоторых единиц СИ. Один использовал конкретное физическое состояние определенного вещества ( тройная точка воды , которая использовалась в определении кельвина); другие относились к идеализированным экспериментальным предписаниям (как в случае прежнего определения СИ для ампера и прежнего определения СИ (первоначально принятого в 1979 г.) канделы ).

В будущем набор определяющих констант, используемых SI, может быть изменен по мере нахождения более стабильных констант или, если окажется, что другие константы могут быть более точно измерены.

История

Первоначальной мотивацией для разработки СИ было разнообразие единиц, которые возникли в системах сантиметр-грамм-секунда (СГС) (в частности, несоответствие между системами электростатических единиц и электромагнитных единиц ) и отсутствие координации между различные дисциплины, которые их использовали. Генеральная конференция по мерам и весам (французский язык: Conférence женераль де меры и весы - CGPM), который был создан в Метрической конвенции 1875 г., приняла участие многих международных организаций установить определения и стандарты новой системы и стандартизировать правила для записи и представления измерений.

Принятая в 1889 году система единиц MKS пришла на смену системе единиц сантиметр – грамм – секунда (CGS) в торговле и машиностроении . Система метр и килограмм послужила основой для разработки Международной системы единиц (сокращенно СИ), которая теперь служит международным стандартом. В связи с этим стандарты системы CGS постепенно заменялись метрическими стандартами, включенными в систему MKS.

В 1901 году Джованни Джорджи предложил Associazione elettrotecnica italiana  [ it ] (AEI), чтобы эта система, дополненная четвертой единицей, взятой из единиц электромагнетизма , использовалась в качестве международной системы. Эту систему активно продвигал инженер-электрик Джордж А. Кэмпбелл .

Международная система была опубликована в 1960 году на основе единиц MKS в результате инициативы, начатой ​​в 1948 году.

Контролирующий орган

СИ регулируется и постоянно развивается тремя международными организациями, которые были созданы в 1875 году в соответствии с условиями Метрической конвенции . Это Генеральная конференция мер и весов (CGPM), Международный комитет мер и весов (CIPM) и Международное бюро мер и весов (BIPM). Конечная власть принадлежит CGPM, который является пленарным органом, через который его государства-члены действуют совместно по вопросам, связанным с наукой об измерениях и эталонами; обычно он собирается каждые четыре года. CGPM избирает CIPM, который представляет собой комитет выдающихся ученых, состоящий из 18 человек. CIPM действует на основе рекомендаций ряда его консультативных комитетов, которые объединяют мировых экспертов в своих конкретных областях в качестве советников по научным и техническим вопросам. Одним из этих комитетов является Консультативный комитет по единицам (CCU), который отвечает за вопросы, связанные с разработкой Международной системы единиц (SI), подготовкой последующих изданий брошюры SI и консультированием CIPM по вопросам, касающимся меры измерения. Именно CCU подробно рассматривает все новые научные и технологические разработки, связанные с определением единиц и СИ. На практике, когда дело доходит до определения SI, CGPM просто формально утверждает рекомендации CIPM, который, в свою очередь, следует рекомендациям CCU.

В состав CCU входят: национальные лаборатории государств-членов CGPM, которым поручено устанавливать национальные стандарты; соответствующие межправительственные организации и международные органы; международные комиссии или комитеты; научные союзы; личные члены; и, как член по должности, всех Консультативных комитетов, Директор МБМВ .

Все решения и рекомендации, касающиеся единиц, собраны в брошюре под названием Международная система единиц (СИ) , которая публикуется BIPM и периодически обновляется.

Единицы и префиксы

Международная система единиц состоит из набора основных единиц , производных единиц и набора десятичных множителей, которые используются в качестве префиксов . Единицы, за исключением единиц с префиксом, образуют связную систему единиц , которая основана на системе величин таким образом, что уравнения между числовыми значениями, выраженными в когерентных единицах, имеют точно такую ​​же форму, включая числовые коэффициенты, что и соответствующие уравнения между величинами. Например, 1 Н = 1 кг × 1 м / с 2 означает, что один ньютон - это сила, необходимая для ускорения массы в один килограмм со скоростью один метр в секунду в квадрате , что связано через принцип согласованности с уравнением, связывающим соответствующие величины. : F = m × a .

Производные единицы применяются к производным величинам, которые по определению могут быть выражены в единицах основных величин и, таким образом, не являются независимыми; например, электрическая проводимость является обратной величиной электрического сопротивления , в результате чего сименс является обратной величиной ома, и аналогично ом и сименс могут быть заменены соотношением ампера и вольта, потому что эти величины несут определены отношения друг к другу. Другие полезные производные величины могут быть указаны в терминах основных и производных единиц СИ, которые не имеют названных единиц в СИ, например ускорение, которое определяется в единицах СИ как м / с 2 .

Базовые единицы

Базовые единицы СИ являются строительными блоками системы, а все остальные единицы являются производными от них.

Базовые единицы СИ

Название объекта

Символ единицы

Символ размера

Название количества
Определение
второй
s Т время Продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения , соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния на цезий-133 атома.
метр м L длина Расстояние, проходимое светом в вакууме в 1/299 792 458 второй.
килограмм
кг M масса Килограмм определяется установкой постоянной Планка h точно равной6,626 070 15 × 10 -34  Дж⋅с ( Дж = кг⋅м 2 ⋅с −2 ), учитывая определения счетчика и секунды.
ампер А я электрический ток Поток ровно 1/1,602 176 634 × 10 −19умноженное на элементарный заряд е в секунду.

Приблизительно равняется 6,241 509 0744 × 10 18 элементарных зарядов в секунду.

кельвин K Θ термодинамическая
температура
Кельвин определяется путем установки фиксированного численного значения постоянной Больцмана к к1,380 649 × 10 −23  Дж⋅К −1 , (Дж = кг⋅м 2 с −2 ), учитывая определение килограмма, метра и секунды.
крот моль N количество
вещества
Количество вещества ровно 6.022 140 76 × 10 23 элементарных объекта. Это число является фиксированным численное значение постоянной Авогадро , N A , при выраженной в единичном моль -1 .
кандела CD J сила
света
Сила света в заданном направлении источника, излучающего монохроматическое излучение с частотой 5,4 × 10 14 Гц и интенсивность излучения в этом направлении составляет1/683ватт на стерадиан .
Примечания

Производные единицы

Производные единицы в СИ образуются степенями, произведениями или частными базовых единиц и потенциально могут быть неограниченными по количеству. Производные единицы связаны с производными величинами; например, скорость - это величина, которая выводится из основных величин времени и длины, и, следовательно, производной единицей СИ является метр в секунду (символ м / с). Размеры производных единиц могут быть выражены в терминах размеров основных единиц.

Комбинации основных и производных единиц могут использоваться для выражения других производных единиц. Например, единицей силы СИ является ньютон (Н), единицей давления СИ является паскаль (Па), а паскаль можно определить как один ньютон на квадратный метр (Н / м 2 ).

Производные единицы СИ со специальными названиями и символами
Имя Условное обозначение Количество В базовых единицах СИ В других единицах СИ
радиан рад плоский угол м / м 1
стерадиан SR телесный угол м 2 / м 2 1
герц Гц частота с −1
ньютон N сила , вес кг⋅м⋅с −2
паскаль Па давление , стресс кг⋅м −1 ⋅с −2 Н / м 2
джоуль J энергия , работа , тепло кг⋅м 2 ⋅с −2 Нм = Па⋅м 3
ватт W мощность , лучистый поток кг⋅м 2 ⋅с −3 Дж / с
кулон C электрический заряд s⋅A
вольт V разность электрических потенциалов ( напряжение ), ЭДС кг⋅м 2 ⋅с −3 ⋅A −1 W / A = J / C
фарад F емкость кг −1 m −2 ⋅s 4 ⋅A 2 РЕЗЮМЕ
ом Ω сопротивление , импеданс , реактивное сопротивление кг⋅м 2 ⋅с −3 ⋅A −2 В / А
Сименс S электрическая проводимость кг −1 m −2 ⋅s 3 ⋅A 2 Ω −1
Вебер Wb магнитный поток кг⋅м 2 ⋅с −2 ⋅A −1 V⋅s
тесла Т плотность магнитного потока кг⋅с −2 ⋅A −1 Вт / м 2
Генри ЧАС индуктивность кг⋅м 2 ⋅с −2 ⋅A −2 Вт / А
градус Цельсия ° C температура относительно 273,15 К K
просвет lm световой поток cd⋅sr cd⋅sr
люкс лк освещенность cd⋅sr⋅m −2 лм / м 2
беккерель Бк радиоактивность (распадается в единицу времени) с −1
серый Гр поглощенная доза ( ионизирующего излучения ) м 2 ⋅с −2 Дж / кг
зиверт Sv эквивалентная доза ( ионизирующего излучения ) м 2 ⋅с −2 Дж / кг
Катал Кат каталитическая активность моль⋅с −1
Примечания
  1. ^ a b Радиан и стерадиан определяются как безразмерные производные единицы.
Примеры согласованных производных единиц в терминах основных единиц
Имя Условное обозначение Полученное количество Типичный символ
квадратный метр м 2 площадь А
кубический метр м 3 объем V
метр в секунду РС скорость , скорость v
метр на секунду в квадрате м / с 2 ускорение а
обратный счетчик м −1 волновое число σ ,
вергенция (оптика) V , 1 / f
килограмм на кубический метр кг / м 3 плотность ρ
килограмм на квадратный метр кг / м 2 поверхностная плотность ρ А
кубический метр на килограмм м 3 / кг удельный объем v
ампер на квадратный метр А / м 2 плотность тока j
ампер на метр Являюсь напряженность магнитного поля ЧАС
моль на кубический метр моль / м 3 концентрация c
килограмм на кубический метр кг / м 3 массовая концентрация ρ , γ
кандела на квадратный метр кд / м 2 яркость L v
Примеры производных единиц, которые включают единицы со специальными названиями
Имя Условное обозначение Количество В базовых единицах СИ
паскаль-секунда Pa⋅s динамическая вязкость м −1 кг⋅с −1
ньютон-метр Нм момент силы м 2 кг⋅с −2
ньютон на метр Н / м поверхностное натяжение кг⋅с −2
радиан в секунду рад / с угловая скорость , угловая частота с −1
радиан на секунду в квадрате рад / с 2 угловое ускорение с −2
ватт на квадратный метр Вт / м 2 плотность теплового потока, энергетическая освещенность кг⋅с −3
джоуль на кельвин Дж / К энтропия , теплоемкость м 2 kg⋅s −2 ⋅K −1
джоуль на килограмм-кельвин Дж / (кг⋅K) удельная теплоемкость , удельная энтропия м 2 ⋅s −2 ⋅K −1
джоуль на килограмм Дж / кг удельная энергия м 2 ⋅с −2
ватт на метр-кельвин Вт / (м⋅K) теплопроводность м⋅кг⋅с −3 ⋅K −1
джоуль на кубический метр Дж / м 3 плотность энергии м −1 кг⋅с −2
вольт на метр В / м напряженность электрического поля м⋅кг⋅с −3 ⋅A −1
кулон на кубический метр С / м 3 плотность электрического заряда м −3 ⋅s⋅A
кулон на квадратный метр С / м 2 поверхностная плотность заряда , плотность электрического потока , электрическое смещение м −2 ⋅s⋅A
фарад на метр Ф / м диэлектрическая проницаемость м −3 кг −1 ⋅s 4 ⋅A 2
Генри на метр H / м проницаемость м⋅кг⋅с −2 ⋅A −2
джоуль на моль Дж / моль молярная энергия м 2 kg⋅s −2 mol −1
джоуль на моль-кельвин Дж / (моль⋅K) молярная энтропия , мольная теплоемкость м 2 kg⋅s −2 ⋅K −1 mol −1
кулон на килограмм Кл / кг экспозиция (рентгеновские и гамма-лучи) кг −1 s⋅A
серый в секунду Гр / с мощность поглощенной дозы м 2 ⋅с −3
ватт на стерадиан Вт / ср интенсивность излучения м 2 кг⋅с −3
ватт на квадратный метр-стерадиан Вт / (м 2 ср) сияние кг⋅с −3
катал на кубический метр кат / м 3 концентрация каталитической активности м −3 ⋅s −1 mol

Префиксы

К именам единиц добавляются префиксы для получения кратных и дольных единиц исходной единицы. Все они являются целыми степенями десяти, а больше ста или меньше сотой - целыми степенями тысячи. Например, килограмм обозначает число, кратное тысяче, а милли- обозначает число, кратное тысячной, так что в одном метре тысяча миллиметров, а в километре тысяча метров. Префиксы никогда не объединяются, поэтому, например, миллионная доля метра - это микрометр , а не миллимиллиметр. Множители килограмма называются так, как если бы грамм был базовой единицей, поэтому миллионная доля килограмма - это миллиграмм , а не микрокилограмм. Когда префиксы используются для формирования кратных и подкратных базовых и производных единиц СИ, результирующие единицы больше не являются связными.

BIPM определяет 20 префиксов для Международной системы единиц (СИ):

Приставка База 10 Десятичный Английское слово Принятие Этимология
Имя Условное обозначение Короткая шкала Длинная шкала Язык Производное слово
йотта Y 10 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000 септиллион квадриллион 1991 г. Греческий восемь
Зетта Z 10 21 1 000 000 000 000 000 000 000 секстиллион триллиард 1991 г. латинский Семь
exa E 10 18 1 000 000 000 000 000 000 квинтиллион триллион 1975 г. Греческий шесть
пета п 10 15 1 000 000 000 000 000 квадриллион бильярд 1975 г. Греческий пять
тера Т 10 12 1 000 000 000 000 триллион миллиард 1960 г. Греческий четыре, монстр
гига грамм 10 9 1 000 000 000 миллиард миллиард 1960 г. Греческий гигант
мега M 10 6 1 000 000 миллион 1873 г. Греческий большой
килограмм k 10 3 1 000 тысяча 1795 Греческий тысяча
гекто час 10 2 100 сотня 1795 Греческий сотня
дека да 10 1 10 10 1795 Греческий 10
10 0 1 один -
деци d 10 -1 0,1 десятый 1795 латинский 10
санти c 10 -2 0,01 сотый 1795 латинский сотня
Милли м 10 −3 0,001 тысячный 1795 латинский тысяча
микро μ 10 −6 0,000 001 миллионный 1873 г. Греческий небольшой
нано п 10 −9 0,000 000 001 миллиардный миллиардная 1960 г. Греческий карлик
пико п 10 −12 0,000 000 000 001 триллионный миллиардный 1960 г. испанский пик
фемто ж 10 −15 0,000 000 000 000 001 квадриллионный биллиардный 1964 г. Датский пятнадцать, Ферми
атто а 10 −18 0,000 000 000 000 000 001 квинтиллионный триллионный 1964 г. Датский 18
зепто z 10 −21 0,000 000 000 000 000 000 0001 секстиллионный триллиард 1991 г. латинский Семь
Йокто у 10 −24 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 септиллионный квадриллионный 1991 г. Греческий восемь
  1. ^ Префиксы, принятые до 1960 г., существовали еще до SI. Внедрение системы CGS было в 1873 году.
  2. ^ a b c d e f Часть начала префикса была изменена на основе слова, от которого он был образован, например: «пета» (префикс) vs «пента» (производное слово).
  3. ^ Fermi была введена ранее с тем же символом «фм», в которой тогда «е» стал префиксом. Датское слово используется, поскольку оно нечетко написано как ферми .

Единицы, не относящиеся к системе СИ, принимаемые для использования с системой СИ

Многие единицы, не относящиеся к системе СИ, продолжают использоваться в научной, технической и коммерческой литературе. Некоторые единицы глубоко укоренились в истории и культуре, и их использование не было полностью заменено их альтернативами СИ. CIPM признал и признал такие традиции, составив список единиц, не относящихся к системе СИ, принятых для использования с системой СИ :

Литр не является единицей СИ, но может использоваться с единицами СИ. Это эквивалентно (10 см) 3  = (1 дм) 3  = 10 −3  м 3 .

Некоторые единицы времени, угла и устаревшие единицы, не относящиеся к системе СИ, имеют долгую историю использования. Большинство обществ использовали солнечный день и его недесятичные деления в качестве основы времени, и, в отличие от фута или фунта , они были одинаковыми независимо от того, где они измерялись. Радиан , существо1/революции, имеет математические преимущества, но редко используется для навигации. Кроме того, единицы, используемые в навигации по всему миру, аналогичны. Т , л и га были приняты ГК в 1879 году и были сохранены в качестве единиц , которые могут быть использованы вместе с единицами СИ, получив уникальные символы. Каталогизированные единицы представлены ниже:

Единицы, не относящиеся к системе СИ, принимаются для использования с единицами системы СИ
Количество Имя Условное обозначение Значение в единицах СИ
время минута мин 1 мин. = 60 с
час час 1 ч = 60 мин = 3600 с
день d 1 д = 24 ч = 86 400  с
длина астрономическая единица au 1 а.е. = 149 597 870 700  м
плоскость и
фазовый угол
степень ° 1 ° = (π / 180) рад
минута 1 ′ = (1/60) ° = (π /10 800 ) рад
второй 1 ″ = (1/60) ′ = (π /648 000 ) рад
площадь га ха 1 га = 1 чм 2 = 10 4 м 2
объем литр л, л 1 l = 1 L = 1 дм 3 = 10 3 см 3 = 10 −3 м 3
масса тонна (метрическая тонна) т 1 т = 1000 кг
Далтон Да 1 Да = 1,660 539 040 (20) × 10 −27  кг
энергия электронвольт эВ 1 эВ = 1,602 176 634 × 10 −19  Дж

величины логарифмического отношения
непер Np При использовании этих единиц важно указать характер количества и указать любое используемое эталонное значение.
Bel B
децибел дБ

Эти единицы используются в сочетании с единицами СИ в обычных единицах, таких как киловатт-час (1 кВт⋅ч = 3,6 МДж).

Общие понятия о метрических единицах

Базовые единицы метрической системы, как они были изначально определены, представляют собой общие величины или взаимосвязи в природе. Они все еще существуют - современные точно определенные количества являются уточнением определения и методологии, но все еще с теми же величинами. В случаях, когда лабораторная точность может не требоваться или недоступна, или когда приближения достаточно хороши, исходных определений может быть достаточно.

  • Секунда составляет 1/60 минуты, что составляет 1/60 часа, что составляет 1/24 дня, поэтому секунда составляет 1/86400 дня (использование базы 60 восходит к вавилонским временам). ; секунда - это время, за которое плотный объект свободно падает с высоты 4,9 метра.
  • Длина экватора близка к40 000 000  м (более точно40 075 014 0,2 м ). Фактически, размеры нашей планеты использовались Французской академией в первоначальном определении метра.
  • Счетчик близок к длине маятника с периодом 2 секунды ; большинство обеденных столов имеют высоту около 0,75 метра; очень высокий человек (баскетбольный нападающий) - около 2 метров.
  • Килограмм - это масса литра холодной воды; кубический сантиметр или миллилитр воды имеет массу один грамм; 1 евро монета весит 7,5 г; Сакагавея США 1-долларовая монета весит 8,1 г; Великобритания 50 пенсов монета весит 8,0 г.
  • Кандела - это сила света умеренно яркой свечи или сила света в 1 свечу; Лампа накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 60 Вт имеет силу света около 64 кандел.
  • Моль вещества имеет массу, которая является его молекулярной массой, выраженной в граммах; масса моля углерода 12,0 г, масса моля поваренной соли 58,4 г.
  • Поскольку все газы имеют одинаковый объем на моль при заданной температуре и давлении вдали от их точек сжижения и затвердевания (см. Идеальный газ ), а воздух содержит примерно 1/5 кислорода (молекулярная масса 32) и 4/5 азота (молекулярная масса 28), плотность любого почти идеального газа относительно воздуха может быть получена с хорошим приближением, разделив его молекулярную массу на 29 (потому что 4/5 × 28 + 1/5 × 32 = 28,8 ≈ 29). Например, окись углерода (молекулярная масса 28) имеет почти такую ​​же плотность, как воздух.
  • Разница температур в один кельвин равна одному градусу Цельсия: 1/100 разницы температур между точками замерзания и кипения воды на уровне моря; абсолютная температура в кельвинах - это температура в градусах Цельсия плюс около 273; температура тела человека составляет около 37 ° C или 310 К.
  • Лампа накаливания мощностью 60 Вт с номинальным напряжением 120 В (напряжение сети США) потребляет 0,5 А. при этом напряжении. Лампа мощностью 60 Вт, рассчитанная на 240 В (европейское сетевое напряжение), потребляет 0,25 А. при этом напряжении.

Лексикографические соглашения

Имена юнитов

Согласно брошюре СИ, названия единиц следует рассматривать как нарицательные существительные контекстного языка. Это означает, что они должны набираться в том же наборе символов, что и другие нарицательные существительные (например, латинский алфавит в английском языке, кириллица в русском языке и т. Д.), Обычно прямым шрифтом (т.е. не курсивом), с соблюдением обычных грамматических и орфографических правил язык контекста. Например, на английском и французском языках, даже если единица измерения названа в честь человека, а ее символ начинается с заглавной буквы, название единицы в бегущем тексте должно начинаться со строчной буквы (например, ньютон, герц, паскаль) и начинаться с заглавной буквы. только в начале предложения, а также в заголовках и заголовках публикаций . В качестве нетривиального применения этого правила в брошюре СИ отмечается, что название единицы с символом ° C правильно написано как «градус Цельсия»: первая буква названия единицы, «d», находится в нижнем регистре, в то время как модификатор «Цельсия» пишется с заглавной буквы, потому что это имя собственное.

Английское написание и даже названия некоторых единиц СИ и метрических префиксов зависят от разновидности используемого английского языка. США Английский использует орфографическую deka- , метр , и литр , в то время как Международный английский использует Деку , метр , и литр . Кроме того, имя объекта, символом которого является t и которое определяется в соответствии с1 т =10 3  кг - это «метрическая тонна» на английском языке в США, но «тонна» на международном английском языке.


Обозначения единиц и значения количеств

Символы единиц СИ должны быть уникальными и универсальными, независимо от языка контекста. В брошюре SI есть особые правила их написания. Руководство, разработанное Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), разъясняет специфические для языка детали для американского английского, которые не были ясны в брошюре SI, но в остальном идентичны брошюре SI.

Основные правила

Общие правила написания единиц СИ и количества применяются к тексту, который либо написан от руки, либо создан с использованием автоматизированного процесса:

  • Значение количества записывается в виде числа, за которым следует пробел (представляющий знак умножения) и символ единицы; например, 2,21 кг,7,3 × 10 2  м 2 , 22 К. Это правило явно включает знак процента (%) и символ градусов Цельсия (° C). Исключение составляют символы плоских угловых градусов, минут и секунд (°, ′ и ″ соответственно), которые помещаются сразу после числа без пробелов.
  • Символы являются математическими объектами, а не сокращениями, и, как таковые, не имеют добавленной точки / точки (.), Если только правила грамматики не требуют одного по другой причине, например, для обозначения конца предложения.
  • Префикс является частью единицы измерения, а его символ добавляется к символу единицы без разделителя (например, k в км, M в МПа, G в ГГц, μ в мкг). Составные префиксы не допускаются. В выражениях единица с префиксом является атомарной (например, км 2 эквивалентно (км) 2 ).
  • Обозначения единиц записываются римским (прямым) шрифтом, независимо от шрифта, используемого в окружающем тексте.
  • Символы производных единиц, образованных умножением, соединяются центральной точкой (⋅) или неразрывным пробелом; например, Н · м или Н · м.
  • Символы производных единиц, образованных делением, соединяются солидусом (/) или приводятся в виде отрицательной степени . Например, «метр в секунду» можно записать в формате m / s, m s −1 , m⋅s −1 илим/s. Знак солидуса, за которым следует без скобок центральная точка (или пробел) или знак солидуса, является неоднозначным, и его следует избегать; например, кг / (м⋅с 2 ) и кг⋅м -1 с -2 приемлемы, но кг / м / с 2 являются неоднозначными и неприемлемыми.
В выражении ускорения силы тяжести значение и единицы разделяются пробелом, буквы «m» и «s» в нижнем регистре, потому что ни счетчик, ни секунда не названы в честь людей, а возведение в степень представлено верхним индексом « 2 '.
  • Первая буква символов для единиц, производных от имени человека, пишется в верхнем регистре ; в противном случае они пишутся строчными буквами . Например, единица давления названа в честь Блеза Паскаля , поэтому ее символ пишется «Па», а символ моля - «моль». Таким образом, «T» - это символ тесла , меры напряженности магнитного поля , а «t» - символ тонны , меры массы . С 1979 года литр в исключительных случаях может быть написан с использованием либо прописной «L», либо строчной «l», решение вызвано схожестью строчной буквы «l» с цифрой «1», особенно с некоторыми гарнитурами или английскими буквами. стиль почерка. Американский NIST рекомендует использовать в США букву «L», а не «l».
  • Символы не имеют формы множественного числа, например, 25 кг, но не 25 кг.
  • Префиксы в верхнем и нижнем регистрах не взаимозаменяемы. Например, величины 1 мВт и 1 МВт представляют две разные величины (милливатт и мегаватт).
  • Символ десятичного маркера - это точка или запятая на линии. На практике десятичная точка используется в большинстве англоязычных стран и большей части Азии, а запятая - в большинстве стран Латинской Америки и континентальной Европы .
  • Пробелы следует использовать как разделитель тысяч (1 000 000 ) в отличие от запятых или точек (1 000 000 или 1 000 000 ), чтобы уменьшить путаницу, возникающую из-за различий между этими формами в разных странах.
  • Следует избегать любых разрывов строки внутри числа, внутри составной единицы или между числом и единицей. Если это невозможно, разрывы строк должны совпадать с разделителями тысяч.
  • Поскольку значения «миллиарда» и «триллиона» в разных языках различаются , следует избегать безразмерных терминов «ppb» (частей на миллиард ) и «ppt» (частей на триллион ). Брошюра SI не предлагает альтернатив.

Печать символов SI

Правила, касающиеся печати количеств и единиц, являются частью ISO 80000-1: 2009.

Дополнительные правила указаны в отношении создания текста с использованием печатных машин , текстовых процессоров , пишущих машинок и т.п.

Международная система количеств

Брошюра SI

CGPM издает брошюру, которая определяет и представляет SI. Его официальная версия на французском языке в соответствии с Метрической конвенцией . Это оставляет некоторые возможности для местных вариаций, особенно в отношении названий единиц и терминов на разных языках.

Написание и обслуживание брошюры CGPM осуществляется одним из комитетов Международного комитета мер и весов (CIPM). Определения терминов «количество», «единица измерения», «размер» и т. Д., Которые используются в брошюре СИ , даны в Международном словаре метрологии .

Величины и уравнения, которые обеспечивают контекст, в котором определяются единицы СИ, теперь называются Международной системой количеств (ISQ). ISQ основан на количествах, лежащих в основе каждой из семи базовых единиц СИ . Другие величины, такие как площадь , давление и электрическое сопротивление , выводятся из этих основных величин с помощью четких непротиворечивых уравнений. ISQ определяет величины, которые измеряются в единицах СИ. ISQ частично формализован в международном стандарте ISO / IEC 80000 , который был завершен в 2009 году публикацией ISO 80000-1 и в значительной степени пересмотрен в 2019–2020 годах, а остальные находятся на рассмотрении.

Реализация агрегатов

Кремний сфера для проекта Авогадро используется для измерения постоянной Авогадро к относительной стандартной неопределенности в2 × 10 −8 или меньше, принадлежит Ахиму Лейстнеру

Метрологи тщательно различают определение единицы и ее реализацию. Определение каждой базовой единицы СИ составлено таким образом, чтобы оно было уникальным и обеспечивало прочную теоретическую основу, на которой могут быть сделаны наиболее точные и воспроизводимые измерения. Реализация определения единицы - это процедура, с помощью которой определение может использоваться для установления значения и связанной с ним неопределенности величины того же вида, что и единица. Описание базовых модулей mise en pratique дается в электронном приложении к брошюре SI.

Опубликованная mise en pratique - не единственный способ определения базовой единицы: в брошюре СИ говорится, что «любой метод, соответствующий законам физики, может быть использован для реализации любой единицы СИ». В текущем (2016 г.) мероприятии по пересмотру определений базовых единиц различные консультативные комитеты CIPM потребовали, чтобы было разработано более одного практического опыта для определения стоимости каждой единицы. Особенно:

  • Необходимо провести не менее трех отдельных экспериментов, дающих значения, имеющие относительную стандартную неопределенность при определении килограмма не более5 × 10 −8 и хотя бы одно из этих значений должно быть лучше, чем2 × 10 −8 . И баланс Kibble, и проект Avogadro должны быть включены в эксперименты, и любые различия между ними должны быть согласованы.
  • Когда определяется градус Кельвина , относительная погрешность постоянной Больцмана, полученная двумя принципиально разными методами, такими как акустическая газовая термометрия и газовая термометрия с диэлектрической проницаемостью, будет лучше, чем одна часть в10 −6, и эти значения подтверждаются другими измерениями.

Эволюция СИ

Изменения в SI

Международное бюро мер и весов (МБМВ) описал SI как «современная форма метрической системы». Изменение технологии привело к эволюции определений и стандартов, которые следовали двум основным направлениям - изменениям самой СИ и разъяснению того, как использовать единицы измерения, которые не являются частью СИ, но, тем не менее, используются во всем мире.

С 1960 года CGPM внесла ряд изменений в SI для удовлетворения потребностей конкретных областей, в частности химии и радиометрии. В основном это дополнения к списку названных производных единиц и включают моль (символ моль) для количества вещества, паскаль (символ Па) для давления , сименс (символ S) для электропроводности, беккерель (символ Bq ) для « активности упоминается в радионуклид », то серый (символ Гр) для ионизирующего излучения, на зиверт (символ Зв) в качестве единицы эквивалентной дозы излучения, и катал (символ кет) для каталитической активности .

Диапазон определенных префиксов от пико- (10 −12 ) до тера- (10 12 ) был расширен с 10 −24 до 10 24 .

Определение стандартного измерителя 1960 года с точки зрения длин волн конкретного излучения атома криптона-86 было заменено расстоянием, которое свет проходит в вакууме точно за 1/299 792 458 во-вторых, так что скорость света теперь является точно определенной константой природы.

Также были внесены некоторые изменения в условные обозначения для устранения лексикографических двусмысленностей. Анализ под эгидой CSIRO , опубликованный в 2009 году Королевским обществом , указал на возможности завершить реализацию этой цели до точки универсальной машиночитаемости с нулевой двусмысленностью.

Новое определение 2019 года

Обратные зависимости основных единиц СИ от семи физических констант , которым в новом определении 2019 года присвоены точные числовые значения. В отличие от предыдущих определений, все базовые единицы являются производными исключительно от природных констант. Стрелки показаны в противоположном направлении по сравнению с типичными графиками зависимостей , то есть на этой диаграмме означает, что значение зависит от : используется для определения .

После переопределения метра в 1960 году Международный прототип килограмма (IPK) был единственным физическим артефактом, от которого базовые единицы (непосредственно килограмм и косвенно - ампер, моль и кандела) зависели для их определения, что делало эти единицы периодическими. сравнения национальных стандартных килограммов с ИПК. Во время 2-й и 3-й периодической проверки национальных прототипов килограмма произошло значительное расхождение между массой IPK и всеми его официальными копиями, хранящимися по всему миру: все копии заметно увеличились по массе по сравнению с IPK. Во время внеочередных проверок, проведенных в 2014 году перед пересмотром стандартов метрической системы, продолжающееся расхождение не было подтверждено. Тем не менее, остаточная и неприводимая нестабильность физического IPK подорвала надежность всей метрической системы для точных измерений от малых (атомных) до больших (астрофизических) масштабов.

Было внесено следующее предложение:

  • Помимо скорости света, четыре константы природы - постоянная Планка , элементарный заряд , постоянная Больцмана и постоянная Авогадро - должны иметь точные значения.
  • Международный прототип килограмма будет отправлен в отставку
  • Текущие определения килограмма, ампера, кельвина и моля должны быть пересмотрены.
  • Формулировка определений базовых единиц должна изменить акцент с явных единиц на явные определения констант.

Новые определения были приняты на 26-й сессии ГКБМ 16 ноября 2018 г. и вступили в силу 20 мая 2019 г. Изменения были приняты Европейским Союзом посредством Директивы (ЕС) 2019/1258.

История

Камень маркировки на австро-венгерскую / итальянскую границы в Понтеббе отображающего myriametres , блок 10 км , используемый в Центральной Европе в 19 веке (но так осуждается )

Импровизация юнитов

Единицы и единицы измерения метрической системы, которая стала СИ, были импровизированы по частям из повседневных физических величин, начиная с середины 18 века. Только позже они были преобразованы в ортогональную когерентную десятичную систему измерения.

Градус Цельсия как единица измерения температуры возник по шкале, разработанной шведским астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году. Его шкала неожиданно обозначила 100 как точку замерзания воды и 0 как точку кипения. Независимо, в 1743 году французский физик Жан-Пьер Кристен описал шкалу с 0 как точкой замерзания воды и 100 как точкой кипения. Шкала стала известна как шкала сантиметров, или 100 градаций температуры.

Метрическая система была разработана с 1791 года комитетом Французской академии наук , которому было поручено создать единую и рациональную систему мер. Группа, в которую входили выдающиеся французские ученые, использовала те же принципы связи длины, объема и массы, которые были предложены английским священником Джоном Уилкинсом в 1668 году, и концепцию использования земного меридиана в качестве основы для определения земного шара. длина, первоначально предложенная в 1670 году французским аббатом Мутоном .

В марте 1791 года Ассамблея приняла предложенные комитетом принципы новой десятичной системы измерения, включая метр, определенный как 1/10 000 000 длины квадранта земного меридиана, проходящего через Париж, и санкционировала исследование для точного определения длины земного меридиана. меридиан. В июле 1792 года комитет предложил названия метр , ар , литр и могила для единиц длины, площади, вместимости и массы соответственно. Комитет также предложил, чтобы кратные и частные кратные этих единиц были обозначены десятичными префиксами, такими как санти для сотых и килограмм для тысячи.

Уильям Томсон (лорд Кельвин) и Джеймс Клерк Максвелл сыграли выдающуюся роль в разработке принципа согласованности и в названии многих единиц измерения.

Позже, в процессе принятия метрической системы, латинские грамм и килограмм заменили прежние провинциальные термины могила (1/1000 могила ) и могила . В июне 1799 года, по результатам меридиональной съемки, эталонный архивный метр и архивный килограмм были переданы на хранение во Французский национальный архив . Впоследствии в том же году метрическая система была принята законом во Франции. Французская система просуществовала недолго из-за своей непопулярности. Наполеон высмеял это и в 1812 году ввел заменяющую систему, mesures usuelles или «обычные меры», которые восстановили многие из старых единиц, но переопределили в терминах метрической системы.

В течение первой половины XIX века не было особой последовательности в выборе предпочтительных кратных основных единиц: обычно мириаметр (10 000  метров) были широко используется в Франции и части Германии, в то время как килограмм (1000 грамм), а не мириаграмма.

В 1832 году немецкий математик Карл Фридрих Гаусс , которому помогал Вильгельм Вебер , неявно определил секунду как базовую единицу, когда он процитировал магнитное поле Земли в миллиметрах, граммах и секундах. До этого сила магнитного поля Земли описывалась только в относительных терминах . Метод, использованный Гауссом, заключался в том, чтобы приравнять крутящий момент, наведенный на подвешенный магнит известной массы магнитным полем Земли, с крутящим моментом, наведенным на эквивалентную систему под действием силы тяжести. Полученные в результате расчеты позволили ему определить размеры магнитного поля, основанные на массе, длине и времени.

Сила свечи как единица освещенности была первоначально определена английским законом 1860 года как свет, излучаемый чистой спермацетовой свечой весом 16 фунта (76 граммов) и горящей с определенной скоростью. Спермацет, восковое вещество, обнаруженное в головах кашалотов, когда-то использовалось для изготовления высококачественных свечей. В то время французский стандарт света основывался на освещении масляной лампой Carcel . Единица была определена как освещение, исходящее от лампы, сжигающей чистое рапсовое масло с определенной скоростью. Было принято, что десять стандартных свечей примерно равнялись одной лампе Carcel.

Соглашение о счетчике

Вдохновленная французами инициатива по международному сотрудничеству в области метрологии привела к подписанию в 1875 году Метрической конвенции , также называемой Договором о метре, 17 странами. Изначально конвенция охватывала стандарты только для метра и килограмма. В 1921 году Метрическая конвенция была расширена и теперь включает все физические единицы, включая ампер и другие, что позволило CGPM устранять несоответствия в том, как использовалась метрическая система.

Набор из 30 прототипов счетчика и 40 прототипов килограмма, каждый из которых был изготовлен из сплава 90% платины и 10% иридия , был изготовлен британской металлургической фирмой (кто?) И принят CGPM в 1889 году. каждый был выбран случайным образом, чтобы стать Международным прототипом счетчика и Международным прототипом килограмма, которые заменили mètre des Archives и kilogram des Archives соответственно. Каждая страна-член имела право на один из оставшихся прототипов, которые служили национальным прототипом для этой страны.

Соглашение также учредило ряд международных организаций для надзора за соблюдением международных стандартов измерения.

Системы CGS и MKS

Макрофотография национального прототипа измерителя, серийный номер 27, выделенного Соединенным Штатам.

В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл , Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) и другие, работавшие под эгидой Британской ассоциации содействия развитию науки , опирались на работу Гаусса и формализовали концепцию согласованной системы единиц с базовыми единицами и вывели В 1874 году единицы измерения окрестили системой единиц сантиметр – грамм – секунда . Принцип согласованности был успешно использован для определения ряда единиц измерения на основе CGS, включая эрг для энергии , дину для силы , барье для давления и т. д. уравновешенность для динамической вязкости и Стоукс для кинематической вязкости .

В 1879 году CIPM опубликовал рекомендации по написанию символов для длины, площади, объема и массы, но публиковать рекомендации для других величин не входило в его компетенцию. Начиная примерно с 1900 года, физики, которые использовали символ «μ» (мю) для «микрометра» или «микрона», «λ» (лямбда) для «микролитра» и «γ» (гамма) для «микрограмма» начали использовать символы «мкм», «мкл» и «мкг».

В конце XIX века для электрических измерений существовали три разные системы единиц измерения: система на основе CGS для электростатических единиц , также известная как система Гаусса или ESU, система на основе CGS для электромеханических единиц (EMU) и Международная система, основанная на единицах измерения, определенных Метрической конвенцией. для электрических распределительных систем. Попытки определить электрические единицы с точки зрения длины, массы и времени с помощью анализа размеров были сопряжены с трудностями - размеры зависели от того, использовались ли системы ESU или EMU. Эта аномалия была устранена в 1901 году, когда Джованни Джорджи опубликовал статью, в которой он выступал за использование четвертого базового блока наряду с существующими тремя базовыми блоками. Четвертой единицей может быть электрический ток , напряжение или электрическое сопротивление . Электрический ток с названной единицей измерения «ампер» был выбран в качестве базовой единицы, а другие электрические величины, полученные из него, в соответствии с законами физики. Это стало основой системы единиц МКС.

В конце 19-го и начале 20-го веков ряд некогерентных единиц измерения, основанных на граммах / килограммах, сантиметрах / метрах и секундах, таких как Pferdestärke (метрические лошадиные силы) для мощности , дарси для проницаемости и миллиметры ртути »для барометрического и кровяного давления были разработаны или распространены, некоторые из которых включают стандартную гравитацию в свои определения.

В конце Второй мировой войны во всем мире использовалось несколько различных систем измерения. Некоторые из этих систем были вариациями метрической системы; другие были основаны на обычных системах измерения, таких как обычная система США и Имперская система Великобритании и Британской империи.

Практическая система единиц

В 1948 году 9-е совещание CGPM заказало исследование для оценки потребностей научных, технических и образовательных сообществ в измерениях и «выработки рекомендаций для единой практической системы единиц измерения, пригодной для принятия всеми странами, присоединившимися к Метрической конвенции». . Этот рабочий документ представлял собой Практическую систему единиц измерения . Основываясь на этом исследовании, 10-я CGPM в 1954 году определила международную систему, основанную на шести базовых единицах, включая единицы измерения температуры и оптического излучения в дополнение к единицам массы, длины и времени системы MKS, а также текущим единицам Георгия . Было рекомендовано шесть основных единиц измерения: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела.

Девятая сессия CGPM также утвердила первую официальную рекомендацию по написанию символов в метрической системе, когда была заложена основа правил, как они теперь известны. Эти правила были впоследствии расширены и теперь охватывают символы и названия единиц, префиксные символы и имена, то, как должны быть написаны и использованы символы количества, и как должны быть выражены значения количеств.

Рождение СИ

В 1960 году 11-я сессия CGPM объединила результаты 12-летнего исследования в набор из 16 резолюций. Система получила название Международной системы единиц , сокращенно SI от французского названия Le Système International d'Unités .

Исторические определения

Когда Максвелл впервые представил концепцию когерентной системы, он определил три величины, которые можно использовать в качестве основных единиц: массу, длину и время. Позже Георгий определил потребность в электрическом базовом блоке, для которого в качестве СИ была выбрана единица электрического тока. Еще три базовых единицы (для температуры, количества вещества и силы света) были добавлены позже.

Ранние метрические системы определяли единицу веса как базовую единицу, в то время как СИ определяет аналогичную единицу массы. В повседневном использовании они в основном взаимозаменяемы, но в научном контексте разница имеет значение. Масса, строго говоря, инертная масса, представляет собой количество материи. Он связывает ускорение тела с приложенной силой через закон Ньютона , F = m × a : сила равна массе, умноженной на ускорение. Сила в 1 Н (ньютон), приложенная к массе в 1 кг, ускоряет ее со скоростью 1 м / с 2 . Это верно независимо от того, плавает ли объект в космосе или в гравитационном поле, например, у поверхности Земли. Вес - это сила, действующая на тело со стороны гравитационного поля, и, следовательно, его вес зависит от силы гравитационного поля. Масса 1 кг массы у поверхности Земли составляет m × g ; масса, умноженная на ускорение свободного падения, которое составляет 9,81 ньютона у поверхности Земли и около 3,5 ньютона у поверхности Марса. Поскольку ускорение свободного падения является локальным и изменяется в зависимости от местоположения и высоты на Земле, вес не подходит для точных измерений свойств тела, и это делает единицу веса непригодной в качестве базовой единицы.

Базовые единицы СИ

Название объекта
Определение
второй
метр
  • Приор (1793 г.):1/10 000 000от меридиана через Париж между Северным полюсом и экватором. FG
  • Промежуточный (1889 г.): выбранный CIPM прототип измерителя при температуре таяния льда представляет собой метрическую единицу длины.
  • Промежуточный (1960):1 650 763 0,73 длины волн в вакууме от излучения , соответствующего переходу между 2р 10 и 5d 5 квантовых уровней криптона-86 атома .
  • Current (1983): Расстояние, проходимое светом в вакууме в1/299 792 458 второй.
килограмм
  • Прайор (1793 г.): Могила была определена как масса (тогда называемая весом ) одного литра чистой воды при температуре замерзания. FG
  • Промежуточный (1889 г.): Масса небольшого приземистого цилиндра ≈47 кубических сантиметров из платино-иридиевого сплава, хранящегося в Международном бюллетене мер и весов (BIPM), Павильон де Бретей , Франция. Также на практике любая из многочисленных официальных его реплик.
  • Текущий (2019 г.): Килограмм определяется установкой постоянной Планка h точно равной6,626 070 15 × 10 -34  Дж⋅с ( Дж = кг⋅м 2 ⋅с −2 ), учитывая определения счетчика и секунды. Тогда формула будет иметь вид кг =час/6,626 070 15 × 10 -34 ⋅m 2 ⋅s -1
ампер
  • Прайор (1881 г.): десятая часть электромагнитной единицы тока СГС. Электромагнитная единица измерения тока [CGS] - это ток, протекающий по дуге длиной 1 см и окружности радиусом 1 см, который создает поле в один эрстед в центре. IEC
  • Промежуточный (1946 г.): постоянный ток, который, если он поддерживается в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины, с незначительным круглым поперечным сечением и помещен на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, создавал бы между этими проводниками силу, равную2 × 10 -7 ньютонов на метр длины.
  • Current (2019): Поток1/1,602 176 634 × 10 −19умноженное на элементарный заряд е в секунду.
кельвин
крот
  • Прайор (1900): стехиометрическая величина, которая является эквивалентной массой в граммах числа молекул вещества Авогадро . ICAW
  • Промежуточный (1967): количество вещества системы, которое содержит столько элементарных объектов, сколько атомов в 0,012 кг углерода-12 .
  • Текущий (2019 г.): Количество вещества ровно6.022 140 76 × 10 23 элементарных объекта. Это число является фиксированным численное значение постоянной Авогадро , N A , при выраженной в единичном моль -1 и называется число Авогадро.
кандела
  • Прайор (1946): Стоимость новой свечи (раннее название канделы) такова, что яркость полного радиатора при температуре затвердевания платины составляет 60 новых свечей на квадратный сантиметр.
  • Current (1979): сила света в заданном направлении источника, излучающего монохроматическое излучение с частотой5,4 × 10 14 Гц и интенсивность излучения в этом направлении составляет1/683ватт на стерадиан .
Примечание: как старые, так и новые определения приблизительно соответствуют силе света умеренно яркой свечи со спермацетом , которую в конце 19 века называли «свечой» или «свечой».
Примечания

В Предшествующие определения различных базовых величин в таблице выше , были сделаны следующие авторы и власти:

Все другие определения являются результатом резолюций CGPM или CIPM и каталогизированы в брошюре SI .

Метрические единицы, не признанные СИ

Хотя термин « метрическая система» часто используется как неофициальное альтернативное название Международной системы единиц, существуют и другие метрические системы, некоторые из которых широко использовались в прошлом или даже до сих пор используются в определенных областях. Существуют также отдельные метрические единицы, такие как свердруп, которые существуют вне какой-либо системы единиц. Большинство единиц других метрических систем не признаются СИ.

Вот несколько примеров. Система сантиметр – грамм – секунда (CGS) была доминирующей метрической системой в физических науках и электротехнике с 1860-х годов по крайней мере до 1960-х годов и до сих пор используется в некоторых областях. Он включает такие непризнанные в системе СИ единицы, как гал , дин , эрг , барье и т. Д. В механическом секторе, а также равновесие и удары в гидродинамике. Что касается единиц измерения электричества и магнетизма, существует несколько версий системы CGS. Два из них являются устаревшими: РКУ электростатического (РКА-ЭС ', с СИ-нераспознанными единицами statcoulomb , statvolt , statampere и т.д.) и CGS электромагнитной системой (РКА-EMU', с abampere , abcoulomb , Эрстедами , Максвелл , Абхенри , Гилберт и др.). «Смесь» этих двух систем до сих пор популярна и известна как гауссова система (которая включает гаусс в качестве специального названия для единицы CGS-EMU maxwell на квадратный сантиметр).

В машиностроении (кроме электротехники) раньше существовала давняя традиция использования гравитационной метрической системы , чьи непризнанные в системе СИ единицы включают килограмм-силу (килопонд), техническую атмосферу , метрическую мощность в лошадиных силах и т. Д. Метр-тонна-секунда (mts) система, использовавшаяся в Советском Союзе с 1933 по 1955 год, имела такие непризнанные единицы СИ, как sthène , pièze и т. д. Другие группы метрических единиц, не признанных СИ, - это различные устаревшие единицы и единицы CGS, относящиеся к ионизирующему излучению ( Резерфорд , кюри , рентген , рад , бэр и т.д.), радиометрия ( Langley , Jansky ), фотометрия ( фот , NOx , стильб , нит , метр-свеча, : 17 Ламберт , апостильб , Skot , ромб , troland , Talbot , свечей , свеча ), термодинамика ( калорийность ) и спектроскопия ( обратный сантиметр ).

Ангстрем до сих пор используется в различных областях. Некоторые другие SI-непризнанный метрические единицы , которые не вписываются ни в одну из уже упомянутых категорий включают являются , бар , амбар , ферми , gradian (угольник, град, или класс) , метрический карат , мкм , миллиметр ртутного , Торр , миллиметровые (или сантиметр, или метр) воды , миллимикроны , мксит , стер , х единицы , гамма (единица массы) , & gamma ; (единица плотности магнитного потока) , и λ (единица объема) . В некоторых случаях нераспознанные единицы СИ имеют эквивалентные единицы СИ, образованные путем комбинирования префикса метрики с последовательной единицей СИ. Например,γ (единица плотности магнитного потока) =1 нТл ,1 галлон =1 см⋅с −2 ,1 барье =деци паскаль и т. Д. (Родственной группой являются соответствия, такие как1 амперадека ампер ,1 абхенринано генри и др.). Иногда дело даже не в метрическом префиксе: нераспознанная единица СИ может быть точно такой же, как когерентная единица СИ, за исключением того факта, что СИ не распознает специальное имя и символ. Например, нит - это просто нераспознанное в системе СИ название единицы СИ, кандела на квадратный метр, а талбот - это нераспознанное в системе СИ название единицы люмен-секунды . Часто метрическая единица, не относящаяся к СИ, связана с единицей СИ через степень десятичного коэффициента, но не единица, имеющая метрический префикс, например1 дин =10 −5  ньютон ,1 Å =10 −10  м и т. Д. (И соответствия вида1 гаусс10 -4  Тл ). Наконец, существуют метрические единицы, коэффициенты преобразования которых в единицы СИ не являются степенью десяти, например1 калория =4,184  джоулей и1 килограмм-сила =9.806 650  ньютонов . Некоторые метрические единицы, не признанные в системе СИ, по-прежнему часто используются, например, калория (в питании), бэр (в США), янский (в радиоастрономии ), гаусс (в промышленности) и в целом гауссовские единицы CGS ( в некоторых разделах физики), метрическая мощность (для мощности двигателя в Европе), килограмм-сила (для тяги ракетного двигателя в Китае, а иногда и в Европе) и т. д. Другие в настоящее время используются редко, такие как sthène и Резерфорд.

Смотрите также


Организации

Стандарты и соглашения

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Официальный
История
Исследовать