ЧЕРТОВ А.Г. "ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН", 1977

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ

Единица времени - секунда

В Государственном стандарте "Единицы физических величин" принято следующее определение:

"Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133".

Секунда была первоначально определена как интервал времени, равный 1/86400 части средних солнечных суток. Средними солнечными сутками называется интервал времени между двумя последовательными верхними кульминациями "среднего солнца". "Среднее солнце" - это воображаемая точка, которая обходит небесный свод, двигаясь равномерно по небесному экватору за такой же промежуток времени, что и истинное Солнце, движущееся неравномерно по эклиптике *.

* Небесным экватором называется линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой. Эклиптика - линия пересечения плоскости земной орбиты (линии, по которой Земля движется вокруг Солнца) с небесной сферой.

Определение секунды, связанное со средними солнечными сутками, обладает существенным недостатком. Как показали наблюдения, суточное вращение Земли вокруг своей оси, на котором основано определение средних солнечных суток, подвержено колебаниям, закономерности которых пока еще не установлены и учету не поддаются. Известно, что за последнюю треть XIX в. продолжительность суток увеличилась на 0,007 с, а за первую треть XX в. - уменьшилась на 0,005 с. С 1934 г. продолжительность суток увеличивается. Из-за возникшей в связи с этим неточностью в определении секунды пришлось отказаться от эталона единицы времени, связанного с суточным вращением Земли.

По решению Международного комитета мер и весов (1956 г.) в качестве эталона времени был принят тропический год, т.е. промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Но так как тропический год вообще величина непостоянная (продолжительность его уменьшается на полсекунды за столетие), то в качестве эталона надо было принять продолжительность какого-нибудь определенного года. За такой год был принят 1900 год, начинавшийся для гринвического меридиана в полдень 1 января 1900 г.

Исходя из этих соображений на XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960 г.) было принято следующее определение: "Секунда - часть тропического года для 1900 г. января 0 в 12 часов эфемеридного времени" **. Размер секунды при таком определении равен средней продолжительности секунды за последние триста лет.

** Эфемеридное время - это равномерно текущее время, входящее в уравнения динамики небесных тел. Эфемеридами назывались дневники событий при дворе Александра Македонского. Позднее эфемериды - это сборники астрономических сведений, в частности, координат небесных светил для ряда последовательных моментов равномерно текущего времени.

Новое определение секунды позволило повысить точность ее воспроизведения.

В целях дальнейшего повышения точности воспроизведения единицы времени и частоты XII Генеральная конференция по мерам и весам и Международный комитет мер и весов в 1965 г. приняли для временного применения определение секунды, основанное на атомном эталоне частоты. В декларации Международного комитета сказано, что этот "эталон представляет собой переход между сверхтонкими уровнями F = 4 , М = 0 и F = 3, М = 0 основного состояния 2s½, атома цезия-133, не возмущенного внешними полями, и что частоте этого перехода приписывается значение 9 192 631 770 герц". Из такого определения эталона следует, что секунда - это время, в течение которого совершается 9 192 631 770 переходов между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Воспроизведение секунды осуществляется в цезиевом эталоне частоты, принцип действия которого состоит в следующем. Если атомам цезия сообщить тепловые скорости около 200 м/с и пропустить пучок таких атомов в вакуумной камере через высокочастотное поле, то при определенной частоте этого поля, близкой к собственной частоте атомов, происходит их ионизация. Улавливая ионы с помощью особого детектора и измеряя создаваемый ими ток, можно по максимуму силы этого тока установить частоту поля, при которой наступает резонанс и которой соответствует определенная линия поглощения. Частота линий поглощения с помощью особой системы сравнивается с частотой кварцевых часов.

Государственный первичный эталон времени и частоты содержит: 1) водородные и кварцевые генераторы; 2) делители частоты; 3) аппаратуру для сличения частот; 4) аппаратуру для приема и регистрации радиосигналов.

Государственный эталон времени и частоты СССР позволяет воспроизводить секунду и единицу частоты - герц с погрешностью 1·10-11.

Единица силы электрического тока - ампер

В Государственном стандарте "Единицы физических величин" принято следующее определение:

"Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н".

Для определения единицы силы тока можно было бы воспользоваться любым действием электрического тока - тепловым, химическим, пондеромоторным. Выбрали последнее, так как силовое взаимодействие токов по закону Ампера

F = μμ0I1I2l/2πr (14.2)

позволяет установить единицу силы тока с наибольшей точностью.

Ампер как основная единица СИ выбран произвольно. Однако выбор его обусловлен тем, что он по своему размеру удобен для практических целей, а также имеет простое соотношение с единицей силы тока системы СГСМ (1 А = 0,1 СГСМ).

При практическом воспроизведении единицы силы тока - ампера измеряются силы взаимодействия проводников конечных размеров. Для этого применяются проводники такой формы, для которой можно с достаточной точностью рассчитать силы взаимодействия по закону Ампера.

Эталонная установка для измерения сил взаимодействия проводников называется токовыми весами. Их принципиальная схема приведена на рис. 3. На одном из плеч рычага равноплечих весов большой чувствительности подвешена чашка для гирь, на втором - катушка I. Последовательно с катушкой I соединяется неподвижная катушка II, не связанная с весами и расположенная коаксиально катушке I. В цепь катушек включается нормальный элемент. Если катушку I уравновесить соответствующим грузом на чашке весов, а затем по цепи пропустить ток, то катушка I будет втягиваться в катушку II и для восстановления равновесия на чашку придется положить дополнительный груз массой m. Сила тяжести этого груза

P = mg

равна силе взаимодействия токов, проходящих по катушкам, выражаемой законом Ампера.

Рис. 3

Силу взаимодействия двух равных токов в общем случае можно определить по формуле

F = kI2.

Коэффициент пропорциональности k зависит от формы взаимодействующих токов, от их взаимного расположения, от среды, в которой находятся токи, и т.д. Для токовых весов k является постоянным параметром установки и зависит, в частности, от формы и размеров катушки, диаметра сечения проводов.

Приравняв правые части последних двух равенств и произведя преобразования, получим

(14.3)

Массу m груза, который следует положить на чашку весов, чтобы его сила тяжести скомпенсировала силу взаимодействия катушек при силе тока, равной 1 А или какой-нибудь доле ампера, теоретически рассчитывают по закону Ампера. Масса этого груза и ставится во взаимно однозначное соответствие силе тока 1 А.

Воспроизведение, хранение и передача ампера производятся посредством Государственного первичного эталона ампера СССР.

Этот эталон состоит из двух основных частей: а) токовых весов; б) аппаратуры для передачи размера единицы.

Относительная погрешность воспроизведения единицы силы тока посредством Государственного первичного эталона ампера не превышает 1·10-5.

Единица термодинамической температуры - кельвин. Температурные шкалы

В Государственном стандарте "Единицы физических величин" принято следующее определение:

"Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды".

В указанном проекте стандарта предусмотрено, что измерение температуры производится по термодинамической и практическим температурным шкалам.

Термодинамическая температурная шкала основывается на втором начале термодинамики, из которого следует, что для любого рабочего тела (независимо от его природы), совершающего цикл Карно, отношение количества теплоты Q1, полученного телом от нагревателя, к количеству теплоты Q2, отданному им охладителю, равно отношению температур нагревателя (Т1) и охладителя (Т2), т.е.

Q1/Q2 = T1/T2. (14.4)

Если выбрать на температурной шкале одну реперную точку (постоянную точку), произвольно приписав ей температуру Т0, и провести цикл Карно, причем один из резервуаров теплоты (например, охладитель), имел бы температуру Т0, а другой (нагреватель) - температуру Т, то на основании (14.4) можно определить любую температуру Т, измерив предварительно количества теплоты Q1 и Q2.

Построенная таким образом температурная шкала называется термодинамической *.

* Эту шкалу называли также шкалой Кельвина или абсолютной шкалой, так как измерения температуры по ней не зависят от рабочего тела, совершающего цикл Карно.

В качестве единственной реперной точки для термодинамической температурной шкалы по решению X Генеральной конференции по мерам и весам (1954 г.) взята тройная точка воды. Ей присвоена температура +273,16 К (точно). Это температура, при которой все три фазы воды (твердая, жидкая, газообразная) находятся в равновесии. Выбор тройной точки в качестве реперной точки термодинамической шкалы объясняется тем, что погрешность воспроизведения ее значительно меньше, чем погрешность воспроизведения точек кипения воды и таяния льда.

Единица термодинамической температуры - кельвин выбрана так, чтобы была преемственность со стоградусной шкалой Цельсия, т.е. чтобы кельвин как температурный интервал был равен градусу Цельсия, а любой температурный интервал, выраженный в Кельвинах, был численно равен этому интервалу, выраженному в градусах Цельсия. Для этого температурный промежуток между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении разбивается на 100 равных частей. Точка таяния льда лежит на 0,01 градуса ниже тройной точки. Следовательно, по термодинамической шкале точка плавления льда равна 273,15 К.

Как уже указывалось, термодинамическая шкала строится на одной реперной точке. Нижним пределом шкалы является абсолютный нуль. Исходя из этого, кельвин определяется как 1/273,16 температурного интервала между тройной точкой воды и абсолютным нулем.

Измерение температуры по термодинамической шкале связано, как уже отмечалось, с осуществлением цикла Карно и измерением количеств теплоты, получаемых телом от нагревателя и отдаваемых охладителю. Измерение температуры таким образом являлось бы затруднительным. В связи с этим для практических целей на основе термодинамической шкалы установлена Международная практическая температурная шкала.

Такая шкала под названием Международная температурная шкала была впервые введена по решению VII Генеральной конференции по мерам и весам (1927 г.). Эта шкала основывалась на нескольких воспроизводимых реперных точках и согласовывалась со стоградусной термодинамической шкалой с достаточной для того времени точностью. По решению IX Генеральной конференции по мерам и весам (1948 г.) с целью усовершенствования Международной температурной шкалы были утверждены методика и приборы для ее осуществления, а также уточнены числовые значения реперных точек. По предложению Международного комитета мер и весов XI Генеральная конференция по мерам и весам (1960 г.) утвердила новое название шкалы и приняла "Положение о Международной практической температурной шкале 1948 г. Редакция 1960 г.". В 1968 г. Международный комитет мер и весов еще раз вернулся к рассмотрению вопроса об этой шкале и принял решение именовать ее "Международная практическая температурная шкала 1968 г." (МПТШ-68).

Международная практическая температурная шкала 1968 г. основывается на одиннадцати точках - температуpax, присвоенных воспроизводимым состояниям равновесия, а также на интерполяционных приборах, посредством которых по особым формулам производят интерполяцию температуры между постоянными точками шкалы. Для воспроизведения постоянных точек, указанных в таблице, в качестве эталонных приборов применяют платиновые термометры сопротивления. При высоких температурах (выше 1337,58 К) постоянные точки определяются на основании закона излучения Планка.

Определяющие постоянные точки МПТШ-68*

Состояние равновесияПрисвоенное значение международной практической температуры
Т68, К t68, °С
Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода) 13,81 -259,34
Равновесие между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 33330,6 Па (25/76 нормальной атмосферы) 17,042 -256,108
Равновесие между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода (точка кипения равновесного водорода) 20,28 -252,87
Равновесие между жидкой и газообразной фазами неона (точка кипения неона) 27,102 -246,048
Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода) 54,361 -218,789
Равновесие между жидкой и газообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)90,188 -182,962
Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами воды (тройная точка воды)**273,16 0,01
Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды) ** 373,15 100
Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка) 692,73 419,58
Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра) 1235,08 961,93
Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)1337,58 1064,43
* За исключением тройных точек и одной точки равновесного водорода (17,042 К), присвоенные значения температур действительны для состояний равновесия при давлении 101 325 Па (1 нормальная атмосфера). При воспроизведении этих постоянных точек могут возникнуть малые отклонения от присвоенных температур из-за разной глубины погружения термометров и из-за того, что предписанное давление не может быть реализовано совершенно точно. При учете этих малых температурных разностей точность воспроизведения шкалы не будет снижена.
** Применяемая вода должна иметь изотопический состав воды океанов. Вместо точки кипения воды можно применять состояние равновесия между твердой и жидкой фазами олова (точку затвердевания олова) с присвоенным значением t68 = 231,9681°С.

⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ 

cartalana.orgⒸ 2008-2021 контакт: koshka@cartalana.org