Известные системы единиц физических величин

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц физических величин. Система строилась как совокупность независимых друг от друга основных единиц, а остальные единицы системы (производные) можно было определить с помощью основных, используя известные связи между ними. Он разработал систему единиц, в которой за основные были приняты три единицы – длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда). Эту систему единиц Гаусс назвал «абсолютной системой».

В дальнейшем появился ряд систем единиц физических величин, базирующихся на метрической системе мер и построенных по предложенному Гауссом принципу. Основные различия заключались в значениях и числе основных единиц.

Система СГС, в которой основными единицами являются сантиметр, грамм и секунда была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом электриков. Конгресс ввел наименование для двух важнейших производных единиц: дина – для единицы силы и эрг – для единицы работы. Для мощности в системе СГС применялся эрг в секунду, для давления – дина на квадратный сантиметр. В области механическихвеличин система вполне обеспечивала образование производных единиц.

Сложнее обстоит дело с применением системы СГС для электрических и магнитных измерений. Для обеспечения единиц электрических и магнитных величин систему СГС пришлось модифицировать, причем из семи модификаций наибольшее распространение нашли три:

– система СГСЭ, в которой диэлектрическая проницаемость вакуума принята равной неименованной единице (ее называют абсолютной электростатической системой единиц);

– система СГСМ, в которой за неименованную единицу принята магнитная проницаемость вакуума (ее называют абсолютной электромагнитной системой единиц).

– система СГС симметричная или система Гаусса. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные с магнитными единицами СГСМ.

Абсолютная практическая система электрических единиц была принята Первым Международным конгрессом электриков в 1881 г. В ее основу была положена система СГСМ, но электрические и магнитные единицы были образованы из соответствующих единиц абсолютной электромагнитной системы СГСМ путем умножения их на соответствующие степени числа 10. В соответствии с названием абсолютная практическая система должна была обеспечить потребности практических электриков, которым электрические и магнитные единицы системы СГС показались недостаточно удобными (одни слишком велики, другие слишком малы).

Первыми из практических электрических единиц были:

– единица силы электрического тока – ампер (1 А = 10^-1 электромагнитным единицам силы тока СГСМ);

– единица электродвижущей силы – вольт (1 В = 10⁸ единиц электродвижущей силы СГСМ);

– единица электрической емкости – фарада (1 Ф = 10^-9 единицам электрической емкости СГСМ;

– единица электрического сопротивления (1 Ом = 10⁹ единицам сопротивления СГСМ). Единица электрического сопротивления получила наименование в честь Ома не во время создания системы, а несколько позднее.

Множители 10ⁿ были приняты для сближения системы с метрической, а значения степеней выбирали из практических соображений. Так множитель 10⁹ для новой единицы сопротивления взяли потому, что эта единица должна была быть близка к размеру применявшихся в то время единиц сопротивления, например, ртутной единицы Сименса (сопротивление столбика ртути длиной 100 см и поперечным сечением 1 мм²). Множитель 10⁸ для практической единицы электродвижущей силы был взят для приближения к электродвижущей силе элемента Даниэля, имевшего э.д.с., близкую к 1 В.

В дальнейшем решениями Международной электротехнической комиссии и генеральных конференций по мерам и весам были установлены другие практические электрические и магнитные единицы (джоуль, ватт, генри, вебер, сименс, тесла и др.).

Уже Второй Международный конгресс электриков в 1889 г. установилеще три практические электрические единицы:

– единицу энергии – джоуль (1 Дж = 10⁷ единицам энергии СГСМ);

– единицам мощности – ватт (1 Вт = 10⁷ единицам мощности СГСМ);

– единицу индуктивности – квадрант (впоследствии это наименование заменили на «генри»1 Гн = 10⁹ единицам индуктивности СГСМ).

Международные электрические единицы. В 1893 г. Третий Международный конгресс электриков принял международные электрические единицы, которые определялись с помощью эталонов, обеспечивающих их воспроизведение с наивысшей достижимой для того времени точностью. Отход от «теоретических определений»,абсолютной практической системы электрических единиц (определение через единицы длины, массы и времени) объяснялся трудностями их точного воспроизведения с помощью эталонов.

Новым электрическим единицам было присвоено наименование «международных электрических единиц». Конгресс установил три основные международные электрические единицы:

– ом, для определения которого использовали ртутный эталон;

– ампер, определяемый с помощью серебряного вольтметра;

– вольт, определяемый по элементу Кларка.

Остальные электрические единицы (кулон, фарада и др.) были определены как производные.

Международная Лондонская конференция электриков в 1908 г. утвердила спецификации для воспроизведения международного ома имеждународного ампера. Конференция рекомендовала принять в качестве единиц, которые при воспроизведении с помощью эталонов обеспечивают достаточную точность для практических измерений, международный ом, международный ампер, международный вольт и международный ватт. Принятые Конференцией международные электрические единицы начали вводить законодательными актами в разных странах, и они получили широкое распространение до их отмены. Решением Международного комитета мер и весов с 1 января 1948 г. было предложено перейти на абсолютные электрические единицы (1 международный ом = 1,00049 абсолютного ома; 1 международный вольт = 1,00034 абсолютного вольта). В СССР международные электрические единицы были утверждены в 1929 г., а 1 мая 1948 г. они были отменены в связи с переходом на абсолютные практические электрические единицы.

Система МКГСС – система единиц физических величин с основными единицами: метр (единица длины), килограмм-сила (единица силы) и секунда – единица времени.

При установлении метрической системы мер килограмм был принят за единицу веса, поскольку различение массы и веса (силы тяжести) произошло несколько позднее. В конце XIX века килограмм стали рассматривать как единицу веса, а затем и как более общую единицу силы. В итоге была создана система единиц физических величин МКГСС с тремя основными единицами (метр, килограмм-сила и секунда). Килограмм-сила (кгс) –сила, которая сообщает телу с массой, равной массе международного прототипа килограмма, «нормальное ускорение свободного падения» (9,80665 м/с²).

В результате за единицу массы в системе МКГСС приняли массу тела, получающего ускорение 1 м/с² под действием приложенной силы 1 кгс. Единица массы МКГСС – 1 кгс•с²/м = 9,81 кг – единицы массы СИ. Эту единицу иногда называют «технической единицей массы» (т. е. м.).

Система МКГСС нашла достаточно широко распространение в технике, поскольку в ряде случаев выражение сил в единицах веса дает определенные удобства (например, при определении нагрузок в строительстве).

Одним из недостатков системы было сходство наименований единицсилы и массы, что часто приводило к путанице, имеющей место и сегодня. Попыткой устранения этого недостатка было использование вместо «килограмм-силы» в некоторых странах (например, в Австрии, ФРГ) нового наименования единицы силы – килопонд.

Основы системы МКСА были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи (второе наименование, принятое в 1958 г. Международной электротехнической комиссией – «система Джорджи»). Основные единицы системы МКСА: метр, килограмм, секунда и ампер. В системе МКСА сила измеряется в ньютонах, работа и энергия в джоулях, мощность в ваттах.

В системе МКСА согласованы механические единицы и единицы абсолютной практической системы электрических и магнитных единиц (ампер, вольт, ом, кулон и др.). В настоящее время единицы системы МКСА входят в Международную систему единиц физических величин (SI).

Система МКСА была законодательно введена в СССР стандартом ГОСТ 8033-56 «Электрические и магнитные единицы», действовавшим с 1 января 1957 г. до введения стандарта, основанного на SI.

В системе единиц МТС основными единицами являются: единица длины (метр), единица массы (тонна) и единица времени (секунда). В системе МТС единицей силы служит стен (сн), равный силе, сообщающей массе 1 т ускорение 1 м/с², единицей давления – пьеза (1 пьеза = 1 сн/м²). Тонна в качестве единицы массы обеспечивает соответствие между единицами длины, объема и массы с точностью, достаточной для большинства технических расчетов (можно считать, что 1 т соответствует массе 1 м³ воды). Кроме того, в этой системе единицы работы и энергии (килоджоуль) и мощности (киловатт) совпадали с соответствующими кратными практическими электрическими единицами.

Система единиц МТС впервые была узаконена в 1919 г. во Франции законоположением о единицах измерений (отменена законоположением от 3 мая 1961 года). С 1927 г. система МТС была установлена советскими стандартами как рекомендуемая для механических областей, однако не нашла практического распространения и при утверждении ГОСТ 7664 – 55 «Механические единицы» (ныне отмененного) система не была в него включена.