Международная система единиц (СИ)

Обложка брошюры Международная система единиц СИ (8-я редакция).

Международная система единиц (СИ) (международная аббревиатура SI с фр. Syst?me International d'Unit?s ) - Это современная форма метрической системы, построенная на базе семи основных единиц ^[1]. СИ является наиболее часто используемым системой единиц при проведении расчетов в различных отраслях науки, техники, торговли и тому подобное.

В 1960 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам Международная система единиц СИ была рекомендована как практическая система единиц для измерений физических величин. Главная цель внедрения такой системы - объединение большого количества систем единиц ( СГС, МКГСС, МКС и т.п.) из различных областей науки и техники и устранения трудностей, связанных с использованием значительного количества коэффициентов при пересчете между ними и созданием большого количества эталонов для обеспечения необходимой точности. Преимущества СИ обеспечивают повышение производительности труда проектантов, производителей, ученых, упрощают и облегчают учебный процесс, а также практику международных контактов между государствами.

Международная система единиц СИ состоит из набора единиц измерения и набора кратных и частичных префиксов к ним. Система также определяет стандартные сокращенные обозначения для единиц и правила записи производных единиц.

Система СИ не является неизменной, она является набором стандартов, в котором создаются единицы измерения и корректируются их определения согласно международным соглашениям в зависимости от уровня современного развития измерительных технологий.

1. Единицы измерения

В основе СИ лежат независимые друг от друга основные единицы, а остальные, производные единицы, устанавливаются с помощью основных и определяющих уравнений, выражающие в четко виде функциональные связи между физическими величинами. При построении СИ были выбраны основные единицы, которые обеспечивают всеобъемлющий охват областей науки и техники, причем в качестве большинства производных единиц использованы единицы, применявшиеся ранее и имеют удобные размеры.

В настоящее время в СИ определены семь основных физических величин - длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света - которые, по договоренности, считаются независимыми. Соответствующими них основными единицами измерения являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В системе СИ размерности основных единиц измерения, на базе которых строятся производные единицы, также считаются независимыми. Но нужно отметить, что определение основных единиц связаны между собой. Так определение метра содержит в себе секунду определения ампера - содержит метр, килограмм и секунду определения молю - килограмм; кандела - метр, килограмм и секунду.

1.1. Основные единицы

1.2. Производные единицы, имеющие собственные

Производные единицы СИ является произведениями целых степеней основных единиц. Математическое выражение для размерности производной единицы выходит физического закона или определение соответствующей физической величины. Некоторые из производных единиц измерения имеют собственные названия, которые тоже можно использовать при определении других производных единиц. В наше время ^{[ Когда? ]} существует 22 таких единицы измерения ^[3].

С помощью вышеупомянутых семи основных и двадцати двух производных единиц можно построить единицу любой известной в наше время ^{[ Когда? ]} физической величины. Но из-за того, что общее количество физических величин в науке ограничено, поэтому привести полный перечень производных единиц измерения невозможно.

Если при определении производной единицы оказывается, что она может быть выражена с помощью основных и производных единиц различными способами, на практике используют выражения, лучше отражают физический смысл этой величины. Так, например, единица измерения момента силы является Н ? м, а не м ? Н или Дж.

1.3. Множители и префиксы для образования кратных и частных единиц

Для более подробной информации см. статьи Префиксы СИ и Двоичные приставки

В СИ существуют десятичные множители с помощью которых можно образовывать кратные и дольные единицы. Все числовые префиксы является степенями десяти и не должны использоваться для обозначения степеней двойки. Так, например, один килобит обозначает 1000 бит, а не 1024.

В системе СИ запрещается использовать префиксы, состоящие из двух или более основных. Так величина 10 ^-9 м всегда сказывается нм ( нанометр), а не, например, ммкм (милимикрометр). Согласно этим для образования кратных и частных единиц килограмма, единой единицы что по историческим причинам уже имеет в своем имени префикс, используется частная единица грамм. Т.е. величина 10 ^-6 кг обозначается как 1 мг (мг), а не 1 мккг (микрокилограм).

В скобках обозначены префиксы, которые предполагается использовать только в названиях единиц, которые уже имеют широкое распространение, например, гектар, декалитр, дециметр, сантиметр.

2. Соотношение единиц СИ с единицами других систем и внесистемные единицы

2.1. Единицы длины

2.2. Единице объема, вместимости

2.3. Единицы массы

2.4. Единицы силы

2.5. Единицы скорости

2.6. Единицы угловой скорости

2.7. Единицы мощности

2.8. Единицы давления

2.9. Единицы динамической вязкости

2.10. Единицы кинематической вязкости

3. Правописание

Основные правила правописания единиц были введены 6-й Генеральной конференцией по мерам и весам в 1948. Как результат, сейчас существует общая международная согласие, относительно написания и использование обозначений и названий единиц и их префиксов. Соблюдение правил способствует повышению читабельности текстов.

• Обозначения единиц пишутся обычным прямым шрифтом, в отличие от обозначений физических величин, которые пишутся курсивом. Например, м ( метр) и m ( масса).
• Обозначения единиц всегда пишутся со строчной буквы, если они не образованы от личных имен. Если единица названа в честь человека, то первая буква обозначения всегда является большим, но, при написании названия полностью, это название пишется со строчной буквы. Например, 15 кг, 60 с, 2 Н, но 2 ньютона, 200 мкФ, но 200 микрофарад.
• Если используются префиксы, они предшествуют базовой единицы и пишутся с ней вместе. Префикс никогда не используется сам, также запрещается использовать составленные префиксы.
• Обозначения единиц является математическими выражениями, а не сокращениями. Поэтому после них не ставится точка, за исключением расположения обозначения в конце предложения.
• При формировании произведений и долей единиц используются обычные алгебраические правила умножения и деления. Умножение должно сказываться пропуском или точкой на середине высоты строки (?). Деление должно сказываться горизонтальной или косой чертой, или отрицательным показателем степени. Например, для умножения: Н м, или Н ? м, для деления: м / с, м ? с ^-1, или . Когда объединяются несколько обозначений единиц, необходимо использовать скобки или отрицательные показатели степеней для избежания неопределенности записи. Кроме того, косая черта не должна использоваться в выражении дважды и более раз. Например, правильным записью будет кг / (м ? с ^2), или кг ? м ^-1 ? с ^-2 (= Па), а не кг / м / с / c.
• Запрещается использовать сокращенные названия единиц СИ, например сек. вместо с, или кв. м, вместо м ^2. Использование правильных обозначений единиц СИ является обязательным, только в таком случае можно избежать неопределенностей и недоразумений.

4. Историческая справка

Государства, в которых Международная система единиц СИ еще не принята официально как единая практическая система единиц проведения измерений: Либерия, Мьянма и США.

Первым шагом на пути создания метрической системы было введение двух платиновых стандартов метра и килограмма в середине 1799 года. Позже, в 1832 году, Гаусс рекомендовал использование такой метрической системы, как согласованной системы единиц для физических вычислений. Гаусс первым осуществил измерения магнитного поля Земли используя метрическую систему основанную на трех механических единицах - миллиметре, грамме и секунде, отвечающих физическим величинам длины, массы и времени.

Расширение метрической системы произошло благодаря Максвелл и Томсону, которые в 60-х годах XIX в. сформулировали требования для согласованной системы единиц основанную на основных и производных единицах. Как следствие, в 1874 году была введена система СГС, которая базировалась на трех механических единицах - сантиметре, грамме и секунде и использовала диапазон префиксов от микро до мега для создания кратных и частных единиц. Последующее развитие физики, как экспериментальной науки, в значительной мере связан с этой системой: на ее основе были построены магнитная (СГСМ) и электрическая (СГСЕ) системы, световая система единиц СГСЛ (сантиметр, грамм, секунда, люмен), система тепловых единиц СГС ? С (сантиметр, грамм, секунда, градус Цельсия) и другие. 0 После создания в 1875 году Международного бюро по мерам и весам началась работа по созданию новых международных эталонов метра и килограмма. В 1889 первая Генеральная конференция по мерам и весам предложила новую, похожую с СГС систему, но основанную на метре, килограмме и секунде - систему МКС.

Неудобный размер в системах СГС электромагнитных единиц, которые не имели собственных названий, а выражались через основные единицы, инициировал работы по объединению механических и электромагнитных единиц в одну согласованную систему. Так в 1939 году был сделан следующий шаг - создание системы МКСА, основанной на метре, килограмме, секунде и Ампер.

Исходя из исследований Международного бюро мер и весов, которые начались в 1948, на 10-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1954 году было принято введение ампера, кельвина и Канделы, как базовых единиц, которые отвечают электрическому току, термодинамической температуре и силе света. В 1960 году на 11-й Генеральной конференции по мерам и весам эта система была официально названа Международной системой единиц с аббревиатурой SI.

В 1971, после долгих дискуссий между физиками и химиками, современная система СИ была сформирована добавлением моля как базовой единицы для количества вещества.

5. Современное положение

На сегодня СИ официально утверждена основной или единственной системой единиц во всех странах мира за исключением США, Либерии и Мьянмы. Соединенное Королевство приняло систему СИ, но без намерения вытеснения традиционных единиц.

Единицы, отличные от СИ применяются в отдельных видах деятельности, например, моряки до сих пор используют для измерения расстояний морские мили, а скоростей - узлы.

6. Предлагаются изменения

На 23 Генеральной конференции мер и весов, которая состоялась в 2007, конференция дала мандат Международному комитету мер и весов исследовать возможность использования природных постоянных как основы всех единиц вместо эталонов-артефактов, которые используются сейчас. Следующем году это решение поддержал Международный союз чистой и прикладной физики. На заседании Международного комитета мер и весов, проходившем в октябре 2010, проект изменений был одобрен в принципе. Заседание, однако, решило, что все требования, которые поставил 23 Генеральный конференция, еще не выполнены в полном объеме. В связи с этим Международный комитет не может принять изменения в единиц СИ немедленно, однако Комитет представил ее на 24 Генеральной конференции мер и весов, видбулався 17-21 октября 2011 и приняла согласиться с изменениями в принципе, но не внедрять их, пока не будут разработаны все детали. Кроме того дата 25 Генеральной конференции была перенесена с 2015 на 2014 год.

6.1. Суть изменений

Предлагается определить четыре природных фундаментальные стали так, чтобы они имели точное значение:

• Постоянная Планка h равна точно 6.626 06X ? 10 ^-34 джоулей секунд (Дж ? с) .
• Элементарный электрический заряд e равен точно 1.602 17X ? 10 ^-19 кулонов (Кл) .
• Постоянная Больцмана k равна точно 1.380 65X ? 10 ^-23 джоулей на кельвин (Дж ? K ^-1) .
• Число Авогадро N _A равна точно 6.022 14X ? ^{23 октября} обратных молей (моль ^-1) .

Здесь буква X в числе означает, что значение данного последнего десятичного знака еще не завтверджене окончательно.

Соответственно, базовые единицы СИ получат новые определения.

Килограмм

Килограмм, кг, единица массы; величина его устанавливается так, чтобы значение постоянной Планка равно точно 6.626 06X ? 10 ^-34 , Если его выразить в единицах с ^-1 м ² кг, в равной Дж ? с.

Ампер

Ампер, А, Одиночки электрического тока, его значение устанавливается так, чтобы значение элементарного заряда равно точно 1.602 17X 10 ^-19 , Если его выразить в единицах А ? с, в равной Кл.

Кельвин

Кельвин, К, единица термодинамической температуры, его значение устанавливается так, чтобы значение постоянной Больцмана равно точно 1.380 65X 10 ^-23 , Если оно выражено в с ^-1 ? м ² ? кг ? K ^-1, равна Дж ? K ^-1.

Моль

Моль, моль, единица количества вещества, состоящего из химических единиц определенного вида, которые могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и любыми другими частицами или определенными группами таких частиц, его значение устанавливается так, чтобы число Авогадро равно точно 6.022 14X ? ^{23 октября} , Если оно выражено в единицах моль ^-1.

Если изменения будут приняты, то эталон килограмма потеряет свое значение, зато станут важными методы измерения физических постоянных, таких как стала Джозефсона и стала фон Клитцинга.

Источники

• Брошюра СИ Международного бюро мер и весов. Восьмой редакция.
• ДСТУ 3651.0-97. Метрология. Единицы физических величин. Основные единицы физических величин Международной системы единиц. Основные положения, названия и обозначения
• ДСТУ 3651.1-97. Метрология. Единицы физических величин. Производные единицы физических величин Международной системы единиц и внесистемные единицы. Основные понятия, названия и обозначения
• ДСТУ 3651.2-97. Метрология. Единицы физических величин. Физические стали и характеристические числа. Основные положения, обозначения, названия и значения

Примечания

См.. также

• Метрология
• Всемирное координированное время (UTC)
• Лошадиная сила
• Английская система мер
• Русская система мер
• Французская система мер
• Японская система мер
• Китайская система мер
• Древние единицы измерения