Международная система электрических и магнитных единиц
Международная система электрических и магнитных единиц — устаревшая система единиц, используемая для измерения электрических и магнитных величин. Она была предложена как система практических международных единиц (например, международный ампер, международный ом, международный вольт) по единогласной рекомендации на Международном электротехническом конгрессе (Чикаго, 1893 г.), обсуждалась на других конгрессах и, наконец, была принята на Международном конгрессе. Конференция по электрическим единицам и стандартам в Лондоне в 1908 году. [1] Она устарела после включения электромагнитных единиц в Международную систему единиц (СИ) на 9-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году.
Более ранние системы
[ редактировать ]Связь между электромагнитными единицами и более привычными единицами длины , массы и времени была впервые продемонстрирована Карлом Фридрихом Гауссом в 1832 году при измерении магнитного поля Земли. [2] и этот принцип был распространен на электрические измерения Францем Эрнстом Нейманом в 1845 году. [3] [4] Полная система метрических электрических и магнитных единиц была предложена Вильгельмом Эдуардом Вебером в 1851 году. [5] основано на идее, что электрические единицы могут быть определены исключительно по отношению к абсолютным единицам длины, массы и времени. [6] [7] Первоначальное предложение Вебера было основано на системе единиц миллиметр-миллиграмм-секунда.
Развитие электрического телеграфа (изобретение Гаусса и Вебера) продемонстрировало необходимость точных электрических измерений. По указанию Уильяма Томсона , [8] Британская ассоциация содействия развитию науки (BA) создала комитет в 1861 году, первоначально для изучения стандартов электрического сопротивления, [9] который был расширен в 1862 году, включив в него другие электрические стандарты. [10] После двух лет дискуссий, экспериментов и значительных разногласий, [8] комитет решил адаптировать подход Вебера к СГС , системе единиц [11] но использовали метр, грамм и секунду в качестве абсолютных единиц. Однако эти единицы было сложно реализовать , и (часто) они были непрактично малы. [12] Чтобы преодолеть эти препятствия, BA также предложил набор «практических» или «воспроизводимых» единиц, которые не были напрямую связаны с системой CGS, но которые были, насколько позволяла экспериментальная точность, равными кратным соответствующим единицам CGS. [13] BA разработал два комплекта блоков CGS. Практические единицы были основаны на электромагнитном наборе единиц, а не на электростатическом . [13]
система 1893 года
[ редактировать ]Система практических единиц BA получила значительную международную поддержку и была принята – с одним важным изменением – на Первой Международной конференции электриков (Париж, 1881 г.). Британская ассоциация сконструировала искусственное представление ома (проволока стандартной длины, сопротивление которой составляло 10 Ом). 9 единицы электрического сопротивления СГС, то есть один Ом), тогда как международная конференция предпочла метод реализации , который можно было бы повторить в разных лабораториях разных стран. Выбранный метод был основан на измерении удельного сопротивления путем ртути измерения сопротивления столбика ртути заданных размеров (106 см × 1 мм). 2 ): однако выбранная длина колонки оказалась короче почти на 3 миллиметра, что привело к разнице в 0,28% между новыми практическими единицами и единицами CGS, которые предположительно были их основой. [14]
Аномалия была устранена на другой международной конференции в Чикаго в 1893 году путем исправления определения ома. Единицы, согласованные на этой конференции, были названы «международными» единицами, чтобы отличить их от своих предшественников.
В системе 1893 года было три основные единицы: международный ампер , международный ом и международный вольт .
| Единица | 1893 г. («международное») определение [Примечание 1] | CGS («абсолютный») эквивалент | Примечания |
|---|---|---|---|
| международный ампер | Неизменный ток , который при прохождении через раствор нитрата серебра в воде осаждает серебро со скоростью 0,001·118,00 граммов в секунду. | Ток возникает в проводнике сопротивлением 1 Ом при разности потенциалов между его концами 1 В. | 0,1 единиц электрического тока CGS-EMU |
| международный ом | Сопротивление электрическому неизменному току столбика ртути при температуре тающего льда массой 14,4521 грамма, постоянной площади поперечного сечения и длины 106,3 сантиметра. | 10 9 Единицы электрического сопротивления CGS-EMU | |
| международный вольт | 1000 ⁄ 1434 электродвижущей силы элемента Кларка при температуре 15 °C. | Электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи , разрезающей 10 8 магнитные линии силовые в секунду | 10 8 Единицы электродвижущей силы CGS-EMU |
Международные единицы не имели такого же формального юридического статуса, как метр и килограмм, в соответствии с Метрической конвенцией (1875 г.), хотя некоторые страны приняли это определение в своих национальных законах (например, Соединенные Штаты, посредством Публичного закона № 105 от 12 июля 1875 г.). 1894 г. [15] ).
Сверхопределение и модификация 1908 года
[ редактировать ]Система единиц 1893 года была переопределена, как видно из изучения закона Ома :
По закону Ома знание любых двух физических величин V , I или R (разность потенциалов, ток или сопротивление) определит третью, однако система 1893 года определяет единицы измерения для всех трех величин. С усовершенствованием методов измерения вскоре было признано, что
- 1 В int ≠ 1 А int × 1 Ом int .
Решение было принято на международной конференции в Лондоне в 1908 году. Существенным моментом было сокращение количества основных единиц с трех до двух путем переопределения международного вольта как производной единицы. Было еще несколько модификаций менее практического значения: [1]
- международный ампер и международный ом были формально определены в терминах соответствующих электромагнитных единиц СГС , при этом определения 1893 года были сохранены в качестве предпочтительных реализаций ;
- предпочтительная реализация международного вольта заключалась в использовании электродвижущей силы элемента Уэстона при 20 ° C (1,0184 В int ), поскольку этот тип элемента имеет более низкий температурный коэффициент, чем элемент Кларка;
- были формально определены несколько других производных единиц для использования в электрических и магнитных измерениях: [Примечание 1]
- Международный кулон
- электрический заряд, передаваемый током в один международный ампер за одну секунду; [Примечание 2]
- Международный фарад
- емкость , конденсатора ; заряженного до потенциала в один международный вольт на один международный кулон электричества [Примечание 2]
- Джоуль
- 10 7 единицы работы в системе СГС, достаточно хорошо представленные для практического использования энергией, затрачиваемой за одну секунду международным ампером в международном оме;
- Ватт
- 10 7 единицы мощности в системе СГС, достаточно хорошо представленные для практического использования работой, совершаемой со скоростью один джоуль в секунду;
- Генри
- индуктивность в цепи, когда электродвижущая сила , индуцированная в этой цепи, равна одному международному вольту, а индуцирующий ток изменяется со скоростью один ампер в секунду.
единицы СИ
[ редактировать ]С достижениями в теории электромагнетизма и количественного исчисления стало очевидно, что, помимо основных единиц времени, длины и массы, последовательная система единиц может включать только одну базовую электромагнитную единицу . Первую такую систему предложил Георгий в 1901 году: [16] [17] [18] он использовал ом в качестве дополнительной базовой единицы в системе MKS , поэтому его часто называют системой MKSΩ или системой Джорджи.
Дополнительная проблема с системой электрических единиц CGS, на которую еще в 1882 году указал Оливер Хевисайд , [19] заключалось в том, что они не были «рационализированы», то есть не смогли должным образом учесть диэлектрическую проницаемость и проницаемость как свойства среды. Георгий также был ярым сторонником рационализации электрических агрегатов. [17]
Выбор электрического блока в качестве базового блока в рационализированной системе зависит только от практических соображений, в частности от возможности точно и воспроизводимо реализовать блок. Ампер быстро получил поддержку по сравнению с Омом, поскольку многие национальные лаборатории по стандартизации уже оценивали ампер в абсолютном выражении, используя амперные весы . [16] [20] Международная электротехническая комиссия (МЭК) приняла систему Джорджи, в которой ампер заменил ом в 1935 году, и этот выбор базовых единиц часто называют системой MKSA. [17]
Международный комитет мер и весов (CIPM) утвердил новый набор определений электрических единиц, основанный на рационализированной системе MKSA, в 1946 году, и они были приняты на международном уровне в рамках Метрической конвенции на 9-й Генеральной конференции мер и весов в 1948 году. . [21] В этой системе, которая впоследствии стала Международной системой единиц (СИ), ом является производной единицей. [Примечание 3]
Определения электрических единиц СИ формально эквивалентны международным определениям 1908 года, поэтому не должно было быть никаких изменений в размерах единиц. Тем не менее, международный ом и международный вольт обычно выражались не в абсолютных величинах, а относительно стандартного сопротивления и стандартной электродвижущей силы соответственно. Реализации, рекомендованные в 1908 году, не совсем эквивалентны абсолютным определениям: рекомендуемые коэффициенты пересчета. [22] являются
- 1 Ом int ≈ 1,000 49 Ом
- 1 V int ≈ 1.000 34 V
хотя для отдельных стандартов в национальных измерительных лабораториях могут применяться несколько иные факторы. [Примечание 4] Поскольку международный ампер обычно реализовывался с помощью амперных весов, а не электролитически, [16] 1 А int Коэффициент пересчета «электролитического» ампера (А эл ) можно рассчитать исходя из современных значений атомного веса серебра = 1 А. и постоянной Фарадея :
- 1 А электр = 1,000 022(2) А
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Терминология некоторых определений была обновлена до современного использования.
- ^ Перейти обратно: а б Кулон . и фарад использовались в более ранних системах электрических единиц BA с несколько разными определениями, поэтому необходимо добавить уточнение «международный»
- ^ Ом - это электрическое сопротивление между двумя точками проводника, когда постоянная разность потенциалов в 1 вольт, приложенная к этим точкам, создает в проводнике ток силой 1 ампер, при этом проводник не является местом возникновения какой-либо электродвижущей силы.
- ^ Коэффициенты пересчета для национальных стандартов США (NIST): 1 Ом int = 1,000 495 Ом и 1 В int = 1,000 330 В.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 27 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 738–745, см. стр. 742.
- ^ Гаусс, К.Ф. (1832–1837), «Интенсивность магнитной силы Земли, восстановленная до абсолютного измерения», Комментарии Королевского общества Геттингенских наук , 8 : 3–44 . английский перевод
- ^ Нойман, Ф. Е. (1847), «Общие законы индуктивных электрических токов» , трактаты Королевской прусской академии наук в Берлине: с 1845 года : 1–87, заархивировано из оригинала 8 июня 2011 г. , получено 9 апреля, 2018 ; Перепечатано: «Математические законы индукционных электрических токов» , собрание сочинений Франца Неймана , т. 3, Лейпциг: Б. Г. Тойбнер, 1912, стр. 257–344 .
- ^ Нойман, Ф. (1849), «Об общем принципе математической теории индуцированных электрических токов» , трактаты Королевской прусской академии наук в Берлине: с 1847 года : 1–71, заархивировано с оригинала 8 июня. , 2011 , данные получены 9 апреля 2018 г .; Перепечатано: Собрание сочинений Франца Неймана , т. 3, Лейпциг: Б. Г. Тойбнер, 1912, стр. 345–424 .
- ^ Чисхолм, Хью , изд. (1911). . Британская энциклопедия . Том. 28 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 458.
- ^ Вебер, WE (1851). «Измерения сопротивлений гальванических линий по абсолютной мере» . Анналы физики и химии . 82 (3): 337–369. Бибкод : 1851АнП...158..337Вт . дои : 10.1002/andp.18511580302 . Перепечатано в: Вебер, Вильгельм (1893). «Измерения сопротивлений гальванических линий по абсолютной мере» . Работы Вильгельма Вебера . Спрингер. стр. 276–300. дои : 10.1007/978-3-662-24693-1_9 . ISBN 978-3-662-22762-6 . и Вебер, Вильгельм (1851). «Измерения сопротивлений гальванических линий по абсолютной мере» . Анналы физики . 158 (3): 337–369. Бибкод : 1851АнП...158..337Вт . дои : 10.1002/andp.18511580302 . Английский перевод: «Об измерении электрического сопротивления по абсолютному стандарту» . Философский журнал . 22, Четвертая серия. Перевод Э. Аткинсона: 226–240 и 261–269. 1840.
- ^ ГКФ (1891 г.). «Вильгельм Эдуард Вебер» . Природа . 44 (1132): 229–230. Бибкод : 1891Natur..44..229G . дои : 10.1038/044229b0 . S2CID 4060786 .
- ^ Перейти обратно: а б Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 27 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 738–745, см. стр. 740.
- ^ «Рекомендации, принятые Генеральным комитетом на Манчестерском заседании в сентябре 1861 года» . Отчет тридцать первого собрания Британской ассоциации содействия развитию науки . Том. 31. Лондон: Джон Мюррей. 1862. стр. xxxix – xl.
- ^ «Рекомендации, принятые Генеральным комитетом на Кембриджском заседании в октябре 1862 года» . Отчет тридцать второго собрания Британской ассоциации содействия развитию науки . Том. 32. Лондон: Джон Мюррей. 1863. стр. xxxix.
- ^ «Отчет генерального комитета, назначенного Британской ассоциацией по стандартам электрического сопротивления» . Отчет тридцать третьего собрания Британской ассоциации содействия развитию науки . Том. 33. Лондон: Джон Мюррей. 1864. стр. 111–176.
- ^ Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 27 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 738–745, см. стр. 743.
- ^ Перейти обратно: а б Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 27 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 738–745, см. стр. 741.
- ^ ом , size.com , получено 11 августа 2010 г.
- ^ ТК Менденхолл (1895 г.). «Юридические единицы измерения электрической энергии» . Наука . 1 (1): 9–15. Бибкод : 1895Sci.....1....9M . дои : 10.1126/science.1.1.9 . JSTOR 1623949 . ПМИД 17835949 .
- ^ Перейти обратно: а б с Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 27 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 738–745.
- ^ Перейти обратно: а б с Джованни Джорджи , Международная электротехническая комиссия , получено 21 февраля 2014 г.
- ^ Георгий Г. Рациональные единицы электромагнетизма . Оригинальная рукопись с рукописными примечаниями Оливера Хевисайда. Архивировано 29 октября 2019 г. в Wayback Machine .
- ^ Хевисайд, О. (1882). «Связь между магнитной силой и электрическим током» . Электрик (18 ноября): 6. .
- ^ Глейзбрук, RT (1936), «Четвертый блок системы электрических единиц Джорджи», Proc. Физ. Соц. , 48 (3): 452–455, Бибкод : 1936PPS....48..452G , doi : 10.1088/0959-5309/48/3/312 .
- ^ Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 144, ISBN 92-822-2213-6 , заархивировано (PDF) из оригинала 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
- ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Количества, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 114. Электронная версия. .