Międzynarodowy System Jednostek Elektrycznych i Magnetycznych - International System of Electrical and Magnetic Units

Międzynarodowy System elektrycznych i urządzeń magnetycznych jest przestarzały układ jednostek wykorzystywanych do pomiaru wielkości elektrycznych i magnetycznych. Został on zaproponowany jako system praktycznych jednostek międzynarodowych przez jednogłośne zalecenie na Międzynarodowym Kongresie Elektrycznym (Chicago, 1893), dyskutowany na innych kongresach i ostatecznie przyjęty na Międzynarodowej Konferencji Jednostek Elektrycznych i Norm w Londynie w 1908 roku. przez włączenie jednostek elektromagnetycznych do Międzynarodowego Układu Jednostek (SI) na 9. Generalnej Konferencji Miar w 1948 r.

Wcześniejsze systemy

Związek między jednostkami elektromagnetycznymi a bardziej znanymi jednostkami długości , masy i czasu został po raz pierwszy zademonstrowany przez Gaussa w 1832 r., dokonując pomiaru pola magnetycznego Ziemi, a zasada ta została rozszerzona na pomiary elektryczne przez Neumanna w 1845 r. Kompletny system metryczny Jednostki elektryczne i magnetyczne zostały zaproponowane przez Webera w 1851 roku, w oparciu o ideę, że jednostki elektryczne mogą być definiowane wyłącznie w odniesieniu do bezwzględnych jednostek długości, masy i czasu. Oryginalna propozycja Webera opierała się na układzie jednostek milimetr–miligram–sekunda.

Rozwój telegrafu elektrycznego (wynalazek Gaussa i Webera) wykazał potrzebę dokładnych pomiarów elektrycznych. Na rozkaz Thomson The British Association for Advancement of Science (BA) powołać komisję w 1861 roku, początkowo w celu zbadania standardów dla oporu elektrycznego, który został rozszerzony w 1862 roku w celu włączenia innych norm elektrycznych. Po dwóch latach dyskusji, eksperymentów i znacznych rozbieżności opinii, komisja postanowiła dostosować podejście Webera do systemu jednostek CGS , ale jako jednostki bezwzględne użyła metra, grama i sekundy. Jednak jednostki te były zarówno trudne do zrealizowania, jak i (często) niepraktycznie małe. Aby przezwyciężyć te utrudnienia, BA zaproponował również zestaw „praktycznych” lub „odtwarzalnych” jednostek, które nie były bezpośrednio połączone z systemem CGS, ale które były, tak blisko, jak pozwalała na to eksperymentalna dokładność, równe wielokrotności odpowiednich jednostek CGS. BA opracowało dwa zestawy jednostek CGS. Praktyczne jednostki opierały się na zespole elektromagnetycznym, a nie na zespole elektrostatycznym .

1893 system

System jednostek praktycznych BA zyskał znaczne międzynarodowe poparcie i został przyjęty – z jedną istotną modyfikacją – przez Pierwszą Międzynarodową Konferencję Elektryków (Paryż, 1881). Brytyjskie Stowarzyszenie skonstruowało artefaktową reprezentację omów (standardowa długość drutu oporowego, który miał rezystancję 10 9  jednostek CGS oporności elektrycznej, czyli jeden om), podczas gdy konferencja międzynarodowa preferowała sposób realizacji, który mógłby być powtórzony w różne laboratoria w różnych krajach. Wybrana metoda oparta była na oporność na rtęć , przez pomiar oporu kolumnie rtęci określonych wymiarach (106 cm x 1 mm, 2 ) Jednakże, wybrana długość kolumny był prawie 3 mm za krótka, co prowadzi do różnic 0,28% między nowymi jednostkami praktycznymi a jednostkami CGS, które rzekomo stanowiły ich podstawę.

Anomalia została rozwiązana na innej międzynarodowej konferencji, w Chicago w 1893 roku, poprzez korektę definicji omów. Jednostki uzgodnione na tej konferencji nazwano jednostkami „międzynarodowymi”, aby odróżnić je od ich poprzedników.

System 1893 miał trzy jednostki podstawowe: międzynarodowy amper , międzynarodowy ohm i międzynarodowy wolt .

Jednostka 1893 ("międzynarodowa") definicja Odpowiednik CGS ("absolutny") Uwagi
amper Niezmienny prąd, który po przejściu przez roztwór azotanu srebra w wodzie osadza srebro z szybkością 0,001 118 00 gramów na sekundę Prąd wytwarzany w przewodzie o rezystancji 1 oma, gdy między jego końcami występuje różnica potencjałów 1 V 0.1 jednostek CGS prądu elektrycznego
om Odporność oferowane niezmiennej prądu elektrycznego przez kolumnę wypełnioną rtęcią , w temperaturze topnienia lodu 14.4521 gramów masy, o stałym polu przekroju poprzecznego i długości 106,3 cm, 10 9 jednostek CGS rezystancji elektrycznej
wolt 1000 / 1434 z siły elektromotorycznej z komórki Clark , w temperaturze 15 ° C Siła elektromotoryczna wytwarzana w obwodzie elektrycznym, który przecina 10 8 magnetycznych linii siły na sekundę 10 8 jednostek CGS siły elektromotorycznej

Jednostki międzynarodowe nie miały takiego samego formalnego statusu prawnego jak metr i kilogram na mocy Konwencji Metrycznej (1875), chociaż kilka krajów przyjęło tę definicję w swoim prawie krajowym (np. Stany Zjednoczone poprzez Prawo Publiczne 105 z 12 lipca, 1894).

Przedefiniowanie i modyfikacja z 1908 r.

System jednostek z 1893 r. był nadmiernie zdefiniowany, co widać z badania prawa Ohma :

V = I R

Zgodnie z prawem Ohma, znajomość dowolnych dwóch wielkości fizycznych V , I lub R (różnica potencjałów, prąd lub rezystancja) zdefiniuje trzecią, a jednak system 1893 definiuje jednostki dla wszystkich trzech wielkości. Wraz z udoskonaleniem technik pomiarowych szybko uznano, że

1 V wewn  1 A wewn  × 1 Ω wewn .

Rozwiązanie pojawiło się na międzynarodowej konferencji w Londynie w 1908 roku. Zasadniczym punktem było zmniejszenie liczby jednostek podstawowych z trzech do dwóch poprzez przedefiniowanie wolta międzynarodowego jako jednostki pochodnej. Było kilka innych modyfikacji o mniejszym znaczeniu praktycznym:

  • międzynarodowy amper i międzynarodowy om zostały formalnie zdefiniowane w kategoriach odpowiednich jednostek elektromagnetycznych CGS , przy czym definicje z 1893 r. zachowano jako preferowane realizacje ;
  • korzystna realizacja wolta międzynarodowego dotyczyła siły elektromotorycznej ogniwa Westona w temperaturze 20 °C (1,0184 V int ), ponieważ ten typ ogniwa ma niższy współczynnik temperaturowy niż ogniwo Clarka;
  • kilka innych jednostek pochodnych do wykorzystania w pomiarach elektrycznych i magnetycznych zostało formalnie zdefiniowanych:
Kulomb międzynarodowy
ładunek elektryczny przenoszone przez prąd jednego międzynarodowego ampera w ciągu jednej sekundy;
Międzynarodowy farad
pojemność z kondensatora naładowanego do potencjału jednego wolta międzynarodowej przez jedną międzynarodową kulomb energii elektrycznej;
Dżul
10 7 jednostek pracy w systemie CGS, reprezentowanych wystarczająco dobrze do praktycznego wykorzystania przez energię wydatkowaną w ciągu jednej sekundy przez międzynarodowy amper w międzynarodowym omie;
Wat
10 7 jednostek mocy w systemie CGS, reprezentowanych wystarczająco dobrze do praktycznego wykorzystania przez pracę wykonywaną z szybkością jednego dżula na sekundę;
Henz
indukcyjnością w obwodzie gdy siły elektromotorycznej indukowanej w tym obwodzie jest międzynarodowy V, podczas gdy to jest zależne od prądu indukcyjnego na wysokości jednego ampera na sekundę.

Jednostki SI

Wraz z postępem w teorii elektromagnetyzmu i rachunku ilościowym stało się jasne, że oprócz podstawowych jednostek czasu, długości i masy spójny układ jednostek może zawierać tylko jedną podstawową jednostkę elektromagnetyczną . Pierwszy taki system zaproponował Giorgi w 1901 r.: wykorzystywał on jako dodatkową jednostkę bazową w systemie MKS om i dlatego jest często określany jako system MKSΩ lub system Giorgi.

Dodatkowym problemem związanym z systemem jednostek elektrycznych CGS, na który zwrócił uwagę już w 1882 roku Oliver Heaviside , było to, że nie były one „zracjonalizowane”, to znaczy nie uwzględniały we właściwy sposób przenikalności i przepuszczalności jako właściwości medium. Giorgi był także wielkim zwolennikiem racjonalizacji jednostek elektrycznych.

Wybór urządzenia elektrycznego do jednostki bazowej w racjonalnego systemu zależy tylko względami praktycznymi, szczególnie zdolność do zrealizowania urządzenia dokładnie i powtarzalnie. Amper szybko zyskała poparcie ponad ohm, jak wiele krajowych laboratoriów standardy zostały już realizując ampera w wartościach bezwzględnych wykorzystaniem salda amperowym . Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) przyjęła system Giorgi z ampera zastępującego ohm w 1935 roku, i ten wybór jednostek bazowych jest często nazywany systemem MKSA.

Międzynarodowy Komitet dla Miar (CIPM) zatwierdziła nowy zestaw definicji dla jednostek elektrycznych, na podstawie racjonalnego systemu MKSA, w 1946 roku, a te zostały przyjęte w skali międzynarodowej w ramach Konwencji Meter przez 9  Generalnej Konferencji Miar w 1948 roku W tym systemie, który stałby się Międzynarodowym Układem Jednostek (SI), om jest jednostką pochodną.

Definicje jednostek elektrycznych w układzie SI są formalnie równoważne z międzynarodowymi definicjami z 1908 r., więc nie powinno być żadnych zmian w wielkości jednostek. Niemniej jednak, międzynarodowy ohm i międzynarodowy wolt nie były zwykle realizowane w wartościach bezwzględnych, ale przez odniesienie odpowiednio do standardowej rezystancji i standardowej siły elektromotorycznej. Realizacje zalecane w 1908 roku nie są dokładnie równoważne definicjom absolutnym: zalecane współczynniki przeliczeniowe to:

1 Ω wewn ≈ 1.000 49 Ω
1 V wewn 1.000 34 V

chociaż nieco inne czynniki mogą mieć zastosowanie do poszczególnych norm w krajowych laboratoriach pomiarowych. Jako międzynarodowy amper był zazwyczaj realizowane za pomocą waga prądowa zamiast elektrolitycznie, 1 A int  = 1 A. Współczynnik konwersji na „elektrolityczny” amper (A elec ) można obliczyć z nowoczesnymi wartościami masie atomowej od srebra i stała Faradaya :

1 A elektr = 1.000 022(2) A

Zobacz też

Uwagi i referencje

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki