Еталони фізичних величин

Міністерство освіти і науки України

Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

ІНДЗ

на тему: Еталони фізичних величин

Вичконав Студент 41 групи Фізичного факультету Кримусь А.С.

Луцьк 2013

Зміст

1. Загальні поняття про еталони

2. Класифікація еталонів

3. Еталон одиниці довжини — метр

4. Еталон одиниці маси — кілограм

5. Еталон одиниці часу — секунда

6. Еталон одиниці сили електричного струму — ампер

7. Еталон одиниці температури — кельвін

8. Еталон одиниці сили світла — кандела Список використаної літератури

1. Загальні поняття про еталони Для забезпечення єдності вимірювань необхідна чітка тотожність одиниць, в яких були б проградуйовані усі засоби технічних вимірювань однієї й тієї самої фізичної величини. Це досягається шляхом точного відтворення та збереження прийнятих на Міжнародній конференції з мір і ваги одиниць фізичних величин і передачі їх розмірів засобам вимірювань.

Відтворення, збереження та передача розмірів одиниць проводиться за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірювань. Вищою ланкою у метрологічному колі передачі розмірів одиниць вимірювання фізичних величин є еталони.

Еталон одиниці фізичної величини — це засіб вимірювальної техніки, який забезпечує відтворення та зберігання одиниці фізичної величини та передавання її розміру відповідним засобам, що стоять нижче за повірочною схемою, офіційно затверджений як еталон.

Всі основні одиниці фізичних величин відтворюються з найвищою точністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються у Міжнародному бюро мір та ваги у спеціальних лабораторіях у м. Севра поблизу Парижа. Програмою діяльності Міжнародного бюро мір та ваги передбачені систематичні міжнародні зіставлення національних еталонів великих метрологічних лабораторій різних держав з міжнародними еталонами та між собою.

Еталони метра та кілограма звіряються раз на 25 років, електричні та світлові еталони (ампера, вольта, ома, кандели та ін.) — раз на 3 роки. Проводяться також епізодичні міжнародні звіряння еталонів джерел іонізаційного випромінювання, платинових термометрів опору, температурних ламп та ін.

Основне призначення еталонів — бути матеріальною базою для відтворення та збереження одиниць фізичних величин.

2. Класифікація еталонів еталон фізичний величина Міжнародні та національні еталони поділяються на первинні та вторинні еталони. Первинним називається еталон, за допомогою якого відтворюється одиниця фізичної величини з найвищою точністю відповідно у світі й державі. За точністю відтворення одиниці він є найточнішим. Первинні еталони одиниць основних фізичних величин відтворюють одиниці відповідно до їхнього визначення, прийнятого Міжнародною конференцією з мір та ваги. Наприклад, первинний еталон метра у довжинах світлових хвиль випромінювання криптону-86.

Для відтворення одиниць в особливих умовах, в яких пряма передача розміру одиниці від еталонів технічно неможлива із заданою точністю (високий тиск, температура, частота та ін.), розробляються та затверджуються спеціальні еталони.

Первинні та спеціальні еталони офіційно затверджуються для держави як первинні і називаються державними еталонами. Державні еталони затверджуються Держстандартом, і на кожний з них ухвалюється державний стандарт.

Державні еталони зберігаються у метрологічних інститутах або центрах держави, а для проведення робіт з ними призначаються відповідальні вчені, зберігачі еталонів.

У метрологічній практиці широко використовують вторинні еталони, значення яких встановлюється за найточнішими первинними еталонами.

За своїм метрологічним призначенням вторинні еталони поділяються на еталони-копії, еталони передавання, еталони-свідки та робочі еталони.

Еталон-копія є вторинним еталоном, призначеним для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим еталонам. Він не завжди може бути фізичною копією державного еталону.

Еталон передавання — вторинний еталон, який призначений для звіряння еталонів, котрі з тих чи інших причин не можуть безпосередньо звірятися один з одним. Прикладом еталону передавання може бути група нормальних елементів, яка використовується для звіряння державного еталона вольта з еталоном вольта Міжнародного бюро мір та ваги.

Еталон-свідок — вторинний еталон, призначений для повірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Еталон-свідок має найвищу серед вторинних еталонів точність та використовується лише тоді, коли державний еталон не можна відтворити.

Робочий еталон — вторинний еталон, призначений для збереження одиниці й передачі її розміру зразковим засобам вимірювальної техніки, а в окремих випадках — робочим засобом вимірювальної техніки найвищої точності.

Державні еталони завжди представляють комплекс засобів вимірювань та допоміжних пристроїв, які забезпечують відтворення одиниці фізичної величини, а в необхідних випадках її збереження та передачу розміру одиниці вторинним еталоном.

Вторинні еталони можуть подаватися у вигляді комплексу засобів вимірювань, поодиноких і групових еталонів та еталонних приладів.

Поодинокий еталон складається з одного вимірювального засобу (міри, приладу), який забезпечує відтворення та збереження одиниці самостійно, без участі інших засобів вимірювання того самого типу. Прикладом поодинокого еталона є вторинний еталон одиниці маси — кілограм у вигляді платино-іридієвої та сталевої гирі.

Груповий еталон складається із сукупності однотипних засобів вимірювань, що використовуються як одне ціле для підвищення надійності збереження одиниці. Прикладом групового еталона є еталон-копія вольта у вигляді 20 нормальних елементів.

Вторинні еталони (робочі) використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних територіальних органах Держстандарту України, а з дозволу Держстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.

3. Еталон одиниці довжини — метр Наприкінці XVIII століття при введенні метричної системи мір був прийнятий перший еталон одиниці довжини — метр. За метр прийняли одну десятимільйонну частину Паризького меридіана.

У 1799 році на основі виміряної частини дуги меридіана був виготовлений еталон метра у вигляді платинової лінійки шириною 25 мм, товщиною 4 мм та довжиною в 1 м. Пізніше платиновий метр передали на збереження до Національного архіву Франції, який одержав назву «метра Архіву» .

Повторні вимірювання дуги меридіана показали, що довжина метра дещо коротша за дійсний «природний» метр, проте Міжнародна комісія з прототипів метричної системи у 1872 році вирішила відмовитись від «природного» еталона метра і за одиницю довжини прийняла «метр Архіву» .

За рішенням цієї комісії був виготовлений 31 прототип метра у вигляді штрихової міри з платино-іридієвого сплаву. Серед них прототип № 6 при температурі 0 °C виявився найбільш тотожним «метру Архіву» і в 1889 р. на І Генеральній конференції з мір та ваги був ухвалений за міжнародний еталон метра. Решта 30 прототипів були розподілені між державами-учасницями, які у 1875 році підписали Метричну конвенцію.

Еталон метра — це платино-іридієва фігурна лінійка довжиною 102 см з поперечним перерізом у формі X, вписаної в уявний квадрат, сторона якого дорівнює 20 мм. На верхніх площинах Х-форми на обох кінцях лінійки проведено по 3 штрихові лінії, а одиниця довжини в 1 метр розташована між середніми штриховими лініями.

Росія у 1889 році одержала платино-іридієвий прототип метра № 28, який пізніше був затверджений як державний еталон метра в СРСР.

У 1927 році VII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила таке визначення метра: «Одиниця довжини метр визначається відстанню при 0 °C між осями двох середніх штрихів, нанесених на платино-іридієвому бруску, який зберігається у Міжнародному бюро мір та ваги і прийнятий за еталон метра І Генеральною конференцією з мір та ваги, за умови, що ця лінійка зберігається при нормальному атмосферному тиску і підтримується двома роликами діаметром не менше 1 см, розміщеними симетрично в одній горизонтальній площині на відстані 571 мм один від одного» .

Науково-технічний прогрес потребує підвищення точності еталона одиниці довжини, тому що платино-іридієвий прототип метра неспроможний забезпечити необхідну високу точність відтворення, вищу за 0,1—0,2 мкм. До того ж назріла необхідність розроблення природного неруйнівного еталона, що обумовлює встановлення нового природного еталона метра.

У 1960 році XI Генеральною конференцією з мір та ваги було ухвалено новий хвильовий еталон метра, який виражається у довжинах світлових хвиль у вакуумі оранжевої лінії спектру криптону-86. Відповідно до рішення конференції «метр — це довжина, що дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі й відповідає переходу між рівнями 2р10 та 5d5 атома криптону-86» .

Новий еталон метра можна відтворити у метрологічних лабораторіях з точністю, яка на порядок вища від плати-но-іридієвого його прототипу, хоча на конференції підкреслювалося, що точність нового еталона є недостатньою через несиметричність випромінювання монохроматичного джерела. Вчені світу працюють над розробленням нових монохроматичних джерел випромінювання, що дасть змогу максимально підвищити точність одиниці довжини.

Місце зберігання еталона метра у колишньому СРСР — Всесоюзний науково-дослідний інститут метрології ім. Д.І. Менделєєва (ВНДІМ) (м. Санкт-Петербург). В Україні еталон метра зберігається у Харківському науково-виробничому об'єднанні «Метрологія» .

За рішенням останньої Генеральної конференції з мір і ваги ухвалене таке визначення одиниці довжини метр: метр — довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 частину секунди.

4. Еталон одиниці маси — кілограм При встановленні метричної міри за одиницю маси прийнято масу одного кубічного дециметра чистої води при температурі, що забезпечує її найбільшу густину (4 °С).

Виготовлений на основі точних зважувань перший прототип кілограма є платиновою циліндричною гирею висотою 39 мм, що дорівнює діаметру циліндра. Як і прототип метра, кілограм передано на зберігання у Національний архів Франції.

При виготовленні платино-іридієвих еталонів кілограма за міжнародний прототип було прийнято той, маса якого менше за все відрізнялася від маси «кілограма Архіву». Міжнародний прототип кілограма — це гиря у вигляді прямого циліндра із заокругленими ребрами діаметром і висотою 39 мм.

Оскільки прийнятий умовний прототип одиниці маси — літр — також не був абсолютно тотожним кубічному дециметру (1 л = 1,28 дм3) і невідповідність між ними становила різницю між масою міжнародного прототипу кілограма і масою кубічного дециметра води, то у 1964 році XII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила рішення про прирівняння об'єму 1 літра до 1 дм³.

Зазначимо, що у період встановлення метричної системи мір не було чіткого розуміння маси та ваги, тому міжнародний прототип кілограма приймали як еталон одиниці ваги. Проте уже при затвердженні міжнародного прототипу в 1889 р. кілограм був прийнятий як прототип маси. Чітке розмежування між кілограмом маси та кілограмом сили було здійснене за рішенням III Генеральної конференції з мір та ваги.

З розвитком наукових робіт щодо створення нових природних еталонів одиниць фізичних величин, що базувалися на атомних постійних величинах (метр — на довжині світлових хвиль; секунда — на частоті коливань атомів та молекул), виникло питання про зв’язок одиниці маси з атомними константами. Цим пояснюється пропозиція щодо використання для метрологічних цілей такої константи, як маса нейтрона. Можна припустити, що це дасть можливість з високою точністю ув’язати сучасний умовний еталон маси з природними константами маси атомних часток.

Державним первинним еталоном кілограма в колишньому СРСР був платино-іридієвий прототип № 12 — гиря у вигляді прямого циліндра з заокругленими ребрами, діаметром та висотою 39 мм. Густина платино-іридієвого сплаву — 21 548,1 кг/м3, вміст іридію у сплаві — 10,08—10,09%, об'єм кілограма при 0 °C становить 46,408 см³.

У 1899 р. маса прототипу кілограма № 12 дорівнювала 1,68 кг. За результатами звіряння його з міжнародними еталонами у 1948—1954 pp. маса прототипу № 12 стала дорівнювати 1,85 кг.

5. Еталон одиниці часу — секунда Ще в стародавні часи відлік часу ґрунтувався на обертанні Землі навколо своєї осі. До недавнього часу секунда визначалась як 1/8640 частини середньої сонячної доби. За середню сонячну добу прийнято інтервал часу між двома послідовними однойменними кульмінаціями середнього Сонця. Під середнім Сонцем розуміли уявне Сонце, яке рівномірно рухається по небесному екватору і здійснює один оберт по небосхилу за той проміжок часу, що й істинне Сонце, яке рухається нерівномірно за екліптикою. Проте спостереження показали, що обертанню Землі властиві нерегулярні коливання, а це не дозволяє вважати його природною стабільною основою визначення одиниці часу. Середня сонячна доба визначається з похибкою 10−7. Ця точність недостатня для сучасного стану техніки частот.

Потрібен був новий природний еталон часу, який забезпечував би високу точність відтворення одиниці часу — секунди. У 1960 році було прийняте нове астрономічне визначення одиниці часу, в основу якого покладено не обертання Землі навколо своєї осі, а рух Землі навколо Сонця. Це забезпечувало підвищення точності вимірювання одиниці часу на три порядки (у 1000 разів).

За секунду прийняли 1/31 556 925,9747 частини тропічного року на 0 січня 1900 року о 12-й годині ефемеридного часу. Тропічний рік сам по собі не є постійним, тому дата «0 січня 1900 р. 12 годин» виражена у прийнятому астрономами відліку часу і відповідає полудню 31 грудня 1899 р. Під ефемеридним часом розуміють час у системі рахунку, де тривалість одиниці дорівнює ефемеридній секунді, визначеній через тропічний рік на 0 січня 1900 р.

Практично точна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам точного часу, що передаються по радіо з кварцових годинників, які є мірами частоти.

Останнім часом створені нові молекулярні та атомні еталони частоти і часу, які ґрунтуються на здатності молекул та атомів випромінювати і поглинати енергію під час переходу між двома енергетичними рівнями в діапазоні радіочастот.

У 1967 р. XIII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила нове визначення секунди як інтервалу часу, протягом якого відбувається 9 192 631 770 коливань. Такі коливання відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133 за відсутності збурень зовнішніми полями.

На рис. 1 подано схему цезієвого атомно-променевого еталона часу та частоти. Джерело 1 атомного пучка розміщене у металевому контейнері, у стінці якого є канал для формування потоку. Температура джерела — 100—150 °С. Магнітом 2 здійснюється сортування атомів пучка за сигналами надтонкої структури: виділяються атоми зі станом F = 3, M = 0 i F = 0, M = 0.

Рис. 1. Схема цезієвого атомно-променевого еталона часу і частоти До резонаторів 3 підводиться надвисокочастотний сигнал з частотою 9 192 631 770 Гц від кварцових генераторів, яка може змінюватися у незначних межах. Під дією цього сигналу виділені атоми переходять зі стану F = З, М = 0 до стану F = 4, М = 0 або ж у зворотному напрямку.

Другий сортувальний магніт 2' виділяє з атомного пучка лише ті атоми, які перейшли з одного стану в інший в результаті взаємодії з полем сигналу. Атоми, які здійснили перехід, потрапляють до приймача 4 і реєструються індикатором 5.

Якщо частота підведеного сигналу від кварцових генераторів 6 відповідає частоті переходу, то покази індикатора 5 є максимальними. Якщо ж частоти не збігаються, то покази індикатора різко знижуються. Максимальні покази індикатора відповідають стабільності та точності частот. Частота сигналу за максимальними показами індикатора дорівнює 9 192 631 770 Гц.

Всі вузли установки розміщені у камері з високим вакуумом.

Стабільність цезієвих еталонів дорівнює 10−11, що дозволяє використовувати їх службам часу та частоти.

6. Еталон одиниці сили електричного струму — ампер Виходячи з визначення сили струму як фізичної величини, яка дорівнює заряду, що проходить крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу, слід було б за основну одиницю прийняти певний заряд, який, наприклад, був би рівний заряду електрона. Проте сьогодні це не можна реалізувати з достатньою точністю, тому довелося відмовитися від одиниці кількості електрики як основної електричної одиниці і прийняти за еталонну одиницю силу струму — ампер.

У 1893 р. Міжнародний конгрес електриків у Чикаго затвердив перший еталон сили електричного струму — ампер, установивши так званий міжнародний ампер. Ампер відтворювався за допомогою срібного вольтметра і визначався так: «Міжнародний ампер — незмінний струм, який проходячи через водний розчин азотнокислого срібла за дотримання прикладеної інструкції і специфікації виділяє 0,1 118 грама срібла за 1 с» .

У 1948 р. при переході на абсолютну практичну систему електричних одиниць міжнародний ампер було відмінено, а в основу сучасного еталона ампера покладено закон взаємодії електричних струмів.

IX Генеральна конференція з мір та ваги у 1948 р. ухвалила таке визначення ампера: «1 ампер — дорівнює силі незмінного струму, який під час проходження по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини та нескінченно малого кругового поперечного перерізу, розміщених у вакуумі на відстані 1 м один від одного, зумовив би на кожній ділянці провідника завдовжки 1 м силу взаємодії, що дорівнює 2· 10−7Н «.

Державний первинний еталон ампера — це комплекс вимірювальних засобів у складі струмових ваг електродинамічної системи, ваг з дистанційним управлінням та апаратури для передачі розміру одиниці. Похибка відтворення розміру одиниці сили струму державним первинним еталоном ампера не перевищує 1*10−3%.

Досягнення сучасної фізики в галузі дослідження атомного ядра розкривають нові можливості для розробки досконаліших еталонів одиниці електричного струму та заряду.

7. Еталон одиниці температури — кельвін Вимірювання температури з моменту винаходу термометра Галілеєм у 1598 р. ґрунтувалося на використанні властивостей термометричної речовини (газу, рідини) і пов’язано з іменами таких вчених, як Фаренгейт, Реомюр, Цельсій, Томсон (Кельвін) та ін.

У середині XVIII століття У. Томсон (Кельвін) показав, що можна встановити термодинамічну температурну шкалу, яка б не залежала від термометричної речовини.

Винайдення термодинамічної температурної шкали ґрунтується на II законі термодинаміки. Якщо в оберненому циклі Карно тіло, що здійснює цикл, поглинає теплоту Q1 при температурі Т1 і віддає тепло Q2 при температурі Т2, то відношення абсолютних температур Т1/Т2 дорівнює відношенню кількості тепла Q1/Q2. Згідно з положенням термодинаміки, це відношення не залежить від властивостей термодинамічної речовини.

Вимірюючи кількість теплоти з достатньою точністю, можна визначити співвідношення температур та температуру конкретного об'єкта.

Встановлена таким чином термодинамічна температурна шкала, яка незалежна від властивостей термометричної речовини, називається шкалою Кельвіна.

При встановленні термодинамічної температурної шкали для збереження наступності числового вираження її зі стоградусною температурною шкалою Цельсія температурний проміжок між точками танення льоду та кипіння води прийняли за 100 °C.

Томсон і незалежно від нього Д.І. Менделєєв довели доцільність побудови термодинамічної шкали температур за однією реперною точкою — точкою абсолютного нуля. Така шкала має значні переваги і дозволяє визначити абсолютну температуру точніше, ніж шкала з двома реперними точками.

Похибка відтворення точки кипіння води становить 0,002—0,01 °С, точка танення льоду — 0,0002—0,001 °С, потрійна точка води — 0,0001 °С.

X Генеральна конференція з мір та ваги у 1954 році ухвалила рішення про термодинамічну температурну шкалу з однією реперною точкою — потрійною точкою води, яка вища за точку танення льоду на 0,01 °С (273,16 К).

Таким чином, термодинамічна температура є основною і позначається символом Т. її одиницею служить кельвін — 1/273,16 частини потрійної точки води.

Температура у градусах Цельсія позначається символом t і визначається таким чином:

t = Т — Т0.

де Т0= 273,15 К.

Градус Цельсія дорівнює кельвіну.

Вимірювання температури за термодинамічною шкалою шляхом прямої її реалізації за допомогою газових термометрів пов’язане з серйозними труднощами, тому була прийнята Міжнародна практична температурна шкала, яка ґрунтується на відтворенні 11 рівноважних станів речовин (водню, неону, кисню, води, цинку, золота та ін.).

8. Еталон одиниці сили світла — кандела У минулому столітті різні держави використовували різні еталонні джерела одиниці сили світла — свічки.

На Міжнародному конгресі електриків у 1881 р. був прийнятий еталон світла — одиниця Віоля. За одиницю Віоля визнавалася сила світла, яка випромінювалась квадратним сантиметром поверхні твердіючої платини у нормальному напрямку до цієї поверхні. Пізніше спосіб відтворення одиниці Віоля одержав назву «абсолютного еталона сили світла». У 1889 році конгресом за практичну одиницю світла була прийнята одна двадцята одиниці Віоля.

З огляду на труднощі реалізації еталона одиниці Віоля Міжнародний конгрес у 1893 році приймає за еталон лампу Гефнера — Альтенека, а пізніше — керамічні трубки та інші джерела світла.

Лише у 1967 році Генеральна конференція з мір та ваги визначила за одиницю сили світла канделу. Це світло, яке випромінюється з площини перерізом 1/600 000 м2 повного випромінювача у перпендикулярному до цього перерізу напрямку при температурі твердіння платини і тиску в 101 325 Па.

Державний первинний еталон одиниці світла — кандела складається з двох взаємозамінних повних випромінювачів та апаратури вимірювання. Повний випромінювач являє собою тонкостінною трубку з оксиду торію, занурену у розплавлену платину. Нагрівання платини проводиться у високочастотній індукційній печі, а вимірювання сили світла — за допомогою фотоелектричного фотометра.

Середнє квадратичне відхилення результату відтворення та передачі одиниці сили світла державним еталоном не перевищує 2 * 103.

Список використаної літератури

1. В. Д. Цюцюра, С. В. Цюцюра. Метрологія та основи вимірювань. Навч. посібн., К., «ЗнанняПрес», 2003

2. Крылова Г. Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: учебник для вузов — М.: ЮНИТИ — ДАНА, 1999.