Международная система единиц

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Международная система единиц, СИ (фр. Le Système International d’Unités, SI) — система единиц физических величин, современный вариант метрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В настоящее время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы. В этих немногих странах (например, в США) определения традиционных единиц были изменены таким образом, чтобы связать их фиксированными коэффициентами с соответствующими единицами СИ.

Полное официальное описание СИ вместе с её толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI, англ. The SI Brochure), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ) и представленной на сайте МБМВ[1]. Брошюра СИ издаётся с 1970 года, с 1985 года выходит на французском и английском языках, переведена также на ряд других языков.

Даты перехода на метрическую систему. Страны, которые не приняли систему СИ в качестве основной или единственной (Либерия, Мьянма, США), отмечены чёрным цветом

Общие сведения[править | править вики-текст]

Строгое определение СИ формулируется таким образом:

Международная система единиц (СИ) — система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM).

— Международный словарь по метрологии[2]

СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, некоторые последующие конференции внесли в СИ ряд изменений.

СИ определяет семь основных и производные единицы физических величин (далее — единицы), а также набор приставок. Установлены стандартные сокращённые обозначения для единиц и правила записи производных единиц.

Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других.

Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные названия, например, радиану.

Приставки можно использовать перед названиями единиц; они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10. Например, приставка «кило» означает умножение на 1000 (километр = 1000 метров). Приставки СИ называют также десятичными приставками.

Названия и обозначения единиц[править | править вики-текст]

Дорожный указатель в Китае с использованием международного обозначения километра, кратной единицы от единицы СИ

Согласно международным документам (Брошюра СИ, ISO 80000, Международный метрологический словарь[2]), единицы СИ имеют названия и обозначения. Названия единиц могут записываться и произноситься по-разному на разных языках, например: фр. kilogramme, англ. kilogram, порт. quilograma, валл. cilogram, болг. килограм, греч. χιλιόγραμμο, кит. 千克, яп. キログラム. В таблице даны французские и английские названия, указанные в международных документах. Обозначения единиц, согласно Брошюре СИ, являются не сокращениями, а математическими объектами (фр. entités mathématiques, англ. mathematical entities). Они входят в международную научную символику ISO 80000 и от языка не зависят, например: kg. В международных обозначениях единиц используются буквы латинского алфавита, в отдельных случаях греческие буквы или специальные символы.

Однако на постсоветском пространстве (СНГ, СНГ-2, Грузия) и в Монголии, где принят алфавит на основе кириллицы, наряду с международными обозначениями (а фактически — вместо них) используются обозначения, основанные на национальных названиях: «килограмм» — кг, груз. კილოგრამი — კგ, азерб. kiloqram — kq. С 1978 года русские обозначения единиц подчиняются тем же правилам написания, что и международные (см. ниже).

В России действует ГОСТ 8.417—2002, предписывающий обязательное использование единиц СИ. В нём перечислены единицы физических величин, разрешённые к применению, приведены их международные и русские обозначения и установлены правила их использования.

По этим правилам, при договорно-правовых отношениях в области сотрудничества с зарубежными странами, а также в поставляемых за границу вместе с экспортной продукцией технических и других документах разрешается применять только международные обозначения единиц. Применение международных обозначений обязательно также на шкалах и табличках измерительных приборов. В остальных случаях, например, во внутренних документах и обычных публикациях можно использовать либо международные, либо русские обозначения. Не допускается одновременно применять международные и русские обозначения, за исключением публикаций по единицам величин.

Названия единиц подчиняются грамматическим нормам того языка, в котором используются: один моль, два моля, пять молей; рум. cinci kilograme, treizeci de kilograme. Обозначения единиц не изменяются: 1 mol, 2 mol, 5 mol; 1 моль, 2 моль, 5 моль; 5 kg, 30 kg. Грамматической особенностью ряда названий единиц в русском языке является счётная форма: пятьдесят вольт, сто ватт[3].

История[править | править вики-текст]

Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 год

СИ является развитием метрической системы мер, которая была создана французскими учёными и впервые широко внедрена после Великой французской революции. До введения метрической системы единицы выбирались независимо друг от друга. Поэтому пересчёт из одной единицы в другую был сложным. К тому же в разных местах применялись разные единицы, иногда с одинаковыми названиями. Метрическая система должна была стать удобной и единой системой мер и весов.

В 1799 году во Франции были изготовлены два эталона — для единицы длины (метр) и для единицы массы (килограмм)[4].

В 1874 году была представлена система СГС, основанная на трёх единицах — сантиметр, грамм и секунда — и десятичных приставках от микро до мега[4].

В 1875 году была подписана Метрическая конвенция. Были начаты работы по разработке международных эталонов метра и килограмма.

В 1889 году I Генеральная конференция по мерам и весам приняла систему мер, сходную с СГС, но основанную на метре, килограмме и секунде, так как эти единицы были признаны более удобными для практического использования[4].

В последующем были введены основные единицы для физических величин в области электричества и оптики.

В 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла стандарт, который впервые получил название «Международная система единиц (СИ)».

В 1971 году XIV Генеральная конференция по мерам и весам внесла изменения в СИ, добавив, в частности, единицу количества вещества (моль).

В 1979 году XVI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое, действующее поныне, определение канделы.

В 1983 году XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое, действующее поныне, определение метра.

Единицы СИ[править | править вики-текст]

Названия единиц СИ пишутся со строчной буквы, после обозначений единиц СИ точка не ставится, в отличие от обычных сокращений.

Основные единицы[править | править вики-текст]

Величина Единица
Наименование Размерность Наименование Обозначение
русское французское/английское русское международное
Длина L метр mètre/metre м m
Масса M килограмм[5] kilogramme/kilogram кг kg
Время T секунда seconde/second с s
Сила электрического тока I ампер ampère/ampere А A
Термодинамическая температура Θ кельвин kelvin К K
Количество вещества N моль mole моль mol
Сила света J кандела candela кд cd

Производные единицы[править | править вики-текст]

Производные единицы могут быть выражены через основные с помощью математических операций: умножения и деления. Некоторым из производных единиц для удобства присвоены собственные названия, такие единицы тоже можно использовать в математических выражениях для образования других производных единиц.

Математическое выражение для производной единицы измерения вытекает из физического закона, с помощью которого эта единица измерения определяется или определения физической величины, для которой она вводится. Например, скорость — это расстояние, которое тело проходит в единицу времени; соответственно, единица измерения скорости — м/с (метр в секунду).

Часто одна и та же единица может быть записана по-разному, с помощью разного набора основных и производных единиц (см., например, последнюю колонку в таблице Производные единицы с собственными названиями). Однако на практике используются установленные (или просто общепринятые) выражения, которые наилучшим образом отражают физический смысл величины. Например, для записи значения момента силы следует использовать Н·м, и не следует использовать м·Н или Дж.

В некоторых случаях наименования определённых единиц величин используются только по отношению к величинам определённого рода. Например, единица измерения «секунда в минус первой степени» (1/с) называется герцем (Гц), когда она используется для частоты. В то же время она называется беккерелем (Бк), если её используют для активности радионуклидов.

Производные единицы с собственными названиями
Величина Единица Обозначение Выражение
русское название французское/английское название русское международное
Плоский угол радиан radian рад rad м·м−1 = 1
Телесный угол стерадиан steradian ср sr м2·м−2 = 1
Температура по шкале Цельсия[6] градус Цельсия degré Celsius/degree Celsius °C °C K
Частота герц hertz Гц Hz с−1
Сила ньютон newton Н N кг·м·c−2
Энергия джоуль joule Дж J Н·м = кг·м2·c−2
Мощность ватт watt Вт W Дж/с = кг·м2·c−3
Давление паскаль pascal Па Pa Н/м2 = кг·м−1·с−2
Световой поток люмен lumen лм lm кд·ср
Освещённость люкс lux лк lx лм/м² = кд·ср/м²
Электрический заряд кулон coulomb Кл C А·с
Разность потенциалов вольт volt В V Дж/Кл = кг·м2·с−3·А−1
Сопротивление ом ohm Ом Ω В/А = кг·м2·с−3·А−2
Электроёмкость фарад farad Ф F Кл/В = с4·А2·кг−1·м−2
Магнитный поток вебер weber Вб Wb кг·м2·с−2·А−1
Магнитная индукция тесла tesla Тл T Вб/м2 = кг·с−2·А−1
Индуктивность генри henry Гн H кг·м2·с−2·А−2
Электрическая проводимость сименс siemens См S Ом−1 = с3·А2·кг−1·м−2
Активность радиоактивного источника беккерель becquerel Бк Bq с−1
Поглощённая доза ионизирующего излучения грей gray Гр Gy Дж/кг = м²/c²
Эффективная доза ионизирующего излучения зиверт sievert Зв Sv Дж/кг = м²/c²
Активность катализатора катал katal кат kat моль/с

Новое определение[править | править вики-текст]

На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 17—21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция[7], в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить четыре основные единицы СИ: килограмм, ампер, кельвин и моль. Предполагается, что новые определения будут базироваться на фиксированных численных значениях постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро, соответственно[8]. Всем этим величинам будут приписаны точные значения, основанные на наиболее достоверных результатах измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA). В резолюции сформулированы следующие положения, касающихся этих единиц[7]:

  • Килограмм останется единицей массы; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Планка равным в точности 6,626 06X·10−34, когда она выражена единицей СИ м2·кг·с−1, что эквивалентно Дж·с.
  • Ампер останется единицей силы электрического тока; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения элементарного электрического заряда равным в точности 1,602 17X·10−19, когда он выражен единицей СИ с·А, что эквивалентно Кл.
  • Кельвин останется единицей термодинамической температуры; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности 1,380 6X·10−23, когда она выражена единицей СИ м−2·кг·с−2·К−1, что эквивалентно Дж·К−1.
  • Моль останется единицей количества вещества; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Авогадро равным в точности 6,022 14X·1023, когда она выражена единицей СИ моль−1.

Выше и далее Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.

Резолюция не предполагает изменять существа определений метра, секунды и канделы, однако для поддержания единства стиля, планируется принять новые, полностью эквивалентные существующим, определения в следующем виде:

  • Метр, символ м, является единицей длины; его величина устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1.
  • Секунда, символ с, является единицей времени; её величина устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц.
  • Кандела, символ кд, является единицей силы света в заданном направлении; её величина устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540•1012 Гц равным в точности 683, когда она выражена единицей СИ м−2·кг−1·с3·кд·ср или кд·ср·Вт−1, что эквивалентно лм·Вт−1.

В результате реализации намерений, сформулированных в резолюции, СИ в своём новом виде станет системой единиц, в которой[7]:

  • частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 в точности равна 9 192 631 770 Гц[9];
  • скорость света в вакууме c в точности равна 299 792 458 м/с[9];
  • постоянная Планка h в точности равна 6,626 06X·10−34 Дж·с;
  • элементарный электрический заряд e в точности равен 1,602 17X·10−19 Кл;
  • постоянная Больцмана k в точности равна 1,380 6X·10−23 Дж/К;
  • число Авогадро NA в точности равно 6,022 14X·1023 моль−1;
  • световая эффективность kcd монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц в точности равна 683 лм/Вт[9];

Единицы, не входящие в СИ[править | править вики-текст]

Некоторые единицы, не входящие в СИ, по решению Генеральной конференции по мерам и весам «допускаются для использования совместно с СИ».

Единица Французское​/​английское название Обозначение Величина в единицах СИ
русское международное
минута minute мин min 60 с
час heure/hour ч h 60 мин = 3600 с
сутки jour/day сут d 24 ч = 86 400 с
градус degré/degree ° ° (π/180) рад
угловая минута minute (1/60)° = (π/10 800)
угловая секунда seconde​/​second (1/60)′ = (π/648 000)
литр litre л l, L 1/1000 м³
тонна tonne т t 1000 кг
непер neper Нп Np безразмерна
бел bel Б B безразмерна
электронвольт electronvolt эВ eV ≈1,602 177 33·10−19 Дж
атомная единица массы, дальтон unité de masse atomique unifiée, dalton​/​unified atomic mass unit, dalton а. е. м. u, Da ≈1,660 540 2·10−27 кг
астрономическая единица unité astronomique​/​astronomical unit а. е. au 149 597 870 700 м (точно)[10]
морская миля mille marin​/​nautical mile миля M[11] 1852 м (точно)
узел nœud/knot уз kn[11] 1 морская миля в час = (1852/3600) м/с
ар are а a 10² м²
гектар hectare га ha 104 м²
бар bar бар bar 105 Па
ангстрем ångström Å Å 10−10 м
барн barn б b 10−28 м²

Кроме того, ГОСТ 8.417-2002 разрешает применение следующих единиц: град, световой год, парсек, диоптрия, киловатт-час, вольт-ампер, вар, ампер-час, карат, текс, гал, оборот в секунду, оборот в минуту. Разрешается применять единицы относительных и логарифмических величин, такие как процент, промилле, миллионная доля, фон, октава, декада. Допускается также применять единицы времени, получившие широкое распространение, например, неделя, месяц, год, век, тысячелетие.

Другие единицы применять не разрешается.

Тем не менее, в различных областях иногда используются и другие единицы.

Некоторые страны не приняли систему СИ, или приняли её лишь частично и продолжают использовать английскую систему мер или сходные единицы.

Кратные и дольные единицы[править | править вики-текст]

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных множителей и приставок, присоединяемых к названию или обозначению единицы.

Правила написания обозначений единиц[править | править вики-текст]

  • Обозначения единиц печатают прямым шрифтом, точку как знак сокращения после обозначения не ставят.
  • Обозначения помещают за числовыми значениями величин через пробел, перенос на другую строку не допускается. Исключения составляют обозначения в виде знака над строкой, перед ними пробел не ставится. Примеры: 10 м/с, 15°.
  • Если числовое значение представляет собой дробь с косой чертой, его заключают в скобки, например: (1/60) с−1.
  • При указании значений величин с предельными отклонениями их заключают в скобки или проставляют обозначение единицы за числовым значением величины и за её предельным отклонением: (100,0 ± 0,1) кг, 50 г ± 1 г.
  • Обозначения единиц, входящие в произведение, отделяют точками на средней линии (Н·м, Па·с), не допускается использовать для этой цели символ «×». В машинописных текстах допускается точку не поднимать или разделять обозначения пробелами, если это не может вызвать недоразумения.
  • В качестве знака деления в обозначениях можно использовать горизонтальную черту или косую черту (только одну). При применении косой черты, если в знаменателе стоит произведение единиц, его заключают в скобки. Правильно: Вт/(м·К), неправильно: Вт/м/К, Вт/м·К.
  • Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведённых в степени (положительные и отрицательные): Вт·м−2·К−1, А·м². При использовании отрицательных степеней не разрешается использовать горизонтальную или косую черту (знак деления).
  • Допускается применять сочетания специальных знаков с буквенными обозначениями, например: °/с (градус в секунду).
  • Не допускается комбинировать обозначения и полные наименования единиц. Неправильно: км/час, правильно: км/ч.
  • Обозначения единиц, произошедшие от фамилий, пишутся с заглавной буквы, в том числе с приставками СИ, например: ампер — А, мегапаскаль — МПа, килоньютон — кН, гигагерц — ГГц.

Критика СИ[править | править вики-текст]

Несмотря на широкое распространение СИ, во многих научных работах по электродинамике используется Гауссова система единиц, что вызывается рядом недостатков СИ[12]. Д. В. Сивухин указывает[12], что система единиц СГС и система единиц СИ эквивалентны во многих разделах физики, но если обратиться к электродинамике, то в СИ возникают такие, не имеющие непосредственного физического смысла величины, как электрическая постоянная и магнитная постоянная. Кроме того, в системе единиц СИ электрическое поле, электрическая индукция, магнитное поле и магнитная индукция имеют разную размерность. Такую ситуацию Д. В. Сивухин характеризует так:

В этом отношении система СИ не более логична, чем, скажем, система, в которой длина, ширина и высота предмета измеряются не только различными единицами, но и имеют разные размерности.

Отвечая на критику Д. В. Сивухиным и другими системы СИ в части её применения к электромагнитным явлениям, С. Г. Каршенбойм поясняет[13], что в критических высказываниях происходит смешение двух различных понятий: система единиц и система физических величин, а также отмечает, что в действительности бо́льшая часть критики относится именно к системе величин. Кроме того, он показывает, что проблема избыточности описания электромагнитных явлений в вакууме возникла не в связи с системой СИ, но в результате исторического процесса: как проблема эфира и нековариантности подхода к описанию. В завершение С. Г. Каршенбойм обосновывает и высказывает убеждённость в том, что в качестве конкурирующих системы СИ и СГС можно рассматривать лишь при фиксированном значении электрической постоянной \varepsilon_0, а при измеряемой величине \varepsilon_0 выбор в пользу СИ станет безальтернативным. Поясним здесь, что в силу действующего определения ампера электрическая постоянная в настоящее время имеет фиксированное точное значение, но после осуществления предполагаемого в соответствии решениями XXIV Генеральной конференции по мерам и весам пересмотра определения ампера она станет измеряемой величиной и приобретёт погрешность[7].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. The SI brochure (англ.) Брошюра СИ на сайте Международного бюро мер и весов
  2. 1 2 Международный словарь по метрологии: основные и общие понятия и соответствующие термины = International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated terms (VIM) / Пер. с англ. и фр.. — 2-е изд., испр. — СПб.: НПО «Профессионал», 2010. — 82 с. — ISBN 978-5-91259-057-3
  3. ГРАМОТА.РУ — справочно-информационный интернет-портал «Русский язык» | Справка | Справочное бюро | Поиск вопроса
  4. 1 2 3 Brief history of the SI
  5. По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10−3 кг).
  6. Шкалы Кельвина и Цельсия связаны между собой следующим образом: °C = K − 273,15.
  7. 1 2 3 4 On the possible future revision of the International System of Units, the SI Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011)
  8. Towards the «New SI»… (англ.) на сайте Международного бюро мер и весов
  9. 1 2 3 Это определение уже введено и действует в настоящее время.
  10. Резолюция 28-й Генеральной ассамблеи о переопределении астрономической единицы (2012) (англ.). Международный астрономический союз. Проверено 29 января 2014.
  11. 1 2 Обозначение дано в Брошюре СИ, но более официальными источниками не принято
  12. 1 2 Сивухин Д. В. О международной системе физических величин // УФН. — М.: Наука, 1979. — Т. 129. — № 2. — С. 335-338. Работа опубликована по решению Бюро Отделения общей физики и астрономии АН СССР
  13. Каршенбойм С. Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения // УФН, 175, № 3, с.271-298 (2005)

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]