UDC 389.6 Bundesbank 30.10ya7 K59 Koslow M.G. Metrologie und Normung: Lehrbuch M., St. Petersburg: Verlag „Petersburg Institute of Printing“, 2001. 372 p. 1000 Exemplare

Rezensenten: L.A. Konopelko, Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor V.A. Spaev, Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor

Das Buch skizziert die Grundlagen des Systems zur Gewährleistung der Einheitlichkeit der Messungen, die derzeit auf dem Territorium der Russischen Föderation allgemein anerkannt sind. Metrologie und Normung werden als Wissenschaften angesehen, die auf wissenschaftlichen und technischen Rechtsvorschriften, einem System zur Erstellung und Speicherung von Standards für Einheiten physikalischer Größen, einem Service von Standardreferenzdaten und einem Service von Standardmustern beruhen. Das Buch enthält Informationen über die Prinzipien der Erstellung von Messgeräten, die als Gegenstand der Aufmerksamkeit von Spezialisten angesehen werden, die sich mit der Gewährleistung der Einheitlichkeit von Messungen befassen. Messgeräte werden nach Messarten kategorisiert, basierend auf den Standards der Basiseinheiten des SI-Systems. Die wichtigsten Bestimmungen des Normungs- und Zertifizierungsdienstes in der Russischen Föderation werden berücksichtigt.

Von UMO als Lehrbuch für Fachrichtungen empfohlen: 281400 - "Technologie der Druckproduktion", 170800 - "Automatisierte Druckgeräte", 220200 - "Automatisierte Informationsverarbeitung und Steuerungssysteme"

Das ursprüngliche Layout wurde vom Verlag "Petersburg Institute of Printing" erstellt

ISBN 5-93422-014-4

© M.G. Kozlov, 2001. © N.A. Aksinenko, Entwurf, 2001. © Verlag „Petersburg Institute of Press“, 2001.

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook109/01/index.html?part-002.htm

Vorwort Teil I. METROLOGIE 1. Einführung in die Metrologie 1.1. Historische Aspekte der Metrologie 1.2. Grundbegriffe und Kategorien der Metrologie 1.3. Prinzipien der Konstruktion von Einheitensystemen physikalischer Größen 1.4. Wiedergabe und Übertragung der Größe von Einheiten physikalischer Größen. Standards und exemplarische Messgeräte 1.5. Messinstrumente und -anlagen 1.6. Maßnahmen in der Metrologie und Messtechnik. Überprüfung von Messgeräten 1.7. Physikalische Konstanten und Standardreferenzdaten 1.8. Standardisierung zur Gewährleistung der Einheitlichkeit der Messungen. Metrologisches Wörterbuch 2. Grundlagen des Aufbaus von Einheitensystemen physikalischer Größen 2.1. Einheitensysteme physikalischer Größen 2.2. Dimensionsformeln 2.3. Grundeinheiten des SI-Systems 2.4. Die SI-Einheit der Länge ist der Meter 2.5. Die SI-Einheit der Zeit ist die Sekunde 2.6. SI-Temperatureinheit - Kelvin 2.7. Die SI-Einheit der elektrischen Stromstärke ist Ampere 2.8. Implementierung der Grundeinheit des SI-Systems - der Einheit der Lichtstärke - Candela 2.9. Die SI-Einheit der Masse ist Kilogramm 2.10. Die SI-Einheit der Stoffmenge ist das Mol 3. Schätzung von Fehlern in Messergebnissen 3.1. Einführung 3.2. Systematische Fehler 3.3. Zufällige Messfehler Teil II. MESSTECHNIK 4. Einführung in die Messtechnik 5. Messungen mechanischer Größen 5.1. Lineare Messungen 5.2. Rauheitsmessungen 5.3. Härtemessungen 5.4. Druckmessungen 5.5. Massen- und Kraftmessungen 5.6. Viskositätsmessungen 5.7. Dichtemessung 6. Temperaturmessungen 6.1. Methoden der Temperaturmessung 6.2. Kontaktthermometer 6.3. Berührungslose Thermometer 7. Elektrische und magnetische Messungen 7.1. Messungen elektrischer Größen 7.2. Prinzipien hinter magnetischen Messungen 7.3. Magnetische Wandler 7.4. Instrumente zur Messung der Parameter von Magnetfeldern 7.5. Quantenmagnetometrische und galvanomagnetische Geräte 7.6. Induktionsmagnetometrische Instrumente 8. Optische Messungen 8.1. Allgemeine Bestimmungen 8.2. Photometrische Instrumente 8.3. Spektrale Messgeräte 8.4. Spektrale Instrumente filtern 8.5. Interferenzspektrale Instrumente 9. PHYSIKALISCHE UND CHEMISCHE MESSUNGEN 9.1. Merkmale der Messung der Zusammensetzung von Stoffen und Materialien 9.2. Feuchtigkeitsmessungen von Stoffen und Materialien 9.3. Analyse der Zusammensetzung von Gasgemischen 9.4. Messungen der Zusammensetzung von Flüssigkeiten und Feststoffen 9.5. Messtechnische Unterstützung physikalischer und chemischer Messungen Teil III. STANDARDISIERUNG UND ZERTIFIZIERUNG 10. Organisatorische und methodische Grundlagen des Messwesens und der Normung 10.1. Einführung 10.2. Gesetzliche Grundlagen des Messwesens und der Normung 10.3. Internationale Organisationen für Normung und Metrologie 10.4. Die Struktur und Funktionen der Organe des staatlichen Standards der Russischen Föderation 10.5. Staatliche Dienste für Metrologie und Normung der Russischen Föderation 10.6. Funktionen metrologischer Dienste von Unternehmen und Institutionen, die juristische Personen sind 11. Die wichtigsten Bestimmungen des staatlichen Normungsdienstes der Russischen Föderation 11.1. Wissenschaftliche Basis der Standardisierung der Russischen Föderation 11.2. Gremien und Dienste der Normungssysteme der Russischen Föderation 11.3. Merkmale von Standards verschiedener Kategorien 11.4. Kataloge und Produktklassifikatoren als Gegenstand der Normung. Servicestandardisierung 12. Zertifizierung der Messtechnik 12.1. Hauptziele und Ziele der Zertifizierung 12.2. Zertifizierungsspezifische Begriffe und Definitionen 12.3. 12.3. Systeme und Zertifizierungssysteme 12.4. Obligatorische und freiwillige Zertifizierung 12.5. Regeln und Verfahren für die Zertifizierung 12.6. Akkreditierung von Zertifizierungsstellen 12.7. Service-Zertifizierung Fazit Anwendungen

Vorwort

Der Inhalt der Begriffe „Metrologie“ und „Normung“ wird noch diskutiert, obwohl die Notwendigkeit einer professionellen Herangehensweise an diese Probleme offensichtlich ist. So sind in den letzten Jahren zahlreiche Arbeiten erschienen, in denen Metrologie und Normung als Instrument zur Zertifizierung von Messgeräten, Waren und Dienstleistungen vorgestellt werden. Durch eine solche Formulierung der Frage werden alle Konzepte der Metrologie herabgesetzt und als eine Reihe von Regeln, Gesetzen und Dokumenten sinnvoll, die es ermöglichen, die hohe Qualität kommerzieller Produkte sicherzustellen.

Tatsächlich sind Metrologie und Standardisierung seit der Gründung des Depots für beispielhafte Maße in Russland (1842), das dann in die Hauptkammer für Maß und Gewicht Russlands umgewandelt wurde und viele Jahre lang von den Großen geleitet wurde, eine sehr ernsthafte wissenschaftliche Beschäftigung Wissenschaftler D.I. Mendelejew. Unser Land war einer der Gründer der Metric Convention, die vor 125 Jahren angenommen wurde. In den Jahren der Sowjetmacht wurde ein System zur Standardisierung von Ländern für gegenseitige Wirtschaftshilfe geschaffen. All dies weist darauf hin, dass in unserem Land Metrologie und Normung seit langem von grundlegender Bedeutung für die Organisation des Gewichts- und Maßsystems sind. Es sind diese Momente, die ewig sind und die staatliche Unterstützung haben sollten. Mit der Entwicklung der Marktbeziehungen sollte der Ruf der Hersteller zu einer Garantie für die Qualität der Waren werden, und Metrologie und Standardisierung sollten die Rolle staatlicher wissenschaftlicher und methodischer Zentren spielen, die die genauesten Messinstrumente, die vielversprechendsten Technologien und enthalten beschäftigen die qualifiziertesten Fachkräfte.

In diesem Buch wird die Metrologie als ein Wissenschaftsgebiet betrachtet, in erster Linie die Physik, die die Einheitlichkeit der Messungen auf staatlicher Ebene sicherstellen soll. Einfach ausgedrückt muss es in der Wissenschaft ein System geben, das es Vertretern verschiedener Wissenschaften wie Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Geologie usw. ermöglicht, dieselbe Sprache zu sprechen und sich zu verstehen. Die Mittel, um dieses Ergebnis zu erreichen, sind die Bestandteile der Metrologie: Einheitensysteme, Normale, Standardproben, Referenzdaten, Terminologie, Fehlertheorie, Normalsystem. Der erste Teil des Buches widmet sich den Grundlagen der Metrologie.

Der zweite Teil widmet sich der Beschreibung der Prinzipien der Erstellung von Messgeräten. Die Abschnitte dieses Teils werden so dargestellt, wie die Arten von Messungen im System des staatlichen Standards der Russischen Föderation organisiert sind: mechanisch, Temperatur, elektrisch und magnetisch, optisch und physikalisch-chemisch. Die Messtechnik gilt als Bereich der direkten Nutzung der Errungenschaften der Messtechnik.

Der dritte Teil des Buches ist eine kurze Beschreibung des Wesens der Zertifizierung - des Tätigkeitsbereichs moderner Zentren für Metrologie und Normung in unserem Land. Da die Standards von Land zu Land unterschiedlich sind, müssen alle Aspekte der internationalen Zusammenarbeit (Waren, Messgeräte, Dienstleistungen) auf Übereinstimmung mit den Standards der Länder geprüft werden, in denen sie verwendet werden.

Das Buch richtet sich an ein breites Spektrum von Fachleuten, die mit spezifischen Messgeräten in verschiedenen Tätigkeitsbereichen arbeiten, vom Handel bis zur Qualitätskontrolle technologischer Prozesse und Messungen in der Ökologie. Auf die Darstellung einiger Teilgebiete der Physik, die keinen messtechnischen Charakter haben und in der Fachliteratur verfügbar sind, wird in der Darstellung verzichtet. Viel Aufmerksamkeit wird der physikalischen Bedeutung der Verwendung des messtechnischen Ansatzes zur Lösung praktischer Probleme geschenkt. Es wird davon ausgegangen, dass der Leser mit den Grundlagen der Physik vertraut ist und zumindest ein allgemeines Verständnis für moderne Errungenschaften in Wissenschaft und Technik, wie Lasertechnik, Supraleitung usw. hat.

Das Buch richtet sich an Fachleute, die bestimmte Instrumente verwenden und daran interessiert sind, die von ihnen benötigten Messungen optimal bereitzustellen. Dies sind Studenten und Doktoranden von Universitäten, die sich auf die auf Messungen basierenden Wissenschaften spezialisieren. Wir möchten das präsentierte Material als Bindeglied zwischen den Kursen allgemeiner naturwissenschaftlicher Disziplinen und speziellen Kursen zur Präsentation des Wesens moderner Produktionstechnologien sehen.

Das Material wurde auf der Grundlage einer Vorlesung über Metrologie und Normung verfasst, die der Autor am St. Petersburg Institute of the Moscow State University of Printing Arts und an der St. Petersburg State University gehalten hat. Dadurch war es möglich, die Präsentation des Materials zu korrigieren und es für Studenten verschiedener Fachrichtungen, von Bewerbern bis zu älteren Studenten, verständlich zu machen.

Der Autor erwartet, dass das Material den grundlegenden Konzepten der Metrologie und Normung entspricht, die auf der Erfahrung persönlicher Arbeit für fast anderthalb Jahrzehnte im staatlichen Standard der UdSSR und im staatlichen Standard der Russischen Föderation basieren.

Prüfung

Disziplin: "Elektrische Messungen"

Einführung1. Messung des Stromkreises und des Isolationswiderstands2. Messung von Wirk- und Blindleistung3. Messung magnetischer GrößenReferenzen
Einleitung Probleme magnetischer Messungen Das Gebiet der elektrischen Messtechnik, das sich mit der Messung magnetischer Größen befasst, wird üblicherweise als magnetische Messungen bezeichnet.Mit Hilfe von Methoden und Geräten für magnetische Messungen werden derzeit verschiedenste Probleme gelöst. Die wichtigsten sind die folgenden: Messung magnetischer Größen (magnetische Induktion, magnetischer Fluss, magnetisches Moment usw.); Charakterisierung magnetischer Materialien; Untersuchung elektromagnetischer Mechanismen; Messung des Magnetfelds der Erde und anderer Planeten; Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Materialien (magnetische Analyse); Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Atomen und Atomkernen; Bestimmung von Defekten in Materialien und Produkten (magnetische Fehlersuche) etc. Trotz der vielfältigen Aufgabenstellungen, die mit Hilfe magnetischer Messungen gelöst werden, werden meist nur wenige grundlegende magnetische Größen bestimmt: Die für uns interessierende magnetische Größe wird aufgrund bekannter Zusammenhänge zwischen magnetischen und elektrischen Größen rechnerisch ermittelt. Die theoretische Grundlage solcher Methoden ist die zweite Maxwell-Gleichung, die das magnetische Feld mit dem elektrischen Feld in Beziehung setzt; diese Felder stellen zwei Manifestationen einer speziellen Art von Materie dar, die als elektromagnetisches Feld bezeichnet wird.Andere (nicht nur elektrische) Manifestationen des Magnetfelds, wie beispielsweise mechanische, optische, werden ebenfalls bei magnetischen Messungen verwendet.Dieses Kapitel führt den Leser nur in einige Methoden ein zur Bestimmung seiner grundlegenden magnetischen Größen und Eigenschaften von magnetischen Materialien .

1. Messen des Widerstands des Stromkreises und der Isolierung

Messgeräte

Zu den Isolationsmessgeräten gehören Megaohmmeter: ESO 202, F4100, M4100/1-M4100/5, M4107/1, M4107/2, F4101. F4102/1, F4102/2, BM200/G und andere, die von in- und ausländischen Unternehmen hergestellt werden. Der Isolationswiderstand wird mit Megaohmmetern (100-2500 V) mit Messwerten in Ohm, kOhm und Megohm gemessen.

1. Zur Durchführung von Isolationswiderstandsmessungen ist Elektrofachpersonal zugelassen, das über eine Kenntnisprüfungsbescheinigung und eine elektrische Sicherheitsqualifikationsgruppe von mindestens 3. bei Messungen in Anlagen bis 1000 V und mindestens 4. bei Messungen in Anlagen verfügt über 1000 AT.

2. Personen des Elektrofachpersonals mit mittlerer oder höherer Fachausbildung können zur Verarbeitung von Messergebnissen zugelassen werden.

3. Die Analyse der Messergebnisse sollte von Personal durchgeführt werden, das sich mit der Isolierung von elektrischen Geräten, Kabeln und Leitungen befasst.

Sicherheitsanforderungen

1. Bei der Durchführung von Messungen des Isolationswiderstands müssen die Sicherheitsanforderungen gemäß GOST 12.3.019.80, GOST 12.2.007-75, Regeln für den Betrieb von elektrischen Verbraucheranlagen und Sicherheitsvorschriften für den Betrieb von elektrischen Verbraucheranlagen eingehalten werden.

2. Die zur Messung der Isolierung verwendeten Räumlichkeiten müssen die Anforderungen des Explosions- und Brandschutzes gemäß GOST 12.01.004-91 erfüllen.

3. Messgeräte müssen die Sicherheitsanforderungen gemäß GOST 2226182 erfüllen.

4. Messungen mit einem Megaohmmeter dürfen von geschulten Personen des Elektrofachpersonals durchgeführt werden. In Anlagen mit Spannungen über 1000 V werden die Messungen von zwei Personen mitgeführt, von denen eine mindestens der Gruppe IV der elektrischen Sicherheit angehören muss. Messungen während der Installation oder Reparatur werden im Arbeitsauftrag in der Zeile "Zugewiesen" angegeben. In Anlagen mit Spannungen bis 1000 V werden Messungen im Auftrag von zwei Personen durchgeführt, von denen eine mindestens der Gruppe III angehören muss. Die Ausnahme bilden die in Paragraph BS.7.20 spezifizierten Tests.

5. Die Messung der Isolierung einer Leitung, die von zwei Seiten mit Spannung versorgt werden kann, ist nur zulässig, wenn eine Nachricht von der verantwortlichen Person der Elektroinstallation, die an das andere Ende dieser Leitung angeschlossen ist, per Telefon, Kurier, etc. (mit umgekehrter Prüfung), dass die Leitungstrenner und der Schalter ausgeschaltet sind und das Plakat „Nicht einschalten. Es wird gearbeitet“ angebracht ist.

6. Vor Beginn der Prüfungen ist sicherzustellen, dass an dem Teil der elektrischen Anlage, an den das Prüfgerät angeschlossen ist, keine Personen arbeiten, um Personen, die sich in der Nähe befinden, das Berühren von spannungsführenden Teilen zu verbieten und ggf. einzustellen die Wache.

7. Zur Kontrolle des Isolationszustandes von elektrischen Maschinen gemäß den Richtlinien oder Programmen können Messungen mit einem Megaohmmeter an einer stillstehenden oder rotierenden, aber nicht erregten Maschine vom Betriebspersonal oder auf dessen Anordnung im Auftrag durchgeführt werden des laufenden Betriebes durch Mitarbeiter eines Elektrolabors. Unter Aufsicht des Bedienpersonals können diese Messungen auch durch Wartungspersonal durchgeführt werden. Isolationsprüfungen von Rotoren, Ankern und Erregerkreisen können von einer Person mit einer elektrischen Sicherheitsgruppe von mindestens III durchgeführt werden, Prüfungen der Statorisolation von mindestens zwei Personen, von denen eine mindestens der Gruppe IV angehören muss, und der zweite - mindestens III.

8. Bei der Arbeit mit einem Megaohmmeter ist es verboten, die spannungsführenden Teile zu berühren, an denen es befestigt ist. Nach Abschluss der Arbeiten ist es erforderlich, die Restladung des Prüflings durch dessen kurzzeitige Erdung zu entfernen. Die Person, die die Restladung entlädt, muss dielektrische Handschuhe tragen und auf einer isolierten Unterlage stehen.

9. Messungen mit einem Megaohmmeter sind verboten: an einem Stromkreis von Zweikreisleitungen mit einer Spannung über 1000 V, während der andere Stromkreis unter Spannung steht; an einer Einkreisleitung, wenn sie parallel zu einer Arbeitsleitung mit einer Spannung über 1000 V verläuft; während oder in der Nähe eines Gewitters.

10. Die Messung des Isolationswiderstands mit einem Megaohmmeter wird an abgetrennten stromführenden Teilen durchgeführt, von denen die Ladung durch vorläufige Erdung entfernt wird. Die Erdung von stromführenden Teilen sollte erst nach dem Anschluss des Megaohmmeters entfernt werden. Beim Entfernen der Erdung müssen dielektrische Handschuhe verwendet werden.

Messbedingungen

1. Isolationsmessungen sollten unter normalen klimatischen Bedingungen gemäß GOST 15150-85 und im normalen Modus des Versorgungsnetzes durchgeführt oder im Werkspass angegeben werden - technische Beschreibung für Megaohmmeter.

2. Der Wert des elektrischen Widerstands der Isolierung der Anschlussdrähte des Messkreises muss mindestens das 20-fache des zulässigen Mindestwerts des elektrischen Widerstands der Isolierung des geprüften Produkts überschreiten.

3. Die Messung wird in Innenräumen bei einer Temperatur von 25 ± 10 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als 80 % durchgeführt, sofern in den Normen oder technischen Spezifikationen für Kabel, Drähte, Leitungen und Geräte keine anderen Bedingungen vorgesehen sind.

Vorbereitung zur Messung

Als Vorbereitung für die Durchführung von Isolationswiderstandsmessungen werden die folgenden Vorgänge durchgeführt:

1. Sie prüfen die klimatischen Bedingungen am Ort der Isolationswiderstandsmessung mit der Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit und die Konformität des Raumes hinsichtlich Explosions- und Brandgefahr für die Auswahl eines Megaohmmeters auf die entsprechenden Bedingungen.

2. Überprüfen Sie durch äußere Inspektion den Zustand des ausgewählten Megaohmmeters, die Anschlussleiter, die Funktionsfähigkeit des Megaohmmeters gemäß der technischen Beschreibung des Megaohmmeters.

3. Prüfen Sie die Gültigkeitsdauer der staatlichen Eichung am Megaohmmeter.

4. Die Vorbereitung der Messungen von Kabel- und Drahtproben erfolgt gemäß GOST 3345-76.

5. Bei der Durchführung regelmäßiger vorbeugender Wartungsarbeiten an elektrischen Anlagen sowie bei Arbeiten an rekonstruierten Einrichtungen in elektrischen Anlagen wird die Vorbereitung des Arbeitsplatzes vom Elektropersonal des Unternehmens durchgeführt, an dem die Arbeiten gemäß den Regeln von durchgeführt werden PTBEEP und PEEP.

Messungen vornehmen

1. Das Ablesen der Werte des elektrischen Widerstands der Isolierung während der Messung erfolgt 1 Minute nach dem Anlegen der Messspannung an die Probe, jedoch nicht länger als 5 Minuten, sofern keine anderen Anforderungen angegeben sind die Standards oder Spezifikationen für bestimmte Kabelprodukte oder andere Messgeräte.

Vor einer erneuten Messung müssen alle Metallteile des Kabelprodukts mindestens 2 Minuten lang geerdet werden.

2. Der elektrische Widerstand der Isolierung einzelner Adern von einadrigen Kabeln, Drähten und Leitungen muss gemessen werden:

für Produkte ohne Metallmantel, Abschirmung und Panzerung - zwischen einem leitenden Kern und einem Metallstab oder zwischen einem Kern und Erdung;

für Produkte mit Metallmantel, -schirm und -panzerung - zwischen einem leitfähigen Kern und einem Metallmantel oder -schirm oder einer Panzerung.

3. Der elektrische Widerstand der Isolierung von mehradrigen Kabeln, Drähten und Leitungen muss gemessen werden:

für Produkte ohne Metallmantel, Abschirmung und Panzerung - zwischen jedem leitenden Kern und dem Rest der miteinander verbundenen Kerne oder zwischen jedem leitenden Kern; miteinander verbundene und geerdete Leiter für Privathaushalte und andere Leiter;

bei Produkten mit Metallmantel, Abschirmung und Bewehrung - zwischen jedem leitenden Kern und den übrigen Adern, die miteinander und mit dem Metallmantel oder -schirm oder der Bewehrung verbunden sind.

4. Bei einem reduzierten Isolationswiderstand von Kabeln, Drähten und Leitungen, der sich von den Vorschriften von PUE, PEEP, GOST unterscheidet, müssen wiederholte Messungen durchgeführt werden, wobei Kabel, Drähte und Leitungen von Verbraucherklemmen getrennt und die Stromführung verdünnt werden Kerne.

5. Bei der Messung des Isolationswiderstandes einzelner Muster von Kabeln, Drähten und Leitungen müssen diese für auf Trommeln oder in Ringen gewickelte Baulängen oder Muster mit einer Länge von mindestens 10 m ohne die Länge der Endrillen ausgewählt werden. wenn in den Normen oder Spezifikationen für Kabel, Drähte und Schnüre keine anderen Längen angegeben sind. In den Normen bzw. Spezifikationen für Kabel, Drähte und Leitungen ist die Anzahl der Baulängen und Messproben anzugeben.

Eines der wichtigsten Konzepte in Theorie und Praxis von Messungen ist das Konzept einer physikalischen Größe. Physikalische Größe- eine Eigenschaft, die vielen Objekten qualitativ gemeinsam ist, aber quantitativ für jedes von ihnen individuell ist.

Messung physikalische Größe findet ihren Wert experimentell mit Hilfe spezieller technischer Mittel. Je nach Methode zur Ermittlung des numerischen Werts des Messwerts werden alle Messungen in direkte, indirekte, kumulative und gemeinsame Messungen unterteilt.

Direkte Messungen beruhen auf der Methode des Vergleichs der gemessenen Größe mit dem Maß dieser Größe oder auf der Methode der direkten Bestimmung des Werts der gemessenen Größe mit einem Lesegerät, dessen Skala in Einheiten der gemessenen Größe unterteilt ist. Ein Beispiel für direkte Messungen ist die Strommessung mit einem Amperemeter.

Indirekte Messungen- Messungen, deren Ergebnis nach direkten Messungen von Größen erhalten wird, die durch eine bekannte Beziehung zur gemessenen Größe in Beziehung stehen. Die Messung des elektrischen Widerstands in einem Gleichstromkreis erfolgt also durch direkte Messungen der Stromstärke mit einem Amperemeter und der Spannung mit einem Voltmeter, gefolgt von der Berechnung des gewünschten Widerstandswerts.

Kumulative Messungen sind wiederholte, meist direkte Messungen einer oder mehrerer gleichnamiger Größen mit Erhalt eines allgemeinen Messergebnisses durch Lösung eines aus bestimmten Messergebnissen zusammengestellten Gleichungssystems. Als Beispiel wird hier die Bestimmung der Gegeninduktivität zwischen zwei Spulen durch zweimaliges Messen ihrer Gesamtinduktivität beschrieben. Zuerst werden die Spulen so verbunden, dass sich ihre Magnetfelder addieren, und die Gesamtinduktivität wird gemessen: L 01 \u003d L 1 + L 2 + 2M, wobei M die Gegeninduktivität ist; L 1 , L 2 - Induktivitäten der ersten und zweiten Spule. Dann werden die Spulen so verbunden, dass ihre Magnetfelder subtrahiert und die Gesamtinduktivität gemessen wird: L 02 \u003d L 1 + L 2 - 2M. Der gewünschte Wert von M wird durch Lösen dieser Gleichungen bestimmt: M = (L 01 – L 02)/4.

Gemeinsame Messungen bestehen in der gleichzeitigen Messung von zwei oder mehr unterschiedlichen Größen mit anschließender Berechnung des Ergebnisses durch Lösen des bei der Messung erhaltenen Gleichungssystems. Beispielsweise müssen die Temperaturkoeffizienten A, B des Thermistors R t \u003d R 0 (1 + AT + BT 2) ermittelt werden, wobei R 0 der Widerstandswert bei T 0 \u003d 20 ° C ist. T ist die Temperatur des Mediums. Durch Messen der Widerstandswerte R 0 , R 1 , R 2 des Thermistors bei den mit einem Thermometer bestimmten Temperaturen T 0 , T 1 , T 2 und Lösen des resultierenden Systems aus drei Gleichungen finden wir die Werte von A und B.

Messinstrument- ein technisches Gerät, das bei Messungen verwendet wird und genormte messtechnische Eigenschaften aufweist. Zu den Messinstrumenten zählen Maße, Messumformer, Messgeräte und Messsysteme.

Messen- ein Messgerät zum Speichern und Reproduzieren einer physikalischen Größe einer bestimmten Größe. Die Maßnahmen umfassen Normalelemente, Widerstandsboxen, Normsignalgeber, Skalen von Anzeigeinstrumenten.

Messumformer- Messgeräte zur Umwandlung des Messsignals in eine Form, die für die Übertragung, Speicherung und Verarbeitung geeignet ist.

Messgeräte- Messgeräte, die dazu bestimmt sind, ein Signal von Messinformationen zu erzeugen, das funktional mit dem numerischen Wert der gemessenen Größe zusammenhängt, und dieses Signal auf dem Lesegerät oder seiner Registrierung anzuzeigen.

Messsystem- eine Reihe von Messgeräten und Hilfsgeräten, die Messinformationen über das untersuchte Objekt in einem bestimmten Volumen und unter bestimmten Bedingungen liefern.

Die wichtigsten Eigenschaften von Messgeräten sind metrologische Eigenschaften. Metrologische Eigenschaften (Merkmale) umfassen Genauigkeit, Messbereich, Empfindlichkeit, Geschwindigkeit usw.

Minsk: BNTU, 2003. - 116 S. Einführung.
Klassifikation physikalischer Größen.
Die Größe physikalischer Größen. Der wahre Wert physikalischer Größen.
Das Hauptpostulat und Axiom der Theorie der Messungen.
Theoretische Modelle materieller Objekte, Phänomene und Prozesse.
physikalische Modelle.
Mathematische Modelle.
Fehler theoretischer Modelle.
Allgemeine Merkmale des Messbegriffs (Informationen aus der Metrologie).
Klassifizierung von Messungen.
Messen als physikalischer Vorgang.
Messverfahren als Vergleichsverfahren mit einem Maß.
Methoden des direkten Vergleichs.
Methode der direkten Bewertung.
Direkte Konvertierungsmethode.
Ersatzmethode.
Methoden der Skalierungstransformation.
Shunt-Methode.
Follow-up-Balancing-Methode.
Bridge-Methode.
Differenzmethode.
Null Methoden.
Sweep-Kompensationsverfahren.
Transformationen physikalischer Größen messen.
Klassifizierung von Messumformern.
Statische Eigenschaften und statische Fehler von SI.
Merkmale der Auswirkung (Einfluss) der Umgebung und Objekte auf das SI.
SI-Empfindlichkeitsbänder und Unsicherheitsintervalle.
MI mit additivem Fehler (Nullfehler).
SI mit multiplikativem Fehler.
SI mit additiven und multiplikativen Fehlern.
Messung großer Mengen.
Formeln für statische Fehler von Messgeräten.
Vollständige und Arbeitsbereiche von Messgeräten.
Dynamische Fehler von Messgeräten.
Dynamischer Fehler des integrierenden Links.
Ursachen additiver Fehler in SI.
Einfluss der Trockenreibung auf bewegliche Elemente von SI.
SI-Konstruktion.
Kontaktpotentialdifferenz und Thermoelektrizität.
Kontaktpotentialdifferenz.
Thermoelektrischer Strom.
Störungen durch schlechte Erdung.
Ursachen multiplikativer SI-Fehler.
Alterung und Instabilität von SI-Parametern.
Nichtlinearität der Transformationsfunktion.
Geometrische Nichtlinearität.
Physikalische Nichtlinearität.
Leckströme.
Maßnahmen des aktiven und passiven Schutzes.
Physik zufälliger Prozesse, die den minimalen Messfehler bestimmen.
Möglichkeiten des menschlichen Auges.
Natürliche Grenzen der Messung.
Heisenbergsche Unschärferelationen.
Natürliche spektrale Breite der Emissionslinien.
Die absolute Grenze der Genauigkeit bei der Messung der Intensität und Phase elektromagnetischer Signale.
Photonenrauschen kohärenter Strahlung.
Äquivalente Rauschtemperatur der Strahlung.
Elektrische Störungen, Schwankungen und Rauschen.
Physik des internen elektrischen Rauschens im Nichtgleichgewicht.
Schuss Lärm.
Rauscherzeugung - Rekombination.
1/f-Rauschen und seine Vielseitigkeit.
Impulsgeräusche.
Physik der inneren Gleichgewichtsgeräusche.
Statistisches Modell thermischer Fluktuationen in Gleichgewichtssystemen.
Mathematisches Modell der Schwankungen.
Das einfachste physikalische Modell von Gleichgewichtsschwankungen.
Grundformel zur Berechnung der Schwankungsstreuung.
Einfluss von Schwankungen auf die Empfindlichkeitsschwelle von Instrumenten.
Beispiele zur Berechnung thermischer Schwankungen mechanischer Größen.
Die Geschwindigkeit eines freien Körpers.
Schwingungen eines mathematischen Pendels.
Drehungen eines elastisch aufgehängten Spiegels.
Verschiebung der Federgewichte.
Thermische Schwankungen in einem elektrischen Schwingkreis.
Korrelationsfunktion und spektrale Rauschleistungsdichte.
Fluktuationsdissipationssatz.
Nyquist-Formeln.
Spektrale Dichte von Spannungs- und Stromschwankungen in einem Schwingkreis.
Äquivalente Temperatur von nicht-thermischem Rauschen.
Externes elektromagnetisches Rauschen und Interferenzen und Verfahren zu ihrer Reduzierung.
Kapazitive Kopplung (kapazitive Rauschaufnahme).
Induktive Kopplung (induktive Rauschaufnahme).
Abschirmung von Leitern vor Magnetfeldern.
Merkmale eines leitfähigen Schirms ohne Strom.
Merkmale eines leitfähigen Schirms mit Strom.
Magnetische Verbindung zwischen einem Schirm mit Strom und einem darin eingeschlossenen Leiter.
Verwendung eines leitfähigen Schirms mit Strom als Signalleiter.
Schutz des Weltraums vor der Strahlung eines Leiters mit Strom.
Analyse verschiedener Signalkreisschutzschemata durch Abschirmung.
Vergleich von Koaxialkabel und geschirmtem Twisted Pair.
Bildschirmmerkmale in Form eines Geflechts.
Einfluss der Strominhomogenität im Schirm.
selektives Screening.
Unterdrückung von Rauschen im Signalkreis durch seine Ausgleichsmethode.
Zusätzliche Rauschunterdrückungsmethoden.
Link zur Ernährung.
Entkopplungsfilter.
Schutz vor Strahlung hochfrequenter verrauschter Elemente und Schaltungen.
Rauschen in digitalen Schaltungen.
Ergebnisse.
Die Verwendung von dünnen Blechsieben.
nahes und fernes elektromagnetisches Feld.
Abschirmwirkung.
Gesamtwellenwiderstand und Schirmwiderstand.
Absorptionsverlust.
Reflexionsverlust.
Gesamtabsorptions- und Reflexionsverluste für das Magnetfeld.
Einfluss von Löchern auf die Schirmwirkung.
Einfluss von Rissen und Löchern.
Verwendung eines Wellenleiters bei einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz.
Einfluss runder Löcher.
Verwendung von leitfähigen Abstandshaltern zur Reduzierung der Strahlung in Lücken.
Ergebnisse.
Rauschverhalten von Kontakten und deren Schutz.
Schwelender Ausfluss.
Bogenentladung.
Vergleich von AC- und DC-Schaltungen.
Kontaktmaterial.
induktive Lasten.
Prinzipien des Berührungsschutzes.
Transientenunterdrückung für induktive Lasten.
Kontaktschutzschaltungen für induktive Lasten.
Kette mit Kapazität.
Schaltung mit Kapazität und Widerstand.
Schaltung mit Kapazität, Widerstand und Diode.
Berührungsschutz bei ohmscher Last.
Empfehlungen zur Auswahl von Berührungsschutzschaltungen.
Passdaten für Kontakte.
Ergebnisse.
Allgemeine Methoden zur Verbesserung der Messgenauigkeit.
Verfahren zur Anpassung von Messumformern.
Idealer Stromgenerator und idealer Spannungsgenerator.
Anpassung an den Widerstand des Generators IP.
Anpassung an den Widerstand von parametrischen Wandlern.
Der grundlegende Unterschied zwischen Informations- und Energieketten.
Verwendung von Anpassungstransformatoren.
Negative Feedback-Methode.
Methode zur Bandbreitenreduzierung.
Äquivalente Rauschbandbreite.
Methode der Signalmittelung (Akkumulation).
Signal- und Rauschfilterverfahren.
Probleme beim Erstellen eines optimalen Filters.
Nützliche Methode zur Übertragung des Signalspektrums.
Phasendetektionsverfahren.
Synchrone Erkennungsmethode.
Rauschintegrationsfehler bei Verwendung der RC-Kette.
SI-Umwandlungsfaktor-Modulationsverfahren.
Die Verwendung von Signalmodulation zur Erhöhung der Störfestigkeit.
Die Methode der differentiellen Einbeziehung von zwei IP.
Verfahren zur Korrektur von MI-Elementen.
Methoden zur Verringerung des Einflusses der Umwelt und sich ändernder Bedingungen.
Organisation von Messungen.

BILDUNGSMINISTERIUM DER RUSSISCHEN FÖDERATION OSTSIBIRISCHE STAATLICHE TECHNOLOGISCHE UNIVERSITÄT

Abteilung "Metrologie, Normung und Zertifizierung

PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER MESSUNGEN

Vorlesung "Universelle physikalische Konstanten"

Zusammengestellt von: Zhargalov B.S.

Ulan-Ude, 2002

Die Vorlesung „Allgemeine physikalische Konstanten“ richtet sich an Studierende der Fachrichtung „Metrologie, Normung und Zertifizierung“ im Studium der Disziplin „Physikalische Grundlagen des Messens“. Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die Geschichte der Entdeckungen physikalischer Konstanten durch die weltweit führenden Physiker, die später die Grundlage des internationalen Einheitensystems physikalischer Größen bildeten.

Einführung Gravitationskonstante

Avogadro und Boltzmanns Konstante Faradays Konstante Ladung und Masse eines Elektrons Lichtgeschwindigkeit

Rydberg-Planck-Konstanten Protonen- und Neutronen-Ruhemasse Schlussfolgerung Referenzen

Einführung

Universelle physikalische Konstanten sind Größen, die als quantitative Koeffizienten in mathematische Ausdrücke grundlegender physikalischer Gesetze eingehen oder Eigenschaften von Mikroobjekten sind.

Die Tabelle der universellen physikalischen Konstanten sollte nicht als etwas bereits Fertiges angesehen werden. Die Entwicklung der Physik geht weiter, und dieser Prozess wird unweigerlich mit dem Auftreten neuer Konstanten einhergehen, von denen wir heute keine Ahnung haben.

Tabelle 1

Universelle physikalische Konstanten

Name				Zahlenwert
Schwere				6,6720*10-11 N*m2 *kg-2
Konstante
Avogadro-Konstante				6,022045*1022 mol-1
Boltzmann-Konstante				1.380662*10-23J*K-1
Faraday-Konstante				9,648456*104 C*mol-1
Elektronenladung				1,6021892*10-19 C
Ruhemasse eines Elektrons				9.109534*10-31kg
Geschwindigkeit				2,99792458*108 m*s-2
Plancksche Konstante				6,626176*10-34*J*s
Rydberg-Konstante			R∞	1.0973731*10-7*m--1
Ruhemasse eines Protons				1,6726485*10-27kg
Neutronenruhemasse				1,6749543*10-27kg

Wenn Sie sich die Tabelle ansehen, können Sie sehen, dass die Werte der Konstanten mit großer Genauigkeit gemessen werden. Vielleicht erweist sich jedoch eine genauere Kenntnis des Wertes der einen oder anderen Konstante als grundlegend wichtig für die Wissenschaft, da dies oft ein Kriterium für die Gültigkeit der einen physikalischen Theorie oder den Irrtum einer anderen ist. Zuverlässig gemessene experimentelle Daten sind die Grundlage für den Aufbau neuer Theorien.

Die Genauigkeit der Messung physikalischer Konstanten ist die Genauigkeit unseres Wissens über die Eigenschaften der umgebenden Welt. Es ermöglicht, die Schlussfolgerungen der Grundgesetze der Physik und Chemie zu vergleichen.

Gravitationskonstante

Die Ursachen für die Anziehung von Körpern zueinander werden seit der Antike diskutiert. Einer der Denker der Antike - Aristoteles (384-322 v. Chr.) - teilte alle Körper in schwere und leichte ein. Schwere Körper - Steine ​​fallen herunter und versuchen, einen bestimmten "Weltmittelpunkt" zu erreichen, der von Aristoteles eingeführt wurde, leichte Körper - Rauch von einem Feuer - fliegen nach oben. Nach den Lehren eines anderen antiken griechischen Philosophen, Ptolemäus, war die Erde das „Zentrum der Welt“, während sich alle anderen Himmelskörper um sie drehten. Die Autorität von Aristoteles war so groß, dass bis zum fünfzehnten Jahrhundert. seine Ansichten wurden nicht in Frage gestellt.

Leonardo da Vinci (1452-1519) war der erste, der die Annahme des "Zentrums der Welt" kritisierte. Das Scheitern von Aristoteles' Ansichten wurde durch die Erfahrung des ersten in der Geschichte der Physik gezeigt

Wissenschaftler-Experimentator G. Galileo (1564-1642). Er ließ eine gusseiserne Kanonenkugel und eine Holzkugel von der Spitze des berühmten Schiefen Turms von Pisa fallen. Objekte unterschiedlicher Masse fielen gleichzeitig auf die Erde. Die Einfachheit von Galileis Experimenten schmälert nicht ihre Bedeutung, da dies die ersten experimentellen Tatsachen waren, die zuverlässig durch Messungen festgestellt wurden.

Alle Körper fallen mit der gleichen Beschleunigung auf die Erde - das ist die wichtigste Schlussfolgerung aus Galileos Experimenten. Er maß auch den Wert der Freifallbeschleunigung, die er berücksichtigte

Sonnensystem kreisen um die Sonne. Copernicus konnte jedoch nicht angeben, aus welchen Gründen diese Rotation auftritt. Die Gesetze der Planetenbewegung wurden in ihrer endgültigen Form von dem deutschen Astronomen J. Kepler (1571-1630) abgeleitet. Kepler verstand immer noch nicht, dass die Schwerkraft die Bewegung der Planeten bestimmt. Engländer R. Cook im Jahr 1674

Er zeigte, dass die Bewegung der Planeten auf elliptischen Bahnen mit der Annahme übereinstimmt, dass sie alle von der Sonne angezogen werden.

Isaac Newton (1642-1727) kam im Alter von 23 Jahren zu dem Schluss, dass die Bewegung der Planeten unter der Wirkung einer radialen Anziehungskraft erfolgt, die auf die Sonne gerichtet ist und modulo umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen Sonne und Sonne ist der Planet.

Aber diese Annahme musste von Newton verifiziert werden, indem er annahm, dass die Gravitationskraft desselben Ursprungs ihren Trabanten, den Mond, in der Nähe der Erde hält, eine einfache Rechnung durchführte. Er ging von folgendem aus: Der Mond bewegt sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne, die in erster Näherung als kreisförmig angesehen werden kann. Seine Zentripetalbeschleunigung a kann nach der Formel berechnet werden

a \u003d rω 2

wobei r die Entfernung von der Erde zum Mond und ω die Winkelbeschleunigung des Mondes ist. Der Wert von r ist gleich sechzig Erdradien (R3 = 6370 km). Die Beschleunigung ω errechnet sich aus der Umlaufzeit des Mondes um die Erde, die 27,3 Tage beträgt: ω = 2π rad/27,3 Tage

Dann ist die Beschleunigung gleich:

a \u003d r ω 2 \u003d 60 * 6370 * 105 * (2 * 3,14 / 27,3 * 86400) 2 cm / s2 \u003d 0,27 cm / s2

Aber wenn es stimmt, dass die Gravitationskräfte umgekehrt mit dem Quadrat der Entfernung abnehmen, dann sollte die Beschleunigung des freien Falls g l auf dem Mond sein:

g l \u003d gehen / (60) 2 \u003d 980 / 3600 cm / s2 \u003d 0,27 cm / s3

Als Ergebnis der Berechnungen die Gleichheit

ein \u003d g l,

jene. Die Kraft, die den Mond in der Umlaufbahn hält, ist nichts anderes als die Anziehungskraft des Mondes auf die Erde. Dieselbe Gleichheit zeigt die Gültigkeit von Newtons Annahmen über die Art der Kraftänderung mit der Entfernung. All dies gab Newton Anlass, das Gravitationsgesetz niederzuschreiben

endgültige mathematische Form:

F=G (M1 M2 /r2 )

wobei F die Kraft der gegenseitigen Anziehung ist, die zwischen zwei Massen M1 und M2 wirkt, die voneinander um einen Abstand r getrennt sind.

Der Koeffizient G, der Teil des universellen Gravitationsgesetzes ist, ist immer noch eine mysteriöse Gravitationskonstante. Darüber ist nichts bekannt - weder seine Bedeutung noch seine Abhängigkeit von den Eigenschaften anziehender Körper.

Da dieses Gesetz von Newton gleichzeitig mit den Bewegungsgesetzen von Körpern (den Gesetzen der Dynamik) formuliert wurde, konnten Wissenschaftler die Umlaufbahnen der Planeten theoretisch berechnen.

1682 berechnete der englische Astronom E. Halley unter Verwendung von Newtons Formeln die Zeit der zweiten Ankunft eines hellen Kometen auf der Sonne, der zu dieser Zeit am Himmel beobachtet wurde. Der Komet kehrte genau zur geschätzten Zeit zurück und bestätigte die Wahrheit der Theorie.

Die Bedeutung des Newtonschen Gravitationsgesetzes manifestierte sich vollständig in der Geschichte der Entdeckung eines neuen Planeten.

1846 berechnete der französische Astronom W. Le Verrier die Position dieses neuen Planeten. Nachdem er seine Himmelskoordinaten dem deutschen Astronomen I. Halle gemeldet hatte, wurde ein unbekannter Planet, später Neptun genannt, genau an der berechneten Stelle entdeckt.

Trotz der offensichtlichen Erfolge wurde Newtons Gravitationstheorie lange Zeit nicht endgültig anerkannt. Der Wert der Gravitationskonstante G in der Formel des Gesetzes war bekannt.

Ohne den Wert der Gravitationskonstante G zu kennen, ist es unmöglich, F zu berechnen. Wir kennen jedoch die Beschleunigung des freien Falls von Körpern: go = 9,8 m/s2, was uns erlaubt, den Wert der Gravitationskonstante G theoretisch abzuschätzen. In der Tat , die Kraft, unter der der Ball auf die Erde fällt, ist die Anziehungskraft des Balls durch die Erde:

F1 = G(M111 M 3 /R3 2 )

Nach dem zweiten Gesetz der Dynamik verleiht diese Kraft dem Körper die Beschleunigung des freien Falls:

g 0=F/M 111=GM 3/R 32

Wenn man den Wert der Masse der Erde und ihren Radius kennt, ist es möglich, den Wert der Gravitation zu berechnen

Konstante:

G=g0 R3 2 / M 3= 9,8*(6370*103)2 /6*1024 m3/s2 kg=6,6*10-11 m3/s2 kg

1798 entdeckte der englische Physiker G. Cavendish die Anziehung zwischen kleinen Körpern unter irdischen Bedingungen. An den Enden der Wippe wurden zwei kleine Bleikugeln mit einem Gewicht von 730 g aufgehängt. Dann wurden zwei große Bleikugeln mit einem Gewicht von 158 kg zu diesen Kugeln gebracht. In diesen Experimenten beobachtete Cavendish zuerst die Anziehungskraft von Körpern zueinander. Er bestimmte auch experimentell den Wert der Gravitation

Konstante:

G \u003d (6,6 + 0,041) * 10-11 m3 / (s2 kg)

Cavendishs Experimente sind von großer Bedeutung für die Physik. Erstens wurde der Wert der Gravitationskonstante gemessen, und zweitens bewiesen diese Experimente die Universalität des Gravitationsgesetzes.

Avogadro- und Boltzmann-Konstanten

Wie die Welt funktioniert, wird seit der Antike spekuliert. Befürworter eines Standpunkts glaubten, dass es ein bestimmtes Primärelement gibt, aus dem alle Substanzen bestehen. Ein solches Element war laut dem antiken griechischen Philosophen Geosidas die Erde, Thales nahm Wasser als primäres Element an, Anaximenes Luft, Heraklit - Feuer, Empedokles erlaubte die gleichzeitige Existenz aller vier primären Elemente. Platon glaubte, dass unter bestimmten Bedingungen ein Primärelement in ein anderes übergehen kann.

Es gab auch eine grundlegend andere Sichtweise. Leukipp, Demokrit und Epikur stellten die Materie als aus kleinen, unteilbaren und undurchdringlichen Teilchen bestehend dar, die sich in Größe und Form voneinander unterschieden. Sie nannten diese Teilchen Atome (von griechisch „atomos“ – unteilbar). Ein Blick auf die Struktur der Materie wurde experimentell nicht gestützt, kann aber als intuitive Vermutung antiker Wissenschaftler angesehen werden.

Zum ersten Mal wurde die Korpuskulartheorie der Materiestruktur, in der die Struktur der Materie aus einer atomistischen Position erklärt wurde, von dem englischen Wissenschaftler R. Boyle (1627-1691) geschaffen.

Der französische Wissenschaftler A. Lavoisier (1743-1794) gab die erste Klassifizierung chemischer Elemente in der Wissenschaftsgeschichte.

Die Korpuskulartheorie wurde in den Arbeiten des herausragenden englischen Chemikers J. Dalton (1776-1844) weiterentwickelt. 1803 Dalton entdeckte das Gesetz der einfachen Vielfachverhältnisse, wonach sich verschiedene Elemente im Verhältnis 1:1, 1:2 usw.

Das Paradoxon der Wissenschaftsgeschichte ist Daltons absolute Nichtanerkennung des 1808 vom französischen Wissenschaftler J. Gay-Lusac entdeckten Gesetzes der einfachen volumetrischen Beziehungen. Nach diesem Gesetz stehen die Volumina sowohl der an der Reaktion beteiligten Gase als auch der gasförmigen Reaktionsprodukte in einfachen Vielfachverhältnissen. Zum Beispiel ergibt die Kombination von 2 Liter Wasserstoff und 1 Liter Sauerstoff 2 Liter. Wasserdampf. Dies widersprach Daltons Theorie und lehnte Gay-lusaks Gesetz als unvereinbar mit seiner Atomtheorie ab.

Der Weg aus dieser Krise wurde von Amedeo Avogadro aufgezeigt. Er fand einen Weg, die atomistische Theorie von Dalton mit dem Gesetz von Gay-Lusac zu kombinieren. Die Hypothese ist, dass die Anzahl der Moleküle in gleichen Volumina beliebiger Gase immer gleich ist oder immer proportional zu den Volumina ist. Avogadro führt damit erstmals das Konzept eines Moleküls als Kombination von Atomen in die Wissenschaft ein. Dies erklärte die Ergebnisse von Gay-Lusac: 2 Liter Wasserstoffmoleküle in Kombination mit 1 Liter Sauerstoffmolekülen ergeben 2 Liter Wasserdampfmoleküle:

2H2 + O2 \u003d 2H2 O

Die Hypothese von Avogadro gewinnt aufgrund der Tatsache, dass sie die Existenz einer konstanten Anzahl von Molekülen in einem Mol einer beliebigen Substanz impliziert, eine außergewöhnliche Bedeutung. In der Tat, wenn wir die Molmasse (die Masse einer Substanz in der Menge von einem Mol) mit M und die relative Molekülmasse mit m bezeichnen, dann ist dies offensichtlich

M=NA m

wobei NA die Anzahl der Moleküle in einem Mol ist. Es gilt für alle Stoffe:

NA =M/m

Damit kann man ein weiteres wichtiges Ergebnis erzielen. Avogadros Hypothese besagt, dass die gleiche Anzahl von Gasmolekülen immer das gleiche Volumen einnimmt. Daher ist das Volumen Vo, das von einem Mol eines beliebigen Gases unter normalen Bedingungen (Temperatur 0 Co und Druck 1,013 * 105 Pa) eingenommen wird, ein konstanter Wert. Dieser Backenzahn

das Volumen wurde bald experimentell verändert und ergab sich zu: Vo = 22,41 * 10-3 m3

Eine der Hauptaufgaben der Physik bestand darin, die Anzahl der Moleküle in einem Mol einer beliebigen Substanz NA zu bestimmen, die später die Avogadro-Konstante erhielt.

Der österreichische Wissenschaftler Ludwig Boltzmann (1844-1906), ein herausragender theoretischer Physiker, Autor zahlreicher grundlegender Studien auf verschiedenen Gebieten der Physik, verteidigte leidenschaftlich die anatomische Hypothese.

Boltzmann befasste sich als erster mit der wichtigen Frage der Verteilung der thermischen Energie auf verschiedene Freiheitsgrade von Gasteilchen. Er zeigte strikt, dass die durchschnittliche kinematische Energie von Gasteilchen E proportional zur absoluten Temperatur T ist:

E T Der Proportionalitätskoeffizient kann anhand der Grundgleichung ermittelt werden

Molekularkinematische Theorie:

p \u003d 2/3 pU

Wobei p die Konzentration der Gasmoleküle ist. Multiplizieren beider Seiten dieser Gleichung mit dem Molekülvolumen Vo. Da n Vo die Anzahl der Moleküle in einem Mol Gas ist, erhalten wir:

p Vo == 2/3 NA E

Andererseits definiert die ideale Gaszustandsgleichung das Produkt p

Vo als

p Vo = RT

Daher ist 2/3 NA E = RT

Oder E=3RT/2NA

Das R/NA-Verhältnis ist ein konstanter Wert, der für alle Substanzen gleich ist. Diese neue universelle physikalische Konstante erhielt auf Anregung von M.

Brett, Name Boltzmann-Konstante k

k=R/NA.

Boltzmanns Verdienste um die Schaffung der molekularkinetischen Gastheorie wurden damit gebührend gewürdigt.

Der Zahlenwert der Boltzmann-Konstante ist: k= R/NA = 8,31 J mol/6,023*1023 K mol=1,38*10-16 J/K.

Die Boltzmann-Konstante verbindet sozusagen die Eigenschaften der Mikrowelt (durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen E) und die Eigenschaften des Makrokosmos (Gasdruck und Temperatur).

Faraday-Konstante

Das Studium von Phänomenen, die auf die eine oder andere Weise mit dem Elektron und seiner Bewegung zusammenhängen, ermöglichte es, die unterschiedlichsten physikalischen Phänomene aus einer einheitlichen Position zu erklären: Elektrizität und Magnetismus, Licht und elektromagnetische Schwingungen. Der Aufbau des Atoms und die Physik der Elementarteilchen.

So weit zurück wie 600 v. Thales von Milet entdeckte die Anziehungskraft von Lichtkörpern (Flusen, Papierfetzen) mit geriebenem Bernstein (Bernstein bedeutet im Altgriechischen Elektron).

Werke, die bestimmte elektrische Phänomene qualitativ beschreiben. trat zunächst sehr spärlich auf. 1729 führte S. Gray die Unterteilung von Körpern in elektrische Stromleiter und Isolatoren ein. Der Franzose C. Dufay entdeckte, dass mit Fell geriebener Siegellack ebenfalls elektrifiziert, aber der Elektrifizierung eines Glasstabes entgegengesetzt ist.

Das erste Werk, in dem versucht wurde, elektrische Phänomene theoretisch zu erklären, schrieb der amerikanische Physiker W. Franklin im Jahr 1747. Zur Erklärung der Elektrifizierung schlug er die Existenz einer bestimmten „elektrischen Flüssigkeit“ (Fluid) vor, die als an fester Bestandteil in jeder Angelegenheit. Er verband die Existenz von zwei Arten von Elektrizität mit der Existenz von zwei Arten von Flüssigkeiten - "positiv" und "negativ". Entdeckt haben. dass, wenn Glas und Seide aneinander gerieben werden, sie unterschiedlich elektrisieren.

Es war Franklin, der als erster auf die atomare, körnige Natur der Elektrizität hinwies: "Elektrische Materie besteht aus Teilchen, die extrem klein sein müssen."

Die grundlegenden Konzepte in der Wissenschaft der Elektrizität wurden erst formuliert, nachdem die ersten quantitativen Studien erschienen waren. Der französische Wissenschaftler C. Coulomb hat 1785 die Wechselwirkungskraft elektrischer Ladungen gemessen und das Gesetz aufgestellt

Wechselwirkungen elektrischer Ladungen:

F= k q1 q2 /r2

wobei q1 und q 2 elektrische Ladungen sind, r der Abstand zwischen ihnen ist,

F ist die Wechselwirkungskraft zwischen Ladungen, k ist der Proportionalitätskoeffizient. Die Schwierigkeiten bei der Nutzung elektrischer Phänomene waren größtenteils darauf zurückzuführen, dass Wissenschaftler keine geeignete elektrische Stromquelle zur Verfügung hatten. Solch

Die Quelle wurde 1800 vom italienischen Wissenschaftler A. Volta erfunden - es war eine Säule aus Zink- und Silberkreisen, die durch in Salzwasser getränktes Papier getrennt waren. Es begannen intensive Studien zum Stromdurchgang durch verschiedene Substanzen.

Elektrolyse, es enthielt die ersten Hinweise darauf. dass Materie und Elektrizität miteinander verwandt sind. Die wichtigste quantitative Forschung auf dem Gebiet der Elektrolyse wurde vom größten englischen Physiker M. Faraday (1791-1867) durchgeführt. Er fand heraus, dass die Masse der Substanz, die beim Durchgang eines elektrischen Stroms an der Elektrode freigesetzt wird, proportional zur Stärke des Stroms und zur Zeit ist (Faradaysches Gesetz der Elektrolyse). eine Substanz an den Elektroden, numerisch gleich M / n (M-molar die Masse der Substanz, n ist ihre Wertigkeit), eine genau definierte Ladung F muss durch den Elektrolyten geleitet werden. Somit erschien ein weiteres wichtiges universelles F in der Physik, gleich, wie Messungen zeigten, F = 96 484,5 C / mol.

Anschließend wurde die Konstante F als Faraday-Zahl bezeichnet. Die Analyse des Phänomens der Elektrolyse führte Faraday zu der Idee, dass die Träger elektrischer Kräfte keine elektrischen Flüssigkeiten sind, sondern Atome-Teilchen der Materie. „Materieatome sind irgendwie mit elektrischen Kräften ausgestattet“, sagt er.

Faraday entdeckte erstmals den Einfluss des Mediums auf die Wechselwirkung elektrischer Ladungen und spezifizierte die Form des Coulombschen Gesetzes:

F= q1 q2/ ε r2

Dabei ist ε eine Kenngröße des Mediums, die sogenannte Dielektrizitätskonstante. Basierend auf diesen Studien lehnte Faraday die Wirkung elektrischer Ladungen auf Distanz (ohne Zwischenmedium) ab und führte eine völlig neue und wichtige Idee in die Physik ein, dass das elektrische Feld Träger und Übermittler elektrischer Einflüsse ist!

Ladung und Masse eines Elektrons

Experimente zur Bestimmung der Avogadro-Konstante ließen die Physiker darüber nachdenken, ob den Eigenschaften des elektrischen Feldes zu viel Bedeutung beigemessen wird. Gibt es nicht einen konkreteren, materielleren Träger der Elektrizität? Erstmals wird diese Idee 1881 deutlich. G. Helmolz formulierte: „Wenn wir die Existenz chemischer Atome zugeben, dann müssen wir daraus weiter schließen, dass Elektrizität, sowohl positive als auch negative, auch in gewisse elementare Größen zerlegt wird, die die Rolle von Elektrizitätsatomen spielen.“

Die Berechnung dieser „bestimmten elementaren Elektrizitätsmenge“ wurde von dem irischen Physiker J. Stoney (1826-1911) durchgeführt. Es ist extrem einfach. Wenn die Freisetzung von einem Mol eines einwertigen Elements während der Elektrolyse eine Ladung von 96484,5 C erfordert und ein Mol 6 * 1023 Atome enthält, dann ist es offensichtlich, dass wir die Menge erhalten, wenn wir die Faraday-Zahl F durch die Avogadro-Zahl NA teilen Strom, der benötigt wird, um einen freizugeben

Atom der Materie. Diesen Mindeststromanteil bezeichnen wir mit e:

E \u003d F / NA \u003d 1,6 * 10-18 C.

1891 schlug Stoney vor, diese minimale Menge an Elektrizität ein Elektron zu nennen. Bald wurde es von allen akzeptiert.

Die universellen physikalischen Konstanten F und NA haben in Verbindung mit den intellektuellen Bemühungen der Wissenschaftler eine weitere Konstante zum Leben erweckt - die Elektronenladung e.

Die Tatsache der Existenz eines Elektrons als unabhängiges physikalisches Teilchen wurde in Studien zur Untersuchung von Phänomenen festgestellt, die mit dem Durchgang von elektrischem Strom durch Gase verbunden sind. Und wieder müssen wir der Einsicht Faradays Tribut zollen, der 1838 erstmals mit diesen Studien begann. Es waren diese Studien, die zur Entdeckung der sogenannten Kathodenstrahlen und schließlich zur Entdeckung des Elektrons führten.

Um sicherzustellen, dass die Kathodenstrahlen wirklich einen Strom negativ geladener Teilchen darstellen, war es notwendig, die Masse dieser Teilchen und ihre Ladung in direkten Experimenten zu bestimmen. Diese Experimente im Jahr 1897. durchgeführt von dem englischen Physiker J. J. Thomson. Gleichzeitig nutzte er die Ablenkung von Kathodenstrahlen im elektrischen Feld eines Kondensators und in einem magnetischen Feld. Berechnungen zeigen, dass der Winkel

Ablenkung der Strahlen θ in einem elektrischen Feld der Stärke δ ist gleich:

θ \u003d eδ / t * l / v2,

wobei e die Ladung des Teilchens ist, m seine Masse ist, l die Länge des Kondensators ist,

v ist die Geschwindigkeit des Teilchens (sie ist bekannt).

Wenn die Strahlen in einem Magnetfeld B abgelenkt werden, ist der Ablenkwinkel α gleich:

α = eV/t * l/v

Bei θ ≈ α (was in Thomsons Experimenten erreicht wurde) war es möglich, v zu bestimmen und dann zu berechnen, und das Verhältnis e / m ist eine Konstante, die unabhängig von der Art des Gases ist. Thomas

Der erste formulierte klar die Idee der Existenz eines neuen Elementarteilchens der Materie, weshalb er zu Recht als Entdecker des Elektrons gilt.

Die Ehre, die Ladung eines Elektrons direkt zu messen und zu beweisen, dass diese Ladung tatsächlich der kleinste unteilbare Teil der Elektrizität ist, gebührt dem bemerkenswerten amerikanischen Physiker R. E. Milliken. Durch das obere Fenster wurden Öltropfen aus einer Spritzpistole in den Raum zwischen den Platten des Kondensators eingespritzt. Theorie und Experiment haben gezeigt, dass beim langsamen Fallen eines Tropfens der Luftwiderstand dazu führt, dass seine Geschwindigkeit konstant wird. Wenn die Feldstärke ε zwischen den Platten Null ist, dann ist die Fallgeschwindigkeit v 1 gleich:

v1 = fP

wobei P das Gewicht des Tropfens ist,

f ist der Proportionalitätskoeffizient.

In Anwesenheit eines elektrischen Feldes wird die Tropfengeschwindigkeit v 2 bestimmt durch den Ausdruck:

v2 = f (q ε - P),

wobei q die Ladung des Tropfens ist. (Es wird angenommen, dass die Schwerkraft und die elektrische Kraft einander entgegengesetzt sind.) Aus diesen Ausdrücken folgt das

q= P/ε v1 * (v1 + v2 ).

Um die Ladung von Tropfen zu messen, verwendet Millikan

Luft ionisieren. Luftionen werden von den Tröpfchen eingefangen, wodurch sich die Ladung der Tröpfchen ändert. Wenn wir die Ladung des Tropfens nach dem Ioneneinfang als q ! , und seine Geschwindigkeit durch v 2 1, dann die Ladungsänderung delta q \u003d q! - q

delta q== P/ε v1 *(v1 - v2 ).,

der Wert von P/ ε v 1 für diesen Abfall ist konstant. Somit reduziert sich die Ladungsänderung des Tropfens auf die Messung des vom Öltropfen zurückgelegten Wegs und der Zeit, während der dieser Weg zurückgelegt wurde. Aber Zeit und Weg konnten leicht und ziemlich genau durch Erfahrung bestimmt werden.

Zahlreiche Millikan-Messungen haben gezeigt, dass die Ladungsänderung unabhängig von der Tropfengröße immer ein ganzzahliges Vielfaches einer kleinsten Ladung e ist:

delta q=ne, wobei n eine ganze Zahl ist. So wurde in den Experimenten von Millikan die Existenz einer minimalen Elektrizitätsmenge e festgestellt. Experimente bewiesen überzeugend die atomistische Struktur der Elektrizität.

Experimente und Berechnungen ermöglichten es, den Wert der Ladung e E = 1,6 * 10-19 C zu bestimmen.

Die Realität der Existenz einer minimalen Portion Elektrizität wurde bewiesen; Millikan selbst für diese Reaktionen im Jahr 1923. wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Mit den aus Thomsons Experimenten bekannten Werten der spezifischen Elektronenladungen e/m und e können wir nun auch die Masse des Elektrons m e berechnen.

Sein Wert erwies sich als:

d.h. \u003d 9,11 * 10-28 g.

Lichtgeschwindigkeit

Zum ersten Mal wurde die Methode der direkten Messung der Lichtgeschwindigkeit vom Begründer der Experimentalphysik, Galileo, vorgeschlagen. Seine Idee war sehr einfach. Zwei Beobachter mit Lampen befanden sich mehrere Kilometer voneinander entfernt. Der erste öffnete den Verschluss an der Laterne und sendete ein Lichtsignal in Richtung des zweiten. Der zweite, der das Licht der Laterne bemerkte, öffnete seinen eigenen Fensterladen und sendete ein Signal an den ersten Beobachter. Der erste Beobachter maß die Zeit t zwischen seiner Entdeckung

seine Laterne und die Zeit, als er das Licht der zweiten Laterne bemerkte. Die Lichtgeschwindigkeit c ist offensichtlich gleich:

wobei S der Abstand zwischen Beobachtern ist, t die gemessene Zeit ist.

Die ersten Experimente, die in Florenz nach dieser Methode durchgeführt wurden, lieferten jedoch keine eindeutigen Ergebnisse. Das Zeitintervall t erwies sich als sehr klein und schwierig zu messen. Dennoch folgte aus den Experimenten, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist.

Die Ehre der ersten Messung der Lichtgeschwindigkeit gebührt dem dänischen Astronomen O. Roemer. Dirigieren 1676. Als er die Sonnenfinsternis des Jupitersatelliten beobachtete, bemerkte er, dass der Satellit Io 22 Minuten später aus dem Schatten des Jupiters erscheint, wenn sich die Erde an einem Punkt ihrer Umlaufbahn befindet, der von Jupiter entfernt ist. Zur Erläuterung schrieb Römer: „Das ist die Zeit, die das Licht braucht, um den Ort von meiner ersten Beobachtung bis zur jetzigen Position zu durchqueren.“ Indem man den Durchmesser der Erdbahn D durch die Verzögerungszeit dividierte, konnte man den Lichtwert c erhalten. Zur Zeit von Roemer war D nicht genau bekannt, daher folgte aus seinen Messungen, dass c ≈ 215.000 km/s. Anschließend wurden sowohl der Wert von D als auch die Verzögerungszeit verfeinert, so dass wir jetzt mit der Römer-Methode c ≈ 300.000 km/s erhalten würden.

Knapp 200 Jahre nach Römer wurde die Lichtgeschwindigkeit erstmals in terrestrischen Labors gemessen. Dies tat er 1849. Franzose L.Fizo. Seine Methode unterschied sich im Prinzip nicht von der Galileis, nur wurde der zweite Beobachter durch einen reflektierenden Spiegel ersetzt, und anstelle eines von Hand zu öffnenden Verschlusses wurde ein schnell rotierendes Zahnrad verwendet.

Fizeau platzierte einen Spiegel in Suresnes, im Haus seines Vaters, den anderen in Montmarte in Paris. Der Abstand zwischen den Spiegeln betrug L = 8,66 km. Das Rad hatte 720 Zähne, das Licht erreichte seine maximale Intensität bei einer Drehzahl des Rades von 25 U/min. Der Wissenschaftler bestimmte die Lichtgeschwindigkeit mit der Formel von Galileo:

Die Zeit t ist offensichtlich t = 1/25*1/720 s=1/18000 s und s=312.000 km/s

Alle obigen Messungen wurden in Luft durchgeführt. Die Berechnung der Geschwindigkeit im Vakuum erfolgte mit dem bekannten Wert des Brechungsindex von Luft. Bei Messungen auf große Entfernungen könnte es jedoch aufgrund der Inhomogenität der Luft zu einem Fehler kommen. Um diesen Fehler zu beseitigen, hat Michelson 1932. maß die Lichtgeschwindigkeit mit der Methode des rotierenden Prismas, aber als sich Licht in einem Rohr ausbreitete, aus dem Luft herausgepumpt wurde, erhielt er

s=299 774 ± 2 km/s

Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat es ermöglicht, einige Verbesserungen an den alten Methoden vorzunehmen und grundlegend neue zu entwickeln. Also 1928. das rotierende zahnrad wird dabei durch einen trägheitsfreien elektrischen lichtunterbrecher ersetzt

С=299 788± 20 km/s

Mit der Entwicklung des Radars ergaben sich neue Möglichkeiten zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. Aslakson erhielt mit dieser Methode 1948 den Wert c = 299 792 + 1,4 km / s und Essen mit der Methode der Mikrowelleninterferenz c = 299 792 + 3 km / s. 1967 Messungen der Lichtgeschwindigkeit werden mit einem Helium-Neon-Laser als Lichtquelle durchgeführt

Planck- und Rydberg-Konstanten

Im Gegensatz zu vielen anderen universellen physikalischen Konstanten hat die Plancksche Konstante ein genaues Geburtsdatum vom 14. Dezember 1900. M. Planck hielt an diesem Tag einen Vortrag bei der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, wo zur Erklärung des Emissionsgrades eines absolut schwarzen Körpers ein neuer Wert h für Physiker auftauchte.

aus experimentellen Daten berechnete Planck seinen Wert: h = 6,62 * 10-34 J s.