UDC 389,6 BBK 30,10ya7 K59 Kozlov M.G. Metrologie și standardizare: Manual M., Sankt Petersburg: Editura „Petersburg Institute of Printing”, 2001. 372 p. 1000 de exemplare

Recenzători: L.A. Konopelko, doctor în științe tehnice, profesorul V.A. Spaev, doctor în științe tehnice, profesor

Cartea prezintă elementele de bază ale sistemului de asigurare a uniformității măsurătorilor, care sunt în prezent general acceptate pe teritoriul Federației Ruse. Metrologia și standardizarea sunt considerate științe construite pe legislația științifică și tehnică, un sistem de creare și stocare a standardelor de unități de mărimi fizice, un serviciu de date standard de referință și un serviciu de probe standard. Cartea contine informatii despre principiile realizarii echipamentelor de masura, care sunt considerate obiect de atentie pentru specialistii implicati in asigurarea uniformitatii masuratorilor. Echipamentele de măsurare sunt clasificate pe tipuri de măsurători, pe baza standardelor unităților de bază ale sistemului SI. Sunt luate în considerare principalele prevederi ale serviciului de standardizare și certificare din Federația Rusă.

Recomandat de UMO ca manual pentru specialități: 281400 - „Tehnologia producției de tipar”, 170800 - „Echipament automatizat de imprimare”, 220200 - „Sisteme automate de procesare și control a informațiilor”

Macheta originală a fost pregătită de editura „Petersburg Institute of Printing”

ISBN 5-93422-014-4

© M.G. Kozlov, 2001. © N.A. Aksinenko, design, 2001. © Editura „Institutul de Presă din Petersburg”, 2001.

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

cuvânt înainte Partea I. METROLOGIE 1. Introducere în metrologie 1.1. Aspecte istorice ale metrologiei 1.2. Concepte de bază și categorii de metrologie 1.3. Principii de construire a sistemelor de unități de mărimi fizice 1.4. Reproducerea și transmiterea mărimii unităților de mărimi fizice. Standarde și instrumente de măsură exemplare 1.5. Instrumente si instalatii de masura 1.6. Măsuri în metrologie și tehnologie de măsurare. Verificarea instrumentelor de măsură 1.7. Constante fizice și date de referință standard 1.8. Standardizarea în asigurarea uniformității măsurătorilor. Dicționar metrologic 2. Bazele construcției sistemelor de unități de mărimi fizice 2.1. Sisteme de unitati de marimi fizice 2.2. Formule de dimensiuni 2.3. Unitățile de bază ale sistemului SI 2.4. Unitatea SI de lungime este metrul 2.5. Unitatea de timp SI este a doua 2.6. Unitatea de temperatură SI - Kelvin 2.7. Unitatea SI a curentului electric este Amperi 2.8. Implementarea unității de bază a sistemului SI - unitatea de intensitate luminoasă - candela 2.9. Unitatea de masă SI este kilogramul 2.10. Unitatea SI a cantității de substanță este molul 3. Estimarea erorilor în rezultatele măsurătorilor 3.1. Introducere 3.2. Erori sistematice 3.3. Erori aleatorii de măsurare Partea a II-a. TEHNOLOGIA DE MĂSURARE 4. Introducere în tehnologia de măsurare 5. Măsurători de mărimi mecanice 5.1. Măsurători liniare 5.2. Măsurători de rugozitate 5.3. Măsurători de duritate 5.4. Măsurători de presiune 5.5. Măsurători de masă și forță 5.6. Măsurători de vâscozitate 5.7. Măsurarea densității 6. Măsurători de temperatură 6.1. Metode de măsurare a temperaturii 6.2. Termometre de contact 6.3. Termometre fără contact 7. Măsurători electrice și magnetice 7.1. Măsurători de mărimi electrice 7.2. Principiile din spatele măsurătorilor magnetice 7.3. Traductoare magnetice 7.4. Instrumente pentru măsurarea parametrilor câmpurilor magnetice 7.5. Dispozitive magnetometrice cuantice și galvanomagnetice 7.6. Instrumente magnetometrice cu inducție 8. Măsurătorile optice 8.1. Dispoziții generale 8.2. Instrumente fotometrice 8.3. Instrumente de măsurare spectrală 8.4. Instrumente spectrale de filtrare 8.5. Instrumente spectrale de interferență 9. MĂSURĂRI FIZICE ȘI CHIMICE 9.1. Caracteristici de măsurare a compoziției substanțelor și materialelor 9.2. Măsurătorile de umiditate ale substanțelor și materialelor 9.3. Analiza compoziției amestecurilor de gaze 9.4. Măsurătorile compoziției lichidelor și solidelor 9.5. Suport metrologic al măsurătorilor fizice și chimice Partea a III-a. STANDARDIZAREA SI CERTIFICAREA 10. Fundamente organizatorice și metodologice ale metrologiei și standardizării 10.1. Introducere 10.2. Temeiul juridic al metrologiei și standardizării 10.3. Organizații internaționale de standardizare și metrologie 10.4. Structura și funcțiile organismelor Standardului de Stat al Federației Ruse 10.5. Servicii de stat pentru metrologie și standardizare ale Federației Ruse 10.6. Funcțiile serviciilor metrologice ale întreprinderilor și instituțiilor care sunt persoane juridice 11. Principalele prevederi ale Serviciului de Stat de Standardizare al Federației Ruse 11.1. Baza științifică a standardizării Federației Ruse 11.2. Organismele și serviciile sistemelor de standardizare ale Federației Ruse 11.3. Caracteristicile standardelor diferitelor categorii 11.4. Cataloage și clasificatoare de produse ca obiect de standardizare. Standardizarea serviciilor 12. Certificarea tehnologiei de măsurare 12.1. Principalele scopuri și obiective ale certificării 12.2. Termeni și definiții specifice certificării 12.3. 12.3. Sisteme și scheme de certificare 12.4. Certificare obligatorie și voluntară 12.5. Reguli și proceduri de certificare 12.6. Acreditarea organismelor de certificare 12.7. Certificarea serviciului Concluzie Aplicații

cuvânt înainte

Conținutul conceptelor de „metrologie” și „standardizare” este încă subiect de discuție, deși necesitatea unei abordări profesionale a acestor probleme este evidentă. Așadar, în ultimii ani, au apărut numeroase lucrări în care metrologia și standardizarea sunt prezentate ca instrument de certificare a echipamentelor de măsurare, bunurilor și serviciilor. Printr-o astfel de formulare a întrebării, toate conceptele de metrologie sunt subjugate și au sens ca un set de reguli, legi, documente care fac posibilă asigurarea calității înalte a produselor comerciale.

De fapt, metrologia și standardizarea au reprezentat o activitate științifică foarte serioasă de la înființarea Depozitului de Măsuri Exemplare din Rusia (1842), care a fost apoi transformat în Camera Principală de Greutăți și Măsuri a Rusiei, condusă timp de mulți ani de marele savantul D.I. Mendeleev. Țara noastră a fost unul dintre fondatorii Convenției Metrice, adoptată în urmă cu 125 de ani. În anii puterii sovietice, a fost creat un sistem de standardizare a țărilor pentru asistență economică reciprocă. Toate acestea indică faptul că în țara noastră metrologia și standardizarea au fost de mult timp fundamentale în organizarea sistemului de greutăți și măsuri. Aceste momente sunt eterne și ar trebui să aibă sprijinul statului. Odată cu dezvoltarea relațiilor de piață, reputația producătorilor ar trebui să devină o garanție a calității mărfurilor, iar metrologia și standardizarea ar trebui să joace rolul centrelor științifice și metodologice de stat, care conțin cele mai precise instrumente de măsurare, cele mai promițătoare tehnologii și angajați cei mai calificați specialiști.

În această carte, metrologia este considerată ca un domeniu al științei, în primul rând al fizicii, care ar trebui să asigure uniformitatea măsurătorilor la nivel de stat. Mai simplu spus, trebuie să existe un sistem în știință care să permită reprezentanților diverselor științe, precum fizica, chimia, biologia, medicina, geologia etc., să vorbească aceeași limbă și să se înțeleagă între ei. Mijloacele de obținere a acestui rezultat sunt părțile constitutive ale metrologiei: sisteme de unități, standarde, eșantioane standard, date de referință, terminologie, teoria erorilor, sistemul standardelor. Prima parte a cărții este dedicată noțiunilor de bază ale metrologiei.

A doua parte este dedicată descrierii principiilor creării echipamentelor de măsurare. Secțiunile acestei părți sunt prezentate în același mod în care tipurile de măsurători sunt organizate în sistemul standardului de stat al Federației Ruse: mecanice, de temperatură, electrice și magnetice, optice și fizico-chimice. Tehnologia de măsurare este considerată ca un domeniu de utilizare directă a realizărilor metrologiei.

A treia parte a cărții este o scurtă descriere a esenței certificării - domeniul de activitate al centrelor moderne de metrologie și standardizare din țara noastră. Deoarece standardele variază de la o țară la alta, este necesar să se verifice toate aspectele cooperării internaționale (mărfuri, echipamente de măsurare, servicii) pentru conformitatea cu standardele țărilor în care sunt utilizate.

Cartea este destinată unei game largi de specialiști care lucrează cu instrumente de măsură specifice în diverse domenii de activitate de la comerț până la controlul calității proceselor tehnologice și măsurători în ecologie. Prezentarea omite detaliile unor secțiuni de fizică care nu au un caracter metrologic definitoriu și sunt disponibile în literatura de specialitate. Se acordă multă atenție semnificației fizice a utilizării abordării metrologice pentru rezolvarea problemelor practice. Se presupune că cititorul este familiarizat cu elementele de bază ale fizicii și are cel puțin o înțelegere generală a realizărilor moderne din știință și tehnologie, cum ar fi tehnologia laser, supraconductivitate etc.

Cartea este destinată profesioniștilor care folosesc anumite instrumente și sunt interesați să ofere măsurătorile de care au nevoie într-un mod optim. Aceștia sunt studenți de licență și absolvenți ai universităților care se specializează în științe bazate pe măsurători. Am dori să vedem materialul prezentat ca o legătură între cursurile disciplinelor științifice generale și cursurile speciale de prezentare a esenței tehnologiilor moderne de producție.

Materialul a fost scris pe baza unui curs de prelegeri despre metrologie și standardizare susținute de autor la Institutul din Sankt Petersburg al Universității de Stat de Arte Tipografice din Moscova și la Universitatea de Stat din Sankt Petersburg. Acest lucru a făcut posibilă corectarea prezentării materialului, făcându-l ușor de înțeles pentru studenții de diverse specialități, de la solicitanți la studenți seniori.

Autorul se așteaptă ca materialul să fie în conformitate cu conceptele fundamentale ale metrologiei și standardizării bazate pe experiența muncii personale de aproape un deceniu și jumătate în Standardul de stat al URSS și Standardul de stat al Federației Ruse.

Test

Disciplina: „Măsurători electrice”

Introducere1. Măsurarea circuitului electric și a rezistenței de izolație2. Măsurarea puterii active și reactive3. Măsurarea mărimilor magnetice Referințe
Introducere Probleme de măsurători magnetice.Domeniul tehnologiei de măsurare electrică, care se ocupă cu măsurarea mărimilor magnetice, se numește de obicei măsurători magnetice.O mare varietate de probleme sunt în prezent rezolvate cu ajutorul metodelor și echipamentelor pentru măsurători magnetice. Principalele sunt următoarele: măsurarea mărimilor magnetice (inducție magnetică, flux magnetic, moment magnetic etc.); caracterizarea materialelor magnetice; studiul mecanismelor electromagnetice; măsurarea câmpului magnetic al Pământului și al altor planete; studiul proprietăților fizico-chimice ale materialelor (analiza magnetică); studiul proprietăților magnetice ale atomului și nucleului atomic; determinarea defectelor materialelor și produselor (magnetice). detectarea defectelor), etc. În ciuda varietății de sarcini, rezolvate cu ajutorul măsurătorilor magnetice, de obicei se determină doar câteva cantități magnetice de bază: Mărimea magnetică care ne interesează este determinată prin calcul pe baza relațiilor cunoscute dintre mărimile magnetice și electrice. Baza teoretică a unor astfel de metode este a doua ecuație a lui Maxwell, care leagă câmpul magnetic de câmpul electric; aceste campuri sunt doua manifestari ale unui tip special de materie numit camp electromagnetic.Alte manifestari (nu numai electrice) ale campului magnetic, precum mecanica, optica, sunt folosite in masuratorile magnetice.Acest capitol prezinta cititorului doar cateva metode de determinarea mărimilor sale magnetice de bază şi a caracteristicilor materialelor magnetice .

1. Măsurarea rezistenței circuitului electric și a izolației

Instrumente de masura

Instrumentele de măsurare a izolației includ megohmmetre: ESO 202, F4100, M4100/1-M4100/5, M4107/1, M4107/2, F4101. F4102/1, F4102/2, BM200/G și altele produse de companii interne și străine. Rezistența de izolație se măsoară cu megohmmetre (100-2500V) cu valori măsurate în ohm, kOhm și megohm.

1. Pentru efectuarea măsurătorilor rezistenței de izolație este permis personalul electric instruit care are certificat de testare a cunoștințelor și o grupă de calificare în siguranță electrică de cel puțin 3, la efectuarea măsurătorilor în instalații de până la 1000 V, și nu mai mică de a 4-a, la măsurarea în instalații. peste 1000 AT.

2. Persoanele din personalul electrician cu studii medii sau superioare de specialitate pot fi autorizate să prelucreze rezultatele măsurătorilor.

3. Analiza rezultatelor măsurătorilor trebuie efectuată de personalul care se ocupă cu izolarea echipamentelor electrice, cablurilor și firelor.

Cerințe de siguranță

1. Când se efectuează măsurători ale rezistenței de izolație, cerințele de siguranță trebuie respectate în conformitate cu GOST 12.3.019.80, GOST 12.2.007-75, Regulile de funcționare a instalațiilor electrice de consum și Regulile de siguranță pentru funcționarea instalațiilor electrice de consum.

2. Spațiile utilizate pentru măsurarea izolației trebuie să îndeplinească cerințele de siguranță la explozie și incendiu în conformitate cu GOST 12.01.004-91.

3. Instrumentele de măsurare trebuie să îndeplinească cerințele de siguranță în conformitate cu GOST 2226182.

4. Măsurătorile cu un megaohmmetru sunt permise să fie efectuate de către persoane instruite de la personalul electric. In instalatiile cu tensiuni peste 1000 V, masuratorile se fac impreuna de doua persoane, dintre care una trebuie sa aiba cel putin grupa IV in siguranta electrica. Măsurătorile în timpul instalării sau reparațiilor sunt specificate în comanda de lucru în rândul „Atribuit”. In instalatiile cu tensiuni de pana la 1000 V masuratorile se efectueaza la comanda a doua persoane, dintre care una trebuie sa aiba un grup de cel putin III. Excepție fac încercările specificate în paragraful BS.7.20.

5. Măsurarea izolației unei linii care poate primi tensiune din două părți este permisă numai dacă se primește un mesaj de la persoana responsabilă a instalației electrice, care este conectată la celălalt capăt al acestei linii, prin telefon, prin curier, etc. (cu verificare inversă) dacă întrerupătoarele de linie și întrerupătorul sunt oprite și este postat afișul „Nu porniți. Oamenii lucrează”.

6. Înainte de începerea testelor, este necesar să vă asigurați că nu există persoane care lucrează pe acea parte a instalației electrice la care este conectat dispozitivul de testare, pentru a interzice persoanelor aflate în apropierea acestuia să atingă părțile sub tensiune și, dacă este necesar, să setați paznicul.

7. Pentru controlul stării de izolație a mașinilor electrice în conformitate cu instrucțiunile sau programele, măsurătorile cu un megaohmmetru pe o mașină oprită sau rotativă, dar neexcitată, pot fi efectuate de către personalul operațional sau, la ordinul acestuia, în ordine. de funcţionare curentă de către angajaţii unui laborator electric. Sub supravegherea personalului de exploatare, aceste măsurători pot fi efectuate și de personalul de întreținere. Încercările de izolație a rotoarelor, armăturilor și circuitelor de excitație pot fi efectuate de o persoană cu un grup de siguranță electrică de cel puțin III, încercările de izolație a statorului de către cel puțin două persoane, dintre care una trebuie să aibă un grup de cel puțin IV și al doilea - cel puțin III.

8. Când se lucrează cu un megaohmetru, este interzisă atingerea pieselor sub tensiune la care este atașat. După terminarea lucrărilor, este necesar să îndepărtați încărcătura reziduală din echipamentul testat prin împământarea pe termen scurt. Persoana care descarcă sarcina reziduală trebuie să poarte mănuși dielectrice și să stea pe o bază izolată.

9. Sunt interzise măsurătorile cu un megaohmmetru: pe un circuit de linii cu dublu circuit cu o tensiune peste 1000 V, în timp ce celălalt circuit este alimentat; pe o linie cu un singur circuit, dacă rulează în paralel cu o linie de lucru cu o tensiune peste 1000 V; în timpul sau în apropierea unei furtuni.

10. Măsurarea rezistenței de izolație cu un megaohmmetru se efectuează pe părți deconectate purtătoare de curent, din care încărcarea este îndepărtată prin împământare preliminară. Împământarea de la piesele purtătoare de curent trebuie îndepărtată numai după conectarea megaohmetrului. Când îndepărtați împământarea, trebuie folosite mănuși dielectrice.

Conditii de masurare

1. Măsurătorile de izolație trebuie efectuate în condiții climatice normale în conformitate cu GOST 15150-85 și în modul normal al rețelei de alimentare sau specificate în pașaportul fabricii - descrierea tehnică pentru megaohmmetre.

2. Valoarea rezistenței electrice a izolației firelor de legătură ale circuitului de măsurare trebuie să depășească de cel puțin 20 de ori valoarea minimă admisă a rezistenței electrice a izolației produsului testat.

3. Măsurarea se efectuează în interior la o temperatură de 25 ± 10 ° C și o umiditate relativă a aerului de cel mult 80%, cu excepția cazului în care sunt prevăzute alte condiții în standardele sau specificațiile tehnice pentru cabluri, fire, cabluri și echipamente.

Pregătirea pentru a face măsurători

În pregătirea pentru efectuarea măsurătorilor rezistenței de izolație, se efectuează următoarele operații:

1. Aceștia verifică condițiile climatice la locul în care se măsoară rezistența de izolație cu măsurarea temperaturii și umidității și respectarea încăperii în ceea ce privește pericolul de explozie și incendiu pentru selectarea unui megahmmetru la condițiile corespunzătoare.

2. Prin inspecție externă, verificați starea megaohmetrului selectat, conductoarelor de conectare, funcționarea megaohmetrului conform descrierii tehnice a megaohmetrului.

3. Verificati perioada de valabilitate a verificarii de stat pe megahmmetru.

4. Pregătirea măsurătorilor mostrelor de cabluri și fire se efectuează în conformitate cu GOST 3345-76.

5. La efectuarea de întreținere preventivă periodică a instalațiilor electrice, precum și la efectuarea lucrărilor la instalațiile reconstruite din instalațiile electrice, pregătirea locului de muncă este efectuată de personalul electric al întreprinderii, unde lucrările se efectuează în conformitate cu regulile PTBEEP și PEEP.

Preluarea măsurătorilor

1. Citirea valorilor rezistenței electrice a izolației în timpul măsurării se efectuează după 1 min din momentul aplicării tensiunii de măsurare pe eșantion, dar nu mai mult de 5 min, cu excepția cazului în care sunt prevăzute alte cerințe în standardele sau specificațiile pentru anumite produse prin cablu sau alte echipamente măsurate.

Înainte de remăsurare, toate elementele metalice ale produsului prin cablu trebuie să fie împământate timp de cel puțin 2 minute.

2. Rezistența electrică a izolației nucleelor ​​individuale de cabluri, fire și cordoane unipolare trebuie măsurată:

pentru produse fără înveliș metalic, ecran și armătură - între un miez conductor și o tijă metalică sau între un miez și împământare;

pentru produse cu manta metalica, ecran si armura - intre un miez conductor si o manta sau ecran metalic sau armura.

3. Rezistența electrică a izolației cablurilor, firelor și cablurilor multifilare trebuie măsurată:

pentru produsele fără înveliș metalic, ecran și armătură - între fiecare miez conductor și restul miezurilor conectate între ele sau între fiecare miez conductor; conductoare rezidențiale și alte conductoare interconectate și împământate;

pentru produse cu manta metalica, ecran si armura - intre fiecare miez conductor si restul miezurilor conectate intre ele si la manta sau ecran sau armura metalica.

4. Cu o rezistență de izolație redusă a cablurilor, firelor și cablurilor, care este diferită de regulile de reglementare ale PUE, PEEP, GOST, este necesar să se efectueze măsurători repetate cu deconectarea cablurilor, firelor și cablurilor de la clemele de consum și diluând curentul purtător. miezuri.

5. La măsurarea rezistenței de izolație a mostrelor individuale de cabluri, fire și cordoane, acestea trebuie selectate pentru lungimi de construcție înfășurate pe tamburi sau în bobine, sau eșantioane cu o lungime de cel puțin 10 m, excluzând lungimea canelurilor de capăt, dacă în standardele sau specificațiile pentru cabluri, fire și cabluri nu sunt specificate alte lungimi. Numărul de lungimi de clădire și eșantioane pentru măsurare trebuie să fie indicat în standardele sau specificațiile pentru cabluri, fire și corzi.

Unul dintre conceptele importante în teoria și practica măsurătorilor este conceptul de mărime fizică. Cantitate fizica- o proprietate care este comună calitativ multor obiecte, dar individuală cantitativ pentru fiecare dintre ele.

Măsurare mărimea fizică este găsirea valorii sale experimental cu ajutorul unor mijloace tehnice speciale. Conform metodei de obținere a valorii numerice a valorii măsurate, toate măsurătorile se împart în directe, indirecte, cumulative și comune.

Măsurătorile directe se bazează pe metoda de comparare a mărimii măsurate cu măsura acestei mărimi sau pe metoda de apreciere directă a valorii mărimii măsurate cu ajutorul unui dispozitiv de citire, a cărui scară este gradată în unități ale mărimii măsurate. Un exemplu de măsurători directe este măsurarea curentului cu un ampermetru.

Măsurători indirecte- măsurători, al căror rezultat se obţine în urma măsurătorilor directe ale mărimilor legate de mărimea măsurată printr-o relaţie cunoscută. Deci, măsurarea rezistenței electrice într-un circuit de curent continuu se realizează prin măsurători directe ale intensității curentului cu un ampermetru și tensiune cu un voltmetru, urmate de calculul valorii rezistenței dorite.

Măsurătorile cumulate sunt măsurători repetate, de obicei directe, ale uneia sau mai multor cantități cu același nume cu primirea unui rezultat de măsurare generală prin rezolvarea unui sistem de ecuații compilat din anumite rezultate de măsurare. Ca exemplu, iată procesul de determinare a inductanței reciproce dintre două bobine prin măsurarea inductanței lor totale de două ori. În primul rând, bobinele sunt conectate astfel încât câmpurile lor magnetice să se adună și se măsoară inductanța totală: L 01 \u003d L 1 + L 2 + 2M, unde M este inductanța reciprocă; L 1 , L 2 - inductanțele primei și celei de a doua bobine. Apoi bobinele sunt conectate astfel încât câmpurile lor magnetice să fie scăzute și se măsoară inductanța totală: L 02 \u003d L 1 + L 2 - 2M. Valoarea dorită a lui M se determină prin rezolvarea acestor ecuații: M = (L 01 - L 02)/4.

Măsurătorile articulare constau in masurarea simultana a doua sau mai multe marimi diferite cu calculul ulterior al rezultatului prin rezolvarea unui sistem de ecuatii obtinut in timpul masuratorilor. Să fie, de exemplu, necesar să se găsească coeficienții de temperatură A, B ai termistorului R t \u003d R 0 (1 + AT + BT 2), unde R 0 este valoarea rezistenței la T 0 \u003d 20 ° C, T este temperatura mediului. Măsurând valorile rezistenței R 0 , R 1 , R 2 ale termistorului la temperaturile T 0 , T 1 , T 2 determinate cu ajutorul unui termometru și rezolvând sistemul rezultat de trei ecuații, găsim valorile lui A. și B.

instrument de masurare- un dispozitiv tehnic utilizat în măsurători și având caracteristici metrologice normalizate. Instrumentele de măsurare includ măsuri, traductoare de măsurare, dispozitive de măsurare și sisteme de măsurare.

Măsura- un instrument de măsurare conceput pentru a stoca și reproduce o cantitate fizică de o dimensiune dată. Măsurile includ elemente normale, casete de rezistență, generatoare de semnal standard, scale gradate ale instrumentelor de indicare.

Traductoare de măsurare- instrumente de măsurare concepute pentru a converti semnalul de măsurare într-o formă convenabilă pentru transmitere, stocare și procesare.

Instrumente de masura- instrumente de masura destinate sa genereze un semnal de informatii de masurare, raportat functional la valoarea numerica a marimii masurate, si sa afiseze acest semnal pe dispozitivul de citire sau inregistrarea acestuia.

Sistem de măsurare- un set de instrumente de masura si dispozitive auxiliare care furnizeaza informatii de masurare asupra obiectului studiat intr-un volum dat si conditii date.

Cele mai importante proprietăți ale instrumentelor de măsură sunt proprietățile metrologice. Proprietățile (caracteristicile) metrologice includ acuratețea, domeniul de măsurare, sensibilitatea, viteza etc.

Minsk: BNTU, 2003. - 116 p. Introducere.
Clasificarea mărimilor fizice.
Mărimea mărimilor fizice. Adevărata valoare a mărimilor fizice.
Principalul postulat și axioma teoriei măsurătorilor.
Modele teoretice ale obiectelor, fenomenelor și proceselor materiale.
modele fizice.
modele matematice.
Erori ale modelelor teoretice.
Caracteristici generale ale conceptului de măsurare (informații din metrologie).
Clasificarea măsurătorilor.
Măsurarea ca proces fizic.
Metode de măsurare ca metode de comparare cu o măsură.
Metode de comparare directă.
Metoda de evaluare directă.
Metoda de conversie directă.
metoda de înlocuire.
Metode de conversie la scară.
metoda șunturilor.
Metoda de echilibrare ulterioară.
Metoda podului.
metoda diferențelor.
Metode zero.
Metoda de compensare a baleiajului.
Măsurarea transformărilor de mărimi fizice.
Clasificarea traductoarelor de măsurare.
Caracteristicile statice și erorile statice ale SI.
Caracteristicile impactului (influenței) mediului și obiectelor asupra SI.
Benzile de sensibilitate SI și intervalele de incertitudine.
MI cu eroare aditivă (eroare zero).
SI cu eroare multiplicativă.
SI cu erori aditive și multiplicative.
Măsurarea cantităților mari.
Formule pentru erorile statice ale instrumentelor de măsură.
Gama completă și de lucru de instrumente de măsură.
Erorile dinamice ale instrumentelor de măsură.
Eroare dinamică a legăturii de integrare.
Cauzele erorilor aditive în SI.
Influența frecării uscate asupra elementelor în mișcare ale SI.
construcție SI.
Diferența de potențial de contact și termoelectricitatea.
Diferența de potențial de contact.
curent termoelectric.
Interferențe din cauza unei legături de pământ slabe.
Cauzele erorilor SI multiplicative.
Îmbătrânirea și instabilitatea parametrilor SI.
Neliniaritatea funcției de transformare.
Neliniaritate geometrică.
Neliniaritate fizică.
curenti de scurgere.
Măsuri de protecție activă și pasivă.
Fizica proceselor aleatorii care determină eroarea minimă de măsurare.
Posibilitățile ochiului uman.
Limitele naturale ale măsurătorilor.
Relații de incertitudine Heisenberg.
Lățimea spectrală naturală a liniilor de emisie.
Limita absolută a preciziei de măsurare a intensității și fazei semnalelor electromagnetice.
Zgomotul fotonic al radiației coerente.
Temperatura de zgomot echivalentă a radiației.
Interferențe electrice, fluctuații și zgomot.
Fizica zgomotului electric intern de neechilibru.
Zgomot de lovituri.
Generare de zgomot - recombinare.
Zgomotul 1/f și versatilitatea acestuia.
zgomot de impuls.
Fizica zgomotelor de echilibru intern.
Model statistic al fluctuațiilor termice în sistemele de echilibru.
Modelul matematic al fluctuațiilor.
Cel mai simplu model fizic al fluctuațiilor de echilibru.
Formula de bază pentru calcularea dispersiei fluctuațiilor.
Influența fluctuațiilor asupra pragului de sensibilitate al instrumentelor.
Exemple de calcul al fluctuațiilor termice ale mărimilor mecanice.
Viteza unui corp liber.
Oscilațiile unui pendul matematic.
Rotații ale unei oglinzi suspendate elastic.
Deplasarea greutăților arcurilor.
Fluctuații termice într-un circuit electric oscilator.
Funcția de corelație și densitatea spectrală a puterii zgomotului.
Teorema de fluctuație-dissipare.
formule Nyquist.
Densitatea spectrală a fluctuațiilor de tensiune și curent într-un circuit oscilator.
Temperatura echivalentă a zgomotului non-termic.
Zgomotul electromagnetic extern și interferența și metodele de reducere a acestora.
Cuplaj capacitiv (captarea capacitivă a zgomotului).
Cuplaj inductiv (captarea zgomotului inductiv).
Ecranarea conductorilor de câmpuri magnetice.
Caracteristicile unui ecran conductiv fără curent.
Caracteristicile unui ecran conductiv cu curent.
Conexiune magnetică între un ecran cu curent și un conductor închis în el.
Folosind un ecran conductor cu curent ca conductor de semnal.
Protecția spațiului de radiația unui conductor cu curent.
Analiza diferitelor scheme de protecție a circuitelor de semnal prin ecranare.
Comparație între cablul coaxial și perechea torsadată ecranată.
Caracteristicile ecranului sub forma unei împletituri.
Influența neomogenității curente în ecran.
screening selectiv.
Suprimarea zgomotului în circuitul de semnal prin metoda sa de echilibrare.
Metode suplimentare de reducere a zgomotului.
Link nutriție.
Filtre de decuplare.
Protecție împotriva radiațiilor elementelor și circuitelor zgomotoase de înaltă frecvență.
Zgomot în circuitele digitale.
Concluzii.
Utilizarea ecranelor din tablă subțire.
câmpuri electromagnetice apropiate și îndepărtate.
eficienta de ecranare.
Impedanța caracteristică totală și rezistența ecranului.
pierdere de absorbție.
Pierderea reflexiei.
Pierderile totale de absorbție și reflexie pentru câmpul magnetic.
Influența găurilor asupra eficienței de ecranare.
Influența fisurilor și a găurilor.
Folosind un ghid de undă la o frecvență sub frecvența de tăiere.
Influența găurilor rotunde.
Utilizarea distanțierilor conductoare pentru a reduce radiația în goluri.
Concluzii.
Caracteristicile de zgomot ale contactelor și protecția acestora.
Descărcări mocnite.
Descărcarea arcului.
Comparația circuitelor AC și DC.
Material de contact.
sarcini inductive.
Principii de protecție a contactului.
Suprimarea tranzitorii pentru sarcini inductive.
Circuite de protecție a contactelor pentru sarcini inductive.
Lant cu capacitate.
Circuit cu capacitate și rezistență.
Circuit cu capacitate, rezistență și diodă.
Protecție la contact cu sarcină rezistivă.
Recomandări pentru selectarea circuitelor de protecție a contactelor.
Datele pașaportului pentru contacte.
Concluzii.
Metode generale de îmbunătățire a preciziei măsurătorilor.
Metoda de potrivire a traductoarelor de măsurare.
Generator de curent ideal și generator de tensiune ideal.
Potrivirea rezistenței generatorului IP.
Potrivirea rezistenței traductoarelor parametrice.
Diferența fundamentală dintre lanțurile informaționale și energetice.
Utilizarea transformatoarelor de potrivire.
Metoda feedbackului negativ.
Metoda de reducere a lățimii de bandă.
Lățimea de bandă de zgomot echivalentă.
Metoda de mediere (acumulare) a semnalului.
Metoda de filtrare a semnalului și a zgomotului.
Probleme de creare a unui filtru optim.
Metodă utilă de transfer a spectrului de semnal.
Metoda de detectare a fazelor.
Metoda de detectare sincronă.
Eroare de integrare a zgomotului folosind lanțul RC.
Metoda de modulare a factorului de conversie SI.
Utilizarea modulării semnalului pentru a-și crește imunitatea la zgomot.
Metoda de includere diferențială a două IP.
Metoda de corectare a elementelor MI.
Metode de reducere a influenței mediului și a condițiilor în schimbare.
Organizarea măsurătorilor.

MINISTERUL EDUCAȚIEI AL UNIVERSITATII TEHNOLOGICE DE STAT SIBERIA DE EST AL FEDERATIEI RUSE

Departamentul „Metrologie, standardizare și certificare

BAZA FIZICĂ A MĂSURĂTORILOR

Curs de prelegeri „Constante fizice universale”

Alcătuit de: Zhargalov B.S.

Ulan-Ude, 2002

Cursul de prelegeri „Constante fizice universale” este destinat studenților direcției „Metrologie, standardizare și certificare” atunci când studiază disciplina „Bazele fizice ale măsurătorilor”. Lucrarea oferă o scurtă privire de ansamblu asupra istoriei descoperirilor constantelor fizice de către cei mai mari fizicieni ai lumii, care au stat ulterior la baza sistemului internațional de unități de mărimi fizice.

Introducere Constanta gravitațională

Constanta lui Avogadro și Boltzmann Constanta lui Faraday Sarcina și masa unui electron Viteza luminii

Constante Rydberg Planck Masa în repaus a protonilor și neutronilor Concluzie Referințe

Introducere

Constantele fizice universale sunt mărimi care sunt incluse ca coeficienți cantitativi în expresiile matematice ale legilor fizice fundamentale sau sunt caracteristici ale micro-obiectelor.

Tabelul constantelor fizice universale nu trebuie luat ca ceva deja finalizat. Dezvoltarea fizicii continuă, iar acest proces va fi inevitabil însoțit de apariția unor noi constante, despre care astăzi habar nu avem.

tabelul 1

Constante fizice universale

Nume				Valoare numerica
Gravitatie				6,6720*10-11 N*m2 *kg-2
constant
constanta Avogadro				6,022045*1022 mol-1
constanta Boltzmann				1,380662*10-23 J*K-1
constanta Faraday				9,648456*104 C*mol-1
Sarcina electronilor				1,6021892*10-19 C
Masa în repaus a unui electron				9,109534*10-31kg
Viteză				2,99792458*108 m*s-2
constanta lui Planck				6,626176*10-34*J*s
constanta Rydberg			R∞	1,0973731*10-7*m--1
Masa de repaus a unui proton				1,6726485*10-27kg
Masa de repaus a neutronilor				1,6749543*10-27kg

Privind tabelul, puteți vedea că valorile constantelor sunt măsurate cu mare precizie. Cu toate acestea, poate că o cunoaștere mai exactă a valorii uneia sau alteia constante se dovedește a fi fundamental importantă pentru știință, deoarece acesta este adesea un criteriu pentru validitatea unei teorii fizice sau eroarea alteia. Datele experimentale măsurate în mod fiabil reprezintă fundamentul pentru construirea de noi teorii.

Acuratețea măsurării constantelor fizice este acuratețea cunoștințelor noastre despre proprietățile lumii înconjurătoare. Face posibilă compararea concluziilor legilor de bază ale fizicii și chimiei.

Constanta gravitațională

Cauzele atracției corpurilor unul față de celălalt au fost discutate încă din cele mai vechi timpuri. Unul dintre gânditorii lumii antice - Aristotel (384-322 î.Hr.) a împărțit toate corpurile în grele și ușoare. Corpuri grele – pietrele cad, încercând să ajungă într-un anumit „centru al lumii” introdus de Aristotel, corpurile uşoare – fum de la un foc – zboară în sus. Conform învățăturilor unui alt filozof grec antic, Ptolemeu, „centrul lumii” era Pământul, în timp ce toate celelalte corpuri cerești se învârteau în jurul lui. Autoritatea lui Aristotel a fost atât de mare încât până în secolul al XV-lea. părerile lui nu au fost puse la îndoială.

Leonardo da Vinci (14521519) a fost primul care a criticat asumarea „Centrului Lumii”.Eșecul opiniilor lui Aristotel a fost demonstrat de experiența primului din istoria fizicii.

savant-experimentator G. Galileo (1564-1642). A aruncat o ghiulea de fonta si o minge de lemn din varful celebrului Turn Inclinat din Pisa. Obiecte de masă diferită au căzut pe Pământ în același timp. Simplitatea experimentelor lui Galileo nu le diminuează semnificația, deoarece acestea au fost primele fapte experimentale stabilite în mod fiabil prin măsurători.

Toate corpurile cad pe Pământ cu aceeași accelerație - aceasta este concluzia principală a experimentelor lui Galileo. El a măsurat, de asemenea, valoarea accelerației în cădere liberă, care, ținând cont

sistemul solar se învârte în jurul soarelui. Cu toate acestea, Copernicus nu a putut indica motivele pentru care are loc această rotație. Legile mișcării planetare au fost deduse în forma lor finală de astronomul german J. Kepler (1571-1630). Kepler încă nu a înțeles că forța gravitației determină mișcarea planetelor. englezul R. Cook în 1674

El a arătat că mișcarea planetelor pe orbite eliptice este în concordanță cu presupunerea că toate sunt atrase de Soare.

Isaac Newton (1642-1727) la vârsta de 23 de ani a ajuns la concluzia că mișcarea planetelor are loc sub acțiunea unei forțe radiale de atracție îndreptată spre soare și modulo invers proporțional cu pătratul distanței dintre Soare și planeta.

Dar această presupunere a trebuit să fie verificată de Newton, presupunând că forța gravitațională de aceeași origine își menține satelitul, Luna, lângă Pământ, a efectuat un calcul simplu. El a pornit de la următoarele: Luna se mișcă în jurul Soarelui pe o orbită care poate fi considerată circulară în prima aproximare. Accelerația sa centripetă a poate fi calculată prin formula

a \u003d rω 2

unde r este distanța de la Pământ la Lună și ω este accelerația unghiulară a Lunii. Valoarea lui r este egală cu șaizeci de raze pământești (R3 = 6370 km). Accelerația ω se calculează din perioada de revoluție a Lunii în jurul Pământului, care este egală cu 27,3 zile: ω = 2π rad/27,3 zile

Atunci accelerația este egală cu:

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

Dar dacă este adevărat că forțele gravitației scad invers cu pătratul distanței, atunci accelerația căderii libere g l pe Lună ar trebui să fie:

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

Ca rezultat al calculelor, egalitatea

a \u003d g l,

acestea. forța care ține luna pe orbită nu este altceva decât forța de atracție a lunii de către pământ. Aceeași egalitate arată validitatea ipotezelor lui Newton despre natura schimbării în forță cu distanța. Toate acestea i-au dat lui Newton motive să scrie legea gravitației

forma matematica finala:

F=G (M1 M2 /r2)

unde F este forța de atracție reciprocă care acționează între două mase M1 și M2 separate una de cealaltă de o distanță r.

Coeficientul G, care face parte din legea gravitației universale, este încă o constantă gravitațională misterioasă. Nu se știe nimic despre el - nici semnificația sa, nici dependența sa de proprietățile de atragere a corpurilor.

Deoarece această lege a fost formulată de Newton simultan cu legile mișcării corpurilor (legile dinamicii), oamenii de știință au putut să calculeze teoretic orbitele planetelor.

În 1682, astronomul englez E. Halley, folosind formulele lui Newton, a calculat timpul celei de-a doua sosiri la Soare a unei comete strălucitoare observată în acel moment pe cer. Cometa s-a întors strict la ora estimată, confirmând adevărul teoriei.

Semnificația legii gravitației lui Newton s-a manifestat pe deplin în istoria descoperirii unei noi planete.

În 1846, astronomul francez W. Le Verrier a calculat poziția acestei noi planete. După ce a raportat coordonatele sale cerești astronomului german I. Halle, exact în locul calculat a fost descoperită o planetă necunoscută, numită ulterior Neptun.

În ciuda succeselor evidente, teoria gravitației a lui Newton nu a fost în cele din urmă recunoscută pentru o lungă perioadă de timp. Se cunoștea valoarea constantei gravitaționale G în formula legii.

Fără a cunoaște valoarea constantei gravitaționale G este imposibil de calculat F. Cunoaștem însă accelerația în cădere liberă a corpurilor: go = 9,8 m/s2, ceea ce ne permite să estimăm teoretic valoarea constantei gravitaționale G. Într-adevăr , forța sub care mingea cade pe Pământ este forța de atracție a mingii de către Pământ:

F1 =G(M111 M 3 /R3 2 )

Conform celei de-a doua legi a dinamicii, această forță va da corpului accelerația căderii libere:

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

Cunoscând valoarea masei Pământului și a razei acestuia, este posibil să se calculeze valoarea gravitației.

constant:

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

În 1798, fizicianul englez G. Cavendish a descoperit atracția dintre corpurile mici în condiții terestre. Două bile mici de plumb cu o greutate de 730 g au fost suspendate de capetele balansoarului. Apoi, la aceste bile au fost aduse două bile mari de plumb cu o greutate de 158 kg. În aceste experimente, Cavendish a observat pentru prima dată atracția corpurilor unul față de celălalt. De asemenea, a determinat experimental valoarea gravitației

constant:

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

Experimentele lui Cavendish sunt de mare importanță pentru fizică. În primul rând, a fost măsurată valoarea constantei gravitaționale, iar în al doilea rând, aceste experimente au demonstrat universalitatea legii gravitației.

Constantele Avogadro și Boltzmann

Cum funcționează lumea a fost speculat încă din cele mai vechi timpuri. Susținătorii unui punct de vedere credeau că există un anumit element primar din care constau toate substanțele. Un astfel de element, conform filosofului grec antic Geosidas, a fost Pământul, Thales a presupus apa ca element primar, Anaximenes aerul, Heraclit - foc, Empedocle a permis existența simultană a tuturor celor patru elemente primare. Platon credea că, în anumite condiții, un element primar poate trece în altul.

Exista și un punct de vedere fundamental diferit. Leucip, Democrit și Epicur au reprezentat materia ca fiind formată din particule mici, indivizibile și impenetrabile, care diferă unele de altele ca mărime și formă. Ei au numit aceste particule atomi (din grecescul "atomos" - indivizibil). O privire asupra structurii materiei nu a fost susținută experimental, dar poate fi considerată o presupunere intuitivă a oamenilor de știință antici.

Pentru prima dată, teoria corpusculară a structurii materiei, în care structura materiei a fost explicată dintr-o poziție atomistă, a fost creată de omul de știință englez R. Boyle (1627-1691).

Omul de știință francez A. Lavoisier (1743-1794) a dat prima clasificare a elementelor chimice din istoria științei.

Teoria corpusculară a fost dezvoltată în continuare în lucrările remarcabilului chimist englez J. Dalton (1776-1844). În 1803 Dalton a descoperit legea raporturilor multiple simple, conform căreia diverse elemente se pot combina între ele în rapoarte de 1:1, 1:2 etc.

Paradoxul istoriei științei este nerecunoașterea absolută de către Dalton a legii relațiilor volumetrice simple descoperită în 1808 de omul de știință francez J. Gay-Lusac. Conform acestei legi, volumele atât ale gazelor implicate în reacție, cât și ale produselor gazoase de reacție sunt în rapoarte multiple simple. De exemplu, combinarea a 2 litri de hidrogen și 1 litru de oxigen dă 2 litri. vapor de apă. Acest lucru a contrazis teoria lui Dalton și a respins legea lui Gay-lusak ca incompatibilă cu teoria sa atomică.

Ieșirea din această criză a fost indicată de Amedeo Avogadro. A găsit o modalitate de a combina teoria atomistă a lui Dalton cu legea lui Gay-Lusac. Ipoteza este că numărul de molecule este întotdeauna același în volume egale ale oricăror gaze sau este întotdeauna proporțional cu volumele. Avogadro introduce astfel pentru prima dată în știință conceptul de moleculă ca o combinație de atomi. Aceasta a explicat rezultatele Gay-Lusac: 2 litri de molecule de hidrogen în combinație cu 1 litru de molecule de oxigen dau 2 litri de molecule de vapori de apă:

2H2 + O2 \u003d 2H2 O

Ipoteza lui Avogadro capata o importanta exceptionala datorita faptului ca presupune existenta unui numar constant de molecule intr-un mol de orice substanta. Într-adevăr, dacă notăm masa molară (masa unei substanțe luate în cantitate de un mol) prin M și masa moleculară relativă prin m, atunci este evident că

M=NA m

unde NA este numărul de molecule dintr-un mol. Este același pentru toate substanțele:

NA =M/m

Folosind aceasta, se poate obține un alt rezultat important. Ipoteza lui Avogadro afirmă că același număr de molecule de gaz ocupă întotdeauna același volum. Prin urmare, volumul Vo ocupat de un mol de orice gaz în condiții normale (temperatura 0Co și presiunea 1,013*105 Pa) este o valoare constantă. Acest molar

volumul a fost schimbat în curând experimental și s-a dovedit a fi egal cu: Vo = 22,41 * 10-3 m3

Una dintre sarcinile principale ale fizicii a fost de a determina numărul de molecule dintr-un mol de orice substanță NA, care mai târziu a primit constanta Avogadro.

Omul de știință austriac Ludwig Boltzmann (1844-1906), un fizician teoretic remarcabil, autor a numeroase studii fundamentale în diverse domenii ale fizicii, a apărat cu ardoare ipoteza anatomică.

Boltzmann a fost primul care a luat în considerare problema importantă a distribuției energiei termice pe diferite grade de libertate a particulelor de gaz. El a arătat strict că energia cinematică medie a particulelor de gaz E este proporțională cu temperatura absolută T:

E T Coeficientul de proporționalitate poate fi găsit folosind ecuația de bază

Teoria cinematică moleculară:

p \u003d 2/3 pU

Unde p este concentrația moleculelor de gaz. Înmulțind ambele părți ale acestei ecuații cu volumul molecular Vo. Deoarece n Vo este numărul de molecule dintr-un mol de gaz, obținem:

p Vo == 2/3 NA E

Pe de altă parte, ecuația de stare a gazului ideal definește produsul p

Vo ca

p Vo =RT

Prin urmare, 2/3 NA E = RT

Sau E=3RT/2NA

Raportul R/NA este o valoare constantă, aceeași pentru toate pentru toate substanțele. Această nouă constantă fizică universală a primit, la sugestia lui M.

scândură, nume constanta Boltzmann k

k=R/NA.

Meritele lui Boltzmann în crearea teoriei molecular-cinetice a gazelor au fost astfel recunoscute în mod corespunzător.

Valoarea numerică a constantei Boltzmann este: k= R/NA =8,31 ​​J mol/6,023*1023 K mol=1,38*10-16 J/K.

Constanta lui Boltzmann, așa cum spune, leagă caracteristicile microcosmosului (energia cinetică medie a particulelor E) și caracteristicile macrocosmosului (presiunea și temperatura gazului).

constanta Faraday

Studiul fenomenelor, într-un fel sau altul legate de electron și de mișcarea acestuia, a făcut posibilă explicarea dintr-o poziție unificată a celor mai diverse fenomene fizice: electricitate și magnetism, lumină și oscilații electromagnetice. Structura atomului și fizica particulelor elementare.

Încă din anul 600 î.Hr. Thales din Milet a descoperit atractia corpurilor de lumina (pufurile, bucatele de hartie) cu chihlimbarul frecat (chihlimbarul inseamna electron in greaca veche).

Lucrări care descriu calitativ anumite fenomene electrice. a apărut la început foarte puțin. În 1729, S. Gray a stabilit împărțirea corpurilor în conductori de curent electric și izolatori. Francezul C. Dufay a descoperit că ceara de sigilare frecata cu blană este și ea electrificată, dar opus electrificării unei baghete de sticlă.

Prima lucrare în care s-a încercat explicarea teoretică a fenomenelor electrice a fost scrisă de fizicianul american W. Franklin în 1747. Pentru a explica electrificarea, el a propus existența unui anumit „fluid electric” (fluid), care este inclus ca un parte integrantă în orice problemă. El a asociat existența a două tipuri de electricitate cu existența a două tipuri de lichide - „pozitive” și „negative”. După ce a descoperit. că atunci când sticla și mătasea sunt frecate una de alta, se electrizează diferit.

Franklin a fost cel care a sugerat prima natură atomică, granulară a electricității „Materia electrică constă din particule care trebuie să fie extrem de mici”.

Conceptele de baza in stiinta electricitatii au fost formulate abia dupa aparitia primelor studii cantitative. Măsurând forța de interacțiune a sarcinilor electrice, omul de știință francez C. Coulomb în 1785 a stabilit legea

interacțiunile sarcinilor electrice:

F= k q1 q2 /r2

unde q1 și q2 sunt sarcini electrice, r este distanța dintre ele,

F este forța de interacțiune între sarcini, k este coeficientul de proporționalitate. Dificultățile în utilizarea fenomenelor electrice s-au datorat în mare măsură faptului că oamenii de știință nu aveau la dispoziție o sursă convenabilă de curent electric. Astfel de

sursa a fost inventată de omul de știință italian A. Volta în 1800 – era o coloană de cercuri de zinc și argint despărțite de hârtie înmuiată în apă cu sare. Au început studii intensive asupra trecerii curentului prin diferite substanțe.

electroliza, conținea primele indicii în acest sens. că materia și electricitatea sunt legate între ele. Cele mai importante cercetări cantitative în domeniul electrolizei au fost efectuate de cel mai mare fizician englez M. Faraday (1791-1867). El a constatat că masa substanței eliberate pe electrod în timpul trecerii unui curent electric este proporțională cu puterea curentului și a timpului (legea electrolizei lui Faraday) Pe baza acesteia, a arătat că pentru a elibera masa de o substanță pe electrozi, numeric egală cu M / n (M-molar masa substanței, n este valența ei), o sarcină strict definită F trebuie trecută prin electrolit.Astfel, în fizică a apărut un alt F universal important, egal, după cum au arătat măsurătorile, F = 96 484,5 C/mol.

Ulterior, constanta F a fost numită număr Faraday. Analiza fenomenului de electroliză l-a condus pe Faraday la ideea că purtătorii forțelor electrice nu sunt lichide electrice, ci atomii-particule de materie. „Atomii materiei sunt cumva înzestrați cu forțe electrice”, spune el.

Faraday a descoperit pentru prima dată influența mediului asupra interacțiunii sarcinilor electrice și a precizat forma legii lui Coulomb:

F= q1 q2/ ε r2

Aici, ε este o caracteristică a mediului, așa-numita constantă dielectrică. Pe baza acestor studii, Faraday a respins acțiunea sarcinilor electrice la distanță (fără mediu intermediar) și a introdus în fizică o idee complet nouă și importantă că câmpul electric este purtătorul și transmițătorul influenței electrice!

Sarcina și masa unui electron

Experimentele pentru determinarea constantei Avogadro i-au făcut pe fizicieni să se gândească dacă se acordă prea multă importanță caracteristicilor câmpului electric. Nu există un purtător de electricitate mai concret, mai material? Pentru prima dată această idee este în mod clar în 1881. G. Helmolz a exprimat: „Dacă admitem existența atomilor chimici, atunci suntem forțați să concluzionam de aici în continuare că electricitatea, atât pozitivă, cât și negativă, este, de asemenea, împărțită în anumite cantități elementare care joacă rolul atomilor de electricitate.”

Calculul acestei „anumite cantități elementare de electricitate” a fost efectuat de fizicianul irlandez J. Stoney (1826-1911). Este extrem de simplu. Dacă eliberarea unui mol dintr-un element monovalent în timpul electrolizei necesită o sarcină egală cu 96484,5 C, iar un mol conține 6 * 1023 atomi, atunci este evident că împărțind numărul Faraday F la numărul Avogadro NA, obținem cantitatea de energie electrică necesară pentru a elibera unul

atom de materie. Să notăm această porțiune minimă de electricitate cu e:

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

În 1891, Stoney a sugerat numirea acestei cantități minime de electricitate un electron. Curând a fost acceptat de toată lumea.

Constantele fizice universale F și NA, împreună cu eforturile intelectuale ale oamenilor de știință, au adus la viață o altă constantă - sarcina electronului e.

Faptul existenței unui electron ca particulă fizică independentă a fost stabilit în studiile în studiul fenomenelor asociate cu trecerea curentului electric prin gaze. Și din nou trebuie să aducem un omagiu înțelegerii lui Faraday, care a început pentru prima dată aceste studii în 1838. Aceste studii au fost cele care au condus la descoperirea așa-numitelor raze catodice și în cele din urmă la descoperirea electronului.

Pentru a ne asigura că razele catodice reprezintă într-adevăr un flux de particule încărcate negativ, a fost necesar să se determine masa acestor particule și sarcina lor în experimente directe. Aceste experimente în 1897. realizată de fizicianul englez J. J. Thomson. În același timp, a folosit deviația razelor catodice în câmpul electric al unui condensator și într-un câmp magnetic. Calculele arată că unghiul

deviația razelor θ într-un câmp electric de putere δ este egală cu:

θ \u003d eδ / t * l / v2,

unde e este sarcina particulei, m este masa acesteia, l este lungimea condensatorului,

v este viteza particulei (este cunoscut).

Când razele sunt deviate într-un câmp magnetic B, unghiul de deviere α este egal cu:

α = eV/t * l/v

La θ ≈ α (care a fost realizat în experimentele lui Thomson), a fost posibil să se determine v și apoi să se calculeze și raportul e / m este o constantă independentă de natura gazului. Thomson

primul a formulat clar ideea existenței unei noi particule elementare de materie, așa că este considerat, pe bună dreptate, descoperitorul electronului.

Onoarea de a măsura direct sarcina unui electron și de a demonstra că această sarcină este într-adevăr cea mai mică porțiune indivizibilă de electricitate îi aparține remarcabilului fizician american R. E. Milliken. S-au injectat picături de ulei dintr-un pistol de pulverizare în spațiul dintre plăcile condensatorului prin fereastra de sus. Teoria și experimentul au arătat că atunci când o picătură cade încet, rezistența aerului duce la faptul că viteza acesteia devine constantă. Dacă intensitatea câmpului ε între plăci este zero, atunci viteza de cădere v 1 este egală cu:

v1 = fP

unde P este greutatea picăturii,

f este coeficientul de proporționalitate.

În prezența unui câmp electric, viteza picăturilor v 2 este determinată de expresia:

v2 = f (q ε - P),

unde q este sarcina picăturii. (Se presupune că forța gravitației și forța electrică sunt opuse una față de cealaltă.) Din aceste expresii rezultă că

q= P/ε v1 * (v1 + v2 ).

Pentru a măsura încărcătura picăturilor, a folosit Millikan

ionizează aerul. Ionii de aer sunt captați de picături, în urma cărora sarcina picăturilor se modifică. Dacă notăm sarcina picăturii după captarea ionilor cu q ! , și viteza sa prin v 2 1, apoi modificarea sarcinii delta q \u003d q! - q

delta q== P/ε v1 *(v1 - v2).,

valoarea lui P/ ε v 1 pentru această picătură este constantă. Astfel, modificarea încărcăturii picăturii se dovedește a fi redusă la măsurarea traseului parcurs de picătură de ulei și a timpului în care a fost parcurs acest drum. Dar timpul și calea ar putea fi ușor și destul de precis determinate de experiență.

Numeroase măsurători Millikan au arătat că întotdeauna, indiferent de dimensiunea picăturii, modificarea sarcinii este un multiplu întreg al uneia cele mai mici sarcini e:

delta q=ne, unde n este un număr întreg. Astfel, în experimentele lui Millikan s-a stabilit existența unei cantități minime de electricitate e. Experimentele au demonstrat în mod convingător structura atomistă a electricității.

Experimentele și calculele au făcut posibilă determinarea valorii sarcinii e E = 1,6 * 10-19 C.

Realitatea existenței unei porțiuni minime de electricitate a fost dovedită; Millikan însuși pentru aceste reacții în 1923. a fost distins cu Premiul Nobel.

Acum, folosind valoarea sarcinii electronului specific e/m și e cunoscută din experimentele lui Thomson, putem calcula și masa electronului m e.

Valoarea sa s-a dovedit a fi:

adică \u003d 9,11 * 10-28 g.

viteza luminii

Pentru prima dată, metoda de măsurare directă a vitezei luminii a fost propusă de fondatorul fizicii experimentale, Galileo. Ideea lui era foarte simplă. Doi observatori cu lămpi erau amplasați la o distanță de câțiva kilometri unul de celălalt. Primul a deschis oblonul lanternei, trimițând un semnal luminos în direcția celui de-al doilea. Cel de-al doilea, observând lumina felinarului, a deschis obloanele lui și a trimis un semnal către primul observator. Primul observator a măsurat timpul t dintre descoperirea sa

felinarul lui și momentul în care a observat lumina celui de-al doilea felinar. Viteza luminii c este evident egala cu:

unde S este distanța dintre observatori, t este timpul măsurat.

Cu toate acestea, primele experimente întreprinse la Florența conform acestei metode nu au dat rezultate clare. Intervalul de timp t s-a dovedit a fi foarte mic și greu de măsurat. Cu toate acestea, din experimente a rezultat că viteza luminii este finită.

Onoarea primei măsurători a vitezei luminii îi aparține astronomului danez O. Roemer. Dirijat în 1676. observând eclipsa satelitului lui Jupiter, el a observat că atunci când Pământul se află într-un punct al orbitei sale îndepărtat de Jupiter, satelitul Io apare din umbra lui Jupiter 22 de minute mai târziu. Explicând acest lucru, Roemer a scris: „Acesta este timpul pe care lumina îl folosește pentru trecerea locului de la prima mea observație la poziția actuală”. Împărțind diametrul orbitei terestre D la timpul de întârziere, a fost posibil să se obțină valoarea luminii c. Pe vremea lui Roemer, D nu era cunoscut cu exactitate, așa că din măsurătorile sale a rezultat că c ≈ 215.000 km/s. Ulterior, atât valoarea lui D, cât și timpul de întârziere au fost rafinate, așa că acum, folosind metoda Roemer, am obține c ≈ 300.000 km/s.

La aproape 200 de ani după Roemer, viteza luminii a fost măsurată pentru prima dată în laboratoarele terestre. A făcut asta în 1849. francezul L.Fizo. Metoda lui, în principiu, nu s-a deosebit de cea a lui Galileo, doar al doilea observator a fost înlocuit cu o oglindă reflectorizantă, iar în locul unui oblon deschis manual, a fost folosită o roată dințată care se rotește rapid.

Fizeau a pus o oglindă în Suresnes, în casa tatălui său, cealaltă la Montmarte din Paris. Distanța dintre oglinzi a fost L=8,66 km. Roata avea 720 de dinti, lumina atingea intensitatea maxima la viteza de rotatie a rotii, egala cu 25 rpm. Omul de știință a determinat viteza luminii folosind formula lui Galileo:

Timpul t este evident t = 1/25*1/720 s=1/18000 s și s=312.000 km/s

Toate măsurătorile de mai sus au fost efectuate în aer. Calculul vitezei în vid a fost efectuat folosind valoarea cunoscută a indicelui de refracție al aerului. Cu toate acestea, la măsurarea la distanțe mari, poate apărea o eroare din cauza neomogenității aerului. Pentru a elimina această eroare, Michelson în 1932. a măsurat viteza luminii folosind metoda prismei rotative, dar când lumina s-a propagat într-o țeavă din care era pompat aer, a primit

s=299 774 ± 2 km/s

Dezvoltarea științei și tehnologiei a făcut posibilă realizarea unor îmbunătățiri în vechile metode și dezvoltarea unora fundamental noi. Deci în 1928. roata dinţată rotativă este înlocuită cu un întrerupător de lumină electrică fără inerţie, în timp ce

С=299 788± 20 km/s

Odată cu dezvoltarea radarului, au apărut noi posibilități pentru măsurarea vitezei luminii. Aslakson, folosind această metodă în 1948, a obținut valoarea c = 299 792 + 1,4 km/s, iar Essen, folosind metoda interferenței cu microunde, c = 299 792 + 3 km/s. În 1967 măsurătorile vitezei luminii sunt efectuate cu un laser cu heliu-neon ca sursă de lumină

Constantele Planck și Rydberg

Spre deosebire de multe alte constante fizice universale, constanta lui Planck are data exactă de naștere de 14 decembrie 1900. În această zi, M. Planck a făcut un raport la Societatea Germană de Fizică, unde, pentru a explica emisivitatea unui corp absolut negru, a apărut o nouă valoare h pentru fizicieni.

din datele experimentale, Planck și-a calculat valoarea: h = 6,62 * 10-34 J s.