Физикалық шамалардың өлшем бірліктері
Алғашқыда өлшем бірліктері мөлшермен байланысты болған. Өлшенілетін шаманың бірлік өлшемі мөлшермен қабылданатын шама өлшеміне теңестірілді. Алайда өлшенетін шаманың үлкен және кіші өлшемдерін өлшеу үшін бір бірлік ыңғайсыз болғандықтан өзара қысқартылған және бөлгіш қатынаста болған бірнеше бірліктерді қолданған және де бұл қатынастардың коэффициенттері әртүрлі болатын.
Ғылым мен техниканың жетілуімен өндірілуі мен тұрақтылығы бойынша ғылым мен техникаға қажетті талаптарға физикалық объектілердің қасиеттері шама бірліктерін құруға жауап береалмады.Бұл табиғатпен қабылданған шама бірлігінен бас тартуға алып келді. Осыған байланысты ұзындық пен салмақ бойынша – метр және килограммның заттық эталондар бірлігінің пайда болуына алып келген метрлік өлшемді құруға көшті(мысалы «табиғи» ұзындық бірлігінің нақты өлшемі – Жер меридианының бөлігінің ұзындығы).
Ғылымның қарқынды дамуына және өлшеу дәлдігіне талаптардың артуына байланысты адамзатпен жасалынған эталондар ғылым мен техникаға қажеттісалмақ пен ұзындықты сақтауды қамтамасыз ете алмайтындығы анықталынды. Физикалық шаманың бірлігін сақтау және өте нақты және сенімді қолдану үшін пайдаланылатын физикалық құбылыстардың зерттелуі басталды. Монохроматты жарықтың толқын ұзындығын қолданумен ұзындықты жаңғырту мүмкіндігі ашылды және ол оның өлшену нақтылығын бір ондық белгіге дейін жоғарылатты.
Алайда ары қарай мұндай ұзындық өлшемінің нақтылығы жеткіліксіз болғандықтан үлкен нақтылықтағы метрді жаңғырту үшін зерттеу жұмыстары басталды.
Сонымен, шаманың өлшем бірлігін жетілдіруді бірнеше кезеңдерге бөлуге болады.
Бірінші кезең,шаманың өлшем бірлігін өлшеумен байланыстырды.Өлшенетін шама бірлігінің мөлшері мөлшермен жаңғыртылған шама өлшеміне тең болды.
Екінші кезеңтабиғи жаңғыртылатыншама бірлігінен бас тарту жәнезаттық эталонға көшу (метрге, килограммға).
Үшінші кезеңфизикалық шама бірліктерінің жетілуі анықталды, шама бірліктерінің заттық эталондары бұл бірліктердің нақты мәнін ғылым мен техника талап еткен дәлдікпен қамтамасыз ете алмайды. Жаңа физикалық құбылыстардың ашылуы бірліктің өзін өзгертпейақ физикалық шама бірлігін жаңғыртуға мүмкіндік берді.
Жекелеген физикалық шамалар бойынша бір кезеңнен екінші кезеңге өту басталды және жалғасып келеді.
Бұларға салмақ бірлігі қосылмайды, ол екінші кезеңде қалып қойды. Осы уақытқа дейін салмақтың ең нақты бірлігі килограмның заттық эталоны 1889 жылы жасалған платиналы-иридті гирлермен жаңғыртылады.Килограммды анықтау басқа бірліктермен мүлде байланыспаған, ол тәуелсіз бірлік болып қалған.
Жоғарыда айтылғандай алғашқыда физикалық шамалар бірліктері бір-бірімен байланыссыз таңдалынды.Мысалы «шынтақ» Генрих I –дің скипетрінің ұзындығына тең болған, «фут» - ұзындық бірлігі, кең түрде барлық елдерде таралған -Ұлы Карлдың табан ұзындығына тең болған. Әрбір елде, тіптен әрбір қалада өзіндік бірліктер жасалынды. Бір бірлікті басқаға аудару қиынға соқты да өлшеу нәтижелерінің қателіктерінің көбеюіне алып келді. Бұдан басқа әрбір өндіріс өзінің бірліктерін құрды.Мұның барлығы да ғылым мен техниканың дамуына кедергі болды.
1872 жылы метрлік жүйе прототиптері бойынша Халықаралық комиссия материалдық эталондар (прототиптер) шартына негізделінген салмақ пен ұзындық бірліктеріне өту туралы шешім қабылдады.
1875 жылы 17 мемлекет (ішінде Ресейде бар) Метрлік конвенцияға қол қойған дипломатиялық конференция құрылды, онда:
1) метр мен килограммның халықаралық прототиптеріорнатылды;
2) өлшем мен салмақтың Халықаралық бюросы құрылды;
3) өлшем мен салмақтың Халықаралық комитеті ұйымдастырылды;
4) өлшем мен салмақ бойынша алты жылда бір рет бас конференцияны шақыру орнатылды.
Платина және иридийден метр мен килограммның үлгілері әзірленді.
1889 жылы Парижде өлшем мен салмақ бойынша І Бас конференция шақырылымы болды, онда дайындалған үлгілер саны бойынша метр мен килограммның халықаралық прототиптері қабылданды,олар өлшем мен салмақтың Халықаралық бюросында сақталатыны белгіленді.Қалған метр мен килограммның үлгілері Метрлік конвенцияға қол қойған мемлекеттер арасында жеребе тастау негізінде таратылды.Ресей екі метр (№ 11 және №28) және екі килограмм (№12 және №26) алды.Олардың ішінен №28 метр және №12 килограмм Ресейдің мемлекеттік эталоны ретінде қабылданды.Сонымен, 1899 жылы метрлік өлшемдердің орнатылуы бітті.
Ол кездерде Ресейде метрлік өлшемді ендіру толық шешімін таппаған болатын , тек 1918 жылы 14 қырқүйектегі кеңес өкіметінің декретімен міндетті түрде ендірілді. Толық метрлік өлшемге көшу 1927 жылы аяқталды.
Алғаш рет физикалық шама бірліктері туралы түсінікті 1832 жылы неміс ғалымы Карл Гаусс (1777-1855) енгізді.Ол ерікті түрде бірнеше тәуелсіз шамаларды таңдауды ұсынды.Бұл шамалардың бірліктері негізгі деп аталды.Содан кейін шамалар арасындағы заңдылықты қолдана отырып басқа шамалардың бірліктері құрылған болатын,молар туынды деп аталынды.Негізгі және туынды бірліктер физикалық шама бірлігінің жүйесі болып табылады.
Алғашқыда үш негізгі бірлікпен негізделген МКС- ұзындық, салмақ және уақыт (метр-килограмм-секунд) бірлік жүйесі, кейіннен сантиметр, грамм және секундқа негізделінген СГС жүйесі құрылды.
Біршама уақыт ұзындық, салмақ, күш және уақыт бірлігіне негізделінген МКГКС (метр-килограмм-күш-секунд) жүйесі қолданылды.
Жүйеге кірмейтін бірліктердің көптігі, бір жүйеден екіншісіне өтудің ыңғайсыздығы, ғылым мен техниканың барлық саласын қанағаттандыратын бірыңғай әмбебап бірліктер жүйесін құру қажеттілігін туындатты.
1948 жылы ІХ Бас конференцияда өлшем мен салмақ бойынша бірліктердің біріккен практикалық жүйесі ұсынылды,онда негізгі бірлік ретінде метр, килограмм, секунда және электрлік шамалардың біреуі қарастырылды.
1954 жылғы Х Бас конференцияда жаңа жүйенің негізгі бірлігі ретінде:ұзындық-метр,салмақ-килограмм, уақыт-секунд,ток күші-ампер,термодинамикалық температура-кельвин,жарық күші- кандела қабылданды.
Х Бас конференциядан кейін өлшем мен салмақ бойынша Халықаралық комитеттуынды бірліктердің жаңа жүйедегі тізімін және оны Халықаралық бірліктер жүйесі деп атауды ұсынды.
1960 жылы өлшем мен салмақ ХІ Бас конференция жаңа жүені енгізді,оған «Халықаралық бірліктер жүйесі»(SYSTEM INTERNATIONAL) деген ат берілді, қысқартылғанда «SI», «СИ».
1963 жылы КСРО «Халықаралық бірліктер жүйесі» ендірілді.
Жаңа жүйенің артықшылығы оның әмбебаптығы (өлшеудің барлық саласын қамтуы), келісімділігі (барлық туынды бірліктер бірыңғай ереже бойынша құрылған) және ғылым мен техниканың дамуына байланысты жаңа туынды бірліктерді жасау мүмкіндігі.
Негізгі бірліктер.СИ жүйесінде ұзындықтың негізгі бірліктері ретінде метр (м), уақыт- секунд (с), салмақ- килограмм (кг), электрдің ток күші- ампер (А), термодинамикалық температура – кельвин (К), жарық күші – кандела (кд) және заттар саны –моль (моль) табылады.
| Негізгі бірліктер |
| Ұзындық-м |
| Салмақ - кг |
| Уақыт - с |
| Эл. ток күші -А |
| Термодинамикалық температура –(К) |
| Заттар саны – (моль) |
| Жарық күші – (кд) |
| Қосымша бірліктер |
| Жазық бұрыш - рад |
| Денелік бұрыш- ср |
7 сурет. СИ жүйесіндегі негізгі және қосымша бірліктер
| Арнайы атаулары «бар» туынды бірліктер |
| Жиілік – Гц Күш, салмақ – Н Қысым – Па Энергия – Дж Қуат – Вт Электр саны – Кл Электрлік кернеу – В Электрлік сыйымдылық – Ф Электрлік кедергі – Ом Электрлік өткізгіштік – См Магнит индукциясының ағымы – Вб Магниттік токтың тығыздығы – Тл Индуктивтілік – Гн Жарық ағымы – лм Жарықтық – лк Радионуклидтің активтілігі –Бк Ионды сәулеленудің дозасы – Гр Сәулеленудің эквиваленттік дозасы - Зв |
| Қолдануға рұқсат етілген уақытша бірліктер |
| Ұзындық –мил (1852 м) |
| Салмақ – кар (2*10-4 ) |
| Жылдамдық – уз (0,514м/с ) м/с |
| Қысым – бар (105) |
| Айналу жиілігі – айн/мин |
| Сызықтық тығыздық – текс (10-6кг/м) |
| Энергия -эВ |
| СИ бірліктерімен бірге қолдануға рұқсат етілген жүйеден тыс |
| Салмақ - т |
| Уақыт – мин, сағ, тәулік |
| Ұзындық- а. б., ж.жыл, пк |
| Тегіс бұрыш -0 |
| Көлем - л |
| Аудан - га |
| Оптикалық күш - дптр |
| Толық қуат- В·А |
| Реактивті қуат -вар |
8 сурет. ГОСТ 8.417-81 бойынша физикалық шаманың бірліктері
Метр(ұзындық бірлігі)– вакуумдағы жарықтың 1/299792458 үес секундта жүріп өтетін жол ұзындығы.
Секунд(уақыт бірлігі) – сыртқы өрістер әсер етпеген 133 цезий атомының негізгі күйінің аса жіңішке құрылымының екі деңгейі арасындағы ауысуға сәйкес келетін сәулеленудің 9192631770 периоды.
Килограмм(масса бірлігі) –килограммның халықаралық прототипі - платиналы-иридилі гир салмағына тең.
Килограммды анықтау басқа да түрлі бірліктермен байланыспайды, бірақ килограмм көмегімен көптеген туынды бірліктер жасалынады.
Ампер (электр тогының күш бірлігі) –вакуумда бір-бірінен 1м қашықтықта орналасқан екі параллель шексіз ұзындықтағы өте кіші қима ауданды өткізгіштер арқылы өтетін ток күші, әрбір өткізгіштің 1метр ұзындығына 2· 10-7 Н тең к85 тудыратын ток әсер етеді.
Кельвин(термодинамикалық температура бірлігі) -судың үштік нүктесіндегі 1/273,19 бөлігі термодинамикалық температураға тең.Бұл эталон басқа шамаларға тәуелді емес.
Кандела(жарық күшінің бірлігі) - 540 1012 Гц монохроматты сәуле жиілігінде қолданылатын берілген бағыттағы шығу көзіндегі жарық күшіне тең, бұл бағытта энергетикалық күш 1/683 Вт/ср тең.
Кандела эталоны жаңғыртылуы бойынша басқа да бірқатар эталондарға тәуелді болып келеді.
Моль(заттар мөлшерінің бірлігі)-массасы 0,012 кг көміртегі атомының құрамындағы құрылымдық элементті құрайтын жүйенің заттарының саны.
Қосымша бірліктерСИ жүйесі бойынша радиан (рад) – жазық бұрыштың бірлігі және стерадиан (ср) – денелік бұрышының бірлігі.
Радиан – шеңбердің екі радиусының арасындағы бұрыш,олардың арасындағы доғаның ұзындығы радиусқа тең.
Радиан туынды бірліктерді жасауда кеңінен қолданылады және 57°17ʹ44,8ʺ тең болады.
Стерадиан –сфераның бетінде қабырғасы сфераның радиусына тең квадратты қиып алтын төбесі сфераның центріне орналасқан денелік бұрыш.
Стерадиантеориялық және есептік мәнде болады, жекеше түрде жарықтехникасындакездеседі.
Негізгі және қосымша бірліктердің атауынан құралған СИ жүйесінің туынды бірліктері 1 кестеде келтірілген.
1 кесте. Негізгі және қосымша бірліктердің атауынан құралған СИ жүйесінің туынды бірліктері
| Шамасы | Бірлік | |
| аталуы | белгіленуі | |
| Аудан | метр квадрат |  |
| Көлем, сыйымдылық | метр куб |  |
| Жылдамдық | метр секунд |  |
| Үдеу | метр секунд квадратта |  |
| Бұрыштық жылдамдық | радиан секундта |  |
| Бұрыштық үдеу | радиан секунд квадратта |  |
| Толқындық сан | минус бір дәрежесі метрде |  |
| Тығыздық | килограмм метр кубта |  |
| Бөлінетін көлем | метр куб килограмда |  |
| Электр тогының тығыздығы | ампер метр квадратта |  |
| Магнит ағынының | ампер метрде | А/м |
| Мольдік концентрация | моль метр кубта |  |
| Ионды бөлшектердің ағыны | минус бір дәрежесі секундта |  |
| Ионды бөлшектердің ағын тығыздығы | минус бір дәрежесі секундтың минус екі дәрежесі метрге |  |
| Жарықтық | кандела квадрат метрге |  |
2 кесте. Өзіндік атауы бар СИ жүйесінің туынды бірліктері
| Шама | Бірлік | СИ негізгі бірліктері арқылы тұрлаулы бірліктердің белгіленуі | |
| аталуы | жазылуы | ||
| Жиілік | Герц | Гц | 1/с |
| Күш | Ньютон | Н | Кг· |
| Қысым | Паскаль | Па | Кг/(  ) |
| Энергия, жұмыс, жылу саны | Джоуль | Дж | Кг·  |
| Қуат, энергия ағыны | Ватт | Вт | Кг·  |
| Электр саны, электр заряды | Кулон | Кл | А·с |
| Электр кернеуі, электр потенциалы | Вольт | В | Кг·  |
| Электр сыйымдылық | Фарад | Ф |  |
| Электр кедергісі | Ом | Ом | Кг·  |
| Электр өтімділік | Сименс | См |  |
| Магнит индукциясының ағыны | Вебер | Вб | Кг·  |
| Магнит индукциясы | Тесла | Тл | Кг  |
| Индуктивтілік | Генри | Гн | Кг·  |
| Жарық ағыны | Люмен | Лм | Кд·ср |
| Жарықтық | Люкс | Лк | Кд·ср/ |
| Радионуклеидтің активтілігі | Беккерель | Бк | 1/с |
| Сәулелену мөлшері | Грэй | Гр | |
| Эквиваленттік сәулелену мөлшері | Зиверт | Зв | |
3-кесте.Арнайы атауларды қолданумен құрылған СИ туынды бірліктері
| Шама | Бірлік | |
| аталуы | белгіленуі | |
| Күш моменті | Ньютон-метр | Н·м |
| Беттік керілу | Ньютон метрге | Н/м |
| Динамикалық тұтқырлық | Паскаль-секунд | Па·с |
| Электр зарядының вакуумдық тығыздық | Кулон метр кубқа | Кл/ |
| Электрлік орын ауыстыру | Кулон метр квадратқа | Кл/ |
| Электр осінің кернеуі | Вольт метрге | В/м |
| Абсолюттік диэлектрлік өткізгіштік | Фарад метрге | Ф/м |
| Абсолюттік магниттік өткізгіштік | Генри метрге | Гн/м |
| Салыстырмалы энергия | Джоуль килограммға | Дж/кг |
| Жылусыйымдылық жүйесі, энтропия жүйесі | Джоуль кельвинге | Дж/К |
| Салыстырмалы жылусыйымдылық, салыстырмалы энтропия | Джоуль килограмм кельвинге | Дж/(кг·К) |
| Энергия ағынының беттік тығыздығы | Ватт метр квадратқа | Вт/ |
| Жылуөткізгіштік | Ватт метр-кельвинге | Вт/(м·К) |
| Мольдік ішкі энергия | Джоуль мольға | Дж/моль |
| Мольдік энтропия, мольдік жылусыйымдылық | Джоуль моль-кельвинге | Дж/(моль·К) |
| Жарық күшінің энергиясы (сәулелену күші) | Ватт стерадианға | Вт/ср |
| Сәулелену экспозициялық мөлшері (рнетгендік және гамма-сәулелену) | Кулон килограммға | Кл/кг |
| Қуаттың енген мөлшері | Грей секундқа | Гр/с |
4-кесте. СИ бірліктерімен бірге қолдануға рұқсат етілген жүйеден тыс бірліктер
| Шама | Бірлік | |
| аталуы | белгіленуі | |
| Салмақ | Тонна | Т |
| Салмақтың астрономикалық бірлігі | С.а.б. | |
| Уақыт | Минут | Мин |
| Сағат | Сағ | |
| Тәулік | Тәул | |
| Жазық бұрыш | Градус | ...  |
| Минут | ...  | |
| секунд | ...  | |
| Көлем, сыйымдылық | Литр | Л |
| Ұзындық | астрономикалық бірлігі | А.б. |
| Жарықтық жыл | Жар.ж. | |
| Парсек | Пк | |
| Оптикалық күш | Диоптрия | Дптр |
| Аудан | Гектар | Га |
| Энергия | Электрон-вольт | эВ |
| Толық қуат | Вольт-ампер | В·А |
| Реактивті қуат | Вар | Вар |
| Температура | Градус Цельсия |  |
5-кесте. Қолдануға уақытша рұқсат етілген жүйеден тыс бірліктер
| Шама | Бірлік | СИ бірлігіне аудару | |
| аталуы | белгіленуі | ||
| Ұзындық | Теңіздік миля | Т.миля | 1852 м |
| Салмақ | Карат | Кар | 2·  кг |
| Сызықтық тығыздық | Текс | Текс |  Кг/м |
| Жылдамдық | Узел | Уз | 0,514 (4)м/с |
| Айналу жиілігі | Секундта айналу | Айн/с | 1· |
| Минутта айналу | Айн/мин | 1/60 = 0,016(6) | |
| Қысым | бар | Бар |  Па |
Еселик жане улестик бирликтер
| Көбейткіштер | Алдынақойылу | Көбейткіштер | Алдынақойылу | ||
| аталуы | белгіленуі | аталуы | белгіленуі | ||
 | экса | Э |  | атто | а |
 | пета | П |  | фемто | ф |
 | тера | Т |  | пико | п |
 | гига | Г |  | нано | н |
 | мега | М |  | микро | мк |
 | кило | к |  | милли | м |
 | гекто | г |  | санти | с |
 | дека | да |  | деци | д |
СИ жүйесіндегі туынды бірліктерді қолдану саласы бойынша топтастыруғы болады:
- механикалық шамаларға арналған Си жүйесінің туынды бірліктері;
- жылулық шамаларға арналған СИ жүйесінің туынды бірліктері;
- электрлік және магниттік шамаларға арналған СИ жүйесінің туынды бірліктері;
- акустикалық шамаларға СИ жүйесінің туынды бірліктері;
- жарықтық, оптикалық және энергетикалық магниттік шамаларға арналған СИ жүйесінің туынды бірліктері;
- ионизацияланушы шағылыстырушышамаларға арналған СИ жүйесінің туынды бірліктері.