Last ned det fysiske grunnlaget for målinger. Forord

Minsk: BNTU, 2003. - 116 s. Innledning.
Klassifisering av fysiske mengder.
Størrelse på fysiske mengder. Den sanne verdien av fysiske mengder.
Hovedpostulatet og aksiomet for måleteori.
Teoretiske modeller av materielle objekter, fenomener og prosesser.
Fysiske modeller.
Matematiske modeller.
Feil i teoretiske modeller.
Generelle kjennetegn ved målebegrepet (informasjon fra metrologi).
Klassifisering av målinger.
Måling som en fysisk prosess.
Målemetoder som metoder for sammenligning med et mål.
Direkte sammenligningsmetoder.
Direkte vurderingsmetode.
Direkte konverteringsmetode.
Substitusjonsmetode.
Skala transformasjonsmetoder.
Bypass metode.
Oppfølging balansemetode.
Brometode.
Forskjellsmetode.
Null metoder.
Utfoldende kompensasjonsmetode.
Måle transformasjoner av fysiske mengder.
Klassifisering av måletransdusere.
Statiske egenskaper og statiske feil av SI.
Kjennetegn på påvirkning (påvirkning) av miljø og objekter på SI.
Bånd og usikkerhetsintervaller for SI-følsomhet.
SI med additiv feil (null feil).
SI med multiplikativ feil.
SI med additive og multiplikative feil.
Måler store mengder.
Formler for statiske feil på måleinstrumenter.
Fullt og fungerende utvalg av måleinstrumenter.
Dynamiske feil på måleinstrumenter.
Dynamisk feil i integreringslenken.
Årsaker til additive SI-feil.
Påvirkningen av tørr friksjon på de bevegelige elementene i SI.
SI-design.
Kontaktpotensialforskjell og termoelektrisitet.
Kontaktpotensialforskjell.
Termoelektrisk strøm.
Interferens på grunn av dårlig jording.
Årsaker til SI-multiplikative feil.
Aldring og ustabilitet av SI-parametere.
Ikke-linearitet til transformasjonsfunksjonen.
Geometrisk ikke-linearitet.
Fysisk ikke-linearitet.
Lekkasjestrømmer.
Aktive og passive beskyttelsestiltak.
Fysikk av tilfeldige prosesser som bestemmer minimum målefeil.
Evnen til menneskelige visuelle organer.
Naturlige grenser for målinger.
Heisenberg usikkerhet relasjoner.
Naturlig spektral bredde på emisjonslinjer.
Den absolutte grensen for nøyaktigheten av å måle intensiteten og fasen til elektromagnetiske signaler.
Fotonstøy av koherent stråling.
Ekvivalent støystrålingstemperatur.
Elektriske forstyrrelser, svingninger og støy.
Fysikk for intern ikke-likevekts elektrisk støy.
Skuddstøy.
Støygenerering - rekombinasjon.
1/f-støy og dens allsidighet.
Impulsstøy.
Fysikk for intern likevektsstøy.
Statistisk modell av termiske fluktuasjoner i likevektssystemer.
Matematisk modell av fluktuasjoner.
Den enkleste fysiske modellen for likevektssvingninger.
Grunnformel for beregning av fluktuasjonsspredning.
Påvirkningen av fluktuasjoner på følsomhetsterskelen til enheter.
Eksempler på beregning av termiske svingninger av mekaniske størrelser.
Fri kroppshastighet.
Oscillasjoner av en matematisk pendel.
Rotasjoner av et elastisk opphengt speil.
Forskyvninger av fjærvekter.
Termiske svingninger i en elektrisk oscillerende krets.
Korrelasjonsfunksjon og støyeffektspektraltetthet.
Fluktuasjons-spredning teorem.
Nyquist-formler.
Spektraltetthet av spennings- og strømsvingninger i en oscillerende krets.
Ekvivalent temperatur for ikke-termisk støy.
Ekstern elektromagnetisk støy og interferens og metoder for reduksjon av dem.
Kapasitiv kobling (kapasitiv interferens).
Induktiv kobling (induktiv interferens).
Skjerming ledere fra magnetiske felt.
Egenskaper til en ledende skjerm uten strøm.
Egenskaper til en ledende skjerm med strøm.
Magnetisk forbindelse mellom en strømførende skjerm og en leder innelukket i den.
Bruk av en strømførende ledende skjerm som signalleder.
Beskytter rommet mot stråling fra en strømførende leder.
Analyse av ulike ved skjerming.
Sammenligning av koaksialkabel og skjermet tvunnet par.
Funksjoner av skjermen i form av en flette.
Påvirkning av gjeldende inhomogenitet i skjermen.
Selektiv skjerming.
Undertrykkelse av støy i en signalkrets ved dens balanseringsmetode.
Ytterligere støyreduksjonsmetoder.
Ernæringsnedbrytning.
Frakoblingsfiltre.
Beskyttelse mot stråling av høyfrekvente støyende elementer og kretser.
Digital kretsstøy.
Konklusjoner.
Påføring av skjermer laget av tynne metallplater.
Nære og fjerne elektromagnetiske felt.
Beskyttende effektivitet.
Total karakteristisk impedans og skjermmotstand.
Absorpsjonstap.
Refleksjonstap.
Totalt absorpsjons- og refleksjonstap for et magnetfelt.
Påvirkning av hull på skjermingseffektivitet.
Påvirkning av sprekker og hull.
Bruke en bølgeleder ved en frekvens under grensefrekvensen.
Effekt av runde hull.
Bruk av ledende avstandsstykker for å redusere stråling i gap.
Konklusjoner.
Støyegenskaper til kontakter og deres beskyttelse.
Glødeutslipp.
Bueutladning.
Sammenligning av AC- og DC-kretser.
Kontaktmateriale.
Induktive laster.
Prinsipper for kontaktbeskyttelse.
Transient undertrykking for induktive laster.
Kontaktbeskyttelseskretser for induktive belastninger.
Kjede med beholder.
Krets med kapasitans og motstand.
Krets med kapasitans, motstand og diode.
Kontaktbeskyttelse for resistive belastninger.
Anbefalinger for valg av kontaktbeskyttelseskretser.
Passdetaljer for kontakter.
Konklusjoner.
Generelle metoder for å øke målenøyaktigheten.
Metode for å matche måletransdusere.
En ideell strømgenerator og en ideell spenningsgenerator.
Koordinering av generatorens strømforsyningsmotstander.
Motstandstilpasning av parametriske omformere.
Den grunnleggende forskjellen mellom informasjon og energikjeder.
Bruk av matchende transformatorer.
Negativ tilbakemeldingsmetode.
Båndbreddereduksjonsmetode.
Ekvivalent støyoverføringsbåndbredde.
Signalgjennomsnittsmetode (akkumulering).
Signal- og støyfiltreringsmetode.
Problemer med å lage et optimalt filter.
Metode for å overføre spekteret til et nyttig signal.
Fasedeteksjonsmetode.
Synkron deteksjonsmetode.
Feil ved støyintegrasjon ved bruk av RC-kjede.
SI-konverteringskoeffisientmodulasjonsmetode.
Anvendelse av signalmodulasjon for å øke støyimmuniteten.
Metode for differensiell inkludering av to strømforsyninger.
Metode for å korrigere SI-elementer.
Metoder for å redusere miljøpåvirkning og endrede forhold.
Organisering av målinger.

Test

Disiplin: "Elektriske målinger"

Innledning 1. Måling av elektrisk kretsmotstand og isolasjon2. Måling av aktiv og reaktiv effekt3. Måling av magnetiske størrelserReferanser
Innledning Problemer med magnetiske målinger Feltet for elektrisk måleteknologi som omhandler målinger av magnetiske størrelser kalles vanligvis magnetiske målinger. De viktigste inkluderer følgende: måling av magnetiske mengder (magnetisk induksjon, magnetisk fluks, magnetisk moment, etc.); bestemmelse av egenskapene til magnetiske materialer; studie av elektromagnetiske mekanismer; måling av jordens og andre planeters fysisk-kjemiske egenskaper (magnetisk analyse av atomets og atomkjernens defekter); (magnetisk feildeteksjon), etc. Til tross for mangfoldet av oppgaver som løses ved hjelp av magnetiske målinger, bestemmes vanligvis bare noen få grunnleggende magnetiske størrelser: Dessuten, i mange metoder for å måle magnetiske størrelser, er det ikke den magnetiske størrelsen som faktisk måles, men den elektriske størrelsen som den magnetiske størrelsen konverteres til under måleprosessen. Den magnetiske størrelsen vi er interessert i bestemmes ved beregning basert på de kjente sammenhengene mellom magnetiske og elektriske størrelser. Det teoretiske grunnlaget for slike metoder er Maxwells andre ligning, som relaterer magnetfeltet til det elektriske feltet; disse feltene er to manifestasjoner av en spesiell type materie som kalles det elektromagnetiske feltet. Andre (ikke bare elektriske) manifestasjoner av magnetfeltet, for eksempel mekaniske, optiske, brukes også i magnetiske målinger måtene å bestemme dens grunnleggende magnetiske størrelser og egenskapene til magnetiske materialer.

1. Måling av elektrisk kretsmotstand og isolasjon

Måleinstrumenter

Isolasjonsmåleinstrumenter inkluderer megohmmeter: ESO 202, F4100, M4100/1-M4100/5, M4107/1, M4107/2, F4101. F4102/1, F4102/2, BM200/G og andre, produsert av innenlandske og utenlandske selskaper. Isolasjonsmotstanden måles med megohm-målere (100-2500V) med målte verdier i Ohm, kOhm og MOhm.

1. Opplært elektropersonell som har sertifikat for kunnskapsprøve og kvalifikasjonsgruppe for elsikkerhet på minst 3., ved utførelse av målinger i installasjoner inntil 1000 V, og ikke lavere enn 4., ved måling i installasjoner over 1000, har tillatelse til å utføre isolasjonsmotstandsmålinger IN.

2. Personer fra elektroteknisk personell med videregående eller høyere spesialisert utdanning kan få bearbeide måleresultater.

3. Analyse av måleresultater bør utføres av personell involvert i isolering av elektrisk utstyr, kabler og ledninger.

Sikkerhetskrav

1. Ved utførelse av isolasjonsmotstandsmålinger må sikkerhetskrav oppfylles i henhold til GOST 12.3.019.80, GOST 12.2.007-75, Regler for drift av elektriske forbrukerinstallasjoner og Sikkerhetsregler for drift av elektriske forbrukerinstallasjoner.

2. Lokalene som brukes til å måle isolasjon må oppfylle eksplosjons- og brannsikkerhetskravene i henhold til GOST 12.01.004-91.

3. Måleinstrumenter skal oppfylle sikkerhetskravene i henhold til GOST 2226182.

4. Megger-målinger må kun utføres av opplært elektrisk personell. I installasjoner med spenninger over 1000 V utføres målinger av to personer om gangen, hvorav en må ha elektrisk sikkerhetsklassifisering på minst IV. Utføring av målinger under installasjon eller reparasjon er spesifisert i arbeidsordren i linjen "Betrodd". I installasjoner med spenninger opp til 1000 V utføres målinger etter ordre fra to personer, hvorav den ene må ha en gruppe på minst III. Et unntak er testene spesifisert i punkt BZ.7.20.

5. Måling av isolasjon på en ledning som kan motta spenning fra begge sider er kun tillatt dersom det er mottatt melding fra den ansvarlige for det elektriske anlegget som er koblet til den andre enden av denne ledningen via telefon, messenger e.l. (med en omvendt sjekk) at linjefrakoblingene og bryteren er slått av og en plakat "Ikke slå på" er oppsatt.

6. Før testene startes, er det nødvendig å forsikre seg om at det ikke er personer som arbeider på den delen av den elektriske installasjonen som testenheten er koblet til, for å hindre personer som befinner seg i nærheten av den fra å berøre spenningsførende deler og om nødvendig å sette opp sikkerhet.

7. For å overvåke isolasjonstilstanden til elektriske maskiner i samsvar med metodiske instruksjoner eller programmer, kan målinger med en megger på en stoppet eller roterende, men ikke begeistret maskin utføres av operativt personell eller, etter deres ordre, i løpet av rutinen drift av elektrolaboratoriearbeidere. Under tilsyn av driftspersonell kan disse målingene også utføres av vedlikeholdspersonell. Tester av isolasjon av rotorer, armaturer og magnetiseringskretser kan utføres av en person med en elektrisk sikkerhetsgruppe på minst III, tester av statorisolasjon - av minst to personer, hvorav en må ha en gruppe på minst IV, og den andre - ikke lavere enn III.

8. Når du arbeider med en megger, er det forbudt å berøre de spenningsførende delene som den er koblet til. Etter fullført arbeid er det nødvendig å fjerne restladningen fra utstyret som testes ved å kort jorde det. Personen som fjerner restladningen må bruke dielektriske hansker og stå på en isolert base.

9. Det er forbudt å ta målinger med en megger: på en krets av dobbeltkretslinjer med en spenning over 1000 V, mens den andre kretsen er energisert; på en enkeltkretsledning, hvis den går parallelt med en arbeidsledning med en spenning over 1000 V; under tordenvær eller når det nærmer seg.

10. Måling av isolasjonsmotstanden med en megger utføres på frakoblede spenningsførende deler som ladningen er fjernet fra ved først å jorde dem. Jording fra spenningsførende deler bør fjernes først etter tilkobling av megger. Når du fjerner jording, må du bruke dielektriske hansker.

Måleforhold

1. Isolasjonsmålinger må utføres under normale klimatiske forhold i henhold til GOST 15150-85 og under normale strømforsyningsforhold eller som spesifisert i produsentens datablad - teknisk beskrivelse for megohmmetere.

2. Verdien av den elektriske isolasjonsmotstanden til tilkoblingsledningene til målekretsen må overstige minst 20 ganger den minste tillatte verdien av den elektriske isolasjonsmotstanden til produktet som testes.

3. Målingen utføres innendørs ved en temperatur på 25±10 °C og en relativ luftfuktighet på ikke mer enn 80 %, med mindre andre forhold er gitt i standarder eller tekniske spesifikasjoner for kabler, ledninger, ledninger og utstyr.

Forbereder seg på å ta målinger

Som forberedelse til å utføre isolasjonsmotstandsmålinger, utføres følgende operasjoner:

1. Sjekk de klimatiske forholdene på stedet der isolasjonsmotstanden måles med måling av temperatur og fuktighet og rommets samsvar med hensyn til eksplosjons- og brannfare for å velge en megger for de aktuelle forholdene.

2. Kontroller ved ekstern inspeksjon tilstanden til valgt megohmmeter, koblingsledere, og funksjonen til megohmmeteret i henhold til den tekniske beskrivelsen for megohmmeteret.

3. Sjekk gyldighetsperioden for tilstandsverifiseringen på megohmmeteret.

4. Forberedelse av målinger av kabel- og ledningsprøver utføres i samsvar med GOST 3345-76.

5. Ved utførelse av periodisk forebyggende arbeid i elektriske installasjoner, samt ved utførelse av arbeid på rekonstruerte anlegg i elektriske installasjoner, utføres klargjøring av arbeidsplassen av det elektriske tekniske personellet i virksomheten der arbeidet utføres i samsvar med reglene av PTBEEEP og PEEP.

Tar målinger

1. Avlesningen av verdiene for elektrisk isolasjonsmotstand under måling utføres etter 1 minutt fra det øyeblikket målespenningen påføres prøven, men ikke mer enn 5 minutter, med mindre andre krav er gitt i standardene eller tekniske forhold for spesifikke kabelprodukter eller annet utstyr som måles.

Før ny måling må alle metallelementer i kabelproduktet jordes i minst 2 minutter.

2. Den elektriske isolasjonsmotstanden til individuelle kjerner av enkeltlederkabler, ledninger og ledninger må måles:

for produkter uten metallkappe, skjerm og rustning - mellom lederen og metallstangen eller mellom lederen og jordingen;

for produkter med metallskall, skjerm og rustning - mellom den ledende lederen og metallskallet eller -skjermen, eller rustningen.

3. Den elektriske isolasjonsmotstanden til flerkjernede kabler, ledninger og ledninger må måles:

for produkter uten metallkappe, skjerm og rustning - mellom hver strømførende leder og de resterende lederne koblet til hverandre eller mellom hver ledende leder; bolig og andre ledere koblet til hverandre og jording;

for produkter med metallskall, skjerm og panser - mellom hver strømførende leder og de resterende lederne koblet til hverandre og til metallskallet eller -skjermen, eller rustningen.

4. Hvis isolasjonsmotstanden til kabler, ledninger og ledninger er lavere enn de normative reglene for PUE, PEEP, GOST, er det nødvendig å utføre gjentatte målinger ved å koble fra kablene, ledningene og ledningene fra forbrukerterminalene og separere de strømførende konduktører.

5. Ved måling av isolasjonsmotstanden til individuelle prøver av kabler, ledninger og ledninger, må de velges for konstruksjonslengder, viklet på tromler eller i spoler, eller prøver med en lengde på minst 10 m, unntatt lengden på endesnitt, hvis andre lengder ikke er spesifisert i standarder eller tekniske spesifikasjoner for kabler, ledninger og ledninger. Antall konstruksjonslengder og prøver for måling skal angis i standarder eller tekniske spesifikasjoner for kabler, ledninger og ledninger.

UDDANNINGSDEPARTEMENTET FOR DEN RUSSISKE FØDERASJONEN EAST SIBERIA STATS TEKNOLOGISKE UNIVERSITET

Institutt for metrologi, standardisering og sertifisering

FYSISK GRUNNLEGGENDE FOR MÅLINGER

Forelesningskurs "Universelle fysiske konstanter"

Sammensatt av: Zhargalov B.S.

Ulan-Ude, 2002

Forelesningsforløpet "Universelle fysiske konstanter" er beregnet på studenter i retning av "Metrologi, standardisering og sertifisering" når de studerer faget "Fysiske grunnlag for målinger". Arbeidet gir en kort oversikt over historien til oppdagelsene av fysiske konstanter av verdens ledende fysikere, som senere dannet grunnlaget for det internasjonale systemet av enheter av fysiske mengder.

Innledning Gravitasjonskonstant

Avogadro og Boltzmanns konstante Faradays konstante elektronladning og masse Lyshastighet

Plancks Rydberg-konstanter Hvilemasse til protonet og nøytronet Konklusjon Referanser

Introduksjon

Universelle fysiske konstanter er størrelser som inngår som kvantitative koeffisienter i matematiske uttrykk for grunnleggende fysiske lover eller er kjennetegn ved mikroobjekter.

Tabellen over universelle fysiske konstanter bør ikke tas som noe som allerede er fullført. Utviklingen av fysikk fortsetter, og denne prosessen vil uunngåelig bli ledsaget av fremveksten av nye konstanter, som vi ikke engang er klar over i dag.

Tabell 1

Universelle fysiske konstanter

Navn				Numerisk verdi
Gravitasjon				6,6720*10-11 N*m2 *kg-2
konstant
Avogadros konstant				6,022045*1022 mol-1
Boltzmanns konstant				1,380662*10-23 J* K-1
Faradays konstant				9,648456*104 C*mol-1
Elektronladning				1,6021892*10-19 Cl
Elektron hvilemasse				9,109534*10-31 kg
Fart				2,99792458*108 m*s-2
Planck er konstant				6,626176*10-34 *J*s
Rydberg konstant			R∞	1,0973731*10-7 *m--1
Proton hvilemasse				1,6726485*10-27 kg
Nøytron hvilemasse				1,6749543*10-27 kg

Når du ser på tabellen, kan du se at verdiene til konstantene er målt med stor nøyaktighet. En mulig mer nøyaktig kunnskap om verdien av en bestemt konstant viser seg imidlertid å være grunnleggende viktig for vitenskapen, siden dette ofte er et kriterium for gyldigheten av en fysisk teori eller feilslutningen til en annen. Pålitelig målte eksperimentelle data er grunnlaget for å bygge nye teorier.

Nøyaktigheten av å måle fysiske konstanter representerer nøyaktigheten til vår kunnskap om egenskapene til omverdenen. Det gjør det mulig å sammenligne konklusjonene til de grunnleggende lovene i fysikk og kjemi.

Gravitasjonskonstant

Årsakene som forårsaker tiltrekning av kropper til hverandre har vært tenkt på siden antikken. En av tenkerne i den antikke verden, Aristoteles (384-322 f.Kr.), delte alle kropper inn i tunge og lette. Tunge kropper - steiner - faller ned og prøver å nå et visst "sentrum av verden" introdusert av Aristoteles, lette kropper - røyk fra en brann - flyr opp. "Verdens sentrum," ifølge læren til en annen gammel gresk filosof, Ptolemaios, var jorden, mens alle andre himmellegemer kretset rundt den. Aristoteles' autoritet var så stor at frem til 1400-tallet. hans synspunkter ble ikke stilt spørsmål ved.

Leonardo da Vinci (14521519) var den første som kritiserte antagelsen om "Verdens sentrum".

eksperimentell vitenskapsmann G. Galileo (1564-1642). Han slapp en kanonkule av støpejern og en trekule fra toppen av det berømte skjeve tårnet i Pisa. Gjenstander med forskjellig masse falt til jorden samtidig. Enkelheten i Galileos eksperimenter forringer ikke betydningen deres, siden dette var de første eksperimentelle fakta som pålitelig ble etablert gjennom målinger.

Alle kropper faller til jorden med samme akselerasjon - dette er hovedkonklusjonen fra Galileos eksperimenter. Han målte også verdien av akselerasjonen av fritt fall, som, tatt i betraktning

solsystemet kretser rundt solen. Imidlertid var Copernicus ikke i stand til å indikere årsakene til at denne rotasjonen skjer. Lovene for planetarisk bevegelse ble utledet i sin endelige form av den tyske astronomen J. Kepler (1571-1630). Kepler forsto fortsatt ikke at tyngdekraften bestemmer bevegelsen til planetene. Engelskmannen R. Cook i 1674

Han viste at bevegelsen til planeter i elliptiske baner stemmer overens med antakelsen om at de alle er tiltrukket av solen.

Isaac Newton (1642-1727) i en alder av 23 kom til den konklusjon at bevegelsen av planeter skjer under påvirkning av en radiell tiltrekningskraft rettet mot solen og modulo omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom solen og planet.

Men denne antagelsen måtte verifiseres av Newton, forutsatt at en gravitasjonskraft av samme opprinnelse holder satellitten, månen, nær jorden, og utførte en enkel beregning. Han gikk ut fra følgende: Månen beveger seg rundt Solen i en bane som, til en første tilnærming, kan betraktes som sirkulær. Dens sentripetale akselerasjon a kan beregnes ved hjelp av formelen

a =rω 2

der r er avstanden fra jorden til månen, og ω er månens vinkelakselerasjon. Verdien av r er lik seksti jordradier (R3 = 6370 km). Akselerasjon ω beregnes ut fra revolusjonsperioden til månen rundt jorden, som er 27,3 dager: ω =2π rad/27,3 dager

Da er akselerasjonen a:

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

Men hvis det er sant at gravitasjonskreftene avtar i omvendt proporsjon med kvadratet på avstanden, bør tyngdeakselerasjonen g l på Månen være:

g l =go /(60)2 =980/3600cm/s2 =0,27 cm/s3

Som et resultat av beregningene ble likheten oppnådd

a = g l,

de. kraften som holder månen i bane er ingenting annet enn månens tiltrekningskraft av jorden. Den samme likheten viser gyldigheten av Newtons antakelser om arten av endringen i kraft med avstand. Alt dette ga Newton grunnlaget for å skrive ned gravitasjonsloven i

siste matematiske form:

F=G (M1 M2 /r2 )

hvor F er kraften til gjensidig tiltrekning som virker mellom to masser M1 og M2 atskilt fra hverandre med en avstand r.

G-koeffisienten, som er en del av loven om universell gravitasjon, er fortsatt en mystisk gravitasjonskonstant. Ingenting er kjent om det - verken betydningen eller avhengigheten av egenskapene til å tiltrekke kropper.

Siden denne loven ble formulert av Newton samtidig med legemers bevegelseslover (dynamikkens lover), var forskere i stand til teoretisk å beregne banene til planeter.

I 1682 beregnet den engelske astronomen E. Halley, ved hjelp av Newtons formler, tidspunktet for den andre ankomsten til solen av en lyssterk komet observert på himmelen på den tiden. Kometen kom tilbake nøyaktig på det estimerte tidspunktet, og bekreftet teoriens sannhet.

Betydningen av Newtons tyngdelov ble fullstendig demonstrert i historien om oppdagelsen av en ny planet.

I 1846 ble beregninger av posisjonen til denne nye planeten utført av den franske astronomen W. Le Verrier. Etter at han rapporterte dens himmelkoordinater til den tyske astronomen I. Halle, ble den ukjente planeten, senere kalt Neptun, oppdaget nøyaktig på det beregnede stedet.

Til tross for åpenbare suksesser, ble ikke Newtons gravitasjonsteori endelig anerkjent på lenge. Verdien av gravitasjonskonstanten G i lovens formel var kjent.

Uten å vite verdien av gravitasjonskonstanten G, er det umulig å beregne F. Vi vet imidlertid akselerasjonen av fritt fall av legemer: go = 9,8 m/s2, som lar oss teoretisk anslå verdien av gravitasjonskonstanten G. Faktisk er kraften under påvirkning av hvilken ballen faller til jorden, kraftattraksjonen til ballen av jorden:

F1 =G(M111 M 3 /R3 2)

I henhold til den andre loven om dynamikk vil denne kraften gi kroppen akselerasjonen av fritt fall:

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

Når du kjenner verdien av jordens masse og dens radius, er det mulig å beregne verdien av gravitasjonskraften

konstant:

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

I 1798 oppdaget den engelske fysikeren G. Cavendish tiltrekning mellom små kropper under terrestriske forhold. To små blykuler på 730 g hver ble hengt opp i endene av vippearmen. Deretter ble det brakt to store blykuler på 158 kg hver til disse kulene. I disse eksperimentene observerte Cavendish først tiltrekningen av kropper til hverandre. Han bestemte også eksperimentelt verdien av gravitasjon

konstant:

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

Cavendishs eksperimenter er av enorm betydning for fysikk. For det første ble verdien av gravitasjonskonstanten målt, og for det andre beviste disse eksperimentene universaliteten til tyngdeloven.

Avogadro og Boltzmann konstanter

Hvordan verden fungerer har blitt spekulert i siden antikken. Tilhengere av ett synspunkt mente at det er et visst primærelement som alle stoffer er sammensatt av. Et slikt element, ifølge den gamle greske filosofen Geosides, var Jorden, Thales antok vann som det primære elementet, Anaximenes luft, Heraclitus - ild, Empedocles antok den samtidige eksistensen av alle fire primærelementene. Platon mente at under visse forhold kan ett primærelement forvandles til et annet.

Det var også et fundamentalt annet synspunkt. Leucippus, Demokritos og Epikuros representerte materie som bestående av små udelelige og ugjennomtrengelige partikler, forskjellige fra hverandre i størrelse og form. De kalte disse partiklene atomer (fra det greske "atomos" - udelelige). Synet på materiens struktur ble ikke støttet eksperimentelt, men kan betraktes som en intuitiv gjetning fra gamle forskere.

For første gang ble den korpuskulære teorien om materiens struktur, der materiens struktur ble forklart fra en atomposisjon, skapt av den engelske vitenskapsmannen R. Boyle (1627-1691).

Den franske vitenskapsmannen A. Lavoisier (1743-1794) ga den første klassifiseringen av kjemiske grunnstoffer i vitenskapens historie.

Korpuskulærteorien ble videreutviklet i verkene til den fremragende engelske kjemikeren J. Dalton (1776-1844). I 1803 Dalton oppdaget loven om enkle multiple forhold, ifølge hvilken forskjellige elementer kan kombineres med hverandre i forholdene 1:1,1:2, etc.

Paradokset i vitenskapshistorien er Daltons absolutte ikke-erkjennelse av loven om enkle volumetriske relasjoner oppdaget i 1808 av den franske vitenskapsmannen J. Gay-Lusac. I henhold til denne loven er volumene av både gassene som deltar i reaksjonen og de gassformige reaksjonsproduktene i enkle multiple forhold. For eksempel, å kombinere 2 liter hydrogen og 1 liter oksygen gir 2 liter. vanndamp. Dette var i strid med Daltons teori, han avviste Gaylusacs lov som ikke i samsvar med hans atomteori.

Veien ut av denne krisen ble indikert av Amedeo Avogadro. Han fant en mulighet til å kombinere Daltons atomteori med Gay-Lusacs lov. Hypotesen er at antallet molekyler alltid er det samme i like volum av alle gasser eller alltid er proporsjonalt med volumene. Avogadro introduserte dermed først i vitenskapen konseptet om et molekyl som en kombinasjon av atomer. Dette forklarte resultatene av Gay-Lusac: 2 liter hydrogenmolekyler kombinert med 1 liter oksygenmolekyler gir 2 liter vanndampmolekyler:

2H2+O2=2H20

Avogadros hypotese får eksepsjonell betydning på grunn av det faktum at den innebærer eksistensen av et konstant antall molekyler i en mol av ethvert stoff. Faktisk, hvis vi betegner den molare massen (massen til et stoff tatt i mengden av en mol) med M, og den relative molekylmassen med m, så er det åpenbart at

M=NA m

hvor NA er antall molekyler i en mol. Det er likt for alle stoffer:

NA =M/m

Ved å bruke dette kan du få et annet viktig resultat. Avogadros hypotese sier at det samme antall gassmolekyler alltid opptar samme volum. Følgelig er volumet Vo, som opptar en mol av enhver gass under normale forhold (temperatur 0Co og trykk 1,013 * 105 Pa), en konstant verdi. Denne molaren

volumet ble snart endret eksperimentelt og viste seg å være lik: Vo = 22,41*10-3 m3

En av fysikkens primære oppgaver var å bestemme antall molekyler i en mol av ethvert stoff NA, som senere mottok Avogadros konstant.

Den østerrikske vitenskapsmannen Ludwig Boltzmann (1844-1906), en fremragende teoretisk fysiker, forfatter av en rekke grunnleggende studier innen ulike felt av fysikk, forsvarte han ivrig den anatomiske hypotesen.

Boltzmann var den første som vurderte det viktige spørsmålet om fordelingen av termisk energi over ulike grader av frihet for gasspartikler. Han viste strengt tatt at den gjennomsnittlige kinematiske energien til gasspartikler E er proporsjonal med den absolutte temperaturen T:

E T Proporsjonalitetskoeffisienten kan finnes ved å bruke den grunnleggende ligningen

molekylær kinematisk teori:

p = 2/3 pE

Hvor n er konsentrasjonen av gassmolekyler. Multiplisere begge sider av denne ligningen med molekylvolumet Vo. Siden n Vo er antall molekyler i en mol gass, får vi:

р Vo == 2/3 NA E

På den annen side bestemmer tilstandsligningen til en ideell gass produktet p

Hva med

р Vo =RT

Derfor er 2/3 NA E = RT

Eller E=3 RT/2NA

R/NA-forholdet er en konstant verdi, lik for alle stoffer. Denne nye universelle fysiske konstanten ble mottatt, etter forslag fra M.

Planke, navn Boltzmann konstant k

k= R/NA.

Boltzmanns fordeler med å lage den molekylære kinetiske teorien om gasser fikk behørig anerkjennelse.

Den numeriske verdien av Boltzmanns konstant er: k= R/NA =8,31 ​​J mol/6,023*1023 K mol=1,38*10-16 J/K.

Boltzmann-konstanten ser ut til å forbinde egenskapene til mikroverdenen (gjennomsnittlig kinetisk energi til partikler E) og egenskapene til makroverdenen (gasstrykk og dens temperatur).

Faradays konstant

Studiet av fenomener knyttet på en eller annen måte til elektronet og dets bevegelse har gjort det mulig å forklare fra en samlet posisjon en lang rekke fysiske fenomener: elektrisitet og magnetisme, lys og elektromagnetiske vibrasjoner. Atomstruktur og elementær partikkelfysikk.

Så tidlig som 600 f.Kr. Thales of Miletus oppdaget tiltrekningen av lette kropper (fluff, papirbiter) med gnidd rav (rav oversatt fra gammelgresk betyr elektron).

Verk der visse elektriske fenomener er kvalitativt beskrevet. dukket opp veldig sparsomt i begynnelsen. I 1729 etablerte S. Gray inndelingen av kropper i ledere av elektrisk strøm og isolatorer. Franskmannen C. Dufay oppdaget at tetningsvoks gnidd med pels også er elektrifisert, men på motsatt måte av elektrifiseringen av en glassstang.

Det første verket der det ble gjort et forsøk på å teoretisk forklare elektriske fenomener ble skrevet av den amerikanske fysikeren W. Franklin i 1747. For å forklare elektrifisering foreslo han eksistensen av en viss «elektrisk væske» (væske), som er en komponent i alt betyr noe. Han assosierte tilstedeværelsen av to typer elektrisitet med eksistensen av to typer væsker - "positive" og "negative". Etter å ha oppdaget. at når glass og silke gnis mot hverandre, blir de elektrifisert forskjellig.

Det var Franklin som først foreslo den atomære, granulære naturen til elektrisitet: "Elektrisk materie er sammensatt av partikler som må være ekstremt små."

De grunnleggende konseptene i vitenskapen om elektrisitet ble formulert først etter at de første kvantitative studiene dukket opp. Den franske forskeren Charles Coulomb målte vekselvirkningskraften til elektriske ladninger i 1785.

interaksjoner mellom elektriske ladninger:

F= k q1 q2/r2

der q1 og q 2 er elektriske ladninger, r er avstanden mellom dem,

F er kraften i samspillet mellom ladninger, k er proporsjonalitetskoeffisienten. Vanskeligheter med å bruke elektriske fenomener skyldtes i stor grad det faktum at forskerne ikke hadde en praktisk kilde til elektrisk strøm til rådighet. Slik

kilden ble oppfunnet i 1800 av den italienske vitenskapsmannen A. Volta - det var en søyle av sink- og sølvsirkler adskilt av papir dynket i saltet vann. Intensiv forskning startet på passering av strøm gjennom ulike stoffer.

elektrolyse, inneholdt den de første indikasjonene på dette. at materie og elektrisitet er forbundet med hverandre. Den viktigste kvantitative forskningen innen elektrolyse ble utført av den største engelske fysikeren M. Faraday (1791-1867). Han fastslo at massen av et stoff som frigjøres på elektroden under passering av en elektrisk strøm er proporsjonal med strømstyrken og tiden (Faradays elektrolyselov Basert på dette viste han at for frigjøring av en masse stoff på). elektrodene, numerisk lik M/n (M er den molare massen til et stoff, n er dets valens), må du føre en strengt definert ladning F gjennom elektrolytten. Dermed dukket en annen viktig universell F opp i fysikk, lik. som målinger viste, F = 96 484,5 C/mol.

Deretter ble konstanten F kalt Faraday-tallet. En analyse av fenomenet elektrolyse førte Faraday til ideen om at bæreren av elektriske krefter ikke er noen elektriske væsker, men atomer-partikler av materie. "Materiens atomer er på en eller annen måte utstyrt med elektriske krefter," hevder han.

Faraday oppdaget først miljøets påvirkning på samspillet mellom elektriske ladninger og klargjorde formen til Coulombs lov:

F= q1 q2/ ε r2

Her er ε en karakteristikk av mediet, den såkalte dielektrisitetskonstanten. Basert på disse studiene avviste Faraday virkningen av elektriske ladninger på avstand (uten et mellommedium) og introduserte i fysikken en helt ny og viktigste idé om at bæreren og senderen av elektrisk påvirkning er det elektriske feltet!

Elektronladning og masse

Eksperimenter for å bestemme Avogadros konstante førte til at fysikere lurte på om egenskapene til det elektriske feltet ble for mye vektlagt. Finnes det ikke en mer konkret, mer materiell bærer av elektrisitet? For første gang ble denne ideen tydelig uttrykt i 1881. uttrykte G. Helmoltz: "Hvis vi innrømmer eksistensen av kjemiske atomer, så er vi tvunget til å konkludere herfra videre at elektrisitet, både positiv og negativ, er delt inn i visse elementære størrelser, som spiller rollen som elektrisitetsatomer."

Beregningen av denne "visse elementære mengden elektrisitet" ble utført av den irske fysikeren J. Stoney (1826-1911). Det er ekstremt enkelt. Hvis en ladning lik 96484,5 C er nødvendig for å frigjøre en mol av et monovalent element under elektrolyse, og en mol inneholder 6 * 1023 atomer, så er det åpenbart at ved å dele Faraday-tallet F med Avogadro-tallet NA, får vi mengden elektrisitet som kreves for å frigjøre en

materieatom. La oss betegne denne minimumsandelen av elektrisitet med e:

E = F/NA = 1,6*10-18 Cl.

I 1891 foreslo Stoney å kalle denne minimale mengden elektrisitet et elektron. Det ble snart akseptert av alle.

De universelle fysiske konstantene F og NA, i kombinasjon med den intellektuelle innsatsen til forskere, brakte til live en annen konstant - elektronladningen e.

Faktumet om eksistensen av et elektron som en uavhengig fysisk partikkel ble etablert i forskning under studiet av fenomener knyttet til passasje av elektrisk strøm gjennom gasser. Nok en gang må vi hylle innsikten til Faraday, som først begynte på disse studiene i 1838. Det var disse studiene som førte til oppdagelsen av de såkalte katodestrålene og til slutt til oppdagelsen av elektronet.

For å være sikker på at katodestråler virkelig representerer en strøm av negativt ladede partikler, var det nødvendig å bestemme massen til disse partiklene og deres ladning i direkte eksperimenter. Disse eksperimentene er fra 1897. utført av den engelske fysikeren J. J. Thomson. Samtidig brukte han avbøyningen av katodestråler i det elektriske feltet til kondensatoren og i magnetfeltet. Som beregninger viser, vinkelen

avviket til stråler θ i et elektrisk felt med styrke δ er lik:

θ = eδ / t* l/v2,

hvor e er ladningen til partikkelen, m er massen, l er lengden på kondensatoren,

v er partikkelhastigheten (den er kjent).

Når stråler avbøyes i et magnetfelt B, er avbøyningsvinkelen α lik:

α = eV/t * l/v

For θ ≈ α (som ble oppnådd i Thomsons eksperimenter) var det mulig å bestemme v og deretter beregne den, og forholdet e/t er en konstant uavhengig av gassens natur. Thomson

den første formulerte klart ideen om eksistensen av en ny elementær partikkel av materie, så han regnes med rette som oppdageren av elektronet.

Æren å direkte måle ladningen til et elektron og bevise at denne ladningen faktisk er den minste udelelige delen av elektrisitet tilhører den bemerkelsesverdige amerikanske fysikeren R. E. Millikan. Oljedråper fra en sprayflaske ble sprøytet inn i rommet mellom platene på kondensatoren gjennom det øvre vinduet. Teori og eksperiment har vist at når en dråpe faller sakte, fører luftmotstanden til at hastigheten blir konstant. Hvis feltstyrken ε mellom platene er null, er fallhastigheten v 1 lik:

v1 = f P

hvor P er vekten av dråpen,

f er proporsjonalitetskoeffisienten.

I nærvær av et elektrisk felt bestemmes fallhastigheten v 2 av uttrykket:

v2 = f (q ε - P),

hvor q er ladningen til dråpen. (Det antas at gravitasjon og elektrisk kraft er rettet motsatt av hverandre.) Av disse uttrykkene følger det at

q= P/ε v1 * (v1 + v2).

For å måle ladningen til dråper brukte Millikan de som ble oppdaget i 1895

ionisere luften. Luftioner fanges opp av dråpene, noe som fører til at ladningen til dråpene endres. Hvis vi betegner ladningen til en dråpe etter å ha fanget et ion med q! , og dens hastighet gjennom v 2 1, så er endringen i ladning delta q = q! -q

delta q== P/ε v1 *(v1 - v2 ),

verdien P/ ε v 1 for et gitt fall er konstant. Dermed reduseres endringen i ladningen til en dråpe til å måle banen som en dråpe olje har tilbakelagt og tiden det tok å reise denne banen. Men tiden og banen kan enkelt og ganske nøyaktig bestemmes eksperimentelt.

Millikans tallrike målinger viste at uavhengig av størrelsen på fallet, er endringen i ladning alltid et heltallsmultiplum av en minste ladning e:

delta q=ne, hvor n er et heltall. Dermed etablerte Millikans eksperimenter eksistensen av en minimumsmengde elektrisitet e. Eksperimenter har overbevisende bevist atomstrukturen til elektrisitet.

Eksperimenter og beregninger gjorde det mulig å bestemme verdien av ladningen e E = 1,6*10-19 C.

Realiteten av eksistensen av en minimumsandel av elektrisitet ble bevist Millikan selv var ansvarlig for disse reaksjonene i 1923. ble tildelt Nobelprisen.

Nå, ved å bruke verdien av den spesifikke ladningen til elektronet e/m og e kjent fra Thomsons eksperimenter, kan vi også beregne massen til elektronet e.

Verdien viste seg å være:

dvs. = 9,11*10-28 g.

Lysets hastighet

Metoden for direkte måling av lysets hastighet ble først foreslått av grunnleggeren av eksperimentell fysikk, Galileo. Ideen hans var veldig enkel. To observatører med lommelykter var plassert flere kilometer fra hverandre. Den første åpnet klaffen på lykten, og sendte et lyssignal i retning av den andre. Den andre, som la merke til lyset fra lykten, åpnet sin egen lukker og sendte et signal mot den første observatøren. Den første observatøren målte tiden t som gikk mellom oppdagelsen

hans lykt og tiden da han la merke til lyset fra den andre lykten. Lyshastigheten c er åpenbart lik:

der S er avstanden mellom observatører, t er den målte tiden.

De første eksperimentene som ble utført i Firenze med denne metoden ga imidlertid ikke klare resultater. Tidsintervallet t viste seg å være svært lite og vanskelig å måle. Likevel, fra eksperimentene fulgte det at lysets hastighet er begrenset.

Æren for den første målingen av lysets hastighet tilhører den danske astronomen O. Roemer. Gjennomført i 1676 Da han observerte solformørkelsen til Jupiter-satellitten, la han merke til at når Jorden er på et punkt i sin bane fjernt fra Jupiter, dukker satellitten Io opp fra skyggen av Jupiter 22 minutter senere. Roemer forklarte dette: "Lyset bruker denne tiden til å reise stedet fra min første observasjon til den nåværende posisjonen." Ved å dele diameteren til jordbanen D med forsinkelsestiden, var det mulig å oppnå verdien av lys c. På Roemers tid var D ikke kjent nøyaktig, så målingene hans antydet at c ≈ 215 000 km/s. Deretter ble både verdien av D og forsinkelsestiden finjustert, så nå, ved å bruke Roemers metode, ville vi få c ≈ 300 000 km/s.

Nesten 200 år etter Roemer ble lysets hastighet for første gang målt i jordiske laboratorier. Dette ble gjort i 1849. Franskmannen L. Fizeau. Metoden hans skilte seg ikke i prinsippet fra Galileos, bare den andre observatøren ble erstattet av et reflekterende speil, og i stedet for en håndbetjent lukker ble det brukt et raskt roterende tannhjul.

Fizeau plasserte det ene speilet i Suresnes, i farens hus, og det andre i Montmarte i Paris. Avstanden mellom speilene var L=8,66 km. Hjulet hadde 720 tenner, lyset nådde sin maksimale intensitet ved en hjulhastighet på 25 rps. Forskeren bestemte lysets hastighet ved å bruke Galileos formel:

Tid t er åpenbart lik t =1/25*1/720 s=1/18000s og s=312 000 km/s

Alle målingene ovenfor ble utført i luft. Hastigheten i vakuum ble beregnet ved å bruke den kjente verdien av brytningsindeksen til luft. Men ved måling over lange avstander kan det oppstå en feil på grunn av luftinhomogenitet. For å eliminere denne feilen, Michelson i 1932 målte lyshastigheten ved hjelp av den roterende prismemetoden, men når lys forplantet seg i et rør hvorfra luft ble pumpet ut, og oppnådd

s=299 774 ± 2 km/s

Utviklingen av vitenskap og teknologi har gjort det mulig å gjøre noen forbedringer av gamle metoder og utvikle fundamentalt nye. Så i 1928 det roterende tannhjulet erstattes av en treghetsfri elektrisk lysbryter, mens

С=299 788± 20 km/s

Med utviklingen av radar oppsto det nye muligheter for å måle lysets hastighet. Aslakson, ved bruk av denne metoden i 1948, oppnådde verdien c = 299.792 +1,4 km/s, og Essen, ved bruk av mikrobølgeinterferensmetoden, oppnådde c = 299.792 +3 km/s. I 1967 målinger av lysets hastighet utføres med helium-neon laser som lyskilde

Planck og Rydberg konstanter

I motsetning til mange andre universelle fysiske konstanter, har Plancks konstant en nøyaktig fødselsdato: 14. desember 1900. På denne dagen ga M. Planck en rapport ved German Physical Society, der det dukket opp en ny verdi for fysikere for å forklare emissiviteten til en absolutt svart kropp: h Basert på

Fra eksperimentelle data beregnet Planck verdien: h = 6,62*10-34 J s.

Et av de viktige begrepene i teori og praksis for målinger er begrepet en fysisk størrelse. Fysisk mengde- en egenskap som er kvalitativt felles for mange objekter, men kvantitativt individuell for hver av dem.

Mål en fysisk størrelse er bestemmelsen av dens verdi eksperimentelt ved bruk av spesielle tekniske midler. I henhold til metoden for å oppnå den numeriske verdien av den målte verdien, er alle målinger delt inn i direkte, indirekte, kumulative og felles.

Direkte målinger er basert på metoden for å sammenligne den målte mengden med målingen av denne mengden eller på metoden for direkte å estimere verdien av den målte mengden ved hjelp av en avlesningsanordning, hvis skala er gradert i enheter av den målte mengden. Et eksempel på direkte målinger er å måle strøm med et amperemeter.

Indirekte målinger– målinger, hvis resultat oppnås etter direkte målinger av mengder assosiert med den målte mengden ved en kjent avhengighet. Således utføres måling av elektrisk motstand i en DC-krets ved direkte målinger av strøm med et amperemeter og spenning med et voltmeter, etterfulgt av beregning av ønsket motstandsverdi.

Samlede målinger representere gjentatte, vanligvis direkte målinger av en eller flere mengder med samme navn med å oppnå et generelt måleresultat ved å løse et system av ligninger satt sammen fra bestemte måleresultater. Som et eksempel, la oss se på prosessen med å bestemme den gjensidige induktansen mellom to spoler ved å måle deres totale induktans to ganger. Først kobles spolene sammen slik at magnetfeltene deres summeres, og den totale induktansen måles: L 01 = L 1 + L 2 + 2M, hvor M er den gjensidige induktansen; L 1, L 2 – induktanser til den første og andre spolen. Spolene kobles så sammen slik at magnetfeltene deres trekkes fra, og den totale induktansen måles: L 02 = L 1 + L 2 – 2M. Ønsket verdi av M bestemmes ved å løse disse ligningene: M = (L 01 - L 02)/4.

Fellesmålinger bestå i samtidig måling av to eller flere forskjellige størrelser med påfølgende beregning av resultatet ved å løse et system av ligninger oppnådd under målinger. La du for eksempel finne temperaturkoeffisientene A, B til termistoren R t = R 0 (1+AT + BT 2), der R 0 er motstandsverdien ved T 0 = 20 o C, T er temperaturen på mediet. Ved å måle motstandsverdiene R 0 , R 1 , R 2 til termistoren ved temperaturer T 0 , T 1 , T 2 bestemt ved hjelp av et termometer, og løse det resulterende systemet med tre ligninger, vil vi finne verdiene til mengdene A og B.

Måleinstrument– en teknisk innretning som brukes i målinger og som har standardiserte metrologiske egenskaper. Måleinstrumenter omfatter tiltak, måletransdusere, måleinstrumenter og målesystemer.

Måle– et måleinstrument designet for å lagre og reprodusere en fysisk mengde av en gitt størrelse. Tiltak inkluderer normale elementer, motstandslagre, standard signalgeneratorer og graderte skalaer for indikasjonsinstrumenter.

Transdusere– måleinstrumenter designet for å konvertere et målesignal til en form som er praktisk for overføring, lagring og prosessering.

Måleinstrumenter– måleinstrumenter designet for å generere et måleinformasjonssignal, funksjonelt relatert til den numeriske verdien av den målte mengden, og vise dette signalet på en leseenhet eller registrere det.

Målesystem– et sett med måleinstrumenter og hjelpeenheter som gir måleinformasjon om objektet som studeres i et gitt volum og gitte forhold.

De viktigste egenskapene til måleinstrumenter er metrologiske egenskaper. Metrologiske egenskaper (karakteristikk) inkluderer nøyaktighet, måleområde, følsomhet, hastighet, etc.