Международна система единици – Уикипедия

Международната система единици (международно означение SI, от френски: Système international d'unités^[1]) е съвременната форма на метричната система (наречена така заради една от основните си мерни единици – метъра) и е най-широко използваната система единици както в науката, така и в стопанството и техниката. Тя представлява кохерентна система единици, изградена от 7 основни, 22 именувани и неограничен брой неименувани кохерентни производни единици, както и набор от стандартни представки, които имат характер на десетични множители. Дефинира се от стойността на 7 константи, чрез които са дефинирани седемте основни единици.

Стандартите на Международната система единици, публикувани през 1960 г., са резултат от процес, започнал през 1948 г., и се основават на старата система метър – килограм – секунда (MKS), а не на конкурентната система сантиметър – грам – секунда (CGS), която от своя страна има няколко разновидности. Самата Международна система единици не е фиксирана, а дефинициите за единиците могат да се променят с международно споразумение, когато развитието на техниките за измерване даде възможност за по-точна дефиниция.

Причина за създаването на Международната система единици е появата на множество варианти на системата сантиметър – грам – секунда и липсата на координация между различните области на науката при използването на единици. Освен че дефинира нов вариант на метричната система, Генералната конференция по мерки и теглилки (CGPM), организация, създадена с Метричната конвенция през 1875 г., успява да убеди множество международни организации да постигнат съгласие не само за дефинициите на Международната система единици, но и за правила за изписване и представяне на измерванията по стандартен начин.

Международната система единици е приета от повечето страни по света, макар че в англоезичните страни въвеждането на системата не е пълно. В Съединените щати метричните единици не се използват често извън науката и администрацията, но използваните в страната единици са дефинирани чрез единиците от Международната система. Във Великобритания и Канада Международната система единици е въведена частично, като в някои области продължават да се използват имперски единици.

Пълното официално описание на SI заедно с нейното тълкуване се съдържа в действащата редакция на Брошурата SI (на френски: Brochure SI; на английски: The SI Brochure) и допълнението към нея, публикувани от Международното бюро за мерки и теглилки (BIPM) и представени на сайта на BIPM.^[2] Брошурата SI се издава от 1970 г., от 1985 г. излиза на френски и английски език, преведена е също на ред други езици, обаче за официален се смята само текстът на френски език. Брошурата е публикувана в превод на български език от Съюза на метролозите в България в „Бюлетин в помощ на специалиста“, брой 1, 2020 г.^[3]

Международният стандарт ISO/IEC 80000 (издаден съвместно от IEC и ISO) описва Международната система (SI) и препоръките за употреба на кратните и други производни единици. ^[4]

Метричната система е въведена за първи път по време на Френската революция, като първоначално включва само метъра и килограма като стандарти за дължина и маса.

През 1791 г. във Франция Националното събрание и крал Луи XVI възлагат на специален комитет на Френската академия на науките да разработи унифицирана и рационална система за измерване.^[5] Групата, сред участниците в която са химикът Антоан Лавоазие и математиците Пиер-Симон Лаплас и Адриан-Мари Льожандър,^[6] прилага принципите за свързване на дължина, обем и маса, изложени от английския духовник Джон Уилкинс през 1668 г.,^[7][8] както и концепцията за използване на дължината на земния меридиан като основа на дефиницията на единица за дължина, предложена през 1670 г. от французина Габриел Мутон.^[9][10]

На 30 март 1791 г. Националното събрание приема предложените от комитета принципи на новата десетична система за измерване и организира геодезични измервания между Дюнкерк и Барселона, за да се определи дължината на меридиана. На 11 юли 1792 г. комитетът предлага наименованията „метър“, „ар“, „литър“ и „грав“ за единиците за дължина, площ, обем и маса. Комитетът предлага и имената на производните единици да се образуват чрез добавяне на десетични представки, като „санти-“ за една стотна и „кило-“ за хиляда.^[11]

Закон от 7 април 1795 г. дефинира единиците грам и килограм, които заменят дотогавашните грав и гравѐ (1/1000 от грав), а на 22 юни 1799 г., след като Пиер Мешен и Жан-Батист Жозеф Дьоламбр завършват измерването на меридиана, в Националния архив на Франция са поставени стандартните образци за метър и килограм. На 10 декември 1799 г., месец след преврата от 18 брюмер, е приет законът, с който във Франция окончателно се въвежда метричната система.^[12][13]

През първата половина на XIX век няма особена последователност в избора на множители на основните единици – например мириаметърът (10 000 m) се използва широко както във Франция, така и в части от Германия, докато за маса се използва килограм (1000 g), а не мириаграм.^[14]

Карл Фридрих Гаус
(1777 – 1855)

Вилхелм Едуард Вебер
(1804 – 1891)

Карл Фридрих Гаус (1777 – 1855) и Вилхелм Вебер (1804 – 1891) дефинират секундата като основна единица, изразявайки земното магнитно поле в секунди, милиметри, грамове и описват земното гравитационно поле в абсолютни единици.

През 30-те години на XIX век германецът Карл Фридрих Гаус поставя основите на кохерентна система, базирана на единици за дължина, маса и време. През 1832 г. той, със съдействието на Вилхелм Вебер имплицитно дефинира секундата като основна единица, изразявайки земното магнитно поле в милиметри, грамове и секунди.^[16] Дотогава интензитетът на земното магнитно поле е описван само в относителни единици. Техниката, използвана от Гаус, е да уравновеси момента на силата, предизвиквана от земното магнитно поле в окачен магнит с известна маса, с момента, предизвикван от земното притегляне върху еквивалентна система.^[17]

Джеймс Кларк Максуел (1831 – 1879)

Уилям Томсън
(1824 – 1907)

Джеймс Максуел и Уилям Томсън играят важна роля за разработването на принципа за кохерентност и при определянето на имена на много от единиците. ^{[16][18][19][20][21]}

През 60-те години група учени, работещи за Британската асоциация за напредък на науката, формулират изискванията за кохерентност на система от основни и производни единици. Групата, включваща Джеймс Кларк Максуел и Уилям Томсън, надгражда постигнатото от Гаус и дефинира формално концепцията за кохерентна система единици, съдържаща основни и производни единици. Принципът на кохерентност е използван успешно за дефинирането на единици, базирани на системата „сантиметър – грам – секунда“ (CGS), като ерг за енергия, дина за сила, бария за налягане, поаз за динамичен вискозитет и стокс за кинематичен вискозитет.^[20]

Масовото използване на различни системи единици забавя включването в тях на електрически единици до 1900 г., когато Джовани Джорджи установява необходимостта от дефинирането на една електрическа величина като четвърта основна, наред с първоначалните три.

Междувременно през 1875 г. Метричната конвенция прехвърля отговорността за сравняване на килограма и метъра с договорени прототипи от френски към международен контрол. През 1921 г. Конвенцията е разширена, обхващайки всички физични величини, включително електрическите единици, първоначално дефинирани през 1893 г.

През 1948 г. започва мащабна ревизия на метричната система, която разработва Практическа система единици – тя е публикувана през 1960 г. под името Международна система единици. През 1954 г. X Генерална конференция по мерки и теглилки определя електрическия ток като четвърта основна величина на Практическата система единици и добавя две нови основни величини – температура и интензитет на светлината, с което основните величини стават шест, а съответните им основни единици са метър, килограм, секунда, ампер, келвин и кандела. През 1971 г. е добавена и седма величина – количество вещество, представяна с единицата мол.

Единиците от SI са определени на международни конференции, организирани от Международното бюро за мерки и теглилки (BIPM), които се провеждат веднъж на 4 години в Париж.^[22]

През май 2019 г. влизат в действие нови определения на основните единици от SI, при което от определенията отпадат позоваванията на каквито и да са материални предмети.^[3]

Системата е законно призната и се ползва по целия свят, като в повечето страни е задължителна, вкл. в България. Страните, които все още признават и други единици (напр. САЩ и Обединеното кралство), използват SI, за да ги дефинират.

Съгласно чл. 3 и 11 от Закона за измерванията, в Република България са разрешени за използване само единиците от Международната система единици (SI), също и единиците, използвани заедно със SI (виж по-долу), както и техните съставни единици.

До 1990-те г. в България (подобно на СССР) са се използвали и означения на единиците и представките на кирилица, установени с БДС 3952, въпреки че правилата на международната система още тогава не са допускали това (SI не съдържа означения на кирилица). През 1994 г. БДС 3952 е отменен като противоречащ на SI по отношение на означенията и е заменен с групата стандарти БДС ISO 31 (по-късно заменени от ISO/IEC 80000). Същевременно е преработен Законът за измерванията, който прави задължително ползването на SI в България (тъй като стандартите вече са незадължителни). В изпълнение на закона е утвърдена Наредба за единиците за измерване, разрешени за използване в Република България.

Съгласно международните документи (Брошура SI, ISO 80000, Международен метрологичен речник^[23]), единиците от SI имат наименования и означения. Наименованията на единиците могат да се записват и произнасят различно на различните езици, например: на френски: kilogramme; на английски: kilogram; на португалски: quilograma; на уелски: cilogram; на български: килограм; на гръцки: χιλιόγραμμο; на китайски: 千克; на японски: キログラム. Означенията на единиците, съгласно Брошурата SI, не са съкращения, а математически обекти (на френски: entités mathématiques; на английски: mathematical entities). Те влизат в международната научна символика на ISO 80000 и не зависят от езика, например kg фигурира в текстовете на всички езици. В международните означения на единиците се използват букви от латинската азбука, в отделни случаи – гръцки букви или специални символи.

Наименованията на единиците се подчиняват на граматическите норми на езика, в който се използват: един мол, два мола; на румънски: cinci kilograme, treizeci de kilograme. Означенията на единиците не се изменят: 1 mol, 2 mol, 5 kg, 30 kg.

• Означенията се изписват с малки латински или гръцки букви, освен за символи, при които единицата произлиза от лично име: например означението на единицата за налягане, наречена на Блез Паскал (Blaise Pascal), е Pa, докато самата мерна единица се изписва „паскал“. Официално SI разрешава едно изключение – литъра, за означаването на който може да се ползва както малка, така и главна латинска буква (l или L).
• Означенията остават в единствено число: 25 kg (не „25 kgs“) (отнася се за английския език).
• Препоръчително е да се използва обикновен (изправен, роман) шрифт (например kg за килограм, m за метър), за да се различават от математически и физични променливи, които се изписват в курсив (например m за маса, l за дължина).
• Между числата и означенията се оставя интервал: 2,21 kg, 7,3.10² m².
• Между цифрите в групи по три се оставят интервали, например 1 000 000 или 342 142 (а не запетайки или точки като 1,000,000 или 1.000.000).
• Дробната част на числото се отделя с десетична запетая. Числото „двадесет и четири цяло и петдесет и една стотни“ се изписва „24,51“. През 1997 г. Международният комитет за мерки и теглилки приема, че британската десетична точка може да се използва в текстове, написани на английски език („24.51“). За всички други езици официалният стандарт остава десетичната запетая.
• При изписване на означението на единиците за измерване, след него не се поставя точка (освен ако не е в края на изречението).^[24][25]

Единицата за измерване на дадена величина (виж Системи единици) е единична стойност на съответната величина, приета като мярка за измерването ѝ. За една величина могат да се използват различни единици. Например:

• стойността на скоростта v може да се изрази в „метри за секунда“ и „километри за час“ като
  v [в km/h] = 3,6.v [в m/s] и
  v [в m/s] = 0,27777777.v [в km/h];
• мощността Р може да се изрази в единиците „ват“, „киловат“, „конска сила“ и др., като
  Р [в к. с.] = 1,35962173.P [в kW] = 1359,62173.P [във W] и
  P [в kW] = 0,73549875.Р [в к. с.].

Международната система на единици SI се дефинира от стойността на 7 константи, чрез които се дефинират седемте основни единици.^[3] Седемте дефиниционни константи са избрани по такъв начин, че всяка единица в SI може да се изрази чрез една от тези константи, чрез тяхно произведение или частно.

Международната система на единици SI е системата на единици, в която:

• честотата на свръхфиния преход от основното състояние на несмущаван атом на Цезий 133, ΔV_Cs е равна на
  9 192 631 770 Hz;
• скоростта на светлината във вакуум c е равна на 299 792 458 m/s;
• константата на Планк h е равна на 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s;
• елементарният електричен заряд е е равен на 1,602 176 634×10⁻¹⁹ С;
• константата на Болцман k е равна на 1,380 649 × 10⁻²³ J/K;
• константата на Авогадро N_A е равна на 6,022 140 76 × 10²³ mol^-1;
• светлинната ефективност на монохроматично лъчение с честота 540 × 10¹² Hz, K_cd е равна на 683 lm/W,

където единиците херц Hz, джаул J, кулон C, лумен lm и ват W са свързани с единиците секунда s, метър m, килограм kg, ампер A, келвин K, мол mol и кандела cd чрез уравненията Hz = s⁻¹ , J = kg·m²·s⁻², C = A·s, lm = cd·m²·m⁻² = cd·sr (стерадиан) и W = kg·m²·s⁻³.

В SI са дефинирани седем основни единици заедно с представки. Всички останали единици са техни производни. Седемте основни единици са метър, килограм, секунда, ампер, келвин, мол и кандела съответно за следните физични величини: дължина, маса, време, електрически ток, температура, количество вещество и светлинен интензитет. Символите или означенията им се изписват с малка буква, изключение правят само К (келвин) и А (ампер), защото идват от имена на хора.

Основни единици^[26]

Име	Означение	Мярка за	Определение
метър	m	Дължина	Единицата за дължина „метър“ се определя, като фиксираната числена стойност на скоростта на светлината във вакуум c се приема за 299 792 458, изразена в единицата m/s, където секундата се определя посредством ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$, и се означава с „m“.
килограм	kg	Маса	Единицата за маса „килограм“ се определя, като фиксираната числена стойност на константата на Планк h се приема за 6,626 070 15 × 10−34, изразена в единицата J s, равна на kg m2 s−1, където метърът и секундата се определят посредством c и ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$, и се означава с „kg“.
секунда	s	Време	Единицата за време „секунда“ се определя, като фиксираната числена стойност на честотата на трептене на цезия ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$, честотата на свръхфиния преход от непертурбираното основно състояние на атома на цезий 133, се приема за 9 192 631 770, изразена в единицата Hz, равна на s−1, и се означава с „s“.
ампер	A	Електрически ток	Единицата за електричен ток „ампер“ се определя, като фиксираната числена стойност на елементарния заряд e се приема за 1,602 176 634 × 10−19, изразена в единицата C, равна на A s, където секундата се определя посредством ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$, и се означава с „А“.
келвин	K	Термодинамична температура	Единицата за термодинамична температура „келвин“ се определя като фиксираната числена стойност на константата на Болцман k се приема за 1,380 649 × 10−23, изразена в единицата J K−1, равна на kg m2 s−2 K−1, където килограмът, метърът и секундата се определят посредством h, c и ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$, и се означава с „К“.
мол	mol	Количество вещество	Един мол съдържа точно 6,022 140 76 × 1023 структурни единици. Това число е фиксираната числена стойност на константата на Авогадро NA, изразена в единицата mol−1, и се нарича „число на Авогадро“.
кандела	cd	Интензитет на светлината	Единицата за интензитет на светлина „кандела“ в определена посока се определя чрез фиксираната числена стойност на светлинната ефективност на монохроматичното излъчване с честота 540 × 1012 Hz, Kcd се приема за 683, изразена в единицата lm W−1, която е равна на cd sr W−1 или на cd sr kg-1 m−2 s3, където килограмът, метърът и секундата се определят посредством h, c и ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$, и се означава с „cd“.

Единиците за ъгъл се смятат за специален клас допълнителни единици (по предложение на BIMP).

Производните единици в SI се получават чрез произведения от степени на основните единици SI и/или допълнителните единици SI и служат за измерване на други количества. Макар че всички основни единици могат да се комбинират, не всички получени комбинации имат имена.

Когато единицата има отношение към площ, което е двуизмерна величина, се ползва втората степен (квадрат), а когато е към обем, което е триизмерна величина, се ползва третата степен (куб).

 Основна статия: Извънсистемна единица

Много мерни единици, които не са част от SI са приети да се използват съвместно с тези от SI (например ден, литър, бар), други се допускат за определени области (например милиметър живачен стълб), а за трети вид се препоръчва постепенно излизане от употреба (например конска сила).

 Основна статия: Представки SI

Използването на основните, допълнителните и производните единици в практиката понякога е затруднено, поради много малка или твърде голяма стойност на единицата. Затова е приета системата с представки, кратни на 10, които определят по-голяма стойност на величината или дробни части от нея, когато трябва да се използва много малка част.

1) Единицата за температура по Целзий „градус Целзий“ е равна на единицата „келвин“ и се определя като разликата

t = Т – Т₀

между двете термодинамични температури Т и Т₀, където Т₀ = 273,15 К, и се означава с „°С“. Температурен интервал или температурна разлика имат еднаква стойност, независимо дали са изразени в келвини или в градуси Целзий.

2) С количеството вещество (означава се с n) на дадена система се измерва броят на определени структурни единици. Структурната единица може да бъде атом, молекула, йон, електрон или всяка друга частица или определена група от частици.

Цитирани източници

• I. Mills, Tomislav Cvitas, Klaus Homann, Nikola Kallay, IUPAC: Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd ed., Blackwell Science Inc 1993, ISBN 0-632-03583-8.

• Извънсистемна единица
• Други системи за измерване: Имперски единици, Обичайни единици в САЩ, система Метър-тон-секунда и Китайски единици
• Преход към метричната система
• Метрична система в САЩ
• Метрология
• UTC (Координирано универсално време)
• Представки за означаване на кратни и дробни величини
• Двоични представки – използвани за количествено изразяване на големи обеми цифрова информация (цифрови данни)
• Порядък на величините

Официални

• Международно бюро за мерки и теглилки (BIMP)
• Най-важното от SI
• Наредба за единиците за измерване, разрешени за използване в Република България, изм. и доп. Държавен вестник бр. 46 от 19 май 2020 г.
• „Бюлетин в помощ на специалиста“, брой 1, 2020 г., Съюз на метролозите в България

Информация

• SI—Its History and Use in Science and Industry
• Nelson, Robert A., „The International System of Units Its History and Use in Science and Industry“. Via Satellite, February 2000
• Метричната система – и на Луната! ((en)) Архив на оригинала от 2010-07-11 в Wayback Machine.