Fizică

1. Sistemul Internațional de Mărimi si Unități

Obiectul Fizicii îl constituie studiul sistemelor fizice. Proprietățile fizice ale sistemelor

sunt reprezentate prin mărimi fizice. Nu toate proprietățile fizice sunt neapărat si mărimi fizice.

Aceasta pentru că, pentru a intra în categoria mărimilor fizice, proprietățile fizice considerate

trebuie să fie măsurabile. Operația de măsurare, operație fundamentală în fizică, implică în

primul rând definirea unei unități de măsură pentru o mărime fizică, iar pentru fiecare unitate de

măsura avem nevoie de un etalon, cu care să comparăm cantitatea de mărime fizică pe care

dorim să o măsurăm. Studiul legilor care guvernează evoluția sistemelor fizice relevă faptul că

între marimile fizice corespunzătoare există relații de dependență, exprimate prin intermediul

formulelor fizice. Având în vedere că confecționarea si păstrarea unui etalon sunt operații

costisitoare, faptul că între mărimile fizice exista relații de dependență ne sugerează o divizare a

întregului ansamblu de mărimi fizice în doua categorii si anume, mărimi fizice fundamentale si

mărimi fizice derivate, astfel că este necesară construirea unui număr mai mic de etaloane,

respectiv numai etaloane pentru mărimile fizice fundamentale, celelalte etaloanele pentru

mărimile derivate putând fi definite cu ajutorul etaloanelor mărimilor fizice fundamentale.

Această împărțire în doua categorii permite deci o simplificare a proceselor de măsurare,

implicate în studiul si verificarea legităților care guvernează evoluția sistemelor fizice.

Alegerea mărimilor fizice fundamentale din multitudinea de mărimi fizice este o

chestiune de conveniență. O dată stabilită clasa mărimilor fizice fundamentale si a unităților de

măsură corespunzătoare (numite de asemenea unități de măsură fundamentale) si a restului de

mărimi fizice ca fiind mărimi fizice derivate pentru care unitătile de măsură derivate să fie

exprimate cu ajutorul unităților de măsură fundamentale , spunem că am definit un Sistem de

Mărimi si Unități.

4

Sistemul Internațional de Mărimi si Unități, acronim SI, a fost stabilit de către cea de-a

11-a Conferință Generală de Măsuri si Greutăți în anul 1960 si a fost adoptat de țara noastră din

anul 1961. SI se bazează pe alegerea a sapte mărimi fizice fundamentale si deci a sapte unități

de măsură fundamentale necesare pentru măsurarea mărimilor fundamenale. Mărimile

fundamentale din SI sunt: lungimea, timpul, masa, intensitatea curentului electric, temperatura,

intensitatea luminoasă si cantitatea de substanță. Unitățile de măsură si etaloanele pentru aceste

mărimi sunt:

a.Unitatea de lungime

Unitatea de lungime, metrul, este definită cu ajutorul lungimii de undă a unei anumite

radiații electomagnetice, luminoase, monocromatice, emisă de un anumit izotop stabil al unui

element chimic într-o stare foarte pură. Prin interferometrie se pot obține franje de interferență

care permit stabilirea unei relații matematice între lungimea de undă si diferența de drum între

două radiații coerente. Cu cât radiația folosită este mai monocromatică, cu atât se pot realiza

diferențe de drum mai mari. Se poate ajunge astfel la diferențe de drum de un metru, ceea ce

permite compararea acestei lungimi cu radiația etalon: linia portocalie din spectrul izotopului

stabil al kriptonului 86.

Metrul este lungimea egală cu 1 650 763,73 lungimi de undă, în vid, ale radiației care

corespunde tranziției atomului lui kripton 86 între nivelele sale 2 p10 si 5 5d .

b. Unitatea de timp

Unitatea de timp, secunda, a fost definită inițial în funcție de perioada unui fenomen

periodic natural: rotația aparentă a Soarelui în jurul Pământului. In prezent noua definiție a

secundei este bazată pe frecvența unei radiații corespunzătoare tranziției între două nivele

energetice ale unui atom. Utilizându-se o radiație de frecvență relativ mică si anume din

domeniul radiațiilor hertziene, se pot obține cu ajutorul fenomenului bătăilor în montaje

electronice semnale distanțate în timp cu durate de fracțiuni de secundă sau chiar de o secundă.

Pentru aceasta se foloseste radiația emisă la tranziția între cele două nivele hiperfine ale stării

fundamentale ale atomului de cesiu 133. Cesiu 133 este singurul izotop stabil al cesiului iar

radiația folosită are o frecvență de aproximativ 9.192 ⋅109 Hz , ceea ce corespunde unei lungimi

de undă în vid de aproximativ 3 cm.

Secunda este durata de timp a 9 192 631 770 perioade ale radiației corespunzătoare

tranzacției între cele două nivele hiperfine ale stării fundamentale ale atomului de cesiu 133.

5

c. Unitatea de masă

Unitatea de masă, kilogramul, este masa unui corp etalon, adoptat convențional, denumit

,,kilogram internațional”. Kilogramul este masa ,,kilogramului internațional” prototip de

platină iridiată, adoptat în 1889 de Conferința Generală de Măsuri si Greutăți păstrat la Biroul

Internațional de Măsuri si Greutăți de la Sèvres-Franța.

Nu s-a pus încă problema găsirii unui etalon natural pentru unitatea de masă, cum ar fi, de

exemplu, masa unei anumite molecule, deoarece compararea ,,kilogramului internațional” cu

masa unei molecule nu se poate face cu gradul de precizie cerut de metrologie.

Există totusi o problemă legată de stabilitatea etalonului ales. Astfel, în ultimii 60 de ani ,

diferite comparații ale etalonului de un kilogram cu copii identice ale acestuia, sugerează că

masa acestuia se modifică. De aceea în momentul de față, oamenii de stiință s-au orientat spre a

construi un etalon care este definit în funcție de două constante fundamentale, constanta lui

Planck h = 6.625 ⋅10−34 J.s si sarcina electrică a electronului e = 1.6 ⋅10−19C . Obținerea

etalonului se bazează pe compararea cu ajutorul unei balanțe speciale (balanță watt) a greutății

unui esantion în care se generează efect Hall cuantic, cu o forță electromagnetică în care este

implicat un curent limitat de rezistența electrică cuantică Hall. Această rezistență Hall cuantică

este dată de raportul h / e2 si este independentă de materialul folosit ca esantion.

d. Unitatea de intensitate a curentului electric

Unitatea de intensitate a curentului electric, amperul, este definit cu ajutorul forței care

se exercită între doi curenți situați la o anumită distanță unul de altul si plasați în vid. Pentru doi

curenți de intensități I ′ si I ′ paraleli pe lungime l asezați la distanța d unul de celălalt în vid,

forța are expresia