Кіріспе
Сантиметр, грамм және секундты негізгі бірліктер ретінде қолданатын физикалық өлшеу жүйесі. Сантиметр-грам-секунд бірліктер жүйесі (CGS немесе cgs) – сантиметр ұзындық бірлігі, грамм масса бірлігі және секунд уақыт бірлігі ретінде негізделген метрикалық жүйенің бір түрі. Барлық CGS механикалық бірліктері осы үш негізгі бірліктен шығарылған, бірақ CGS жүйесі электромагнетизмді қамту үшін әртүрлі тәсілдерді ұсынады. CGS жүйесі негізінен метр, килограмм және секундқа негізделген MKS жүйесімен ығыстырылды, ол өз кезегінде кеңейтіліп, Халықаралық бірліктер жүйесімен (SI) алмастырылды. Ғылым мен инженерияның көптеген салаларында SI – жалғыз қолданылатын бірліктер жүйесі, бірақ CGS кейбір тармақтарда әлі де кең таралған. Таза механикалық жүйелерді өлшеу кезінде (ұзындық, масса, күш, энергия, қысым және т.б. бірліктерін қамтиды) CGS және SI арасындағы айырмашылықтар түсінікті: бірліктерді түрлендіру коэффициенттерінің барлығы 10-ның дәрежесі болып табылады, себебі 1 = 100 см = 1 м және 1 = 1000 г = 1 кг. Мысалы, CGS күш бірлігі – дина, ол 1-ге тең деп анықталады, сондықтан күштің SI бірлігі – ньютон (1) 100000-ға тең. Ал электромагниттік құбылыстарды өлшеуде (заряд бірліктерін, электр және магнит өрістерін, кернеу және т.б. қамтиды) CGS мен SI арасындағы түрлендіру оңай емес. Электромагнетизмнің физикалық заңдарының формулалары (мысалы, Максвелл теңдеулері) қолданылатын бірліктер жүйесіне байланысты өзгереді, өйткені электромагниттік шамалар SI және CGS жүйелерінде әртүрлі анықталады. Сонымен қатар, CGS-де электромагниттік шамаларды анықтаудың бірнеше мүмкіндігі бар, бұл Гаусс бірліктері, "ESU", "EMU" және Хевисайд-Лоренц бірліктері сияқты әртүрлі "ішкі жүйелерге" әкеледі. Осы таңдаулардың ішінде Гаусс бірліктері бүгінгі күні ең көп қолданылады, ал "CGS бірліктері" көбінесе CGS Гаусс бірліктерін білдіреді.
The centimetre–gram–second system of units (CGS or cgs) is a variant of the metric system based on the centimetre as the unit of length, the gram as the unit of mass, and the second as the unit of time. All CGS mechanical units are unambiguously derived from these three base units, but there are several different ways in which the CGS system was extended to cover electromagnetism. The CGS system has been largely supplanted by the MKS system based on the metre, kilogram, and second, which was in turn extended and replaced by the International System of Units (SI). In many fields of science and engineering, SI is the only system of units in use, but CGS is still prevalent in certain subfields. In measurements of purely mechanical systems (involving units of length, mass, force, energy, pressure, and so on), the differences between CGS and SI are straightforward: the unit conversion factors are all powers of 10 as 1=100 cm = 1 m and 1=1000 g = 1 kg. For example, the CGS unit of force is the dyne, which is defined as 1, so the SI unit of force, the newton (1), is equal to 100000. On the other hand, in measurements of electromagnetic phenomena (involving units of charge, electric and magnetic fields, voltage, and so on), converting between CGS and SI is less straightforward. Formulas for physical laws of electromagnetism (such as Maxwell's equations) take a form that depends on which system of units is being used, because the electromagnetic quantities are defined differently in SI and in CGS. Furthermore, within CGS, there are several plausible ways to define electromagnetic quantities, leading to different "sub systems", including Gaussian units, "ESU", "EMU", and Heaviside–Lorentz units. Among these choices, Gaussian units are the most common today, and "CGS units" is often intended to refer to CGS Gaussian units.
Тарих
CGS жүйесі 1832 жылы неміс математигі Карл Фридрих Гаусс ұсынған, ұзындық, масса және уақыттың үш негізгі бірлігіне негізделген абсолюттік бірліктер жүйесін құру туралы ұсынысқа қайнатылады. Гаусс миллиметр, миллиграмм және секунд бірліктерін таңдады. 1873 жылы физиктер Джеймс Клерк Максвелл мен Уильям Томсонды қоса алған, Британдық ғылымды дамыту қауымдастығының комитеті сантиметр, грамм және секундты негізгі бірліктер ретінде қабылдауды, ал барлық туынды электромагниттік бірліктерді осы негізгі бірліктерде, "CGS бірлігі" деген префиксті қолдана отырып көрсетуді ұсынды. Көптеген CGS бірліктерінің шамалары практикалық тұрғыдан қолайсыз болып шықты. Мысалы, көптеген күнделікті заттардың ұзындығы жүздеген немесе мыңдаған сантиметрге жетеді, мысалы, адамдар, бөлмелер және ғимараттар. Сондықтан CGS жүйесі ғылым саласының шегінен тыс жерлерде кеңінен қолданылмады. 1880-жылдардан бастап, және әсіресе 20-ғасырдың ортасынан бастап, CGS жүйесі халықаралық ғылыми мақсаттар үшін MKS (метр-килограмм-секунд) жүйесімен біртіндеп ығыстырылды, ол өз кезегінде қазіргі заманғы SI стандартына дамыды. 1940 жылдары MKS стандартын, ал 1960 жылдары SI стандартын халықаралық деңгейде қабылдағаннан бері CGS бірліктерін техникалық қолдану әлем бойынша біртіндеп төмендеді. CGS бірліктері NIST және Америка физикалық қоғамы, Халықаралық астрономиялық одақ сияқты ұйымдар тарапынан СИ бірліктерінің пайдасына қолданудан шығарылды. SI бірліктері инженерлік салаларда және физика білімінде басым қолданылады, ал Гаусс CGS бірліктері теориялық физикада, микроскопиялық жүйелерді сипаттауда, релятивистік электродинамикада және астрофизикада жиі қолданылады. Грамм және сантиметр бірліктері, басқа префикстелген SI бірліктері сияқты, SI жүйесінде үйлесімсіз бірліктер ретінде пайдалы болып қалады.
Бірлік белгілері
Өздеріне есім берілмеген CGS ESU жүйесіндегі барлық электромагниттік шамалар, өздеріне ат қойылмаған жағдайда, тиісті SI атауына «stat» префиксі қосылып немесе «esu» жеке аббревиатурасымен, сондай-ақ сәйкес символдармен аталады. Вольт пен амперден басқа, фарада (сыйымдылық), ом (кедергі), кулон (электр заряды) және генри (индуктивтілік) де практикалық жүйеде қолданылады және олар SI шамаларымен бірдей. Магниттік шамалар emu жүйесінің шамалары болып табылады. Вольт пен амперден басқа электрлік шамалар, тек электрлік және кинематикалық шамаларды қамтитын, SI жүйесінде жарамды теңдеудің осы жүйеде де жарамды болуын қамтамасыз ету талабымен анықталады. Мысалы, электр өрісінің кернеуі ұзындық бірлігіне шаққандағы вольт ретінде беріледі, сондықтан оның бірлігі – вольт/сантиметр, бұл SI бірлігінен жүз есе үлкен. Жүйе электрлік жағынан рационалдастырылған, ал магниттік жағынан – рационалдастырылмаған; яғни, 1=λ = 1 және 1=λ′ = 4π, бірақ λ үшін жоғарыдағы формула жарамсыз. Бұл жүйеге жақын – Халықаралық электрлік және магниттік шамалар жүйесі, онда массаның бірлігі өзгеше, сондықтан λ′ формуласы жарамсыз. Масса бірлігі олардың қарама-қайшылық тудыруы мүмкін контексттерден ондық дәрежелерді жою үшін таңдалды (мысалы, 1=P = VI және 1=F = qE). Ондық дәрежелер басқа контексттерде де пайда болды, бірақ нәтижесінде таныс джоуль мен ватт тиісінше жұмыс және қуат шамаларының бірліктеріне айналды. Амперлік айналым жүйесі де ұқсас қағида бойынша құрастырылады: магнитодвигател күші мен магниттік өріс кернеуі электрлік шамалар ретінде қарастырылады және жүйе магниттік полюстің күші мен магниттелу шамаларын 4π-ке бөлу арқылы рационалдастырылады. Осы екі шаманың бірліктері тиісінше ампер және ампер/сантиметр болып табылады. Магниттік өтімділіктің бірлігі emu жүйесінің бірлігіне тең, ал магниттік байланыс теңдеулері 1=B = (4π/10)μH және 1=B = (4π/10)μ0H + μ0M түрінде жазылады. Магниттік кедергіге магниттік тізбектер үшін Ом заңының жарамдылығын қамтамасыз ету үшін гибридтік бірлік беріледі.
Басқа нұсқалар
Әр түрлі уақыттарда шамамен алтыдай электромагниттік бірлік жүйесі қолданыста болды, олардың көпшілігі CGS жүйесіне негізделген. Олардың ішінде Гаусс бірліктері және Хевисайд-Лоренц бірліктері бар.
Артықшылықтары мен кемшіліктері
Бірегей бірлік атауларының болмауы шатасуға мүмкіндік тудырады: "15 эму" 15 аболтты, немесе 15 эму бірлік электр диполь моментін, немесе 15 эму бірлік магниттік қабылдағышты білдіруі мүмкін, кейде (бірақ әрқашан емес) граммға немесе мольға шаққанда. Өзіне тән атаулары бар бірліктер жүйесімен SI қолданудағы кез келген шатастыруды жояды: 1 ампер – белгілі шаманың тұрақты мәні, сондай-ақ 1 генри, 1 ом және 1 вольт. CGS гаусс жүйесінде электр және магнит өрістерінің бірліктері бірдей, 4πε0 саны 1-ге алмастырылады, ал Максвелл теңдеулерінде пайда болатын жалғыз өлшемдік тұрақты – c, жарық жылдамдығы. Хевизид-Лоренц жүйесінде де осы қасиеттер сақталады (ε0 саны 1-ге тең). SI және басқа рационалдаған жүйелерде (мысалы, Хевизид-Лоренц) ток бірлігі осылай таңдалған, сондықтан зарядталған сфераларға қатысты электромагниттік теңдеулерде 4π саны, ток және түзу сымдарға қатысты теңдеулерде 2π саны, ал зарядталған беттерге қатысты теңдеулерде π саны мүлдем болмайды. Бұл электр инженериясындағы қолданулар үшін ең қолайлы таңдау болып табылады және теңдеумен сипатталған жүйенің геометриялық симметриясымен тікелей байланысты. Арнайы бірлік жүйелері SI немесе CGS-ден гөрі формулаларды одан әрі жеңілдету үшін қолданылады, бұл белгілі бір табиғи бірліктер жүйесіне қатысты шамаларды нормалау арқылы тұрақтыларды жоюға мүмкіндік береді. Мысалы, бөлшектер физикасында барлық шамалар энергияның бір бірлігі – электронвольтпен өрнектеледі, ал ұзындық, уақыт және т.б. жарық жылдамдығының c және Планк тұрақтысының қысқартылған ħ факторларын енгізу арқылы энергия бірліктеріне түрлендіріледі. Бұл бірлік жүйесі бөлшектер физикасындағы есептеулер үшін ыңғайлы, бірақ басқа жағдайларда қолдануға қолайсыз.