Введение

Физическая система измерений, использующая сантиметр, грамм и секунду в качестве основных единиц. Система единиц сантиметр-грамм-секунд (CGS или cgs) является вариантом метрической системы, основанной на сантиметре как единице длины, грамме как единице массы и секунде как единице времени. Все механические единицы CGS однозначно выводятся из этих трех основных единиц, однако существует несколько различных способов расширения системы CGS для охвата электромагнетизма. Система CGS в значительной степени вытеснена системой МКС, основанной на метре, килограмме и секунде, которая, в свою очередь, была расширена и заменена Международной системой единиц (СИ). Во многих областях науки и техники СИ является единственной используемой системой единиц, но CGS все еще распространена в определенных областях. В измерениях чисто механических систем (включающих единицы длины, массы, силы, энергии, давления и т. д.) различия между CGS и СИ прямолинейны: коэффициенты перевода единиц являются степенями 10, поскольку 1 м = 100 см и 1 кг = 1000 г. Например, единица силы в системе CGS – дина, которая определяется как 1, поэтому единица силы в СИ – ньютон (1 Н) равна 100000 динам. С другой стороны, при измерениях электромагнитных явлений (включающих единицы заряда, электрические и магнитные поля, напряжение и т. д.) преобразование между CGS и СИ менее очевидно. Формулы физических законов электромагнетизма (например, уравнения Максвелла) принимают вид, зависящий от используемой системы единиц, поскольку электромагнитные величины определяются по-разному в СИ и CGS. Более того, в рамках CGS существует несколько обоснованных способов определения электромагнитных величин, что приводит к различным "подсистемам", включая гауссовские единицы, "ESU", "EMU" и единицы Хевисайда-Лоренца. Среди этих вариантов наиболее распространены сегодня гауссовские единицы, и под термином "CGS единицы" часто подразумеваются CGS гауссовские единицы.

История

Система CGS берет начало в предложении, сделанном в 1832 году немецким математиком Карлом Фридрихом Гауссом, основать систему абсолютных единиц на трех фундаментальных единицах: длине, массе и времени. Гаусс выбрал миллиметр, миллиграмм и секунду в качестве этих единиц. В 1873 году комитет Британской ассоциации содействия развитию науки, включавший физиков Джеймса Клерка Максвелла и Уильяма Томсона, рекомендовал общее принятие сантиметра, грамма и секунды в качестве фундаментальных единиц и выражать все производные электромагнитные единицы в этих фундаментальных единицах, используя приставку "Единица CGS". Размеры многих единиц СГС оказались неудобными для практического применения. Например, длина многих повседневных объектов измеряется сотнями или тысячами сантиметров, таких как люди, комнаты и здания. Таким образом, система CGS так и не получила широкого распространения за пределами науки. Начиная с 1880-х годов, а особенно к середине XX века, CGS постепенно уступала место на международном уровне в научных целях системе МКС (метр-килограмм-секунда), которая впоследствии развилась в современный стандарт СИ. С момента международного принятия стандарта МКС в 1940-х годах и стандарта СИ в 1960-х годах техническое использование единиц CGS постепенно сократилось во всем мире. NIST, а также такие организации, как Американское физическое общество и Международный астрономический союз, отказались от использования единиц CGS в пользу единиц СИ. Единицы СИ преобладают в инженерных приложениях и физическом образовании, в то время как гауссовы единицы CGS по-прежнему широко используются в теоретической физике при описании микроскопических систем, релятивистской электродинамики и астрофизики. Грамм и сантиметр остаются полезными как некогерентные единицы в системе СИ, как и любые другие единицы СИ с приставками.

Символы единиц

Все электромагнитные единицы в системе CGS ESU, которым не присвоены собственные названия, называются соответствующим названием в СИ с прикрепленным префиксом «stat» или отдельной аббревиатурой «esu», а также соответствующими символами. Помимо вольта и ампера, в практической системе также используются фарад (ёмкость), ом (сопротивление), кулон (электрический заряд) и генри (индуктивность) и являются такими же единицами, как и в СИ. Магнитные единицы соответствуют единицам системы эму. Электрические единицы, за исключением вольта и ампера, определяются требованием, чтобы любое уравнение, включающее только электрические и кинематические величины и справедливое в СИ, также было справедливо и в данной системе. Например, поскольку напряжённость электрического поля равна напряжению на единицу длины, её единица измерения — вольт на сантиметр, что в сто раз больше единицы СИ. Система электрически рационализирована и магнитно нерационализирована, то есть 1=λ = 1 и 1=λ′ = 4π, но указанная выше формула для λ недействительна. Близкородственной системой является Международная система электрических и магнитных единиц, в которой используется другая единица массы, вследствие чего формула для λ′ становится недействительной. Единица массы была выбрана для исключения степеней десятки из контекстов, где они считались нежелательными (например, 1=P = VI и 1=F = qE). В неизбежном порядке степени десятки вновь появились в других контекстах, однако это привело к тому, что привычные джоуль и ватт стали единицами работы и мощности соответственно. Система ампер-витка построена аналогичным образом, рассматривая магнитодвижущую силу и напряжённость магнитного поля как электрические величины и рационализируя систему путём деления единиц силы магнитного полюса и намагниченности на 4π. Единицы этих двух величин — ампер и ампер на сантиметр соответственно. Единица магнитной проницаемости соответствует единицам системы эму, а магнитные уравнения имеют вид 1=B = (4π/10)μH и 1=B = (4π/10)μ₀H + μ₀M. Магнитному сопротивлению присваивается гибридная единица для обеспечения справедливости закона Ома для магнитных цепей.

Другие варианты

В разное время использовалось около полудюжины систем электромагнитных единиц, большинство из которых базировались на системе CGS. Среди них — гауссовские единицы и единицы Хевисайда — Лоренца.

Преимущества и недостатки

Отсутствие уникальных наименований единиц приводит к потенциальной путанице: "15 эму" может означать 15 абвольт, или 15 единиц электрического дипольного момента, или 15 единиц магнитной восприимчивости, иногда (но не всегда) на грамм или на моль. Система СИ, благодаря использованию единиц с уникальными названиями, устраняет любую неоднозначность: 1 ампер – это фиксированное значение определенной физической величины, как и 1 генри, 1 ом и 1 вольт. В гауссовой системе СГС электрические и магнитные поля имеют одинаковые единицы измерения, 4πε₀ заменяется на 1, а единственной размерной константой, встречающейся в уравнениях Максвелла, является c – скорость света. Система Хевисайда-Лоренца обладает теми же свойствами (при этом ε₀ равно 1). В СИ и других рационализированных системах (например, Хевисайда-Лоренца) единица силы тока была выбрана таким образом, чтобы электромагнитные уравнения для заряженных сфер содержали 4π, для катушек с током и прямых проводов – 2π, а уравнения для заряженных поверхностей не содержали π вовсе. Это оказалось наиболее удобным выбором для применения в электротехнике и напрямую связано с геометрической симметрией описываемой системы. Специализированные системы единиц используются для дальнейшего упрощения формул по сравнению с СИ или СГС, путем исключения констант посредством условного нормирования величин относительно некоторой системы естественных единиц. Например, в физике частиц используется система, в которой каждая величина выражается только одной единицей энергии – электронвольтом, при этом длины, времена и т.д. преобразуются в единицы энергии путем умножения на скорость света c и постоянную Планка ħ. Эта система единиц удобна для расчетов в физике частиц, но непрактична в других областях.