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.
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.
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.