기본 표준은 단위의 정확한 값을 정의하며, 전 세계적으로 통용되는 유일한 값을 사용하여 단위를 표현하는 수단을 제공한다. 국제 도량형 총회에서, 국제단위계(International System of Units, SI)를 단위의 국제 표준으로 공식 채택하였다. SI 단위계는 7개의 기본 단위를 가지고 있다.
기본 단위 표준
차원은 물리적 시스템의 특성을 표현하는 데 사용되는 물리적 변수로 정의된다. 단위는 차원의 정량적 지표로 정의된다. 예를 들어, 질량, 길이, 시간은 킬로그램, 미터, 초라는 단위와 연관되는 기본적인 차원을 나타낸다.
기본 표준은 단위의 정확한 값을 정의하며, 전 세계적으로 통용되는 유일한 값을 사용하여 단위를 표현하는 수단을 제공한다. 1960년에 열린 국제 도량형 총회(General Conference on Weights and Measures, CGPM, 일정하고 정확한 계측 표준 관리를 책임지는 국제기구)에서, 국제단위계(International System of Units, SI)를 단위의 국제 표준으로 공식 채택하였다. SI 단위계는 전 세계적으로 채택되었으며 7개의 기본 단위를 가지고 있다. 2019년부터 이 기본 단위는 빛의 속도, 플랑크(Planck) 상수 및 아보가드로(Avogadro) 수와 같은 고정된 자연 물리적 상수의 정확한 정의로부터 정의된다. 모든 다른 단위는 이 7개로부터 유도되었다.
다른 단위계도 소비자 시장에서 흔히 사용되고 있어 소개할 필요가 있다. 예를 들면, 미국에서 사용되는 inch-pound(I-P) 단위계, 대부분의 세계에서 통용되는 중력 mks(meter-kg-second) 단위계 등이 있다.
이 시스템들에서 사용되는 단위는 환산 계수를 통하여 SI 단위와 직접적으로 관련되어 있다. 비록 SI 단위계가 단위 시스템을 정확하게 정의하고 있지만, 실제적인 단위가 때때로 우리의 관습에 더 적합하다. 예를 들면 일상생활에서 온도의 단위로 켈빈(K)보다는 섭씨(Celsius)와 화씨(Fahrenheit)를 사용한다.
기본 차원과 단위
1. 질량
질량의 기본 단위는 킬로그램(kg)이다. kg은 플랑크 상수 h의 값을 정확히 6.62607015x10^-34 kg-m^2/s로 취함으로써 정의된다. 표준 질량은 키블 저울을 사용하여 실현될 수 있다. 1889년 이전에는 kg은 실내 온도에서 물 1리터의 질량으로 정의되었다. 1889년과 2018년 사이에는, 1 kg은 국제도량형국(International Bureau of Weights and Measures, BIPM)
에 보관되고 있는 특별한 백금-이리듐 원형 막대의 질량과 정확히 같다고 정의했다.
미국에서는 I-P 단위계(U.S. customary 단위라고도 함)가 널리 사용되고 있다. I-P 단위계에서는 질량이 pound-mass(lbm)로 정의되며, kg의 정의로부터 직접 유도된다.
1 lbm = 0.4535924 kg
2. 시간과 주파수
시간의 기본 단위는 초(s)이다. 1초는 세슘-133 원자의 두 여기 준위 사이에서 방사되는 복사파의 9,192,631,770 주기에 해당하는 시간으로 정의된다. 비록 겉보기는 이상한 정의이지만, 이 기본 표준은 적절한 장비를 갖춘 세계의 어느 실험실에서도 10조 분의 2 이내로 신뢰성 있게 재현시킬 수 있다.
파리에 있는 국제 시보국(Bureau Internationale de l’Heure, BIH)은 시계 시각을 위한 기본 표준을 관리하고 있다. 주기적으로 시각을 동시화하기 위해 전 세계의 시계를 BIH의 시계에 맞추고 있다.
주파수의 표준은 시간 표준에서 유도된 단위이다. 표준 단위는 hertz(1 Hz=1 cycle/s)이다. 주파수는 원 주파수(radians/s)와 다음과 같은 관계가 있다.
1 Hz = 1 cycle/s = 2π rad/s
3. 길이
길이의 표준 단위는 미터(m)이다. 1982년에 미터 단위를 정의하기 위한 새로운 기본 표준이 국제 도량형 총회에서 제정되었다. 1 m는 빛이 1/299,792,458초(진공에서의 빛의 속도 299,792,458 m/s에서 유도됨) 동안 이동한 거리로 정의된다.
미국 I-P 단위계에서의 인치(inch)와 풋(foot)은 미터에서 다음과 같이 유도된다.
1 ft = 0.3048 m
1 in. = 0.0254 m
4. 온도
온도의 기본 단위는 켈빈(K)이다. 켈빈의 크기는 1.380649310223 J/K로 정확히 정의되는 볼츠만(Boltzmann)상수 k로부터 결정된다. 이 고정 상수는 에너지와 온도 사이의 근본적인 관계를 형성한다. 2019년 이전에 켈빈은 열역학적 온도인 물의 삼중점의 1/273.16로 정의되었다.
온도 눈금은 William Thomson, Lord Kelvin(1824~1907)에 의해 고안되었으며, 평형 상태 수소의 삼중점(13.81 K)부터 순금의 응고점(1337.58 K)까지, 일상적인 수많은 순수 물질의 평형 상변화점 사이를 다항식 보간한 것에 근거를 두고 있다. 1337.58 K 이상에서는 복사 방출에 대한 플랑크 법칙에 기초를 둔다.
미국 I-P 단위계에서는 랜킨(R)이란 단위를 사용한다. 이것과 미터 단위계에서 사용되는 섭씨(°C)와 화씨(°F)는 켈빈(K) 단위와 다음과 같이 관계된다.
℃ = K - 273.15
℉ = R - 459.67
℉ = 1.8 x ℃ = 32.0
5. 전류
전류에 대한 기본 단위는 암페어(A)이다.
A는 전자 e의 기본 전하값을 정확히 1.602176634x10^-19 A·s로 취하면 구해진다.
6. 물질의 단위
물질량의 기본 단위는 몰(mol)이다.
1 mole은 정확히 6.02214076x10^23개의 기본 입자를 포함하고 있다. 이 숫자는 mol^-1 단위로 표시된 아보가드로 상수 N이다. 기본 입자는 원자, 분자, 이온, 전자 또는 특정 입자일 수 있다. 2019년 이전에는 몰은 탄소-12, 0.012 kg에 있는 원자의 수로 정의되었다. 현재의 정의는 질량 측정에 대한 연결을 제거한다.
7. 광도
빛의 세기에 대한 기본 단위는 칸델라(cd)이다.
1 cd는 주파수가 540x10^12 Hz인 단색광의 발광 효율을 683 lumens/watt로 취함으로써 정의된다.
- 와트는 동력의 유도 단위이다.
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