Государственный первичный эталон единицы силы постоянного электрического тока




 

В соответствии с определением единицы силы тока эталон должен быть основан на измерении силы

взаимодействия двух прямолинейных проводников бесконечной длины и ничтожно малого кругового сече-

ния, расположенных на расстояния 1 м один от другого в вакууме. При силе электрического тока в провод-

никах 1А сила взаимодействия составляет 2  10 7 Н на каждый метр длины.

Данное определение длительное время реализовывалось с помощью токовых весов, включающих

подвижную и неподвижную токонесущие катушки и высокоточные равноплечие рычажные весы, к одному

из плеч которых присоединена подвижная катушка, к другому – «чашка» с уравновешивающим грузом.

Взаимодействие подвижной и неподвижной катушек, соединённых последовательно, при протекании

по ним постоянного электрического тока, создаёт силу, которая вызывает отклонение одного плеча коро-

мысла токовых весов. Эта сила уравновешивается грузом (набор гирь), помещённым на «чашке» весов вто-

рого плеча коромысла. Взаимодействие токов определяется по закону Ампера

F1  kI1 I 2,

где F1 – сила взаимодействия токов в подвижной и неподвижной катушках; I1 и I2 – сила электрического тока

в подвижной и неподвижной катушках; k- постоянная электродинамической системы весов, зависящая от

формы и размеров катушек, диаметра сечения проводов катушек, магнитной проницаемости сред и т.д.

В связи с последовательным соединением катушек токи в них одинаковы (I1 = I2).

Уравновешивающая сила тяжести, определяющая положение нагружаемой гирями «чашки» весов,

равна F2  mg,

где m- масса добавочного груза; g- значение ускорения свободного падения в месте расположения весов.

При равновесном положении токов весов, когда F1=F2, сила тока должна иметь значение

I  (mg / k),

где k- постоянная электродинамической системы, с размерностью LMT-2I –2.

 

 

Таким образом, можно определить силу электрического тока в зависимости от массы добавочного гру-

за.

Эталон силы постоянного электрического тока в виде токовых весов включает в себя:

 электродинамическую систему, состоящую из подвижной катушки, имеющей две однослойные

обмотки, и двух коаксиально расположенных неподвижных катушек с однослойными обмотками. По-

стоянная электродинамической системы составляет 3860555  10 8 Н/А2;

 рычажные весы с дистанционным управлением, к одному плечу которых присоединена подвижная

катушка, к другому – «чашка» для установки добавочного груза;

 цилиндрическую гирю диаметром 5 мм и длиной 50 мм, имеющую массу 8,16044 г;

 аппаратуру для передачи размера ускорения свободного падения вторичному и рабочим эталонам

силы электрического тока.

Погрешность воспроизведения данным эталоном единицы ампера, выраженная средним квадратиче-

ским отклонением результата измерений, составляет 4  10 6, неисключённая составляющая систематиче-

ской погрешности не превышает 8  10 6. Этот эталон до 1992 года служил в качестве государственного

эталона ампера.

В 1992 году в качестве государственного первичного эталона силы постоянного электрического тока

в диапазоне 10 6 … 30 А утверждён эталон, позволяющий значительно повысить точность воспроизведения

и передачи размера силы электрического тока. Новый эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом

применяется способ воспроизведения размера единицы силы тока (1мА и 1А) с использованием косвенных

измерений силы тока I = U/r, причём размер единицы электрического напряжения – вольт – воспроизводится

с помощью квантового эффекта Джозефсона, размер единицы электрического сопротивления – Ом – с по-

мощью квантового эффекта Холла (см. ниже).

Второй комплекс воспроизводит силу постоянного тока в диапазоне 10 16...10 9 А. Его основу со-

ставляет многозначная мера силы тока, включающая меру линейно изменяющегося электрического напря-

жения с набором герметизированных конденсаторов (С0), прибора для измерения напряжения (U d), прибо-

ра для измерения времени (Td) и компарирующего (сравнивающего) устройства.

При воспроизведении размеров единицы силы тока последний определяется по формуле

I 0  U d (C 0 / Td).

При этом производится компенсация электрического заряда, образуемого на одной из пластин кон-

денсатора измеряемым (калибруемым) током I , зарядом, создаваемым на другой пластине конденсатора

эталонным током I 0. Таким образом, калибруемому источнику тока передается размер единицы эталонного

источника тока.

Погрешности действующего государственного эталона единицы силы электрического тока в зависи-

мости от воспроизводимой величины приведены в таблице 2.

Из сравнения первой строки таблицы 2 и указанной ранее погрешности воспроизведения размера

единицы ампера с помощью «токовых весов» следует, что погрешность воспроизведения ампера с помощью

нового эталона возросла более чем на два порядка. Существенно уменьшилась и неисключённая системати-

ческая погрешность.

 

Таблица 2

Диапазон Среднее квадратическое Неисключённая система-

воспроизведения, А отклонение результата измерения, А тическая погрешность, А

1,0 510-8 210-7

110-3 510-8 210-7

110-9 - 110-16 310-5…110-2 510-4…2,510-2

110-10…110-16 210-4…110-2 110-3…2,510-2

110-14 210-4 1,510-3

110-15 510-4 510-3

110-16 510-2 2,510-2

 

Эффект Джозефсона возникает между двумя сверхпроводниками, образующими туннельный кон-

7

такт. Если два проводника (в обычном состоянии) разделены окисной пленкой толщиной порядка 10 см,

то из-за туннельного эффекта электроны переходят из одного проводника в другой и между ними устанав-

 

 

ливается электрическое равновесие (разность потенциалов между проводниками равна нулю). Если же к

проводникам приложить извне разность потенциалов, то через туннельный контакт будет протекать элек-

трический ток.

Если туннельный контакт образуется между двумя сверхпроводниками, то возникает эффект Джо-

зефсона (стационарный или нестационарный), открытый английским ученым Б. Джозефсоном в 1962 г. Тун-

нельный контакт при этом часто называют джозефсоновским.

Стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что при нулевой разности потенциалов через тун-

нельный контакт в сверхпроводнике течет малый постоянный электрический ток.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает в случае, когда к джозефсоновскому контакту при-

кладывается постоянное напряжение U. При этом через контакт будет протекать переменный ток

i (t)  I 0 sin[ 0  (2e / h)Ut ],

 

где

I 0 и  0 - постоянные величины, характеризующие амплитуду силы электрического тока и на-

19

чальную фазу, соответственно; е = 1,602  10 Кл – заряд электрона (с точностью до 3 – го знака после за-

34

пятой); h = 6,626  10 Дж  с – постоянная Планка.

Джозефсоновский контакт, на котором поддерживается постоянная разность потенциалов, испускает

электромагнитное излучение с частотой :

  (2e / h)U,

где  = 2f - круговая частота.

Величина  / U  2e / h  483,59767 МГц / мкВ является постоянной Джозефсона.

Нестационарный эффект Джозефсона обратим: если джозефсоновский контакт облучать электромаг-

нитным полем с частотой , то на контакте напряжение будет ступенчатым образом изменяться в зависи-

мости от частоты внешнего электромагнитного поля:

U  n  (h / 2e) f,

где f – частота электромагнитного поля.

При выполнении равенства 2eU  nhf каждый раз при увеличении числа n на единицу будут наблю-

даться резкие ступеньки. Интервал между последовательными ступеньками достигает 4…5 мВ.

В метрологии эффект Джозефсона, нашел применение в качестве эталона единицы напряжения –

вольта. Повышение точности эталона вольта на эффекте Джозефсона выше 1 10 оказалось возможным

3 4

только при увеличении в 10 … 10 раз квантованного напряжения первичного преобразователя частота-

напряжение (криозонда), который помещается в гелиевый сосуд, т.е. достижение значений квантованного

напряжения (1…10) В. Этого удалось добиться путем применения интегральной микросхемы, содержащей

3 4

одновременно до 10 … 10 последовательно соединенных туннельных джозефсоновских переходов. Такие

микросхемы были созданы за рубежом и в нашей стране ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. В схемах с 1000

джозефсоновских переходов получено напряжение около 1 В, а в схемах с 20000 переходов – около 12 В.

В России государственный первичный эталон ЭДС и постоянного напряжения воспроизводит вольт с

помощью эффекта Джозефсона. Размер единицы вольта передается вторичному эталону, в качестве которо-

го применяется группа термостатированных насыщенных нормальных элементов.

Квантовый эффект Холла связан с использованием явления сверхпроводимости. Если структуру ме-

талл-окисел-полупроводник (МОП-структура) охладить до температуры 4,2 К и поместить в сильное маг-

нитное поле с индукцией (6…12) Тл, то на выходе МОП-структуры, называемой холловским контактом,

электрическое сопротивление будет изменятся ступенчатым образом, в соответствии с записью rх = n (h /e2),

где h – постоянная Планка, Джс; е – заряд электрона, Кл. Значение холловского сопротивления

rх=25812,807 Ом имеет погрешность измерений около 210-7.

Эталонная база России является, с одной стороны, самостоятельной и независимой, а с другой сторо-

ны, адаптированной к европейской и мировой системам обеспечения единства измерений.

Основными направлениями развития эталонной базы России в настоящее время являются:

− оптимизации эталонной базы по составу и структуре;

− создание системы взаимосвязи эталонов, в том числе "естественных", основанных на фундаменталь-

ных физических константах и статистических физических исследованиях в области воспроизведения основ-

ных и важнейших производных единиц;

− создание систем эталонов, в которой разумно сочетается централизованное и децентрализованное

воспроизведение единиц;

 

 

− поисковое исследование и внедрение новых физических явлений и технологий, способных обеспе-

чить научный прорыв при создании эталонов;

− разработка предельных по точности методов и средств измерений эталонного значения.

Эти направления конкретизованы в научно-технической программе "Эталоны России", главная цель

которой – создание новых и совершенствование существующих государственных эталонов в таких важней-

ших областях науки и техники, как механика, электромагнетизм, термодинамика, оптико-физика, физикохи-

мия, ядерная физика и др.

 

Использованная литература

 

1 Российская метрологическая энциклопедия. – Санкт-Петербург. Лики России, 2001.

2 ГОСТ 8.057-80 ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения.

3 Тарбеев Ю. В., Балалаев В. А. Государственные эталоны СССР. – М.: Машиностроение, 1981.

4 Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Метрология (теоретические, прикладные и законодательные осно-

вы): Учеб. пособие. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

5 Сергеев А. Г., Крохин В. В. Метрология: Учебное пособие для вузов. – М.: Логос, 2000.

6 Брянский Л. Н. Непричесанная метрология.- М.: ПОТОК – ТЕСТ, 2002.

 

 

23 20

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-12-21 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: