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
1,0 510-8 210-7
110-3 510-8 210-7
110-9 - 110-16 310-5…110-2 510-4…2,510-2
110-10…110-16 210-4…110-2 110-3…2,510-2
110-14 210-4 1,510-3
110-15 510-4 510-3
110-16 510-2 2,510-2
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 = 2f - 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, Джс; е – заряд электрона, Кл. Значение холловского сопротивления
rх=25812,807 Ом имеет погрешность измерений около 210-7.
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