電流基準·電壓基準·電阻基準
施昌彥
現在，人們幾乎沒(méi)有一天不在使用電器，不在與電打交道。這樣，勢必會(huì )直接或間接地、有意或無(wú)意地與電流、電壓、電阻等電量發(fā)生關(guān)系。事實(shí)上在國際單位制(SI)中，為滿(mǎn)足“一貫性”要求，必需在長(cháng)度、質(zhì)量、時(shí)間這三個(gè)基本量之外，增加第四個(gè)電學(xué)基本量。即基本量電流(I)，它的單位是安培(A):在真空中，截面積可忽略的兩根相距1m的無(wú)限長(cháng)的平行圓直導線(xiàn)內，通以等量恒定電流時(shí)，若導線(xiàn)間相互作用力在每米長(cháng)度上為2×10-7N，則每根導線(xiàn)中的電流為1A。
這個(gè)定義是1946年由國際計量委員會(huì )(CIPM)提出， 經(jīng)1948年第九屆國際計量大會(huì )(CGPM)通過(guò)，并一直沿用至今。顯然，定義中的兩根“無(wú)限長(cháng)”導線(xiàn)是無(wú)法實(shí)現的，因而根據電動(dòng)力學(xué)原理，可以用作用力相似等效的兩個(gè)線(xiàn)圈替代。例如:常用的艾頓(Ayrton-Jones)電流天平，或者派勒特(Pellat)電動(dòng)測力計。它們是用砝碼的重力來(lái)平衡同軸線(xiàn)圈通電流時(shí)產(chǎn)生的力，或者正交線(xiàn)圈通電流時(shí)產(chǎn)生的扭力。復現的不確定度為10-5～10-6量級。
到50年代，實(shí)現安培的方法已經(jīng)建立在弱磁場(chǎng)和強磁場(chǎng)的核磁共振原理的基礎上，即利用水的質(zhì)子回旋磁比γp來(lái)復現安培，其不確定度為10-6～10-7。這些裝置的結構也很復雜，且難以長(cháng)期保持。
于是，人們同時(shí)利用歐姆定律，即通過(guò)電壓?jiǎn)挝环?V)和電阻單位歐姆(Ω)來(lái)實(shí)現和保持安培。為區別起見(jiàn)，習慣上把前面幾種裝置稱(chēng)為“絕對”安培基準。電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝欢伎梢杂脤?shí)物基準(一組標準電池和一組標準電阻)來(lái)保存，而電流單位卻做不到。
標準電池是一種密封于H形玻璃管內的化學(xué)原電池(韋斯頓飽和電池)，其電動(dòng)勢(約為1.0186V)的溫度系數較大，因而須保存在恒溫槽中。標準電阻用錳銅絲繞制，密封在鍍鉻的黃銅殼內，工作時(shí)也須放入恒溫油槽中。
這些實(shí)物基準的材料性能及其化學(xué)結構，不可避免地會(huì )隨時(shí)間而發(fā)生緩慢變化，必然會(huì )給一個(gè)國家或者不同國家間的量值統一帶來(lái)困難。所以，一些國家從60年代起就開(kāi)始研究取代實(shí)物基準的不變的自然基準。其依據就是1962年英國人B.D.Josephson發(fā)現的、后來(lái)以他名字命名的“約瑟夫森效應”:在超低溫(液氦)環(huán)境下的超導約瑟夫森結，經(jīng)微波照射后會(huì )產(chǎn)生穩定的量化電壓V=nf/KJ 。
式中n為整數，f為微波頻率，KJ為約瑟夫森常數。理論和實(shí)驗證明KJ=2e/h，其中e為電子電荷，h為普朗克常數，它們是不會(huì )隨時(shí)間、地點(diǎn)和構成約瑟夫森結的材料等因素的影響而發(fā)生變化的。國際計量委員會(huì )1972年根據當時(shí)的實(shí)驗數據提出了KJ值，其后經(jīng)各國計量研究機構的研究、改進(jìn)與修正，宣布從1990年1月1日起全世界使用推薦值KJ-90=483597.9 GHz/V。約瑟夫森本人因該項重大成果，榮獲1975年諾貝爾物理學(xué)獎。
另一方面，作為電阻自然基準基礎的“量子化霍爾(Hall)效應”，于1980年為德國人K.Von Klitzing 所發(fā)現:具有高遷移率的半導體元件，置放在超低溫(液氦)和超高磁場(chǎng)(10多個(gè)特斯拉)下會(huì )產(chǎn)生一系列的量化電阻RH(i)=Rk/i。
式中i為整數，RH為克里青常數。理論和實(shí)驗證明RH=h/e2。鑒于與電壓相同的原因，國際計量委員會(huì )宣布從1990年1月1日起全世界使用推薦值Rk-90=25812.807Ω?？死锴啾救艘矘s獲1985年諾貝爾物理學(xué)獎。
上述兩個(gè)常數是通過(guò)許多國家的電單位絕對測量以及基本物理常數的組合來(lái)確定的，各國以此為基礎建立了實(shí)物的量子電壓基準和量子電阻基準，取代了傳統的標準電池和標準電阻的實(shí)物基準。在決定KJ-90和RK-90過(guò)程中，中國是國際上能提供整套數據的四個(gè)國家之一(有的國家只進(jìn)行了部分實(shí)驗)。中國的結果KJ 與推薦值差4×10-8，RK與推薦值差6×10-8，受到了國際上的好評?！?/span>
加入收藏
微信公眾號
計量資訊速遞
