電流基準·電壓基準·電阻基準
施昌彥
現在，人們幾乎沒有一天不在使用電器，不在與電打交道。這樣，勢必會直接或間接地、有意或無意地與電流、電壓、電阻等電量發生關系。事實上在國際單位制(SI)中，為滿足“一貫性”要求，必需在長度、質量、時間這三個基本量之外，增加第四個電學基本量。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的無限長的平行圓直導線內，通以等量恒定電流時，若導線間相互作用力在每米長度上為2×10-7N，則每根導線中的電流為1A。
這個定義是1946年由國際計量委員會(CIPM)提出， 經1948年第九屆國際計量大會(CGPM)通過，并一直沿用至今。顯然，定義中的兩根“無限長”導線是無法實現的，因而根據電動力學原理，可以用作用力相似等效的兩個線圈替代。例如:常用的艾頓(Ayrton-Jones)電流天平，或者派勒特(Pellat)電動測力計。它們是用砝碼的重力來平衡同軸線圈通電流時產生的力，或者正交線圈通電流時產生的扭力。復現的不確定度為10-5～10-6量級。
到50年代，實現安培的方法已經建立在弱磁場和強磁場的核磁共振原理的基礎上，即利用水的質子回旋磁比γp來復現安培，其不確定度為10-6～10-7。這些裝置的結構也很復雜，且難以長期保持。
于是，人們同時利用歐姆定律，即通過電壓單位伏特(V)和電阻單位歐姆(Ω)來實現和保持安培。為區別起見，習慣上把前面幾種裝置稱為“絕對”安培基準。電壓單位和電阻單位都可以用實物基準(一組標準電池和一組標準電阻)來保存，而電流單位卻做不到。
標準電池是一種密封于H形玻璃管內的化學原電池(韋斯頓飽和電池)，其電動勢(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，工作時也須放入恒溫油槽中。
這些實物基準的材料性能及其化學結構，不可避免地會隨時間而發生緩慢變化，必然會給一個國家或者不同國家間的量值統一帶來困難。所以，一些國家從60年代起就開始研究取代實物基準的不變的自然基準。其依據就是1962年英國人B.D.Josephson發現的、后來以他名字命名的“約瑟夫森效應”:在超低溫(液氦)環境下的超導約瑟夫森結，經微波照射后會產生穩定的量化電壓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，它們是不會隨時間、地點和構成約瑟夫森結的材料等因素的影響而發生變化的。國際計量委員會1972年根據當時的實驗數據提出了KJ值，其后經各國計量研究機構的研究、改進與修正，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(10多個特斯拉)下會產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。理論和實驗證明RH=h/e2。鑒于與電壓相同的原因，國際計量委員會宣布從1990年1月1日起全世界使用推薦值Rk-90=25812.807Ω。克里青本人也榮獲1985年諾貝爾物理學獎。
上述兩個常數是通過許多國家的電單位絕對測量以及基本物理常數的組合來確定的，各國以此為基礎建立了實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物基準。在決定KJ-90和RK-90過程中，中國是國際上能提供整套數據的四個國家之一(有的國家只進行了部分實驗)。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。●
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