電流基準·電壓基準·電阻基準
施昌彥
現(xiàn)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(fā)生關(guān)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(zhì)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(nèi)，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(jīng)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(xiàn)的，因而根據(jù)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(chǎn)生的力，或者正交線圈通電流時產(chǎn)生的扭力。復現(xiàn)的不確定度為10-5～10-6量級。
到50年代，實現(xiàn)安培的方法已經(jīng)建立在弱磁場和強磁場的核磁共振原理的基礎(chǔ)上，即利用水的質(zhì)子回旋磁比γp來復現(xiàn)安培，其不確定度為10-6～10-7。這些裝置的結(jié)構(gòu)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(xiàn)和保持安培。為區(qū)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(nèi)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(shù)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(nèi)，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(jié)構(gòu)，不可避免地會隨時間而發(fā)生緩慢變化，必然會給一個國家或者不同國家間的量值統(tǒng)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(jù)就是1962年英國人B.D.Josephson發(fā)現(xiàn)的、后來以他名字命名的“約瑟夫森效應”:在超低溫(液氦)環(huán)境下的超導約瑟夫森結(jié)，經(jīng)微波照射后會產(chǎn)生穩(wěn)定的量化電壓V=nf/KJ 。
式中n為整數(shù)，f為微波頻率，KJ為約瑟夫森常數(shù)。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(shù)，它們是不會隨時間、地點和構(gòu)成約瑟夫森結(jié)的材料等因素的影響而發(fā)生變化的。國際計量委員會1972年根據(jù)當時的實驗數(shù)據(jù)提出了KJ值，其后經(jīng)各國計量研究機構(gòu)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(chǔ)的“量子化霍爾(Hall)效應”，于1980年為德國人K.Von Klitzing 所發(fā)現(xiàn):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(chǎn)生一系列的量化電阻RH(i)=Rk/i。
式中i為整數(shù)，RH為克里青常數(shù)。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(shù)是通過許多國家的電單位絕對測量以及基本物理常數(shù)的組合來確定的，各國以此為基礎(chǔ)建立了實物的量子電壓基準和量子電阻基準，取代了傳統(tǒng)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(shù)據(jù)的四個國家之一(有的國家只進行了部分實驗)。中國的結(jié)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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