電流基準(zhǔn)·電壓基準(zhǔn)·電阻基準(zhǔn)
施昌彥
現(xiàn)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(shì)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(guó)際單位制(SI)中，為滿(mǎn)足“一貫性”要求，必需在長(zhǎng)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(zhǎng)的平行圓直導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)，通以等量恒定電流時(shí)，若導(dǎo)線(xiàn)間相互作用力在每米長(zhǎng)度上為2×10-7N，則每根導(dǎo)線(xiàn)中的電流為1A。
這個(gè)定義是1946年由國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)提出， 經(jīng)1948年第九屆國(guó)際計(jì)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(zhǎng)”導(dǎo)線(xiàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因而根據(jù)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(cè)力計(jì)。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(fù)現(xiàn)的不確定度為10-5～10-6量級(jí)。
到50年代，實(shí)現(xiàn)安培的方法已經(jīng)建立在弱磁場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)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(lái)復(fù)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(fù)雜，且難以長(zhǎng)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(xiàn)和保持安培。為區(qū)別起見(jiàn)，習(xí)慣上把前面幾種裝置稱(chēng)為“絕對(duì)”安培基準(zhǔn)。電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝欢伎梢杂脤?shí)物基準(zhǔn)(一組標(biāo)準(zhǔn)電池和一組標(biāo)準(zhǔn)電阻)來(lái)保存，而電流單位卻做不到。
標(biāo)準(zhǔn)電池是一種密封于H形玻璃管內(nèi)的化學(xué)原電池(韋斯頓飽和電池)，其電動(dòng)勢(shì)(約為1.0186V)的溫度系數(shù)較大，因而須保存在恒溫槽中。標(biāo)準(zhǔn)電阻用錳銅絲繞制，密封在鍍鉻的黃銅殼內(nèi)，工作時(shí)也須放入恒溫油槽中。
這些實(shí)物基準(zhǔn)的材料性能及其化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(guó)家或者不同國(guó)家間的量值統(tǒng)一帶來(lái)困難。所以，一些國(guó)家從60年代起就開(kāi)始研究取代實(shí)物基準(zhǔn)的不變的自然基準(zhǔn)。其依據(jù)就是1962年英國(guó)人B.D.Josephson發(fā)現(xiàn)的、后來(lái)以他名字命名的“約瑟夫森效應(yīng)”:在超低溫(液氦)環(huán)境下的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，經(jīng)微波照射后會(huì)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(shí)驗(yàn)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(huì)隨時(shí)間、地點(diǎn)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(guó)際計(jì)量委員會(huì)1972年根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了KJ值，其后經(jīng)各國(guó)計(jì)量研究機(jī)構(gòu)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(xiàng)重大成果，榮獲1975年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
另一方面，作為電阻自然基準(zhǔn)基礎(chǔ)的“量子化霍爾(Hall)效應(yīng)”，于1980年為德國(guó)人K.Von Klitzing 所發(fā)現(xiàn):具有高遷移率的半導(dǎo)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(shù)，RH為克里青常數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)證明RH=h/e2。鑒于與電壓相同的原因，國(guó)際計(jì)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。克里青本人也榮獲1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
上述兩個(gè)常數(shù)是通過(guò)許多國(guó)家的電單位絕對(duì)測(cè)量以及基本物理常數(shù)的組合來(lái)確定的，各國(guó)以此為基礎(chǔ)建立了實(shí)物的量子電壓基準(zhǔn)和量子電阻基準(zhǔn)，取代了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻的實(shí)物基準(zhǔn)。在決定KJ-90和RK-90過(guò)程中，中國(guó)是國(guó)際上能提供整套數(shù)據(jù)的四個(gè)國(guó)家之一(有的國(guó)家只進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn))。中國(guó)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(guó)際上的好評(píng)?！?/span>
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