电流基准·电压基准·电阻基准

电流基准·电压基准·电阻基准

施昌彦

    现在，人们几乎没有一天不在使用电器，不在与电打交道。这样，势必会直接或间接地、有意或无意地与电流、电压、电阻等电量发生关系。事实上在国际单位制(SI)中，为满足“一贯性”要求，必需在长度、质量、时间这三个基本量之外，增加第四个电学基本量。即基本量电流(I)，它的单位是安培(A):在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长的平行圆直导线内，通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10-7N，则每根导线中的电流为1A。
    这个定义是1946年由国际计量委员会(CIPM)提出， 经1948年第九届国际计量大会(CGPM)通过，并一直沿用至今。显然，定义中的两根“无限长”导线是无法实现的，因而根据电动力学原理，可以用作用力相似等效的两个线圈替代。例如:常用的艾顿(Ayrton-Jones)电流天平，或者派勒特(Pellat)电动测力计。它们是用砝码的重力来平衡同轴线圈通电流时产生的力，或者正交线圈通电流时产生的扭力。复现的不确定度为10-5～10-6量级。
    到50年代，实现安培的方法已经建立在弱磁场和强磁场的核磁共振原理的基础上，即利用水的质子回旋磁比γp来复现安培，其不确定度为10-6～10-7。这些装置的结构也很复杂，且难以长期保持。
    于是，人们同时利用欧姆定律，即通过电压单位伏特(V)和电阻单位欧姆(Ω)来实现和保持安培。为区别起见，习惯上把前面几种装置称为“绝对”安培基准。电压单位和电阻单位都可以用实物基准(一组标准电池和一组标准电阻)来保存，而电流单位却做不到。
    标准电池是一种密封于H形玻璃管内的化学原电池(韦斯顿饱和电池)，其电动势(约为1.0186V)的温度系数较大，因而须保存在恒温槽中。标准电阻用锰铜丝绕制，密封在镀铬的黄铜壳内，工作时也须放入恒温油槽中。
    这些实物基准的材料性能及其化学结构，不可避免地会随时间而发生缓慢变化，必然会给一个国家或者不同国家间的量值统一带来困难。所以，一些国家从60年代起就开始研究取代实物基准的不变的自然基准。其依据就是1962年英国人B.D.Josephson发现的、后来以他名字命名的“约瑟夫森效应”:在超低温(液氦)环境下的超导约瑟夫森结，经微波照射后会产生稳定的量化电压V=nf/KJ 。
    式中n为整数，f为微波频率，KJ为约瑟夫森常数。理论和实验证明KJ=2e/h，其中e为电子电荷，h为普朗克常数，它们是不会随时间、地点和构成约瑟夫森结的材料等因素的影响而发生变化的。国际计量委员会1972年根据当时的实验数据提出了KJ值，其后经各国计量研究机构的研究、改进与修正，宣布从1990年1月1日起全世界使用推荐值KJ-90=483597.9 GHz/V。约瑟夫森本人因该项重大成果，荣获1975年诺贝尔物理学奖。
    另一方面，作为电阻自然基准基础的“量子化霍尔(Hall)效应”，于1980年为德国人K.Von Klitzing 所发现:具有高迁移率的半导体元件，置放在超低温(液氦)和超高磁场(10多个特斯拉)下会产生一系列的量化电阻RH(i)=Rk/i。
    式中i为整数，RH为克里青常数。理论和实验证明RH=h/e2。鉴于与电压相同的原因，国际计量委员会宣布从1990年1月1日起全世界使用推荐值Rk-90=25812.807Ω。克里青本人也荣获1985年诺贝尔物理学奖。
    上述两个常数是通过许多国家的电单位绝对测量以及基本物理常数的组合来确定的，各国以此为基础建立了实物的量子电压基准和量子电阻基准，取代了传统的标准电池和标准电阻的实物基准。在决定KJ-90和RK-90过程中，中国是国际上能提供整套数据的四个国家之一(有的国家只进行了部分实验)。中国的结果KJ与推荐值差4×10-8，RK与推荐值差6×10-8，受到了国际上的好评。

长见识了，谢谢LZ发贴:victory:

很奇怪，7个标准量中有电流，但电流不好复现，还必须用电压和电阻。电流自然基准好象也有人在研究吧？

>>标准电阻用锰铜丝绕制
锰铜的β温度系数比较大（大约为-0.5ppm/C2），造成温度曲线弯曲厉害，好象早期的1欧的Thomas电阻和国产的标准电阻仍然在用。Evanohm的β温度系数比较小，现在流行的Fluke 742A、esi/Tegam标准电阻应该用的就是这个。

高手如云:victory:

据我所知,现在用的电流基准是艾顿(Ayrton-Jones)电流天平，或者派勒特(Pellat)电动测力计.你说的那种方法只能说是电流标准.再则以现在的电流定义,电流自然基准是否没有可能.:L

原帖由 powerlrq 于 2007-5-23 15:45 发表
据我所知,现在用的电流基准是艾顿(Ayrton-Jones)电流天平，或者派勒特(Pellat)电动测力计.你说的那种方法只能说是电流标准.再则以现在的电流定义,电流自然基准是否没有可能.:L ...

我说的正是电流自然基准。
2000年11月第6期《实用测试技术》第42页，周玉清在其文章“电压标准的现状与发展趋势”中说，未来的电学标准体系是所谓量子三角形，除了现在的电压和电阻量子基准外，“正着手考虑和预研的单电子隧道效应电流标准，是一个以建立量子电流标准为最终目标的、全新的微电子研究课题”。