4 Система еталонів в галузі електрорадіовимірювань. Квантові еталони

4.1 Одиниці електричних величин. Еволюція методології відтворення

Як уже було сказано, основною одиницею SI від електрики є ампер. В электрорадіотехниці застосовується також велика кількість похідних одиниць (близько 50). Однак далеко не всі ці одиниці відтворюються за допомогою еталонів, тобто централізовано. Існує система критеріїв – науково-технічних, економічних, організаційних, − відповідно до яких приймається рішення про створення еталона тієї чи іншої одиниці. В галузі електрорадіовимірювань у різних країнах централізовано відтворюються від 12 до 15 одиниць. Найбільш уживані похідні одиниці SI в електриці, їх позначення і визначення через інші одиниці наведено в табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Найбільш уживані похідні одиниці SI в галузі електрорадіовимірювань

Похідна величина		Одиниця ФВ		Визначення похідної одиниці
Найменування	Позначення	Найменування	Позначення	Через інші одиниці SI	Через основні одиниці SI
Кількість електрики (електричний заряд)		кулон	Кл (C)	-	сּА
Електрична напруга, електрорушійна сила (ЕРС)		вольт	В (V)	Вт/А	м2ּкгּс-3ּА-1
Електричний опір		ом	Ом (Ω)	В/А	м2ּкгּс-3ּА-2
Електрична ємність		фарад	Ф (F)	Кл/В	м-2ּкг-1ּс4ּА2
Індуктивність		генрі	Гн (H)	Вб/А	м2ּкгּс-2ּА-2
Електрична провідність		сіменс	См (S)	А/В	м-2ּкг-1ּс3ּА2
Частота		герц	Гц (Hz)	-	с-1
Потужність		ват	Вт (W)	Дж/с	м2ּкгּс-3
Магнітний потік		вебер	Вб (Wb)	Вּс	м2ּкгּс-2ּА-1
Магнітна індукція		тесла	Тл (T)	Вб/м2	кгּс-2ּА-1
Напруженість електричного поля				В/м	мּкгּс-3ּА-1
Напруженість магнітного поля				А/м	м-1ּА

Наведемо деякі дані з історії відтворення електричних одиниць.

Приблизно до 1980 р. існувала система еталонів, яка базувалася на реалізації ампера, виходячи з визначення в SI, через механічну силу (ампер-ваги), приклад якої описаний вище (апаратурні рішення різних країн відрізняються лише технічними деталями).

Маючи реалізований у такий спосіб ампер можна було одержати вольт, виразивши його через роботу, вироблену теплом, що виникає при проходженні струму.

Фактично у такий спосіб у 1948 р. на ІХ Генеральній конференції з мір та ваг (ГКМВ) був визначений ом – через потужність, що розсіюється на деякому резисторі при проходженні через нього струму силою 1 А. На практиці, однак, цей шлях виявився незадовільним, тому що механічні вимірювання потужності не могли бути проведені з відносною похибкою навіть на рівні 1·10^-6.

Зазначимо, що замість ампера можна відтворити вольт за допомогою вольт-ваг, що являють собою конденсатор, у якому переміщення пластин під дією електричного поля врівноважується силою їхньої ваги. При цьому зміна енергії електричного поля дорівнює зміні механічної енергії системи. Звідси можна визначити електричну напругу, прикладену до пластин. За даними PTB, відтворення вольта може бути здійснене з похибкою 1·10^-6. Однак цей шлях також дуже складний та трудомісткий.

Альтернативний шлях полягав у знаходженні імпедансу за допомогою геометричних вимірювань: таким шляхом можна було б визначити індуктивність і ємність. Потім за допомогою моста змінного струму можна порівнювати значення індуктивності (ємності) на даній частоті з опором еталонного резистора.

Спочатку використовувалася індуктивність, яку можна розрахувати за допомогою інтеграла Неймана. Для цього необхідно було виготовити циліндричний каркас, переважно з кварцового скла, зі спіральною канавкою на поверхні, а потім намотати на нього дріт з точно відомим значенням діаметра, строго постійним по всій її довжині. Операції з виготовлення такої котушки і самих вимірювань дуже складні і трудомісткі, і потрібно було прикласти багато зусиль, щоб реалізувати деяку індуктивність з похибкою на рівні 1·10^-6. Незважаючи на ці технічні труднощі, протягом багатьох років користувалися саме цим способом реалізації імпедансу, поки в 1956 р. не була знайдена конфігурація, для якої стало можливим провести точний розрахунок ємності. Це так званий розрахунковий конденсатор Томпсона – Лампарда^ з перехресними ємностями. Перевага цього конденсатора полягає в тому, що для визначення значення ємності потрібно тільки одне вимірювання довжини, що може бути виконане з високою точністю і значно простіше, ніж вимірювання при визначенні індуктивності (докладніше про розрахунковий конденсатор мова йтиме нижче).

Такі конденсатори були сконструйовані в ряді країн, включаючи Росію. Похибка відтворення одиниці ємності таким конденсатором становила в різних країнах від 2·10^-7 до 5·10^-7.

За допомогою розрахункового конденсатора, еталона частоти і квадратурного моста змінного струму можна більш точно, ніж у випадку розрахункової індуктивності, визначити опір резистора.

Реалізувавши таким чином еталон опору, можна встановити електрорушійну силу (ЕРС) деякого гальванічного елемента (як такі застосовувалися насичені нормальні елементи (ННЕ)) через значення струму, що створює таку ж різницю потенціалів, при проходженні через резистор з відомим опором. Сила струму при цьому вимірюється на струмових вагах, а ННЕ служать еталонами ЕРС (рис. 4.1).

До 1960 років З 60-х років

Розрахункова індуктивність

Розрахункова ємність

Масштабний

перетворювач

Масштабний

перетворювач

Міст змінного

струму

Еталон частоти

Опір

Еталонне

джерелоструму

( струмові ваги)

Насичений

нормальний

елемент

Рис. 4.1. Схема реалізації електричних одиниць

Неважко побачити, наскільки тривалу і трудомістку процедуру являла собою реалізація електричних одиниць за даною схемою, не говорячи вже про високу експериментальну майстерність, якої вона вимагає. Зокрема, абсолютне визначення сили струму за допомогою ампер-ваг з цих причин здійснювалося лише один раз у 10-15 років (!) [1]. Крім того, практичні операції зі струмовими вагами обмежуються струмом силою порядку 1 А, іншими словами, широке застосування струмових ваг у метрологічній практиці неможливе. До цього слід додати, що для збереження одиниць напруги та опору в інтервалах між абсолютними вимірюваннями сили струму та імпедансів необхідно було б мати велику кількість ННЕ та еталонних резисторів, зберігати їх у спеціальних умовах і звіряти їх між собою через визначені інтервали часу.

Отже, склалася ситуація, коли недосконалість електричних еталонів почала гальмувати розвиток ряду галузей науки та техніки. З’явилася настійна потреба у створенні нової системи електричних еталонів.

Ситуація істотно змінилася з відкриттям ряду квантових ефектів, а головне, з усвідомленням можливості створення принципово нових – природних еталонів, що спираються на ці ефекти та фундаментальні фізичні сталі [13].