Единица силы электрического тока системы СИ – Ампера

Ампер-весы

Введение произвольной электрической единицы в практику измерений впервые было предложено на Международном конгрессе электриков в Чикаго в 1893 г. Тогда было предложено ввести две абсолютные практические единицы электрических величин: 1 Вольт и 1 Ампер для измерений напряжения (разности потенциалов) и силы постоянного электрического тока. Особые электрические единицы в Европе были приняты в Германии в 1898 г. Определения были приняты следующие:

Один Ом - электрическое сопротивление столбика ртути постоянного сечения, имеющего длину 106,300 см и массу 14,4521 г при 0 С.

Один Ампер - сила электрического тока, который выделяет из водного раствора азотнокислого серебра 1,118 мг металлического серебра за одну секунду.

За единицу напряжения было принято падение напряжения на сопротивлении 1 Ом при силе тока 1 Ампер в соответствии с законом Ома. Заряд в 1 Кулон в этой системе соответствовал заряду, протекающему за одну секунду через проводник при силе тока в 1 Ампер, т. е. 1Кл = 1А × 1с.

В качестве эталона разности потенциалов был выбран так называемый нормальный кадмиевый элемент, схема которого дана на рис. 2.8 .

Рис. 02.08. Нормальный кадмиевый элемент

Особенностью нормального кадмиевого элемента является высокая стабильность и хорошая воспроизводимость разности потенциалов, возникающей между ртутным и кадмиевым электродами, если ее измерять в сосуде, заполненном водным раствором сернокислого кадмия. Разность потенциалов между ртутным и кадмиевым электродами устанавливается в пределах E_НЭ = 1,018608 - 1,018644 В. Это значение зависит от температуры, однако температурные поправки хорошо исследованы. Если за Е обозначить ЭДС нормального элемента при нулевой температуре, то в интервале температур от 0 С до 40 °С разность потенциалов нормального элемента хорошо описывается выражением

(2.27)

где t - температура в градусах Цельсия; коэффициенты α, β, γ, σ учитывают температурные искажения и равны соответственно:

При обсуждении международной системы единиц, из которой потом образовалась система СИ, было решено оставить одну произвольно выбираемую электрическую единицу. Желательно было выбрать ее так, чтобы имелась возможность сопоставления электрических величин с величинами, характеризующими пространство и время - длиной, массой и временем. Для реализации этого за основу был принят факт, что два проводника с постоянным током действуют друг на друга с силой, изменяющей свой знак при изменении направления токов на обратное (сила Ампера). В итоге было сформулировано определение основной единицы в электрических измерениях - единицы силы постоянного тока - Ампера:

Один Ампер есть сила не изменяющегося во времени электрического тока, который, протекая в вакууме по двум бесконечным и параллельным проводникам пренебрежимо малого круглого поперечного сечения, находящимися друг от друга на расстоянии 1 метр, создают электродинамическую силу, действующую на эти проводники и равную 2•10^-7 Ньютона на каждый метр их длины (рис. 2.9 ).

Рис. 02.09. К определению Ампера в системе СИ

Согласно принятому определению Ампер был реализован в виде двух установок. На первой измеряли силу, действующую на малую катушку в однородном магнитном поле. На второй измеряли момент силы, действующий на малую катушку с током. Измерения силы, действующей на катушку стоком, проводились на установке, получившей название Ампер-весов. Схема этой установки дана на рис. 2.10 .

Рис. 02.10. а) схема воспроизведения единицы силы тока на Ампер-весах; б) схема соединения обмоток в Ампер-весах

Не вдаваясь в детали этого достаточно тонкого эксперимента укажем, что при такой конфигурации катушек при протекании через измерительную катушку тока I₂ на последнюю действует сила, равная произведению магнитного момента М на градиент напряженности поля в точке расположения подвижной катушки

(2.28)

Эту силу регистрируют при измерении Ампера.

Процедура измерений состояла в следующем. При соединении катушек, указанном на рисунке и присоединенном к нормальному элементу, сила взаимодействия катушек уравновешивалась грузом, помещенном на вторую чашку весов. Затем изменяли направление тока в катушках и одновременно увеличивали или уменьшали уравновешивающий груз. Этот избыток или недостаток уравновешивающего груза был близок по весу к величине силы взаимодействия катушек, равной

(2.29)

где μ₀ - магнитная проницаемость вакуума; N₁, N₂ - число витков первой и второй катушки; d и D - диаметры первой и второй катушек; I - сила тока; f - некая эллиптическая функция, характеризующая геометрию катушек, их индуктивность и взаимное расположение.

Из приведенного описания Ампер-весов видно, что для независимого воспроизведения единицы силы тока эта установка не очень хороша. Прежде всего измерения связаны с измерением механических величин - силы и массы. Затем, в реализации Ампера на весах достаточно много источников погрешностей и расчетных параметров, точность которых трудно определить. И наконец, использование нормального элемента в качестве источника питания практически означает, что реально именно он является первичным, т. е. определяет все точностные характеристики установки. Несмотря на указанные недостатки реализации основной электрической единицы на Ампер-весах, последние с успехом применялись для сравнения различныхэталонов Ампера и сравнения ЭДС различных нормальных элементов.

Еще одной разновидностью реализации Ампера путем взвешивания является измерение силы тока с помощью измерения момента, действующего на катушку стоком. Схема этой установки дана на рис. 2.11 .

Рис. 02.11. Схема измерения момента силы, действующей на катушку с током при реализации Ампера: 1 - неподвижная катушка; 2 - подвижная катушка

В этой схеме ток, проходящий через неподвижную катушку, создает горизонтальное магнитное поле Н взаимодействующее с моментом силы, действующим на подвижную катушку и равным

(2.30)

Этот момент и подлежит измерению путем уравновешивания коромысла, прикрепленного к подвижной катушке. На вторую чашку весов помещают уравновешивающие грузы. Момент силы выражается как

где обозначения те же самые, что в предыдущей формуле, a L - длина неподвижной катушки.

Преимущества и недостатки измерения момента силы для воспроизведения Ампера практически те же самые, что для измерения силы, т. е. воспроизвести независимо единицу силы тока сложно, но прокомпарировать две величины силы тока или две значения ЭДС нормальных элементов можно с достаточно высокой точностью, оцениваемой на уровне (6-8)•10^-6 по относительной погрешности.

Джозефсоновский контакт как стандарт разности потенциалов

Значительный прогресс в реализации эталонов электрических единиц был достигнут после того, как на основе теории сверхпроводимости английским физиком Джозефсоном был предсказан эффект протекания сверхпро-водящего тока через слой диэлектрика, разделяющего два сверхпроводника (Нобелевская премия 1973 г.). Сущность этого эффекта, получившего название эффекта Джозефсона, состоит в том, что через слой диэлектрика, разделяющего два сверхпроводника, при подаче некоторой разности потенциалов U может проходить переменный ток, частота которого

(2.31)

где е - заряд электрона; h - постоянная Планка. Из этого уравнения следует, что для измерения разности потенциалов, приложенной к сверхпроводникам контакта Джозефсона, необходимо измерить частоту переменного тока, проходящего через этот контакт.

Рис. 2.12 поясняет ситуацию. На какую-либо изолирующую подложку, например на стекло, напыляется металлическая полоска - слой чистого олова. Затем следует дождаться, когда слой олова окислится, т. е. покроется пленкой SnO толщиной около 10 мкм. После этого крестообразно напыляется вторая полоска из олова.

Рис. 02.12. Схема контакта Джозефсона

Пересечение оловянных полосок, разделенных слоем диэлектрика, образует контакт Джозефсона.

Контакт подключается согласно схеме, приведенной на рис. 2.13 .

Рис. 02.13. Схема подключения контакта Джозефсона и его вольт-амперная характеристика

Если сопротивление R велико, то мы имеем дело с источником постоянного тока, сила которого определяется величиной U₀. При увеличении напряжения U₀ от нуля в контакте Джозефсона наблюдается все возрастающий ток сверхпроводимости без падения напряжения на контакте (U = 0). После достижения некого критического значения тока сверхпроводимости I_S на контакте возникает падение напряжения U ≠ 0 и ток перескакивает на характеристическую линию 1'-U. Если теперь уменьшать U₀, то ток пойдет по линии 1'-1, т. е. имеет место явление гистерезиса. Картина повторится при изменении направления тока на обратное. Для сверхпроводящего контакта характерно наличие тока сверхпроводимости и порогового значения напряжения E_g /е, где E_g - так называемая запрещенная зона, представляющая собой важнейшую характеристику в явлении сверхпроводимости.

Согласно расчетам Джозефсона при U ≠ 0 в контакте должен возникать переменный ток высокой частоты, имеющий в соответствии с формулой 2.31 частоту в несколько гигагерц (1 ГГЦ = 109 Гц). Рассматриваемый эффект может быть обнаружен, если поместить контакт Джозефсона в поле высокой частоты микроволнового волновода. Тогда наблюдается характерный ход зависимости ток - напряжение со ступенчатым увеличением тока при росте напряжения на дискретные значения ΔU, которые зависят от частоты микроволнового поля таким образом, что . Это значит, что всякий раз, когда напряжение достигает величины, при которой частота переменного тока эффекта Джозефсона является целой кратной по отношению к частоте микроволнового излучения, возникает добавочный постоянный ток, дающий скачок на вольт-амперной характеристике. Этот вывод был блестяще подтвержден экспериментом на контакте Sn -SnO- Sn при температуре перехода олова в сверхпроводящее состояние (Т =3,72 К).

Джозефсоновские контакты используются во всем мире для реализации единицы напряжения (разности потенциалов). Поскольку е и h - мировые константы, эффект Джозефсона является преобразователем напряжения в частоту. Поскольку частота является самой точно измеряемой величиной и может быть воспроизведена совместно с единицей длины и времени, получается великолепная возможность сверхточного и, самое главное, независимого воспроизведения единицы одной из электрических величин.

Практически разность потенциалов, воспроизводимая на контакте Джозефсона, составляет около Юм В. Это означает, что для воспроизведения Вольта необходимо последовательное соединение многих джозефсоновских контактов. По этой причине основу эталона Вольта обычно составляет некая структура, состоящая из нескольких контактов Джозефсона, напряжение на которой обычно компарируется с напряжением нормального элемента.

При воспроизведении основной электрической единицы и использованием эффекта Джозефсона существовавшая ранее схема реализации эталона Вольта через нормальный элемент не разрушается, равно как не разрушается и не подвергается ревизии существующий эталон Ампера. Просто средства воспроизведения единиц электрических величин дополняются новыми средствами воспроизведения напряжения с точностными характеристиками значительно выше тех, которые имели место при реализации единиц электрический величин через Ампер-весы и, соответственно, через механические единицы.

Дата добавления: 2015-04-30