電流基準（zhǔn）·電壓基準·電阻基準
施昌彥
現在，人們幾乎沒有一天（tiān）不在使用電器，不在與電打交道。這（zhè）樣，勢必會直接或間接地、有意或無意地與電流、電壓、電阻等電量發生關係（xì）。事實上在國際單位製(SI)中，為滿足“一（yī）貫性（xìng）”要求，必需在長度、質量、時間這（zhè）三個基本量之外，增加第四個電學（xué）基本量。即基本量電流(I)，它的單位是安培(A):在真空中，截（jié）麵積（jī）可忽略的兩根相距1m的無限長的平行圓直導線內，通以等量恒定電（diàn）流（liú）時，若導線間相互作用力在每米長度上（shàng）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1948年第九屆國際計量大（dà）會(CGPM)通過，並一直沿用至今。顯（xiǎn）然，定義中的兩根“無限長”導線是無法實現的，因而（ér）根據電動（dòng）力學原（yuán）理，可以用作用力相（xiàng）似等效的兩個線圈替代。例（lì）如:常用的艾頓(Ayrton-Jones)電（diàn）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生的力，或者（zhě）正交線圈通電（diàn）流（liú）時產生的扭力。複（fù）現的不確定度為10-5～10-6量級。
到50年代，實現安培的方法已經建立在弱（ruò）磁場和強磁場的核磁共振原理的基礎上（shàng），即利用水的質子回旋磁比γp來（lái）複現（xiàn）安培，其不確定度為10-6～10-7。這些裝置的結構也很複雜，且難以（yǐ）長（zhǎng）期保持。
於是，人們同時利用歐姆定律，即通過電壓單位伏特(V)和（hé）電阻單位歐姆(Ω)來實現和保持安培。為區別起見，習（xí）慣上把前麵幾種裝置稱為（wéi）“絕（jué）對”安培基準。電壓單位和電阻單（dān）位都可以用實物基準(一組標準電池（chí）和一組標準電阻（zǔ）)來保存，而電流單位卻做不到（dào）。
標準電池是一種密封於H形玻璃管內的化學原（yuán）電池(韋斯頓（dùn）飽和電池)，其（qí）電動勢(約為1.0186V)的溫度係數較大，因而（ér）須保存（cún）在（zài）恒溫槽中。標準電阻用（yòng）錳（měng）銅絲繞製，密封在鍍鉻（gè）的黃銅（tóng）殼內，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構（gòu），不（bú）可避免地會隨（suí）時間而發生緩慢變化，必然會給一個國家或者不同國家間的量值統一帶來困難。所（suǒ）以（yǐ），一些國家從60年（nián）代（dài）起（qǐ）就開始研究取代實物基準的不變的自然基準。其依據就是1962年英國人（rén）B.D.Josephson發現的、後來以（yǐ）他名字命名的（de）“約瑟夫森效應”:在超低溫(液（yè）氦)環境下的（de）超導約瑟夫森結，經微（wēi）波照射後會產生穩定（dìng）的量化電壓V=nf/KJ 。
式中n為整數，f為微波頻率，KJ為約瑟夫森常數。理論和實驗證明KJ=2e/h，其中e為電子電（diàn）荷，h為普朗克常數，它們（men）是不會隨時（shí）間、地點和（hé）構成約瑟夫森結的材料等因素的影響（xiǎng）而發生變化的。國際計量委（wěi）員會1972年（nián）根（gēn）據當時的實驗數（shù）據提出了KJ值，其後經各國計量研（yán）究機構的研究、改進與修正，宣布從1990年1月1日起全世界使用推薦（jiàn）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（xué）獎。
另一方麵，作為電阻自然基準基（jī）礎的“量子化霍爾(Hall)效（xiào）應”，於1980年為德國人K.Von Klitzing 所發現:具有高遷移率的半導體（tǐ）元件，置放在超低溫(液（yè）氦)和超高磁場(10多個特斯拉)下會產生一係（xì）列的量化電阻RH(i)=Rk/i。
式中i為整數，RH為克裏青常數。理論（lùn）和實驗（yàn）證明RH=h/e2。鑒於與電壓相同的原因，國際計量委員會宣布從1990年1月1日起全世（shì）界（jiè）使用推薦值（zhí）Rk-90=25812.807Ω。克裏青本人也（yě）榮獲（huò）1985年諾貝爾（ěr）物理學獎。
上述兩（liǎng）個常數是通過許多國家的電單位（wèi）絕對測量以及基本物理常數的組合來確定的，各國以此為基礎建立了實物的量（liàng）子電壓基準和量（liàng）子電阻（zǔ）基準，取代了傳（chuán）統的標準電（diàn）池和標準電阻的實物基準。在決（jué）定KJ-90和RK-90過程中，中國（guó）是（shì）國際上能提供（gòng）整套數據的四個國家之一(有的國家隻進（jìn）行了部分實驗)。中國的結（jié）果KJ 與推薦值差（chà）4×10-8，RK與推薦值差6×10-8，受到了國際上（shàng）的好評。●
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