CC BY
80
УДК 535.241
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭТАЛОНА АМПЕРА
Н. Р. Кашапова, Р. А. Жога Научный руководитель - А. А. Снежко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail:[email protected], regina-zhoga@mail. ru
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерений. В данной работе отражено совершенствование эталона силы тока, а также определения ампера как единицы измерения силы тока. Также рассмотрены перспективы дальнейшего развития эталона Ампера.
Ключевые слова: сила тока, эталон физической величины, единица измерения, физические константы.
THE ENHANCEMENT OF THE STANDARD AMPERE
N. R. Kashapova, R. A. Zhoga Scientific supervisor - A. A. Snezhko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
To ensure the unity of measurements, the identity of units is necessary. Reproduction, storage and transfer of unit sizes is carried out with the help of standards and exemplary measuring instruments. This paper reflects the improvement of the current standard, as well as the definition of ampere as a unit of measurement of current. Prospects for the further development of the Ampere standard are also considered.
Keywords: current strength, standard of physical quantity, unit of measure, physical constants.
Ампер - единица измерения величины силы тока, она является одной из 7 основных единиц Международной системе единиц. В современном мире не обойтись без электричества: электрических установок, приборов. Чтобы эффективно это использовать, необходимо замерять параметры такого оборудования, в том числе и силу тока. В научной и производственной деятельности необходимо с достаточной точностью измерять силу тока. А так как любое измерение - это сравнение с эталоном физической величины, то качество эталона напрямую связано с обеспечением единства измерений. Следовательно, особо актуальным будет вопрос о совершенствовании эталона единицы силы электрического тока.
Первый эталон был принят на Международном конгрессе электриков в Чикаго в 1893 году. Ампер равнялся силе не изменяющегося тока, который выделяет 0,001118 грамм серебра в одну секунду, проходя через водный раствор азотнокислого серебра, при соблюдении приложенной спецификации. Но такое определение приводило к двум проблемам: во-первых, Выражение Ампера через килограмм в секунду приводило к тому, что он не являлся независимой единицей; во-вторых, единица силы электрического тока воспроизводилась с помощью серебряного кулоно-метра, а этот прибор изготавливался различными национальными метрологическими учреждениями децентрализовано.
Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»
Затем, в 1948 году были вновь введены абсолютные международные практические единицы (вместо практических). Прежний ампер стал равным 0,99985 абсолютного. Тогда IX Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) приняла новое определение, предложенное комитетом мер и весов в 1946 году. Звучало оно так: «Ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 210 7 ньютона». Это определение связало ампер с секундой, килограммом и метром которые являются основными единицами.
Но проблема в том, что мы не можем измерить силу, возникающую в таких проводниках, на практике, так как невозможно существование проводников, длина которых будет бесконечна. Однако, с достаточной степенью точности можно рассчитать силу взаимодействия токов, протекающих по проводникам, имеющим конечный размер, на основе закона Ампера.
В качестве эталона ампера были приняты токовые весы или же ампер-весы. Они представляли собой достаточно точные равноплечие весы, которые были выполнены из немагнитных материалов. На одном конце подвешивалась чашка для уравновешивающих грузов: постоянного и дополнительного. К другому концу коромысла крепилась подвижная катушка, входящая в неподвижную катушку большего диаметра. В простейшем случае их обмотки соединены последовательно. Весы находятся в равновесии при отсутствии электрического тока. При прохождении тока через катушки подвижная катушка либо втягивается в неподвижную катушку или же выталкивается из нее. Используя дополнительный уравновешивающий груз для восстановления равновесия, можно было рассчитать значение массы груза, который соответствует определенному значению силы электрического тока.
Согласно закону Ампера (1) сила взаимодействия токов в катушках будет равна:
F=kIil2=kI2, (1)
где I1=I2=I - сила тока в двух катушках, k - коэффициент пропорциональности (зависит от формы и размеров катушек, принятого значения относительной магнитной проницаемости среды и др.)
Также в соответствии со вторым законом Ньютона (2) сила тяжести, которая уравновешивает силу Ампера, будет равна:
F=mg, (2)
где m - масса груза, g - ускорение свободного падения.
Приравнивая эти выражения, получим формулу расчета силы тока (3):
I = V mg / k (3)
В 1992 году в качестве государственного был утверждён новый эталон. Он позволил повысить точность воспроизведения и передачи размера силы электрического тока. Он состоит из 2 комплексов.
Первый комплекс - многозначная мера постоянного тока для значений 110-3 А и 1 А , включающая меру напряжения, меры электрического сопротивления и регулируемые источники тока. То есть для воспроизведения Ампера используются косвенные измерения: U - вольт (воспроизводится с помощью эффекта Джозефсона) и r - сопротивление (воспроизводится с помощью эффекта Холла). Для расчета применяется закон Ома: I = U/r.
Второй комплекс - многозначная мера постоянного тока для диапазона 1 • 10-16 -^1 • 10-9 А, включающая набор мер постоянной емкости, интегратор, измерительный блок с частотомером, цифровым вольтметром и компаратором. Сила тока определяется формулой 4:
Io=Ud{Co/Td), (4)
где Ud - напряжение, C0 - емкость, Td - время [1].
Такой эталон хранится в ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (№ гет4-91 в реестре). Его параметры представлены в таблице [2].
Параметры эталона Ампера
НЗД (номинальные значения, диапазон) 1А; 110-3 А; 110-16-Н10-9 А
СПВ (случайная погрешность воспроизведения) 5 10-8; 2 10-4- 110-2
НСП (неисключенная систематическая погрешность) 210-7; 510-4- 2.5 • 10-2
16 ноября 2018 года на XXVI Генеральной конференции мер и весов была принято новое определение ампера, оно основанно на использовании численного значения элементарного электрического заряда. Формулировка, вступающая в силу 20 мая 2019 года, гласит [3]:
Ампер, символ А, есть единица электрического тока в СИ. Она определена путём фиксации численного значения элементарного заряда равным 1,602 176 634-10-19, когда он выражен единицей Кл, которая равна Ас, где секунда определена через частоту излучения, соответствующую переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
В настоящее время совершенствование эталонов реализуется через привязку к универсальным физическим константам высокой точности, например, через элементарный электрический заряд 1,610- , постоянную Больцмана 1.3810- , числу Авогадро 6,0210- и т.д. В последнее время такая тенденция наметилась и воплотилась в жизнь относительно не только эталона ампера, но и кельвина, моля, килограмма за счет приведения к таким константам.
Существует константа наибольшей точности - постоянная Планка, равная 6,63 1 0-34, которая участвует в уравнении Эйнштейна (5) для фотоэффекта:
к^=АвЪ1х+еи, (5)
где h - постоянная Планка, V- частота излучения, Авых - работа выхода, т.е. минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества, е - элементарный заряд, U - запирающее напряжение.
В данном уравнении обнаруживается связь с запирающим напряжением и, а через него с силой тока по закону Ома. Следовательно, в ближайшее время возможен пересмотр эталона единицы силы тока Ампера и других величин через основную константу квантовой физики.
Библиографические ссылки
1. Сафронов, К. В. Эталоны / Сост. К. В. Сафронова.- Пенз. гос. ун-т, каф. МСК, 2006.
2. Реестр государственных первичных эталонов России [Электронный ресурс] URL: http://fif. vniiftri. ru/DB/com/index. htm? RU, ЕТ^ОК(дата обращения: 31.03.2019).
3. Пересмотр системы единиц СИ: новые определения ампера, килограмма, кельвина и моля [Электронный ресурс] URL: https://econet. ru/articles/174765-peresmotr-sistemy-edinits-si-novye-opredeleniya-ampera-kilogramma-kelvina-i-molya.
© Кашапова Н. Р., Жога Р. А.,2019
