37708 IMG�96 (2)

rza się (odwzorowuje się) je pomiarowo na napięcie i mierzy się odpowiednie napięcie Najpospolitsza zasada fizyczna przetwarzania oparta jest na prawie Ohma i polega na pomiarze spadku napięcia na znanym, dokładnie wykonanym rezystorze, zwanym tradycyjnie bocznikiem Bocznikami nazywa się tez elektroniczne układy przetworników natężenia prądu na napięcie Wszystkie te rozwiązania są względnie prostym i tanim rozwiązaniem pomiaru natężenia prądu, gdy są dodatkową funkcją przyrządu do pomiaru napięcia Z tego względu z zasady pomiar natężenia prądu jest jedną z funkcji pomiarowych multimetrów Dokładność pomiaru natężenia prądu w takich rozwiązaniach jest zawsze gorsza od dokładności pomiaru napięcia tym multimetrem i może być gorsza nawet o rząd wielkości lub więcej

3.2. Funkcje elementarne w układach pomiaru napięcia

3.2.1. Wzorce napięcia i natężenia prądu

Od 1990 roku definicja i fizyczne odtwarzanie pierwotnej, wzorcowej miary napięcia elektrycznego o wartości określonej w woltach oparte są na zjawisku Josephsona i dokładnym pomiarze częstotliwości

Ustalono, ze stała Josephsona powinna mieć wartość Kj = 483 597.9

w zjawisku Josephsona powstające napięcie Uj (napięcie Josephsona) dla „schodka" o numerze n=\ miało wartość wyrażoną w woltach wg zależności (3 1), gdy częstotliwość

oddziałującego pola elektromagnetycznego wynosi / Oceniono, ze niepewność względna, standardowa tak wyrażonej w woltach wartości napięcia wynosi 4.10 . W ten sposób dokładność zdefiniowania i odtworzenia miary jednostki napięcia 1 V została oparta na dokładnym pomiarze częstotliwości fali elektromagnetycznej (a więc na pomiarze czasu) oraz na dokładnie wyznaczonej wartości stałej Josephsona Stała Josephsona jako stała fizyczna nic jest wrażliwa na zmiany warunków fizycznych, jej wartość nie zależy od tych warunków Skromna dokładność wzorcowej miary napięcia IV (niepewność pomiaru czasu jest o kilka rzędów mniejsza') wynika z tego. Ze stała Josephsona znana jest właśnie z podaną niepewnością Gdy w przyszłości wartość stałej będzie wyznaczona dokładniej, miara wolta będzie znana dokładniej w zapisie liczby wyrażającej stałą pojawią się dalsze cyfry (które dziś są me znane).

Napięcie utworzone za pomocą zjawiska Josephsona (o zdefiniowanej powyżej wartości) jest wzorcem pierwotnym napięcia elektrycznego, tj. wzorcem, którego miara jest przenoszona na wzorce wtórne, stosowane do przechowywania miary i uwierzytelniania wzorców niższego rzędu dokładności

Zdefiniowana i odtwarzana fizycznie miara IV jest konkurencyjna pod względem dokładności dla przyjętej, jako jednostka podstawowa układu SI, miary 1A Miara IA - wg przyjętej pół wieku temu definicji • jest fizycznie trudno realizowalna z zadowalającą dokładnością, a ponadto nie jest proste przechowywanie i odtwarzanie wzorcowej miary wtórnej natężenia prądu Faktycznie więc dziś odtwarza się wzorcową miarę natężenia prądu wyłącznie pośrednio na podstawie wzorców napięcia i rezystancji oraz prawa Ohma Oznacza to. Ze podstawowa jednostka układu SI - jeden amper - jest tylko prawnie jednostką podstawową tego układu, fizycznie i praktycznie jest jednostką pochodną Stan faktycz-

ny zapewne kiedyś stanie sic stanem prawnym i amper nie będzie jednostką główną układu SI, bo taki stan jest technicznie nieracjonalny

Wartość stałej Josephsona Kj (wartość przyjętą w 1990 roku i oznaczaną przez Kj.w) wyznaczono na podstawie wyników specjalnie wykonanych i niezależnych pomiarów realizowanych w programie międzynarodowych badań realizowanych praktycznie przez całe lata osiemdziesiąte w najbardziej renomowanych laboratoriach metrologicznych na świecie Te badania były potrzebne, ponieważ stała Josephsona (jedna ze stałych fizycznych) me była znana wystarczająco dokładnie, choć jest równa stosunkowi % . W zależności tej występują ładunek elektronu i stała Plancka, a więc inne stałe fizyczne, które tez me były i nie są znane dość dokładnie. Pamiętamy, Ze w układzie SI wielkość miar jednostek mechanicznych jest niezależnie określona, więc wielkość napięcia odpowiadająca IV jest przez powiązania fizyczne¹ jednoznacznie określona (w spójnym układzie jednostek¹) i me może być arbitralnie wskazana. NaleZało więc wyznaczyć odpowiednią wartość stałej Ki, żeby wyznaczone z zależności (3.1) napięcie Uj wyrażone w woltach miało odpowiednią wartość liczbową Pomiary te wykazały, że przed rokiem 1990 napięcie, któremu przypisywano wartość IV, było o 8 1 pV za małe (błąd wielkości - ujemny!), albo inaczej patrząc - przypisywana mierze liczba IV była za duża o 8 1 pV (błąd wartości - dodatni!) Błąd 8 jiV jest bardzo dużym błędem, gdy zważyć, że błędy dokładnych, współczesnych woltomierzy cyfrowych mogą być mniejsze, więc nie można było tolerować tak dużego błędu pierwotnego wzorca miary.

Napięcie Josephsona występuje w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego na styku dwu nadprzewodników rozdzielonych cienką warstwą dielektryku (otrzymaną np przez utlenienie powierzchni), gdy tak utworzone złącze znajduje się w polu elektromagnetycznym wysokiej częstotliwości. Mówi się, Ze napięcie to jest skwantowane, bo wykazuje charakterystykę w postaci „schodków”, gdy np. wymuszany jest w złączu liniowo narastający prąd detekcyjny (rys. 3.1). Oczywiście, wielkość napięcia danego schodka me zależy od natężenia prądu, lecz tylko od częstotliwości pola elektromagnetycznego Fizycznie otrzymywane napięcie Uj dla schodka o numerze n= I jest rzędu jednego mihwolta, gdy zastosowana częstotliwość fali elektromagnetycznej jest rzędu 500 GHz (odpowiada długości fali rzędu O.Smm).

Badania wykazały, że niestałość napięcia Josephsona jest być może rzędu I O^-9 (rozumiana jako średniokwadratowy rozrzut wielkości napięcia), natomiast stwierdzona nieodtwarzalność wielkości napięcia może być rzędu 10 * Oznacza to, że odtwarzane napięcie Josephsona w różnych laboratoriach na świecie i odtwarzane w różnych okolicznościach wykazywało średniokwadratowy rozrzut, wynoszący 10‘* wielkości. Podawana więc większa niepewność miary jednostki napięcia - jako jej charakterystyka dokładnościowa -zawiera jeszcze składowe niepewności powstałe dodatkowo przy wyznaczaniu wartości stałej Kj.

Zjawisko Josephsona jest stosowane w miernictwie nie tylko jako wzorzec pierwotny w sposób najprostszy, tak jak wyżej przedstawiono Dokładność odtworzenia miary napięcia elektrycznego zachęca do budowania złożonych układów ze złączami Josephsona Budowane są układy scalone, w któiych zrealizowane są tysiące złącz Josephsona i otrzymywane jest w wyniku ich połączenia napięcie wzorcowe na poziomie IV lub więcej Daje to możliwość łatwiejszego przeniesienia z potrzebną dokładnością miary napięcia wzorcowego z układu złącz znajdującego się w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego na żró-

77

1

Na przykład sita oddziaływania elektrostatycznego w próżni między dwoma elektrodami jest określona jednoznacznie przez różnicę potencjałów i wymiary geometryczne układu przestrzennego. Siła ma już w mechanice miarę określona w mutonach Napięcie musi mieć więc wielkość miary wynikającą z miar siły i długości, żeby jednostki le tworzyły spójny układ jednostek