SI-2019 і перспективи підвищення точності електричних вимірювань

Автор(и)

  • Юрій Павленко Національний науковий центр ‟Інститут метрології”, вул. Мироносицька, 42, 61002, Харків, Ukraine
  • Олександр Колбасін Національний науковий центр ‟Інститут метрології”, вул. Мироносицька, 42, 61002, Харків, Ukraine
  • Олена Васильєва Національний науковий центр ‟Інститут метрології”, вул. Мироносицька, 42, 61002, Харків, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.24027/2306-7039.2.2021.236081

Ключові слова:

вимірювання; одиниці величин; Міжнародна система; ефект Джозефсона; квантовий ефект Холла; одноелектронний транзистор

Анотація

Зростання вимог до точності та достовірності вимірювань призвело до необхідності переглянути існуючу Міжнародну систему одиниць (SI). Важливим елементом реформи SI-2019 є “встановлення основних одиниць SI через сім визначальних констант, числові значення яких фіксовані”.

Підхід до встановлення одиниць величин докорінно змінився. У SI-2019 одиниці визначаються в неявному вигляді шляхом фіксації точних числових значень основних констант. Одиниці величин реалізуються на основі фізичних законів, які включають до себе ці основні константи.

У галузі електричних вимірювань значного збільшення точності відтворення електричної напруги та електричного опору вдалося досягнути після відкриття у ХХ сторіччі квантових ефектів Джозефсона та Холла, але при цьому відбувся розрив між методиками реалізації електричних одиниць і теоретичним визначенням основної електричної одиниці SI – ампера через механічні величини.

Наразі в новій системі SI-2019 цей розрив ліквідовано – всі електричні одиниці визначаються через фундаментальні сталі. Показано, що реалізація ампера в принципі можлива із застосуванням квантового ефекту одноелектронного тунелювання, але поки не набула широкого впровадження через малі значення відтворюваного електричного струму.

У статті аналізуються зміни в SI-2019, пов’язані з електричними вимірюваннями, а також обговорюються перспективи розвитку точних електричних вимірювань.

Значні зусилля в науковій сфері докладаються для доказів сумісності одиниць вольта, ома та ампера, які реалізуються квантовими еталонами, шляхом перевірки замикання так званого метрологічного трикутника.

Науковий та технологічний прогрес у реалізації квантових ефектів дозволяє розповсюдити переваги квантових еталонів на сферу вимірювань на змінному струмі. Також спостерігається значний прогрес у підвищенні робочих температур вище 10–70 К при реалізації квантових ефектів завдяки застосуванню нових матеріалів, таких як графен тощо.

Посилання

On the Revision of the International System of Units (SI). Resolution 1 (CGPM 26th Meeting, Versailles, November 13–16, 2018). Measurement Techniques, 2019, vol. 62, pp. 472–473. doi: https://doi.org/10.1007/s11018-019-01648-4

SI Brochure: The International System of Units (SI). 9th edition, 2019. Available at: https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/

Comité Сonsultatif d'Électricité: Rapport de la 18e session. Édité par le BIPM, Pavillon de Breteuil, F-92312 Sèvres Cedex, France, 1988, рр. Е65–Е66.

Consultative Committee for Electricity and Magnetism, Mise en pratique for the definition of the ampere and other electric units in the SI. SI Brochure, 2019. Appendix 2. Available at: https://www.bipm.org/utils/en/pdf/si-mep/SI-App2-ampere.pdf

CCEM Guidelines for Implementation of the ‘Revised SI’. Consultative Committee for Electricity and Magnetism, 2017. Available at: https://www.bipm.org/documents/20126/2070959/CCEM+Guidelines+for+Implementation+of+the+Revised+SI.pdf/1d4ad52d-5fca-6c15-dc4d-7b0a74e3816e

Likharev K.K., Zorin A.B. Theory of the Bloch-wave oscillations in small Josephson junctions. Journal of Low Temperature Physics, 1985, vol. 59, pp. 347–382.

Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. The New International System of Units (SI). Quantum Metrology and Quantum Standards. WILEY-VCH, 2019. doi:10.1002/9783527814480

Stock M., Davis R., de Mirandés E., Milton M.J.T. The revision of the SI – the result of three decades of progress in metrology. Metrologia, 2019, vol. 56, no. 2, pp. 1–14. doi: https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab0013

Semenchinskiy S.G. Kvantovyy effekt Kholla i postoyannaya Klittsinga [Quantum Hall effect and von Klitzing constant]. Izmeritelnaya tekhnika, 2021, no. 1, pp. 9–13 (in Russian). doi: https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-1-9-13

Semenchinskiy S.G. Ob elektricheskikh edinitsakh SI [About the electrical units of the SI]. Zakonodatelnaya i prikladnaya metrologiya, 2019, no. 2(159), pp. 7–9 (in Russian).

Опубліковано

2021-07-02

Номер

Розділ

Статті