“安培”的前世今生

作者:肖溪树来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-27

“安培”变脸,终结基本单位不“基本”的尴尬!

2018年11月13日,第26届国际计量大会法国巴黎召开,国际单位制也迎来了自1960年以来最为重大的历史性变革。

新旧SI单位定义对比

新旧SI单位定义对比(图片:www1.xcar.com.cn)

安培作为国际单位制的一个基本单位,为人类的计量事业做出了巨大贡献。此次大会决定用基本电荷常数(e)来定义安培,标志着安培定义步入了量子化时代,其意义是十分深远的。

电学大师——安培

安德烈·玛丽·安培(André-MarieAmpère,1775年—1836年),是近代物理学史上伟大的科学家,被誉为是“电学中的牛顿”。为了纪念安培在电学上的杰出贡献,电流的单位“安培”就是以他的姓氏命名。

安德烈·玛丽·安培

安德烈·玛丽·安培(图片:image.so.com)

电学量在生活中司空见惯,电压的单位为伏特,电阻的单位为欧姆,但是它们都不属于基本的物理量。而电流的单位安培才是国际单位制中的基本单位之一。

从国际安培到绝对安培

对电流单位安培是如何进行定义的呢?它又经历了哪些变化呢?

1820年,安培提出了著名的安培定律。1908年,国际电学大会决定把1秒时间间隔内从硝酸银溶液中能电解出1.11800毫克银的恒定电流为1安培,又称国际安培。

安培是一位伟大的物理学家

安培是一位伟大的物理学家(图片:image.so.com)

1946年,国际计量大会把安培定义为:在真空中,截面积可忽略的两根相距1米的平行而无限长的圆直导线内,通以等量恒定电流,导线间相互作用力在1米长度上为2×10-7牛时,则每根导线中的电流为1安培,又称绝对安培。1948年,第9届国际计量大会批准了该定义,一直沿用至今。

电流表

电流表(图片:image.so.com)

“安培”为什么要变脸?

电流的单位安培也算是电学物理学中的一个特例。尽管它是SI基本单位,但是安培这个单位的物理定义难以十分精确地再现,因此用作电学计量的基础存在一些不便。

在电学领域,伏特定义可以基于约瑟夫森常数来实现,欧姆定义可以基于冯-克利钦常数来实现,而沿用了72年的安培定义则无法在实验室进行精确重复操作。

如“两根无限长、截面积可忽略的导线……在真空中相距1米平行放置”等规定,都有可能限制其测量精度。

20世纪80年代以来,科学家开始研究量子电流标准,希望能通过一次产生一个电子的极为精确的电流源来重新定义安培,然而要检测到如此微小的电流无疑是十分困难的。

目前,单电子检测技术已经成熟,因此基于单电子的量子电流标准也该浮出水面了。在量子计量学中,半导体单电子泵可用于产生精确的电流。

单电子泵可以实现安培的量子标准

单电子泵可以实现安培的量子标准(图片: news.163.com)

在实验时,可在导电岛和隧道结间加上固定电压,在栅极加上振荡电压。借助栅极电压的振幅及平均值可精确测定每一振荡周期内穿隧通过的电子数。

将测定的电子数乘以栅极电压的频率及电子电荷量(物理常数),就可以求得通过器件的电流了。并且,由于振荡电压的幅值及频率可精确测量,电子电荷量则是固定值,所以就能精确算出通过的电流了。

用基本常数来定义国际单位制的基本单位,是人们在科学认知和量子测量等方面的巨大进步,有望为人类解决许多重大科学挑战奠定科学的基础。

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参考文献

【1】中国质量报 蔡 娟 陈杭杭 记者史玉成.《第二十六届国际计量大会开幕 将表决关于国际单位制修订的决议》,中国质量新闻网,2018-11-15。

【2】苏更林.《进无止境的计量单位》[J],百科知识,2018年10期。

【3】The Ampere, Redefined,Christoph Hammerschmidt, EE Times Europe

4/11/2014 00:01 AM EDT.

【4】A review of the quantum current standard,Nobu-Hisa Kaneko, Shuji Nakamura and Yuma Okazaki,Published 10 February 2016 • © 2016 IOP Publishing Ltd,Measurement Science and Technology, Volume 27, Number 3.

【5】Viewpoint: A New Era for the Ampere,Mark W. Keller, Quantum Electromagnetics Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305, USA, José Aumentado, Applied Physics Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305, USA,December 12, 2016• Physics 9, 144.

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