Еталони одиниць фізичних величин

Як відомо, в 1962 році фізиком Джозефсоном було відкрито ряд тунельних ефектів у надпровідникових структурах. Використання в метрології нестаціонарного ефекту Джозефсона дозволяє відтворювати значення ЕРС зв'язане з частотою f (яка вимірюється з найвищою з усіх фізичних величин точністю) та фундаментальними фізичними сталими співвідношенням

де n=1, 2,..., n – номер сходинки на вольт-амперній характеристиці контакту Джозефсона; h – стала Планка; е – заряд електрона.

Після певних теоретичних та експериментальних досліджень у 70-х роках XX ст. було створено еталон одиниці ЕРС, за допомогою якого стало можливим відтворювати розмір вольта з невиключеною систематичною похибкою приблизно 10-8. Це відкрило перспективу зниження похибки відтворення інших електричних величин в 10... 15 разів, що привело до перегляду всієї системи еталонів електричних величин.

Подальшим етапом розвитку та удосконалення системи еталонів одиниць електричних величин стало створення еталона ома на базі відкритого в 1980 році квантового ефекту Холла і прийняття Міжнародним комітетом з мір і ваг рекомендації про перехід з 1990 року на нове визначення ома на основі цього ефекту.

Отже, можна зробити висновок, що в існуючій сьогодні системі еталонів одиниць електричних величин еталон вольта є найточнішим і найважливішим. Існують навіть пропозиції деяких вчених щодо переходу від системи МКСА до системи МКСВ, в якій вольт займав би місце основної одиниці і визначався б на основі ефекту Джозефсона, а ампер визначався б через вольт.

Найбільшою проблемою метрологів є відтворення кілограма, яке до цього часу проводиться за допомогою прототипів платино-іридієвих гир. Окрім організаційно-технічних труднощів, відбувається поступова зміна маси еталонних гир з часом внаслідок фізико-хімічних процесів. Тому йде інтенсивний пошук природних методів відтворення одиниці маси, з яких найперспективнішим є метод, пов'язаний з підрахунком кількості структурних елементів певного хімічного елемента, наприклад, атомів ізотопу кремнію-28. Але для цього потрібно підвищити точність визначення числа Авогадро, над чим працює зараз наукова думка.

Зупинимось детальніше на відтворенні одиниці температури, точніше на побудові температурної шкали. На відміну від таких фізичних величин, як довжина, маса чи площа, температура є не екстенсивною (параметричною), а інтенсивною (активною) величиною, тобто температура не має властивостей адитивності. При поділі тіла на частини температура кожної зберігається (залишається незмінною). Отже, температура тіл, що знаходяться в термічній рівновазі, однакова. Це явище не має безпосереднього шляху побудови температурної шкали, не дає можливості створити еталон температури аналогічно тому, як створюються еталони екстенсивних величин.

Завдання побудови температурної шкали може бути вирішене вимірюванням певної термічної властивості тіла (термоперетворювача), що знаходиться в термічній рівновазі з досліджуваною системою. Властивість та вид тіла можуть бути вибрані довільно (за відповідною домовленістю). Повинна також бути вибрана нульова точка шкали, в чому для екстенсивних величин нема потреби.

Оскільки вибір термоперетворювача та його вимірюваної властивості принципового значення не мають, то можуть бути вибрані такі тіла та їх властивості, що буде забезпечена відтворюваність та практична застосовність, а також можливість розрахунку теоретичної температурної шкали.

Такою шкалою в діапазоні температур в границях від 273, 16 К до 1357, 77 К є Міжнародна температурна шкала МТШ-90, прийнята в 1990 році на 17 сесії Консультативного Комітету з проблем термометрії. Згідно з МТШ-90 відтворення одиниці температури в цьому діапазоні засновано на використанні семи визначальних (реперних) точок постійної температури:

• рівновага між твердою, рідкою та газоподібною фазами води (потрійнаточка води) – 273, 16К;
• рівновага між твердою та рідкою фазами (точка плавлення) галію – 302, 9146К;
• рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) індію – 429, 7485К;
• рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) олова – 505, 078К;
• рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) цинку – 692, 677К;
• рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) алюмінію -933, 473К;
• рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) міді – 1357, 77К.

Для забезпечення передавання розміру одиниці температури в цьому діапазоні використовують низькотемпературні платинові термоперетворювачі ПТО-10, ПТО-25 з номінальним опором в потрійній точці води, відповідно, 10 та 25 Ом і високотемпературні термоперетворювачі ВТО з номінальним опором 0, 6 Ом. Термоперетворювачі атестують у відповідних реперних точках.

Первинний еталон одиниці сили світла кандели виконаний у вигляді трубки з окису торію, зануреної в розплавлену платину. Кандела – це сила світла, що випромінюється з поверхні площею 1/60000 м2 повного випромінювача в перпендикулярному напрямку при температурі випромінювача, що дорівнює температурі твердіння платини при тиску 101325Па.

Точність відтворення одиниць фізичних величин еталонами дуже неоднакова. Деякі еталони Національної еталонної бази України мають такі характеристики. Найточнішим є еталон часу та частоти, який в діапазоні від 10-10 до 108 с забезпечує відтворення одиниці з відносним середньоквадратичним відхиленням (СКВ) результату вимірювань, що не перевищує 510-14 при невиключеній відносній систематичній похибці 10-13. Державний первинний еталон одиниці маси з номінальним значенням 1кг забезпечує абсолютне СКВ810-3мг, а державний первинний еталон одиниці ЕРС в діапазоні від 0, 01 до 1 В – відносне СКВ510-9 та 10-8.

Первинний еталон одиниці довжини. У 1983 р. на XI Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг за одиницю довжини був прийнятий метр, розмір якого виражається в довжинах світлових хвиль. Згідно із затвердженим на конференції означенням, метр дорівнює довжині шляху, який