Эталоны. Сафронова К.В. - 22 стр.

ливается электрическое равновесие ( разность потенциалов между проводниками равна нулю ). Если же к
проводникам приложить извне разность потенциалов, то через туннельный контакт будет протекать элек-
трический ток.
       Если туннельный контакт образуется между двумя сверхпроводниками, то возникает эффект Джо-
зефсона (стационарный или нестационарный), открытый английским ученым Б. Джозефсоном в 1962 г. Тун-
нельный контакт при этом часто называют джозефсоновским.
       Стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что при нулевой разности потенциалов через тун-
нельный контакт в сверхпроводнике течет малый постоянный электрический ток.
       Нестационарный эффект Джозефсона возникает в случае, когда к джозефсоновскому контакту при-
кладывается постоянное напряжение U. При этом через контакт будет протекать переменный ток
                                          i (t )  I 0 sin[ 0  (2e / h)Ut ] ,

      где
          I 0 и  0 - постоянные величины, характеризующие амплитуду силы электрического тока и на-
                                            19
чальную фазу, соответственно; е = 1,602  10 Кл – заряд электрона ( с точностью до 3 – го знака после за-
                    34
пятой ); h = 6,626  10 Дж  с – постоянная Планка.
       Джозефсоновский контакт, на котором поддерживается постоянная разность потенциалов, испускает
электромагнитное излучение с частотой  :
                                                    (2e / h)U,
       где  = 2f - круговая частота.
       Величина  / U  2e / h  483,59767 МГц / мкВ является постоянной Джозефсона.
       Нестационарный эффект Джозефсона обратим: если джозефсоновский контакт облучать электромаг-
нитным полем с частотой  , то на контакте напряжение будет ступенчатым образом изменяться в зависи-
мости от частоты внешнего электромагнитного поля:
                                                 U  n  (h / 2e) f ,
      где f – частота электромагнитного поля.
      При выполнении равенства 2eU  nhf каждый раз при увеличении числа n на единицу будут наблю-
даться резкие ступеньки. Интервал между последовательными ступеньками достигает 4…5 мВ.
       В метрологии эффект Джозефсона, нашел применение в качестве эталона единицы напряжения –
                                                                              8
вольта. Повышение точности эталона вольта на эффекте Джозефсона выше 1 10 оказалось возможным
                             3    4
только при увеличении в 10 … 10 раз квантованного напряжения первичного преобразователя частота-
напряжение (криозонда), который помещается в гелиевый сосуд, т.е. достижение значений квантованного
напряжения (1…10) В. Этого удалось добиться путем применения интегральной микросхемы, содержащей
                     3    4
одновременно до 10 … 10 последовательно соединенных туннельных джозефсоновских переходов. Такие
микросхемы были созданы за рубежом и в нашей стране ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. В схемах с 1000
джозефсоновских переходов получено напряжение около 1 В, а в схемах с 20000 переходов – около 12 В.
       В России государственный первичный эталон ЭДС и постоянного напряжения воспроизводит вольт с
помощью эффекта Джозефсона. Размер единицы вольта передается вторичному эталону, в качестве которо-
го применяется группа термостатированных насыщенных нормальных элементов.
       Квантовый эффект Холла связан с использованием явления сверхпроводимости. Если структуру ме-
талл-окисел-полупроводник (МОП-структура) охладить до температуры 4,2 К и поместить в сильное маг-
нитное поле с индукцией (6…12) Тл, то на выходе МОП-структуры, называемой холловским контактом,
электрическое сопротивление будет изменятся ступенчатым образом, в соответствии с записью rх = n (h /e2),
где h – постоянная Планка, Джс; е – заряд электрона, Кл. Значение холловского сопротивления
rх=25812,807 Ом имеет погрешность измерений около 210-7 .
       Эталонная база России является, с одной стороны, самостоятельной и независимой, а с другой сторо-
ны, адаптированной к европейской и мировой системам обеспечения единства измерений.
       Основными направлениями развития эталонной базы России в настоящее время являются:
       − оптимизации эталонной базы по составу и структуре;
       − создание системы взаимосвязи эталонов, в том числе "естественных", основанных на фундаменталь-
ных физических константах и статистических физических исследованиях в области воспроизведения основ-
ных и важнейших производных единиц;
       − создание систем эталонов, в которой разумно сочетается централизованное и децентрализованное
воспроизведение единиц;
                                                                                                      22