Эталон разности электрических потенциалов (напряжения)

Первичный эталон разности электрических потенциа­лов снабжен электрохимическим эталонным элементом (нормальным элементом Вестона). Это специальный гальванический элемент, составные части которого строго подбираются по составу веществ и дозировки.

Бывают элементы насыщенные и ненасыщенные. В качестве основного вещества обычно используется раствор СdSO₄ (сернокислого кадмия). Насыщенные элементы при рабочей температуре содержат нерастворенные кристалы, а ненасыщенные свободных кристалов не имеют.

Тип	Класс точн.	Э. д. с., В	Допуст. ток, мкА	Температура 0С	Дрейф , мкВ за год
Насыщенный	0,001	1,01859..1,01863	1	20,0  0,5	10
	0,002	1,01856..1,01866	1	20,0  2,0	20
	0,005	1,01850..1,01870	1	10 . . 40	50
Ненасыщенный	0.02	1,0186..1,0194	10	5 . . 55	200

При 20^oС погрешность по напряжению 3*10^-6 при оптимальных условиях, которые заключаются в том, что изменения тем­пературы не превосходят 10^-3 К, отсутствует нагрузка и нет ни вибраций, ни тряски. У элемента Вестона очень длительное тепловое последействие. После того, как он был нагрет до 30^oС, ему может понадобиться 6 месяцев, прежде чем напря­жение на нем полностью стабилизируется и не будет отличаться более, чем на 0,3 мкВ от его номинального значения при 20 °С. Кроме того, элемент Вестона будет со временем стареть, что приведет к увеличению его внутрен­него сопротивления (R_i 500 — 1000 Ом) и уменьшению напряжения на несколько микровольт (в течение первых лет).

Для эталонов более низкого порядка достаточны зенеровские опорные элементы (стабилитроны). Через зенеровский элемент пропускают постоян­ный ток и поддерживают его при постоянной температуре. Он может обес­печить погрешность меньше 10^-5. Зенеровские элементы особенно полезны в качестве переносимых эталонов, их часто применяют в портативной аппа­ратуре.

Уязвимость и сравнительно большая погрешность эталонных элементов заставляют искать эталоны напряжений, которые были бы более постоян­ными и легче воспроизводимыми. Результатом такого поиска стало исполь­зование эффекта Джозефсона в эталонах напряжения. Этот эффект, пред­сказанный в 1962 году английским студентом Брайеном Джозефсоном, на­блюдается в том случае, когда два сверхпроводника располагаются близко один от другого на расстоянии порядка 10^-9 м.

Обычно в качестве проводников используют тонкие пленки из свин­ца, охлажденные до температуры ниже точки перехода. Эти пленки разделе­ны слоем окисла толщиной 1 нм. В этих условиях электроны имеют возмож­ность совершить туннельный переход через образующийся контакт. Этот элек­трический туннельный ток помещают в высокочастотное электрическое поле (с частотой f₀), направленное перпендикулярно по отношению к контакту. В результате зависимость тока от напряжения имеет ступенчатый вид. Эта зависимость характеризуется скачками тока при квантованных значениях напряжения V_j. Напряжение V_j(n), соответствующее п -му скачку (п— целое число), зависит от частоты f₀ по правилу: V_j (n)=nf₀ (h/2q), где h и q — фундаментальные физические постоянные, а именно: h — постоянная Планка, q— заряд электрона. Для целей метрологии значение 2q/h принято равным 483597,9 ГГц/В. Соеди­няя контакты последовательно, можно получить напряжение порядка 10 мВ с погрешностью всего лишь 4*10^-7 (при f₀=10 ГГц и температуре 4^о К).