Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Эталоны физических величин. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 156 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Существующий в настоящее время эталон единицы массы обладает рядом недостатков. Платиноиридиевый прототип килограмма может быть поврежден или даже разрушен, он подвержен загрязнению и износу. Оригинал доступен только в одном месте, что создает трудности для точной передачи размера его единицы рабочим средствам измерений. Большая плотность сплава, из которого сделан платиноиридиевый прототип, приводит к понижению точности сравнения в воздухе с вторичными стальными эталонами килограмма, используемыми в практике при последующих процедурах передачи размера килограмма или в некоторых случаях при проведении измерений.

Однако наиболее существенными недостатками являются низкая точность передачи размера килограмма производным единицам, особенно электрическим, а также неконтролируемый временной дрейф всей системы платиноиридиевых эталонов. Действительно, неопределенности результатов сличений этих эталонов между собой, измеряемые микрограммами, не могут служить доказательством их стабильности. Из этого следует то, что если массы всех платиноиридиевых эталонов изменяются, то примерно с одной и той же скоростью. Поскольку все эталоны изготовлены примерно в одно и то же время из одного и того же сплава и хранятся в одинаковых условиях, то их одинаковый временной дрейф вполне возможен. Оценки изменения размера килограмма относительно ФФК, сделанные различными авторами по разным методикам, дают значения изменения килограмма от 5·10-8 кг за 100 лет до 1 мг за 50 лет.

Таким образом, задание эталона единицы массы с помощью платиноиридиевого прототипа килограмма не соответствует современному уровню фундаментальной метрологии. Поэтому в настоящее время приоритетным направлением является переход к принципиально новому эталону единицы массы, который должен основываться на значениях определенных физических констант и тем самым являться с высокой степенью точности инвариантом по отношению к различным изменениям. Существуют два основных метода нового определения единицы массы – килограмма, а именно: путем использования значений постоянной Планка h или постоянной Авогадро NA, которые и были рассмотрены на XXIII ГКМВ в ноябре 2007 г.

Первый метод, называемый «атомным килограммом», формулируется следующим образом:

килограмм, единица массы, является точной массой 5,01845166·1025 свободных атомов углерода-12 в состоянии по-

коя и в основном (квантовом) состоянии.

Этим определением устанавливается значение массы атома углерода, а также постоянной Авогадро, NA, если сохраняется текущее определение моля.

Данное определение будет реализовано при помощи любого эксперимента, который сегодня может быть использован для измерения массы атома или величины постоянной Авогадро, по плотности кристалла кремния или эксперимент с ватт-весами, объединенный зависимостью между h и NA.

Второй метод, называемый «электрическим килограммом», формулируется следующим образом:

килограмм, единица массы такая, что значение постоян- ной Планка равно точно 6,6260693·10

-3 4

кг м2 с-1.

Этим определением устанавливается значение постоянной Планка h. Так как метр и секунда уже определены и значение h является универсальной константой, установление численного значения h определяет килограмм.

Данное определение могло бы быть реализовано любым экспериментом, который может быть использован для определения значения h, как например, ватт-весы или эксперимент по плотности кристалла кремния для измерения NA, объединенный зависимостью между h и NA.

Как известно, эталон единицы массы – единственный эталон СИ, который полностью определяется своим искусственно созданным материальным прототипом. Три основных единицы СИ – ампер, моль и кандела – косвенным образом определены с помощью килограмма, поэтому несовершенство принятого в настоящее время определения эталона единицы массы сказывается и на их определении. Поскольку механизм образования массы окончательно не установлен, то переопределение единицы массы не может быть осуществлено на основании какого-либо процесса (механизма), определяющего массу. Необходимо найти «естественный» в каком-то смысле прототип единицы массы. С этой точки зрения наилучшим решением вопроса явилось бы введение массы электрона в качестве естественной дольной единицы массы. Масса электрона в отличие от атомной единицы массы является более стабильной величиной, остающейся неизменной даже в сверхэкстремальных условиях в течение неограниченных интервалов времени. Поэтому, также как и скорость света, ее можно было бы сделать абсолютной константой, значение которой не подлежит уточнению. Такую абсолютную константу можно было бы использовать как

при теоретических расчетах масс других тел, так и в качестве реперной константы при проведении экспериментальных измерений ряда физических величин. В этом случае необходимо учитывать релятивистские и квантовые эффекты, связанные с дефектом масс и движением частиц. Однако учитывая имеющиеся технологии, для создания нового эталона единицы массы потребуется длительное время. Тогда как вопрос о замене существующего международного прототипа килограмма является актуальным и выдвигается в качестве первоочередного для перехода к качественно новому уровню воспроизведения, хранения и передачи единицы массы и проведения измерений масс.

Однако многие члены МКМВ предпочитают новое определение килограмма, основанное на фиксации постоянной Планка, аргументируя это тем, что:

h – это фундаментальная константа квантовой механики, так же как с – это фундаментальная константа теории относительности, и теоретическая физика могла бы получить хорошее развитие через точное определение значений двух констант h и с;

если переопределить ампер через фиксацию заряда электрона е, тогда величины 2e/h и h/e2 будут иметь точно определенные значения, что даст преимущества для метрологии электрических измерений.

При практическом использовании единицы массы, как и других основных единиц измерения, необходимы реальные способы воспроизведения и передачи размера единицы. XXIII ГКМВ отметила, что:

– реализация определения килограмма может быть достигнута поддержанием ряда прототипов килограмма, которые будут использоваться как вторичные эталоны, в точности таким же образом, как это делается сегодня;

– однако, они должны калиброваться через интервалы в соответствии с определением на основе постоянной Планка h с использованием ватт-весов или любого другого эксперимента, который сегодня может быть использован для измерения значения h. Эта процедура должна заменить калибровку прототипов вторичных эталонов по отношению к международному прототипу К, как это делается сегодня;

–

первоначально предпочтительно, чтобы международный прототип калибровался по отношению к постоянной Планка с использованием ватт-весов, так, чтобы последние могли быть использованы далее как эталон. Тем не менее каждая лаборатория, оборудованная ватт-весами, может поддерживать свой собственный эталон массы.

2.3. Эталон единицы времени

Секунда определялась через период вращения Земли вокруг своей оси. До недавнего времени секунда соответствовала (1/86400) части солнечных средних суток (среднего значения суток в течение года). Однако продолжительность наблюдений показала, что вращение Земли подвержено нерегулярным колебаниям, которые не позволяют рассматривать его в качестве стабильной естественной основы для определения единицы времени.

Средние солнечные сутки определяются с точностью до 10-7 с. С 1960 по 1967 гг. за секунду принималась (1/31556925,9747) тропического года – промежутка времени между двумя последовательными прохождениями Солнца точки весеннего равноденствия. Поскольку продолжительность тропического года непостоянна, для расчетов был выбран 1960 г. Период вращения Земли вокруг Солнца более стабилен, чем период вращения Земли вокруг своей оси. Поэтому отклонение секунды при воспроизведении по новому определению уменьшилось до 10

-10

с.

Во второй половине XX в. стремительный прогресс в области точности определения спектроскопических характеристик атомов привел к введению «атомной секунды». В 1964 г. МКМВ принял решение, что для измерений времени можно использовать атомный эталон частоты, в котором происходит переход между уровнями сверхтонкого расщепления F = 4, mF = 0 и F = 3, mF = 0 основного состояния 2S

атома цезия-133, не возмущенного внешним полем

1/2

(F – величина полного углового момента атома, mF – его проекция на

определенную ось). Эксперименты показали, что атомный эталон временного интервала, основанный на переходе между двумя энергетическими уровнями атома или молекулы, может быть воспроизведен более точно, чем «эфемеридная секунда», связанная с годовым вращением Земли вокруг Солнца. Учитывая, что точное определение единицы времени является необходимым для Международной системы единиц, XIII ГКМВ (1967 г.) заменила определение секунды на: «секунда есть длительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133». В 1997 г. МКМВ принял, что это определение относится к атому цезия в основном состоянии при температуре 0 К. Единица частоты – герц есть величина, обратная секунде.

Государственный первичный эталон единиц времени

(секунда), частоты и национальной шкалы времени (номер по реестру ГЭТ 1-98) создан во ВНИИФТРИ в 1967 г. После неоднократных модернизаций эталон утвержден Постановлением Госстандарта России № 315 от 27.09.1998.

Непрерывную работу эталона обеспечивает комплекс измерительных средств, в состав которой входят:

• аппаратура воспроизведения единиц времени и частоты –

метрологический цезиевый репер частоты;

• аппаратура хранения единиц и шкал времени – группы

водородных хранителей частоты и времени;

• аппаратура оформления шкалы времени;

• комплекс аппаратуры радиооптического частотного моста

(РОЧМ).

Метрологическая характеристика эталона:

Диапазон измерений:

– времени, с 1·10

-10

... 1·108 – частоты, Гц 1...1·1014 Случайная погрешность – для измерений частоты РОЧМ (1·1010...1·1014, Гц) 1·10 Систематическая погрешность 5·10

-12

-14

Необходимость в точных измерениях времени и частоты

существует во всех областях науки и производственной деятельности: фундаментальные исследования (уточнение основных законов природы, расширение знаний о Вселенной, космосе, Земле, микромире); навигация, связь, телекоммуникация; системы управления транспортом и др.

Основу первичного эталона так же, как вторичных и

некоторых ведомственных эталонов времени и частоты, составляют квантовые меры, подразделяемые на реперы и хранители, оснащенные аппаратурой взаимных сличений по частоте и шкале времени. Цезиевые реперы частоты воспроизводят размер секунды в соответствии с ее определением в Международной системе единиц и работают периодически (в некоторых странах цезиевые реперы работают постоянно). Реперы включаются только с целью осуществления поверок и регулировок СИ частоты, а хранители, представляющие собой часы, работают непрерывно.

Начиная с 1967 г., вместо вращения Земли вокруг Солнца

стандартным периодическим процессом для определения единиц времени и частоты становится колебание электромагнитного поля. При этом астрономическая временная шкала заменяется атомной

временной шкалой. Точность, достигаемая астрономическими методами, находилась на уровне 108. В настоящее время уровень точности при использовании электромагнитных процессов составляет 1015 и будет увеличиваться.

Национальные лаборатории, как правило, работают с

совокупностью часов. Они идут независимо друг от друга, их показания усредняются, давая постоянную временную шкалу. Эта шкала более стабильна и более точна, чем шкала любых часов. Она основывается на результатах сличения локальных часов в лаборатории и имеет неопределенность менее 100 пс. Синхронизация часов в территориально отстоящих друг от друга лабораториях важна для метрологии времени. Необходимы точные методы сравнения часов с учетом релятивистских поправок, которые могут быть повсюду и в любое время применены на Земле. Система спутников обеспечивает решение этой проблемы. Спутники оборудованы цезиевыми часами, которые передают временные радиосигналы.

Следует упомянуть часы совершенно иной природы –

пульсарные. Для миллисекундных пульсаров было обнаружено, что временные интервалы между излучаемыми импульсами стабильны в течение нескольких дней, что позволяет использовать пульсар как единый базис для точных часов, который удобен для передачи единицы времени для всей Земли.

В настоящее время единица времени определяется с наивыс-

шей точностью по сравнению с другими единицами физических величин. Частота является величиной, обратной интервалу времени, выраженному в виде периода некоторого повторяющегося процесса. Единица частоты является производной единицей системы СИ, связанной с другими единицами, например, джозефсоновский эталон вольта преобразует частоту в напряжение. В настоящее время созданы и действуют цезиевый, рубидиевый и водородный эталоны частоты, а также эталоны на резонансных ионах в электромагнитных ловушках, которые обладают рекордными значениями метрологических характеристик, таких как стабильность, точность, воспроизводимость. Приборы времени и(или) частоты состоят из нескольких частей в зависимости от назначения системы. «Сердцем» системы является частотный источник. Период такого источника используется для хранения времени, т.е. он становится часами.

Переход к атомным эталонам частоты позволил намного по-

высить точность определения единицы времени. Лишь небольшое число национальных метрологических лабораторий реализуют еди-

ницу времени с высочайшей точностью. Для этого конструируются и создаются первичные эталоны частоты с заданным отношением к частоте перехода атома цезия-133, которые воспроизводят секунду с суммарной стандартной неопределенностью, находящейся на уровне

-15

. Важно отметить, что определение секунды следует понимать,

как определение единицы собственного времени; оно применяется в малой пространственной области, сопутствующей движению атома цезия. В лаборатории, занимающей небольшой объем пространства, чтобы можно было пренебречь эффектами неоднородности гравитационного поля при сравнении неопределенностей реализации секунды. Секунда измеряется после учета релятивистской поправки на скорость движения атома в лаборатории.

Первичные эталоны частоты используются для калибровки

вторичных эталонов времени, принадлежащих национальным лабораториям службы времени. Это коммерческие высокостабильные цезие-

вые часы, способные сохранять частоту на уровне 10

-14

в течение не-

скольких месяцев; они представляют почти идеальное средство хранения времени. Лаборатории службы времени используют также во- дородные мазеры с кратковременной стабильностью. Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны). Они применяются в тех случаях, когда требуется стабильность на интервалах с продолжительностью меньше, чем 1 день (стабильность 10

-15

на протяжении

10000 с). Дрейф частот мазеров становится заметным при сравнении с

цезиевыми часами в течение нескольких дней. Цезиевые часы и водородные мазеры должны работать в тщательно контролируемых условиях.

Новое поколение хранителей времени — кварцевые и атомные

часы, изобретенные в период с 1930 по 1950 гг., выявило, что Земля вращается неравномерно. В то время погрешность измерения времени достигала 1с в течение 300 лет. Прогресс развития эталонов частоты на квантовых переходах атомов обеспечил к 1980 г. значение погрешности в 1 с за 300 тыс. лет, а к 1995 г. при использовании «атомных фонтанов» – за 15 млн. лет. Хотя в микроволновых стандартах частоты и времени достигнуты высокие показатели точности и стабильности, существует возможность улучшения этих показателей при переходе к стандартам частоты нового поколения – «атомным фонтанам». В них используются атомы цезия, охлажденные лазерным излучением до температур порядка милликельвина. Можно также улучшить показатели при переходе к оптическим стандартам частоты и времени.

В современных цезиевых часах атомы нагреваются до темпе-

ратуры 100°С, и быстрое движение атомов в микроволновой камере часов вследствие доплеровского уширения линий за счет теплового движения ограничивает их точность. Охлаждение свободных атомов лазерным излучением, открытое в 1968 г., позволяет снизить среднюю скорость теплового движения атомов, уменьшая доплеровское уширение линий. Этот эффект используется в часах нового типа – «атомных фонтанах», работающих на атомах цезия. В таких часах атомы цезия, движущиеся вертикально вверх, попадают в ловушку, охлаждаются лазерным излучением до температур, близких к абсолютному нулю, и попадают в резонатор, где свободно падают в гравитационном поле Земли. Вследствие уменьшения средней скорости движения атомов цезия и их флуктуаций уменьшается доплеровское уширение линии поглощения и излучения. При этом падение атомов в области детектирования настолько медленное, что время нахождения атомов в этой области становится достаточно большим для проведения высокоточных измерений. Замечено, что часы на ионных ловушках, размещенные в пространстве без гравитационного поля, например на земной орбите, позволяют увеличить точность до значений менее 1с за время жизни Вселенной.

2.4. Эталоны единиц электрических величин

Единица силы тока равна единице количества электричества,

проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Поэтому естественно было бы принять за основную электрическую единицу некоторый заряд, например, равный заряду электрона или определенному числу электронов. Однако в настоящее время нет возможности создать эталон, опирающийся на данное определение. Поэтому было принято решение отказа от единицы количества электричества как основной электрической единицы и использования в качестве таковой единицу силы тока – ампер.

В 1893 г. Международный конгресс электриков в Чикаго

принял эталон силы электрического тока – ампер, установив так называемый международный ампер, определяемый через эталон, служащий для его воспроизведения. Ампер воспроизводился с помощью серебряного кулонометра. Международный ампер равнялся

«силе неизменяющегося электрического тока, который выделял 0,001118 грамма серебра за 1 секунду, проходя через водный раствор азотнокислого серебра, при соблюдении приложенной спецификации».

Соответствующие эталоны единицы ампера – серебряные

кулонометры – создавались децентрализованно различными национальными метрологическими учреждениями. Это первое определение выражало ампер через килограмм и секунду, т.е. и по определению, и по способу воспроизведения он не был независимой единицей.

В 1948 г. вместо международных практических единиц были

вновь введены абсолютные, при этом размер ампера и других единиц изменился. Прежний международный ампер стал равным 0,99985 абсолютного, международный вольт – 1,00034 абсолютного, международный ом – 1,00049 абсолютного и т.д. Определение: «ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 ньютона» не только отличается по содержанию от определения 1893 г., но и характеризует другую единицу. Оно связало ампер с тремя основными единицами – метром, килограммом и секундой.

В большинстве стран в качестве эталонов ампера

используются установки, реализующие ампер либо путем измерений силы (ампер – весы), либо путем измерений момента силы, действующей на катушку с током, помещенную в магнитное поле другой катушки.

Это точные равноплечие весы, выполненные из немагнитных

материалов. На одном конце коромысла подвешена чашка для размещения постоянного и дополнительного уравновешивающих грузов. К другому концу коромысла подвешена подвижная катушка, входящая коаксиально в неподвижную катушку большего диаметра. Обмотки катушек (в простейшем случае) соединены последовательно. При отсутствии тока весы уравновешиваются. При прохождении через катушки электрического тока подвижная катушка втягивается в неподвижную (или выталкивается из нее). Для восстановления равновесия используется дополнительный уравновешивающий груз.

По результатам метрологического исследования рассчитывают

значение массы этого груза, соответствующего, например, силе электрического тока в 1 А. Включив в цепь катушек эталонный резистор, можно откалибровать эталонные меры ЭДС (эталонные меры силы тока не применяются).

Отсутствие единой международной спецификации ампер-

весов сделало необходимыми международные сличения мер сопротивления и ЭДС и принятие для размера ампера некоторого среднего значения, т.е. введение централизованной системы обеспечения единства измерений.

Эталоны, основанные на измерениях магнитной индукции

методом ядерного резонанса, используются в качестве вторичных.

Государственный первичный эталон единицы силы

постоянного электрического тока (ампер) (номер по реестру ГЭТ 4-91)

создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1989-1991 гг.), утвержден Постановлением Госстандарта СССР № 10 от 12.09.1991. Эталон

воспроизводит значения силы тока в диапазоне 1·10-3... ...1 А путем

косвенных измерений напряжения, воспроизводимого квантовой мерой напряжения на основе эффекта Джозефсона, и сопротивления, воспроизводимого криогенной мерой, а для диапазона значений силы тока 1·10

-16

...1·10-9 А использованы методы электрометрии. Эталон

состоит из двух эталонных установок.

Состав первой эталонной установки:

• мера постоянного напряжения на основе эффекта Джозефсона;

• криогенная мера сопротивления в виде набора равно

номинальных резисторов, коммутируемых сверхпроводящим переключателем;

• эталонная мера электрического сопротивления;

• сверхпроводящий компаратор постоянного тока.

Метрологическая характеристика:

Диапазон измерений, А 1·10-3...1 Случайная погрешность 3·10-4...1·10-2 Систематическая погрешность 5·10-4 ... 2,5·10-2

Состав второй эталонной установки:

• мера линейно изменяющегося напряжения, в составе которой

имеется набор эталонных конденсаторов;

• средства измерения постоянного напряжения и интервалов

времени;

• компаратор тока.

Метрологическая характеристика:

Диапазон измерений, А 1·10

-16

…..1·10-9

Случайная погрешность 5·10-8 Систематическая погрешность 2·10-7 Области применения: метрологическое обеспечение,

электроэнергетика, микроэлектроника (контрольно-измерительная

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 156 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]