Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Саровский физико-технический институт

Кафедра электроники

Ю.П. Щербак

Средства измерения электрических величин.

Учебное пособие

2012 г.

КУРС ЛЕКЦИЙ для студентов бакалавриата по направлению: Конструирование и технология электронных средств.

Объем занятий:

Лекции – 18часов;

Практические занятия – 18часов;

Лабораторные занятия – 18 часов.

Форма контроля – зачет.

Литература.

Основная:

1. А.И. Астайкин, А. П. Помазков, Ю.П. Щербак. Метрология и радиоизмерения. Учебное пособие. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010г.

2. Ю.П. Щербак. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Средства измерения электрических величин», СарФТИ НИЯУ МИФИ, 2012г.

Дополнительная:

1. Э.Г. Атамалян. Приборы и методы измерения электрических величин. Учебное пособие. М. Высшая школа. 1989г.

Тема 1.

1.1. 0сновные понятия.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (например «сопротивление» резистора), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта ( например, сопротивление резистора «5 Ом»).

Измерение – нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения x от истинного значения А измеряемой величины:

Средства измерения (СИ) – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, т.е. свойства, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерения.

1.2 Понятие о единстве измерений.

Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Это понятие охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения и передачи их размеров рабочим СИ с установленной точностью и ряд других вопросов. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологических службы. Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи из размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы ФВ--это совокупность операций по материализации единиц ФВ с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ.

Передача размера единицы--это приведение размера единицы ФВ, хранимой поверяемым СИ, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается "сверху вниз".

Глава 2. История науки и метрологии

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ—СУТЬ ФИЗИКИ, И, ПО МОЕМУ ОПЫТУ, НОВАЯ ФИЗИКА НАЧИНАЕТСЯ СО СЛЕДУЮЩЕГО ДЕСЯТИЧНОГО ЗНАКА. Это хорошо известное метрологам высказывание принадлежит секретарю по вопросам энергетики Президента Обамы Стивену Чу, кстати бывшему метрологу! Однако и ранее самые знаменитые ученые отдавали дань метрологии (Д.И.Менделеев: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять…», и др.) . Все это, несомненно, свидетельствует о громадной роли измерений в познании законов природы (фундаментальные исследования) и развитии новых технологий (прикладные науки).

Несколько выдержек из книги Л.Н. Бродянского «Непричесанная метрология».

В них представлены немногочисленные средства измерений, обеспечившие развитие целых направлений науки и техники. Вот некоторые из этих СИ:

«…Первой можно назвать линейку, с делениями или без них , а также мерную веревку или цепь. С их помощью был заложен фундамент метрологии, геометрии, некоторых других разделов математики, механики, архитектуры, машиностроения и, пожалуй, всех без исключений отраслей техники.

За линейкой и циркулем следуют равноплечие весы и гири. … Они сыграли важную, часто определяющую роль в развитии метрологии, физики, химии, торговли, некоторых разделов математики, техники. …

…Маятниковые часы. Они замечательны тем, что создавались не на основе эмпирических сведений, а в соответствии с теорией математического маятника, разработанной Х. Гюйгенсом. Маятниковые часы обеспечивали измерения моментов и интервалов времени, в том числе и в качестве государственных эталонов.

…Барометр Торричелли. … Без средств измерения давления немыслима теплотехника, гидравлика. …

…Спектроскоп Ньютона (призма и щель). … Многие области науки и техники обязаны своим развитием и даже возникновением спектроскопии. Это теоретическая физика, астрономия, металловедение, неорганическая и органическая химия, радиотехника, хроматография … .

… Два очень простых прибора позволили человечеству познать природу

электрических явлений, открыть мир ионизирующих излучений, заглянуть внутрь атома и начать изучение внутриатомных процессов. Электроскоп Вольта позволил изучить свойства электрических зарядов … . Спинтарископ Крукса позволил визуально наблюдать и подсчитывать акты радиоактивного распада. Опираясь на результаты наблюдений с помощью усовершенствованного спинтарископа, Э. Резерфорд открыл существование ядра атома, предложил его планетарную модель, послужившую для Нильса Бора отправной точкой для создания его квантовой теории.»

Любопытно высказывание Конфуция:

«Три пути ведут к познанию: путь размышления—самый благородный; путь подражания—самый легкий; путь опыта—самый трудный».

По словам академика В.Летохова, 80% достижений в физике связаны с освоением новых инструментов! Без инструментальных революций, являющихся результатом физических исследований, многие области науки развиваться просто не могут. Мы являемся свидетелями интеграции существующих научных дисциплин. В качестве объединяющих факторов часто называют информационные технологии, а в последние годы – нанотехнологии. Однако уже в течение полутора столетий похожую роль выполняет метрология. Системы обеспечения единства и правильности измерений сегодня объединяют не только Науку, но и страны всего мира. Великий ученый Д.И. Менделеев еще в 1903 году писал: «Поручили мне дело упорядочения мер и весов в России, чем я занят с тех пор с увлечением, так как тут чистая наука тесно переплелась с практической…».

О связи передовой науки с метрологией можно судить по списку нобелевских лауреатов, в частности, в физике, которым довелось увидеть одни из ранних применений своих открытий и достижений в области метрологии. Именами некоторых из них названы явления, нашедшие применения прежде всего в метрологии: интерференционные полосы Рамзая в атомных часах, эффекты Холла и Джозефсона в электрических измерениях, константа фон Клитцинга в измерениях сопротивления и другие. Эти открытия и эффекты в первую очередь использовались при создании новых поколений эталонов—средств измерений, воплотивших наивысшие достижения науки и техники!

Так еще сравнительно недавно эталон времени — секунда определялся через период вращения Земли вокруг Солнца (погрешность ~10 сек.). Сегодня квантовый эталон времени имеет стабильность ~10 .

Но, конечно же, пальму первенства следует отдать первому американскому Нобелевскому лауреату в области физики Майкельсону. Парадоксально, но премия фактически была ему дана за отрицательный результат в эксперименте!

Но метрология всегда уделяла большое внимание и практическим приложениям, тем самым возводя мост к инновациям. Великий британский инженер викторианской эпохи Уитворт сказал: Только то можно сделать, что можно измерить. И сейчас вопросы создания продукции лучшего качества и стимулирования инноваций во многом связаны с решением проблем измерений. Достаточно напомнить о переходе на нанотехнологии во многих областях техники. А это стало возможным с появлением соответствующего инструментария ( электронная микроскопия, атомно—силовая микроскопия,..).

Любой эксперимент базируется на методике выполнения измерений (МВИ). Задачу методик выполнения измерений можно условно сформулировать так: «Как верно взвесить на верных весах». Казалось бы, в чем проблема, если весы «верные»? А проблема в том, что какими бы точными не были средства измерения, существует множество факторов, влияющих на погрешность измерения (помимо погрешности самого СИ). Правильно построенная методика эксперимента позволяет существенным образом уменьшить эти влияния, приводящие, как правило, к систематическим погрешностям («бич» экспериментатора). Сколько за историю науки было принято ложных научных гипотез, обусловленных ненадлежащей точностью эксперимента! Обратим внимание на три знаменитые и долго существовавшие ложные гипотезы: теплород, флогистон и световой эфир.

Теплород. Формулировка гипотезы (Г. Галилей, 1613 г.): вещество, способное проникать во все тела и выходить из них (т.е. имеет массу). В 1787 г. Бенджамен Томпсон (граф Румфорд) провел наиболее точные (на то время) весовые измерения и не обнаружил изменений массы тел при их нагреве или охлаждении. Он сделал вывод, что теплота невесома и, следовательно, не вещество. Раньше к такому же выводу пришел М.В. Ломоносов, который придавал очень большое значение чистоте эксперимента. Румфорд на основе своего эксперимента посчитал более правильной гипотезу Бэкона, по которой теплота есть движение малых частей тела.

Флогистон. Сторонниками гипотезы флогистона («огненная материя» с отрицательным весом, содержащаяся во всех горючих телах и выделяющаяся из них при горении) были известные ученые Р. Бойль, Г. Шталь и др. Крах гипотезы наступил благодаря «чистым» экспериментам М.В. Ломоносова (и других ученых). Вывод Ломоносова: « Славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного вещества остается в одной мере». Ломоносов исключил воздействия практически всех влияющих факторов и, владея высокой культурой взвешивания, получил надежный результат.

Мировой световой эфир – среда, которой наука прошлых столетий приписывала роль переносчика света и вообще электромагнитных воздействий.

Одной из краеугольных проблем в физике 1880-х годов был вопрос о природе светоносного эфира. Эфир считался неподвижным, а если свет—это эфирные волны, тогда его скорость, измеренная достаточно точно могла дать величину абсолютной скорости движения Земли: не просто скорости относительно Солнца, но относительно самой материи мироздания. Такая величина была бы чрезвычайно важна, поскольку без нее невозможно иметь уверенность в законах механики, разработанных со времен Галилея.

Необходим был принципиально новый, сверхточный измерительный прибор. И Майкельсон его изобретает. И сегодня этот прибор, благодаря его уникальным свойствам ( изумительная точность, широчайшие применения в экспериментальной физике) широко используется естествоиспытателями. Это интерферометр—устройство, которое было рассчитано на то, чтобы расщеплять луч света на два, направляя части под прямым углом друг к другу, а потом снова сводить его воедино. Майкельсон попробовал сначала провести эксперимент в Германии, закрепив свой интерферометр на скале, и чуть не сошел с ума, пытаясь устранить вибрации, вызванные городским транспортом (какая чувствительность прибора!). Когда он наконец отправил расщепленные лучи по их маршруту, то обнаружил, что не принесли никакой информации, Свет изменил ему, подло изменил! Что-то пошло не так, но Майкельсон не мог понять, что именно. Он вернулся в США, где вместе с химиком Эдвардом Морли объединили усилия, чтобы поставить опыт еще раз, с предосторожностями поистине героических масштабов. Они докопались до скальной основы, чтобы закрепить прибор на неподвижном теле планеты. Кирпичное основание залили цементом с углублением, в которое залили ртуть. Поверх ртути становили площадку, на которой были закреплены части прибора. Теперь они готовы провести опыт, который станет известен как эксперимент Майкельсона—Морли. Они вели измерения целый год(!), провели тысячи измерений и к июлю 1887 года готовы были сделать сообщение. Результат оказался отрицательным! Они попытались измерить абсолютную скорость Земли и не смогли этого сделать.

Было выдвинуто пять гипотез, объясняющих экспериментальные данные:

1.Знаменитые ученые того времени—лорд Кельвин и Оливер Лодж считали возможным наличие неучтенных ошибок в оборудовании, или в проведении эксперимента, или самих рассуждений, на которых основывался эксперимент. Но все последующие эксперименты, вплоть до 1960 года (использовались уже атомные часы—мазеры) подтверждали эксперимент Майкельсона: световые лучи всегда шли одинаковое время в любом направлении, независимо от эфирного ветра. Таким образом, эта позиция оказалась несостоятельной.

2. Земля не движется: она неподвижный центр вселенной. Но это противоречило такой массе астрономических и физических фактов, собранных со времен Коперника, что никто всерьез не высказывал такой мысли.

3. Земля движется, но при этом увлекает за собой окружающий ее эфир, так что он кажется неподвижным относительно эфира, который находится непосредственно на поверхности Земли.—это предположение английского физика Джорджа Габриэль Стокса. Однако это подразумевает наличие трения между Землей и эфиром. Поверить в «эфирное сопротивление» так же трудно, как и неподвижную Землю, так что идея Стокса быстро умерла.

4. Ирландский физик Джордж Фитцджеральд предположил, что все объекты ( и, следовательно ,все приборы) укорачиваются в направлении движения в соответствии с формулой—«сокращение Фитцджеральда». Но это походило на ухищрение, и не было принято.

5. Оставалось одно, и австрийский ученый Эрнст Мах высказался по существу: интерференционных полос нет потому, что нет эфирного ветра!

Как это должно было быть соблазнительно! Эфир был такой нелепой и внутренне противоречивой субстанцией, что некоторые из величайших физиков-теоретиков девятнадцатого века измучились его объяснять. Почему бы его не отбросить?

Проблема была в том: как объяснить тот факт, что свет способен двигаться через вакуум? Все признавали, что свет состоит из волн, а волны должны были быть волнами чего-то!

Положение спасли два немецких физика: Макс Планк (в 1900г.) и Альберт Эйнштейн ( в 1905г.), которые установили двойственную природу света, а для света в виде частиц (корпускул) эфир не нужен! Когда это было доказано, в эфире больше не было необходимости—и его с радостным криком отбросили. С ТЕХ ПОР ЭФИР БОЛЬШЕ НИ РАЗУ НЕ ПОНАДОБИЛСЯ. Но основанием для их теории и явился эксперимент Майкельсона—Морли, который так же послужил экспериментальным обоснованием теории относительности Эйнштейна.

В результате «неверный свет» Майкельсона—Морли был признан самой успешной неудачей в истории науки, поскольку благодаря этому изменился взгляд физиков на Вселенную. В 1907 году Майкельсон получил Нобелевскую премию в области физики, став первым американцем, получившим это отличие в области естественных наук!

.