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GD2018003丨专家说:直流电阻(一)

作者: 来源: 日期:2018-02-05 浏览:22次

电阻的实际单位是欧姆,是用德国物理学家乔至·西蒙·欧姆(Georg Simon Ohm)(1787--1854)的名字命名的。近期内容会介绍电阻标准的历史发展,用不同方法设计的电阻在环境条件变化时的性能情况,以及什么是欧姆。我们还将介绍各种不同形式的电阻器及它们各自的适用范围,探讨本地电阻标准的保存和溯源性的问题,以及导出本地使用的其它电阻阻值的方法。这些内容是计量学领域的学生的基本读物,对于希望更好地了解电阻测量的专业工作人员来说也是很宝贵的材料。


直流电阻的SI定义(欧姆)


在国际单位制中,基于力学单位的电阻单位的定义是:Ω=VA

式中:Ω——电阻单位,欧姆;

            V——WA

            A——SI的基本单位,安培;

            W——瓦特(SI功率的导出单位)

瓦特是由焦耳和牛顿导出的,而焦耳和牛顿则是由米、千克和秒导出的。


电阻的表示


在传统上,各个国家实验室都使用托马斯(Thomas)1[]标准电阻来保存其欧姆的表示。Reichsanstalt电阻器和Rosa电阻器也用作电阻标准。然而,在很多实验室中,量子霍耳效应电阻标准正在替代上述这些电阻标准。


量子霍耳效应固有电阻标准


根据国际协议,从199011日开始,上述欧姆的定义已经通过冯·克里青常数和量子霍耳效应(QHE)联系起来。这就使得国家实验室能够通过量子霍耳效应来表示欧姆。欧姆的QHE表示相对于其SI定义的不确定度为0.2ppm

198810月,国际度量衡委员会(CIPM)建议,所有的国家实验室都采用相同的冯·克里青常数数值,其推荐的数值为:   Rk-90=25 812.807Ω

在这里,下标k-90表明此推荐值从199011日开始生效。

在量子霍耳效应的物理解释中,冯·克里青常数RK是一个通用的量。而且,有足够的理由相信RK是基本常数he之比的函数,即:

    RK=he²

式中: e—基本电荷;h—普朗克常数。

虽然Rk-90是赋给冯·克里青常数的值,但是这并不意味着Rk-90的赋值必须等于物理常数RK=he²。正如我们在第4章“国际计量学”中所讨论的那样,各个实验室进行各种基本实验来确定自然常数。


仔细观察量子霍耳效应固有标准


1980年克劳斯·冯·克里青(Klaus von Klitzing)发现了量子霍耳效应(QHE)。这是对物理学十分重要的发现,因之他于1985年获得了物理学的诺贝尔奖。QHE装置的心脏是霍耳棒,这是一个平面型的MOSFET或异质结晶体管(heterojunction   transistor),其构造使之可以把电子流限制在管子表面的一个薄层内。

该平面晶体管在低于4.2K的低温环境下工作,通常其温度在12K之间。在垂直于样品平面的方向上施加几个特斯拉的磁场,在该平面的纵方向上加以电子流,而在与电流和磁场相垂直的方向上来测量霍耳电压。

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