Wzorce wielkości elektrycznych

Pomiary muszą opierać się na jakichś wzorcach. Zdecydowana większość elektroników nie miała i nie będzie mieć do czynienia z laboratoryjnymi wzorcami wielkości elektrycznych. Najlepsze wzorce są nieprawdopodobnie dokładne i choć nie mamy z nimi do czynienia, naprawdę warto o nich wiedzieć.

Jako elektronicy przeprowadzamy rozmaite pomiary za pomocą różnych mierników, najczęściej multimetrów. Ale też z pomocą innych, mniej i bardziej skomplikowanych przyrządów.

A skąd wiemy, że ich wskazania są prawidłowe?

Nie wystarczy zaufanie do sprzedawcy, że jego miernik „ma prawidłowe wskazania”. Nie wystarczy specyfikacja miernika (multimetru), która w przypadku najtańszych przyrządów bywa wręcz „wyssana z palca”, a w lepszym przypadku niepełna, niekompletna, nieścisła, a przez to wprowadzająca w błąd.

Jak więc można sprawdzić, czy wskazania posiadanego miernika są prawidłowe?

Otóż najprościej przez porównanie z lepszym miernikiem, co najmniej o klasę lepszym, cokolwiek tak naprawdę miałoby to znaczyć. Ale ten „lepszy miernik” też trzeba sprawdzić, zapewne z użyciem „jeszcze lepszego miernika”. I tak dalej… Aż wreszcie dojdziemy do laboratoriów metrologicznych, gdzie nie tyle są „najlepsze mierniki”, co są wzorce. Wzorce wielkości elektrycznych.

Dawniej wzorcem metra była metalowa linijka zamknięta w sejfie w pałacach Sevres pod Paryżem gdzie mieści się Międzynarodowe Biuro Miar i Wag, BIPM (fr. Bureau international des poids et mesures).

Dziś ani metr, ani inne jednostki nie mają takich materialnych wzorców. Szczególnie po reformie z roku 2018, gdy ściśle zdefiniowano pewne stałe fizyczne, oparto na nich podstawowe jednostki i określono, jak w laboratoriach można te jednostki odtworzyć, zrealizować. Co ważne, w każdym kraju jest państwowa instytucja, która dba o zgodność krajowych wzorców z wzorcami światowymi. W Polsce obecnie jest to GUM – Główny Urząd Miar.

W każdym razie dziś można „odtworzyć” wzorce jednostek w każdym dobrze wyposażonym laboratorium. Także wzorce jednostek „elektrycznych”. I tu zaczyna się interesująca, trochę dziwna historia.

Co jest ważniejsze: amper czy wolt?

W szkole uczymy się, że układ jednostek miar SI opiera się na następujących siedmiu jednostkach: metr, kilogram, sekunda, amper, kelwin, kandela i mol. Między innymi to pokazuje rysunek tytułowy tego artykułu, który wskazuje też relacje między jednostkami w systemie SI przed i po reformie z roku 2018. Najprościej biorąc, reforma oparła jednostki podstawowe na pewnych stałych fizycznych. A na siedmiu jednostkach podstawowych opierają się jednostki pochodne, między innymi najbardziej interesujące nas „elektryczne”, takie jak wat, dżul, henr, farad, kulomb, herc, om, simens i wolt.

Oczywiście spośród tych siedmiu jednostek podstawowych, elektronika najbardziej interesuje amper. Przypomnijmy, że obecnie ta jednostka podstawowa SI (natężenia) prądu elektrycznego, zdefiniowana jest poprzez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej ładunku elementarnego e, wynoszącej 1,602 176 634×10–19, wyrażonej w jednostce C (kulomb), która jest równa A ꞏ s, gdzie sekunda zdefiniowana jest za pomocą ∆νCs.

Czy wobec tego podstawą i fundamentem wszelkich pomiarów elektrycznych i elektronicznych jest amper? Czy w laboratoriach tym fundamentem jest liczenie mnóstwa (6,241509074 × 10¹⁸) elektronów przepływających w ciągu jednej sekundy?

Otóż nie! Dla wielu zaskoczeniem może być informacja, że pomiary elektryczne opierają się na wzorcach napięcia i wzorcach rezystancji, a nie na wzorcach prądu czy ładunku.

Podkreślam, że amper jest jednostką podstawową układu SI, ale w praktyce nie wykorzystuje się „wzorca ampera”, tylko wzorce napięcia i rezystancji, jedne i drugie oparte na efektach kwantowych.

Wzorce napięcia elektrycznego

Zjawiska elektryczne zaczęto intensywnie badać od roku 1800, głównie dzięki wykorzystaniu stosu Volty. Opracowano różne źródła napięcia, głównie o małej stabilności, co zresztą było przyczyną kłopotów, pomyłek i błędnych wniosków. Właśnie dlatego w latach 20. XIX wieku Ohm, po wstępnych błędnych interpretacjach, wykorzystywał jako źródło napięcia… termopary, a nie wynalezione ćwierć wieku wcześniej ogniwo Volty, mające bardzo dużą rezystancję wewnętrzną. Dopiero wtedy odkrył prawo Ohma.

Natomiast w roku 1872 (inni podają 1873 lub 1874) angielski inżynier Jozjasz Latimer Clark opracował stosunkowo stabilne ogniwo, które mniej więcej do końca XIX wieku służyło za oficjalny wzorzec napięcia. Ogniwo Clarka zostało dość szybko zastąpione wynalezionym w roku 1893, znacznie lepszym, dużo stabilniejszym
i wygodniejszym w użyciu ogniwem (Edwarda) Westona. Napięcie ogniwa Westona wynosi około 1,01865 V. Około, ponieważ w określonym niewielkim stopniu zależy też od temperatury. Rysunek 1 pochodzi z oryginalnego patentu.

Fotografia 2 (z Wikipedii, Autor: Инженер Павел Серков CC-BY-SA 4.0) pokazuje praktyczną realizację z czasów Związku Radzieckiego.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze listopadowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 11/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 11/2023 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.