Еталони напруги. Нормальний елемент Вестона.

Нормальний елемент Вестона – це електрохімічний елемент, запатентований Едвардом Вестоном в 1893 році. Його особливістю є висока стабільність і відтворюваність напруги, тому з 1911 року він слугував міжнародним еталоном е.р.с. (цікаво, що Вестон з цієї нагоди відмовився від своїх патентних прав). Конструкція стандартного (насиченого) елементу показана на малюнку. Позитивним електродом є ртуть, негативним – амальгама (розчин) кадмію в ртуті, електролітом – насичений розчин CdSO₄, контакти (платинові дротинки) впаяні в дно скляної конструкції. При 20°C е.р.с. такого елемента складає 1.018636 В з практично досяжною точністю (відтворюваністю) до 10^-6. (Часто наводять іншу величину 1.018300 В, що є непорозумінням, пов'язаним з перевизначенням "міжнародного вольта", що з 1948 року став дорівнювати 1.00034 вольт, як це не дивно звучить.) В лабораторіях частіше використовують так звані ненасичені елементи, напруга яких знаходиться в межах 1.019-1.020 В і зазначається на корпусі елемента.

 

З 1 січня 1990 року міжнародним стандартом напруги став набагато точніший прилад, оснований на тунельному переході Джозефсона, хоч елемент Вестона і продовжує використовуватись як недорогий вторинний стандарт. Перехід Джозефсона складається з двох надпровідників (багато металів повністю втрачають електричний опір при дуже низьких температурах), розділених дуже тонким непровідним шаром. При прикладанні до нього постійної напруги U через перехід починає протікати змінний струм з частотою n = ^2e/_h U, що залежить тільки від прикладеної напруги і фізичних констант e (заряд електрона) та h (стала Планка). Таким чином, перехід Джозефсона є ідеальним перетворювачем напруги в частоту, а остання може бути виміряна з дуже високою точністю. Можливе і "зворотне" функціонування, коли прилад виробляє напругу, що пропорційна до частоти. Практична точність такого еталону складає 10^-7 і обмежена точністю визначення ^2e/_h.

 

На малюнку – еталонне одновольтове джерело, виготовлене Американським Інститутом Стандартів (NIST), що складається з 3020 переходів Джозефсона, послідовно з'єднаних в "змійці" структури. Джерело вимагає охолодження до температури рідкого гелію 4.2 K. Структура в лівій частині призначена для підводу мікрохвильової енергії з заданою частотою.

 

Слід зазначити, що описані джерела є саме еталонними, тобто такими, що застосовуються інститутами стандартів та лабораторіями для калібрування точного науково-технічного обладнання. В тих же електронних приладах, що виробляються серійно – як-то електронних вольтметрах, тощо – застосовуються менш точні напівпровідникові джерела опорної напруги, основані на властивостях напівпровідників і так званого p-n переходу. Такими джерелами є, зокрема, напівпровідникові стабілітрони (діоди Зінера) і так звані "опорні джерела з напругою забороненої зони" (bandgap reference), причому найкращі з них мають початкову (некалібровану) точність до 0.01%.