Эталон единицы силы постоянного электрического тока

В соответствии с определением единицы силы тока эталон должен быть основан на измерении силы взаимодействия двух прямолинейных проводников бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме. При силе электрического тока в проводниках 1 А сила взаимодействия составляет 2 × 10^-17 H на каждый метр длины.

При протекании постоянного электрического тока по подвижной и неподвижной катушкам, соединенным последовательно, создается сила, которая вызывает отклонение левого плеча коромысла токовых весов. Эта сила уравновешивается грузом (набор гирь), помещенным на первой «чашке» весов. Взаимодействие токов определяется по закону Ампера:

F₁ = kI₁I₂

где F₁ – сила взаимодействия токов в подвижной и неподвижной катушках;

I₁ и I₂ – сила электрического тока в подвижной и неподвижной катушках;

k – постоянная электродинамической системы весов, зависящая от формы и размеров катушек, диаметра сечения проводов катушек, магнитной проницаемости сред и т.д.

Схема устройства токовых весов:

I — измеряемый ток; 1 — корпус весов; 2 — неподвижный соленоид; 3 — подвижный соленоид; 4 — основание весов; 5 — шкала отсчёта; 6 — коромысло; 7 — гири; 8 — уравновешивающий соленоид (без тока).

В связи с последовательным соединением катушек токи в них одинаковы (I₁ =I₂).

Уравновешивающая сила тяжести, определяющая положение правой «чашки» весов, равна F₂ = mg, где m – масса добавочного груза; g – значение ускорения свободного падения в месте расположения весов.

При равновесном положении токовых весов, когда F₁ = F₂ сила тока должна иметь значение

I = √ (mg / k),

где k – постоянная электродинамической системы с размерностью LMT^–2 I^–2 .

Таким образом, можно определить силу электрического тока в зависимости от массы добавочного груза.

Эталон силы постоянного электрического тока в виде токовых весов включает в себя:

электродинамическую систему, состоящую из подвижной катушки, имеющей две однослойные обмотки, и двух коаксиально расположенных неподвижных катушек с однослойными обмотками. Постоянная электродинамической системы составляет 3860555 ^. 10^-8  H/A²;

рычажные весы с дистанционным управлением, к одному плечу которых присоединена подвижная катушка, к другому – «чашка» для установки добавочного груза;

цилиндрическую гирю диаметром 5 мм и длиной 50 мм, имеющую массу 8, 16044 г;

Погрешность воспроизведения данной эталоном единицы ампера, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений, составляет 4 ^. 10^-6. Этот эталон до 1992 г. служил в качестве государственного эталона ампера.

В 1992 г. в качестве государственного первичного эталона силы постоянного электрического тока в диапазоне 10^-16 . . .30 А утвержден эталон, позволяющий значительно повысить точность воспроизведения и передачи размера единицы силы тока (1 мА и 1А) с использованием косвенных измерений силы тока I = U/r, причем размер единицы электрического напряжения U – вольт – воспроизводиться с помощью квантового эффекта Джозефсона, а размер единицы электрического сопротивления r – Ом – с помощью квантового эффекта Холла.

Второй комплекс воспроизводит силу постоянного электрического тока в диапазоне 10^-16. . . 10^-9 А. Его основу составляет многозначительная мера силы тока, включающая меру линейно изменяющегося электрического напряжения с набором герметизированных конденсаторов (C₀), прибора для измерения напряжения (U_d), прибора для измерения времени (T_d) и компенсирующего (сравнивающего) устройства.

При воспроизведении размеров единицы силы тока последний определяется по формуле

I₀ = U_d (C₀/T_d)

Выражение силы тока имеет требуемую размерность

dimI₀ = L²MT^-3 I^-1 (L^-2  M^-1 T⁴ I²/ T) = I

При компенсировании токов производиться компенсация электрического заряда, образуемого на одной из пластин измеряемым (калибруемым) током I_x, зарядом, создаваемом на другой пластине конденсатора эталонным током I₀. при равенстве зарядов I_x = I₀ калибруемому источнику тока передается размер единицы эталонного источника тока I₀.