“安培”的前世今生

2018年11月13日，第26届国际计量大会在法国巴黎举行。国际单位制也迎来了自1960年以来最重大的历史性变革。

新旧国际单位制定义的比较(图:www1.xcar.com.cn)

安培作为国际单位制的基本单位，对人类测量做出了巨大贡献。会议决定用基本电荷常数(E)来定义安培，标志着安培的定义已经进入量化时代，其意义非常深远。

电学硕士-安培

安德烈·马利埃姆佩雷(安德烈·玛丽·安培，1771836)是现代物理学史上一位伟大的科学家，被称为“电学中的牛顿”。为了纪念安培在电学方面的杰出贡献，电流单位“安培”以他的姓氏命名。

安德烈·玛丽·安培(照片:image.so.com)

电量在生活中很常见。电压的单位是伏特，电阻的单位是欧姆，但它们不是基本的物理量。电流单位安培是国际单位制中的基本单位之一。

从国际安培到绝对安培

电流单位安培是如何定义的？它经历了什么变化？

1820年，安培提出了著名的安培定律。1908年，国际电力会议决定以1安培的恒定电流从硝酸银溶液中电解出1.11800毫克的银，也称为国际安培。

安培是一个伟大的物理学家(照片:image.so.com)

1946年，国际计量会议将安培定义为:在真空中，两根平行且无限长的圆形直导线，其横截面积可忽略不计，距离为1米，被供给相等的恒定电流。当导线之间的相互作用力在1米的长度上为2× 10-7 N时，每根导线中的电流为1安培，也称为绝对安培。1948年，第九届国际计量大会批准了这一定义，至今仍在使用。

安培计(图片:image.so.com)

“安培”为什么会变脸？

电流的单位安培数也是电学物理中的一个特例。虽然安培是国际单位制的基本单位，但安培的物理定义很难非常精确地再现，因此用它作为电学测量的基础是不方便的。

在电学领域，伏特定义可以基于约瑟夫森常数来实现，欧姆定义可以基于冯·克利钦常数来实现，并且已经使用了72年的安培定义不能在实验室中精确地重复。

例如，“两根具有无限长度和可忽略横截面积的线”...在真空中以1米的距离平行放置”和其他规定可能会限制它们的测量精度。

自20世纪80年代以来，科学家们开始研究量子电流标准，希望通过一次产生一个电子的极其精确的电流源来重新定义安培数。然而，探测如此微小的电流无疑是非常困难的。

目前，单电子检测技术已经成熟，基于单电子的量子电流标准也应该出现。在量子计量学中，半导体单电子泵可以用来产生精确的电流。

单电子泵可以实现安培量子标准(图:news.163.com)

在实验中，可以在导电岛和隧道结之间施加固定电压，并且可以向栅极施加振荡电压。借助于栅极电压的振幅和平均值，可以精确地测量通过每个振荡周期的电子隧穿的数量。

通过器件的电流可以通过将测量的电子数乘以栅极电压的频率和电子电荷量(物理常数)来获得。此外，由于振荡电压的幅度和频率可以被精确地测量，并且电荷量是固定值，所以可以精确地计算通过的电流。

用基本常数定义国际单位制的基本单位是科学认知和量子测量的一大进步，有望为人类解决许多重大科学挑战奠定科学基础。

—————————————————————

参考

[1]中国质量报，蔡娟，陈航，记者石玉成。第26届国际计量大会将于2018年11月15日在中国质量新闻网就修订国际单位制的决议进行表决后开幕。

[2]苏。《走进无尽的计量单位》，[J，《知识百科》，2018年，第10期。

【3】安培，重新定义，克里斯托弗哈默施密特，欧洲电子工程师时代

美国东部时间2014年11月4日上午00:01。

【4】量子电流标准综述，信久菅子，中村修二和冈崎郁马，出版于2016年2月10日2016国际石油出版社，测量科学与技术，第27卷，第3号。

【5】观点:安培的新时代，马克·w·凯勒，国家标准与技术研究所量子电磁学部，百老汇325号，博尔德，80305，美国，何塞·奥曼塔多，应用物理部，国家标准与技术研究所，百老汇325号，博尔德，80305，美国，2016年12月12日物理9，144。