「安培」的前世今生

「安培」變臉，終結基本單位不「基本」的尷尬！

2018年11月13日，第26屆國際計量大會法國巴黎召開，國際單位制也迎來了自1960年以來最為重大的歷史性變革。

新舊SI單位定義對比（圖片：www1.xcar.com.cn）

安培作為國際單位制的一個基本單位，為人類的計量事業做出了巨大貢獻。此次大會決定用基本電荷常數（e）來定義安培，標誌著安培定義步入了量子化時代，其意義是十分深遠的。

電學大師——安培

安德烈·瑪麗·安培（André-MarieAmpère，1775年—1836年），是近代物理學史上偉大的科學家，被譽為是「電學中的牛頓」。為了紀念安培在電學上的傑出貢獻，電流的單位「安培」就是以他的姓氏命名。

安德烈·瑪麗·安培（圖片：image.so.com）

電學量在生活中司空見慣,電壓的單位為伏特，電阻的單位為歐姆，但是它們都不屬於基本的物理量。而電流的單位安培才是國際單位制中的基本單位之一。

從國際安培到絕對安培

對電流單位安培是如何進行定義的呢？它又經歷了哪些變化呢？

1820年，安培提出了著名的安培定律。1908年，國際電學大會決定把1秒時間間隔內從硝酸銀溶液中能電解出1.11800毫克銀的恆定電流為1安培，又稱國際安培。

安培是一位偉大的物理學家（圖片：image.so.com）

1946年，國際計量大會把安培定義為：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1米的平行而無限長的圓直導線內，通以等量恆定電流，導線間相互作用力在1米長度上為2×10－7牛時，則每根導線中的電流為1安培，又稱絕對安培。1948年，第9屆國際計量大會批准了該定義，一直沿用至今。

電流表（圖片：image.so.com）

「安培」為什麼要變臉？

電流的單位安培也算是電學物理學中的一個特例。儘管它是SI基本單位，但是安培這個單位的物理定義難以十分精確地再現，因此用作電學計量的基礎存在一些不便。

在電學領域，伏特定義可以基於約瑟夫森常數來實現，歐姆定義可以基於馮-克利欽常數來實現，而沿用了72年的安培定義則無法在實驗室進行精確重複操作。

如「兩根無限長、截面積可忽略的導線……在真空中相距1米平行放置」等規定，都有可能限制其測量精度。

20世紀80年代以來，科學家開始研究量子電流標準，希望能通過一次產生一個電子的極為精確的電流源來重新定義安培，然而要檢測到如此微小的電流無疑是十分困難的。

目前，單電子檢測技術已經成熟，因此基於單電子的量子電流標準也該浮出水面了。在量子計量學中，半導體單電子泵可用於產生精確的電流。

單電子泵可以實現安培的量子標準（圖片： news.163.com）

在實驗時，可在導電島和隧道結間加上固定電壓，在柵極加上振蕩電壓。藉助柵極電壓的振幅及平均值可精確測定每一振蕩周期內穿隧通過的電子數。

將測定的電子數乘以柵極電壓的頻率及電子電荷量（物理常數），就可以求得通過器件的電流了。並且，由於振蕩電壓的幅值及頻率可精確測量，電子電荷量則是固定值，所以就能精確算出通過的電流了。

用基本常數來定義國際單位制的基本單位，是人們在科學認知和量子測量等方面的巨大進步，有望為人類解決許多重大科學挑戰奠定科學的基礎。

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參考文獻

【1】中國質量報 蔡 娟 陳杭杭 記者史玉成.《第二十六屆國際計量大會開幕 將表決關於國際單位制修訂的決議》，中國質量新聞網，2018-11-15。

【2】蘇更林.《進無止境的計量單位》[J]，百科知識，2018年10期。

【3】The Ampere, Redefined，Christoph Hammerschmidt, EE Times Europe

4/11/2014 00:01 AM EDT.

【4】A review of the quantum current standard，Nobu-Hisa Kaneko, Shuji Nakamura and Yuma Okazaki，Published 10 February 2016 ? 2016 IOP Publishing Ltd，Measurement Science and Technology, Volume 27, Number 3.

【5】Viewpoint: A New Era for the Ampere，Mark W. Keller, Quantum Electromagnetics Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305, USA， José Aumentado, Applied Physics Division, National Institute of Standards and Technology, 325 Broadway, Boulder, CO 80305, USA，December 12, 2016? Physics 9, 144.

作者：肖溪樹

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