El Comité Consultivo de Electricidad y Magnetismo del CIPM sugiere diversos métodos para la realización práctica del ampere:
(a) a través de la relación entre las unidades de corriente eléctrica, el ampere (A), la unidad de unidad de tensión eléctrica, el volt (V) y la unidad de resistencia eléctrica, el ohm (Ω). Por la ley de Ohm, A = V/Ω. Las realizaciones prácticas de las unidades derivadas volt y ohm, se basan en los efectos Josephson y Hall cuántico respectivamente.
(b) a través de un dispositivo de transporte individual de electrones SET o similar, la relación de unidades, entre el ampere, la unidad de carga eléctrica, coulomb (C), y la unidad de tiempo, el segundo (s). A = C/s, El valor asignado a C se obtiene del valor de la carga elemental e dado en la definición del ampere
(c) a través de la relación de unidades A = F·V/s, donde F es el símbolo de la unidad de capacidad eléctrica, el farad.
A continuación describiremos sucintamente la realización de los efectos Josephson y Hall cuántico en el INTI, para realizar el ampere según la opción a.
Desde el año 1992 la representación del volt se realiza en el INTI a partir del efecto Josephson. Este efecto se basa en una referencia en tensión muy estable que se obtiene con un arreglo de junturas Josephson en las que la tensión obtenida está cuantificada.
Vn = n hf/2e
h es la constante de Planck de valor 6.626 070 15 × 10−34 J s de acuerdo al SI,
e es la carga eléctrica elemental de valor 1.602 176 634 × 10−19 C de acuerdo al SI,
ƒ es la frecuencia de radiación aplicada al sistema, con trazabilidad a la unidad de base del SI segundo, determinado por el estado fundamental no perturbado de la frecuencia de transición hiperfina del átomo de cesio 133 ∆νCs de valor 9 192 631 770 Hz de acuerdo al SI,
y n es un número entero.
La tensión de referencia Vn se realiza actualmente en los laboratorios de INTI con una incertidumbre total expandida menor a 10 nV. El arreglo de junturas Josephson que posee el laboratorio consiste en una serie de 2000 junturas superconductor-aislante-superconductor. Este arreglo se sumerge en un baño de helio líquido a 4,2 K y se irradia con señales de microondas de 70 GHz, que llegan al arreglo a través de una guía de ondas. El sistema permite obtener una tensión continua de 1,2 V como máximo. La frecuencia de microondas es medida y controlada por un contador que a su vez está referido a la señal del reloj atómico que posee el INTI. Este reloj genera una frecuencia de 10 MHz con muy alta estabilidad y exactitud.
El equipo para producir el efecto Josephson permite obtener tensiones eléctricas hasta 1,2 V de valor nominal. Por lo tanto se calibran en forma directa contra el efecto Josephson las salidas de 1,018 V y 1 V de los patrones de tensión continua electrónicos. La salida en 10 V de los zeners se calibra también con el efecto Josephson pero en forma indirecta usando un divisor resistivo.
Una vez obtenida la referencia de tensión eléctrica continua se calibra el banco de patrones de tensión de estado sólido (zeners) en los valores de 1.018 V y 1 V a través del efecto Josephson. También se calibra el banco de pilas patrones tipo Weston saturadas de INTI, mantenidas en un baño de aceite termostatizado, que han sido los patrones primarios de tensión eléctrica por más de 30 años. Los zeners luego son usados por otros laboratorios como transferencia de la unidad de tensión para la calibración de instrumentos tales como calibradores, multímetros digitales, etc.
El sistema para producir la tensión Josephson y las incertidumbres declaradas están validadas a través de comparaciones bilaterales en zeners y en el equipo Josephson con el BIPM. El sistema se enciende dos veces por año y con él se calibran el banco de zeners patrones y otros zeners de usuarios de acuerdo a los requerimientos que existan. Con los patrones electrónicos de tensión contínua recién calibrados se comparan luego las pilas del banco y los transvolt propios y de usuarios que requieran calibración.
Desde septiembre de 2005 se realiza en el INTI la representación del ohm a través del efecto Hall cuántico (QHE). Para producir este efecto debe someterse a una temperatura muy baja y a un campo magnético muy intenso una muestra formada por materiales semiconductores, de esta forma se puede obtener un valor de resistencia transversal muy estable.
Esta resistencia transversal se llama resistencia Hall (RH) y tiene tener valores que son independientes de otras magnitudes físicas y sus cambios, dependiendo sólo de las constantes universales h, la constante de Planck i e, la carga del electrón.
Siendo i un número entero positivo i = 1, 2, ….. Para i = 1, RH = RK = 25 812, 807 Ω, (RK es la llamada constante de von Klitzing).
El equipo para producir el efecto Hall cuántico permite alcanzar temperaturas muy bajas, de pocas décimas de Kelvin y campos magnéticos muy intensos, mayores a los 10 T.
La unidad de resistencia eléctrica ohm es diseminada en toda la escala de resistencia por diferentes bancos de resistores patrones, de acuerdo al rango de valores en el que se encuentran. Estos rangos están diferenciados como rango bajo, que incluye valores de resistencia desde 0,1 mΩ hasta 1 Ω, rango medio entre 1 Ω y 10 kΩ y rango alto entre 10 kΩ y 10 TΩ, lo cual representa 17 órdenes de magnitud en todos los rangos. En particular, el banco de resistores patrones de 1Ω es mantenido por nuestro instituto desde hace más de 30 años.
Las condiciones ambientales del laboratorio son
Temperatura ambiente 23 ºC, U = 1 ºC
Humedad relativa ambiente 50%, U = 10 %
Los resistores patrones primarios en aceite son mantenidos en un baño de aceite de silicona a una temperatura de 20, 03 ºC, U = 0, 01 ºC.
En el Apéndice C del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo entre Institutos Nacionales de Metrología (CIPM-MRA) , pueden verse las capacidades de medición y calibración del INTI en Electricidad.
