Gleichspannung

Darstellung der Einheit der Gleichspannung

Josephson-Gleichspannungsnormal als Primärnormal

Die Grundlage der Gleichspannungsdarstellung im BEV ist der Josephson-Effekt. Kalibrierungen von elektronischen Spannungsnormalen höchster Stabilität sowie Voltmeter höchster Auflösung werden direkt mit Hilfe des Josephson-Gleichspannungsnormals durchgeführt.

Elektronische Gleichspannungsnormale als Arbeitsnormale

Abgeleitet von der hochgenauen Darstellung der Einheit der Gleichspannung mittels des Josephsoneffektes wird ein Stamm von elektronischen Arbeitsnormalen kalibriert. Diese elektronischen Spannungsnormale basieren auf einer hermetisch von der Umgebung gekapselten, geheizten Zenerdiode als interner Spannungsreferenz. Die elektronischen Spannungsnormale liefern eine Ausgangsspannung von 1,018 V und 10 V.
Spannungsnormale und Voltmeter werden gegen diesen Stamm von Arbeitsnormalen kalibriert.
Höhere Gleichspannungen werden durch Widerstandsteiler auf Spannungen zwischen 1 V bis 10 V geteilt und dann mit einem an das Josephson-Gleichspannungsnormal angeschlossenen Voltmeter gemessen.

Josephson-Array

Josephson-Normal

Josephsoneffekt

Der Josephsoneffekt wurde im Jahr 1962 von Brian D. Josephson theoretisch vorhergesagt und kurze Zeit darauf von S. Shapiro experimentell bestätigt. Der Josephsoneffekt tritt zwischen zwei Supraleitern auf, die durch eine wenige Atomlagen dicke, isolierende oder normalleitende Schicht voneinander getrennt sind.  Als Supraleitung wird dabei das Phänomen bezeichnet, dass in manchen Materialien bei tiefen Temperaturen der elektrische Gleichstromwiderstand unmessbar gering wird und gleichzeitig magnetische Felder aus dem Inneren des Supraleiters verdrängt werden. Die Strom-Spannungskennlinie eines sogenannten Josephsonkontaktes wird bei Einstrahlung von Mikrowellen geeigneter Frequenz dahingehend verändert, dass es zur Bildung von Spannungsplateaus kommt, deren Höhe ausschließlich von fundamentalen Naturkonstanten sowie der eingestrahlten Mikrowellenfrequenz abhängt. Da die Frequenz sehr genau messbar ist, ist es möglich, eine extrem hohe Reproduzierbarkeit der Gleichspannung zu erreichen. Die Größe der Spannung UJ wird durch einen einfachen Zusammenhang beschrieben:

wobei n die Zahl der Stufen, h das Plancksche Wirkungsquantum, e die elektrische Elementarladung, f die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellen und KJ die Josephsonkonstante ist. Die Josephsonkonstante besitzt nach internationaler Übereinkunft seit 1.1.1990 den Wert KJ = 483 597.9 GHz/V.

Durch den Einsatz von Herstellungsmethoden ähnlich wie in der Halbleitertechnologie ist es möglich, durch Serienschaltung tausender Kontakte Ausgangsspannungen in der Höhe von bis zu 10 V zu erzeugen. Das Josephson-Gleichspannungsnormal des BEV wird mit einer Mikrowellenfrequenz im Bereich zwischen 70 GHz und 75 GHz betrieben, was zu einer Spannung von ungefähr 150 µV pro Stufe führt. Damit ist es möglich, Gleichspannungen in Stufen von ungefähr 150 µV zu erzeugen. Die Feineinstellung der gewünschten Spannung wird durch Variation der Mikrowellenfrequenz erzielt. Die Messung der Mikrowellenfrequenz erfolgt unter Anschluss an das Zeit- und Frequenznormal („Atomuhr“) des BEV.