ELEKTRISCHE CAPACITEIT GEMETEN DOOR HET TELLEN VAN ELEKTRONEN

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, in de Amerikaanse staat Colorado, hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het definiëren van de elektrische capaciteit: een begrip dat in de elektronica en de elektrotechniek wordt gebruikt. De elektrische capaciteit is de verhouding tussen de hoeveelheid lading die zich op een geleider of in een condensator bevindt (dus het aantal coulombs) en de spanning die hij als gevolg daarvan ten opzichte van de aarde heeft (het aantal volts). De eenheid van elektrische capaciteit is de farad.

Een echte referentiestandaard voor de elektrische capaciteit is er niet. De beste standaarden zijn `berekende' standaarden, die gebaseerd zijn op speciale proefopstellingen van ongeveer één meter lange elektroden. Een van die elektroden moet verplaatsbaar zijn en verder moeten correcties worden aangebracht voor het feit dat de elektroden slechts een eindige lengte hebben. Dit alles is omslachtig, moeilijk reproduceerbaar en leidt tot onderlinge verschillen. Vandaar dat metrologen al lange tijd op zoek zijn naar een techniek die eenvoudiger is en via de universele wetten van de fysica overal reproduceerbaar.

De techniek van de NIST-onderzoekers is gebaseerd op single electron tunneling: een quantummechanisch proces waarbij elektronen één voor één kunnen worden verplaatst. Dit gebeurt met behulp van supergekoelde elektronische schakelingen die tunneljuncties worden genoemd. Zo kunnen de onderzoekers een nauwkeurig telbaar aantal elektronen tussen twee elektroden verplaatsen, om vervolgens het hierdoor veroorzaakte spanningsverschil te meten. Ook kan eenzelfde aantal elektronen vele keren tussen elektroden heen en weer worden `gepompt', zodat een groot aantal metingen achter elkaar kan worden verricht (Science, 10 september).

De nauwkeurigheid van de aldus bepaalde capaciteit blijkt ongeveer 1 op een miljoen te bedragen, vergelijkbaar met die van de volgens de huidige technieken bepaalde waarde. Aangezien deze nauwkeurigheid door verdere verfijningen nog een factor tien tot honderd zou kunnen worden verbeterd, zou deze nieuwe techniek in de toekomst een belangrijke rol in de elektrische metrologie kunnen gaan spelen, aldus de onderzoekers. Sinds 1990 zijn de elektrische spanning en de elektrische weerstand, twee andere standaarden in de elektrische metrologie, ook al gebaseerd op quantummechanische verschijnselen, te weten het Josephson-effect en het Hall-effect.

    • George Beekman