電気量の基準

発行日: 29-10-2025 更新日: 30-12-2025 🕒 6 分钟阅读

測定は何らかの基準に基づいて行う必要があります。電子工学者の大多数は、電気量の実験室基準に触れたことがなく、今後も触れることはないでしょう。最高の基準は驚くほど正確であり、私たちはそれらを直接扱わなくても、本当に知っておく価値があります。

どちらがより重要か：アンペアかボルトか？
電圧基準
抵抗基準
電流強度基準
電気量基準

ピオトル・ゴレツキ ― 電子工学の普及者。現在は自身の雑誌「電子を理解する」を発行。以前は長年にわたり人気のあるポーランドの雑誌（Elektronika dla Wszystkich）の編集長を務めた。また、何百もの記事や教育プロジェクトの著者でもある。1993年まで通信業界に従事。

電子工学者として、私たちは様々な計測器、主にマルチメーターで測定を行います。しかし、他にも複雑さが異なる様々な装置を使用します。

しかし、それらの表示が正確であることをどうやって知るのでしょうか？販売者の「このメーターは正しい測定値を持っている」と信頼するだけでは不十分です。最も安価な装置の場合、仕様書は時に「指から吸い出された」ようなものもありますし、良いものでも不完全であり、誤解を招くことがあります。

では、あなたのメーターの表示が正しいかどうかをどう検証できるでしょうか？

最も簡単な方法は、より良いメーター、少なくともクラスが一段上のメーターと比較することです。しかし、この「より良いメーター」もまた検証されなければならず、おそらく「さらに良いメーター」で確認する必要があります。そしてその繰り返し…。最終的に、我々は計測の標準がある計量学ラボにたどりつきます。そこには「最高のメーター」ではなく、電気量の標準があります。

かつて、メーターの基準はパリ近郊セーブルの宮殿に安全に保管された金属製の定規でした。そこには国際度量衡局（BIPM、フランス語：Bureau international des poids et mesures）が存在します。

今日では、メーターも他の単位もこのような物理的な標準物はありません。特に2018年の改定以降、物理定数が厳密に定義され、基本単位がそれらに基づき決定され、各国にある国家機関が世界標準との整合性を管理しています。

どの国でも、よく装備された実験室では単位の標準を「再現」することが可能になっています。電気単位の標準も同様です。ここから面白く、少し奇妙な話が始まります。

アンペアとボルト、どちらがより重要か？

学校では、国際単位系（SI）は次の7つの単位に基づくと学びます：メートル、キログラム、秒、アンペア、ケルビン、カンデラ、モル。この中で、電子工学者が最も関心を持つのはアンペアです。

現行のSI基本単位電流（強度）は、素電荷eの固定数値1.602176634×10⁻¹⁹ C（クーロン=A×秒）を採用して定義され、秒はCs原子の遷移周波数∆νCsによって定義されています。これを基にして、すべての電気・電子測定の基盤はアンペアか、実験室では1秒間に流れる電子の数（6.241509074×10¹⁸）を数えることか、と思われがちです。

しかし、実際は違います。多くの人が驚くかもしれませんが、電気測定は電圧基準と抵抗基準に基づいていて、電流や電気量の基準に基づいているわけではありません。

強調しますが、アンペアはSI基本単位ですが、実際には「アンペア基準」は使用されず、量子効果に基づいた電圧基準と抵抗基準の2つが用いられます。

電気電圧基準

電気現象の研究は1800年頃から本格的に始まりました。主にボルタ電堆によってです。その他の電圧源も開発されましたが、ほとんどは安定性が低く、これが混乱や誤った結論の原因になりました。したがって19世紀20年代にオームは、初期の誤解の後、ボルタ電池の代わりに熱電対を電圧源として使用しました。オームの法則はその後発見されました。

図1

写真2

対照的に、1872年（1873年または1874年とも言われる）に英国人技師、ジョサイア・ラティマー・クラークは比較的安定した電池を開発し、19世紀末まで事実上の公式電圧基準として使われました。クラーク電池は1893年に発明された（エドワード）ウェストン電池に置き換えられ、これははるかに安定的で使いやすいものでした。ウェストン電池の電圧は約1.01865Vですが、わずかに温度に依存します。図1はその特許図面、写真2（Wikipediaより）はソビエト時代の実用例です。

ウェストン電池は1990年まで公式の電圧基準として使われましたが、現在は「ジョセフソン結合素子」を用いたはるかに優れた電圧基準が使われています。

ジョセフソン結合素子は1962年、22歳のブライアン・デイヴィッド・ジョセフソンによって発明されました。二つの超伝導体領域が薄い絶縁体層で隔てられた構造で、不思議な性質を持っています。その一つは、周波数／一定電圧の変換ができること。マイクロ波を照射すると、その周波数に比例した直流電圧を出力します。

非常に精密な周波数のマイクロ波を作ることは問題ありませんが、単一のジョセフソン素子は1ミリボルト未満の電圧しか発生しません。そのため実用的な10V出力の基準では、数千個の素子を直列に配置し、同時にマイクロ波で励起します。

ジョセフソン素子は非常に小さな電圧しか出さないため、多数の素子が必要ですが、その分プログラム可能なパターンが可能で、直流電圧の精密設定だけでなく、（現在普及しているDDS発振器に似た形で）交流電圧、正弦波などの幅広い周波数の波形出力もできます。

主な制約は超電導素子であるため、実験的には絶対零度近くの数ケルビンの低温で操作する必要があることです。

詳細は省きますが、ジョセフソン結合を用いた電圧基準は10⁻⁹（0.001ppm、1ppb、0.0000001％）精度を持ちます。すなわち10Vの誤差は10ナノボルト以下です。

非常に低い温度で作動することは、熱雑音を劇的に減らし、ナノボルトレベルの話に現実的に到達できるため、これは極めて有益です。

量子超電導基準は他の安価な基準を較正するために使われます。ウェストン電池や類似品は用いられず、半導体素子を用いた基準が主に使われます。

電圧基準素子に関しては他の記事に譲りますが、ご参考に、驚異的に名高いLTZ1000集積回路（ADR1000）はノイズや経年劣化のため、ジョセフソン基準よりおよそ1000倍ほど精度が劣ります。

アマチュアは量子基準器や高級固体基準器を購入できません。しかし、今日では趣味者向けに格段に安い固体基準器が存在し、非常に高い精度を提供します。精度はマルチメーターの性能を大きく上回ります。詳細は割愛しますが、高度な趣味者が実現するLTZ1000ベースの基準器の誤差（不確かさ）は短期的には1ppm、つまり0.0001％程度です。しかし達成は容易でありませんが可能です。

LTZ1000集積回路は330〜400ポーランドズロチ、その他高級部品は1000ズロチ程度で、比較的高価ですが一部の趣味者には手が届きます。一方、簡単で安価なDC電圧基準、例えば使いやすいLM399集積回路で、LTZ1000の約10〜20分の1の精度ですが、5.5桁マルチメーターの検証には十分です。

最大の問題は中級機の基準器の初期較正であり、非常に精度と安定性が良いため、これを検証するには精密な実験室用ボルトメーターか良質な電圧基準が必要です。この点については後で詳述します。

抵抗基準

かつて唯一で最高精度の抵抗基準は非常に正確な抵抗素子、あるいは特別に選別された抵抗セットでした。

これらの抵抗は非常に大きく、しばしば油で浸漬されており、最も正確な基準はこのようにして保持されていました。しかし1943年、クラス・フォン・クリッツィングが量子ホール効果を発見し、状況は変わりました。

通常のホール効果は磁界センサー（ホールセンサー）に使われています。

一方、量子ホール効果は全く異なる現象で、古典的ホール効果では磁束密度Bの大きさと方向に比例した横電圧が生じますが、量子ホール効果では図4に示すような「横抵抗」に着目します。

図4

第一に、この現象は非常に薄い活性層（2次元電子ガス、2DEG）でのみ発生します。これはMOSFETトランジスタの動作にも関連します。

第二に、数テスラという非常に強力な磁場下でのみ発生します。これは最強のネオジム磁石より数倍強い磁場です。

第三に、絶対零度近く（約4ケルビン、ほぼ-270℃）の極低温でのみ起きます。この条件下で、（全体の）量子ホール現象が発生します。

図5

写真6

大まかに言うと、ホール素子の（横方向の）抵抗は明確に定義された値をとることができます。図5はその様子を示し（Wikipediaより、Anticon CC-BY-SA 3.0）、写真6はガリウム砒素（GaAs）を用いた要素の実例（ドイツPTB研究所、CC\N-BY-SA 4.0）です。

基礎となるのは2つの基本物理定数から導かれる「クリッツィング定数」です。

詳細は省きますが、クリッツィング定数は現在オームの定義に使われています。

このような独特の方法で、量子抵抗基準（QHR）は10⁻⁹精度（0.001ppm、1ppb、0.0000001%）を達成しています。たとえば標準抵抗が10kΩ（クリッツィング定数の半分程度のものもある）の場合、誤差は10マイクロオーム（0.00001Ω）以下です。

これらは非常に高価なラボ用標準であり、液体ヘリウム温度および強力な磁場が必要です。写真7はその例です。こうした超高精度量子基準は、今もなお、油などに浸された大きなケースに入った選別抵抗セットのような古典的標準を較正するために使われています。

写真7

量子抵抗基準は幾分奇妙で不動の抵抗値を持ち、数キロオームから10キロオーム以上に及びます。これに対し古典的抵抗基準は「丸い」値が多く、1Ω〜1MΩなどの幅広い範囲を含みます。

これらを量子基準と比較しなければなりませんが、精密な比較は簡単ではありません。もっとも正確なオームメーターが必要です。抵抗の較正にはクラシックな測定ブリッジ（試験抵抗にかかる電圧差を比較する方法）や、あまり知られていない電流比較型のブリッジも用いられます。

現在は主に直流を用いた抵抗測定を指しますが、驚くべきことにトランスも用います。抵抗は分圧器構成の弱点となりがちであるため、他の分圧方法、特に誘導分圧器も活用しています。誘導分圧器は一つの方法であり、もう一つは電流比較器で電流と抵抗を比較する方法です。

トランスを比較に利用するという基本的な考え方は非常に単純で、これはホール素子を用いた直流用の比較的よく知られた変流器でも使用されています。巻線に電流が流れると、その巻数に比例した磁束が発生します。もし第2巻線に逆方向の電流が流れると、逆向きの磁束が生じます。測定の本質は、この2つの磁束を完全に打ち消し合い、ゼロにすることにあります。これは電流の大きさだけでなく、巻数比にも依存します。一方の巻線の有効巻数を巧みに変えることで、比較のスケールを変更し、巻線間の巻数比に応じて異なる電流や抵抗を比較することができます。重要なのは、巻数が非常に安定したパラメータであり、それによって高い精度と安定性が確保できるという点です。ただし、この潜在的な能力を実際に活用するのは非常に難しく、特に直流の測定では困難です。すでに「通常の」電流比較器、すなわち DCC や DCCT と呼ばれる装置でも、10⁻⁶（1 ppm）程度の精度（不確かさ）で比較が可能です。さらに高精度を実現するのが、いわゆる低温電流比較器（CCC – Cryogenic Current Comparator）であり、極めて高感度な超伝導磁場センサー SQUID を用いることで、10⁻⁹（0.001 ppm = 1 ppb = 0.0000001%）よりも優れた不確かさを達成します。

先に述べたように、今日ではホビーレベルの技術者でも、合理的なコストで約7Vの基準電圧源を構築でき、その安定度はおよそ1 ppm（0.0001%）に達します。しかし、いくつかの理由により、抵抗器が制約要因となります。この点については別の記事で詳しく説明します。

ここで付け加えると、比較や抵抗測定には、いわゆるハモン転送器（Hamon Transfer）が使用されます。ハモン転送器およびハモン分圧器は1950年代に考案された古い方法ですが、驚くほど単純でありながら非常に高精度な手法で、精密な抵抗や電圧測定に利用されています。

電流（強度）の標準

すでに述べたように、アンペアはSI単位系の基本単位の一つですが、実験室や特に工房レベルの実務では、特別な高精度電流標準はほとんど使用されていません。電流は、抵抗にかかる電圧降下として測定されます。

したがって、正確な電流測定には基準電圧源と基準抵抗が必要です。測定器の校正や較正には、さまざまな校正器が使用されます。これには電流校正器（電流源）も含まれますが、その精度は使用される電圧および抵抗基準の特性によって決まります。

電気電荷の標準？

電荷の標準について語るのは難しいことです。電気電荷は、電流と時間、あるいは容量と電圧を正確に測定することで正確に求めることができます。

ここで述べているのは、バッテリーの充放電における電荷測定のように高い精度を必要としない場合ではありません。一般的に言えば、ホビー技術者だけでなく専門家でさえも、電荷を高精度で測定することはほとんどありません。もしあるとしても、それは1ピコアンペア未満の極めて微小な電流を測定する場合です。

通常、これは容量とも関連しており、むしろ容量の標準について語るべきでしょう。この興味深くもあまり知られていない電荷測定のテーマについては、改めて取り上げることができます。このシリーズの次の記事では、精度と安定性の基本的な限界について説明を始めます。

ピオトル・グレツキ（Piotr Górecki）

Transfer Multisort Elektronik（TME）は、電子部品、電気・電子機器、作業工具、ならびに産業用オートメーション機器を取り扱う世界有数のグローバルディストリビューターです。TMEのカタログには、1300社以上の主要メーカーによる150万点を超える製品が掲載されています。ウッチ市およびルズグフ市に所在するTMEの最新物流センターは、総面積40,000㎡以上を有し、毎日約6,000個の電子部品関連パッケージを、150か国以上の顧客へ発送しています。

TME はまた、TME Education プロジェクトを通じて若手エンジニアや電子工学愛好家の知識とスキルの向上に取り組み、TechMasterEvent シリーズを開催して技術コミュニティを支援し、イノベーションと経験の共有を促進しています。