一级计量师

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电池与环保

今天，在国民经济各领域及计量部门的生产和科研中，各种便携式仪器的使用和测量离不开各类电池供电；手提电话、寻呼机等现代化通讯工具需要高能电池；汽车、轮船、飞机等现代化交通工具需要各类电池；尤其是计算机技术的迅猛发展，伴随其问世的UPS不间断电源更离不开蓄电池供电；日常生活中的各类电器，如收音机、随身听、电子表、医疗器械、儿童电动玩具、手电筒等都离不开各种型号的电池供电。

我国是拥有12亿人口的大国，若每人每年消耗4~5只电池的话，那么每年我国就要有50多亿只不同类型的废电池需要处理（保守估计）。这些现代化垃圾正在每年递增，它对环境污染会带来多大的危害，应该扔到何处，如何处置？对此，很多人并不十分清楚。

各类电池均为化学电池。常用的各种干电池和钮扣电池，又称锌锰电池、锌汞电池、银锌电池，这些电池的内部均含有镉、汞、铅等各种重金属。酸性蓄电池的正负极板是以纯铅作为有效物质。碱性蓄电池极板是铁或镉镍组成。计量部门使用的硫酸镉标准电池，玻璃器皿正极玻璃球中是大量的“汞”，负极是“镉汞齐”，还有“硫酸亚汞”、“硫酸镉结晶体”、“硫酸镉”、饱和或不饱和溶液等。由此可见，各类电池不同程度上均含污染环境的镉、汞、铅等重金属。镉、汞、铅是联合国公布污染和危害环境排名前三位的重金属。当废电池表面锈蚀破裂或容器破损后，这些危害人体的重金属进入空气、土壤，污染地下水源、动植物，也污染了我们人类赖以生存的自然环境。如粮食作物根部吸收了镉，就会长出含有镉的粮食，作为食物进入人体，不仅造成人体内脏损伤，还会导致骨质疏松等病症。“汞”又称为水银，熔点为-39 ℃，所以人们见到汞为银白色液体，液态的汞在常温下即可产生汽化现象，形成有毒的水银蒸气。汞离子是一种强烈的细胞原浆毒，通过呼吸道和消化道进入人体内，能使人体中的细胞蛋白质沉淀，产生中毒症状。“铅金属”是一种重要的工业原料，铅的化合物若不慎进入人体会造成全身性中毒，几乎任何器官和组织都可受铅的损害。可见，废电池中含有的这些金属一旦污染了环境，对人们自身健康会产生多么大的危害。

作为计量工作者，我们必须立即行动起来，采取必要手段和措施，回收和处置好各类电池。应做到以下几条：

1.使用“绿色电池”。电学计量标准器的改革和更新换代势在必行，应尽快使用固态电子电压标准器，以取代原有的化学标准电池。国际上早已启用的约瑟夫森结阵列构成的超导电压自然基准，作为国际公认的电学计量新基准以复现电压单位。目前，国内外各种由电子器件构成的固态电压标准，已广泛应用于各种多功能标准源（标准器）、数字电压表和数字多用表的内附标准，或直接作为外校准传递标准使用。

推广各类数字式仪器仪表的应用。数字式仪器仪表可以测量mV小电压，可以测量kV高压；可以测量电流，也可以测量电阻；可以测量直流电量，也可以测量交流电量。多功能的数字式仪器仪表是电学计量仪器及通用测量仪器仪表的发展方向，完全可以取代便携式直流电位差计等一系列模拟仪器，不再使用化学标准电池。

2.应做好报废标准电池等计量器具和仪器仪表的处置工作。计量部门和使用单位目前都比较重视在线（正在使用中）的计量器具的维护、保养、送检和登记造册等工作。但一些报废计量器具的处置问题一直被忽视。随着环境保护和城市防污意识的加强，这项工作应列入议事日程之中。当然不只是各类报废电池的处置问题，例如老式U型管压力计、水银温度计、水银压差式流量计、密度计、电离辐射源等的报废处理问题都应遵循我国环境保护法律法规的要求，制定切实可行的报废处理措施，妥善处理，化害为利。

3.积极参与各类电池（包括废旧标准电池）的回收服务工作。要及时与环保部门或物资回收单位联系，共同协作寻找行之有效的回收方法和途径，并做好环保宣传工作。

电流基准、电压基准、电阻基准

现在，人们几乎没有一天不在使用电器，不在与电打交道。这样，势必会直接或间接地、有意或无意地与电流、电压、电阻等电量发生关系。事实上在国际单位制（SI）中，为满足“一贯性”要求，必需在长度、质量、时间这三个基本量之外，增加第四个电学基本量。即基本量电流（I），它的单位是安培（A）：在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长的平行圆直导线内，通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10-7N，则每根导线中的电流为1A。

这个定义是1946年由国际计量委员会（CIPM）提出， 经1948年第九届国际计量大会（CGPM）通过，并一直沿用至今。显然，定义中的两根“无限长”导线是无法实现的，因而根据电动力学原理，可以用作用力相似等效的两个线圈替代。例如：常用的艾顿（Ayrton-Jones）电流天平，或者派勒特（Pellat）电动测力计。它们是用砝码的重力来平衡同轴线圈通电流时产生的力，或者正交线圈通电流时产生的扭力。复现的不确定度为10-5~10-6量级。

到50年代，实现安培的方法已经建立在弱磁场和强磁场的核磁共振原理的基础上，即利用水的质子回旋磁比γp来复现安培，其不确定度为10-6~10-7。这些装置的结构也很复杂，且难以长期保持。

于是，人们同时利用欧姆定律，即通过电压单位伏特（V）和电阻单位欧姆（Ω）来实现和保持安培。为区别起见，习惯上把前面几种装置称为“绝对”安培基准。电压单位和电阻单位都可以用实物基准（一组标准电池和一组标准电阻）来保存，而电流单位却做不到。

标准电池是一种密封于H形玻璃管内的化学原电池（韦斯顿饱和电池），其电动势（约为1.0186V）的温度系数较大，因而须保存在恒温槽中。标准电阻用锰铜丝绕制，密封在镀铬的黄铜壳内，工作时也须放入恒温油槽中。

这些实物基准的材料性能及其化学结构，不可避免地会随时间而发生缓慢变化，必然会给一个国家或者不同国家间的量值统一带来困难。所以，一些国家从60年代起就开始研究取代实物基准的不变的自然基准。其依据就是1962年英国人B.D.Josephson发现的、后来以他名字命名的“约瑟夫森效应”：在超低温（液氦）环境下的超导约瑟夫森结，经微波照射后会产生稳定的量化电压V=nf/KJ 。

式中n为整数，f为微波频率，KJ为约瑟夫森常数。理论和实验证明KJ=2e/h，其中e为电子电荷，h为普朗克常数，它们是不会随时间、地点和构成约瑟夫森结的材料等因素的影响而发生变化的。国际计量委员会1972年根据当时的实验数据提出了KJ值，其后经各国计量研究机构的研究、改进与修正，宣布从1990年1月1日起全世界使用推荐值KJ-90=483597.9 GHz/V。约瑟夫森本人因该项重大成果，荣获1975年诺贝尔物理学奖。

另一方面，作为电阻自然基准基础的“量子化霍尔（Hall）效应”，于1980年为德国人K.Von Klitzing 所发现：具有高迁移率的半导体元件，置放在超低温（液氦）和超高磁场（10多个特斯拉）下会产生一系列的量化电阻RH（i）=Rk/i。

式中i为整数，RH为克里青常数。理论和实验证明RH=h/e2。鉴于与电压相同的原因，国际计量委员会宣布从1990年1月1日起全世界使用推荐值Rk-90=25812.807Ω。克里青本人也荣获1985年诺贝尔物理学奖。

上述两个常数是通过许多国家的电单位绝对测量以及基本物理常数的组合来确定的，各国以此为基础建立了实物的量子电压基准和量子电阻基准，取代了传统的标准电池和标准电阻的实物基准。在决定KJ-90和RK-90过程中，中国是国际上能提供整套数据的四个国家之一（有的国家只进行了部分实验）。中国的结果KJ 与推荐值差4×10-8，RK与推荐值差6×10-8，受到了国际上的好评。

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