Cântare de crochete

Cântare Kibble (fostă cântare de wați , prin analogie cu cântare de amperi ) - un dispozitiv pentru stabilirea relației dintre masă și puterea electrică . Folosite de la mijlocul anilor 1970 pentru a măsura valoarea constantei lui Planck , în secolul 21 sunt folosite pentru a determina un nou standard de kilograme bazat exclusiv pe valori naturale. Numit postum după inventatorul, B. Kibble, balanța Kibble este o îmbunătățire a balanței curente și este un instrument electromecanic, unde masa este legată de puterea electrică prin ecuație $m$

UI=mgv,

unde este produsul dintre curentul electric în timpul echilibrării masei și tensiunea în timpul calibrării, este produsul dintre accelerația în cădere liberă și viteza platformei în timpul calibrării echilibrului. $UI$ $eu$ $U$ $gv$ $g$ $v$

Cum funcționează

Principiul de funcționare a balanței de amperi se bazează pe legea lui Ampère : o forță de mărime va acționa asupra unui fir prin care circulă un curent electric atunci când este introdus într-un câmp magnetic cu inducție . Dacă firul este încărcat cu o masă , atunci când se stabilește echilibrul, va apărea o corespondență între puterea curentului și masă : $L$ $eu$ $B$ $BLI$ $m$ $m$

mg=BLI,

( 1 )

unde este accelerația de cădere liberă . Precizia balanței de amperi este limitată în practică de precizia măsurării constantei din ecuația de mai sus. $g$ $BL$

Kibble a propus o soluție originală pentru a evita măsurarea . În balanța Kibble, măsurarea se face în doi pași. Pe una dintre ele, masa este echilibrată de curent în același mod ca în scara amperilor. În a doua etapă, are loc „calibrarea”: curentul din conductor (în practică, în înfășurare ) este oprit, conductorul este tras prin același câmp magnetic la o viteză constantă și măsurată cu precizie . În acest caz, conform legii lui Faraday , la capetele conductorului se formează o tensiune $BL$ $v$

U=BLv.

( 2 )

Deoarece valoarea la ambele etape este aceeași, atunci din ( 1 ) și ( 2 ) obținem egalitatea $BL$

{\frac {U}{v}}=BL={\frac {mg}{I)),

de unde la rândul său

UI=mgv.

$UI$ are dimensiunea puterii, dar aceasta este putere virtuală, deoarece măsurătorile tensiunii și curentului au loc în momente diferite. Procesul de măsurare în două etape permite, printre altele, evitarea efectelor pierderilor (care ar putea fi cauzate, de exemplu, de curenții Foucault induși ) [1] .

Rolul în determinarea kilogramului

Balanța Kibble a fost concepută inițial pentru a măsura constanta Planck, deoarece puterea electrică și constanta Planck sunt dependente liniar prin efectul Josephson și efectul Hall cuantic [2] [3] :

întrucât , , unde este rezistența electrică a conductorului, este tensiunea corespunzătoare curentului în procesul de echilibrare;

I={\frac {U_{I}}{R}}

UI={\frac {UU_{I}}{R}}

R

U_{I}

efect Josephson: ;

U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)

efect Hall cuantic: ,

R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)

unde este constanta Planck și sunt numere întregi (primul este legat de pasul Shapiro , al doilea este factorul de umplere al platoului cuantic al efectului Hall), este frecvența de la efectul Josephson, este sarcina electronului . După înlocuirea expresiilor pentru și în formula pentru putere și combinând toți coeficienții întregi într-o singură constantă , puterea virtuală se dovedește a fi legată liniar de constanta lui Planck: $h$ $n$ $i$ $f$ $e$ $U$ $R$ $C$ $UI$

UI=Cf_{U}f_{I}{\frac {h}{gv)}

Dacă standardul de masă este determinat independent (cum era înainte de începutul secolului 21), cântărirea unei greutăți pe o balanță Kibble vă permite să determinați cu exactitate valoarea constantei lui Planck. Cu toate acestea, de-a lungul timpului, acuratețea măsurătorilor pe scalele Kibble a crescut și până la sfârșitul secolului al XX-lea a depășit acuratețea standardelor artificiale ale kilogramului: discrepanțe de masă între standardul primar și copiile sale au ajuns la 60 de părți per miliard și eroarea scalei Kibble - câteva zeci de părți pe miliard.

Angajații Institutului Național de Standarde din SUA P. More ( ing. Peter Mohr ) și B. Taylor ( ing. Barry Taylor ) au propus în 1999, dimpotrivă, să fixeze valoarea constantei lui Planck și să utilizeze aceste scale ca standard de masă . ( kilogramul ). Dacă este măsurat independent cu o precizie ridicată (aspectele practice ale experimentului necesită și o măsurare de mare precizie a frecvenței [3] ), balanța Kibble determină în esență kilogramul în funcție de valoarea constantei lui Planck. A XXVI -a Conferință Generală de Greutăți și Măsuri (13-16 noiembrie 2018) a aprobat [4] o nouă definiție a kilogramului, bazată pe fixarea valorii numerice a constantei lui Planck . Decizia a intrat în vigoare la 20 mai 2019. $gv$

În practică, cântărirea pe o balanță Kibble este un experiment extrem de complex și, prin urmare, Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri din 2011 a recomandat crearea unui set de standarde secundare sub formă de greutăți familiare, care să includă atât standarde de platină-iridiu existente, cât și noi. sfere de siliciu care vor fi folosite în continuare pentru a distribui standardul în întreaga lume [3] .

Constructii

Echilibrul Kibble este un mecanism extrem de complex, incluzând [3] :

scara în sine, care trebuie să suporte proceduri complexe de ajustare;
magnet puternic sau electromagnet cu înfășurări supraconductoare;
interferometru pentru determinarea vitezei în timpul calibrării. Aerul limitează acuratețea interferometriei, astfel încât toate balanțele trebuie să funcționeze în vid;
Gravimetru de înaltă precizie pentru măsurarea variațiilor locale ale accelerației gravitaționale;
standarde pentru măsurătorile electrice ale efectului Hall cuantic și efectului Josephson.

Dificultățile de a construi o balanță Kibble au dus la faptul că în 2015 existau doar șapte laboratoare metrologice în lume care construiau sau urmau să construiască o balanță [3] . Pe lângă Bureau International des Poids et Mesures , acestea sunt:

Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA . Acum a patra opțiune, așa-numita NIST-4, este în vigoare;
Consiliul Naţional de Cercetare din Canada ;
Institutul Elvețian de Metrologie;
Laboratorul Național de Metrologie și ÎncercăriFranţa;
MSL în Noua Zeelandă ;
Institutul de Cercetare din Coreea de Standarde și Știință.

Note

↑ Ian A. Robinson, Stephan Schlamminger . Balanța de watt sau Kibble: o tehnică pentru implementarea noii definiții SI a unității de masă Arhivat 2 iunie 2019 la Wayback Machine // Metrologia 53 (2016) A46-A74. doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
↑ Michael Stock. Balanța de wați: determinarea constantei Planck și redefinirea kilogramului Arhivat la 1 septembrie 2012 la Wayback Machine // Reuniunea de discuții a Societății Regale: Noul SI, ianuarie 2011. p . 10.
↑ 1 2 3 4 5 Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. Metrologia cuantică: fundamentul unităților și măsurătorilor . John Wiley & Sons, 2015. (Eng.) pp. 165-167.
↑ Votul istoric leagă kilogramul și alte unități de constante naturale . Consultat la 24 noiembrie 2018. Arhivat din original la 29 mai 2019. (nedefinit)

Literatură

Alexei Ponyatov. Ultimul kilogram a renuntat // Stiinta si viata . - 2019. - Nr. 3 . - S. 2-7 .

Link -uri

Kilogram: The Kibble Balance // NIST . (Engleză)