Kibble mérleg

Apró mérlegek (korábban watt mérlegek , az ampermérlegekkel analóg módon ) – a tömeg és az elektromos teljesítmény közötti kapcsolat megállapítására szolgáló eszköz . Az 1970-es évek közepe óta használták a Planck -állandó értékének mérésére , a 21. században pedig egy új kilogramm -szabvány meghatározására szolgálnak, kizárólag a természeti értékek alapján. Posztumusz a feltalálóról, B. Kibble -ről nevezték el, a Kibble mérleg az áramegyensúly javítása , és egy elektromechanikus műszer, ahol a tömeg az elektromos teljesítményhez kapcsolódik az egyenlet alapján $m$

UI=mgv,

ahol a tömegkiegyenlítés során fellépő elektromos áram és a kalibrálás alatti feszültség szorzata , a mérleg kalibrálása során a szabadesés gyorsulása és a platformsebesség szorzata. $UI$ $én$ $U$ $gv$ $g$ $v$

Hogyan működik

Az ampermérleg működési elve az Ampère -törvényen alapul: egy nagyságrendű erő hat egy vezetékre , amelyen elektromos áram folyik át, amikor az indukcióval mágneses térbe kerül . Ha a vezetéket tömeggel terheljük , akkor az egyensúly létrejöttekor megfelelés jelenik meg az áramerősség és a tömeg között : $L$ $én$ $B$ $BLI$ $m$ $m$

mg=BLI,

( 1 )

hol van a szabadesés gyorsulása . Az ampermérleg pontosságát a gyakorlatban korlátozza a fenti egyenletben szereplő állandó mérési pontossága. $g$ $BL$

Kibble eredeti megoldást javasolt a mérés elkerülésére . A Kibble mérlegben a mérés két lépésben történik. Az egyiken a tömeget az áramerősség ugyanúgy kiegyenlíti, mint az amperskálán. A második lépésben megtörténik a „kalibráció”: a vezetőben (a gyakorlatban a tekercsben ) lekapcsolják az áramot, a vezetőt állandó és pontosan mért sebességgel ugyanazon a mágneses téren áthúzzák . Ebben az esetben a Faraday-törvény szerint a vezető végein feszültség keletkezik $BL$ $v$

U=BLv.

( 2 )

Mivel mindkét lépésben ugyanaz az érték, akkor ( 1 ) és ( 2 )-ből megkapjuk az egyenlőséget $BL$

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

honnan viszont

UI=mgv.

$UI$ teljesítmény dimenzióval rendelkezik, de ez virtuális teljesítmény, mivel a feszültség- és árammérés különböző időpontokban történik. A kétlépcsős mérési folyamat többek között lehetővé teszi a veszteségek hatásainak elkerülését (amit például az indukált Foucault-áramok okozhatnak ) [1] .

Szerep a kilogramm meghatározásában

A Kibble-mérleget eredetileg a Planck-állandó mérésére tervezték, mivel az elektromos teljesítmény és a Planck-állandó lineárisan függ a Josephson-effektustól és a kvantum-Hall-effektustól [2] [3] :

mivel , , ahol a vezető elektromos ellenállása, a kiegyenlítési folyamatban lévő áramnak megfelelő feszültség;

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

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

R

U_{I}

Josephson-effektus: ;

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

kvantum Hall effektus: ,

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

ahol a Planck-állandó, és egész számok (az első a Shapiro-lépéshez kapcsolódik , a második a kvantum Hall-effektus platójának kitöltési tényezője), a Josephson-effektusból származó frekvencia, az elektrontöltés . Miután a hatvány képletére behelyettesítettük a kifejezéseket és behelyettesítettük az összes egész együtthatót egy konstansba , a virtuális teljesítmény lineárisan kapcsolódik a Planck-állandóhoz: $h$ $n$ $én$ $f$ $e$ $U$ $R$ $C$ $UI$

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

Ha a tömeg etalonját egymástól függetlenül határozzák meg (ahogyan a 21. század eleje előtt volt), akkor a Kibble-mérlegen lemérve pontosan meghatározhatja a Planck-állandó értékét. Idővel azonban a Kibble-mérlegen végzett mérések pontossága nőtt, és a 20. század végére felülmúlta a kilogramm mesterséges etalonjának pontosságát: az elsődleges etalon és másolatai közötti tömegeltérés elérte a 60 ppm-t, ill. a Kibble mérleg hibája – több tíz rész/milliárd.

Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi Intézetének alkalmazottai, P. More ( angol. Peter Mohr ) és B. Taylor ( angol. Barry Taylor ) 1999-ben éppen ellenkezőleg, a Planck-állandó értékének rögzítését javasolták, és ezeket a skálákat tömegstandardként használják . ( kilogramm ). Ha önállóan, nagy pontossággal mérjük (a kísérlet gyakorlati szempontjai is megkövetelik a frekvencia nagy pontosságú mérését [3] ), a Kibble mérleg lényegében a Planck-állandó értékétől függően határozza meg a kilogrammot. A XXVI . Általános Súly- és Mértékkonferencia (2018. november 13-16.) jóváhagyta [4] a kilogramm új meghatározását, amely a Planck -állandó számértékének rögzítésén alapul . A határozat 2019. május 20-án lépett hatályba. $gv$

A gyakorlatban a Kibble mérlegen történő mérés rendkívül összetett kísérlet, ezért a 2011-es Általános Súly- és Mértékkonferencia egy másodlagos etalonkészlet létrehozását javasolta ismert súlyok formájában, beleértve a meglévő platina-iridium szabványokat és újakat is. szilíciumgömbök, amelyeket a továbbiakban a szabvány világszerte való terjesztésére fognak használni [3] .

Építkezés

A Kibble mérleg egy rendkívül összetett mechanizmus, beleértve [3] :

maga a mérleg, amelynek támogatnia kell az összetett beállítási eljárásokat;
erős mágnes vagy elektromágnes szupravezető tekercsekkel;
interferométer a sebesség meghatározásához a kalibrálás során. A levegő korlátozza az interferometria pontosságát, ezért minden mérlegnek vákuumban kell működnie;
nagy pontosságú graviméter a gravitációs gyorsulás helyi változásainak mérésére;
szabványok a kvantum Hall-effektus és a Josephson-effektus elektromos mérésére.

A Kibble-mérleg felépítésének nehézségei oda vezettek, hogy 2015-ben mindössze hét metrológiai laboratórium volt a világon, amely mérleget épített vagy építeni fog [3] . A Bureau International des Poids et Mesures mellett ezek a következők:

Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete . Most a negyedik lehetőség, az úgynevezett NIST-4 van érvényben;
Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács ;
Svájci Metrológiai Intézet;
Országos Mérésügyi és Vizsgálati LaboratóriumFranciaország;
MSL Új-Zélandon ;
Koreai Szabványügyi és Tudományos Kutatóintézet.

Jegyzetek

↑ Ian A. Robinson, Stephan Schlamminger . A watt- vagy Kibble-egyensúly: a tömegegység új SI-definíciójának megvalósítására szolgáló technika Archivált : 2019. június 2., a Wayback Machine // Metrologia 53 (2016) A46-A74. doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
↑ Michael Stock. A wattegyenleg: a Planck-állandó meghatározása és a kilogramm újradefiniálása Archiválva : 2012. szeptember 1., a Wayback Machine // Royal Society Discussion Meeting: The new SI, 2011. január 10. o .
↑ 1 2 3 4 5 Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. Kvantummetrológia: Mértékegységek és mérések megalapozása . John Wiley & Sons, 2015. (Mag.) 165-167. o.
↑ A történelmi szavazat a kilogrammot és más mértékegységeket természetes állandókhoz köti . Letöltve: 2018. november 24. Az eredetiből archiválva : 2019. május 29. (határozatlan)

Irodalom

Alekszej Ponyatov. Az utolsó kilogramm feladta // Tudomány és élet . - 2019. - 3. sz . - S. 2-7 .

Linkek

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