Kibble vægte

Kibble-skalaer (tidligere watt-skalaer , analogt med ampere-skalaer ) - en enhed til at fastslå forholdet mellem masse og elektrisk effekt . Brugt siden midten af 1970'erne til at måle værdien af Plancks konstant , i det 21. århundrede blev de brugt til at bestemme en ny kilogram standard baseret udelukkende på naturlige værdier. Posthumt opkaldt efter opfinderen, B. Kibble, Kibble-balancen er en forbedring af strømbalancen og er et elektromekanisk instrument, hvor masse er relateret til elektrisk effekt ved ligningen $m$

UI=mgv,

hvor er produktet af elektrisk strøm under massebalancering og spænding under kalibrering, er produktet af fritfaldsacceleration og platformhastighed under balancekalibrering. $UI$ $jeg$ $U$ $gv$ $g$ $v$

Sådan virker det

Funktionsprincippet for en amperevægt er baseret på Ampères lov: en kraft af størrelse vil virke på en ledning med en elektrisk strøm, der løber igennem den, når den indføres i et magnetfelt med induktion . Hvis ledningen er belastet med en masse , vil der, når ligevægten er etableret, en overensstemmelse vises mellem den aktuelle styrke og massen : $L$ $jeg$ $B$ $BLI$ $m$ $m$

mg=BLI,

( 1 )

hvor er accelerationen af det frie fald . Nøjagtigheden af amperebalancen er i praksis begrænset af nøjagtigheden af målingen af konstanten i ligningen ovenfor. $g$ $BL$

Kibble foreslog en original løsning for at undgå måling . I Kibble-vægten foretages målingen i to trin. På en af dem balanceres massen af strøm på samme måde som i ampereskalaen. I det andet trin opstår "kalibrering": strømmen i lederen (i praksis i viklingen ) er slukket, lederen trækkes gennem det samme magnetfelt med en konstant og nøjagtigt målt hastighed . I dette tilfælde dannes der ifølge Faradays lov en spænding ved enderne af lederen $BL$ $v$

U=BLv.

( 2 )

Da værdien på begge trin er den samme, så får vi fra ( 1 ) og ( 2 ) ligheden $BL$

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

hvorfra igen

UI=mgv.

$UI$ har dimensionen effekt, men dette er virtuel effekt, da spændings- og strømmålingerne foregår på forskellige tidspunkter. To-trins måleprocessen gør det blandt andet muligt at undgå virkningerne af tab (som f.eks. kan være forårsaget af inducerede Foucault-strømme ) [1] .

Rolle i at bestemme kilogram

Kibble-balancen blev oprindeligt designet til at måle Planck-konstanten, da den elektriske effekt og Planck-konstanten er lineært afhængige gennem Josephson-effekten og kvante-Hall-effekten [2] [3] :

da , , hvor er den elektriske modstand af lederen, er spændingen svarende til strømmen i balanceringsprocessen;

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

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

R

U_{I}

Josephson effekt: ;

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

kvante Hall effekt: ,

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

hvor er Planck-konstanten, og er heltal (det første er relateret til Shapiro-trinnet , det andet er fyldningsfaktoren for kvante-Hall-effekt-plateauet), er frekvensen fra Josephson-effekten, er elektronladningen . Efter at have erstattet udtrykkene for og ind i formlen for potens og kombineret alle heltalskoefficienter til en konstant , viser den virtuelle potens sig at være lineært relateret til Plancks konstant: $h$ $n$ $jeg$ $f$ $e$ $U$ $R$ $C$ $UI$

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

Hvis massestandarden bestemmes uafhængigt (som den var før begyndelsen af det 21. århundrede), giver vejning af en vægt på en Kibble-vægt dig mulighed for nøjagtigt at bestemme værdien af Plancks konstant. Men med tiden voksede nøjagtigheden af målingerne på Kibble-skalaerne og overgik i slutningen af det 20. århundrede nøjagtigheden af de kunstige standarder for kilogrammet: masseafvigelserne mellem den primære standard og dens kopier nåede 60 dele pr. milliard, og fejlen på Kibble-skalaen - flere titusinddele pr. milliard.

Ansatte ved US National Institute of Standards P. More ( eng. Peter Mohr ) og B. Taylor ( eng. Barry Taylor ) foreslog i 1999 tværtimod at fastsætte værdien af Plancks konstant og bruge disse skalaer som en massestandard ( kilogram ). Hvis den måles uafhængigt med høj nøjagtighed (det praktiske ved eksperimentet kræver også en højpræcisionsmåling af frekvensen [3] ), bestemmer Kibble-balancen i det væsentlige kilogrammet afhængigt af værdien af Plancks konstant. Den XXVI generalkonference om vægte og mål (13.-16. november 2018) godkendte [4] en ny definition af kilogrammet, baseret på fastsættelse af den numeriske værdi af Plancks konstant . Afgørelsen trådte i kraft den 20. maj 2019. $gv$

I praksis er vejning på en kibble-vægt et ekstremt komplekst eksperiment, og derfor anbefalede generalkonferencen om vægte og mål i 2011 oprettelsen af et sæt sekundære standarder i form af velkendte vægte, herunder både eksisterende platin-iridium-standarder og nye siliciumkugler, der vil blive brugt yderligere til at distribuere standarden rundt om i verden [3] .

Konstruktion

Kibble-balancen er en ekstremt kompleks mekanisme, herunder [3] :

selve skalaen, som skal understøtte komplekse tilpasningsprocedurer;
kraftig magnet eller elektromagnet med superledende viklinger;
interferometer til at bestemme hastigheden under kalibrering. Luft begrænser nøjagtigheden af interferometri, så alle vægte skal fungere i et vakuum;
gravimeter med høj præcision til måling af lokale variationer i gravitationsacceleration;
standarder for elektriske målinger af kvante-Hall-effekten og Josephson-effekten.

Vanskelighederne ved at bygge en Kibble-balance førte til, at der i 2015 kun var syv metrologiske laboratorier i verden, der byggede eller skulle bygge en balance [3] . Udover Bureau International des Poids et Mesures er disse:

US National Institute of Standards and Technology . Nu er den fjerde mulighed, den såkaldte NIST-4, i kraft;
National Research Council of Canada ;
Schweizisk institut for metrologi;
National Laboratory of Metroology and TestingFrankrig;
MSL i New Zealand ;
Korea Research Institute of Standards and Science.

Noter

↑ Ian A. Robinson, Stephan Schlamminger . Watt- eller Kibble-balancen: en teknik til implementering af den nye SI-definition af masseenheden Arkiveret 2. juni 2019 på Wayback Machine // Metrologia 53 (2016) A46-A74. doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
↑ Michael Stock. Wattbalancen: bestemmelse af Planck-konstanten og omdefinering af kilogrammet Arkiveret 1. september 2012 på Wayback Machine // Royal Society-diskussionsmøde: The new SI, januar 2011. s . 10.
↑ 1 2 3 4 5 Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. Kvantemetrologi: Grundlaget for enheder og målinger . John Wiley & Sons, 2015. (Eng.) s. 165-167.
↑ Historisk stemme knytter kilogram og andre enheder til naturlige konstanter . Hentet 24. november 2018. Arkiveret fra originalen 29. maj 2019. (ubestemt)

Litteratur

Alexey Ponyatov. Det sidste kilo gav op // Videnskab og liv . - 2019. - Nr. 3 . - S. 2-7 .