Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
NIST -4 Kibble баланс, который начал полноценную работу в начале 2015 года, измеряется постоянная Планка в пределах 13 частей на миллиард в 2017 году, который был достаточно точным , чтобы помочь с 2019 переопределение на килограмм .

Кибла баланс представляет собой электромеханический измерительный прибор , который измеряет вес тестируемого объекта очень точно с помощью электрического тока и напряжения , необходимых для производства компенсирующего усилия. Это метрологический прибор, который может определять килограмм единицы массы на основе фундаментальных констант. [1] [2]

Первоначально он назывался ваттным балансом, потому что вес тестовой массы пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах . В июне 2016 года, через два месяца после смерти своего изобретателя, Bryan Kibble , метрологи в Консультативном комитете по Единицам в Международном комитете по мерам и весам согласились переименовать устройство в его честь. [3] [4]

До 2019 года определение килограмма основывалось на физическом объекте, известном как Международный прототип килограмма (IPK).После рассмотрения альтернатив в 2013 году Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) согласовала критерии точности для замены этого определения на определение, основанное на использовании весов Киббла. После того, как эти критерии были выполнены, 16 ноября 2018 г. CGPM единогласно проголосовала за изменение определения килограмма и нескольких других единиц , вступившего в силу 20 мая 2019 г., чтобы приурочить его к Всемирному дню метрологии . [3] [5] [6] [7] [8]

Дизайн [ править ]

Прецизионные весы Ампера в Национальном бюро стандартов США (ныне NIST ) в 1927 году. Катушки тока видны под балансом, прикрепленным к правому рычагу баланса. Весы Kibble являются развитием весов Ampere.

Весы Киббла - это более точная версия баланса ампер , раннего прибора для измерения тока, в котором измеряется сила между двумя токонесущими катушками с проволокой, а затем используется для расчета величины тока. Весы Kibble работают в противоположном смысле; ток в катушках измеряется с использованием определения постоянной Планка для «измерения массы без обращения к IPK или любому физическому объекту». [9] Весы определяют вес объекта; затем масса рассчитывается путем точного измерения местной силы тяжести Земли (чистое ускорение, сочетающее гравитационный и центробежный эффекты) с помощью гравиметра.. Таким образом, масса объекта определяется с помощью силы тока и напряжения - «электронного килограмма».

Происхождение [ править ]

Принцип, который используется в весах Киббла, был предложен Брайаном Кибблом из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в 1975 году для измерения гиромагнитного отношения . [10]

Основным недостатком метода баланса ампер является то, что результат зависит от точности измерения размеров катушек. Весы Kibble используют дополнительный шаг калибровки, чтобы нейтрализовать влияние геометрии катушек, устраняя основной источник неопределенности. Этот дополнительный шаг включает перемещение силовой катушки через известный магнитный поток с известной скоростью. Этот шаг был впервые выполнен в 1990 году. [11]

Весы Киббла из Национальной физической лаборатории были переданы Национальному исследовательскому совету Канады (NRC) в 2009 году, где ученые из двух лабораторий продолжили совершенствовать прибор. [12] В 2014 году исследователи NRC опубликовали наиболее точное на то время измерение постоянной Планка с относительной погрешностью 1,8 × 10 - 8 . [13] Заключительный документ исследователей NRC был опубликован в мае 2017 года, в котором представлены результаты измерения постоянной Планка с погрешностью всего 9,1 частей на миллиард, измерения с наименьшей погрешностью на тот момент. [14] Другие эксперименты по балансировке Kibble проводятся в США.Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Швейцарское федеральное метрологическое управление (METAS) в Берне, Международное бюро мер и весов (BIPM) недалеко от Парижа и Национальная лаборатория метрологии и исследований (LNE) в Траппе , Франция . [15]

Принцип [ править ]

Провод длиной L, по которому проходит электрический ток I, перпендикулярный магнитному полю с напряженностью B, испытывает силу Лоренца, равную произведению этих переменных. В весах Kibble ток изменяется так, чтобы эта сила противодействовала весу w измеряемой массы m . Этот принцип основан на балансе ампер. w определяется массой m, умноженной на местное ускорение свободного падения g . Таким образом,

Весы Kibble позволяют избежать проблем с измерением B и L на втором этапе калибровки. Тот же провод (на практике катушка) перемещается через то же магнитное поле с известной скоростью v . По закону электромагнитной индукции Фарадея , разность потенциалов U генерируется на концах проволоки, которая равна BLV . Таким образом

Неизвестный продукт BL можно исключить из уравнений и получить

При точном измерении U , I , g и v это дает точное значение для m . Обе стороны уравнения имеют размеры мощности , измеряемые в ваттах по Международной системе единиц; отсюда и первоначальное название «баланс ватт».

Реализация [ править ]

Режим взвешивания
Режим движения

Весы Kibble сконструированы таким образом, что измеряемая масса и катушка с проволокой подвешены с одной стороны весов, а противовес - с другой. Система работает в двух режимах: «взвешивание» и «перемещение». Вся механическая подсистема работает в вакуумной камере для устранения эффекта плавучести воздуха. [16]

Во время «взвешивания» система измеряет составляющую «I» и составляющую «v». Система контролирует ток в катушке, протягивая катушку через магнитное поле с постоянной скоростью «v». Схема измерения положения и скорости катушки использует интерферометр вместе с входом точных часов для определения скорости и управления током, необходимым для ее поддержания. Требуемый ток измеряется с помощью амперметра, состоящего из эталона напряжения на переходе Джозефсона и интегрирующего вольтметра.

Во время «движения» система измеряет «U» составляющую. Система перестает подавать ток на катушку. Это позволяет противовесу тянуть катушку (и массу) вверх через магнитное поле, что вызывает разность напряжений на катушке. Схема измерения скорости измеряет скорость движения катушки. Это напряжение измеряется с помощью того же эталона напряжения и интегрирующего вольтметра.

Типичные весы Киббла измеряют U, I и v, но не измеряют локальное ускорение свободного падения «g», потому что «g» не меняется быстро со временем. Вместо этого «g» измеряется в той же лаборатории с помощью высокоточного и точного гравиметра . Кроме того, баланс зависит от очень точного и точного эталона частоты, такого как атомные часы, для вычисления напряжения и силы тока. Таким образом, точность измерения массы зависит от весов Киббла, гравиметра и часов.

Как и первые атомные часы, первые весы Киббла были единственными в своем роде экспериментальными устройствами: большими, дорогими и хрупкими. По состоянию на 2019 год ведется работа по производству стандартизированных устройств по ценам, позволяющим использовать их в любой метрологической лаборатории, требующей высокоточного измерения массы. [17]

Примерно с 2003 года были продемонстрированы не только большие весы Киббла, но и микроваттные весы или весы МЭМС (теперь называемые весами Киббла) [18]. силы в диапазоне от наноньютона до микроньютона прослеживаются до физических констант, определенных в системе СИ, с помощью электрических и оптических измерений. Из-за своего небольшого размера в весах MEMS Kibble обычно используются электростатические силы, а не индуктивные силы, которые используются в более крупных инструментах. Боковой и торсионный [19] варианты также были продемонстрированы, при этом основное применение (по состоянию на 2019 год) заключалось в калибровке атомно-силового микроскопа .

Измерения [ править ]

Точные измерения электрического тока , и разность потенциалов выполнены в обычных электрических единицах (а не единицы СИ), которые основаны на фиксированные « обычные значения » из константы Джозефсона и константе фона Клитцинга , и соответственно. Текущие эксперименты с балансом Киббла эквивалентны измерению значения условного ватта в единицах СИ. По определению обычного ватта, это эквивалентно измерению значения продукта K J 2 R K в единицах СИ вместо его фиксированного значения в обычных электрических единицах:

Важность таких измерений состоит в том, что они также являются прямым измерением постоянной Планка h :

Принцип электронного килограмма основан на значении постоянной Планка, которая по состоянию на 2019 год является точным значением. Это похоже на метр , определяемый скоростью света . С точно определенной константой весы Киббла не являются инструментом для измерения постоянной Планка, а вместо этого являются инструментом для измерения массы:

См. Также [ править ]

  • Гуи баланс

Ссылки [ править ]

  1. ^ Робинсон, Ян А .; Шламмингер, Стефан (2016). «Весы ватта или Киббла: метод реализации нового определения единицы массы в системе СИ» . Метрология . 53 (5): A46 – A74. DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .
  2. ↑ Палмер, Джейсон (26 января 2011 г.). «Программа по снижению веса на килограмм» . BBC News . BBC News . Проверено 16 февраля 2011 .
  3. ^ а б «Баланс корма» . Образование . Веб-сайт Национальной физической лаборатории Великобритании. 2016 . Дата обращения 15 мая 2017 .
  4. ^ Консультативный комитет по единицам (CCU), Отчет о 22-м заседании (15-16 июня 2016 г.) , стр. 32-32, 35
  5. ^ Чо, Адриан (2017). «Заговор по переопределению килограмма приближается к кульминации». Наука . 356 (6339): 670–671. DOI : 10.1126 / science.356.6339.670 . PMID 28522473 . 
  6. ↑ Милтон, Мартин (14 ноября 2016 г.). «Основные моменты работы МБМВ в 2016 году» (PDF) . п. 10. Архивировано из оригинального (PDF) 1 сентября 2017 года . Проверено 1 сентября 2017 года .
  7. ^ Решение CIPM / 105-13 (октябрь 2016 г.)
  8. ^ Materese, Робин (2018-11-16). «Историческое голосование связывает килограмм и другие единицы с естественными константами» . NIST . Проверено 16 ноября 2018 .
  9. ^ Матерезе, Робин (2018-05-14). «Килограмм: баланс Kibble» . NIST . Проверено 22 ноября 2018 .
  10. ^ Kibble, BP (1976). «Измерение гиромагнитного отношения протона методом сильного поля». Атомные массы и фундаментальные константы 5 . С. 545–551. DOI : 10.1007 / 978-1-4684-2682-3_80 . ISBN 978-1-4684-2684-7.
  11. ^ Киббл, BP; Робинсон, ИА; Беллисс, JH (1990). «Реализация СИ ватт весами с подвижной катушкой NPL». Метрология . 27 (4): 173–192. DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 27/4/002 .
  12. ^ "Весы Kibble: Исследование: Масса и Сила: Наука + Технология: Национальная Физическая Лаборатория" . www.npl.co.uk .
  13. ^ Санчес, Калифорния; Дерево, БМ; Зеленый, RG; Liard, JO; Инглис, Д. (2014). «Определение постоянной Планка с помощью ваттного баланса NRC». Метрология . 51 (2): S5 – S14. DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 51/2 / S5 .
  14. ^ Вуд, BM; Санчес, Калифорния; Зеленый, RG; Лиард, Джо (2017). «Краткое изложение определений постоянной Планка с использованием весов NRC Kibble» . Метрология . 54 (3): 399–409. DOI : 10.1088 / 1681-7575 / aa70bf .
  15. ^ Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н .; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант CODATA: 2006» (PDF) . Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP ... 80..633M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.633 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.10.2017.
  16. ^ Робинсон, Ян; Шламмингер, Стефан (2016). «Весы ватта или Киббла: метод реализации нового определения единицы массы в системе СИ» . Метрология . 53 (5): A46 – A74. DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .
  17. ^ Коновер, Эмили (3 июня 2019). «Это настольное устройство превращает квантовое определение килограмма в реальную массу» . ScienceNews .
  18. ^ Cumpson, Питер Дж .; Хедли, Джон (2003). «Точные аналитические измерения в атомно-силовом микроскопе: микропроцессорный стандарт постоянной пружины, потенциально прослеживаемый до SI». Нанотехнологии . 14 (12): 1279–1288. DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 14/12/009 .
  19. ^ Портолес, Хосе Ф .; Камсон, Питер Дж. (2013). «Компактное устройство сравнения на кручение для простой, точной и прослеживаемой калибровки пиконьютона АСМ». Нанотехнологии . 24 (33): 335706. DOI : 10,1088 / 0957-4484 / 24/33/335706 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Штайнер, Ричард Л .; Уильямс, Эдвин Р .; Ньюэлл, Дэвид Б .; Лю, Жуйминь (2005). «К электронному килограмму: улучшенное измерение постоянной Планка и массы электрона» . Метрология . 42 (5): 431–441. DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 42/5/014 .
  • Schwarz, JP; Лю, РМ; Ньюэлл, ДБ; Steiner, RL; Уильямс, ER; Smith, D .; Erdemir, A .; Вудфорд, Дж. (2001). «Гистерезис и связанные механизмы ошибок в эксперименте NIST с балансом мощности» . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 106 (4): 627–40. DOI : 10,6028 / jres.106.028 . PMC  4862827 . PMID  27500039 .
  • Bureau International des Poids et Mesures
  • Швейцарское федеральное метрологическое управление