Весы Kibble

редактировать
Весы NIST -4 Kibble, которые начали работать в полную силу в начале 2015 года, измерены Постоянная Планка с точностью до 13 частей на миллиард в 2017 году, что было достаточно точным, чтобы помочь с переопределением 2019 килограмма.

A весов Киббла является электромеханическим измерительный прибор, который очень точно измеряет вес испытываемого объекта с помощью избранных ток и напряжение, необходимые для создания компенсирующей силы. Это метрологический прибор, который может определять килограмм единицы массы на основе фундаментальных констант.

Первоначально он назывался ваттный баланс, потому что вес испытательной массы пропорционален произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. В июне 2016 года, через два месяца после смерти его изобретателя, Брайана Киббла, метрологи Консультативного комитета по единицам Международного комитета мер и весов согласились переименовать устройство в его честь.

До 2019 года определение килограмма основывалось на физическом объекте, известном как Международный прототип килограмма (IPK). После рассмотрения альтернатив в 2013 г. 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, CGPM единогласно проголосовала 16 ноября 2018 г. за изменение определения килограмма и нескольких других единиц с 20 мая 2019 г., чтобы оно совпало с Всемирным днем ​​метрологии.

Содержание

  • 1 Дизайн
  • 2 Источник
  • 3 Принцип
  • 4 Реализация
  • 5 Измерения
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Дизайн

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

Весы Kibble являются более точной версией весов Ampere, раннего прибора для измерения тока , в котором сила между двумя токоведущими катушками провода измеряется и затем используется для вычисления 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». Весы определяют вес объекта; затем масса рассчитывается путем точного измерения локальной силы тяжести Земли (чистое ускорение, сочетающее гравитационные и центробежные эффекты) с помощью гравиметра. Таким образом, масса объекта определяется в единицах тока и напряжения - «электронного килограмма».

Происхождение

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

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.

Весы Kibble, полученные из Национальной физической лаборатории, были переданы Национальному исследовательскому совету Канады (NRC) в 2009 году, где ученые из двух лабораторий продолжал дорабатывать инструмент. В 2014 году исследователи NRC опубликовали наиболее точное на то время измерение постоянной Планка с относительной погрешностью 1,8 × 10. 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. Другие эксперименты с весами Киббла проводятся в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), в Швейцарском Федеральном метрологическом управлении (METAS) в Берне, в Международном бюро Вес и меры (BIPM) возле Парижа и Национальная лаборатория метрологии и исследований (LNE) в Трапп, Франция.

Принцип

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

w = m g = B L I. {\ displaystyle w = mg = BLI.}{\ displaystyle w = mg = BLI.}

Весы Kibble позволяют избежать проблем с измерением B и L на втором этапе калибровки. Один и тот же провод (на практике, катушка) перемещается через то же магнитное поле с известной скоростью v. По закону индукции Фарадея на концах разности потенциалов U создается провода, что равно BLv. Таким образом,

U = B L v. {\ displaystyle U = BLv.}{\ displaystyle U = BLv.}

Неизвестный продукт BL можно исключить из уравнений и получить

U I = m g v. {\ displaystyle UI = mgv.}{\ displaystyle UI = mgv.}
m = U I / g v. {\ displaystyle m = UI / gv.}{\ displaystyle m = UI / gv.}

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

Реализация

Режим взвешивания Режим перемещения

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

Во время «взвешивания» система измеряет составляющую «I» и составляющую «v». Система контролирует ток в катушке, протягивая катушку через магнитное поле с постоянной скоростью «v». В схеме измерения положения и скорости катушки используется интерферометр вместе с входом точных часов для определения скорости и управления током, необходимым для ее поддержания. Требуемый ток измеряется с помощью амперметра, содержащего эталон напряжения джозефсоновского перехода и интегрирующий вольтметр.

Во время «движения» система измеряет U-компонент. 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», поскольку «g» не меняется быстро со временем. Вместо этого «g» измеряется в той же лаборатории с использованием высокоточного и точного гравиметра. Кроме того, баланс зависит от высокоточного 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, где требуется высокоточное измерение массы.

А также большие весы Kibble, изготовленные из микропроцессоров или MEMS ваттные весы (теперь называемые весами Киббла) демонстрируются примерно с 2003 года. Они изготавливаются на одиночных кремниевых кристаллах, подобных тем, которые используются в микроэлектронике и акселерометрах, и способны измерять небольшие силы в единицах от наноньютона до микроньютона. прослеживается до физических констант, определенных 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. Также были продемонстрированы боковые и крутильные варианты, причем основное применение (по состоянию на 2019 год) - калибровка атомно-силового микроскопа.

Измерения

Выполняются точные измерения электрического тока и разности потенциалов. в обычных электрических единицах (а не в единицах СИ), которые основаны на фиксированных «условных значениях » постоянной Джозефсона и постоянной фон Клитцинга, К J-90 {\ displaystyle K _ {\ text {J-90}}}{\ displaystyle K _ {\ text {J-90}}} и R K-90 {\ displaystyle R _ {\ text {K-90 }}}{\ displaystyle R _ {\ text {K-90}}} соответственно. Текущие эксперименты с балансом Киббла эквивалентны измерению значения условного ватта в единицах СИ. По определению условного ватта, это эквивалентно измерению значения продукта K JRKв единицах СИ вместо его фиксированного значения в обычных электрических единицах:

1 кДж 2 RK = 1 K J-90 2 R К-90 {MGV} W {UI} W 90. {\ displaystyle {\ frac {1} {K _ {\ text {J}} ^ {2} R _ {\ text {K}}}} = {\ frac {1} {K _ {\ text {J-90}} ^ {2} R _ {\ text {K-90}}}} {\ frac {\ {mgv \} _ {\ text {W}}} {\ {UI \} _ {W_ {90}}}}. }{\ displaystyle {\ frac {1} {K _ {\ text { J}} ^ {2} R _ {\ text {K}}}} = {\ frac {1} {K _ {\ text {J-90}} ^ {2} R _ {\ text {K-90}}} } {\ frac {\ {mgv \} _ {\ text {W}}} {\ {UI \} _ {W_ {90}}}}.}

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

h = 4 кДж 2 RK. {\ displaystyle h = {\ frac {4} {K _ {\ text {J}} ^ {2} R _ {\ text {K}}}}.}{\ displaystyle h = {\ frac {4} {K _ {\ text {J}} ^ {2} R _ {\ text {K}}}}.}

Принцип электронного килограмма основан на значении постоянная Планка, которая 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:

m = U I g v. {\ displaystyle m = {\ frac {UI} {gv}}.}{\ displaystyle m = {\ frac {UI} {gv}}.}

См. также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-25 08:07:32
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте