Киббл балансы: электр тогы мен кернеу арқылы салмақты өлшейтін өте дәл құрал. Килограмның жаңа анықтамасын жүзеге асырады. Брайан Киббл құрметіне аталды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электромеханикалық салмақ өлшегіш құрал
Electromechanical weight measuring instrument
Кибл таразысы – сынама нысанының салмағын электр тогы мен кернеудің көмегімен туындаған теңестіру күші арқылы өте дәл өлшейтін электромеханикалық өлшегіш құрал. Бұл – негізгі тұрақтыларға негізделген килограммдық масса бірлігін анықтауға мүмкіндік беретін метрологиялық құрал. Ол бастапқыда ватттық теңгерім деп аталды, себебі сынама массасының салмағы ток пен кернеудің көбейтіндісіне пропорционалды, ал ол ваттпен өлшенетін шама. 2016 жылдың маусым айында, оның ойлап табушысы Брайан Кибблдің қайтыс болғаннан кейін екі ай өткен соң, Халықаралық салмақтар мен өлшемдер комитетінің бірліктер жөніндегі консультативтік комитетінің метрологтары құрылғыны оның құрметіне қайта атауға келісті. 2019 жылға дейін килограммның анықтамасы Халықаралық килограмм прототипі (IPK) деп белгіленген физикалық нысанға негізделген. 2013 жылы Баға мен өлшемдер жөніндегі бас конференция (CGPM) баламаларды қарастырғаннан кейін, осы анықтаманы Кибл таразысын пайдалануға негізделген анықтамамен алмастыру үшін қажетті дәлдік критерийлері туралы келісімге келді. Осы критерийлерге қол жеткізілгеннен кейін, CGPM 2018 жылдың 16 қарашасында бірауыздан дауыс беріп, 2019 жылдың 20 мамырынан бастап килограмм және басқа бірнеше бірліктердің анықтамасын өзгертуге шешім қабылдады. Сондай-ақ, джоуль теңгерімі деп аталатын әдіс бар. Планк тұрақтысының белгілі бір сандық мәнін пайдаланатын барлық әдістер кейде Планк тепе-теңдігі деп аталады.
A Kibble balance is an electromechanical measuring instrument that measures the weight of a test object very precisely by the electric current and voltage needed to produce a compensating force. It is a metrological instrument that can realize the definition of the kilogram unit of mass based on fundamental constants. It was originally called the watt balance because the weight of the test mass is proportional to the product of current and voltage, which is measured in watts. In June 2016, two months after the death of its inventor, Bryan Kibble, metrologists of the Consultative Committee for Units of the International Committee for Weights and Measures agreed to rename the device in his honor. Prior to 2019, the definition of the kilogram was based on a physical object known as the International Prototype of the Kilogram (IPK). After considering alternatives, in 2013 the General Conference on Weights and Measures (CGPM) agreed on accuracy criteria for replacing this definition with one based on the use of a Kibble balance. After these criteria had been achieved, the CGPM voted unanimously on November 16, 2018, to change the definition of the kilogram and several other units, effective May 20, 2019, to coincide with World Metrology Day. There is also a method called the joule balance. All methods that use the fixed numerical value of the Planck constant are sometimes called the Planck balance.
Дизайн
Киббл таразысы – ампер таразысының неғұрлым дәл нұсқасы, бұл ертедегі ток өлшегіш құрал, онда екі ток өткізгіш сым орамалары арасындағы күш өлшеніп, содан кейін токтың шамасын есептеу үшін пайдаланылады. Киббл таразысы кері принцип бойынша жұмыс істейді; орамдардағы ток Планк тұрақтысымен өте дәл бекітіледі, ал орамдар арасындағы күш сынақ килограммдық массаның салмағын өлшеу үшін қолданылады. Содан кейін масса, жердің тартылысын (гравитациялық және центробегтік әсерлердің қосындысынан туындайтын таза үдеуді) гравиметрмен дәл өлшеу арқылы салмақтан есептеледі. Осылайша, дененің массасы ток пен кернеу арқылы анықталады – бұл құрылғыға «Халықаралық прототиптік килограмм (IPK) немесе кез келген физикалық нысанды пайдаланбастан массаны өлшеуге» мүмкіндік береді.
The Kibble balance is a more accurate version of the ampere balance, an early current measuring instrument in which the force between two current carrying coils of wire is measured and then used to calculate the magnitude of the current. The Kibble balance operates in the opposite sense; the current in the coils set very precisely by the Planck constant, and the force between the coils is used to measure the weight of a test kilogram mass. Then the mass is calculated from the weight by accurately measuring the local Earth's gravity (the net acceleration combining gravitational and centrifugal effects) with a gravimeter. Thus the mass of the object is defined in terms of a current and a voltage— allowing the device to "measure mass without recourse to the IPK (International Prototype Kilogram) or any physical object".
Шығу тегі
Киббл таразысында қолданылатын принципті 1975 жылы Ұлыбританияның Ұлттық физикалық зертханасының (NPL) қызметкері Брайан Киббл гиромагниттік қатынасты өлшеу үшін ұсынған. 1978 жылы NPL-де Ян Робинсон мен Рэй Смитпен бірге Mark I ватт теңгерімі құрастырылды. Ол 1988 жылға дейін жұмыс істеді. Амперлік теңгерім әдісінің басты кемшілігі – нәтиже орамдардың өлшемдерін қаншалықты дәл өлшеуге байланысты. Киббл таразысы орамдардың геометриясының әсерін жою үшін қосымша калибрлеу қадамын пайдаланады, осылайша белгісіздіктің басты көзін жояды. Бұл қосымша қадамда күшті орам белгілі магниттік ағым арқылы белгілі жылдамдықпен қозғалады. Мұндай мүмкіндік әлемдегі кернеу мен кедергіні калибрлеу үшін қолданылатын фон Клицинг тұрақтысы мен Джозефсон тұрақтысының қалыпты мәндерін белгілеу арқылы туды. Осы принциптерді пайдалана отырып, Брайан Киббл мен Ян Робинсон 1990 жылы дөңгелек орамды пайдаланатын және вакуумдық жағдайда жұмыс істейтін Киббл Mark II теңгерімін ойлап тапты. Брайан Киббл Иан Робинсон мен Джанет Беллиспен бірлесіп, теңгерімнің Mark Two нұсқасын жасады. Бұл конструкция массаның SI бірлігін қайта анықтауда қолданылатын, жеткілікті дәл өлшемдер жасауға мүмкіндік берді: килограмм. Ұлттық физикалық зертханадан шыққан Киббл таразысы 2009 жылы Канаданың Ұлттық зерттеу кеңесіне (NRC) берілді, онда екі зертхананың ғалымдары құралды жетілдіруді жалғастырды. 2014 жылы NRC зерттеушілері сол кездегі Планк тұрақтысының ең дәл өлшемін, салыстырмалы белгісіздігі 1,8-ге тең деп жариялады. NRC зерттеушілерінің соңғы мақаласы 2017 жылдың мамыр айында жарияланды, онда Планк тұрақтысының белгісіздігі бар болғаны 9,1 миллиард бөлігіне жететін өлшемі ұсынылды, бұл осы күнге дейін ең төменгі белгісіздікпен өлшенген нәтиже. Киббл таразысы бойынша басқа эксперименттер АҚШ-тың Ұлттық стандарттар және технология институтында (NIST), Берндегі Швейцарияның Федералды метрология кеңсесінде (METAS), Париж маңындағы Халықаралық салмақтар және өлшемдер бюросында (BIPM) және Францияның Траппес қаласындағы Ұлттық метрология және сынақ зертханасында (LNE) жүргізілуде.
The principle that is used in the Kibble balance was proposed by Bryan Kibble of the UK National Physical Laboratory (NPL) in 1975 for measurement of the gyromagnetic ratio. In 1978 the Mark I watt balance was built at the NPL with Ian Robinson and Ray Smith. It operated until 1988. The main weakness of the ampere balance method is that the result depends on the accuracy with which the dimensions of the coils are measured. The Kibble balance uses an extra calibration step to cancel the effect of the geometry of the coils, removing the main source of uncertainty. This extra step involves moving the force coil through a known magnetic flux at a known speed. This was possible by setting of the conventional values of the von Klitzing constant and Josephson constant, which are used throughout the world for voltage and resistance calibration. Using these principles Bryan Kibble and Ian Robinson invented the Kibble Mark II balance, which uses a circular coil and operates in vacuum conditions in 1990. Bryan Kibble worked with Ian Robinson and Janet Belliss to build this Mark Two version of the balance. This design allowed for measurements accurate enough for use in the redefinition of the SI unit of mass: the kilogram. The Kibble balance originating from the National Physical Laboratory was transferred to the National Research Council of Canada (NRC) in 2009, where scientists from the two labs continued to refine the instrument. In 2014, NRC researchers published the most accurate measurement of the Planck constant at that time, with a relative uncertainty of 1.8. A final paper by NRC researchers was published in May 2017, presenting a measurement of the Planck constant with an uncertainty of only 9.1 parts per billion, the measurement with the least uncertainty to that date. Other Kibble balance experiments are conducted in the US National Institute of Standards and Technology (NIST), the Swiss Federal Office of Metrology (METAS) in Berne, the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) near Paris and Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) in Trappes, France.
Ауырлық күші
Жердің тартылысы және сынақ массаларын жергілікті гравитациялық үдеуге қарсы жоғары-төмен қозғалтатын Киббл теңгерімінің қасиеттері пайдаланылады, осылайша механикалық қуат электр қуатымен салыстырылады, ал электр қуаты – кернеудің квадратының электр кедергісіне бөлінуінен алынады. Дегенмен, g Жер бетіндегі өлшеу орнына байланысты айтарлықтай өзгеріп тұрады – шамамен 1%-ға дейін (Жердің гравитациясын қараңыз). Жер асты суларының деңгейінің өзгеруіне байланысты бір жерде g-де шағын маусымдық өзгерістер, ал Ай мен Күннің тартылысынан Жер пішінінің өзгеруінен туындаған жарты айлық және тәуліктік өзгерістер де болады. g килограммның анықтамасындағы шарт емес болғанымен, энергияны қуатқа байланыстыра отырып килограммды өлшеу процесінде маңызды рөл атқарады. Сәйкесінше, g басқа шарттармен салыстырылатын дәлдік пен нақтылықпен өлшенуі керек, сондықтан g өлшеулері табиғаттың негізгі тұрақтыларына сүйенуі тиіс. Масса метрологиясындағы ең жоғары дәлдікті қамтамасыз ету үшін g йодпен тұрақтандырылған гелий-неон лазерлік интерферометрі бар абсолюттік массаны түсіретін гравиметрлерді пайдалану арқылы өлшенеді. Интерферометрдің шеттік сигналы мен жиілік өзгерісі рубидий атомдық сағатымен өлшенеді. Бұл типтегі массалық гравиметрдің дәлдігі мен тұрақтылығы жарық жылдамдығының тұрақтылығынан, сондай-ақ гелий, неон және рубидий атомдарының ішкі қасиеттерінен туындайды. Сондықтан, толығымен электрондық килограммды анықтаудағы ‘гравитация’ шарты табиғаттың өзгермейтін шарттары арқылы өлшенеді және өте жоғары дәлдікпен анықталады. Мысалы, 2009 жылы NIST-тің Гайтерсбург ғимаратының жертөлесінде Pt10Ir сынақ массаларына (олар Киббл теңгеріміне қарағанда тығыз, кішкентай және ауырлық орталығы төмен орналасқан) әсер ететін гравитацияны өлшеген кезде, өлшенген мән әдетте 9.80101644-ке жуық 8 ppb шегінде болды.
Gravity and the nature of the Kibble balance, which oscillates test masses up and down against the local gravitational acceleration g, are exploited so that mechanical power is compared against electrical power, which is the square of voltage divided by electrical resistance. However, g varies significantly—by nearly 1%—depending on where on the Earth's surface the measurement is made (see Earth's gravity). There are also slight seasonal variations in g at a location due to changes in underground water tables, and larger semimonthly and diurnal changes due to tidal distortions in the Earth's shape caused by the Moon and the Sun. Although g would not be a term in the definition of the kilogram, it would be crucial in the process of measurement of the kilogram when relating energy to power. Accordingly, g must be measured with at least as much precision and accuracy as are the other terms, so measurements of g must also be traceable to fundamental constants of nature. For the most precise work in mass metrology, g is measured using dropping mass absolute gravimeters that contain an iodine stabilised helium–neon laser interferometer. The fringe signal, frequency sweep output from the interferometer is measured with a rubidium atomic clock. Since this type of dropping mass gravimeter derives its accuracy and stability from the constancy of the speed of light as well as the innate properties of helium, neon, and rubidium atoms, the 'gravity' term in the delineation of an all electronic kilogram is also measured in terms of invariants of nature—and with very high precision. For instance, in the basement of the NIST's Gaithersburg facility in 2009, when measuring the gravity acting upon Pt10Ir test masses (which are denser, smaller, and have a slightly lower center of gravity inside the Kibble balance than stainless steel masses), the measured value was typically within 8 ppb of 9.80101644.