Кіріспе

Электромеханикалық салмақ өлшегіш құрал

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.

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.

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.

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.