A kilogramm újradefiniálása - Couleur-Science
a tudomány története metrológia, 2018. október 28., vasárnap, Timo van Neerden
Ez a cikk egy cikksorozat része a 26. CGPM alkalmából (2018-ban), amelynek alkalmával a kilogrammot történelmi módon definiálják:
- A kilogramm újradefiniálása (ez a cikk)
- Miért kell újradefiniálni a kilogrammot ?
Napjainkban a létező 7 alapegység közül a kilogramm az egyetlen, amely egy tárgyi anyagon alapul: egy fém standard (platina és irídium ötvözete), amelyet Párizs közelében tartanak, és amely a kilogramm egészében referenciaértékként szolgál. világ.
Több mint egy évszázada, hogy ez a tárgy a kilogrammot képviseli, és nem okoz bizonyos problémákat az idővel kapcsolatban: kopás, egyediség és az a tény, hogy Franciaországban és másutt tartják, technikai, gyakorlati és politikai rendellenességet jelentenek.
J. C. Maxwell (1831 - 1879, fizikus, aki többek között Maxwell egyenleteivel ismert az elektromágnesességben) ezt írja:
A mérőórához hasonlóan, amelyet már nem fémdarab, hanem a fénysebesség határoz meg, a metrológusok már régóta keresik, hogyan lehetne újradefiniálni a kilogrammot, hogy ne kelljen egy tárgytól függeniük. És úgy tűnik, hogy megtaláltuk !
Ha minden jól megy, a 2018-as év (általában november 13-tól 16-ig) azt az évet jelöli, amikor a kilogramm végül egység lesz, amely csak a természet belső fizikai állandójától függ.
Részletesebb cikket készítenék egy ilyen újradefiniálás szükségességéről, valamint a mértékegység meghatározásához használt általános módszerről, de itt nézzük meg a választott módszert. Meglátja, okos és ötletes, de nagyon technikus is ...
A kilogramm új meghatározása
A "K" kilogrammot használjuk a Planck-állandó (a kvantumfizikában használt állandó) mérésére, az utóbbi értékének rögzítésére, majd az imént beállított Planck-állandó szerinti kilogramm meghatározására.
Lehet, hogy úgy hangzik, mintha egy kígyó haldokló farkával járna, de nem az. A valóságban ez inkább referencia-változás.
Ahelyett, hogy egy ismert kilogrammunkból meghatároznánk Planck állandóját, megpróbáljuk az állandót olyan értékre rögzíteni, amely ezért változhatatlan marad, és amelyből meghatározzuk, hogy mit jelölünk "kilogramm" -nak.
Így a normál kilogramm platina már nem használ számunkra.
Ha meg akarjuk találni egy kilogramm tömegét, vegye fel a Planck-állandót és a Kibble-mérleget, és mérje meg egy kilogramm tömegét.
Ami Planck állandóját illeti ... Most ez a hivatkozás: már nem kell mérnünk, hanem ez a referencia.
És mivel Planck állandója a természet alapvető állandója, nem fog változni: nem kophat, nem romolhat és nem veszhet el.
Az alábbiakban a Kibble egyensúlya.
A Kibble-mérleg (vagy Watt-mérleg)
A Kibble-mérleg (vagy korábban Watt-mérleg), mint minden skála, lehetővé teszi két erő összehasonlítását. Hagyományos mérleg esetén a két erő két súly:
- a mérni kívánt tárgy súlya;
- a megjelölt tömegek tömege, amelyek tömege ismert.
Ha az egyensúly egyensúlyban van, akkor az a tárgy, amelynek tömegét keressük, megegyezik a megjelölt tömegek összegével.
Kibble-mérleg esetén mindig két erőt mértek, de a megjelölt tömegekét az elektromágnes mágneses ereje váltja fel. Ha az ismeretlen tömeget a mérlegre helyezi, a mérleg az egyik oldalra billen. Ezután elektromos áramot vezetnek át az elektromágnesen: az indukált mágneses mező az egyensúlyt az elektromágnes oldala felé húzza. Az áram intenzitásának az egyensúlyi állapot eléréséig történő változtatásával megtalálhatjuk a keresett tárgy tömegét az áram intenzitásának függvényében, az elektromágneses indukciónak köszönhetően:
A kilogramm újradefiniálásához fordítottan dolgozunk: elhelyezzük a standard kilogrammot a skálán, és keresni fogjuk a skálát kiegyensúlyozó intenzitást. Ezen a ponton meg fogjuk tudni, hogy az intenzitás milyen mértékben engedi meg a kilogramm erőt a skálán.
Matematikailag, ha a skála egyensúlyban van, egyenlőség van a $ P = mg $ súly és a $ F = BLI $ tekercs mágneses ereje között:
Vagyis a kilogramm tömege kifejezve:
Ez az egyszerűsített verzió, és a gyakorlatban bonyolultabb.
Az elektromágnes erőssége több tényezőtől függ: természetesen az áram erősségétől, de a tekercsben lévő huzal teljes hosszától és az állandó mágnes mágneses mezőjének erősségétől is. Az utóbbi két mennyiség mérését bizonytalanságok befolyásolják, de egy második lépés segítségével kiküszöbölhetjük a mérés szükségességét.
A második lépés az elektromágnes ismert sebességgel történő leengedése a mágnes fölé. A mágnes áramot indukál a tekercsben, és megmérjük az elektromos feszültséget annak kapcsain.
A $ U $ feszültség kifejezése a $ v $ süllyedés sebességétől, a $ B $ mágneses mezőtől és a $ L $ tekercs hosszától függ:
Ezt az egyenletet az előzővel egyesítve kapunk egy kifejezést a mágnestől és a tekercs hosszától független tömegre:
Marad az aktuális $ I $ és a $ U $ feszültség mérése: ultrapontos módszer a kvantum viselkedésű komponensek használata.
A $ U $ feszültséget egy Josephson-csomópont határozhatja meg. Két szupravezető anyag, amelyeket nagyon finom szigetelők választanak el egymástól. Ebben a csomópontban $ U '$ feszültség jelenik meg, amikor elektromágneses mezőnek van kitéve:
- $ h $ Planck állandója
- $ n $ a halmozott Josephson kereszteződés száma (így sorozatokban)
- $ f $ az elektromágneses tér frekvenciája
- $ e $ az elemi töltés.
A frekvencia beállításával kiegyenlíthetjük a csomópontok kapcsainak feszültségét a tekercsen lévő mágnes által kiváltott feszültséggel. Ekkor megkapjuk a $ U '= U $ értéket.