Ватові терези
Ватові терези (або ваги Кіббла) — прилад для вимірювання маси, який станом на початок XXI століття забезпечує найвищу точність вимірювання[1]. Назва походить від одиниці вимірювання потужності вата, оскільки вимірювана маса пропорційна потужності електричного струму, який компенсує вагу тіла.
Ідею ватових терезів запропонував 1975 року Б. П. Кіббл з Національної фізичної лабораторії Сполученого Королівства[2].
Принцип дії ред.
Ваги Кіббла працюють у двох режимах. У першому, статичному (Weighing/Force Mode), тіло, масу якого потрібно виміряти, прикріпляється до котушки, поміщеної в сильне однорідне магнітне поле, напруженістю порядка 0.5 Тл[3], при чому вісь котушки збігається із напрямом магнітного поля. Струм у котушці підбирається так, щоб сила Ампера урівноважувала силу тяжіння тіла:
- ,
де B - магнітна індукція, L - довжина провідника у котушці, I - сила струму, m - маса тіла, g - прискорення вільного падіння.
Для калібрування ваги використовують ваги у динамічному режимі (Velocity/Calibration Mode). Ту ж саму котушку переміщають в тому ж магнітному полі з відомою швидкістю v. При цьому виникає електрорушійна сила U:
- .
Таким чином, значення BL стає відомим. Виключаючи з двох рівнянь добуток BL, отримують:
- .
Всі множники цього рівняння можна визначити надзвичайно точно: струм і напругу за допомогою квантово-електричних ефектів; місцеве гравітаційне поле за допомогою ультра-чутливого пристрою, що називається абсолютним гравіметром; швидкість шляхом відстеження руху котушки за допомогою лазерної інтерферометрії, яка діє в масштабі довжини хвилі лазерного світла. Точність вимірювання цих величин на початок третього тисячоліття настільки висока, що ватові терези за умови фіксованого значення кванту дії – сталої Планка замінили собою еталон кілограма[4][5]. Високу точність вимірювання напруги можна отримати за допомогою ефекту Джозефсона, а високу точність вимірювання сили струму — за допомогою квантового ефекту Холла.
Станом на початок 2011 найвища точність вимірювання досягнута в NIST: відносна похибка становила 3,6× 10−8[6].
Примітки ред.
- ↑ Materese, Robin (14 травня 2018). Kilogram: The Kibble Balance. NIST (англ.). Архів оригіналу за 22 листопада 2018. Процитовано 29 травня 2019.
- ↑ Kibble, B. P. (1975), Sanders, J. H.; Wapstra, A. H. (ред.), Atomic Masses and Fundamental Constants 5, New York: Plenum, с. 545—51
- ↑ BIPM - watt balance. www.bipm.org. Архів оригіналу за 9 жовтня 2018. Процитовано 29 травня 2019.
- ↑ Kilogram: Disseminating the New Kilogram [Архівовано 26 жовтня 2020 у Wayback Machine.] 2018-2019
- ↑ Кілограм став нематеріальним: з 20 травня вчені перейдуть на новий стандарт вимірювання ваги. Архів оригіналу за 29 травня 2019. Процитовано 29 травня 2019.
- ↑ Steiner, R. L.;Williams, E. R.; Liu, R.; Newell, D. B. (2007), Uncertainty Improvements of the NIST Electronic Kilogram, IEEE Trans. Instrum. Meas., 56 (2): 592—596, doi:10.1109/TIM.2007.890590
Посилання ред.
- (англ.)Mass Calibrations under the New SI [Архівовано 5 грудня 2019 у Wayback Machine.]
- (англ.), (фр.) The Kibble balance and the kilogram (La balance de Kibble et le kilogramme Author links open overlay panelStephanSchlammingerDarineHaddad) [Архівовано 20 січня 2022 у Wayback Machine.], DOI 10.1016/j.crhy.2018.11.006, 2019