Brokken balans

Precisie Ampere-balans bij het Amerikaanse National Bureau of Standards (nu NIST ) in 1927. De huidige spoelen zijn zichtbaar onder de balans, bevestigd aan de rechter balansarm. De Kibble-balans is een ontwikkeling van de Ampere-balans.

De Kibble-balans is een nauwkeurigere versie van de ampèrebalans , een vroeg stroommeetinstrument waarbij de kracht tussen twee stroomvoerende draadspoelen wordt gemeten en vervolgens wordt gebruikt om de grootte van de stroom te berekenen. De Kibble-balans werkt in de tegenovergestelde zin; de stroom in de spoelen wordt gemeten met behulp van de definitie van de Planck-constante om "massa te meten zonder een beroep te doen op de IPK of een fysiek object". ^[9] De weegschaal bepaalt het gewicht van het object; vervolgens wordt de massa berekend door de lokale zwaartekracht van de aarde (de netto versnelling die zwaartekracht en centrifugale effecten combineert) nauwkeurig te meten met een gravimeter . De massa van het object wordt dus gedefinieerd in termen van stroom en spanning — een 'elektronische kilogram'.

Het principe dat wordt gebruikt in de Kibble-balans werd in 1975 voorgesteld door Bryan Kibble van het Britse National Physical Laboratory (NPL) voor het meten van de gyromagnetische verhouding . ^[10]

De belangrijkste zwakte van de ampèrebalansmethode is dat het resultaat afhangt van de nauwkeurigheid waarmee de afmetingen van de spoelen worden gemeten. De Kibble-balans gebruikt een extra kalibratiestap om het effect van de geometrie van de spoelen teniet te doen, waardoor de belangrijkste bron van onzekerheid wordt weggenomen. Deze extra stap omvat het bewegen van de krachtspoel door een bekende magnetische flux met een bekende snelheid. Deze stap werd voor het eerst uitgevoerd in 1990. ^[11]

De Kibble-balans afkomstig van het National Physical Laboratory werd in 2009 overgedragen aan de National Research Council of Canada (NRC) waar wetenschappers van de twee laboratoria het instrument bleven verfijnen. ^[12] In 2014 publiceerden NRC-onderzoekers de meest nauwkeurige meting van de Planck-constante op dat moment, met een relatieve onzekerheid van 1,8 × 10 ^{− 8} . ^[13] Een laatste paper van NRC-onderzoekers werd in mei 2017 gepubliceerd, waarin een meting van de constante van Planck werd gepresenteerd met een onzekerheid van slechts 9,1 delen per miljard, de meting met de minste onzekerheid tot die datum. ^[14] Andere experimenten met de brokbalans worden uitgevoerd in het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST), het Swiss Federal Office of Metrology (METAS) in Bern, het International Bureau of Weights and Measures (BIPM) nabij Parijs en Laboratoire national de metrologie et d'essais (LNE) in Trappes , Frankrijk. ^[15]

Een geleidende draad met lengte L die een elektrische stroom I voert loodrecht op een magnetisch veld met sterkte B ervaart een Lorentz-kracht gelijk aan het product van deze variabelen. In de Kibble-balans wordt de stroom zo gevarieerd dat deze kracht het gewicht w van een te meten massa m tegengaat . Dit principe is afgeleid van de ampèrebalans. w wordt gegeven door de massa m vermenigvuldigd met de lokale zwaartekrachtversnelling g . Dus,

${\displaystyle w=mg=BLI.}$

De Kibble-balans vermijdt de problemen van het meten van B en L in een tweede kalibratiestap. Dezelfde draad (in de praktijk een spoel) wordt met een bekende snelheid v door hetzelfde magnetische veld bewogen . Volgens de inductiewet van Faraday wordt een potentiaalverschil U gegenereerd over de uiteinden van de draad, dat gelijk is aan BLv . Dus

${\displaystyle U=BLv.}$

Het onbekende product BL kan worden geëlimineerd uit de vergelijkingen om te geven

${\displaystyle UI=mgv.}$

${\displaystyle m=UI/gv.}$

Met U , I , g en v nauwkeurig gemeten, geeft dit een nauwkeurige waarde voor m . Beide zijden van de vergelijking hebben de afmetingen van vermogen , gemeten in watt in het Internationale Stelsel van Eenheden; vandaar de oorspronkelijke naam "wattbalans".

Weegmodus:

Bewegende modus

De Kibble-weegschaal is zo geconstrueerd dat de te meten massa en de draadspoel aan de ene kant van een weegschaal hangen en aan de andere kant een tegengewicht. Het systeem werkt door afwisselend twee modi: "wegen" en "bewegen". Het gehele mechanische subsysteem werkt in een vacuümkamer om de effecten van het luchtopdrijfvermogen te elimineren. ^[16]

Tijdens het "wegen" meet het systeem de "I"-component en de "v"-component. Het systeem regelt de stroom in de spoel om de spoel met een constante snelheid "v" door een magnetisch veld te trekken. De circuits voor het meten van spoelpositie en snelheid maken gebruik van een interferometer samen met een nauwkeurige klokingang om de snelheid te bepalen en de stroom te regelen die nodig is om deze te handhaven. De benodigde stroom wordt gemeten met een ampèremeter die bestaat uit een Josephson-junctiespanningsstandaard en een geïntegreerde voltmeter.

Tijdens het "bewegen" meet het systeem de "U"-component. Het systeem stopt met het leveren van stroom aan de spoel. Hierdoor kan het tegengewicht de spoel (en massa) omhoog trekken door het magnetische veld, wat een spanningsverschil over de spoel veroorzaakt. Het snelheidsmeetcircuit meet de bewegingssnelheid van de spoel. Deze spanning wordt gemeten met dezelfde spanningsstandaard en geïntegreerde voltmeter.

Een typische Kibble-balans meet U, I en v, maar meet niet de lokale zwaartekrachtversnelling "g", omdat "g" niet snel varieert met de tijd. In plaats daarvan wordt "g" in hetzelfde laboratorium gemeten met behulp van een zeer nauwkeurige en nauwkeurige gravimeter . Bovendien is de balans afhankelijk van een zeer nauwkeurige en nauwkeurige frequentiereferentie zoals een atoomklok om spanning en stroomsterkte te berekenen. De precisie en nauwkeurigheid van de massameting hangt dus af van de Kibble-balans, de gravimeter en de klok.

Net als de vroege atoomklokken waren de vroege Kibble-balansen unieke experimentele apparaten en waren ze groot, duur en delicaat. Vanaf 2019 wordt er gewerkt aan de productie van gestandaardiseerde apparaten tegen prijzen die gebruik in elk metrologisch laboratorium mogelijk maken dat zeer nauwkeurige massameting vereist. ^[17]

Naast grote Kibble-balansen, zijn sinds ongeveer 2003 microgefabriceerde of MEMS- wattbalansen (nu Kibble-balansen genoemd) aangetoond ^[18] . Deze zijn vervaardigd op enkele siliconen matrijzen die vergelijkbaar zijn met die gebruikt in micro-elektronica en versnellingsmeters, en zijn in staat om kleine krachten in het bereik van nanonewton tot micronewton traceerbaar tot de SI-gedefinieerde fysische constanten via elektrische en optische metingen. Vanwege hun kleine schaal gebruiken MEMS Kibble-balansen meestal elektrostatische in plaats van de inductieve krachten die in grotere instrumenten worden gebruikt. Laterale en torsie ^[19] varianten zijn ook aangetoond, met de belangrijkste toepassing (vanaf 2019) in de kalibratie van de Atomic Force Microscope .

Nauwkeurige metingen van elektrische stroom en potentiaalverschil worden gedaan in conventionele elektrische eenheden (in plaats van SI-eenheden), die zijn gebaseerd op vaste " conventionele waarden " van de Josephson-constante en de von Klitzing-constante ,${\displaystyle K_{\text{J-90}}}$ en ${\displaystyle R_{\text{K-90}}}$respectievelijk. De huidige Kibble-balansexperimenten zijn gelijk aan het meten van de waarde van de conventionele watt in SI-eenheden. Uit de definitie van de conventionele watt komt dit overeen met het meten van de waarde van het product K _J ² R _K in SI-eenheden in plaats van de vaste waarde in conventionele elektrische eenheden:

${\displaystyle {\frac {1}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}={\frac {1}{K_{\text{J-90}} ^{2}R_{\text{K-90}}}}{\frac {\{mgv\}_{\text{W}}}{\{UI\}_{W_{90}}}}. }$

Het belang van dergelijke metingen is dat ze ook een directe meting zijn van de constante van Planck h :

${\displaystyle h={\frac {4}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}.}$

Het principe van de elektronische kilogram is gebaseerd op de waarde van de constante van Planck, die vanaf 2019 een exacte waarde is. Dit is vergelijkbaar met de meter die wordt gedefinieerd door de snelheid van het licht . Met de constante exact gedefinieerd, is de Kibble-balans geen instrument om de Planck-constante te meten, maar in plaats daarvan een instrument om massa te meten:

${\displaystyle m={\frac {UI}{gv}}.}$

• Gouy balans

• Steiner, Richard L.; Williams, Edwin R.; Newell, David B.; Liu, Ruimin (2005). "Naar een elektronische kilogram: een verbeterde meting van de constante van Planck en elektronenmassa" . Metrologie . 42 (5): 431-441. doi : 10.1088/0026-1394/42/5/014 .
• Schwarz, JP; Liu, RM; Newell, DB; Steiner, RL; Williams, ER; Smith, D.; Erdemir, A.; Woodford, J. (2001). "Hysterese en gerelateerde foutmechanismen in het NIST watt-balansexperiment" . Journal of Research van het National Institute of Standards and Technology . 106 (4): 627-40. doi : 10.6028/jres.106.028 . PMC  4862827 . PMID  27500039 .
• Bureau International des Poids et Mesures
• Zwitserse federale dienst voor metrologie