Как ще бъде предефиниран килограмът - Couleur-Science

история на науката метрология неделя, 28 октомври 2018 г. от Тимо ван Неерден

Тази статия е част от поредица статии по повод 26-та CGPM (през 2018 г.), по повод на която килограмът ще бъде предефиниран по исторически начин:

Как ще бъде предефиниран килограмът (тази статия)
Защо да предефинираме килограма ?

Към днешна дата сред 7-те основни единици, които съществуват, килограмът е единственият, основан на материален предмет: метален стандарт (сплав от платина и иридий), съхраняван близо до Париж и който служи като еталон за килограма през целия света.

Този обект представлява килограма повече от век и не без да създава някои проблеми, свързани с времето: износването, уникалността и фактът, че се съхранява във Франция, а не другаде, представляват проблеми от технически, практически и политически ред.

J. C. Maxwell (1831 - 1879, физик, известен между другото с уравненията на Maxwell в електромагнетизма) ще напише:

Подобно на измервателния уред, който вече не се определя от парче метал, а от скоростта на светлината, метролозите отдавна търсят как да предефинират килограма, за да не се налага да зависи от обект, физически толкова крехък. И изглежда, че сме открили !

Ако всичко върви добре, 2018 г. (обикновено от 13 до 16 ноември) ще отбележи годината, когато килограмът най-накрая ще се превърне в единица, зависима само от присъщата физическа константа на природата.

Бих направил по-подробна статия за необходимостта от такова предефиниране, както и общия метод, използван за определяне на мерна единица, но нека видим тук избрания метод. Ще видите, тя е умна и гениална, но и много технична ...

Новата дефиниция на килограма

Ще използваме килограм "К" за измерване на константата на Планк (константа, използвана в квантовата физика), ще фиксираме стойността на последната, след което ще определим килограма според константата на Планк, която току-що зададохме.

Може да звучи като змия с умираща опашка, но не е така. В действителност това е по-скоро промяна на референцията.
Вместо да имаме известен килограм, от който дефинираме константата на Планк, ние ще се опитаме да фиксираме константата на стойност, която следователно ще остане неизменна, и от която ще определим това, което обозначаваме с „килограма“.

По този начин стандартният килограм платина вече не ни е от полза.
Ако искаме да намерим масата на килограм, просто вземете константата на Планк и везната на Кибъл и измерете масата на килограм.

Що се отнася до константата на Планк ... Сега това е референцията: вече не е необходимо да я измерваме, тя е тази, която е референтната.
И тъй като константата на Планк е основна константа на природата, тя няма да се промени: тя не може да се износва, да се влошава или да се губи.

По-долу, работата на Балансът на Кибъл.

Балансът в кибъл (или ват баланс)

Баланс Kibble (или преди това баланс Watt), както всички везни, ви позволява да сравнявате две сили. За конвенционални везни двете сили са две тежести:

теглото на обекта, който се опитвате да претеглите;
теглото на маркираните маси, чиято маса е известна.

Когато балансът е в равновесие, тогава обектът, чиято маса търсим, има същата маса като сумата от маркираните маси.

С везна Кибъл винаги се измерват две сили, но тази на маркираните маси се заменя с магнитната сила на електромагнита. Когато поставите неизвестната маса на везната, везната се накланя на една страна. След това през електромагнита се предава електрически ток: индуцираното магнитно поле след това дърпа баланса към страната на електромагнита. Чрез промяна на интензитета на тока, докато се получи състояние на равновесие, можем да намерим масата на обекта, който търсим, като функция от интензивността на тока, благодарение на електромагнитната индукция:

За да дефинираме отново килограма, работим обратно: ще поставим стандартния килограм на кантара и ще търсим интензивността, която балансира скалата. По това време ще знаем каква интензивност ви позволява да получите килограм сила върху скалата.
Математически, когато скалата е в равновесие, има равенство между теглото $ P = mg $ и магнитната сила на намотката $ F = BLI $:

Тоест, масата на изразения килограм:

Това е опростената версия и на практика е по-сложна.

Силата на електромагнита зависи от няколко фактора: силата на тока, разбира се, но и общата дължина на проводника в намотката и силата на магнитното поле на постоянния магнит. Измерването на последните две величини е помрачено от несигурности, но можем да премахнем необходимостта от измерването им, като използваме втора стъпка.

Втората стъпка е да намалите електромагнита с известна скорост над магнита. Магнитът ще индуцира ток в бобината и ние ще измерим електрическото напрежение на клемите му.

Изразът на напрежението $ U $ зависи от скоростта на спускане $ v $, магнитното поле $ B $ и дължината на намотката $ L $:

Чрез комбиниране на това уравнение с предишното получаваме израз за масата, независима от магнита и дължината на намотката:

Остава да се измери текущият $ I $ и напрежението $ U $: ултра прецизен метод е да се използват компоненти с квантово поведение.

Напрежението $ U $ може да се определи чрез Джозефсънов кръстовище. Те са два свръхпроводящи материала, разделени от много фини изолатори. Това кръстовище вижда напрежение $ U '$, когато е подложено на електромагнитно поле:

$ h $ е константата на Планк
$ n $ броя на подредените кръстовища на Josephson (по този начин поставени в серия)
$ f $ честотата на електромагнитното поле
$ e $ е елементарният заряд.

Чрез регулиране на честотата можем да изравним напрежението на клемите на кръстовищата с напрежението, индуцирано от магнита на бобината. Тогава имаме $ U '= U $.