توازن كيبل

و اطحن التوازن هو الكهروميكانيكية أداة قياس أن التدابير التي اتخذتها الوزن لكائن الاختبار بدقة متناهية من قبل التيار الكهربائي و الجهد اللازمة لإنتاج قوة تعويض. إنها أداة مترولوجية يمكنها أن تدرك تعريف وحدة الكيلوجرام للكتلة بناءً على الثوابت الأساسية. ^[1]^[2]

قام ميزان NIST -4 Kibble ، الذي بدأ التشغيل الكامل في أوائل عام 2015 ، بقياس ثابت بلانك في حدود 13 جزءًا في المليار في عام 2017 ، والذي كان دقيقًا بما يكفي للمساعدة في إعادة تعريف الكيلوجرام لعام 2019 .

كان يطلق عليه في الأصل توازن واط لأن وزن كتلة الاختبار يتناسب مع ناتج التيار والجهد ، والذي يقاس بالواط . في يونيو 2016، بعد شهرين من وفاة المخترع، بريان اطحن ، علماء المقاييس والموازين لل جنة الاستشارية لوحدات من اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس وافقت على إعادة تسمية جهاز تكريما له. ^[3]^[4]

قبل عام 2019 ، كان تعريف الكيلوغرام يعتمد على كائن مادي يُعرف بالنموذج الأولي الدولي للكيلوغرام (IPK). بعد النظر في البدائل ، وافق المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM) في عام 2013 على معايير الدقة لاستبدال هذا التعريف بواحد يعتمد على استخدام ميزان كيبل. بعد تحقيق هذه المعايير ، صوت CGPM بالإجماع في 16 نوفمبر 2018 لتغيير تعريف الكيلوغرام وعدة وحدات أخرى ، اعتبارًا من 20 مايو 2019 ، ليتزامن مع اليوم العالمي للقياس . ^[3]^[5]^[6]^[7]^[8]

تصميم

توازن الأمبير الدقيق في المكتب الوطني الأمريكي للمعايير (الآن NIST ) في عام 1927. الملفات الحالية مرئية تحت الميزان ، متصلة بذراع التوازن الأيمن. ميزان كيبل هو تطور لتوازن الأمبير.

ميزان Kibble هو نسخة أكثر دقة لميزان الأمبير ، وهو أداة قياس تيار مبكرة تُقاس فيها القوة بين ملفي السلك الحاملين للتيار ثم تُستخدم لحساب مقدار التيار. يعمل ميزان Kibble بالمعنى المعاكس ؛ يتم قياس التيار في الملفات باستخدام تعريف ثابت بلانك "لقياس الكتلة دون اللجوء إلى IPK أو أي جسم مادي." ^[9] الميزان هو الذي يحدد وزن الجسم. ثم تُحسب الكتلة عن طريق قياس جاذبية الأرض المحلية بدقة (صافي التسارع الذي يجمع بين تأثيرات الجاذبية وتأثيرات الطرد المركزي) مع مقياس الجاذبية . وهكذا يتم تحديد كتلة الجسم من حيث التيار والجهد - "كيلوجرام إلكتروني".

أصل

تم اقتراح المبدأ المستخدم في ميزان Kibble من قبل Bryan Kibble من المختبر الفيزيائي الوطني بالمملكة المتحدة (NPL) في عام 1975 لقياس النسبة الجيرومغناطيسية . ^[10]

يتمثل الضعف الرئيسي في طريقة توازن الأمبير في أن النتيجة تعتمد على الدقة التي يتم بها قياس أبعاد الملفات. يستخدم ميزان Kibble خطوة معايرة إضافية لإلغاء تأثير هندسة الملفات ، وإزالة المصدر الرئيسي لعدم اليقين. تتضمن هذه الخطوة الإضافية تحريك ملف القوة خلال تدفق مغناطيسي معروف بسرعة معروفة. تم تنفيذ هذه الخطوة لأول مرة في عام 1990. ^[11]

تم نقل ميزان Kibble الذي نشأ من المختبر الفيزيائي الوطني إلى المجلس الوطني للبحوث في كندا (NRC) في عام 2009 ، حيث واصل العلماء من المختبرين تحسين الأداة. ^[12] في عام 2014 ، نشر باحثو NRC القياس الأكثر دقة لثابت بلانك في ذلك الوقت ، مع عدم يقين نسبي يبلغ 1.8 × 10 ^{- 8} . ^[13] تم نشر ورقة أخيرة من قبل باحثي المجلس النرويجي للاجئين في مايو 2017 ، حيث قدمت قياس ثابت بلانك مع درجة عدم يقين تبلغ 9.1 جزء فقط لكل مليار ، وهو القياس بأقل قدر من عدم اليقين حتى ذلك التاريخ. ^[14] تم إجراء تجارب أخرى لموازنة كيبل في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ، والمكتب الفيدرالي السويسري للقياس (METAS) في برن ، والمكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM) بالقرب من باريس والمختبرات الوطنية. Métrologie et d'essais (LNE) في تراب ، فرنسا. ^[15]

مبدأ

سلك موصل بطول L يحمل تيارًا كهربائيًا I عموديًا على مجال مغناطيسي بقوة B يواجه قوة لورنتز تساوي حاصل ضرب هذه المتغيرات. في ميزان Kibble ، يتغير التيار بحيث تتعارض هذه القوة مع الوزن w للكتلة m المراد قياسها. هذا المبدأ مشتق من توازن الأمبير. تُعطى w بالكتلة m مضروبة في عجلة الجاذبية المحلية g . هكذا،

{\ displaystyle w = mg = BLI.}

يتجنب ميزان Kibble مشاكل قياس B و L في خطوة معايرة ثانية. يتم تحريك السلك نفسه (في الممارسة العملية ، الملف) عبر نفس المجال المغناطيسي بسرعة معروفة v . بواسطة قانون فاراداي ، وهو الفرق المحتملة U يتم إنشاؤها عبر طرفي السلك، أي ما يعادل BLV . هكذا

{\ displaystyle U = BLv.}

يمكن حذف المنتج غير المعروف BL من المعادلات

{\ displaystyle UI = mgv.}

{\ displaystyle m = UI / gv.}

مع قياس U و I و g و v بدقة ، فإن هذا يعطي قيمة دقيقة لـ m . كلا جانبي المعادلة لهما أبعاد القوة ، مقاسة بالواط في النظام الدولي للوحدات ؛ ومن هنا الاسم الأصلي "وات التوازن".

التنفيذ

وضع الوزن

الوضع المتحرك

يتم إنشاء ميزان Kibble بحيث يتم قياس الكتلة المراد قياسها وملف السلك معلقًا من جانب واحد من مقياس التوازن ، مع وجود كتلة موازنة على الجانب الآخر. يعمل النظام بالتناوب بين وضعين: "الوزن" و "الحركة". يعمل النظام الفرعي الميكانيكي بالكامل في غرفة مفرغة لإزالة تأثيرات طفو الهواء. ^[16]

أثناء "الوزن" ، يقيس النظام المكون "I" والمكون "v". يتحكم النظام في التيار في الملف لسحب الملف عبر مجال مغناطيسي بسرعة ثابتة "v". تستخدم دائرة قياس موضع الملف والسرعة مقياس تداخل مع إدخال ساعة دقيقة لتحديد السرعة والتحكم في التيار المطلوب للحفاظ عليه. يتم قياس التيار المطلوب ، باستخدام مقياس التيار الكهربائي الذي يشتمل على معيار جهد تقاطع جوزيفسون ومقياس الفولتميتر المتكامل.

أثناء "التحرك" ، يقيس النظام المكون "U". توقف النظام عن توفير التيار للملف. يسمح هذا للموازنة بسحب الملف (والكتلة) لأعلى عبر المجال المغناطيسي ، مما يتسبب في اختلاف الجهد عبر الملف. دائرة قياس السرعة تقيس سرعة حركة الملف. يتم قياس هذا الجهد ، باستخدام نفس معيار الجهد ودمج الفولتميتر.

يقيس ميزان Kibble النموذجي U و I و v ، لكنه لا يقيس تسارع الجاذبية المحلي "g" ، لأن "g" لا يتغير بسرعة مع مرور الوقت. بدلاً من ذلك ، يتم قياس "g" في نفس المختبر باستخدام مقياس جاذبية عالي الدقة والدقة . بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد التوازن على مرجع تردد عالي الدقة ودقيق مثل الساعة الذرية لحساب الجهد والتيار. وبالتالي ، فإن دقة ودقة قياس الكتلة تعتمد على توازن كيبل ، ومقياس الجاذبية ، والساعة.

مثل الساعات الذرية المبكرة ، كانت موازين كيبل المبكرة أجهزة تجريبية فريدة من نوعها وكانت كبيرة ومكلفة وحساسة. اعتبارًا من عام 2019 ، يجري العمل على إنتاج أجهزة قياسية بأسعار تسمح باستخدامها في أي معمل قياس يتطلب قياسًا عالي الدقة للكتلة. ^[17]

وكذلك أرصدة اطحن كبيرة، microfabricated أو MEMS أرصدة واط (وتسمى الآن أرصدة اطحن) أثبتت ^[18] منذ حوالي عام 2003. وملفقة هذه على السيليكون واحد يموت مماثلة لتلك المستخدمة في مجال الالكترونيات الدقيقة والتسارع، وتكون قادرة على قياس صغير القوى في النانيوتون إلى نطاق الميكرونيوتون بشكل متتبع إلى الثوابت الفيزيائية المحددة بنظام SI عبر القياسات الكهربائية والبصرية. نظرًا لصغر حجمها ، تستخدم موازين MEMS Kibble عادةً الكهرباء الساكنة بدلاً من القوى الاستقرائية المستخدمة في الأدوات الأكبر حجمًا. كما تم عرض المتغيرات الجانبية والالتوائية ^[19] ، مع التطبيق الرئيسي (اعتبارًا من 2019) في معايرة مجهر القوة الذرية .

قياسات

مصنوعة قياسات دقيقة للتيار الكهربائي وفرق الجهد في الوحدات الكهربائية التقليدية (بدلا من وحدات SI)، والتي تقوم على "ثابت القيم التقليدية " لل ثابت جوزيفسون و ثابت فون Klitzing ، ${\ displaystyle K _ {\ text {J-90}}}$ و ${\ displaystyle R _ {\ text {K-90}}}$ على التوالى. تعادل تجارب توازن Kibble الحالية قياس قيمة الواط التقليدي في وحدات SI. من تعريف الواط التقليدي ، هذا يعادل قياس قيمة المنتج K _J²R _K بوحدات SI بدلاً من قيمته الثابتة في الوحدات الكهربائية التقليدية:

{\ 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}}}}. }

تكمن أهمية هذه القياسات في أنها أيضًا قياس مباشر لثابت بلانك h :

{\ displaystyle h = {\ frac {4} {K _ {\ text {J}} ^ {2} R _ {\ text {K}}}}.}

يعتمد مبدأ الكيلوجرام الإلكتروني على قيمة ثابت بلانك ، والذي يعد اعتبارًا من عام 2019 قيمة دقيقة. هذا مشابه للمتر الذي يتم تحديده بواسطة سرعة الضوء . مع تحديد الثابت بدقة ، فإن ميزان Kibble ليس أداة لقياس ثابت بلانك ، ولكنه بدلاً من ذلك أداة لقياس الكتلة:

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

أنظر أيضا

توازن جوي

مراجع

^ روبنسون ، إيان أ. شلامينجر ، ستيفان (2016). "توازن واط أو كيبل: تقنية لتنفيذ تعريف SI الجديد لوحدة الكتلة" . المترولوجيا . 53 (5): A46-A74. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .
^ بالمر ، جايسون (26 يناير 2011). "الحد من برنامج إنقاص الوزن بالكيلوجرام" . بي بي سي نيوز . بي بي سي نيوز . تم الاسترجاع 2011-02-16 .
^ أ ب "ميزان كيبل" . التعليم . موقع المختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة. 2016 . تم الاسترجاع 15 مايو 2017 .
^ اللجنة الاستشارية للوحدات (CCU) ، تقرير الاجتماع الثاني والعشرين (15-16 يونيو 2016) ، الصفحات 32-32 ، 35
^ تشو ، أدريان (2017). "مؤامرة لإعادة تعريف الكيلوغرام يقترب من الذروة". علم . 356 (6339): 670-671. دوى : 10.1126 / العلوم .356.6339.670 . بميد 28522473 .
^ ميلتون ، مارتن (14 نوفمبر 2016). "النقاط البارزة في عمل المكتب الدولي للموازين والموازين في عام 2016" (PDF) . ص. 10. مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 1 سبتمبر 2017 . تم الاسترجاع 1 سبتمبر 2017 .
^ القرار CIPM / 105-13 (أكتوبر 2016)
^ ماتيريسي ، روبن (2018-11-16). "ربط التصويت التاريخي بالكيلوغرام والوحدات الأخرى بالثوابت الطبيعية" . نيست . تم الاسترجاع 2018/11/16 .
^ ماتيريسي ، روبن (14 مايو 2018). "كيلوغرام: ميزان كيبل" . نيست . تم الاسترجاع 2018/11/22 .
^ كيبل ، بي بي (1976). "قياس النسبة الجيرومغناطيسية للبروتون بطريقة المجال القوي". الكتل الذرية والثوابت الأساسية 5 . ص 545 - 551. دوى : 10.1007 / 978-1-4684-2682-3_80 . رقم ISBN 978-1-4684-2684-7.
^ كيبل ، بي بي ؛ روبنسون، IA؛ بيليس ، جيه إتش (1990). "تحقيق SI Watt بواسطة NPL Moving-coil Balance". المترولوجيا . 27 (4): 173–192. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 27/4/002 .
^ "أرصدة كيبل: البحث: الكتلة والقوة: العلوم + التكنولوجيا: المختبر الفيزيائي الوطني" . www.npl.co.uk .
^ سانشيز ، كاليفورنيا ؛ الخشب ، BM ؛ أخضر ، RG ؛ ليارد ، جو ؛ إنجليس ، د. (2014). "تحديد ثابت بلانك باستخدام ميزان NRC بالواط". المترولوجيا . 51 (2): S5-S14. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 51/2 / S5 .
^ الخشب ، BM ؛ سانشيز ، كاليفورنيا ؛ أخضر ، RG ؛ ليارد ، جو (2017). "ملخص لقرارات بلانك الثابتة باستخدام ميزان NRC Kibble" . المترولوجيا . 54 (3): 399-409. دوى : 10.1088 / 1681-7575 / aa70bf .
^ موهر ، بيتر جيه ؛ تايلور ، باري ن. نيويل ، ديفيد ب. (2008). "القيم الموصى بها من قبل CODATA للثوابت الفيزيائية الأساسية: 2006" (PDF) . تقييمات الفيزياء الحديثة . 80 (2): 633-730. arXiv : 0801.0028 . بيب كود : 2008RvMP ... 80..633M . دوى : 10.1103 / RevModPhys.80.633 . مؤرشف من الأصل (PDF) في 01/10/2017.
^ روبنسون ، إيان ؛ شلامينجر ، ستيفان (2016). "توازن واط أو كيبل: تقنية لتنفيذ تعريف SI الجديد لوحدة الكتلة" . المترولوجيا . 53 (5): A46-A74. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .
^ ^ كونوفر ، إميلي (3 يونيو 2019). "جهاز الطاولة هذا يحول التعريف الكمي للكيلوغرام إلى كتلة حقيقية" . أخبار .
^ كومبسون ، بيتر جيه ؛ هيدلي ، جون (2003). "قياسات تحليلية دقيقة في مجهر القوة الذرية: معيار ثابت نابض مجهري يمكن تتبعه إلى SI". تقنية النانو . 14 (12): 1279-1288. دوى : 10.1088 / 0957-4484 / 14/12/009 .
^ بورتوليس ، خوسيه ف. كومبسون ، بيتر ج. (2013). "جهاز مرجعي الالتوائي مضغوط لمعايرة بيكونوتون AFM سهلة ودقيقة ويمكن تتبعها". تقنية النانو . 24 (33): 335706. دوى : 10.1088 / 0957-4484 / 24/33/335706 .

روابط خارجية

شتاينر ، ريتشارد إل. ويليامز ، إدوين ر. نيويل ، ديفيد ب. ليو ، رويمين (2005). "نحو كيلوغرام إلكتروني: قياس محسّن لثابت بلانك وكتلة الإلكترون" . المترولوجيا . 42 (5): 431-441. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 42/5/014 .
شوارتز ، جي بي ؛ ليو ، RM ؛ نيويل ، دي بي ؛ شتاينر ، RL ؛ وليامز ، ER ؛ سميث ، د. إردمير ، أ. وودفورد ، ج. (2001). "التخلف وآليات الخطأ ذات الصلة في تجربة توازن واط NIST" . مجلة أبحاث المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 106 (4): 627-40. دوى : 10.6028 / jres.106.028 . PMC 4862827 . بميد 27500039 .
المكتب الدولي des Poids et Mesures
المكتب الفدرالي السويسري للقياس

[1] روبنسون ، إيان أ. شلامينجر ، ستيفان (2016). "توازن واط أو كيبل: تقنية لتنفيذ تعريف SI الجديد لوحدة الكتلة" . المترولوجيا . 53 (5): A46-A74. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .

[2] بالمر ، جايسون (26 يناير 2011). "الحد من برنامج إنقاص الوزن بالكيلوجرام" . بي بي سي نيوز . بي بي سي نيوز . تم الاسترجاع 2011-02-16 .

[NPL-3] أ ب "ميزان كيبل" . التعليم . موقع المختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة. 2016 . تم الاسترجاع 15 مايو 2017 .

[4] اللجنة الاستشارية للوحدات (CCU) ، تقرير الاجتماع الثاني والعشرين (15-16 يونيو 2016) ، الصفحات 32-32 ، 35

[5] تشو ، أدريان (2017). "مؤامرة لإعادة تعريف الكيلوغرام يقترب من الذروة". علم . 356 (6339): 670-671. دوى : 10.1126 / العلوم .356.6339.670 . بميد 28522473 .

[Milton16-6] ميلتون ، مارتن (14 نوفمبر 2016). "النقاط البارزة في عمل المكتب الدولي للموازين والموازين في عام 2016" (PDF) . ص. 10. مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 1 سبتمبر 2017 . تم الاسترجاع 1 سبتمبر 2017 .

[7] القرار CIPM / 105-13 (أكتوبر 2016)

[8] ماتيريسي ، روبن (2018-11-16). "ربط التصويت التاريخي بالكيلوغرام والوحدات الأخرى بالثوابت الطبيعية" . نيست . تم الاسترجاع 2018/11/16 .

[9] ماتيريسي ، روبن (14 مايو 2018). "كيلوغرام: ميزان كيبل" . نيست . تم الاسترجاع 2018/11/22 .

[10] كيبل ، بي بي (1976). "قياس النسبة الجيرومغناطيسية للبروتون بطريقة المجال القوي". الكتل الذرية والثوابت الأساسية 5 . ص 545 - 551. دوى : 10.1007 / 978-1-4684-2682-3_80 . رقم ISBN 978-1-4684-2684-7.

[11] كيبل ، بي بي ؛ روبنسون، IA؛ بيليس ، جيه إتش (1990). "تحقيق SI Watt بواسطة NPL Moving-coil Balance". المترولوجيا . 27 (4): 173–192. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 27/4/002 .

[12] "أرصدة كيبل: البحث: الكتلة والقوة: العلوم + التكنولوجيا: المختبر الفيزيائي الوطني" . www.npl.co.uk .

[13] سانشيز ، كاليفورنيا ؛ الخشب ، BM ؛ أخضر ، RG ؛ ليارد ، جو ؛ إنجليس ، د. (2014). "تحديد ثابت بلانك باستخدام ميزان NRC بالواط". المترولوجيا . 51 (2): S5-S14. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 51/2 / S5 .

[14] الخشب ، BM ؛ سانشيز ، كاليفورنيا ؛ أخضر ، RG ؛ ليارد ، جو (2017). "ملخص لقرارات بلانك الثابتة باستخدام ميزان NRC Kibble" . المترولوجيا . 54 (3): 399-409. دوى : 10.1088 / 1681-7575 / aa70bf .

[15] موهر ، بيتر جيه ؛ تايلور ، باري ن. نيويل ، ديفيد ب. (2008). "القيم الموصى بها من قبل CODATA للثوابت الفيزيائية الأساسية: 2006" (PDF) . تقييمات الفيزياء الحديثة . 80 (2): 633-730. arXiv : 0801.0028 . بيب كود : 2008RvMP ... 80..633M . دوى : 10.1103 / RevModPhys.80.633 . مؤرشف من الأصل (PDF) في 01/10/2017.

[16] روبنسون ، إيان ؛ شلامينجر ، ستيفان (2016). "توازن واط أو كيبل: تقنية لتنفيذ تعريف SI الجديد لوحدة الكتلة" . المترولوجيا . 53 (5): A46-A74. دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 53/5 / A46 .

[17] كونوفر ، إميلي (3 يونيو 2019). "جهاز الطاولة هذا يحول التعريف الكمي للكيلوغرام إلى كتلة حقيقية" . أخبار .

[18] كومبسون ، بيتر جيه ؛ هيدلي ، جون (2003). "قياسات تحليلية دقيقة في مجهر القوة الذرية: معيار ثابت نابض مجهري يمكن تتبعه إلى SI". تقنية النانو . 14 (12): 1279-1288. دوى : 10.1088 / 0957-4484 / 14/12/009 .

[19] بورتوليس ، خوسيه ف. كومبسون ، بيتر ج. (2013). "جهاز مرجعي الالتوائي مضغوط لمعايرة بيكونوتون AFM سهلة ودقيقة ويمكن تتبعها". تقنية النانو . 24 (33): 335706. دوى : 10.1088 / 0957-4484 / 24/33/335706 .

[1]