Výkonové váhy

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
výkonové váhy v NIST

Výkonové váhy poznáme tiež pod anglickým názvom watt balance sú extrémne presný prístroj na meranie hmotnosti alebo Planckovej konštanty. V roku 1975 ich navrhol Bryan P. Kibble z britského Národného fyzikálneho laboratória (NPL).

Medzinárodná komisia pre miery a váhy v súčasnosti uvažuje dve možnosti zmeny definície kilogramu[1][2] a výkonové váhy predstavujú zatiaľ najpresnejší spôsob, ako podľa jednej z nich kilogram realizovať. Kilogram je ako posledný z jednotiek definovaný konkrétnym objektom – etalónom.

Princíp merania[upraviť | upraviť zdroj]

Výkonové váhy sú vylepšenou verziou prúdových váh, kde sa tiaž telesa porovnáva pomocou rovnoramennej páky s magnetickou silou pôsobiacou na cievku s prúdom. Prvá (statická) fáza experimentu watt balance spočíva práve v tomto meraní. Rovnováhu možno vyjadriť ako rovnosť tiažovej a magnetickej sily

mg = I \int {\mathrm d}l\times {\mathbf B} \,,

kde m je hmotnosť telesa, g je tiažové zrýchlenie, I je prúd v cievke, \mathbf B je magnetická indukcia vonkajšieho poľa a dl je element dĺžky vodiča, ktorý tvorí cievku. Integrál na pravej strane sa často zapisuje ako Bl,[3] kde l je tzv. efektívna dĺžka vodiča:

mg = I B l\,.

Práve v hodnote tohoto integrálu spočíva nepresnosť merania prúdovými váhami. Efektívnu dĺžku nemožno prakticky dosť presne určiť. Prúdové váhy sa preto musia vždy kalibrovať etalónom hmotnosti.

Výkonové váhy pridávajú k experimentu druhú oddelenú fázu (dynamickú),[4] ktorá nezávisle na tvare cievky stanovuje hodnotu integrálu. Cievka sa v magnetickom poli nechá pohybovať rovnomernou rýchlosťou v. Pohybom sa na ňu indukuje merateľné elektrické napätie U, pre ktoré platí

U = v \int {\mathrm d}l\times {\mathbf B} \,.

Integrál potom môžeme z rovníc eliminovať a zapísať podmienku rovnováhy ako

UI = mgv \,.

Na ľavej strane rovnosti je elektrický výkon, na pravej mechanický výkon. Z tadiaľ pochádza názov prístroja. Žiaden z týchto výkonov viacmenej nie je v experimente priamo prítomný, pretože U a v sa merajú oddelene až v druhej fáze.

Pre dosiahnutie čo najväčšej presnosti sa prúd meria pomocou Josephsonovho javu a napätie pomocou kvantového Hallovho javu. Vo vzťahoch pre tieto javy figuruje Planckova konštanta, ktorá sa tak dostane do rovnice pre rovnováhu. Meraná hmotnosť je priamo úmerná jej hodnote. Experiment sa dá preto chápať buď ako meranie Planckovej konštanty pri známej hmotnosti telesa, alebo meranie hmotnosti pomocou známej konštanty.

Rýchlosť pohybu cievky sa meria pomocou laserovej interferometrie a atómových hodín. Tiažové (gravitačné) zrýchlenie v laboratóriu sa počas experimentu meria absolútnym gravimetrom úplne oddelene od hlavného prístroja.[4]

Redefinícia kilogramu[upraviť | upraviť zdroj]

Porovnávania medzinárodného prototypu kilogramu s jeho kanonickými kópiami ukázali, že napriek všetkým snahám sa jeho hmotnosť mení medzi jednotlivými kontrolami v rádoch desiatok mikrogramov. To je hlavným dôvodom k hľadaniu novej definície.[5] Reálnu šancu majú dve možné cesty, buď pomocou Avogadrovej konštanty alebo Planckovej konštanty.[2] Hodnota konštanty by definíciou určila presne, podobne ako dnes definíciu metra udáva hodnota rýchlosti svetla vo vákuu.

Definícia, ktorá by zviazala hodnotu kilogramu s Planckovou konštantou, sa realizuje pomocou výkonových váh. Než bude kilogram predefinovaný, je potrebné v stávajúcom systéme SI zmerať Planckovu konštantu tak presne, aby sa predošlo akejkoľvek nezrovnalosti medzi stávajúcim a novým kilogramom.[6] Je potrebné znížiť relatívnu chybu pod 1\cdot 10^{-8}, takže od 1\,\mathrm {kg} sa dá odchýliť najviac o 10\,\mathrm{\mu g}. V júli 2008 merali najpresnejšie výkonové váhy v americkom NIST s presnosťou 5,2\cdot 10^{-8}.[7]

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. Ian M Mills et al 2006 Metrologia 43 227-246: Predefinovanie kilogramu, ampéru, kelvina a mólu (CI-2005)
  2. a b Národné fyzikálne laboratórium: Predefinovanie kilogramu
  3. Medzinárodný úrad pre miery a váhy: Princíp výkonových váh
  4. a b Ali Eichenberger, International School “Quantum Metrology and Fundamental Constants”, október 2007: Určovanie Planckovej konštanty pomocou výkonových váh
  5. Martin Žáček: Nová definícia kilogramu
  6. Medzinárodný úrad pre miery a váhy: The BIPM watt balance - Introduction
  7. Petr Kulhánek, Aldebaran bulletin 29/2008: Budú mať fundamentálne konštanty presné hodnoty?