Equilibrio de croquetas - Kibble balance

La balanza NIST -4 Kibble, que comenzó a funcionar completamente a principios de 2015, midió la constante de Planck dentro de 13 partes por mil millones en 2017, que fue lo suficientemente precisa como para ayudar con la redefinición del kilogramo en 2019 .

Una balanza Kibble es un instrumento de medición electromecánico que mide el peso de un objeto de prueba con mucha precisión mediante la corriente eléctrica y el voltaje necesarios para producir una fuerza de compensación. Es un instrumento metrológico que puede realizar la definición de la unidad de kilogramo de masa en base a constantes fundamentales.

Originalmente se le llamó balance de vatios porque el peso de la masa de prueba es proporcional al producto de la corriente y el voltaje, que se mide en vatios . En junio de 2016, dos meses después de la muerte de su inventor, Bryan Kibble , los metrólogos del Comité Consultivo de Unidades del Comité Internacional de Pesas y Medidas acordaron cambiar el nombre del dispositivo en su honor.

Antes de 2019, la definición del kilogramo se basaba en un objeto físico conocido como Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK). Después de considerar alternativas , en 2013 la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) acordó criterios de precisión para reemplazar esta definición por una basada en el uso de una balanza Kibble. Una vez cumplidos estos criterios, la CGPM votó por unanimidad el 16 de noviembre de 2018 para cambiar la definición del kilogramo y varias otras unidades , a partir del 20 de mayo de 2019, para que coincida con el Día Mundial de la Metrología .

Diseño

Equilibrio de amperios de precisión en la Oficina Nacional de Normas de EE. UU . (Ahora NIST ) en 1927. Las bobinas de corriente son visibles debajo de la balanza, unida al brazo de equilibrio derecho. La balanza Kibble es un desarrollo de la balanza Ampere.

La balanza Kibble es una versión más precisa de la balanza de amperios , un primer instrumento de medición de corriente en el que se mide la fuerza entre dos bobinas de alambre que transportan corriente y luego se usa para calcular la magnitud de la corriente. La balanza Kibble opera en el sentido opuesto; la corriente en las bobinas se mide utilizando la definición de la constante de Planck para "medir la masa sin recurrir al IPK ni a ningún objeto físico". La balanza determina el peso del objeto; luego, la masa se calcula midiendo con precisión la gravedad local de la Tierra (la aceleración neta que combina los efectos gravitacionales y centrífugos) con un gravímetro . Así, la masa del objeto se define en términos de una corriente y un voltaje, un "kilogramo electrónico".

Origen

El principio que se utiliza en la balanza Kibble fue propuesto por Bryan Kibble del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL) en 1975 para medir la relación giromagnética .

La principal debilidad del método de equilibrio de amperios es que el resultado depende de la precisión con la que se miden las dimensiones de las bobinas. La balanza Kibble utiliza un paso de calibración adicional para cancelar el efecto de la geometría de las bobinas, eliminando la principal fuente de incertidumbre. Este paso adicional implica mover la bobina de fuerza a través de un flujo magnético conocido a una velocidad conocida. Este paso se realizó por primera vez en 1990.

La balanza Kibble procedente del Laboratorio Nacional de Física se transfirió al Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) en 2009, donde los científicos de los dos laboratorios continuaron perfeccionando el instrumento. En 2014, los investigadores de la NRC publicaron la medición más precisa de la constante de Planck en ese momento, con una incertidumbre relativa de 1.8 × 10 - 8 . En mayo de 2017 se publicó un artículo final de investigadores de la NRC, que presenta una medición de la constante de Planck con una incertidumbre de solo 9.1 partes por mil millones, la medición con la menor incertidumbre hasta esa fecha. Otros experimentos de balance de croquetas se llevan a cabo en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST), la Oficina Federal Suiza de Metrología (METAS) en Berna, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) cerca de París y el Laboratoire national de métrologie et d 'essais (LNE) en Trappes , Francia.

Principio

Un cable conductor de longitud L que transporta una corriente eléctrica I perpendicular a un campo magnético de fuerza B experimenta una fuerza de Lorentz igual al producto de estas variables. En la balanza Kibble, la corriente se varía para que esta fuerza contrarreste el peso w de una masa m a medir. Este principio se deriva del equilibrio de amperios. w viene dado por la masa m multiplicada por la aceleración gravitacional local g . Por lo tanto,

La balanza Kibble evita los problemas de medir B y L en un segundo paso de calibración. El mismo cable (en la práctica, una bobina) se mueve a través del mismo campo magnético a una velocidad conocida v . Según la ley de inducción de Faraday , se genera una diferencia de potencial U en los extremos del cable, que es igual a BLv . Por lo tanto

El producto desconocido BL puede eliminarse de las ecuaciones para dar

Con U , I , g , y v medido con precisión, esto da un valor exacto para m . Ambos lados de la ecuación tienen las dimensiones de potencia , medidas en vatios en el Sistema Internacional de Unidades; de ahí el nombre original "equilibrio de vatios".

Implementación

Modo de pesaje
Modo de movimiento

La balanza Kibble está construida de modo que la masa a medir y la bobina de alambre estén suspendidas de un lado de una balanza, con una masa de contrapeso en el otro lado. El sistema funciona alternando entre dos modos: "pesaje" y "movimiento". Todo el subsistema mecánico opera en una cámara de vacío para eliminar los efectos de la flotabilidad del aire.

Mientras "pesa", el sistema mide el componente "I" y el componente "v". El sistema controla la corriente en la bobina para tirar de la bobina a través de un campo magnético a una velocidad constante "v". Los circuitos de medición de la velocidad y la posición de la bobina utilizan un interferómetro junto con una entrada de reloj de precisión para determinar la velocidad y controlar la corriente necesaria para mantenerla. La corriente requerida se mide utilizando un amperímetro que comprende un estándar de voltaje de unión Josephson y un voltímetro integrador.

Mientras se "mueve", el sistema mide el componente "U". El sistema deja de suministrar corriente a la bobina. Esto permite que el contrapeso tire de la bobina (y la masa) hacia arriba a través del campo magnético, lo que provoca una diferencia de voltaje en la bobina. El circuito de medición de la velocidad mide la velocidad de movimiento de la bobina. Este voltaje se mide utilizando el mismo estándar de voltaje y voltímetro integrador.

Una balanza Kibble típica mide U, I y v, pero no mide la aceleración gravitacional local "g", porque "g" no varía rápidamente con el tiempo. En cambio, "g" se mide en el mismo laboratorio utilizando un gravímetro de alta precisión y precisión . Además, el equilibrio depende de una referencia de frecuencia muy precisa y precisa, como un reloj atómico, para calcular el voltaje y el amperaje. Por lo tanto, la precisión y exactitud de la medición de masa depende de la balanza Kibble, el gravímetro y el reloj.

Al igual que los primeros relojes atómicos, los primeros balanzas Kibble eran dispositivos experimentales únicos y eran grandes, costosos y delicados. A partir de 2019, se está trabajando para producir dispositivos estandarizados a precios que permitan su uso en cualquier laboratorio de metrología que requiera una medición de masa de alta precisión.

Además de las balanzas Kibble grandes, las balanzas de vatios MEMS o microfabricadas (ahora llamadas balanzas Kibble) se han demostrado desde alrededor de 2003. Se fabrican en troqueles de silicio individuales similares a los utilizados en microelectrónica y acelerómetros, y son capaces de medir pequeñas fuerzas en el rango de nanonewton a micronewton rastreable a las constantes físicas definidas por SI a través de mediciones eléctricas y ópticas. Debido a su pequeña escala, las balanzas MEMS Kibble generalmente usan fuerzas electrostáticas en lugar de las inductivas que se usan en instrumentos más grandes. También se han demostrado variantes laterales y torsionales, con la aplicación principal (a partir de 2019) en la calibración del Microscopio de Fuerza Atómica .

Mediciones

Se realizan mediciones precisas de la corriente eléctrica y la diferencia de potencial en unidades eléctricas convencionales (en lugar de unidades SI), que se basan en " valores convencionales " fijos de la constante de Josephson y la constante de von Klitzing , y respectivamente. Los experimentos actuales de balance de Kibble son equivalentes a medir el valor del vatio convencional en unidades SI. De la definición del vatio convencional, esto equivale a medir el valor del producto K J 2 R K en unidades SI en lugar de su valor fijo en unidades eléctricas convencionales:

La importancia de tales mediciones es que también son una medición directa de la constante de Planck h :

El principio del kilogramo electrónico se basa en el valor de la constante de Planck, que es a partir de 2019 un valor exacto. Esto es similar a que el medidor se define por la velocidad de la luz . Con la constante definida exactamente, la balanza Kibble no es un instrumento para medir la constante de Planck, sino un instrumento para medir la masa:

Ver también

Referencias

enlaces externos