Kroketten-Balance

Präzisions-Ampere-Waage beim US National Bureau of Standards (jetzt NIST ) im Jahr 1927. Die Stromspulen sind unter der Waage sichtbar, die am rechten Waagearm befestigt ist. Die Kibble-Waage ist eine Weiterentwicklung der Ampere-Waage.

Die Kibble-Waage ist eine genauere Version der Ampere-Waage , einem frühen Strommessgerät , bei dem die Kraft zwischen zwei stromdurchflossenen Drahtspulen gemessen und dann die Stromstärke berechnet wird. Die Kibble-Balance funktioniert im entgegengesetzten Sinne; der Strom in den Spulen wird mit der Definition der Planck-Konstanten gemessen, um "Masse ohne Rückgriff auf das IPK oder irgendein physikalisches Objekt zu messen". ^[9] Die Waage bestimmt das Gewicht des Gegenstandes; dann wird die Masse berechnet, indem die lokale Schwerkraft der Erde (die Nettobeschleunigung, die Gravitations- und Zentrifugaleffekte kombiniert) mit einem Gravimeter genau gemessen wird . Somit wird die Masse des Objekts in Form eines Stroms und einer Spannung definiert – ein „elektronisches Kilogramm“.

Das Prinzip, das in der Kibble-Waage verwendet wird, wurde 1975 von Bryan Kibble vom britischen National Physical Laboratory (NPL) zur Messung des gyromagnetischen Verhältnisses vorgeschlagen . ^[10]

Die Hauptschwäche der Ampere-Balance-Methode besteht darin, dass das Ergebnis von der Genauigkeit abhängt, mit der die Abmessungen der Spulen gemessen werden. Die Kibble-Waage verwendet einen zusätzlichen Kalibrierungsschritt, um den Einfluss der Geometrie der Spulen aufzuheben und die Hauptunsicherheitsquelle zu beseitigen. Dieser zusätzliche Schritt beinhaltet das Bewegen der Kraftspule durch einen bekannten magnetischen Fluss mit einer bekannten Geschwindigkeit. Dieser Schritt wurde erstmals 1990 durchgeführt. ^[11]

Die aus dem National Physical Laboratory stammende Kibble-Waage wurde 2009 an den National Research Council of Canada (NRC) übertragen, wo Wissenschaftler der beiden Labore das Instrument weiter verfeinerten. ^[12] 2014 veröffentlichten NRC-Forscher die damals genaueste Messung der Planck-Konstanten mit einer relativen Unsicherheit von 1,8 × 10 ^{− 8} . ^[13] Ein abschließendes Papier von NRC-Forschern wurde im Mai 2017 veröffentlicht und präsentiert eine Messung der Planck-Konstanten mit einer Unsicherheit von nur 9,1 Teilen pro Milliarde, die Messung mit der bisher geringsten Unsicherheit. ^[14] Weitere Experimente mit Kibble-Waagen werden im US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST), dem Schweizerischen Bundesamt für Metrologie (METAS) in Bern, dem International Bureau of Weights and Measures (BIPM) bei Paris und dem Laboratoire national de . durchgeführt Metrologie et d'essais (LNE) in Trappes , Frankreich. ^[fünfzehn]

Ein leitender Draht der Länge L , der einen elektrischen Strom I senkrecht zu einem Magnetfeld der Stärke B führt, erfährt eine Lorentzkraft , die dem Produkt dieser Variablen entspricht. Bei der Kibble-Waage wird der Strom so variiert, dass diese Kraft dem Gewicht w einer zu messenden Masse m entgegenwirkt . Dieses Prinzip leitet sich aus der Amperebilanz ab. w ist gegeben durch die Masse m multipliziert mit der lokalen Erdbeschleunigung g . So,

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

Die Kibble-Waage vermeidet die Probleme, B und L in einem zweiten Kalibrierschritt zu messen . Derselbe Draht (in der Praxis eine Spule) wird mit bekannter Geschwindigkeit v durch dasselbe Magnetfeld bewegt . Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz wird an den Enden des Drahtes eine Potentialdifferenz U erzeugt, die gleich BLv ist . So

${\displaystyle U=BLv.}$

Das unbekannte Produkt BL kann aus den Gleichungen eliminiert werden zu

${\displaystyle UI=mgv.}$

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

Bei genau gemessenen U , I , g und v ergibt dies einen genauen Wert für m . Beide Seiten der Gleichung haben die Dimensionen der Leistung , gemessen in Watt im Internationalen Einheitensystem; daher der ursprüngliche Name "Wattwaage".

Wiegemodus

Bewegungsmodus

Die Kibble-Waage ist so konstruiert, dass die zu messende Masse und die Drahtspule an einer Seite einer Waage aufgehängt sind und auf der anderen Seite eine Gegengewichtsmasse. Das System arbeitet im Wechsel zwischen zwei Modi: "wiegen" und "bewegen". Das gesamte mechanische Subsystem arbeitet in einer Vakuumkammer, um die Auswirkungen des Luftauftriebs zu beseitigen. ^[16]

Beim "Wägen" misst das System den "I"-Anteil und den "v"-Anteil. Das System steuert den Strom in der Spule, um die Spule mit einer konstanten Geschwindigkeit "v" durch ein Magnetfeld zu ziehen. Die Schaltung zur Messung der Spulenposition und -geschwindigkeit verwendet ein Interferometer zusammen mit einem Präzisionstakteingang, um die Geschwindigkeit zu bestimmen und den Strom zu steuern, der zu ihrer Aufrechterhaltung erforderlich ist. Der erforderliche Strom wird unter Verwendung eines Amperemeters gemessen, das ein Spannungsnormal mit Josephson-Übergang und ein integrierendes Voltmeter umfasst.

Während der "Bewegung" misst das System den "U"-Anteil. Das System stellt der Spule keinen Strom mehr zur Verfügung. Dadurch kann das Gegengewicht die Spule (und die Masse) durch das Magnetfeld nach oben ziehen, was eine Spannungsdifferenz an der Spule verursacht. Die Geschwindigkeitsmessschaltung misst die Bewegungsgeschwindigkeit der Spule. Diese Spannung wird unter Verwendung des gleichen Spannungsnormals und des integrierenden Voltmeters gemessen.

Eine typische Kibble-Waage misst U, I und v, misst jedoch nicht die lokale Gravitationsbeschleunigung "g", da "g" nicht schnell mit der Zeit variiert. Stattdessen wird „g“ im selben Labor mit einem hochgenauen und präzisen Gravimeter gemessen . Darüber hinaus hängt die Waage von einer hochgenauen und präzisen Frequenzreferenz wie einer Atomuhr zur Berechnung von Spannung und Stromstärke ab. Somit hängt die Präzision und Genauigkeit der Massenmessung von der Kibble-Waage, dem Gravimeter und der Uhr ab.

Wie die frühen Atomuhren waren die frühen Kibble-Waagen einzigartige experimentelle Geräte und waren groß, teuer und empfindlich. Ab 2019 wird daran gearbeitet, standardisierte Geräte zu Preisen herzustellen, die den Einsatz in jedem Metrologielabor ermöglichen , das eine hochpräzise Massenmessung erfordert. ^[17]

Neben großen Kibble-Waagen werden seit etwa 2003 mikrofabrizierte oder MEMS- Wattwaagen (jetzt Kibble-Waagen genannt) vorgestellt ^[18] . Diese werden auf einzelnen Siliziumchips hergestellt, ähnlich denen, die in der Mikroelektronik und Beschleunigungsmessern verwendet werden, und können kleine Kräfte im Nanonewton- bis Mikronewton-Bereich, die über elektrische und optische Messungen auf die SI-definierten physikalischen Konstanten zurückzuführen sind. Aufgrund ihrer geringen Größe verwenden MEMS-Kibble-Waagen in der Regel elektrostatische anstelle der induktiven Kräfte, die in größeren Instrumenten verwendet werden. Auch laterale und torsionale ^[19] Varianten wurden demonstriert, wobei die Hauptanwendung (Stand 2019) in der Kalibrierung des Rasterkraftmikroskops liegt .

Genaue Messungen des elektrischen Stroms und die Potentialdifferenz in gemachten herkömmlichen elektrischen Einheiten (eher als SI - Einheiten), die auf feste „basiert konventionelle Werte “ der Josephson konstant und den von Klitzing Konstante ,${\displaystyle K_{\text{J-90}}}$ und ${\displaystyle R_{\text{K-90}}}$beziehungsweise. Die aktuellen Kibble-Balance-Experimente entsprechen der Messung des Wertes des herkömmlichen Watts in SI-Einheiten. Nach der Definition des konventionellen Watts entspricht dies der Messung des Wertes des Produkts K _J ² R _K in SI-Einheiten anstelle seines festen Wertes in konventionellen elektrischen Einheiten:

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

Die Bedeutung solcher Messungen ist, dass sie auch eine direkte Messung der Planck-Konstanten h sind :

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

Das Prinzip des elektronischen Kilogramms beruht auf dem Wert der Planck-Konstanten, der ab 2019 ein exakter Wert ist. Dies ist vergleichbar mit der Definition des Meters durch die Lichtgeschwindigkeit . Da die Konstante genau definiert ist, ist die Kibble-Waage kein Instrument zur Messung der Planck-Konstanten, sondern ein Instrument zur Messung der Masse:

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

• Gouy-Gleichgewicht

• Steiner, Richard L.; Williams, Edwin R.; Newell, David B.; Liu, Ruimin (2005). "Auf dem Weg zu einem elektronischen Kilogramm: Eine verbesserte Messung der Planck-Konstante und der Elektronenmasse" . Metrologie . 42 (5): 431–441. doi : 10.1088/0026-1394/42/5/014 .
• Schwarz, JP; Liu, RM; Newell, DB; Steiner, RL; Williams, ER; Schmied, D.; Erdemir, A.; Woodford, J. (2001). "Hysterese und verwandte Fehlermechanismen im NIST-Wattbalance-Experiment" . Journal of Research des 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
• Bundesamt für Metrologie