تراز کیبل

ترازوی کیبل ۴ NIST-4 که در اوایل سال ۲۰۱۵ کار خود را به‌طور کامل آغاز کرد، ثابت پلانک را در ۱۳ قسمت در میلیارد در سال ۲۰۱۷ اندازه‌گیری کرد که به اندازهٔ کافی دقیق بود تا به بازتعریف ۲۰۱۹ یکاهای اصلی اس‌آی کیلوگرم کمک کند.

تراز کیبل یا تعادل کیبل (انگلیسی: Kibble balance) که (همچنین ترازوی کیبل هم خوانده می‌شود) ابزار اندازه‌گیری دقیق الکترومکانیکی است که وزن جسم مورد آزمایش را با دقت بسیار بالا با جریان الکتریکی و ولتاژ مورد نیاز برای تولید نیروی جبران کننده اندازه‌گیری می‌کند. این یک ابزار مترولوژی است که می‌تواند تعریف کیلوگرم یکای جرم را بر پایهٔ درک ثابت‌های اساسی تعریف کند.[۱][۲]

این اندازه‌گیری در اصل تعادل وات نامیده شد زیرا وزن جرم مورد آزمایش متناسب با حاصلضرب جریان و ولتاژی است که بر حسب وات اندازه‌گیری می‌شود. در ژوئن ۲۰۱۶، دو ماه پس از مرگ مخترع آن، برایان کیبل، مترولوژیست‌های کمیته مشورتی واحدهای کمیته بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری موافقت کردند که نام دستگاه را به افتخار او تغییر دهند.[۱][۲] پیش از سال ۲۰۱۹، تعریف کیلوگرم بر اساس یک جسم فیزیکی بود که به عنوان نمونه اولیه بین‌المللی کیلوگرم (IPK) شناخته می‌شد. پس از بررسی گزینه‌های جایگزین، در سال ۲۰۱۳ کنفرانس عمومی وزن‌ها و اندازه‌ها (CGPM) بر روی معیارهای دقت برای جایگزینی این تعریف با تعریف مبتنی بر استفاده از تراز کیبل به توافق رسید. پس از دستیابی به این معیارها، CGPM در ۱۶ نوامبر ۲۰۱۸ به اتفاق آرا به تغییر تعریف کیلوگرم و چندین واحد دیگر، از ۲۰ می ۲۰۱۹، مصادف با روز جهانی اندازه‌شناسی رای داد.[۳][۴][۵][۶] همچنین روشی به نام تعادل ژول وجود دارد. همه روش‌هایی که از مقدار ثابت عددی ثابت پلانک استفاده می‌کنند، گاهی تراز پلانک نامیده می‌شوند.

طرح

[ویرایش]

ترازوی کیبل نسخه دقیق تر ترازوی آمپر است، یک ابزار اندازه‌گیری جریان اولیه که در آن نیروی بین دو سیم پیچ حامل جریان اندازه‌گیری می‌شود و سپس برای محاسبه مقدار جریان استفاده می‌شود. تعادل کیبل به معنای مخالف عمل می‌کند. جریان در سیم پیچ‌ها با ثابت پلانک بسیار دقیق تنظیم می‌شود و نیروی بین سیم پیچ‌ها برای اندازه‌گیری وزن یک کیلوگرم جرم آزمایشی استفاده می‌شود. سپس با اندازه‌گیری دقیق گرانش زمین (شتاب خالص ترکیبی از اثرات گرانشی و گریز از مرکز) با یک گرانش‌سنج، جرم از روی وزن محاسبه می‌شود؛ بنابراین جرم جسم بر حسب جریان و ولتاژ تعریف می‌شود - به دستگاه اجازه می‌دهد تا "جرم را بدون توسل به IPK (کیلوگرم نمونه اولیه بین‌المللی) یا هر جسم فیزیکی اندازه‌گیری کند.[۷]

اصل پیشنهاد

[ویرایش]

اصلی که در تراز کیبل از آن استفاده می‌شود توسط برایان کیبل از آزمایشگاه ملی فیزیکی انگلستان (NPL) در سال ۱۹۷۵ برای اندازه‌گیری نسبت ژیرو مغناطیسی پیشنهاد شد . .[۸] در سال ۱۹۷۸ تعادل وات Mark I در NPL با ایان رابینسون و ری اسمیت ساخته شد.[۹][۱۰] تا سال ۱۹۸۸ کار می‌کرد.[۱۱]

ضعف اصلی روش تعادل آمپر این است که نتیجه به دقت اندازه‌گیری ابعاد سیم پیچ‌ها بستگی دارد. تعادل کیبل از یک مرحله کالیبراسیون اضافی برای زدودن اثر هندسی سیم پیچ‌ها استفاده می‌کند و منبع اصلی عدم قطعیت را حذف می‌کند. این مرحله اضافی شامل حرکت سیم‌پیچ نیرو در یک شار مغناطیسی شناخته‌شده با سرعت مشخص است. این امر با تنظیم مقدارهای متعارف ثابت فون کلیتسینگ و ثابت جوزفسون امکان‌پذیر شد که در سراسر جهان برای کالیبراسیون ولتاژ و مقاومت استفاده می‌شود. با استفاده از این اصول، برایان کیبل و ایان رابینسون تعادل Kibble Mark II را اختراع کردند که در آن از یک سیم پیچ دایره‌ای استفاده می‌شود و در شرایط خلاء در سال ۱۹۹۰ عمل می‌کرد.[۱۲]

تعادل کیبل که از آزمایشگاه ملی فیزیکی نشات می‌گرفت در سال ۲۰۰۹ به شورای تحقیقات ملی کانادا (NRC) منتقل شد، جایی که دانشمندان این دو آزمایشگاه به اصلاح این ابزار ادامه دادند.[۱۳] در سال ۲۰۱۴، محققان NRC دقیق‌ترین اندازه‌گیری ثابت پلانک را در آن زمان با عدم قطعیت نسبی ۱٫۸ × ۱۰ منتشر کردند.[۱۴] مقاله نهایی توسط محققان NRC در می ۲۰۱۷ منتشر شد که اندازه‌گیری ثابت پلانک را با عدم قطعیت تنها ۹٫۱ قسمت در میلیارد ارائه می‌کرد، اندازه‌گیری با کمترین عدم قطعیت تا آن تاریخ.[۱۵] سایر آزمایش‌های تعادل کیبل در مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST)، اداره فدرال مترولوژی سوئیس (METAS) در برن، دفتر بین‌المللی وزن‌ها و اندازه‌ها (BIPM) در نزدیکی پاریس و آزمایشگاه ملی انجام می‌شوند. métrologie et d'essais (LNE) در تراپ، فرانسه.

جستارهای وابسته

[ویرایش]

منابع

[ویرایش]
  1. ↑ ۱٫۰ ۱٫۱ Robinson, Ian A.; Schlamminger, Stephan (2016). "The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass". Metrologia. 53 (5): A46–A74. doi:10.1088/0026-1394/53/5/A46. PMC 8752041. PMID 35023879.
  2. ↑ ۲٫۰ ۲٫۱ Palmer, Jason (2011-01-26). "Curbing the kilogram's weight-loss programme". BBC News. BBC News. Retrieved 2011-02-16.
  3. ↑ Cho, Adrian (2017). "Plot to redefine the kilogram nears climax". Science. 356 (6339): 670–671. doi:10.1126/science.356.6339.670. PMID 28522473.
  4. ↑ Milton, Martin (14 November 2016). "Highlights in the work of the BIPM in 2016" (PDF). p. 10. Archived from the original (PDF) on 1 September 2017. Retrieved 1 September 2017.
  5. ↑ Decision CIPM/105-13 (October 2016)
  6. ↑ Materese, Robin (2018-11-16). "Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants". NIST (به انگلیسی). Retrieved 2018-11-16.
  7. ↑ Materese, Robin (2018-05-14). "Kilogram: The Kibble Balance". NIST (به انگلیسی). Retrieved 2018-11-22.
  8. ↑ Kibble, B. P. (1976). "A Measurement of the Gyromagnetic Ratio of the Proton by the Strong Field Method". Atomic Masses and Fundamental Constants 5. pp. 545–551. doi:10.1007/978-1-4684-2682-3_80. ISBN 978-1-4684-2684-7.
  9. ↑ "In Memory of Dr. Bryan Kibble, 1938-2016". Cal Lab: The International Journal of Metrology. Apr May Jun 2016.
  10. ↑ "NPL website". Retrieved 21 May 2022.
  11. ↑ "NPL 17th Meeting of CCM". 17 May 2019. Retrieved 23 May 2022.
  12. ↑ Kibble, B. P.; Robinson, I. A.; Belliss, J. H. (1990). "A Realization of the SI Watt by the NPL Moving-coil Balance". Metrologia. 27 (4): 173–192. doi:10.1088/0026-1394/27/4/002. S2CID 250829915.
  13. ↑ "Kibble balances: Research: Mass & Force: Science + Technology: National Physical Laboratory". www.npl.co.uk.
  14. ↑ Sanchez, C. A.; Wood, B. M.; Green, R. G.; Liard, J. O.; Inglis, D. (2014). "A determination of Planck's constant using the NRC watt balance". Metrologia. 51 (2): S5–S14. doi:10.1088/0026-1394/51/2/S5. S2CID 120813510.
  15. ↑ Wood, B. M.; Sanchez, C. A.; Green, R. G.; Liard, J. O. (2017). "A summary of the Planck constant determinations using the NRC Kibble balance". Metrologia. 54 (3): 399–409. doi:10.1088/1681-7575/aa70bf.

پیوند به بیرون

[ویرایش]
در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ تراز کیبل موجود است.