Wattivaaka

NIST:in wattivaaka.

Wattivaaka (tai Kibblen vaaka) on elektromekaaninen painon mittauslaite, jota käytetään massan yksikön kilogramman määritelmään liittyvissä mittauksissa.

Taustaa

Elektrodynamometri on wattivaa’an kaukaisin esikuva, jonka perusteet esitti ensimmäisen kerran 1848 Wilhelm Weber.^[1][2][3]

Piirros elektrodynamometristä (Practical Electricity, London, Cassell, 1891, sivu 378)

Elektrodynamometrin kaavakuva, Encyclopædia Britannica, 1911.

Ampeerivaaka, joka kehitettiin elektrodynamometristä. Käytössä ollut - 1936 - National Museum of Nature and Science, Tokio, Kuva vuodelta 2013.

Ampeerivaa’asta kehitetty wattivaaka.

Elektrodynamometri mittaa sähkövirtaa, jännitettä tai tehoa.^[4][5]

Elektrodynamometria kehitti eteenpäin Lordi Kelvin William Thomson tekemällä siitä laboratoriokäyttöön tarkoitetun version, joka tunnettiin nimellä ampeerivaaka.^[6][7] Wattivaaka on kehittyneempi mittauslaite ampeerivaa’asta ja muutettu mittaamaan sähkövirran sijaan kappaleen painoa. Wattivaa’an periaatteet esitti 1975 brittiläinen fyysikko Bryan P. Kibble National Physical Laboratorystä (NPL).^[8]

Periaatteet

Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela	Punnituskoe
1) Punnitus
1) Voimatasapaino: - Staattisessa magneettikentässä olevaan kelaan syötetään virta ${\displaystyle I}$, jolloin siihen kohdistuu voima ${\displaystyle F}$${\displaystyle =}$ ${\displaystyle I}$β - Voima kompensoidaan punnuksen aiheuttaman painovoiman ${\displaystyle gm}$ avulla ${\displaystyle (g=putoamiskiihtyvyys,m=massa}$), ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle I}$ β ${\displaystyle =}$${\displaystyle mg}$, missä β${\displaystyle =mg/I}$ riippuu geometriasta ja magneettikentästä	Punnitusvaihe

Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela	Liikutuskoe
2) Induktiomittaus
2) Mitataan kelaan indusoitunut jännite ${\displaystyle U}$ - kelaa liikutetaan magneettikentässä nopeudella ${\displaystyle v}$ -β${\displaystyle =U/v}$ ${\displaystyle U=v}$ β${\displaystyle =}$ − ${\displaystyle v}$*∂ Φ/∂z 3) Yhdistetään voimatasapainon ja induktiomittauksen tulokset: β${\displaystyle =mg/I=U/v}$ ${\displaystyle mgv=UI}$ (mekaaninen teho = sähköteho)	Liikutusvaihe[9]

Wattivaa’alla on monenlaisia toteutustapoja riippuen tutkimusryhmästä.^[10]

Avogadron projekti

Avogadron projekti on wattivaa’an kanssa kilpaileva metodi kilogramman uudelleen määrittelyssä. Siinä kilogramma määriteltäisiin käytännössä piipallon mukaan, joka painaisi täsmälleen kilogramman. Projektin virallinen nimi on: International Avogadro Coordination.^[11] Piipallojen valmistusta on tehnyt vain yksi konsortio. Wattivaakaa on testattu ainakin 5:ssä eri maassa.^[12]

Lähteet

• Arkhimedes 2/2012 , Uusi SI-järjestelmä toteuttaa Maxwellin unelman (Huomautus wattivaakoja on rakentanut myös BIPM, joten niitä on ainakin viidessä maassa. Artikkeli osittain vanhentunut) arkhimedes.fi. 21.12.2014. Arkistoitu 31.7.2013. Viitattu 25.4.2023.
• The BIPM Kibble balance Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto (BIPM). Arkistoitu 12.7.2015. (englanniksi)
• New kilo: Kilogramman uuden määritelmän käyttöönotto: EMRP SI-järjestelmä 2012–2015 (s. 20) Esitteitä, Mittatekniikan keskus (Mikes). 05/2013. Arkistoitu 28.12.2014. Viitattu 26.4.2023.
• Jan Lublinski Kuvat: Marc Steinmetz: Perussuureet Maailma mikrogramman tarkkuudella. (Arkisto, arkistoitu 28.12.2014) Geo, Heinäkuu 2008, s. 8–9. Sanoma Magazines. ISSN 1797-3600 Perussuureet: Maailma mikrogramman tarkkuudella.

Viitteet

1. Electrodynamometer archive.is. 28.12.2014. Arkistoitu 17.1.2013. (englanniksi)
2. Jaakko Forsman, fil. tohtori, I. Havu, fil. tohtori, Hannes Salovaara, lehtori, Vilho Setälä, fil. kand., J. A. Wecksell, fil. kand., toimitussihteeri: ”Neljäs osa San Remo - Öölanti”, Pieni tietosanakirja, s. 597 - 598. (Suomenkielinen teos, joka mainitsee dynamometrisen wattimittarin/amperimittarin (nykykielellä ampeerimittari)) Helsinki: Otava, 1928. Sähkömittarit (viitattu 28.12.2014).
3. Weber, Wilhelm: Elektrodynamische Maafsbestimmungen. (Band LXXIII=73 = tulee vuodesta 1824 alkaen lasketuista "Annalen der Physik" - julkaisuista, ja Nide 141 tulee kaikista yhteenlasketuista "Annalen der Physik" - julkaisuista) Annalen der Physik, 1848. Leipzig: Johann Christian Poggendorff. Elektrodynamische Maassbestimmungen. Viitattu 28.1.2015. (saksaksi)
4. AC MEASURING INSTRUMENTS avstop.com. 28.12.2014. Arkistoitu 28.1.2015. (englanniksi)
5. electrodynamometer dictionary.com. 28.12.2014. Arkistoitu 10.7.2015. (englanniksi)
6. Amperemeter en.wikisource.org. 21.12.2014. (englanniksi)
7. McNeil, Ian (toim.): An Encyclopedia of the History of Technology, s. 374–375. (Mainitsee elektrodynamometrin kehittymisen ampeerivaa'aksi) Routledge; 1 edition, 1996. ISBN 978-0415147927 (englanniksi)
8. Kibble, B. P.: ”A Measurement of the Gyromagnetic Ratio of the Proton by the Strong Field Method”, Atomic Masses and Fundamental Constants 5, s. 545–551. (J. H. Sanders & A. H. Wapstra (toim.), International Conference on Atomic Masses and Fundamental Constants (5th: 1975 : Paris, France)) New York: Plenum Press, 1976.  ISBN 030-63-5085-8 ja  ISBN 978-1-4684-2682-3 (e-kirja) doi:10.1007/978-1-4684-2682-3_80 ISBN 978-1-4684-2684-7 (englanniksi)
9. Mikes, Mittatekniikan keskus, 2006 (PDF) (Sivu 7) metrology.tkk.fi. 2006. Arkistoitu 28.12.2014. Viitattu 26.4.2023.
10. Li, Shisong; Han, Bing; Li, Zhengkun & Lan, Jiang: Precisely measuring the Planck constant by electromechanical balances. Measurement, 2012, 45. vsk, nro 1, s. 1-13. International Measurement Confederation (IMEKO). doi:10.1016/j.measurement.2011.10.020. ISSN 0263-2241 Artikkelin verkkoversio. (PDF) Viitattu 28.12.2014. (englanniksi)
11. The International Avogadro Coordination (IAC) web.archive.org. 18.10.2011. Arkistoitu 21.12.2014. (englanniksi)
12. Arkhimedes 2/2012, Uusi SI-järjestelmä toteuttaa Maxwellin unelman (PDF) (Sivu 16) arkhimedes.fi. 21.12.2014. Arkistoitu 31.7.2013. Viitattu 25.4.2023.