Cum va fi redefinit kilogramul - Couleur-Science

istoria metrologiei științei Duminică 28 octombrie 2018 de Timo van Neerden

Acest articol face parte dintr-o serie de articole cu ocazia celei de-a 26-a CGPM (în 2018), cu ocazia căreia kilogramul va fi redefinit într-un mod istoric:

Cum va fi redefinit kilogramul (acest articol)
De ce redefinim kilogramul ?

Până în prezent, printre cele 7 unități de bază care există, kilogramul este singurul bazat pe un obiect material: un standard metalic (un aliaj de platină și iridiu), păstrat lângă Paris. lume.

A trecut mai bine de un secol că acest obiect reprezintă kilogramul și nu fără să pună unele probleme legate de timp: uzura, unicitatea și faptul că este păstrat în Franța și nu în altă parte constituie probleme de ordin tehnic, practic și politic.

J. C. Maxwell (1831 - 1879, fizician cunoscut printre altele pentru ecuațiile lui Maxwell în electromagnetism) va scrie:

La fel ca contorul, care nu mai este definit dintr-o bucată de metal, ci din viteza luminii, metrologii au căutat de mult timp cum să redefinească kilogramul, astfel încât să nu fie nevoie să depindă de un obiect fizic atât de fragil. Și se pare că am găsit !

Dacă totul merge bine, anul 2018 (de la 13 la 16 noiembrie, în mod normal) va marca anul în care kilogramul va deveni în cele din urmă o unitate dependentă doar de o constantă fizică intrinsecă a naturii.

Aș face un articol mai detaliat despre necesitatea unei astfel de redefiniri, precum și despre metoda generală utilizată pentru a defini o unitate de măsură, dar să vedem aici metoda care a fost aleasă. Veți vedea, este inteligentă și ingenioasă, dar și foarte tehnică ...

Noua definiție a kilogramului

Vom folosi kilogramul „K” pentru a măsura constanta Planck (o constantă utilizată în fizica cuantică), vom stabili valoarea acesteia din urmă, apoi vom defini kilogramul în funcție de constanta Planck pe care tocmai am stabilit-o.

S-ar putea să sune ca un șarpe cu coada moartă, dar nu este. În realitate, este mai mult o schimbare de referință.
În loc să avem un kilogram cunoscut din care definim constanta lui Planck, vom încerca să fixăm constanta la o valoare care va rămâne, așadar, imuabilă și din care vom defini ceea ce desemnăm prin „kilogramul”.

Astfel, kilogramul standard de platină nu ne mai este de niciun folos.
Dacă doriți să găsiți masa unui kilogram, luați doar constanta lui Planck și echilibrul lui Kibble și măsurați masa unui kilogram.

În ceea ce privește constanta lui Planck ... Acum este referința: nu mai trebuie să o măsurăm, aceasta este cea de referință.
Și întrucât constanta lui Planck este o constantă fundamentală a naturii, ea nu se va schimba: nu se poate uza, deteriora sau pierde.

Mai jos, funcționarea Soldul lui Kibble.

Balanța Kibble (sau balansul de wați)

Un echilibru Kibble (sau anterior balanța Watt), ca toate scările, vă permite să comparați două forțe. Pentru o scară convențională, cele două forțe sunt două greutăți:

greutatea obiectului pe care încercați să îl cântăriți;
greutatea maselor marcate, a cărei masă este cunoscută.

Când echilibrul este în echilibru, atunci obiectul a cărui masă o căutăm are aceeași masă ca suma maselor marcate.

Cu un echilibru Kibble, se măsoară întotdeauna două forțe, dar cea a maselor marcate este înlocuită de forța magnetică a unui electromagnet. Când așezați masa necunoscută pe scară, scara se înclină într-o parte. Un curent electric este apoi trecut prin electromagnet: câmpul magnetic indus trage apoi balanța spre partea electromagnetului. Prin variația intensității curentului până la obținerea unei stări de echilibru, putem găsi masa obiectului pe care îl căutăm în funcție de intensitatea curentului, datorită inducției electromagnetice:

Pentru a redefini kilogramul, lucrăm invers: vom așeza kilogramul standard pe cântar și vom căuta intensitatea care echilibrează cântarul. În acel moment, vom ști ce intensitate permite obținerea unui kilogram de forță pe scară.
Matematic, când cântarul este la echilibru, există o egalitate între greutatea $ P = mg $ și forța magnetică a bobinei $ F = BLI $:

Adică, masa kilogramului exprimată:

Aceasta este versiunea simplificată și, în practică, este mai complicată.

Puterea electromagnetului depinde de mai mulți factori: puterea curentului, desigur, dar și lungimea totală a firului din bobină și puterea câmpului magnetic al magnetului permanent. Măsurarea acestor ultime două cantități este afectată de incertitudini, dar putem elimina necesitatea măsurării acestora, folosind un al doilea pas.

Al doilea pas constă în coborârea electromagnetului cu o viteză cunoscută deasupra magnetului. Magnetul va induce un curent în bobină și vom măsura tensiunea electrică la bornele sale.

Expresia tensiunii $ U $ depinde de rata de coborâre $ v $, câmpul magnetic $ B $ și lungimea bobinei $ L $:

Combinând această ecuație cu cea anterioară, obținem o expresie a masei independente de magnet și de lungimea bobinei:

Rămâne să măsoare curentul $ I $ și tensiunea $ U $: o metodă ultra-precisă este utilizarea componentelor cu comportament cuantic.

Tensiunea $ U $ poate fi determinată de o joncțiune Josephson. Sunt două materiale supraconductoare separate de izolatori foarte fini. Această joncțiune vede o tensiune $ U '$ atunci când este supusă unui câmp electromagnetic:

$ h $ este constanta lui Planck
$ n $ numărul de joncțiune Josephson stivuită (așadar pusă în serie)
$ f $ frecvența câmpului electromagnetic
$ e $ este taxa elementară.

Prin ajustarea frecvenței, putem egaliza tensiunea la bornele joncțiunilor cu tensiunea indusă de magnet pe bobină. Apoi avem $ U '= U $.