Ватові терези — Вікіпедія

Ватові терези (або ваги Кіббла) — прилад для вимірювання маси, який станом на початок XXI століття забезпечує найвищу точність вимірювання^[1]. Назва походить від одиниці вимірювання потужності вата, оскільки вимірювана маса пропорційна потужності електричного струму, який компенсує вагу тіла.

Ідею ватових терезів запропонував 1975 року Б. П. Кіббл з Національної фізичної лабораторії Сполученого Королівства^[2].

Принцип дії[ред. | ред. код]

Ваги Кіббла працюють у двох режимах. У першому, статичному (Weighing/Force Mode), тіло, масу якого потрібно виміряти, прикріпляється до котушки, поміщеної в сильне однорідне магнітне поле, напруженістю порядка 0.5 Тл^[3], при чому вісь котушки збігається із напрямом магнітного поля. Струм у котушці підбирається так, щоб сила Ампера урівноважувала силу тяжіння тіла:

${\displaystyle BLI=mg}$,

де B - магнітна індукція, L - довжина провідника у котушці, I - сила струму, m - маса тіла, g - прискорення вільного падіння.

Для калібрування ваги використовують ваги у динамічному режимі (Velocity/Calibration Mode). Ту ж саму котушку переміщають в тому ж магнітному полі з відомою швидкістю v. При цьому виникає електрорушійна сила U:

${\displaystyle U=BLv}$.

Таким чином, значення BL стає відомим. Виключаючи з двох рівнянь добуток BL, отримують:

${\displaystyle IU=mgv}$.

Всі множники цього рівняння можна визначити надзвичайно точно: струм і напругу за допомогою квантово-електричних ефектів; місцеве гравітаційне поле за допомогою ультра-чутливого пристрою, що називається абсолютним гравіметром; швидкість шляхом відстеження руху котушки за допомогою лазерної інтерферометрії, яка діє в масштабі довжини хвилі лазерного світла. Точність вимірювання цих величин на початок третього тисячоліття настільки висока, що ватові терези за умови фіксованого значення кванту дії – сталої Планка замінили собою еталон кілограма^[4][5]. Високу точність вимірювання напруги можна отримати за допомогою ефекту Джозефсона, а високу точність вимірювання сили струму — за допомогою квантового ефекту Холла.

Станом на початок 2011 найвища точність вимірювання досягнута в NIST: відносна похибка становила 3,6× 10^−8[6].

Примітки[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

• (англ.)Mass Calibrations under the New SI [Архівовано 5 грудня 2019 у Wayback Machine.]
• (англ.), (фр.) The Kibble balance and the kilogram (La balance de Kibble et le kilogramme Author links open overlay panelStephanSchlammingerDarineHaddad) [Архівовано 20 січня 2022 у Wayback Machine.], DOI 10.1016/j.crhy.2018.11.006, 2019