키블 저울: 두 판 사이의 차이

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2019년 6월 17일 (월) 16:15 판

NIST-4 키블 저울. 2015년 상반기에 본격 가동을 시작하였는데, 플랑크 상수를 10억분의 13의 정밀도로 측정하여, 2019년의 킬로그램에 대한 재정의를 지원하기에 충분한 정밀도를 보여주었다.

키블 저울 또는 와트 저울은 어떤 물체의 무게에 해당하는 전기력을 생성하는 데 필요한 전류 및 전압을 매우 정밀하게 측정하여 시험 물체의 무게를 매우 정확하게 측정하는 전기기계식 측정 장치이다. 질량의 단위인 킬로그램을 전자 또는 전기 킬로그램이라 불리는, 물리학의 기본 상수에 기초하는 새로운 정의로 구현할 수 있는 도량형 계측기이다.[1][2]

와트 저울 이라는 명칭은 테스트 질량의 무게가 와트의 단위로 측정 된 전류와 전압의 곱에 비례한다는 사실에서 유래한다. 와트 저울의 발명가인 브라이언 키블이 사망 한 지 2 개월 후인 2016 년 6 월, 국제 도량형 위원회의 단위 자문 위원회의 계측학자들은 그를 기념하여 기계의 명칭을 개명하기로 동의했다.[3][4]

1889년 이래로 킬로그램의 정의는 킬로그램 (IPK)의 국제 원기로 알려진 물리적인 물체를 기반으로 하였다. 2013년에는 기존의 정의를 키블 저울의 사용에 기초하는 정의로 대체하기 위한 정밀도 기준이, 국제 도량형 총회 (CGPM)에서 합의되었다. 이러한 기준이 달성되자, CGPM은 2018년 11월 16일, 기존의 킬로그램 단위 및 기타 단위의 정의를 변경하여 2019년 5월 20일 세계 계측의 날에 발효시키는 것으로 만장일치로 결정하였다.[3][5][6][7][8]

디자인

1927년 미국 국립 표준기술 연구소 (현재 NIST)의 고정밀 암페어 저울. 전류 코일은 저울 아래에서 오른쪽 저울 팔에 부착된 것으로 보인다. 키블 저울은 암페어 저울이 개량된 것이다.

키블 저울은 두개의 통전 코일 사이의 힘을 측정하여 전류의 크기를 계산하는 초기의 전류 측정 장비인 암페어 저울이 더욱 정확하게 개량된 것이다. 이 새로운 기계에서는 저울이 반대의 의미로 사용된다. 즉, 코일의 전류는 "IPK 또는 기타 물리적 물체에 의존하지 않는 질량 측정"을 위하여 플랑크 상수에 대한 새로운 표준 정의를 이용하여 측정된다.[9] 저울에 의하여 물체의 무게가 정해지고, 중력계를 이용하여 국지적 인 중력 (중력과 원심 효과를 결합한 순 가속도)을 정확하게 측정함으로써, 질량을 계산할 수 있다. 따라서, 물체의 질량("전자 질량")은 전류와 전압을 이용하여 후술하는 바와 같이 결정된다.

유래

키블 저울에 사용 된 원리는 자기회전비율의 측정을 위해 1975년 영국 국립 물리 연구소 (NPL)의 Bryan Kibble 에 의해 제안되었다.[10]

암페어 밸런스 방법의 가장 큰 약점은 코일의 치수를 측정하는 정확도에 따라 결과가 달라진다는 점입니다. 키블 저울의 방법에서는 부정확성의 주용 원인인 코일의 기하학적 형상의 영향을 제거하는 추가 교정 단계를 가지고 있다. 이 추가 단계는 힘 코일을 세기를 알고 있는 자속 내에서 일정한 속도로 이동시키는 것을 포함합니다. 이 단계는 1990년에 수행되었다.[11]

국립 물리학 연구소 (National Physical Laboratory)에서 기원하는 키블 저울은 2009 년 캐나다 국립 연구위원회 (National Research Council of Canada, NRC)로 이전되었으며, 두 연구소의 과학자는 이 장비를 계속 개량하였다.[12] 2014년 NRC 연구원은 플랑크 상수에 대하여 1.8 ×10^-8 의 상대오차를 갖는 당시로서는 가장 정밀한 측정값을 발표하였다.[13] NRC 연구원에 의한 최종 논문은 2017년 5월에 발표되었는데, 9.1ppb의 오차로 현재까지 가장 적은 오차값을 갖는 플랑크 상수 측정치를 제시했다.[14] 이외에도 미국 국립 표준 기술 연구소 (NIST), 스위스 베른의 스위스 계측 학회 (METAS), 파리 근교의 국제 도량형국(BIPM) 및 프랑스, 트라프의 국립 도량형 연구소 (LNE)에서 키블 저울 실험이 이루어지고 있다.[15]

원리

강도 B 의 자기장에 수직으로 전류 I 를 흘리는 길이 L의 도선에는 이들 변수의 곱에해당하는 로렌츠 힘이 작용한다. 키블 저울에서는, 전류를 변화하여 표준 질량 m 의 무게 w 에 해당하도록 변화시킨다. 이 원리는 암페어 저울에서 유래된 것이다. 무게 w 는 질량 m 에 지역의 중력 가속도 g 를 곱한 값으로 주어진다. 따라서,

키블 저울에서는 두 번째 교정 단계를 수행하여 B 와 L 을 측정하는 문제를 제거한다. 동일한 와이어 (실제로는 코일)를 알려진 속도 v 에서 동일한 자기장을 통해 이동시키면, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의하여 BLv 에 해당하는 전위차 U 가 전선의 양단에 발생한다. 그러므로

알려지지 않은 곱 BL 은 방정식에서 제거되어,

<mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> </mi><mi> </mi><mo> </mo><mi> </mi><mi> </mi><mi> </mi><mo> </mo></mstyle></mrow> </img>

U, I, g 및 v를 정확하게 측정하면 m에 대한 정확한 값을 얻을 수 있다. 방정식의 양변은 국제 단위계 (International System of Units)의 와트 단위로 측정 한 일률의 차원을 가지게 되어, 원래의 이름이 "와트 저울"이다.

측정

전류 및 전위차에 대한 정확한 측정은 조셉슨 상수 및 폰 클리칭 상수를 이용하여 측정된다. 조셉슨 상수 및 폰 클리칭 상수에는 플랑크 상수 h가 포함되어 있다.

전자 킬로그램의 원리는, 미터가 광속에 의하여 정의되는 것과 비슷하게, 새롭게 합의되어 정해진 플랑크 상수의 값에 의존하게 된다. 이 경우 전류와 전압은 SI 단위로 측정되어 키블 저울은 질량을 측정하는 계기가 된다.

키블 저울에 (매우 상당한) 시간과 돈을 투자 한 실험실은 이전에 IPK를 통해 플랑크 상수를 측정 한 것과 동일한 정확도로 질량을 측정 할 수 있다.

UI 를 측정하는 것 외에도, 실험실에서는 질량의 정의에 의존하지 않는 실험적 방법을 사용하여 v 와 g 를 측정해야 한다. 질량 m 의 전체적인 정밀도는 U, I, v 및 g 의 측정 정밀도에 따라 달라진다. v 와 g 를 매우 높은 정밀도로 측정하는 방법은 이미 있으므로, 질량 측정의 불확실성은 키블 저울에 의하여 측정 된 값인 UI 의 측정에 의해 좌우된다.

같이 보기

  • Gouy 저울

참고 문헌

외부 링크

  1. ↑ 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. 
  2. ↑ Palmer, Jason (2011년 1월 26일). “Curbing the kilogram's weight-loss programme”. 《BBC News》 (BBC News). 2011년 2월 16일에 확인함. 
  3. ↑ 가 나 “The Kibble Balance”. 《Education》. UK National Physical Laboratory website. 2016. 2017년 5월 15일에 확인함. 
  4. ↑ Consultative Committee for Units (CCU), Report of the 22nd meeting (15-16 June 2016), pp. 32-32, 35
  5. ↑ Cho, Adrian (2017). “Plot to redefine the kilogram nears climax”. 《Science》 356 (6339): 670–671. doi:10.1126/science.356.6339.670. PMID 28522473. 
  6. ↑ Milton, Martin (2016년 11월 14일). “Highlights in the work of the BIPM in 2016” (PDF). 10쪽. 
  7. ↑ Decision CIPM/105-13 (October 2016)
  8. ↑ Materese, Robin (2018년 11월 16일). “Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants”. 《NIST》 (영어). 2018년 11월 16일에 확인함. 
  9. ↑ Materese, Robin (2018년 5월 14일). “Kilogram: The Kibble Balance”. 《NIST》 (영어). 2018년 11월 22일에 확인함. 
  10. ↑ Kibble, B. P. (1976). 〈A Measurement of the Gyromagnetic Ratio of the Proton by the Strong Field Method〉. 《Atomic Masses and Fundamental Constants 5》. 545–551쪽. doi:10.1007/978-1-4684-2682-3_80. ISBN 978-1-4684-2684-7. 
  11. ↑ 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. 
  12. ↑ “Kibble balances : Research : Mass & Force : Science + Technology : National Physical Laboratory”. 《www.npl.co.uk》. 
  13. ↑ 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. 
  14. ↑ 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. 
  15. ↑ Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). “CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006”. 《Rev. Mod. Phys.》 (영어) 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008RvMP...80..633M. doi:10.1103/RevModPhys.80.633. 
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