किबल संतुलन

किबल संतुलन विद्युत यांत्रिकी मान को मापने वाला उपकरण है जो इसमें क्षतिपूर्ति बल उत्पन्न करने के लिए आवश्यक विद्युत प्रवाह और वोल्टेज द्वारा परीक्षण वस्तु के वजन को बहुत सही रूप से मापता है। यह मैट्रोलोजी उपकरण है जो भौतिक स्थिरांक के आधार पर द्रव्यमान की किलोग्राम इकाई की परिभाषा को उपयोग करता है। इसे मूल रूप से वाट संतुलन कहा जाता था क्योंकि परीक्षण द्रव्यमान का वजन धारा और वोल्टेज के उत्पाद के समानुपाती होता है, जिसे वाट में मापा जाता है। इस प्रकार जून 2016 में, इसके आविष्कारक, ब्रायन किबल की मृत्यु के दो महीने पश्चात वजन और माप के लिए अंतर्राष्ट्रीय समिति की इकाइयों की सलाहकार समिति के मेट्रोलॉजिस्ट उनके सम्मान में डिवाइस का नाम परिवर्तित करने पर सहमत हुए थे।

2019 से पहले, किलोग्राम की परिभाषा भौतिक वस्तु पर आधारित थी जिसे किलोग्राम के अंतर्राष्ट्रीय प्रोटोटाइप (IPK) के रूप में जाना जाता है।

किलोग्राम को फिर से परिभाषित करने के लिए वैकल्पिक दृष्टिकोण, 2013 में भार और इसकी माप पर सामान्य सम्मेलन (सीजीपीएम) ने इस परिभाषा को किबल संतुलन के उपयोग के आधार पर के साथ बदलने के लिए सहीता मानदंड पर सहमति व्यक्त की। इन मानदंडों को प्राप्त करने के बाद, सीजीपीएम ने 16 नवंबर, 2018 को सर्वसम्मति से एसआई आधार इकाइयों की 2019 को फिर से परिभाषित करने के लिए मतदान किया, जो 20 मई, 2019 से प्रभावी था, जो कि विश्व मेट्रोलॉजी दिवस के साथ मेल खाता था।

डिजाइन
किबल संतुलन एम्पीयर संतुलन का सही रूप से अत्यधिक संस्करण करता है, प्रारंभिक विद्युत धारा मापने वाला उपकरण हैं जिसमें तार के दो धारा-ले जाने वाले कुंडली के बीच बल (भौतिकी) को मापा जाता है और फिर धारा के परिमाण की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है। किबल संतुलन विपरीत अर्थों में संचालित होता है, इस प्रकार IPK या किसी भौतिक वस्तु का सहारा लिए बिना द्रव्यमान को मापने के लिए कुंडली में धारा को प्लैंक स्थिरांक की परिभाषा का उपयोग करके मापा जाता है। इस प्रकार संतुलन वस्तु का वजन निर्धारित करता है, तब द्रव्यमान की गणना गुरुत्वाकर्षण के साथ स्थानीय पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण (गुरुत्वाकर्षण और केन्द्रापसारक प्रभावों को मिलाकर शुद्ध त्वरण) को सही रूप से मापकर की जाती है। इस प्रकार वस्तु के द्रव्यमान को धारा और वोल्टेज को इलेक्ट्रॉनिक किलोग्राम के रूप में परिभाषित किया जाता है।

उत्पत्ति
किबल संतुलन में उपयोग किए जाने वाले सिद्धांत को यूके नेशनल फिजिकल लेबोरेटरी, यूके (एनपीएल) के ब्रायन किबल द्वारा 1975 में जाइरोमैग्नेटिक अनुपात के मापन के लिए प्रस्तावित किया गया था। 1978 में एनपीएल में इयान रॉबिन्सन और रे स्मिथ के साथ मार्क-I वाट संतुलन बनाया गया था। यह 1988 तक संचालित किया गया था।

एम्पीयर संतुलन विधि की मुख्य कमजोरी यह है कि परिणाम उस सहीता पर निर्भर करता है जिसके साथ कुंडली के आयामों को मापा जाता है। किबल संतुलन अनिश्चितता के मुख्य स्रोत को हटाते हुए कुंडली की ज्यामिति के प्रभाव को निरस्त करने के लिए अतिरिक्त अंशांकन चरण का उपयोग करता है। इस अतिरिक्त कदम में ज्ञात गति से ज्ञात चुंबकीय प्रवाह के माध्यम से बल कुंडली को स्थानांतरित करना सम्मलित है। इस प्रकार यह वॉन क्लिट्जिंग स्थिरांक और जोसेफसन स्थिरांक के पारंपरिक मूल्यों की स्थापना से संभव था, जिनका उपयोग दुनिया भर में वोल्टेज और प्रतिरोध अंशांकन के लिए किया जाता है। इस प्रकार इन सिद्धांतों का उपयोग करते हुए ब्रायन किबल और इयान रॉबिन्सन ने किबल मार्क II संतुलन का आविष्कार किया, जो 1990 में गोलाकार कुंडली का उपयोग करता है और निर्वात स्थितियों में संचालित होता है। इस प्रकार संतुलन के इस मार्क टू संस्करण को बनाने के लिए ब्रायन किबल ने इयान रॉबिन्सन और जेनेट बेलिस के साथ कार्य किया था। इस प्रकार के द्रव्यमान की SI इकाई को किलोग्राम की पुनर्परिभाषा में उपयोग के लिए पर्याप्त सही माप के लिए इस डिज़ाइन की अनुमति है।

2009 में नेशनल फिजिकल लेबोरेटरी से उत्पन्न होने वाले किबल संतुलन को कनाडा का राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद (NRC) में स्थानांतरित कर दिया गया, जहां दो प्रयोगशालाओं के वैज्ञानिकों ने उपकरण को परिष्कृत करना जारी रखा गया था।

इस प्रकार 2014 में, एनआरसी शोधकर्ताओं ने उस समय प्लैंक स्थिरांक का सबसे सही माप प्रकाशित किया था, जिसमें 1.8 की सापेक्ष अनिश्चितता थी। एनआरसी शोधकर्ताओं द्वारा अंतिम पेपर मई 2017 में प्रकाशित किया गया था, जिसमें प्लैंक के स्थिरांक का माप केवल 9.1 भागों प्रति बिलियन की अनिश्चितता के साथ प्रस्तुत किया गया था, जो उस तिथि तक कम से कम अनिश्चितता के साथ माप था। अन्य किबल संतुलन प्रयोग यूएस नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST), स्विस मेट्रोलॉजी का संघीय कार्यालय (METAS), बर्न में, वजन और माप के अंतर्राष्ट्रीय ब्यूरो (BIPM) पेरिस के पास और लेबोरेटोर नेशनल डे मेट्रोलॉजी एट डी में हैचेस, फ्रांस में निबंध (एलएनई) द्वारा आयोजित किए जाते हैं।

सिद्धांत
लंबाई का संवाहक तार $$L$$ जिसमें विद्युत धारा प्रवाहित होती है तथा $$I$$ शक्ति के चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत $$B$$ इन चरों के उत्पाद के बराबर लोरेंत्ज़ बल का अनुभव करता है। इस प्रकार किबल संतुलन में, धारा भिन्न होती है जिससे कि यह बल भार का प्रतिकार करे $$w$$ द्रव्यमान का $$m$$ मापा जाता हैं। यह सिद्धांत एम्पीयर संतुलन से लिया गया है। इस प्रकार $$m$$ द्रव्यमान द्वारा स्थानीय गुरुत्वाकर्षण त्वरण से गुणा करके अर्ताथ $$g$$.$$w$$ द्वारा दिया जाता है।
 * किबल संतुलन $$w = mg = BLI.$$ को मापने की समस्या से बचाता है तथा $$B$$ और $$L$$ के लिए दूसरे अंशांकन चरण में इनका उपयोग करता हैं। $$w = mg = BLI.$$ इस तार (व्यवहार में, कुंडल) से ज्ञात की जाने वाली गति से चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम $$v$$ से चला जाता है, फैराडे के प्रेरण के नियम द्वारा, संभावित अंतर $$U$$ तार के सिरों पर उत्पन्न होता है, जो $$BLv$$ के बराबर होता है, इस प्रकार $$U = BLv.$$ अज्ञात उत्पाद $$BL$$ देने के लिए समीकरणों से हटाया जा सकता है
 * $$UI = mgv.$$
 * $$m = UI/gv.$$

इस प्रकार साथ में $$U$$, $$I$$, $$g$$, और $$v$$ सही रूप से मापा जाता है, यह इसके लिए $$m$$. का सही मान देता है

इस प्रकार समीकरण के दोनों पक्षों में शक्ति (भौतिकी) के आयाम हैं, जिन्हें इंटरनेशनल प्रणाली ऑफ यूनिट्स में वाट में मापा जाता है, इसलिए मूल नाम वाट संतुलन मुख्यतः उत्पाद $$BL$$, जिसे ज्यामितीय कारक भी कहा जाता है, दोनों अंशांकन चरणों में तुच्छ रूप से समान नहीं है। कुंडली पर कुछ स्थिरता स्थितियों के अनुसार ज्यामितीय कारक केवल स्थिर होता है।

कार्यान्वयन
किबल संतुलन का निर्माण किया जाता है जिससे कि द्रव्यमान को मापा जा सके और वायर कुंडली को संतुलन स्केल के तरफ से दूसरी तरफ काउंटरसंतुलन मास के साथ निलंबित कर दी जाती हैं। इस प्रणाली को दो प्रारूपों के बीच बारी-बारी से वजन और हिला कर संचालित किया जाता है। इस प्रकार वायु उछाल के प्रभावों को दूर करने के लिए संपूर्ण यांत्रिक उपतंत्र निर्वात कक्ष में संचालित होता है। भार को मापते समय, इसकी प्रणाली द्वारा $$I$$ और $$v$$ दोनों को मापता है, इस प्रकार यह प्रणाली निरंतर वेग पर चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से कुंडली को खींचने के लिए कुंडली में धारा को $$v$$ द्वारा नियंत्रित करता है, कुडलीस्थिति और वेग मापन सर्किटरी वेग को निर्धारित करने और इसे बनाए रखने के लिए आवश्यक धारा को नियंत्रित करने के लिए सही घड़ी इनपुट के साथ इंटरफेरोमीटर का उपयोग करता है। जोसेफसन जंक्शन वोल्टेज मानक और एकीकृत वोल्टमीटर युक्त एम्मिटर का उपयोग करके आवश्यक धारा को मापा जाता है।

इस प्रकार चलते समय $$U$$ प्रणाली मापता है, तथा प्रणाली कुंडली को धारा देना बंद कर देता है। यह काउंटरसंतुलन को कुंडली (और द्रव्यमान) को चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से ऊपर की ओर खींचने की अनुमति देता है, जिससे कुंडली में वोल्टेज अंतर होता है। इस प्रकार वेग मापन परिपथ कुंडली की गति की गति को मापता है। यह वोल्टेज उसी वोल्टेज मानक और एकीकृत वोल्टमीटर का उपयोग करके मापा जाता है।

इस प्रकार विशिष्ट किबल के संतुलन को $$U$$, $$I$$, और $$v$$ द्वारा मापा जाता है, किन्तु स्थानीय गुरुत्वाकर्षण त्वरण $$g$$ को नहीं मापता है, क्योंकि $$g$$ समय के साथ तेजी से नहीं बदलता रहता हैं। इसके अतिरिक्त, $$g$$ अत्यधिक सही और सही ग्रेविमीटर का उपयोग करके उसी प्रयोगशाला में मापा जाता है। इस प्रकार इसके अतिरिक्त, संतुलन अत्यधिक सही और सही आवृत्ति संदर्भ पर निर्भर करता है जैसे वोल्टेज और धारा की गणना करने के लिए परमाणु घड़ी का उपयोग किया जाता हैं। इस प्रकार, द्रव्यमान माप की सहीता और सहीता किबल संतुलन, ग्रेविमीटर और घड़ी पर निर्भर करती है।

प्रारंभिक परमाणु घड़ियों की तरह, प्रारंभिक किबल संतुलन तरह का प्रायोगिक उपकरण थे और बड़े, महंगे और कमजोर थे। 2019 तक, मानक उपकरणों को कीमतों पर तैयार करने के लिए कार्य चल रहा है जो किसी भी मेट्रोलॉजी प्रयोगशाला में उपयोग की अनुमति देता है जिसके लिए द्रव्यमान के उच्च-सही माप की आवश्यकता होती है।

इस प्रकार साथ ही बड़े किबल संतुलन, माइक्रोफैब्रिकेटेड या एमईएमएस वाट संतुलन (जिसे अब किबल संतुलन कहा जाता है) का प्रदर्शन किया गया है। लगभग 2003 के बाद से। ये माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और एक्सीलरोमीटर में उपयोग किए जाने वाले समान सिलिकॉन डाइ पर गढ़े गए हैं, और विद्युत और ऑप्टिकल माप के माध्यम से एसआई-परिभाषित भौतिक स्थिरांक के लिए नैनोन्यूटन से माइक्रोन्यूटन रेंज में छोटे बलों को मापने में सक्षम हैं। इस प्रकार उनके छोटे पैमाने के कारण, एमईएमएस किबल संतुलन अतिरिक्त बड़े उपकरणों में प्रयुक्त आगमनात्मक बलों के अतिरिक्त इलेक्ट्रोस्टैटिक का उपयोग करते हैं। पार्श्व और मरोड़ वेरिएंट का भी प्रदर्शन किया गया है, मुख्य अनुप्रयोग (2019 तक) परमाणु बल माइक्रोस्कोप के अंशांकन में है। कई टीमों द्वारा सही माप उनके परिणामों को औसत करने में सक्षम बनाता है और इसलिए प्रायोगिक त्रुटि को कम करता है।

माप
पारंपरिक विद्युत इकाइयों (एसआई इकाइयों के अतिरिक्त) में विद्युत प्रवाह और संभावित अंतर का सही मापन किया जाता है, जो कि जोसेफसन स्थिरांक KJ-1990 और वॉन क्लिट्ज़िंग स्थिरांक RK-1990 की निश्चित पारंपरिक विद्युत इकाई पर आधारित हैं। इस प्रकार $$K_\text{J-90}$$ और $$R_\text{K-90}$$ क्रमशः धारा किबल संतुलन प्रयोग SI इकाइयों में पारंपरिक वाट के मान को मापने के बराबर हैं। इस प्रकार परंपरागत वाट की परिभाषा से, यह उत्पाद के मूल्य को मापने के बराबर है, इस प्रकार $$K_\text{J}^2 R_\text{K}$$ पारंपरिक विद्युत इकाइयों में इसके निश्चित मान के अतिरिक्त SI इकाइयों में:
 * $$\frac{1}{K_\text{J}^2 R_\text{K}} = \frac{1}{K_\text{J-90}^2 R_\text{K-90}} \frac{\{mgv\}_\text{W}}{ \{UI \}_{W_{90}}}.$$

ऐसे मापों का महत्व यह है कि वे प्लैंक स्थिरांक का प्रत्यक्ष माप भी हैं $$h$$:
 * $$h = \frac{4}{K_\text{J}^2 R_\text{K}}.$$

इस प्रकार इलेक्ट्रॉनिक किलोग्राम का सिद्धांत प्लैंक स्थिरांक के मान पर निर्भर करता है, जो कि 2019 तक सही मान घोषित किया गया है। यह मीटर के समान है जिसे प्रकाश की गति से परिभाषित किया जा रहा है। सही रूप से परिभाषित स्थिरांक के साथ, किबल संतुलन प्लैंक स्थिरांक को मापने के लिए उपकरण नहीं है, जबकि यह द्रव्यमान को मापने के लिए उपकरण है:
 * $$m = \frac{UI}{gv}.$$

यह भी देखें

 * गौई संतुलन

बाहरी संबंध

 * Bureau International des Poids et Mesures
 * Swiss Federal Office of Metrology
 * Bureau International des Poids et Mesures
 * Swiss Federal Office of Metrology