किबल संतुलन

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राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान -4 किबल बैलेंस, जिसने 2015 की शुरुआत में पूर्ण संचालन शुरू किया, ने 2017 में प्लैंक के स्थिरांक को 13 भागों प्रति बिलियन के भीतर मापा, जो कि किलोग्राम की एसआई आधार इकाइयों की 2019 की पुनर्परिभाषा में सहायता करने के लिए पर्याप्त सटीक था।

किबल बैलेंस एक इलेक्ट्रोमेकैनिकल मापने वाला उपकरण है जो एक क्षतिपूर्ति बल उत्पन्न करने के लिए आवश्यक विद्युत प्रवाह और वोल्टेज द्वारा परीक्षण वस्तु के वजन को बहुत सटीक रूप से मापता है। यह एक मैट्रोलोजी उपकरण है जो भौतिक स्थिरांक के आधार पर द्रव्यमान की किलोग्राम इकाई की परिभाषा को महसूस कर सकता है।

इसे मूल रूप से वाट संतुलन कहा जाता था क्योंकि परीक्षण द्रव्यमान का वजन वर्तमान और वोल्टेज के उत्पाद के समानुपाती होता है, जिसे वाट में मापा जाता है। जून 2016 में, इसके आविष्कारक, ब्रायन किबल की मृत्यु के दो महीने बाद, वजन और माप के लिए अंतर्राष्ट्रीय समिति की इकाइयों की सलाहकार समिति के मेट्रोलॉजिस्ट उनके सम्मान में डिवाइस का नाम बदलने पर सहमत हुए। 2019 से पहले, किलोग्राम की परिभाषा एक 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 वज़न और माप पर सामान्य सम्मेलन (सीजीपीएम) ने इस परिभाषा को एक किब्बल संतुलन के उपयोग के आधार पर एक के साथ बदलने के लिए सटीकता 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

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1927 में यूएस राष्ट्रीय मानक ब्यूरो (अब नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी) में प्रेसिजन एम्पीयर बैलेंस। वर्तमान कॉइल बैलेंस के नीचे दिखाई दे रहे हैं, जो सही बैलेंस आर्म से जुड़ा हुआ है। किब्बल बैलेंस एम्पीयर बैलेंस का विकास है।

किब्बल बैलेंस एम्पीयर संतुलन का एक अधिक सटीक संस्करण है, एक प्रारंभिक इलेक्ट्रिक करंट मापने वाला उपकरण जिसमें तार के दो करंट-ले जाने वाले कॉइल के बीच बल (भौतिकी) को मापा जाता है और फिर करंट के परिमाण की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है। किब्बल संतुलन विपरीत अर्थों में संचालित होता है; IPK या किसी भौतिक वस्तु का सहारा लिए बिना द्रव्यमान को मापने के लिए कॉइल में धारा को प्लैंक स्थिरांक की परिभाषा का उपयोग करके मापा जाता है। 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 सटीक रूप से मापकर की जाती है। इस प्रकार वस्तु के द्रव्यमान को करंट और वोल्टेज के रूप में परिभाषित किया जाता है - एक इलेक्ट्रॉनिक किलोग्राम।

उत्पत्ति

किब्बल बैलेंस 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 था। एम्पीयर बैलेंस विधि की मुख्य कमजोरी यह है कि परिणाम उस सटीकता पर निर्भर करता है जिसके साथ कॉइल के आयामों को मापा जाता है। किब्बल बैलेंस अनिश्चितता के मुख्य स्रोत को हटाते हुए कॉइल की ज्यामिति के प्रभाव को रद्द करने के लिए एक 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 शामिल है। 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। इन सिद्धांतों का उपयोग करते हुए ब्रायन किबल और इयान रॉबिन्सन ने किबल मार्क II संतुलन का आविष्कार किया, जो 1990 में एक गोलाकार कुंडल का उपयोग करता है और निर्वात स्थितियों में संचालित होता है। संतुलन के इस मार्क टू संस्करण को बनाने के लिए ब्रायन किबल ने इयान रॉबिन्सन और जेनेट बेलिस के साथ काम किया। द्रव्यमान की SI इकाई: किलोग्राम की पुनर्परिभाषा में उपयोग के लिए पर्याप्त सटीक माप के लिए इस डिज़ाइन की अनुमति है। 2009 में नेशनल फिजिकल लेबोरेटरी से उत्पन्न होने वाले किबल बैलेंस को कनाडा का राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद (NRC) में स्थानांतरित कर दिया गया, जहां दो प्रयोगशालाओं के वैज्ञानिकों ने उपकरण को परिष्कृत करना जारी रखा। 2014 में, एनआरसी शोधकर्ताओं ने उस समय प्लैंक स्थिरांक का सबसे सटीक माप प्रकाशित किया, जिसमें 1.8 की सापेक्ष अनिश्चितता थी।×10⁻⁸. एनआरसी शोधकर्ताओं द्वारा एक 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 बैलेंस 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 आयोजित किए जाते हैं। hatches, फ्रांस में निबंध (एलएनई)।

सिद्धांत

लंबाई का एक संवाहक तार $L$ जिसमें विद्युत धारा प्रवाहित होती है $I$ शक्ति के एक चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत $B$ इन चरों के उत्पाद के बराबर लोरेंत्ज़ बल का अनुभव करता है। किब्बल संतुलन में, धारा भिन्न होती है ताकि यह बल भार का प्रतिकार करे $w$ एक द्रव्यमान का $m$ मापा जाना। यह सिद्धांत एम्पीयर बैलेंस से लिया गया है। $w$ द्रव्यमान द्वारा दिया जाता है $m$ स्थानीय गुरुत्वाकर्षण त्वरण से गुणा $g$. इस प्रकार,

$w=mg=BLI.$ किबल बैलेंस मापने की समस्या से बचाता है $B$ और $L$ दूसरे अंशांकन चरण में। एक ही तार (व्यवहार में, एक कुंडल) एक ज्ञात गति से एक ही चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से चला जाता है $v$. फैराडे के प्रेरण के कानून द्वारा, एक संभावित अंतर $U$ तार के सिरों पर उत्पन्न होता है, जो बराबर होता है $BLv$. इस प्रकार

$U=BLv.$ अज्ञात उत्पाद $BL$ देने के लिए समीकरणों से हटाया जा सकता है

$UI=mgv.$

$m=UI/gv.$

साथ $U$, $I$, $g$, और $v$ सटीक रूप से मापा जाता है, यह इसके लिए एक सटीक मान देता है $m$. समीकरण के दोनों पक्षों में शक्ति (भौतिकी) के आयाम हैं, जिन्हें इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ यूनिट्स में वाट में मापा जाता है; इसलिए मूल नाम वाट संतुलन। उत्पाद $BL$, जिसे ज्यामितीय कारक भी कहा जाता है, दोनों अंशांकन चरणों में तुच्छ रूप से समान नहीं है। कॉइल पर कुछ स्थिरता स्थितियों के तहत ज्यामितीय कारक केवल स्थिर होता है।

कार्यान्वयन

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वजनी मोड

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मूविंग मोड

किबल बैलेंस का निर्माण किया जाता है ताकि द्रव्यमान को मापा जा सके और वायर कॉइल को बैलेंस स्केल के एक तरफ से दूसरी तरफ काउंटरबैलेंस मास के साथ निलंबित कर दिया जाए। सिस्टम दो मोड के बीच बारी-बारी से संचालित होता है: वजन और हिलना। वायु उछाल के प्रभावों को दूर करने के लिए संपूर्ण यांत्रिक उपतंत्र एक निर्वात कक्ष में संचालित होता है।

वजन करते समय, सिस्टम दोनों को मापता है $I$ और $v$. सिस्टम निरंतर वेग पर चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से कॉइल को खींचने के लिए कॉइल में करंट को नियंत्रित करता है $v$. कुंडल स्थिति और वेग मापन सर्किटरी वेग को निर्धारित करने और इसे बनाए रखने के लिए आवश्यक वर्तमान को नियंत्रित करने के लिए एक सटीक घड़ी इनपुट के साथ एक इंटरफेरोमीटर का उपयोग करता है। जोसेफसन जंक्शन वोल्टेज मानक और एक एकीकृत वोल्टमीटर युक्त एम्मिटर का उपयोग करके आवश्यक वर्तमान को मापा जाता है।

चलते समय, सिस्टम मापता है $U$. सिस्टम कॉइल को करंट देना बंद कर देता है। यह काउंटरबैलेंस को कॉइल (और द्रव्यमान) को चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से ऊपर की ओर खींचने की अनुमति देता है, जिससे कॉइल में वोल्टेज अंतर होता है। 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।

एक विशिष्ट किबल संतुलन मापता है $U$, $I$, और $v$, लेकिन स्थानीय गुरुत्वाकर्षण त्वरण को मापता नहीं है $g$, क्योंकि $g$ समय के साथ तेजी से नहीं बदलता। बजाय, $g$ अत्यधिक सटीक और सटीक ग्रेविमीटर का उपयोग करके उसी प्रयोगशाला में मापा जाता है। इसके अलावा, संतुलन अत्यधिक सटीक और सटीक आवृत्ति संदर्भ पर निर्भर करता है जैसे वोल्टेज और वर्तमान की गणना करने के लिए परमाणु घड़ी। इस प्रकार, द्रव्यमान माप की सटीकता और सटीकता किबल संतुलन, ग्रेविमीटर और घड़ी पर निर्भर करती है।

शुरुआती परमाणु घड़ियों की तरह, शुरुआती किब्बल बैलेंस एक तरह का प्रायोगिक उपकरण थे और बड़े, महंगे और नाजुक थे। 2019 तक, मानक उपकरणों को कीमतों पर तैयार करने के लिए काम चल रहा है जो किसी भी मेट्रोलॉजी प्रयोगशाला में उपयोग की अनुमति देता है जिसके लिए द्रव्यमान के उच्च-सटीक माप की आवश्यकता होती है। साथ ही बड़े किबल बैलेंस, माइक्रोफैब्रिकेटेड या एमईएमएस वाट बैलेंस (जिसे अब किबल बैलेंस 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। उनके छोटे पैमाने के कारण, एमईएमएस किब्बल संतुलन आमतौर पर बड़े उपकरणों में प्रयुक्त आगमनात्मक बलों के बजाय 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 सटीक 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 बजाय) में विद्युत प्रवाह और संभावित अंतर का सटीक मापन किया जाता है, जो कि जोसेफसन स्थिरांक #KJ-1990 और वॉन क्लिट्ज़िंग स्थिरांक #RK-1990 की निश्चित पारंपरिक विद्युत इकाई पर आधारित हैं। $K_{\text{J-90}}$ और $R_{\text{K-90}}$ क्रमश। वर्तमान किब्बल संतुलन प्रयोग SI इकाइयों में पारंपरिक वाट के मान को मापने के बराबर हैं। परंपरागत वाट की परिभाषा से, यह उत्पाद के मूल्य को मापने के बराबर है $K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}$ पारंपरिक विद्युत इकाइयों में इसके निश्चित मान के बजाय 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 $h$:

$h={\frac {4}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}.$

इलेक्ट्रॉनिक किलोग्राम का सिद्धांत प्लैंक स्थिरांक के मान पर निर्भर करता है, जो कि 2019 तक एक सटीक मान है। यह मीटर के समान है जिसे प्रकाश की गति से परिभाषित किया जा रहा है। सटीक रूप से परिभाषित स्थिरांक के साथ, किबल बैलेंस प्लैंक स्थिरांक को मापने के लिए एक उपकरण नहीं है, बल्कि यह द्रव्यमान को मापने के लिए एक उपकरण है:

$m={\frac {UI}{gv}}.$

यह भी देखें

• गौई संतुलन

बाहरी संबंध

• Steiner, Richard L.; Williams, Edwin R.; Newell, David B.; Liu, Ruimin (2005). "Towards an electronic kilogram: An improved measurement of the Planck constant and electron mass". Metrologia. 42 (5): 431–441. doi:10.1088/0026-1394/42/5/014.
• Schwarz, J.P.; Liu, R.M.; Newell, D.B.; Steiner, R.L.; Williams, E.R.; Smith, D.; Erdemir, A.; Woodford, J. (2001). "Hysteresis and related error mechanisms in the NIST watt balance experiment". Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 106 (4): 627–40. doi:10.6028/jres.106.028. PMC 4862827. PMID 27500039.
• Bureau International des Poids et Mesures
• Swiss Federal Office of Metrology