Wie kann eine Lego-Version einer Kibble-Waage die Planck-Konstante messen?

Wie das Bild unten zeigt

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Bei einer Kibble-Waage kann man die Messunsicherheit auslassen B (magnetische Flussstärke) und L (Länge der Spule) durch die Verwendung von zwei Modi, Kraftmodus und Geschwindigkeitsmodus.

Und der Wert der Spannung und des elektrischen Stroms (Widerstand) wird durch den Josephson-Effekt und den Quanten-Hall-Effekt bestimmt; Diese beiden Phänomene ermöglichen die Messung elektrischer Größen in Bezug auf die Planck-Konstante mit der für die Wattbilanz und Neudefinition erforderlichen Genauigkeit.

Daher messen wir vor der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) am 16. November 2018 in Versailles, Frankreich, die Planck-Konstante unter Verwendung einer bekannten Referenzmasse, wie Le Grand K. Und auf der BIPM am 16. November 2018 die Planck-Konstante, gemäß der ISO-Norm festgelegt wurde 6.626070150 × 10 − 34 J ⋅ S Exakt.

Das heißt, vor der Neudefinition von Einheiten im Jahr 2018 wird die Gleichung im roten Rechteck zum Messen verwendet H von einer auf das IPK rückverfolgbaren Masse. Nach der Neudefinition wird die Gleichung verwendet, um die Definition des Kilogramms aus einem festen Wert von zu realisieren H in Joule-Sekunden.

Und ich sah eine Kibble-Waage in Lego-Version, entworfen von NIST-Leuten, über die in der Zeitung berichtet wurde

  • Eine LEGO-Wattwaage: Ein Apparat zur Bestimmung einer Masse basierend auf dem neuen SI. LS Chaoet al. Bin. J. Phys. 83 , 913 (2015) ; LS Chao, S. Schlamminger, DB Newell und JR Pratt

welche Staaten

Vor der Neudefinition von Einheiten im Jahr 2018 wird die Gleichung [...] zur Messung verwendet H von einer auf das IPK rückverfolgbaren Masse. Nach der Neudefinition wird die Gleichung [...] verwendet, um die Definition des Kilogramms aus einem festen Wert von zu realisieren H in Joule-Sekunden.

In einem Klassenzimmer sind quantenelektrische Standards normalerweise nicht verfügbar. Die Messung der Planck-Konstante ist jedoch aufgrund der Struktur des heutigen Einheitensystems dennoch möglich. Während für die meisten Messungen das SI verwendet wird, wird seit 1990 weltweit für fast alle elektrischen Messungen ein anderes Einheitensystem verwendet. Für diese sogenannten konventionellen Einheiten wurden die Josephson- und von Klitzing-Konstanten auf nach bestem Wissen angepasste Werte festgelegt 1989. Diese festen Werte werden als „konventionelle Josephson“- und „konventionelle von Klitzing“-Konstanten bezeichnet und abgekürzt K J – 90 Und R K – 90 , bzw. Seit 1990 werden fast alle elektrischen Messungen in konventionellen Einheiten kalibriert. Durch den Vergleich der elektrischen Leistung in konventionellen Einheiten mit der mechanischen Leistung in SI-Einheiten, H bestimmt werden kann.

Wie ist das zu verstehen?

Ich verstehe nicht wirklich, welche Art von Klassenraum die Leute bei NIST im Sinn hatten. Leider ist die neue Definition des kg in der Schule nicht erklärbar.

Antworten (2)

Grundsätzlich wurde seit 1990 der Großteil aller elektrischen Messgeräte auf Messungen kalibriert, die auf feste Werte rückführbar sind H Und e . Wenn wir über die Neudefinition der SI-Einheiten auf der elektrischen Seite sprechen, ist dies am besten so zu verstehen, dass diese zuvor Nicht-SI-Einheiten einfach in den vollen SI-Status erhoben werden. (Weitere Details finden Sie in diesem größeren Thread .)

Wenn Sie die Messung in Chao et al. Papier, Sie vergleichen zwei Leistungsmessungen, die auf zwei verschiedene Standards rückführbar sind:

  • Auf der einen Seite messen Sie die mechanische Leistung mit einem Testgewicht, dessen Masse auf das IPK rückführbar ist.
  • Auf der anderen Seite messen Sie die elektrische Leistung mit elektrischen Messgeräten, deren Kalibrierung auf die herkömmlichen elektrischen Einheiten, dh auf rückführbar ist K J - 90 Und R K - 90 .

Die Verbindung zu H erfolgt über letzteres, da Ihre elektrische Ausrüstung auf einen festen (wenn auch nicht SI-) Wert von kalibriert wurde H . Durch Vergleich dieses Werts mit einer Messung einer identischen Größe, die ausschließlich mit SI-rückführbaren Messungen von Masse, Geschwindigkeit und Zeit durchgeführt wurde.

Letztendlich haben Sie in einem Klassenzimmer natürlich so viel Präzision in der Kalibrierungskette auf beiden Seiten verloren, dass Sie wahrscheinlich nicht mehr als zwei signifikante Zahlen aus dem Prozess herausholen werden (ihr Ergebnis, H / H 90 = 0,998 , scheint mir etwas präziser zu sein als das, was Sie in einem normalen Klassenzimmer tun können). Aber die Rückverfolgbarkeitsprinzipien erscheinen mir solide.

Die von der LEGO Kibble-Waage bereitgestellte Messung stellt KEINEN primären Massenstandard dar. Dies liegt daran, dass die Messung in keiner Weise direkt mit der Planckschen Konstante zusammenhängt H .

Vielmehr behaupten die Autoren, dass Volt- und Amperemeter zur Messung der Spannungen und Ströme in der Lego-Maschine verwendet werden H - rückführbar, indem sie auf Standards kalibriert wurden, die punktuell auf Standards kalibriert wurden ... die in einer Weise kalibriert wurden, die mit dem Josephson-Effekt verwandt war.

Das Beeindruckende an der LEOG-Kibble-Waage ist, dass sie pädagogisch demonstrieren kann, wie die komplexen Kibble-Waagen funktionieren, die in fortgeschrittenen metrologischen Labors verwendet werden, und dass sie überraschend genau ist.

Wie kann eine Lego-Version einer Kibble-Waage die Planck-Konstante messen?
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