Весы Киббла (ватт-весы)

Весами Киббла или ватт-весами называют прибор для установления соотношения между массой и электрической мощностью. Весы названы в честь британского ученого Киббла, предложившего такой метод.

Такие весы использовались с середины 1970-х годов для измерения величины постоянной Планка. В 21 веке используются для определения нового эталона килограмма.

Решение о переопределении килограмма через постоянную Платка было принято на 16-й Генеральной конференции по мерам и весам (13 — 16 ноября 2018 года). Оно вступило в силу 20 мая 2019 года.

Что послужило причиной такого решения. Платино-иридиевый эталон килограмма в форме цилиндра, почти 130 лет хранящийся в Париже, под влиянием физических процессов со временем начал изменять свою массу. Какими бы ни были идеальными условия хранения цилиндра, по отношению к национальным эталонам-копиям международный прототип «похудел», как выражаются специалисты, на 50 мкг. Такая тенденция, в свою очередь, способна привести к последствиям, влияющим на точность измерений. Таким образом, возникла потребность взять за основу определения килограмма фиксированное значение постоянной Планка.

По какому принципу действуют весы Киббла? Принцип работы весов Киббла, как и любых других весов, основан на уравновешивании двух сил. Особенность именно этих весов заключается в том, что вес исследуемой массы компенсируется силой Лоренца – силой, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током. Измерения проводятся в два этапа. На первом, как и производится указанное уравновешивание, и для определения массы оказывается необходимым вычислять произведение величины магнитного поля на длину проводника с током. Поскольку точность измерения этих двух величин невысока, проводят второй этап измерений, который позволяет исключить их из конечной формулы вычисления массы. Вместо уравновешивания массы ей позволяют двигаться в том же магнитном поле и за счет уже другого эффекта – эффекта Фарадея – на концах проводника возникает напряжение. В итоге оказывается, что масса определяется током, измеренным на первом этапе, напряжением и скоростью, измеренными на втором этапе и ускорением свободного падения. Скорость можно измерить с огромной точностью с помощью лазерных интерферометров, а ускорение свободного падения – с помощью гравиметров.

На начало 2019 г. в России пока такие весы Киббла (или ватт-весы) не изобретены. В переопределенной системе единиц СИ не будут задаваться конкретные методы реализации основных единиц. Можно будет использовать любые методы, обеспечивающие необходимую точность и прослеживаемость к соответствующей константе. Но, к сожалению, на реализацию этих методов может потребоваться достаточное количество времени. Известно, что российская копия международного прототипа килограмма, которая является частью Государственного первичного эталона единицы массы, будет выполнять свои функции ещё 5 лет. Последние сличения состоялись в 2014 году и необходимость его перекалибровки появится не раньше 2024 — 2029 гг. К этому сроку в России планируется осуществить необходимый комплекс мероприятий по определению единицы массы через постоянную Планка и созданию ватт-весов, на которых будут «взвешивать» новый килограмм.

При использовании материала с сайтов:
www.wikipedia.org,
www.ifmo.ru