¿Cómo puede una versión Lego de una balanza Kibble medir la constante de Planck?

Como muestra la imagen a continuación

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en una balanza Kibble, se puede eliminar la incertidumbre de medición de B (intensidad de flujo magnético) y L (longitud de la bobina) mediante el uso de dos modos, modo de fuerza y ​​modo de velocidad.

Y el valor de voltaje y corriente eléctrica (resistencia) está determinado por el efecto Josephson y el efecto Hall cuántico; estos dos fenómenos son los que permiten medir cantidades eléctricas en términos de la constante de Planck con la precisión requerida para el balance y redefinición de vatios.

Entonces, antes de la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) del 16 de noviembre de 2018 en Versalles, Francia, medimos la constante de Planck usando una masa de referencia conocida, como Le Grand K. Y, en el BIPM del 16 de noviembre de 2018, la constante de Planck, definido por la norma ISO, se fijó en 6.626070150 × 10 − 34 j ⋅ s exactamente.

Es decir, antes de la redefinición de unidades de 2018, la ecuación en el rectángulo rojo se usa para medir h de una masa trazable al IPK. Después de la redefinición, la ecuación se utilizará para realizar la definición del kilogramo a partir de un valor fijo de h en joule-segundos.

Y vi una balanza de croquetas en versión Lego, diseñada por gente del NIST, informada en el periódico.

  • Una balanza LEGO Watt: un aparato para determinar una masa basada en el nuevo SI. LS Chao et al. Soy. J. física. 83 , 913 (2015) ; LS Chao, S. Schlamminger, DB Newell y JR Pratt

Que estados

Antes de la redefinición de unidades de 2018, la ecuación [...] se usa para medir h de una masa trazable al IPK. Después de la redefinición, la ecuación [...] se utilizará para realizar la definición del kilogramo a partir de un valor fijo de h en joule-segundos.

En un salón de clases, los estándares eléctricos cuánticos generalmente no están disponibles. Sin embargo, todavía es posible medir la constante de Planck debido a la forma en que está estructurado el sistema de unidades actual. Si bien el SI se utiliza para la mayoría de las mediciones, desde 1990 se ha utilizado en todo el mundo un sistema diferente de unidades para casi todas las mediciones eléctricas. Para estas llamadas unidades convencionales, las constantes de Josephson y von Klitzing se fijaron en valores ajustados al mejor conocimiento en 1989. Estos valores fijos se denominan constantes “convencionales de Josephson” y “convencionales de von Klitzing” y se abrevian k j – 90 y R k – 90 , respectivamente. Desde 1990, casi todas las medidas eléctricas se calibran en unidades convencionales. Al comparar la potencia eléctrica en unidades convencionales con la potencia mecánica en unidades SI, h puede ser determinado.

¿Cómo entender esto?

Realmente no entiendo qué clase de aula tenía en mente la gente del NIST. Es lamentable que la nueva definición del kg sea inexplicable en la escuela.

Respuestas (2)

Básicamente, desde 1990, la mayor parte de todos los equipos de medición eléctrica han sido calibrados a mediciones que son trazables a valores fijos de h y mi . Cuando hablamos de redefinir las unidades SI, en el lado eléctrico, esto se entiende mejor como simplemente elevar esas unidades que antes no eran SI al estado SI completo. (Para más detalles ver este hilo más grande .)

Cuando estás haciendo la medición en Chao et al. papel, está haciendo una comparación entre dos medidas de potencia que se pueden rastrear a dos estándares diferentes:

  • Por un lado, está midiendo la potencia mecánica utilizando un peso de prueba cuya masa se puede rastrear hasta el IPK.
  • Por otro lado, está midiendo la energía eléctrica utilizando un equipo de medición eléctrica cuya calibración es trazable a las unidades eléctricas convencionales, es decir, a k j - 90 y R k - 90 .

la conexión a h es a través de este último, ya que su equipo eléctrico ha sido calibrado a un valor fijo (aunque no SI) de h . Comparando este valor con una medición de una cantidad idéntica realizada exclusivamente utilizando mediciones de masa, velocidad y tiempo rastreables por SI.

En última instancia, por supuesto, en un salón de clases, ha perdido tanta precisión en la cadena de calibración en ambos lados que es poco probable que obtenga más de dos cifras significativas del proceso (su resultado, h / h 90 = 0.998 , me parece que es bastante más preciso que lo que podrá hacer en un salón de clases normal). Pero los principios de trazabilidad me parecen sólidos.

La medida proporcionada por la balanza LEGO Kibble NO constituye un patrón de masa primario. Esto se debe a que la medida NO está directamente relacionada de ninguna manera con la constante de Planck. h .

Más bien, afirman los autores, los voltios y amperímetros utilizados para medir los voltajes y las corrientes en la máquina de Lego son h -Trazables en el sentido de que fueron calibrados a estándares que en un punto fueron calibrados a estándares... que fueron calibrados de una manera relacionada con el efecto Josephson.

Lo impresionante de la balanza LEOG Kibble es que puede demostrar pedagógicamente cómo funcionan las complejas balanzas Kibble utilizadas en laboratorios metrológicos avanzados y que es sorprendentemente precisa.

¿Cómo puede una versión Lego de una balanza Kibble medir la constante de Planck?
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