Solde de croquettes - Kibble balance

La balance NIST -4 Kibble, qui a commencé à fonctionner à plein régime au début de 2015, a mesuré la constante de Planck à 13 parties par milliard près en 2017, ce qui était suffisamment précis pour aider à la redéfinition 2019 du kilogramme .

Une balance Kibble est un instrument de mesure électromécanique qui mesure le poids d'un objet de test très précisément par le courant électrique et la tension nécessaires pour produire une force de compensation. C'est un instrument métrologique qui peut réaliser la définition de l' unité de masse kilogramme basée sur des constantes fondamentales.

On l'appelait à l'origine la balance du watt car le poids de la masse d'essai est proportionnel au produit du courant et de la tension, qui est mesuré en watts . En juin 2016, deux mois après la mort de son inventeur, Bryan Kibble , les métrologues du Comité consultatif des unités du Comité international des poids et mesures ont accepté de renommer l'appareil en son honneur.

Avant 2019, la définition du kilogramme était basée sur un objet physique connu sous le nom de prototype international du kilogramme (IPK). Après avoir envisagé des alternatives , en 2013, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a convenu de critères de précision pour remplacer cette définition par une autre basée sur l'utilisation d'une balance à croquettes. Une fois ces critères atteints, la CGPM a voté à l'unanimité le 16 novembre 2018 la modification de la définition du kilogramme et de plusieurs autres unités , à compter du 20 mai 2019, pour coïncider avec la Journée mondiale de la métrologie .

Concevoir

Balance de précision Ampere au US National Bureau of Standards (maintenant NIST ) en 1927. Les bobines de courant sont visibles sous la balance, attachée au bras droit de la balance. La balance Kibble est une évolution de la balance Ampère.

La balance Kibble est une version plus précise de la balance d'ampères , un ancien instrument de mesure de courant dans lequel la force entre deux bobines de fil porteuses de courant est mesurée puis utilisée pour calculer l'amplitude du courant. La balance Kibble fonctionne dans le sens inverse ; le courant dans les bobines est mesuré en utilisant la définition de la constante de Planck pour "mesurer la masse sans recourir à l'IPK ou à aucun objet physique". La balance détermine le poids de l'objet ; puis la masse est calculée en mesurant avec précision la gravité locale de la Terre (l'accélération nette combinant les effets gravitationnels et centrifuges) avec un gravimètre . Ainsi la masse de l'objet est définie en termes de courant et de tension — un « kilogramme électronique ».

Origine

Le principe utilisé dans la balance Kibble a été proposé par Bryan Kibble du UK National Physical Laboratory (NPL) en 1975 pour la mesure du rapport gyromagnétique .

La principale faiblesse de la méthode d'équilibrage des ampères est que le résultat dépend de la précision avec laquelle les dimensions des bobines sont mesurées. La balance Kibble utilise une étape d'étalonnage supplémentaire pour annuler l'effet de la géométrie des bobines, éliminant ainsi la principale source d'incertitude. Cette étape supplémentaire consiste à déplacer la bobine de force à travers un flux magnétique connu à une vitesse connue. Cette étape a été réalisée pour la première fois en 1990.

La balance Kibble provenant du Laboratoire national de physique a été transférée au Conseil national de recherches du Canada (CNRC) en 2009, où les scientifiques des deux laboratoires ont continué à perfectionner l'instrument. En 2014, des chercheurs du CNRC ont publié la mesure la plus précise de la constante de Planck à ce moment-là, avec une incertitude relative de 1,8 × 10 ^{− 8} . Un document final des chercheurs du CNRC a été publié en mai 2017, présentant une mesure de la constante de Planck avec une incertitude de seulement 9,1 parties par milliard, la mesure avec la moins d'incertitude à cette date. D'autres expériences de balance à croquettes sont menées au National Institute of Standards and Technology (NIST), à l' Office fédéral suisse de métrologie (METAS) à Berne, au Bureau international des poids et mesures (BIPM) près de Paris et au Laboratoire national de métrologie et d 'essais (LNE) à Trappes , France.

Principe

Un fil conducteur de longueur L qui transporte un courant électrique I perpendiculaire à un champ magnétique de force B subit une force de Lorentz égale au produit de ces variables. Dans la balance Kibble, le courant est varié de sorte que cette force contrecarre le poids w d'une masse m à mesurer. Ce principe est dérivé de la balance des ampères. w est donné par la masse m multipliée par l' accélération gravitationnelle locale g . Ainsi,

${\style d'affichage w=mg=BLI.}$

La balance Kibble évite les problèmes de mesure de B et L dans une deuxième étape de calibration. Le même fil (en pratique, une bobine) est déplacé dans le même champ magnétique à une vitesse connue v . Par la loi d'induction de Faraday , une différence de potentiel U est générée aux extrémités du fil, qui est égale à BLv . Ainsi

${\displaystyle U=BLv.}$

Le produit inconnu BL peut être éliminé des équations pour donner

${\displaystyle UI=mgv.}$

${\displaystyle m=UI/gv.}$

Avec U , I , g et v mesurés avec précision, cela donne une valeur précise pour m . Les deux côtés de l'équation ont les dimensions de la puissance , mesurée en watts dans le système international d'unités ; d'où le nom original de « balance du watt ».

Mise en œuvre

Mode de pesée

Mode de déplacement

La balance Kibble est construite de manière à ce que la masse à mesurer et la bobine de fil soient suspendues d'un côté d'une balance, avec une masse d'équilibrage de l'autre côté. Le système fonctionne en alternant entre deux modes : « pesage » et « déplacement ». L'ensemble du sous-système mécanique fonctionne dans une chambre à vide pour éliminer les effets de la flottabilité de l'air.

Pendant la "pesée", le système mesure la composante "I" et la composante "v". Le système contrôle le courant dans la bobine pour tirer la bobine à travers un champ magnétique à une vitesse constante "v". Les circuits de mesure de la position et de la vitesse de la bobine utilisent un interféromètre ainsi qu'une entrée d'horloge de précision pour déterminer la vitesse et contrôler le courant nécessaire pour la maintenir. Le courant requis est mesuré à l'aide d'un ampèremètre comprenant un étalon de tension de jonction Josephson et un voltmètre intégrateur.

En "déplacement", le système mesure la composante "U". Le système cesse de fournir du courant à la bobine. Cela permet au contrepoids de tirer la bobine (et la masse) vers le haut à travers le champ magnétique, ce qui provoque une différence de tension à travers la bobine. Le circuit de mesure de vitesse mesure la vitesse de déplacement de la bobine. Cette tension est mesurée en utilisant le même étalon de tension et un voltmètre intégrateur.

Une balance Kibble typique mesure U, I et v, mais ne mesure pas l'accélération gravitationnelle locale "g", car "g" ne varie pas rapidement avec le temps. Au lieu de cela, "g" est mesuré dans le même laboratoire à l'aide d'un gravimètre très précis et précis . De plus, la balance dépend d'une référence de fréquence très précise et précise telle qu'une horloge atomique pour calculer la tension et l'ampérage. Ainsi, la précision et l'exactitude de la mesure de masse dépendent de la balance Kibble, du gravimètre et de l'horloge.

Comme les premières horloges atomiques, les premières balances Kibble étaient des dispositifs expérimentaux uniques en leur genre et étaient volumineuses, coûteuses et délicates. Dès 2019, des travaux sont en cours pour produire des appareils standardisés à des prix permettant une utilisation dans tout laboratoire de métrologie nécessitant une mesure de masse de haute précision.

En plus des grandes balances Kibble, des balances de watt microfabriquées ou MEMS (maintenant appelées balances Kibble) ont été démontrées depuis environ 2003. Elles sont fabriquées sur des matrices en silicium simples similaires à celles utilisées en microélectronique et dans les accéléromètres, et sont capables de mesurer de petites forces dans le gamme de nanonewton à micronewton traçable aux constantes physiques définies par SI via des mesures électriques et optiques. En raison de leur petite échelle, les balances MEMS Kibble utilisent généralement les forces électrostatiques plutôt que les forces inductives utilisées dans les instruments plus grands. Des variantes latérales et de torsion ont également été démontrées, la principale application (à partir de 2019) étant l'étalonnage du microscope à force atomique .

Des mesures

Des mesures précises de différence de courant et le potentiel électrique sont réalisés dans des unités électriques classiques (plutôt que les unités SI), qui sont basés sur fixes « valeurs classiques » de la constante de Josephson et la constante de von Klitzing , et respectivement. Les expériences actuelles de la balance Kibble équivalent à mesurer la valeur du watt conventionnel en unités SI. De la définition du watt conventionnel, cela équivaut à mesurer la valeur du produit K _J ² R _K en unités SI au lieu de sa valeur fixe en unités électriques conventionnelles : ${\displaystyle K_{\text{J-90}}}$${\displaystyle R_{\text{K-90}}}$

${\displaystyle {\frac {1}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}={\frac {1}{K_{\text{J-90}} ^{2}R_{\text{K-90}}}}{\frac {\{mgv\}_{\text{W}}}{\{UI\}_{W_{90}}}}. }$

L'importance de telles mesures est qu'elles sont aussi une mesure directe de la constante de Planck h :

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

Le principe du kilogramme électronique repose sur la valeur de la constante de Planck, qui est à partir de 2019 une valeur exacte. Ceci est similaire au mètre étant défini par la vitesse de la lumière . Avec la constante définie exactement, la balance Kibble n'est pas un instrument pour mesurer la constante de Planck, mais est plutôt un instrument pour mesurer la masse :

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

Voir également

• Solde de Gouy

Les références

Liens externes

• Steiner, Richard L.; Williams, Edwin R.; Newell, David B.; Liu, Ruimin (2005). « Vers un kilogramme électronique : Une mesure améliorée de la constante de Planck et de la masse des électrons » . Métrologie . 42 (5) : 431-441. doi : 10.1088/0026-1394/42/5/014 .
• Schwarz, juge de paix ; Liu, RM ; Newell, DB ; Steiner, RL ; Williams, urgence ; Smith, D.; Erdemir, A.; Woodford, J. (2001). "L'hystérésis et les mécanismes d'erreur associés dans l'expérience de la balance du watt du NIST" . Journal de recherche de l'Institut national des normes et de la technologie . 106 (4) : 627-40. doi : 10.6028/jres.106.028 . PMC  4862827 . PMID  27500039 .
• Bureau international des poids et mesures
• Office fédéral suisse de métrologie