Недавно я написал статью о том, что килограмм был переопределен, там я рассказал какие были к этому предпосылки, если интересно, то почитайте. Вы проявили интерес, по поводу того, как именно произошло это переопределение. Сейчас я постараюсь объяснить, какие физические принципы были использованы.
Внимание, тяжелый контент, лучше пойти заварить чаек.
Небольшое отступление.
У одного человека возник хороший вопрос. Почему у основной единицы измерения массы в си - килограмма, стоит приставка кило? Все дело в истории. Вообще, первоначально единица измерения массы называлась гравом (французский), и равнялась она весу куба, со стороной в 0.1 метра, воды при температуре 0 по Цельсию. И это название очень похоже на название титула - граф.
Когда началась французская революция, то люди были против, чтобы одна единица си была "главнее" остальных. И тогда, новое правительство решило сделать его менее благородным и уменьшить его значение в 1000 раз, и дали ему название грамм. Ну и само собой, позже они поняли, что использовать граммы в обиходе крайне не удобно. Тогда они решили вернуться к старой единице измерения, но название было дано исходя из используемых приставок в СИ. Так и родился знакомый нам килограмм.
А теперь к теме.
Определение килограмма было дано через постоянную Планка, но как? Для этого использовались весы Киббла. Давайте поймем, как все это происходит.
Вообще, весы Киббла предназначены для определения соотношения массы и развиваемой электромагнитной мощности.
Все взвешивание происходит в левой части. Масса, которую необходимо найти, помещается на mass pan, после сила тяжести (m*g) уравновешивается с электромагнитной силой(B*I*L), развиваемой в катушке.
В качестве исследуемой массы брался все тот же эталонный килограмм. Для получения достоверных данных, необходимо, чтобы все величины, входящие в уравнения были в достаточной мере известны.
Для точного определения гравитационной постоянной g, составлялась гравитационная карта помещения, в котором производились измерения. Делалось это с помощью устройства, называемым гравиметром. Описание работы этого устройства выходит за рамки этой статьи, но если вам интересно, я могу составить отдельный материал по этому поводу.
Значительные сложности возникают при определении индукции магнитного поля B и длины катушки L. Для решения этой проблемы у весов Киббла предусмотрен другой режим работы - режим скорости, при этом с чаши mass pan убирается эталон килограмма.
При таком режиме используется мотор, который расположен справа. Он с постоянной скоростью перемешает катушку в магнитном поле. Таким образом в ней индуцируется электродвижущая сила U, которая равняется BLV, где V- это скорость катушки. Выразив отсюда произведение BL=U/V, мы можем переписать уравнение в следующем виде: mg=IU/V, или mgV=IU.
Далее нам необходимо измерить напряжение, которое индуцируется в катушке. Осуществляется это с помощью джозефсоновского перехода. Это явление основано на протекании туннельного тока через диэлектрик, помещенный между двумя сверхпроводниками при пропускании через него электромагнитного излучения. Вся прелесть такого перехода состоит в том, что напряжение на таком элементе можно совершенно точно измерить, подбирая необходимую частоту. hf=2eU, отсюда U=hf/2e.(e - заряд электрона)
Таким образом, соединяя последовательно множество таких переходов, можно получить желаемое напряжение.
Далее его нужно уравновесить с ЭДС катушки, как именно это происходит в установке, мне не известно, но я предполагаю, что осуществить это можно с помощью измерительного моста.
Ток мы можем найти таким же способом, выразив его через напряжение I=U/R. Как измерять напряжение мы уже знаем, а вот сопротивление можно измерить с помощью квантового эффекта Холла. Весьма сложный эффект. Вам нужно понять лишь то, что при протекании тока через проводник, находящийся в магнитном поле, возникает разность потенциалов поперечная проходящему току. И далее после нетривиальных преобразований, можно получить, что холловское сопротивление в нашем случае будет равняться h/(pi*e^2)
Собираем все воедино
В итоге, у нас получится следующая формула:
Где g-гравитационная постоянная, n-число джозефсоновских переходов, V-скорость движения катушки, f-частота излучения, испускаемого на джозефсоновский переход, m-эталонный килограмм.
Таким образом мы получили четкое соответствие постоянной планка и килограмма.
Такая вот получилась статья. Поддержите лайком, если вам было интересно. Если вы впервые тут, то не забывайте подписываться на канал, тут вас ждет еще очень много интересного!