Una balanza Kibble (también conocida anteriormente como balanza Watt ) es un instrumento de medición electromecánico que mide el peso de un objeto de prueba con mucha precisión mediante la corriente eléctrica y el voltaje necesarios para producir una fuerza compensatoria. Es un instrumento metrológico que puede realizar la definición de la unidad de masa kilogramo en función de constantes fundamentales . [1] [2]
Originalmente se conocía como balanza de vatios porque el peso de la masa de prueba es proporcional al producto de la corriente por el voltaje, que se mide en vatios . En junio de 2016, dos meses después de la muerte de su inventor, Bryan Kibble , los metrólogos del Comité Consultivo de Unidades del Comité Internacional de Pesas y Medidas acordaron cambiar el nombre del dispositivo en su honor. [3] [4]
Antes de 2019, la definición del kilogramo se basaba en un objeto físico conocido como Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK). Después de considerar alternativas , en 2013 la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) acordó los criterios de precisión para reemplazar esta definición por una basada en el uso de una balanza Kibble. Una vez alcanzados estos criterios, la CGPM votó por unanimidad el 16 de noviembre de 2018 para cambiar la definición del kilogramo y varias otras unidades , con efecto a partir del 20 de mayo de 2019, para coincidir con el Día Mundial de la Metrología . [3] [5] [6] [7] [8] También existe un método llamado balanza Joule. Todos los métodos que utilizan el valor numérico fijo de la constante de Planck se denominan a veces balanza de Planck.
La balanza Kibble es una versión más precisa de la balanza de amperios , un instrumento de medición de corriente primitivo en el que se mide la fuerza entre dos bobinas de alambre que transportan corriente y luego se utiliza para calcular la magnitud de la corriente. La balanza Kibble funciona en el sentido opuesto; la corriente en las bobinas se establece con mucha precisión mediante la constante de Planck , y la fuerza entre las bobinas se utiliza para medir el peso de una masa de prueba de un kilogramo. Luego, la masa se calcula a partir del peso midiendo con precisión la gravedad local de la Tierra (la aceleración neta que combina los efectos gravitatorios y centrífugos) con un gravímetro . De este modo, la masa del objeto se define en términos de una corriente y un voltaje , lo que permite al dispositivo "medir la masa sin recurrir al IPK ( Prototipo Internacional de Kilogramo ) o cualquier objeto físico". [9]
El principio que se utiliza en la balanza de Kibble fue propuesto por Bryan Kibble (1938-2016) del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL) en 1975 para la medición de la relación giromagnética . [10] En 1978 se construyó la balanza de vatios Mark I en el NPL con Ian Robinson y Ray Smith. [11] [12] Funcionó hasta 1988. [13]
La principal debilidad del método de la balanza de amperios es que el resultado depende de la precisión con la que se miden las dimensiones de las bobinas. La balanza de Kibble utiliza un paso de calibración adicional para cancelar el efecto de la geometría de las bobinas, eliminando la principal fuente de incertidumbre. Este paso adicional implica mover la bobina de fuerza a través de un flujo magnético conocido a una velocidad conocida. Esto fue posible mediante el establecimiento de los valores convencionales de la constante de von Klitzing y la constante de Josephson , que se utilizan en todo el mundo para la calibración de voltaje y resistencia. Utilizando estos principios, en 1990 Bryan Kibble e Ian Robinson inventaron la balanza Kibble Mark II, que utiliza una bobina circular y funciona en condiciones de vacío. [14] Bryan Kibble trabajó con Ian Robinson y Janet Belliss para construir esta versión Mark Two de la balanza. Este diseño permitió mediciones lo suficientemente precisas para su uso en la redefinición de la unidad de masa del SI: el kilogramo. [15]
La balanza Kibble, que se originó en el Laboratorio Nacional de Física, fue transferida al Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) en 2009, donde los científicos de los dos laboratorios continuaron perfeccionando el instrumento. [16] En 2014, los investigadores del NRC publicaron la medición más precisa de la constante de Planck en ese momento, con una incertidumbre relativa de 1,8 × 10−8 . [17] En mayo de 2017 se publicó un artículo final de los investigadores del NRC, que presentaba una medición de la constante de Planck con una incertidumbre de solo 9,1 partes por mil millones, la medición con la menor incertidumbre hasta esa fecha. [18] Otros experimentos con balanzas de Kibble se llevan a cabo en el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) de EE. UU., la Oficina Federal Suiza de Metrología (METAS) en Berna, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) cerca de París y el Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) en Trappes , Francia. [19]
Un cable conductor de longitud que lleva una corriente eléctrica perpendicular a un campo magnético de intensidad experimenta una fuerza de Lorentz igual al producto de estas variables. En la balanza de Kibble, la corriente se varía de modo que esta fuerza contrarreste el peso de una masa que se va a medir. Este principio se deriva de la balanza de amperios. viene dada por la masa multiplicada por la aceleración gravitatoria local . Por lo tanto,
La balanza Kibble evita los problemas de medición y calibración en un segundo paso. El mismo cable (en la práctica, una bobina) se mueve a través del mismo campo magnético a una velocidad conocida . Por la ley de inducción de Faraday , se genera una diferencia de potencial entre los extremos del cable, que es igual a . Por lo tanto
El producto desconocido se puede eliminar de las ecuaciones para obtener
Con , , , y medidos con precisión, esto da un valor preciso para . Ambos lados de la ecuación tienen las dimensiones de potencia , medida en vatios en el Sistema Internacional de Unidades; de ahí el nombre original "balance de vatios". El producto , también llamado factor geométrico, no es trivialmente igual en ambos pasos de calibración. El factor geométrico solo es constante bajo ciertas condiciones de estabilidad en la bobina. [1]
La balanza Kibble está construida de tal manera que la masa que se va a medir y la bobina de alambre están suspendidas de un lado de la balanza, con una masa de contrapeso en el otro lado. El sistema funciona alternando entre dos modos: "pesar" y "mover". Todo el subsistema mecánico funciona en una cámara de vacío para eliminar los efectos de la flotabilidad del aire. [20]
Mientras "pesa", el sistema mide tanto y . El sistema controla la corriente en la bobina para hacerla pasar por un campo magnético a una velocidad constante . El circuito de medición de la posición y la velocidad de la bobina utiliza un interferómetro junto con una entrada de reloj de precisión para determinar la velocidad y controlar la corriente necesaria para mantenerla. La corriente requerida se mide utilizando un amperímetro que comprende un estándar de tensión de unión Josephson y un voltímetro integrador.
Mientras se "mueve", el sistema mide . El sistema deja de proporcionar corriente a la bobina. Esto permite que el contrapeso tire de la bobina (y de la masa) hacia arriba a través del campo magnético, lo que provoca una diferencia de voltaje a través de la bobina. El circuito de medición de velocidad mide la velocidad de movimiento de la bobina. Este voltaje se mide utilizando el mismo estándar de voltaje y un voltímetro integrador.
Una balanza Kibble típica mide , , y , pero no mide la aceleración gravitacional local , porque no varía rápidamente con el tiempo. En cambio, se mide en el mismo laboratorio utilizando un gravímetro de gran precisión y exactitud . Además, la balanza depende de una referencia de frecuencia de gran precisión y exactitud, como un reloj atómico, para calcular el voltaje y la corriente. Por lo tanto, la precisión y exactitud de la medición de la masa dependen de la balanza Kibble, el gravímetro y el reloj.
Al igual que los primeros relojes atómicos, las primeras balanzas Kibble eran dispositivos experimentales únicos y eran grandes, costosas y delicadas. A partir de 2019, se está trabajando para producir dispositivos estandarizados a precios que permitan su uso en cualquier laboratorio de metrología que requiera mediciones de masa de alta precisión. [21]
Además de las grandes balanzas Kibble, desde 2003 aproximadamente se han demostrado balanzas de vatios microfabricadas o MEMS (ahora llamadas balanzas Kibble) [22]. Estas se fabrican en matrices de silicio individuales similares a las que se utilizan en microelectrónica y acelerómetros, y son capaces de medir pequeñas fuerzas en el rango de nanonewton a micronewton de manera trazable a las constantes físicas definidas por el SI a través de mediciones eléctricas y ópticas. Debido a su pequeña escala, las balanzas Kibble MEMS suelen utilizar fuerzas electrostáticas en lugar de las fuerzas inductivas que se utilizan en instrumentos más grandes. También se han demostrado variantes laterales y torsionales [23] , siendo la aplicación principal (a partir de 2019) la calibración del microscopio de fuerza atómica . Las mediciones precisas de varios equipos permitirán promediar sus resultados y, por lo tanto, reducir el error experimental. [24]
Las mediciones precisas de la corriente eléctrica y la diferencia de potencial se realizan en unidades eléctricas convencionales (en lugar de unidades del SI), que se basan en " valores convencionales " fijos de la constante de Josephson y la constante de von Klitzing , respectivamente . Los experimentos actuales con la balanza de Kibble son equivalentes a medir el valor del vatio convencional en unidades del SI. A partir de la definición del vatio convencional, esto es equivalente a medir el valor del producto en unidades del SI en lugar de su valor fijo en unidades eléctricas convencionales:
La importancia de estas mediciones es que también son una medición directa de la constante de Planck :
El principio del kilogramo electrónico se basa en el valor de la constante de Planck, que a partir de 2019 es un valor exacto. Esto es similar a lo que ocurre con el metro, que se define por la velocidad de la luz . Con la constante definida con exactitud, la balanza de Kibble no es un instrumento para medir la constante de Planck, sino un instrumento para medir la masa:
La gravedad y la naturaleza de la balanza Kibble, que hace oscilar las masas de prueba hacia arriba y hacia abajo contra la aceleración gravitacional local g , se aprovechan para comparar la potencia mecánica con la potencia eléctrica, que es el cuadrado del voltaje dividido por la resistencia eléctrica. Sin embargo, g varía significativamente (casi un 1 %) según el lugar de la superficie de la Tierra en el que se realice la medición (véase Gravedad de la Tierra ). También hay ligeras variaciones estacionales de g en un lugar debido a los cambios en los niveles freáticos subterráneos, y cambios quincenales y diurnos más grandes debido a las distorsiones de las mareas en la forma de la Tierra causadas por la Luna y el Sol. Aunque g no es un término en la definición del kilogramo, es crucial en el proceso de medición del kilogramo cuando se relaciona la energía con la potencia en una balanza Kibble. En consecuencia, g debe medirse con al menos tanta precisión y exactitud como los otros términos, por lo que las mediciones de g también deben ser rastreables a constantes fundamentales de la naturaleza. Para el trabajo más preciso en metrología de masas, g se mide utilizando gravímetros absolutos de masa de goteo que contienen un interferómetro láser de helio-neón estabilizado con yodo . La salida de barrido de frecuencia de señal de franja del interferómetro se mide con un reloj atómico de rubidio . Dado que este tipo de gravímetro de masa de goteo deriva su precisión y estabilidad de la constancia de la velocidad de la luz, así como de las propiedades innatas de los átomos de helio, neón y rubidio, el término "gravedad" en la delineación de un kilogramo completamente electrónico también se mide en términos de invariantes de la naturaleza, y con una precisión muy alta. Por ejemplo, en el sótano de la instalación de Gaithersburg del NIST en 2009, al medir la gravedad que actúa sobre masas de prueba de Pt-10Ir (que son más densas, más pequeñas y tienen un centro de gravedad ligeramente más bajo dentro de la balanza Kibble que las masas de acero inoxidable), el valor medido estaba típicamente dentro de 8 ppb de9.801 016 44 m/s2 . [ 25] [26] [27]
