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普朗克常数重新定义“一公斤”原器标准

时间:2018-11-28 作者:Martin Rowe 阅读:
随着2018年11月16日新版国际单位制通过,新的公斤定义将改以物理学的普朗克常数(Planck constant)为标准,重新定义“公斤”(kilogram)的重量。百年来的“国际公斤原器”将走入历史…

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世界上所有的测量结果都可以追溯到“国际单位制”(Système International d'Unités;SI Units)。国际单位制以七个基本单位为基础,并由此推导出各种可相互换算的测量单位。多年来,测量的定义——安培(ampere)、烛光(candela)、开尔文(kelvin)、公斤(kilogram)、米(meter)、摩尔(mole)以及秒(second)——都已经过重新定义,因而都是以自然发生的现象为为基础,例如普朗克常数(Planck’s Constant)等。基于实物定义的最后一个SI单位——公斤,最近终于也重新定义了。xIUEETC-电子工程专辑
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在此之前,所有的质量测量的标准源于存放在法国巴黎近郊国际度量衡局(International Bureau of Weights and Measures;BIPM)的单一物件——国际公斤原器(International Prototype of the Kilogram;IPK),自1884年被铸造成为公斤的标准以来一直存放在此。xIUEETC-电子工程专辑

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以人造制品作为测量单元的世界标准存在两个根本问题。首先,它的值可能随时间发生改变。但是,由于它是世界标准,我们无从得知它是如何变化的,因为它就是标准。如果世界标准发生变化,那么以它为基础的所有测量值也会发生变化。xIUEETC-电子工程专辑

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基布尔天平使用电磁力测量质量xIUEETC-电子工程专辑
(来源:NIST)
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第二个问题是,你不可能在每次需要校准时,都把每个质量测量装置带到法国。因此,美国的国家标准暨技术研究院(NIST)和英国的国家物理实验室(NPL)等国家标准实验室都设有自己的公斤标准,并且会定期将这些标准带到法国与原器进行比较。然后再使用国家标准来比较其他标准,之后再用于与另一标准进行比较,或是将标准用于校准测量仪器。因此,您需要记录一连串与原器进行的比较与校准,以便确认质量测量的可信度。xIUEETC-电子工程专辑

随着2018年11月16日新版国际单位制的通过,新的公斤定义不必再与原器进行比较了。现在,国家实验室就能够建立自己的公斤标准,因为它虽然很难实现,但可以复制。计量学家需要拥有足够的设备并遵循严格的步骤来制造自己的公斤标准,但这还是比依赖单一人工制品好多了。随着新的定义出现,您无需再携带庞大的天平进行校准。如今,公斤不会改变了,而是根据其进行定义的方式而异。xIUEETC-电子工程专辑

从2019年5月开始,公斤的定义将是: 当以单位J s表示时,普朗克常数h的固定值为6.626 070 15×10-34,即等于kgm²s-1,与米和秒的关联以c和Δv进行定义。xIUEETC-电子工程专辑

实现公斤的过程取决于一个称为“基布尔天平”(Kibble balance)的工具。它使用了线圈和磁铁,线圈中的电流施加已知的力,并且可以测量到足够精确的电流。因为电流的定义已经根据磁场力确定,所以它可以用于导出向上的力,用于比较未知物体的质量。当力相等时,可以测量未知物体的质量。电压和电流的测量基于普朗克常数。有关基布尔天平如何运作的详细说明,请参阅NIST的Kilogram: The Kibble BalancexIUEETC-电子工程专辑

由于基布尔天平已经存于于国家计量实验室,如今全球都可以重建自己的公斤原器标准了。xIUEETC-电子工程专辑

编译:Susan Hong, EET TaiwanxIUEETC-电子工程专辑

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Martin Rowe
"EE Times/EDN资深测试与量测技术编辑。Martin Rowe在《测试和测量世界》担任技术编辑和高级技术编辑达20年,其中包括担任EDN Design Ideas编辑三年。在此期间,Martin的报道涵盖了大部分的技术和公司,包括台式仪器,如示波器、仪表、信号​​源及其应用。他最喜欢这些仪器的应用包括高速信号测量、基本测量(电压/电流/功率)、校准和EMC/EMI/RFI。所有这些都直接适用于连接器和连接性能。从2004年到2012年,为了了解工程师是如何进行测试的,Martin访问了多家公司,包括Bose,DeWalt和Tyco Electronics(现为TE Con​​nectivity)。 让Martin出名的还有他的音乐——他写了六首描述工程师生活的歌曲。这一切始于2006年的“测量蓝调(Measurement Blue)”,证明了任何事情都能用蓝调写出来,连接器都成了Martin的歌。 “Below a GigaHertz”这首歌向那些还工作在1GHz以下信号的工程师致敬,他们是古老历史的见证者。 Martin曾在IEEE EMC Symposia上现场演出了“The Measurement Blues”和“The Lab in the corner”。 Martin拥有伍斯特理工学院的电子工程学士学位和宾利学院的MBA学位。"
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