Kibble Terazisi

Özet

Kibble terazisi, eski adıyla watt terazisi, kütleyi doğadaki temel sabitlerle (özellikle Planck sabiti h) ilişkilendirerek ölçen hassas bir cihazdır. 2019'da Uluslararası Birimler Sisteminin (SI) yeniden tanımlanmasından bu yana, Kibble terazisi kilogramın fiziksel bir prototipe bağlı kalmadan gerçekleştirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Bu makale, Kibble terazisinin çalışma prensibini, tarihsel gelişimini, metroloji eki önemini ve pratik uygulamalardaki avantajları ile zorluklarını incelemektedir.

1. Giriş

Bir asırdan fazla bir süre boyunca kilogram, Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu'nda (BIPM) saklanan platin-iridyum bir silindir olan Uluslararası Kilogram Prototipi (IPK) ile tanımlanmıştır. Ancak, kütle kaybı ve hasara açık olma gibi fiziksel bir standarda dayalı tanımın sınırlamaları, bilim camiasını daha kararlı ve evrensel bir tanım arayışına yöneltmiştir.

2019 SI yeniden tanımlaması, Planck sabitinin (*h* = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s) değerini sabitleyerek kütlenin elektriksel ölçümlerle belirlenmesine olanak sağlamıştır. Bryan Kibble'ın adını taşıyan Kibble terazisi, mekanik ve elektriksel gücü dengeleyerek kütleyi Planck sabitine kuantum elektrik standartları üzerinden bağlamaktadır.

2. Çalışma Prensibi

Kibble terazisi iki modda çalışır:

2.1. Kuvvet Modu (Statik Ölçüm)

Bir test kütlesi ($m$) terazi tablasına yerleştirilerek yerçekimi kuvveti ($F=mg$) oluşturulur; burada $g$ yerel yerçekimi ivmesidir. Bu kuvvet, manyetik alan ($B$) içinde akım ($I$) taşıyan bir bobin tarafından üretilen elektromanyetik kuvvetle dengelenir. Kuvvet dengesi şu şekilde ifade edilir:

$mg=BIL$

Burada $L$, bobinin efektif uzunluğudur.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

2.2. Hız Modu (Dinamik Ölçüm)

Aynı bobin bilinen bir hızla ($v$) dikey olarak hareket ettirilerek elektromanyetik indüksiyon yoluyla bir gerilim ($U$) oluşturulur:

$U=BLv$

İki denklem birleştirilerek kütle elektriksel büyüklükler cinsinden ifade edilebilir:

$m=(UI)/(gv)$

$U$ ve $I$, Josephson etkisi ve kuantum Hall etkisi (Planck sabiti $h$ ve temel yük $e$'ye bağlı) referans alınarak ölçülebildiğinden, $m$ kütlesi nihayetinde Planck sabitine izlenebilir hale gelir.

3. Tarihsel Gelişim

Watt terazisi kavramı ilk olarak 1975'te Birleşik Krallık Ulusal Fizik Laboratuvarı'nda (NPL) Bryan Kibble tarafından önerilmiştir. İlk versiyonlar mekanik ve elektriksel gücün ilişkilendirilmesinin uygulanabilirliğini göstermiş, ancak kilogramın yeniden tanımlanması için gerekli hassasiyetin sağlanması on yıllar süren iyileştirmeler gerektirmiştir.

Önemli kilometre taşları:

- 1990'lar: Mıknatıs ve bobin tasarımlarındaki iyileştirmeler belirsizlikleri azalttı.

- 2005: NIST-3 Kibble terazisi $10⁻⁸$'den daha düşük göreceli belirsizliklere ulaştı.

- 2017: Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi (CIPM), Kibble terazisini kilogramın gerçekleştirilmesi için birincil yöntem olarak önerdi.

- 2019: Kilogram $h$ sabiti temel alınarak yeniden tanımlandı ve Kibble terazisi modern kütle metrolojisinin temel taşı haline geldi.

Agora Bilim Pazarı

TEK HİKAYE KİTAPLARI 1 RIFKI SERİSİ 5 KİTAP

Devamını Göster

₺295.00

Satın Al Tüm Ürünler

4. Geleneksel Yöntemlere Göre Avantajlar

- Prototip Bağımlılığının Olmaması: Fiziksel bir prototipe bağımlılığı ortadan kaldırır.

- Temel Sabitlere İzlenebilirlik: Uzun vadeli kararlılık ve tekrarlanabilirlik sağlar.

- Yüksek Hassasiyet: Mikrogram altı belirsizliklere ulaşabilir.

- Çok Yönlülük: Farklı kütle aralıklarına uyarlanabilir.

5. Zorluklar ve Sınırlamalar

- Karmaşıklık: Manyetik alan kontrolü, lazer interferometrisi ve çevresel stabilite için yüksek hassasiyet gerektirir.

- Maliyet ve Uzmanlık: Kurulumu ve işletmesi pahalıdır, özel uzmanlık gerektirir.

- Çevresel Duyarlılık: Titreşimler, sıcaklık dalgalanmaları ve hava basıncı ölçümleri etkileyebilir.

6. Gelecek Perspektifi

Devam eden araştırmalar, Kibble terazisi tasarımlarını basitleştirerek daha geniş kullanımını hedeflemektedir. Miniaturize versiyonlar ve joule terazisi gibi alternatif yaklaşımlar incelenmektedir. Ayrıca, Kibble terazisinin prensipleri kütle ölçümünün ötesinde diğer temel birimlere de uygulanabilir.

7. Sonuç

Kibble terazisi, metrolojide bir paradigma değişimi temsil ederek kilogramı temel fizikle uyumlu hale getirmiştir. Bu başarı, modern metrolojide kuantum standartlarının önemini vurgulamakta ve gelecekteki bilimsel ve endüstriyel uygulamalar için doğruluk ve evrensellik sağlamaktadır.

Kaynakça

BIPM. (2019). Mise en pratique for the definition of the kilogram in the SI. Bureau International des Poids et Mesures.

Fang, H. et al. (2016). A watt balance based on a permanent magnet system for measuring Planck’s constant. Metrologia, 53(3), A1-A7.

Kibble, B. P. (1975). A measurement of the gyromagnetic ratio of the proton in a strong magnetic field. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 8(6), 466.

Kibble, B. P., & Robinson, I. A. (2003). Principles of a new generation of simplified watt balances. Metrologia, 40(5), 267.

Newell, D. B. et al. (2018). The NIST-4 Kibble balance and the future of the SI kilogram. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 67(6), 1424-1431.

Robinson, I. A. (2012). Towards the redefinition of the kilogram: A measurement of Planck’s constant using the NPL Mark II watt balance. Metrologia, 49(1), 113.

Schlamminger, S. et al. (2014). Determination of the Planck constant using a watt balance with a superconducting magnet system at NIST. Metrologia, 51(2), S15.

Stock, M. (2013). The watt balance: Determination of the Planck constant and redefinition of the kilogram. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 371(1990), 20130136.

Wood, B. M. et al. (2017). A summary of the Planck constant measurements using a watt balance with a superconducting solenoid at NIST. Metrologia, 54(3), 399.

Zhang, Z. et al. (2020). Progress in the development of a joule balance at NIM. Measurement Science and Technology, 31(7), 075003.