Kibble Terazisi
Kütle Ölçümünde Modern Bir Yaklaşım

- Blog Yazısı
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 (mm) terazi tablasına yerleştirilerek yerçekimi kuvveti (F=mgF = mg) oluşturulur; burada gg yerel yerçekimi ivmesidir. Bu kuvvet, manyetik alan (BB) içinde akım (II) taşıyan bir bobin tarafından üretilen elektromanyetik kuvvetle dengelenir. Kuvvet dengesi şu şekilde ifade edilir:
mg=BILmg = BIL
Burada LL, bobinin efektif uzunluğudur.
Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, sitemizin/uygulamamızın çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, %100 reklamsız ve çok daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.
KreosusKreosus'ta her 50₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.
Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.
PatreonPatreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.
Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.
YouTubeYouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.
Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.
Diğer PlatformlarBu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.
Giriş yapmayı unutmayın!Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.
2.2. Hız Modu (Dinamik Ölçüm)
Aynı bobin bilinen bir hızla (vv) dikey olarak hareket ettirilerek elektromanyetik indüksiyon yoluyla bir gerilim (UU) oluşturulur:
U=BLv U = BLv
İki denklem birleştirilerek kütle elektriksel büyüklükler cinsinden ifade edilebilir:
m=(UI)/(gv)m = (UI)/(gv)
UU ve II, Josephson etkisi ve kuantum Hall etkisi (Planck sabiti hh ve temel yük ee'ye bağlı) referans alınarak ölçülebildiğinden, mm 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 10⁻⁸10⁻⁸'den daha düşük göreceli belirsizliklere ulaştı.
- 2017: Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi (CIPM), Kibble terazisini kilogramın gerçekleştirilmesi için birincil yöntem olarak önerdi.
- 2019: Kilogram hh sabiti temel alınarak yeniden tanımlandı ve Kibble terazisi modern kütle metrolojisinin temel taşı haline geldi.

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.
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 31/07/2025 09:18:28 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/20238
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.