چگونه میتوان تعریف یک یکا را از یک جسم فیزیکی به یک ثابت بنیادی وابسته کرد؟
1- جسم فیزیکی منشأ یکا را با بالاترین دقت ممکن اندازهگیری میکنیم.
2- ثابت بنیادی مناسبی که در خودش یکای مورد نظر را داشته باشد انتخاب میکنیم.
3- مقدار این ثابت بنیادی را با بالاترین دقت ممکن با توجه به تعریف فعلی یکا اندازهگیری میکنیم.
4- اعشارهای عددی که در اندازهگیری ثابت بنیادی به دست آمد را حذف میکنیم تا به یک عدد صحیح برسیم.
5- مقدار آن ثابت بنیادی را دقیقاً برابر آن عدد رند شده قرار میدهیم.
6- مقدار یکای خود را به گونهای تغییر میدهیم تا آن عدد صحیح، دیگر مقدار رند شده ثابت بنیادی نباشد، بلکه مقدار دقیق آن باشد.
مثال:
ابتدا یک شبانهروز زمین را به دقت اندازهگیری کردیم تا یک ثانیه را به دست آوریم. سپس فرکانس اتم سزیم را به دقت اندازهگیری کردیم و به عدد 9192631770 ممیز خوردهای هرتز رسیدیم. تعریف ثانیه را تغییر دادیم تا فرکانس اتم سزیم دقیقاً برابر 9192631770 شود و اعشارها دیگر وجود نداشته باشند. و تعریف دقیق جدید ثانیه شد: «یک ثانیه مدت زمانی است که طول میکشد تا یک اتم سزیم 130 (¹³⁰Cs)، در حالت پایه، 9192631770 بار نوسان کند.»
اکنون میتوان یکاهای دیگر که به ثانیه مربوط میشوند را هم بازتعریف کرد. مثلاً طول نمونه اصلی بین المللی متر را با نهایت دقت ممکن اندازهگیری کردیم، سپس ثابت بنیادی سرعت نور در خلأ با یکای متر بر ثانیه را انتخاب کردیم. سرعت نور در خلأ را با دقت اندازهگیری کردیم و به عدد 299792458 ممیز خوردهای متر (تعریف قدیمی متر) بر ثانیه (تعریف جدید ثانیه بر اساس سزیم) رسیدیم. تعریف متر را به گونهای تغییر دادیم تا سرعت نور در خلأ دقیقاً برابر 299792458 متر بر ثانیه باشد و اعشار ظاهر نشود. و تعریف جدید متر شد: «یک متر برابر است با 1/299792458 مسافتی که نور در مدت 1 ثانیه در خلأ طی میکند.»
به این ترتیب طول نمونه اصلی بین المللی متر، همچنان یک متر خواهد ماند، اما نه “دقیقاً” یک متر.
چگونه این کار را با کیلوگرم انجام دهیم؟
برای این کار، از دو ثابت بنیادی میتوان استفاده کرد؛ ثابت پلانک با یکای ¹⁻Kg m² s و ثابت آووگادرو (عدد آووگادرو) با یکای ¹⁻mol (تعریف مول، تعداد اتمهای موجود در 12 گرم کربن میباشد و گرم به کیلوگرم مرتبط است).
اندازهگیری دقیق جرم نمونه اصلی کیلوگرم انجام شده و مرحله بعدی اندازهگیری این دو ثابت بنیادی با دقت بالاست. برای اندازهگیری دقیق ثابت پلانک باید یک دستگاه وات بالانس ساخت و برای اندازهگیری دقیق ثابت آووگادرو، باید با استفاده از سیلیکون، کرویترین جسم جهان را ساخت!
ادامه دارد...
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
1- جسم فیزیکی منشأ یکا را با بالاترین دقت ممکن اندازهگیری میکنیم.
2- ثابت بنیادی مناسبی که در خودش یکای مورد نظر را داشته باشد انتخاب میکنیم.
3- مقدار این ثابت بنیادی را با بالاترین دقت ممکن با توجه به تعریف فعلی یکا اندازهگیری میکنیم.
4- اعشارهای عددی که در اندازهگیری ثابت بنیادی به دست آمد را حذف میکنیم تا به یک عدد صحیح برسیم.
5- مقدار آن ثابت بنیادی را دقیقاً برابر آن عدد رند شده قرار میدهیم.
6- مقدار یکای خود را به گونهای تغییر میدهیم تا آن عدد صحیح، دیگر مقدار رند شده ثابت بنیادی نباشد، بلکه مقدار دقیق آن باشد.
مثال:
ابتدا یک شبانهروز زمین را به دقت اندازهگیری کردیم تا یک ثانیه را به دست آوریم. سپس فرکانس اتم سزیم را به دقت اندازهگیری کردیم و به عدد 9192631770 ممیز خوردهای هرتز رسیدیم. تعریف ثانیه را تغییر دادیم تا فرکانس اتم سزیم دقیقاً برابر 9192631770 شود و اعشارها دیگر وجود نداشته باشند. و تعریف دقیق جدید ثانیه شد: «یک ثانیه مدت زمانی است که طول میکشد تا یک اتم سزیم 130 (¹³⁰Cs)، در حالت پایه، 9192631770 بار نوسان کند.»
اکنون میتوان یکاهای دیگر که به ثانیه مربوط میشوند را هم بازتعریف کرد. مثلاً طول نمونه اصلی بین المللی متر را با نهایت دقت ممکن اندازهگیری کردیم، سپس ثابت بنیادی سرعت نور در خلأ با یکای متر بر ثانیه را انتخاب کردیم. سرعت نور در خلأ را با دقت اندازهگیری کردیم و به عدد 299792458 ممیز خوردهای متر (تعریف قدیمی متر) بر ثانیه (تعریف جدید ثانیه بر اساس سزیم) رسیدیم. تعریف متر را به گونهای تغییر دادیم تا سرعت نور در خلأ دقیقاً برابر 299792458 متر بر ثانیه باشد و اعشار ظاهر نشود. و تعریف جدید متر شد: «یک متر برابر است با 1/299792458 مسافتی که نور در مدت 1 ثانیه در خلأ طی میکند.»
به این ترتیب طول نمونه اصلی بین المللی متر، همچنان یک متر خواهد ماند، اما نه “دقیقاً” یک متر.
چگونه این کار را با کیلوگرم انجام دهیم؟
برای این کار، از دو ثابت بنیادی میتوان استفاده کرد؛ ثابت پلانک با یکای ¹⁻Kg m² s و ثابت آووگادرو (عدد آووگادرو) با یکای ¹⁻mol (تعریف مول، تعداد اتمهای موجود در 12 گرم کربن میباشد و گرم به کیلوگرم مرتبط است).
اندازهگیری دقیق جرم نمونه اصلی کیلوگرم انجام شده و مرحله بعدی اندازهگیری این دو ثابت بنیادی با دقت بالاست. برای اندازهگیری دقیق ثابت پلانک باید یک دستگاه وات بالانس ساخت و برای اندازهگیری دقیق ثابت آووگادرو، باید با استفاده از سیلیکون، کرویترین جسم جهان را ساخت!
ادامه دارد...
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
امشب در آسمان چند تا از شهرهای ایران این جسم دیده شد. @Cosmos_language
این جسم بدنه راکت SL-4 L/B بود که در روز جمعه 25 آبان ساعت 21:44 به وقت ایران از قزاقستان پرتاب شد و پیشبینی میشد که دوشنبه 28 آبان ساعت 20:16 مجدداً وارد اتمسفر زمین بشه و بسوزه؛ که همین اتفاق هم افتاد. لطفاً شایعه نسازید🙏
@Cosmos_language
@Cosmos_language
Cosmos' Language
مأموریت InSight ناسا برای کاوش در اعماق مریخ. (4 ساعت و نیم مانده تا پرتاب) @Cosmos_language
در زمان گذاشته شدن این پست کانال، 1 روز و 5 ساعت و 27 دقیقه مانده به فرود کاوشگر InSight بر روی مریخ.
میتوانید زمان باقی مانده را اینجا چک کنید:
https://www.nasa.gov/mission_pages/insight/main/index.html
@Cosmos_language
میتوانید زمان باقی مانده را اینجا چک کنید:
https://www.nasa.gov/mission_pages/insight/main/index.html
@Cosmos_language
Cosmos' Language
چگونگی فرود سطح نشین InSight بر روی مریخ. @Cosmos_language
Media is too big
VIEW IN TELEGRAM
چگونگی فرود سطح نشین InSight بر روی مریخ (دوبله فارسی).
مترجم: فاطمه همتیان
گوینده: دارا تیموریفر
@Cosmos_language
مترجم: فاطمه همتیان
گوینده: دارا تیموریفر
@Cosmos_language
Cosmos' Language
در زمان گذاشته شدن این پست کانال، 1 روز و 5 ساعت و 27 دقیقه مانده به فرود کاوشگر InSight بر روی مریخ. میتوانید زمان باقی مانده را اینجا چک کنید: https://www.nasa.gov/mission_pages/insight/main/index.html @Cosmos_language
تماشای زنده فرود سطح نشین:
https://youtu.be/LGygZlegBlc
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
https://youtu.be/LGygZlegBlc
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
تعریف کیلوگرم تغییر کرد (قسمت دوم)
قسمت اول
در 1973 یک کمیسیون از دانشمندان مطرح آن زمان از جمله آنتوان لاوازیه، یکای رسمی جرم را برابر جرم یک دسی متر مکعب (مکعبی با اضلاع 0.1 متر) آب در دمای تعادل ترکیب آب و یخ (°0 سلسیوس) تعریف کردند و نام آن را “Grave” (گِراو) گذاشتند. کلمه Grave از لغت لاتین “Gravitas” به معنای “وزن” میآید. بعد از انقلاب فرانسه، دولت جدید معتقد بود که Grave واحد بزرگی برای اندازهگیری است بنابراین یکای استاندارد جرم را به “gramme” تغییر دادند که یک هزارم Grave بود. اما به زودی متوجه شدند که gramme بیش از حد کوچک است و دوباره به Grave برگشتند. ولی به دلیل مشکلات سیاسی که با لاوازیه داشتند (و سر او را با گیوتین قطع کرده بودند!) نمیتوانستند از نام Grave که توسط لاوازیه تعیین شده بود استفاده کنند بنابراین از “kilogramme” به معنای “هزار gramme” استفاده کردند که در واقع همان Grave با یک نام جدید بود. و به همین دلیل از که امروز از بین هفت یکای اصلی SI، کیلوگرم تنها یکایی است که با پیشوند ثابت (کیلو) استفاده میشود.
در 1799 یک کیلوگرم برابر جرم یک لیتر آب در دمای °4 سلسیوس تعریف شد؛ دمایی که آب در آن در چگالترین حالت خود است. اما آب به دلیل جامد نبودن در این دما، ابزار مناسبی جهت اندازهگیری بر روی ترازوها نبود و به همین دلیل یک سیلندر فلزی ساخته شد تا جرمی برابر یک لیتر آب °4 داشته باشد و “Kilogram of the Archives” نام گرفت. در این زمان کیلوگرم دیگر به آب بستگی نداشت و این سیلندر فلزی، طبق تعریف، کیلوگرم بود که این تعریف تا امروز باقی مانده بود. پس از آن که مشخص شد جرم این سیلندرها تغییر میکند، فهمیدیم که باید تعریف کیلوگرم را از روی یک جسم فیزیکی برداریم و بر اساس ثابتهای بنیادی طبیعت قرار دهیم.
در پایان قسمت قبل گفتیم که برای انجام این کار، باید با استفاده از یک دستگاه وات بالانس، ثابت پلانک را اندازهگیری کرد و همچنین باید برای اندازهگیری ثابت آووگادرو، کرویترین جسم جهان را ساخت.
از چگونگی اندازهگیری ثابت آووگادرو شروع میکنیم زیرا سادهتر است.
جنس این کره از چیست و چگونه ساخته شده است؟
ماده اولیه که برای ساخت این کره استفاده شد، سیلیکون خالص بود. نه تنها سیلیکون خالص بود، بلکه تنها یک ایزوتوپ خاص از سیلیکون بود: سیلیکون-28 (²⁸Si) و همین خاص و خالص بودن قیمت آن را به یک میلیون یورو رسانده بود (تصویر شماره 1).
دانشمندان ابتدا ماده اولیه را به شکل یک کره با قطری حدود دو میلیمتر بزرگتر از کره اصلی در آوردند و سپس این کره را آنقدر صیقل دادند تا تمامی پستی و بلندیهای ریز آن از بین برود (تصویر شماره 2).
در نهایت کرهای از جنس سیلیکون خالص به دست آمد که اگر آن را به اندازه سیاره زمین بزرگ کنیم، مرتفعترین قله کوه و عمیقترین دره آن به اندازه 14 متر با هم اختلاف خواهند داشت! به راحتی میتوان ادعا کرد که این کره کرویترین جسم دنیاست (تصویر شماره 3).
چرا سیلیکون؟
کاری که برای تعیین عدد آووگادرو باید انجام دهیم، شمردن تعداد اتمهای موجود در آن است. البته نمیتوان اتمها را واقعاً شمرد، اما میشود تعدادشان را محاسبه کرد. و سیلیکون به دلیل شبکه اتمی منظم و کریستالیاش، این محاسبه را آسان میکند.
چرا کروی؟
کره یکی از سادهترین اشکال هندسی است و با دانستن تنها یک ویژگی آن (مثل قطر)، میتوان تمام ویژگیهای هندسی دیگر را محاسبه کرد و این توضیح میدهد که چرا این جسم باید تا این اندازه کرهی دقیق باشد.
اما ساختن یک کره تقریباً بینقص، فقط نیمی از کار است. بعد باید قطر آن به دقت اندازهگیری شود که این کار توسط لیزر انجام شد. پرتوهای لیزر از دو طرف به این کره تابانده شد و فاصله بین این دو پرتو، اندازهگیری شد (تصویر شماره 4).
با دانستن قطر، میتوان حجم این کره را تعیین کرد و به لطف چیدمان منظم سیلیکون-28، اگر حجم را تقسیم بر تراکم اتمهای سیلیکون کنیم، تعداد اتمهای موجود در این کره به دست میآید.
در حال حاضر ثابت آووگادرو از روی کیلوگرم تعیین میشود؛ مقدارش برابر تعداد اتمهای موجود در 12g از کربن-12 است. اما اکنون میتوان با استفاده از تعداد اتمهای موجود در این کره، ثابت آووگادرو را تعیین کرد و سپس کیلوگرم را بر اساس ثابت آووگادرو تعریف نمود. و بدین صورت میتوان برای کیلوگرم چنین تعریفی ارائه کرد: «یک کیلوگرم برابر است با جرم 10²⁵×2.15 اتم سیلیکون-28.».
قسمت اول
در 1973 یک کمیسیون از دانشمندان مطرح آن زمان از جمله آنتوان لاوازیه، یکای رسمی جرم را برابر جرم یک دسی متر مکعب (مکعبی با اضلاع 0.1 متر) آب در دمای تعادل ترکیب آب و یخ (°0 سلسیوس) تعریف کردند و نام آن را “Grave” (گِراو) گذاشتند. کلمه Grave از لغت لاتین “Gravitas” به معنای “وزن” میآید. بعد از انقلاب فرانسه، دولت جدید معتقد بود که Grave واحد بزرگی برای اندازهگیری است بنابراین یکای استاندارد جرم را به “gramme” تغییر دادند که یک هزارم Grave بود. اما به زودی متوجه شدند که gramme بیش از حد کوچک است و دوباره به Grave برگشتند. ولی به دلیل مشکلات سیاسی که با لاوازیه داشتند (و سر او را با گیوتین قطع کرده بودند!) نمیتوانستند از نام Grave که توسط لاوازیه تعیین شده بود استفاده کنند بنابراین از “kilogramme” به معنای “هزار gramme” استفاده کردند که در واقع همان Grave با یک نام جدید بود. و به همین دلیل از که امروز از بین هفت یکای اصلی SI، کیلوگرم تنها یکایی است که با پیشوند ثابت (کیلو) استفاده میشود.
در 1799 یک کیلوگرم برابر جرم یک لیتر آب در دمای °4 سلسیوس تعریف شد؛ دمایی که آب در آن در چگالترین حالت خود است. اما آب به دلیل جامد نبودن در این دما، ابزار مناسبی جهت اندازهگیری بر روی ترازوها نبود و به همین دلیل یک سیلندر فلزی ساخته شد تا جرمی برابر یک لیتر آب °4 داشته باشد و “Kilogram of the Archives” نام گرفت. در این زمان کیلوگرم دیگر به آب بستگی نداشت و این سیلندر فلزی، طبق تعریف، کیلوگرم بود که این تعریف تا امروز باقی مانده بود. پس از آن که مشخص شد جرم این سیلندرها تغییر میکند، فهمیدیم که باید تعریف کیلوگرم را از روی یک جسم فیزیکی برداریم و بر اساس ثابتهای بنیادی طبیعت قرار دهیم.
در پایان قسمت قبل گفتیم که برای انجام این کار، باید با استفاده از یک دستگاه وات بالانس، ثابت پلانک را اندازهگیری کرد و همچنین باید برای اندازهگیری ثابت آووگادرو، کرویترین جسم جهان را ساخت.
از چگونگی اندازهگیری ثابت آووگادرو شروع میکنیم زیرا سادهتر است.
جنس این کره از چیست و چگونه ساخته شده است؟
ماده اولیه که برای ساخت این کره استفاده شد، سیلیکون خالص بود. نه تنها سیلیکون خالص بود، بلکه تنها یک ایزوتوپ خاص از سیلیکون بود: سیلیکون-28 (²⁸Si) و همین خاص و خالص بودن قیمت آن را به یک میلیون یورو رسانده بود (تصویر شماره 1).
دانشمندان ابتدا ماده اولیه را به شکل یک کره با قطری حدود دو میلیمتر بزرگتر از کره اصلی در آوردند و سپس این کره را آنقدر صیقل دادند تا تمامی پستی و بلندیهای ریز آن از بین برود (تصویر شماره 2).
در نهایت کرهای از جنس سیلیکون خالص به دست آمد که اگر آن را به اندازه سیاره زمین بزرگ کنیم، مرتفعترین قله کوه و عمیقترین دره آن به اندازه 14 متر با هم اختلاف خواهند داشت! به راحتی میتوان ادعا کرد که این کره کرویترین جسم دنیاست (تصویر شماره 3).
چرا سیلیکون؟
کاری که برای تعیین عدد آووگادرو باید انجام دهیم، شمردن تعداد اتمهای موجود در آن است. البته نمیتوان اتمها را واقعاً شمرد، اما میشود تعدادشان را محاسبه کرد. و سیلیکون به دلیل شبکه اتمی منظم و کریستالیاش، این محاسبه را آسان میکند.
چرا کروی؟
کره یکی از سادهترین اشکال هندسی است و با دانستن تنها یک ویژگی آن (مثل قطر)، میتوان تمام ویژگیهای هندسی دیگر را محاسبه کرد و این توضیح میدهد که چرا این جسم باید تا این اندازه کرهی دقیق باشد.
اما ساختن یک کره تقریباً بینقص، فقط نیمی از کار است. بعد باید قطر آن به دقت اندازهگیری شود که این کار توسط لیزر انجام شد. پرتوهای لیزر از دو طرف به این کره تابانده شد و فاصله بین این دو پرتو، اندازهگیری شد (تصویر شماره 4).
با دانستن قطر، میتوان حجم این کره را تعیین کرد و به لطف چیدمان منظم سیلیکون-28، اگر حجم را تقسیم بر تراکم اتمهای سیلیکون کنیم، تعداد اتمهای موجود در این کره به دست میآید.
در حال حاضر ثابت آووگادرو از روی کیلوگرم تعیین میشود؛ مقدارش برابر تعداد اتمهای موجود در 12g از کربن-12 است. اما اکنون میتوان با استفاده از تعداد اتمهای موجود در این کره، ثابت آووگادرو را تعیین کرد و سپس کیلوگرم را بر اساس ثابت آووگادرو تعریف نمود. و بدین صورت میتوان برای کیلوگرم چنین تعریفی ارائه کرد: «یک کیلوگرم برابر است با جرم 10²⁵×2.15 اتم سیلیکون-28.».
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
تصویر شماره 1
ماده اولیه جهت ساخت کره سیلیکونی.
کمی بیش از یک کیلوگرم سیلیکون 28 خالص به قیمت یک میلیون یورو!
@Cosmos_language
ماده اولیه جهت ساخت کره سیلیکونی.
کمی بیش از یک کیلوگرم سیلیکون 28 خالص به قیمت یک میلیون یورو!
@Cosmos_language
اما اگر تنها با استفاده از ثابت آووگادرو میتوان کیلوگرم را تعریف کرد، چه نیازی به دستگاه وات بالانس و اندازهگیری ثابت پلانک است؟
این دو مکمل هم هستند و یکدیگر را چک میکنند. ما از دو روش متفاوت برای تعیین دو ثابت بنیادی متفاوت استفاده میکنیم و سپس بر اساس این دو ثابت تعیین شده، کیلوگرم را تعریف میکنیم. اگر تعاریف به دست آمده از این دو روش متفاوت، با یکدیگر همخوانی داشته باشد، یکای درست و دقیقی تعیین کردهایم.
وات بالانس چیست؟
به احترام مخترع این دستگاه (Bryan Kibble)، به آن “کیبل بالانس” هم گفته میشود. دستگاههای بالانس معمولی، با نیروی وزن کار میکنند. ترازوی کفهای و الاکلنگ، نمونههایی از دستگاه بالانس کلاسیک هستند. دستگاه بالانس کلاسیک دو صفحه دارد که دو جسم بر روی هر یک از آنها قرار میگیرد و بر اساس وزن این اجسام، توازنی (بالانس) بین دو طرف دستگاه برقرار میشود (تصویر شماره 5). وات بالانس هم تقریباً به همین شکل کار میکند با این تفاوت که تمام عمل بالانسینگ (برقراری توازن) در یک طرف دستگاه اتفاق میافتد. در یک طرف یک موتور الکتریکی وجود دارد و در طرف دیگر یک صفحه برای قرار دادن جرم. این صفحه به یک سیم پیچ متصل است و این دو میتوانند با هم (بدون تغییر فاصله بینشان) به بالا و پایین حرکت کنند. دو قطعه آهن ربای دائمی به زمین متصل هستند و قابل حرکت دادن نیستند که سیم پیچ بین این دو آهنربا قرار میگیرد و میتواند بینشان درون میدان مغناطیسی حرکت کند (تصویر شماره 6 و 7).
وات بالانس چگونه کار میکند؟
وات بالانس در دو حالت “توزین” و “سرعت” کار میکند. در حالت توزین نیازی به موتور الکتریکی نیست و صفحه جرم، سیم پیچ و میدان مغناطیسی ثابت که همگی در یک طرف دستگاه هستند کافی است. در حالت توزین، نمونه اصلی کیلوگرم را بر روی صفحه جرم قرار میدهند که باعث میشود نیرویی رو به پایین وارد شود. سپس یک جریان الکتریکی در سیم پیچ ایجاد میکنند که سیم پیچ را تبدیل به یک آهنربای الکتریکی میکند (نیروی وزن). سیم پیچ قبل از تبدیل شدن به آهنربای الکتریکی، در بین دو آهنربای دائمی و درون میدان مغناطیسی آنها قرار داشت؛ در نتیجه پس از اعمال جریان در سیم پیچ و تشکیل میدان مغناطیسی به دور آن، این میدان به میدان مغناطیسیای که از پیش وجود داشت واکنش نشان میدهد و نیرویی رو به بالا تولید میکند (نیروی لاپلاس). نیروی وزن نمونه اصلی کیلوگرم که به سمت پایین است و نیروی الکترومغناطیسیای که آهنربای الکتریکی در مجاورت آهنرباهای دائمی به سمت بالا وارد میکند، از معادلههای زیر به دست میآیند:
w=mg
w: نیروی وزن
m: جرم
g: شتاب گرانی زمین
F=BLI
F: نیروی الکترومغناطیسی
B: میدان مغناطیسی ثابت
L: طول سیم در سیم پیچ
I: شدت جریان الکتریکی در سیم پیچ
دستگاه، شدت جریان الکتریکی در سیم پیچ را آنقدر کم و زیاد میکند تا نیروی الکتریکی برابر با نیروی وزن شود و حرکت دستگاه متوقف شود (به توازن برسد):
w=F —> mg=BLI
در این معادله کمیتهایی که اندازهگیری خیلی دقیق آنها آسان نیست، میدان مغناطیسی (B) و طول سیم (L) هستند که خوشبختانه حالت دوم وات بالانس یعنی حالت سرعت، این مشکل را حل میکند.
در حالت سرعت، جرم یک کیلوگرمی از روی صفحه جرم برداشته میشود و جریان الکتریکیای که در سیم پیچ ایجاد کرده بودیم نیز قطع میشود. در عوض موتوری که در طرف دیگر دستگاه قرار دارد، سیم پیچ را با سرعت ثابت درون میدان مغناطیسی آهنرباهای دائمی به بالا و پایین حرکت میدهد (تصویر شماره 8). با حرکت سیم پیچ درون میدان مغناطیسی، طبق قانون القای فارادی، ولتاژی در سیم پیچ القا میشود:
V=BLv
V: ولتاژ القا شده در سیم پیچ
B: میدان مغناطیسی
L: طول سیم پیچ
v: سرعت
اکنون این معادله و معادلهای که بالاتر به دست آوردیم را کنار هم قرار میدهیم:
mg=BLI
V=BLv
این دو معادله را بر حسب BL (دو کمیتی که اندازهگیری دقیق آنها مشکل است) بازنویسی میکنیم:
BL=mg/I
BL=V/v
و از این میتوان نتیجه گرفت:
mg/l=V/v —> VI=mgv
یا به عبارتی «ولتاژ القایی ضرب در شدت جریان برابر است با جرم روی صفحه ضرب در شتاب گرانی ضرب در سرعت ثابت حرکت سیم پیچ.». در سمت چپ معادله توان الکتریکی (VI) و در سمت راست معادله توان مکانیکی (mgv) وجود دارد و به همین خاطر به این دستگاه “وات (یکای توان) بالانس (تعادل/توازن)” گفته میشود.
این دو مکمل هم هستند و یکدیگر را چک میکنند. ما از دو روش متفاوت برای تعیین دو ثابت بنیادی متفاوت استفاده میکنیم و سپس بر اساس این دو ثابت تعیین شده، کیلوگرم را تعریف میکنیم. اگر تعاریف به دست آمده از این دو روش متفاوت، با یکدیگر همخوانی داشته باشد، یکای درست و دقیقی تعیین کردهایم.
وات بالانس چیست؟
به احترام مخترع این دستگاه (Bryan Kibble)، به آن “کیبل بالانس” هم گفته میشود. دستگاههای بالانس معمولی، با نیروی وزن کار میکنند. ترازوی کفهای و الاکلنگ، نمونههایی از دستگاه بالانس کلاسیک هستند. دستگاه بالانس کلاسیک دو صفحه دارد که دو جسم بر روی هر یک از آنها قرار میگیرد و بر اساس وزن این اجسام، توازنی (بالانس) بین دو طرف دستگاه برقرار میشود (تصویر شماره 5). وات بالانس هم تقریباً به همین شکل کار میکند با این تفاوت که تمام عمل بالانسینگ (برقراری توازن) در یک طرف دستگاه اتفاق میافتد. در یک طرف یک موتور الکتریکی وجود دارد و در طرف دیگر یک صفحه برای قرار دادن جرم. این صفحه به یک سیم پیچ متصل است و این دو میتوانند با هم (بدون تغییر فاصله بینشان) به بالا و پایین حرکت کنند. دو قطعه آهن ربای دائمی به زمین متصل هستند و قابل حرکت دادن نیستند که سیم پیچ بین این دو آهنربا قرار میگیرد و میتواند بینشان درون میدان مغناطیسی حرکت کند (تصویر شماره 6 و 7).
وات بالانس چگونه کار میکند؟
وات بالانس در دو حالت “توزین” و “سرعت” کار میکند. در حالت توزین نیازی به موتور الکتریکی نیست و صفحه جرم، سیم پیچ و میدان مغناطیسی ثابت که همگی در یک طرف دستگاه هستند کافی است. در حالت توزین، نمونه اصلی کیلوگرم را بر روی صفحه جرم قرار میدهند که باعث میشود نیرویی رو به پایین وارد شود. سپس یک جریان الکتریکی در سیم پیچ ایجاد میکنند که سیم پیچ را تبدیل به یک آهنربای الکتریکی میکند (نیروی وزن). سیم پیچ قبل از تبدیل شدن به آهنربای الکتریکی، در بین دو آهنربای دائمی و درون میدان مغناطیسی آنها قرار داشت؛ در نتیجه پس از اعمال جریان در سیم پیچ و تشکیل میدان مغناطیسی به دور آن، این میدان به میدان مغناطیسیای که از پیش وجود داشت واکنش نشان میدهد و نیرویی رو به بالا تولید میکند (نیروی لاپلاس). نیروی وزن نمونه اصلی کیلوگرم که به سمت پایین است و نیروی الکترومغناطیسیای که آهنربای الکتریکی در مجاورت آهنرباهای دائمی به سمت بالا وارد میکند، از معادلههای زیر به دست میآیند:
w=mg
w: نیروی وزن
m: جرم
g: شتاب گرانی زمین
F=BLI
F: نیروی الکترومغناطیسی
B: میدان مغناطیسی ثابت
L: طول سیم در سیم پیچ
I: شدت جریان الکتریکی در سیم پیچ
دستگاه، شدت جریان الکتریکی در سیم پیچ را آنقدر کم و زیاد میکند تا نیروی الکتریکی برابر با نیروی وزن شود و حرکت دستگاه متوقف شود (به توازن برسد):
w=F —> mg=BLI
در این معادله کمیتهایی که اندازهگیری خیلی دقیق آنها آسان نیست، میدان مغناطیسی (B) و طول سیم (L) هستند که خوشبختانه حالت دوم وات بالانس یعنی حالت سرعت، این مشکل را حل میکند.
در حالت سرعت، جرم یک کیلوگرمی از روی صفحه جرم برداشته میشود و جریان الکتریکیای که در سیم پیچ ایجاد کرده بودیم نیز قطع میشود. در عوض موتوری که در طرف دیگر دستگاه قرار دارد، سیم پیچ را با سرعت ثابت درون میدان مغناطیسی آهنرباهای دائمی به بالا و پایین حرکت میدهد (تصویر شماره 8). با حرکت سیم پیچ درون میدان مغناطیسی، طبق قانون القای فارادی، ولتاژی در سیم پیچ القا میشود:
V=BLv
V: ولتاژ القا شده در سیم پیچ
B: میدان مغناطیسی
L: طول سیم پیچ
v: سرعت
اکنون این معادله و معادلهای که بالاتر به دست آوردیم را کنار هم قرار میدهیم:
mg=BLI
V=BLv
این دو معادله را بر حسب BL (دو کمیتی که اندازهگیری دقیق آنها مشکل است) بازنویسی میکنیم:
BL=mg/I
BL=V/v
و از این میتوان نتیجه گرفت:
mg/l=V/v —> VI=mgv
یا به عبارتی «ولتاژ القایی ضرب در شدت جریان برابر است با جرم روی صفحه ضرب در شتاب گرانی ضرب در سرعت ثابت حرکت سیم پیچ.». در سمت چپ معادله توان الکتریکی (VI) و در سمت راست معادله توان مکانیکی (mgv) وجود دارد و به همین خاطر به این دستگاه “وات (یکای توان) بالانس (تعادل/توازن)” گفته میشود.