Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Redefinice soustavy jednotek SI
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019
Martin Hudlička
Český metrologický institut
Odd. primární metrologie vf elektrických veličin
1
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 2
Historie soustavy SI
• různé měřicí systémy používané už tisíce let, některé z nich v čase přetrvaly a navázaly na ně další systémy
• většinou odvozeny z rozměrů lidského těla (často rozměry aktuálního vládce)
– Babylonský systém (příklad – jednotky délky)
zdroj: Wikipedia
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 3
Historie soustavy SI
– Egyptský systém
měření délky, objemu, hmotnosti, času
bronzový standard objemu
standard hmotnosti
zdroj: Wikipedia
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 4
Historie soustavy SI
• mnoho jiných oficiálních měřicích systémů velkých civilizací (starověké Řecko, Řím, ...), některé systémy převzaty
• Anglický systém – používaný v Anglii do roku 1826, velké množství jednotek pro různé obory měření
– objem (drachma, čajová lžička, pinta, galon, ...)
– délka (palec, stopa, yard, míle, dlaň, ...)
– hmotnost (zrno, libra, kámen, unce, ...)
• imperiální systém (po 1824) používaný v Britském impériua zemích v britské sféřevlivu
zdroj: D. Pisano, Flickr
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 5
Historie soustavy SI
• angloamerický měrný systém (customary units) – po nezávislosti USA, založen na Anglickém systému, ale existují významné rozdíly
– příklad: objemové jednotky
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 6
Historie soustavy SI
• hlavní problém – mnoho jednotek, konverze mezi jednotkami často jiná než desítková
loket
stopa
dlaň
zdroj: METAS
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 7
Historie soustavy SI
• metrický systém vyvíjen od 1791 komisí francouzské Akademie věd (použití desítkového systému a systémupředpon pro vyjádření násobků), přidalo se mnoho zemí, prototypy metru a kilogramu vlastněny francouzskou vládou
• 1875 – Metrická konvence, 17 zemí (pouze metr a kilogram), byla vyrobena sada 30 prototypů metru a 40 prototypůkilogramu zhotovených z 90% Pt a 10% Ir
zdroj: Wikipedia
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 8
Historie soustavy SI
• kilogram = hmotnost 1 litru vody (atmosférický tlak, teplota3,98 °C)
• metr = vzdálenost mezi dvěma značkami na Pt-Ir tyči(původně ~1670 založen na kyvadle, od ~1790 definován jako1/10 000 000 vzdálenosti mezi severním pólem a rovníkem procházející Paříží)
• definice metru nedokonalá (nepravidelný tvar země)
zdroj: PTB muzeum
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 9
Historie soustavy SI
• Generální konference pro míry a váhy (ve francouzštiněConférence générale des poids et mesures – CGPM), založená1875, sjednotila mnoho mezinárodních organizací s cílem zřídit definice a standardy pro nový systém
• 1921 – snahy začlenit i další fyzikální veličiny (zvláště elektrické) do Metrické konvence
• ~1945 – ve světě používáno mnoho různých měřicích systémů (modifikace metrického systému, angloamerický systém, imperiální systém, ...) – nutnost změny
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 10
Historie soustavy SI
• 1960 – 11. zasedání CGPM; přijato 16 usnesení, systém pojmenován Mezinárodní soustava jednotek(Le Système International d'Unités, SI)
• metr, kilogram, sekunda, ampér, stupeň Kelvina, kandela
• základní jednotky odvozeny z neměnných konstant přírody (např. rychlost světla ve vakuu), trojného bodu vody a jednohofyzického artefaktu (kilogram)
• odvozené jednotky - vyjádřeny pomocízákladních nebo jiných odvozených jednotek (1 Pa = kg·m-1·s-2, 1 Ω = kg⋅m2⋅s−3⋅A−2 atd.)
• 1971 – k šesti základním jednotkám přidána jednotka mol
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 11
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
kilogram (hmotnost)
Kilogram je jednotkou hmotnosti; je ekvivalentní hmotnostimezinárodního prototypu kilogramu.
• 1 mezinárodní prototyp (Paříž)
• 6 sesterských kopií (Paříž)
• 10 pracovních kopií (Saint-Cloud, Francie)
• národní prototypy (cca 69 ks v různých zemích)
• porovnání s mezinár. prototypem cca každých 40 let
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 12
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
metr (délka)
Metr je dráha, kterou světlo ve vakuu urazí za časový interval 1/299 792 458 sekundy.
• realizace třemi způsoby– měřením času, který světlo potřebuje na překonání určité vzdálenosti
– použití vlnové délky záření, jehož kmitočet je změřen
– použitím vlnové délky primárního standardu – laseru stabilizovaného k jednomu z přechodů vybraných prvků
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 13
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
metr (délka)
• Česká republika – kvantový standard délky založený na He-Ne laseru ( = 633 nm, = 612 nm a = 543.5 nm) stabilizovaného k hyperjemnému přechodu atomu jódu
zdroj: ČMI
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 14
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
sekunda (čas)
Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajícípřechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami atomu césia133Cs v základním stavu při teplotě 0 K.
• ČR – Ústav fotoniky a elektroniky, AV ČR
• soustava dvou komerčních cesiových hodin HP 5071A (rel. stabilita ~5·10-13 vůči ideální realizaci)
zdroj: AV ČR, ÚFE
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 15
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
sekunda (čas)
zdroj: PTB
- atomy vyzařují a absorbují elektromagnet. vlnění
- přechody mezi dvěma energet. stavy -> foton je vyzářen nebo pohlcen s kmitočtem f0 = (E2–E1)/h
- atomy jsou vybuzeny do jednoho z energet. stavů, zaznamenává se vybuzení druhého stavu
- f0 ~ 9.2 GHz pro césium- definice zavedena již v
roce 1960, dosud platná
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 16
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
ampér (elektrický proud)
Ampér je stálý elektrický proud, který při průchodu dvěmapřímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodičizanedbatelného kruhového průřezu umístěnýmive vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metrvyvolá mezi nimi stálou síluo velikosti 2×10−7 newtonuna 1 metr délky vodiče.
zdroj: PTB
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 17
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
ampér (elektrický proud)
• přímá realizace – proudové váhy (Ampère, ~1900)
• Lorentzova síla působí mezi pohyblivou (modrá) a pevnou(červená) cívkou, kompenzována gravitační silou
• rel. nejistota ~5 ppm, závislé na přesnosti kg• nerovnoměrné rozložení elektrického proudu ve vodičích a
magnetického pole v prostoru kolem cívek
NIST, 1912
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 18
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
ampér (elektrický proud)
• nepřímá realizace – Ohmův zákon I = U/R, Josephsonův jev a kvantový Hallův jev umožňují velmi přesnou a stabilní realizaci jednotek [volt] a [Ω]
• není součástí SI, není považováno za realizaci -> viz později“kvantová SI”
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 19
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
kelvin (termodynamická teplota)
Kelvin je definován jako 1/273,16 termodynamické teplotytrojného bodu vody.
2005:
Definice je platná pro vodu s isotopickým složením definovaným přesně následujícím poměrem: 0,00015576 molu 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 molu 17O na jeden mol 16O a 0,0020052 molu18O na jeden mol 16O.
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 20
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
kelvin (termodynamická teplota)
• přímá realizace (t [°C] = T – 273,15) – trojný bod vody
• ČR – teplotní stupnice – 196 °C až +1048.6 °C (trojné body a body tání H20, N, Hg, Cu, ...)
zdroj: ČMI
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 21
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
mol (látkové množství)
Jeden mol libovolné látky obsahuje tolik elementárních částicjako 0,012 kg atomu uhlíku 12C. Těmito částicemi můžou býtatomy, molekuly, ionty a další částice, nebo skupiny takovýchčástic.
• předmětem kritiky již od zavedení v roce 1971, jde spíše o parametrickou veličinu
• úzce spjatá s Avogadrovou konstantou NA
https://www.bipm.org/utils/en/pdf/SIApp2_mol_en.pdf
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 22
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
kandela (svítivost)
Kandela je svítivost světelného zdroje, který v daném směruemituje (vyzařuje) monochromatické záření o kmitočtu 540×1012
hertzů a jehož zářivost (zářivá intenzita) v tomto směru činí1/683 wattů na jeden steradián.
- historicky – zářová intenzita Iporovnávána s definovaným zdrojem záření (svíčka, později speciální lampy) pomocí detektoru (lidské oko)
- předpoklad vyzařování do jednoho směru a úzkého svazku záření
zdroj: PTB
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 23
Historie soustavy SI
• definice jednotek SI (před 2019):
kandela (svítivost)
• dnešní přímá realizace: uzavřená dutina v tepelné rovnováze(černé těleso) a absolutní kryogenní radiometr pro různévlnové délky v oboru viditelného/UV/IR spektra.
zdroj: ČMI
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 24
Historie soustavy SI
• Metrická konvence ve světě
60 členských států42 přidružených zemí4 mezinárodní organizace
metrický systém oficiálně přijat prakticky v celém světě (ačkoliv ze zvyku jsou stále používány paralelně i starší jednotky)
výjimky: USA, Myanmar, Libérie
(pozn.: USA jedním z prvních signatářůMetrické konvence v roce 1875, ale stále SI jednotky oficiálně nepoužívají !!!)
zdroj: Wikipedia
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 25
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 26
Potřeba změny SI jednotek
• hlavní motivace pro změnu definice SI jednotek
– prototypy kilogramu během času měnísvou hmotnost (~desítky μg relativně k hodnotě z roku 1889; kontaminace (+) a čištění (-) prototypů)
– ampér je definován pomocí idealizova-ného a nereálného měřicího uspořádání
– kelvin, trojný bod vody ovlivněn nečistotami a isotopickým složením; teplota není aditivní veličinou a pro rozšíření stupnice jsou potřeba další definice
zdroj: Wikipedia
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 27
Potřeba změny SI jednotek
• současná SI: hodnoty základních konstant specifikovány; naše nejlepší měřicí schopnosti se odrážejí v těchto hodnotách
• nová SI: sedm základních jednotek definováno pomocí určení sedmi „definujících konstant“, které tyto jednotky obsahují
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 28
Potřeba změny SI jednotek
• veličiny zvolené pro „definující konstanty“ byly měřitelné s vysokou přesností už ve „staré“ SI soustavě (rel. nejistota měření ideálně menší než 10–8)
• definice sekundy pomocí cesiového normálu byla zachována (současné césiové normály dosahují rel. nejistoty ~10–16, optické atomové hodiny až 10–18, nicméně žádný ze současných principů se neukázal jako výrazně lepší, než ostatní)
zdroj: NPL
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 29
Potřeba změny SI jednotek
• revize SI si neklade za cíl být pro každodenní použití
• milník v historii lidstva – od starověku až po 18. a 19. století byly měřicí jednotky používány regionálně
• číselné hodnoty sedmi konstant spjatých se základními jednotkami – „definující konstanty“ – budou specifikovány na pevný počet desetinných míst
• sedm základních jednotek (s, m, kg, A, K, cd, mol) bude nově definováno nepřímo
• číselné hodnoty konstant se mohou stále měnit, pokud se v budoucnu zpřesní experimenty
• i Marťan by měl rozumět definici kilogramu,pokud rozumí kvantové fyzice
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 30
Potřeba změny SI jednotek
• nová „kvantová“ SI
https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM-2018/26th-CGPM-Resolutions.pdf
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 31
Potřeba změny SI jednotek
• nová „kvantová“ SI
https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM-2018/26th-CGPM-Resolutions.pdf
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 32
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 33
Přípravy na změnu
• jak realizovat „nové“ SI jednotky?
• pro sekundu a metr (a odvozené jednotky ohm a volt) –extrémně přesné měřicí procedury již existují (césiovéatomové hodiny, šíření světla a kvantový Hallůvjev/Josephsonův jev), návaznost přímo na ΔνCs, c, h a e
• pro kilogram, mole, ampér a kelvin bylo nutné vyvinout měřicí postupy srovnatelné přesnosti
• CODATA – pokytuje soubor mezinárodně doporučených hodnot fyzikálních konstant; požadované relativní nejistoty měření pomocí různých experimentů musí být konzistentní a srovnatelné
• 20. květen 2019 – implementace „nové“ soustavy jednotek SI (světový den metrologie)
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 34
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 35
Přípravy na změnu - mol
• snahy určit Avogadrovu konstantu pomocí křemíku (3 isotopy) cca od roku 2003
• ve vysoce obohaceném křemíku 28Si se vyskytují isotopy 29Si a 30Si jako nečistoty, jejichž podíl lze určit hmotnostní spektroskopií; pro experimenty použit cca 5 kg krystal Si
• 2011 – rel. nejistota ~210-8 dosažena po překonání velmi náročných experimentálních problémů
• určení počtu atomů v Si kouli o hmotnosti 1 kg
• Avogadrova a Planckova konstantyurčeny v jednom experimentu
• do roku 2018 byly požadovány alespoň 3 nezávislé experimenty
zdroj: PTB
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 36
Přípravy na změnu - mol
• Avogadrova konstanta NA a Planckova konstanta h vztaženy přes molární Planckovu konstantu NAh = 3,9903127110(18)10−10 Js/mol (rel. nejistota měření 4,510-10)
• Rydbergova konstanta, rychlost světla a konstanta jemné struktury jsou měřitelné s mnohem větší přesností, než Planckova konstanta
Mu = molární hmotnostní konstanta = konstanta jemné strukturyR = Rydbergova konstantaAr
e = relativní atomová hmotnost elektronu
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 37
Přípravy na změnu - mol
• počet atomů v křemíkové kouli
zdroj: PTB
1). počet atomů určen z objemu koule a rozměrů elementární krystalové mřížky 2). koule je zvážena a je určena hmotnost atomu křemíku
Problémy:• rušivý „plášť“ z SiO2
• teplota krystalu musí být známá ±0.001 K (expanze mřížky)
• atomové hmotnosti 28Si, 29Si a 30Si nutno svázat s 12C, tedy referenční hodnotou pro atomové hmotnosti(Penningova past)
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 38
Přípravy na změnu - mol
• mezinárodní projekt Avogadro (2004 – 2011)
zdroj: PTB
- nečistoty: rentgenová interferometrie
- oxidace povrchu: rentgenová fluorescenční analýza a mnoho jiných technik
- objem koule: optická interferometrie používající kulové vlny (např. PTB Německo) nebo rovinné vlny(např. NMIJ Japonsko)
- hmotnost koule: vážení ve vzduchu a ve vakuu s pomocí speciálních artefaktů odvozených od 1 kg prototypu
- cena každé koule ~1 mil. €
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 39
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 40
Přípravy na změnu - kilogram
• dvě odlišné metody pro realizaci kilogramu
– křemíková koule (první experimenty v PTB, Německo) – viz realizace „nového“ molu
– wattové váhy (první experimenty v NPL,Velká Británie, a NIST, USA), experimentální metoda spojuje elektrické veličiny, kilogram, metr a sekundu
– obě realizace dosahují rel. nejistotyměření v řádu ~210-8
zdroj: PTB, NIST
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 41
Přípravy na změnu - kilogram
• wattové váhy – Brian Kibble (~1970) přišel s myšlenkouvylepšených proudových vah
– 1. fáze: síla působící na vodič protékaný proudem v magnetickém poli je porovnána se silou působící na závaží o známé hmotnosti
– 2. fáze: stejné uspořádání, vodičem v magnet. poli se pohybuje a na jeho svorkách se indukuje napětí
– porovnáním rovnic z obou fází (eliminována magn. indukce) je vytvořen vztah mezi elektrickým proudem, napětím, gravitačním zrychlením a rychlostí – tyto veličiny lze měřit s mnohem větší přesností, než magnetickou indukci
– první experimenty NPL (UK), NIST (USA), později METAS (Švýcarsko) a další; stejný princip realizován různými experimentálními sestavami
– obrovské experimentální úsilí vedlo k dosažení rel. nejistoty ~210-8
– odkaz B. Kibbleho (1938-2016) – Kibbleovy váhy
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 42
Přípravy na změnu - kilogram
zdroj: BIPM
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019
1. fáze: statický experiment(vážicí režim)
Ampérův zákon
v radiálním magnet. polilze zjednodušit
proud
délka vodiče
magnetický tok
43
Přípravy na změnu - kilogram
obě strany rovnice jednotka [watt]
zdroj: BIPM
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019
2. fáze: dynamický experiment(režim pohybu)
Faradayův zákon
v radiálním magnet. polilze zjednodušit
ind. napětí
magnetický tok délka vodiče
rychlost
44
Přípravy na změnu - kilogram
𝑓
𝑈=
2𝑒
𝑛1ℎ
• elektrické kvantové jevy: U ~ h/e, R ~ h/e2
𝑅 =ℎ
𝑛2𝑒2
n1, n2 = přirozená kvantová číslaf = kmitočet Josephsonova zařízení
ℎ =4𝑚𝑔𝑓
𝑓𝑔𝑓𝑚
nastavení n1 = n2 = 1fg = mikrovlnný kmitočet napětí měřeného ve vážicím režimufm = dtto v pohyblivém režimu
wattové váhy umožňují měření Planckovy konstanty h
M. Gläser, M. Borys, Rep. Prog. Phys. 72 (2009) 126101
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 45
Přípravy na změnu - kilogram
• příklad: wattové váhy v NIST (USA)
- supravodivý magnet vytváří magnetické pole
- Michelsonův interferometr určuje rychlost
https://www.nist.gov/publications/details-1998-watt-balance-experiment-determining-planck-constant
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 46
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 47
Přípravy na změnu – ampér
• ampér realizován dvěma způsoby
– Ohmův zákon I = U / R, proud I určen měřením R pomocí kvantového Hallova jevu a U pomocí Josephsonova jevu (vhodnější pro „velké“ proudy pA – μA)
– elektronický obvod, který měří elektrický proud počítáním elektronů, které projdou obvodem za určitý časový interval; návazné na elementární náboj e a kmitočet cesiového přechodu ΔνCs (vhodnější pro „nízké“ proudy fA – pA)
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 48
Přípravy na změnu – ampér
• ampér realizovaný pomocí Ohmova zákona
kvantový Hallův jev
zdroj: PTB
zdroj: ČMI
T = 0.35 K (helium)RH = 25812.807 Ω(a jeho celočíselnépodíly)B ~18 T (n=1)B ~10 T (n=2) atd.
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 49
Přípravy na změnu – ampér
• ampér realizovaný pomocí Ohmova zákona
Josephsonův jev –slabě vázané supravodiče, tunelový přechod
zdroj: PTB
T = 3.6 K (helium)
vnější magn. pole (střídavý proud) je přivedeno na strukturu, která vytváří přesné napěťové úrovně (převod U -> f )
zdroj: ČMI
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 50
Přípravy na změnu – ampér
• reprodukovatelnost diskrétních úrovní napětí a odporu byla lepší než přesnost, s jakou bylo možné realizovat jednotku ampér -> v roce 1988 byly zavedeny konstanty KJ-90 = 483 597,9 GHz/V a RK-90 = 25 812,807 Ω
• od 1990 – ampér realizovaný pomocí QHE a JE nebyl považován za realizaci jednotky, ale pouze za reprodukci (bez návaznosti na SI)
• „nová“ SI – elegantní ošetření tohoto problému:
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 51
Přípravy na změnu – ampér
• druhá realizace ampéru: nová definice založená na toku elektrického náboje -> potřeba elektronického obvodu, který je schopen měřit tok jednotlivých elektronů, I = n·e·f
• single-electron transport vyvíjen cca od 1980
- přidání elektronu do vodiče -> nutnost přivést energii
- čím menší „nábojový ostrůvek“, tím víc energie je potřeba
- nízké teploty (0,1 K pro 1 μm strukturu) -> Coulombova blokáda, tepelným působením již nelze přidat víc energie
zdroj: PTB
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 52
Přípravy na změnu – ampér
zdroj: PTB
elektrony „polapeny“ (lokalizovány) pomocí potenciálových bariér z polovodičů s nanometrovými rozměry; potenciál. bariéry lze generovat kolmo ke směru toku proudu
1). tunelové přechody (tenká vrstva izolantu mezi dvěma vodiči)
2). kvantové tečky, potenciálové bariéry proměnné výšky v polovodičích
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 53
• k přenosu jednotlivých elektronů kontrolovatelným způsobem jsou použity elektronové pumpy (single-electron pumps)
Přípravy na změnu – ampér
zdroj: PTB
- všechna tři napětí nulová -> nemohou procházet žádné elektrony- periodické střídání napětí na elektrodách -> elektrony se pohybují mezi „ostrůvky“ - statistická fyzika – některé tunelové přechody nejsou započítány pro f > 100 MHz ->
existují sofistikovanější SET s kontrolovatelnými potenciálovými bariérami
proudy typicky < 100 pA
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 54
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 55
Přípravy na změnu – kelvin
• Maxwell-Boltzmannovo rozdělení rychlostí
pravděpodobnostní rozdělení rychlostí částic v idealizovaných plynech
nitrogen molecules
veličinou charakteristickou pro toto rozdělení je mikroskopická termální energie kT
stanovením Boltzmannovykonstanty k je kelvin svázán s jednotkou energie, joule
mikroskopická termální energie kT není přímo měřitelná -> je nutné měřit některou z makroskopických veličin, které jsou s kT korelovány
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 56
Přípravy na změnu – kelvin
• několik „primárních“ principů teploměru (nevyžadují kalibraci)
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 57
Přípravy na změnu – kelvin
• akustický plynový teploměr– měří se teplotně závislá rychlost šíření zvuku v plynech; rychlost je úměrná
(kBT)1/2
– měření rychlosti zvuku vzácných plynů v kulovém rezonátoru
– problémy: čistota měřicího plynu, extrapolace tlaku do nuly, umístění akustických vysílačů a přijímačů uvnitř rezonátoru
M. Moldover, et al., Acoustic gas thermometry, Metrologia 51 (2014) R1–R19.
zdroj: PTB
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 58
Přípravy na změnu – kelvin
• plynový teploměr založený na měření permitivity– při konstantní teplotě se určuje tlakově závislá hustota hélia, která je vztažena s
jeho permitivitou (dielektrickou konstantou)
– polarizovatelnost hélia byla v posledních letech určena s rel. nejistotou <10-6; permitivita je měřena z relativní změny kapacity kondenzátoru, ze kterého je nejprve vyčerpán vzduch (vakuum) a poté je naplněn héliem (p = 7 MPa)
– problémy: deformace stěn kondenzátoru vlivem velkých změn tlaku
zdroj: PTB
C. Gaiser, et al., Dielectric-constant gas thermometry, Metrologia 52 (2015) 217–226.
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 59
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 60
Důsledky pro uživatele
• hlavní důsledky– poslední artefakt (1 kilogram) bude nahrazen
– elektrická měření budou plně pokryta SI (přesný vztah mezi soustavamiSI a CGS bude pro elektrické veličiny porušen; magnetické veličiny z CGS nebudou používány)
– trojný bod vody bude nově určován experimentálně
– mol nebude do budoucna svázán s hmotností (role 12C končí)
• nová SI by měla platit alespoň dalších 100 let, pokud...– nebudou vyvinuty výrazně přesnější atomové hodiny
– nebudou objeveny další nové kvantové jevy
– nebudou objeveny nové fyzikální teorie, které budou redukovat počet vzájemně nezávislých fyzikálních konstant
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 61
Důsledky pro uživatele
• důsledky pro „běžné“ uživatele – žádné, nejistoty hluboko pod možnostmi komerčních měřicích systémů
• důsledky pro studenty – přepis částí učebnic
• důsledky pro vysoce přesná měření– KJ se změní o ~0.1 ppm – změna napěťových referencí,
KJ = 2e/h
– RK se změní o ~0.02 ppm – ovlivnění realizací QHR, RK = h/e2
– μ0 a 0 budou určovány experimentálně 𝑍0 =𝜇0
𝜀0
μ0 = 4[1+2.0(2.3)10-10] 10-7 H·m-1
nejistota ur(μ0) = ur() protože 𝜇0 = 𝛼2ℎ
𝑐𝑒2( = konst. jemné struktury)
– nejistoty napětí a odporu <0.1 ppm budou návazné na SI jednotky
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 62
Důsledky pro uživatele
• změna SI elektrických veličin oproti definici z roku 1990
N. Zimmermann et al., The Redefinition of the SI: Impact on Calibration Services at NIST, NCSLI Measure J. Meas. Sci., vol. 10, no. 2, 2015
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 63
Důsledky pro uživatele
• elektrické veličiny v CGS – μ0 a 0 zde neexistují
Ampérův zákon
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 64
• Historie soustavy SI
• Potřeba změny SI jednotek
• Přípravy na změnu– mol
– kilogram
– ampér
– kelvin
• Důsledky pro uživatele
• Měření vf elektrických veličin
Obsah
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 65
Měření vf elektrických veličin
• intenzita elektrického pole
• optická excitace par atomů v uzavřené skleněné komoře(Rydbergův plyn)
• ~MHz až stovky GHz, citlivost ~0,01 mV/m, intenzity až kV/m
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 66
Měření vf elektrických veličin
• vf elektrický výkon, návaznost na kilogram a Planckovu konst.
• jedna ze slibných realizací návaznosti na SI je měření tlaku laserového záření (radiation pressure)
• 1 W až 23 W -> tlak záření cca 6.3 nN až 145.6 nN @15 GHz,teoreticky možné MHz až stovky GHz
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019 67
Děkuji za pozornost
50. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Praha, 15. 5. 2019