Wie die Watt-Waage funktioniert - Eidgenössisches Institut für
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Infographik Wie die Watt-Waage funktioniert NEUDEFINITION KILOGRAMM Morgen BIPM Paris kg Heute ƙ Naturkonstante: kg experimentell verbunden zur Planck-Konstante h h 1 kg als Artefakt: Urkilogramm ƙ in Paris MASSEKOMPARATOR – METTLER TOLEDO Die heutige Definition der Masseinheit Kilogramm beruht auf dem Urkilogramm in Paris. Es ist die letzte Einheit, die sich auf ein Artefakt stützt. Es ist weder konstant genug noch für alle zugänglich. Bei der Neudefinition – vom Artefakt zur Naturkonstante – sollen die weltweit fünf Watt-Waagen helfen. Das Watt, die Einheit der Leistung, hat diesem Experiment den Namen gegeben. Es ist ein Experiment, das mechanische und elektrische Leistung mathematisch vergleicht. 2 WATT-WAAGE DES METAS FÜHRUNGSSYSTEM – EPFL Das Führungssystem bewegt die Spule genau senkrecht. Es wurde in einem einzigen Stück per Elektroerosion hergestellt. Der vakuumtaugliche Massekomparator spielt eine zentrale Rolle in der statischen Phase. Hebelarm fixiert z a x 1 Blatt Papier MAGNET UND SPULE – CERN Herzstück ist ein Permanentmagnet (a), der ein Magnetfeld der Stärke 0.6 Tesla erzeugt. Die im Magnetfeld eingetauchte «perfekte» Spule (b) funktioniert je nach Phase des Experiments als Elektromotor oder als Dynamo. Die Position, Lage und Geschwindigkeit werden mithilfe eines zentralen Spiegels gemessen. MESSUNSICHERHEIT Die Planck-Konstante h auf 8 Stellen nach dem Komma zu bestimmen, bedeutet, die Höhe eines Papierstapels von 10 km Höhe auf ein Blatt genau messen zu können. WATT-WAAGE: VERGLEICH VON MECHANISCHER MIT ELEKTRISCHER LEISTUNG Spule L induzierte Spannung U=vBL Strom I Magnetfeld B mechanische Kraft F = mg m elektromagnetische Kraft F = IBL el STATISCHE PHASE Die mechanische Kraft wird durch eine elektromagnetische Kraft ausbalanciert. www.metas.ch Eidgenössisches Institut für Metrologie METAS Illustration: Nadja Stadelmann 16 | METinfo | Vol. 23 | No. 1/2016 Geschwindigkeit der vertikalen Bewegung v = 1 2 DYNAMISCHE PHASE Die Spule wird mit einer definierten Geschwindigkeit durch das Magnetfeld bewegt. So entsteht eine Spannung am Ausgang der Spule. Die resultierenden Grössen (Strom, Spannung, Geschwindigkeit, Schwerkraft) erlauben es, auf mathematischem Weg mechanische Leistung mit elektrischer Leistung zu vergleichen. Mithilfe der Quantenphysik kann so ein Bezug zwischen der Planck-Konstante h und der Masse m hergestellt werden. 10 Kilometer Papierstapel b
