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
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