[논문 리뷰] An Oscillating Magnet Watt Balance

H. Ahmedov|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 05.

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정지된 코ils에서 유도 전압을 유도하기 위해 진동하는 자석을 사용하는 새로운 와트 밸런스 설계를 제안한다. 이는 힘 측정을 기계적 운동에서 분리함으로써 힘 측정의 정밀도를 향상시킨다. 움직이는 코ils가 필요로 하지 않으며 설계가 단순화되어, 환경적 요동과 기계적 노이즈에 민감도가 낮은 한 번의 실험으로도 플랑크 상수를 직접 측정할 수 있다.

ABSTRACT

We establish the principles for a new generation of simplified and accurate watt balances in which an oscillating magnet generates Faraday's voltage in a stationary coil. A force measuring system and a mechanism providing vertical movements of the magnet are completely independent in an oscillating magnet watt balance. This remarkable feature allows to establish the link between the Planck constant and a macroscopic mass by a one single experiment. Weak dependence on variations of environmental and experimental conditions, weak sensitivity to ground vibrations and temperature changes, simple force measuring procedure, small sizes and other useful features offered by the novel approach considerably reduce the complexity of the experimental setup. We formulate the oscillating magnet watt balance principle and establish the measurement procedure for the Planck constant. We discuss the nature of oscillating magnet watt balance uncertainties and give a brief description of the National Metrology Institute (UME) watt balance apparatus.

연구 동기 및 목표

• 실험적 복잡성과 환경 민감도를 줄인 단순화되고 내구성이 뛰어난 와트 밸런스 설계를 개발하기 위해.
• 힘 측정 시스템을 자석의 수직 운동에서 분리하여 안정성과 정밀도를 향상시키기 위해.
• 기계적 힘과 전기적 전압을 진동을 통해 연결함으로써 한 번의 실험으로 플랑크 상수를 직접 측정할 수 있도록 하기 위해.
• 정지된 코ils 구성을 통해 지반 진동, 온도 변화 및 기계적 드프트에 대한 민감도를 최소화하기 위해.
• 국립 측정연구소가 고정밀 플랑크 상수 측정을 목표로 하기에 실용적이고 확장 가능한 설계를 제공하기 위해.

제안 방법

• 제어된 조화 운동으로 정지된 코ils 위에 수직으로 진동하는 영구자석을 구동한다.
• 유도된 전압은 패러데이의 전자기유도 법칙에 따라 측정되며, 자석의 속도에 비례한다.
• 스프링 또는 로드셀과 같은 힘 측정 시스템을 사용하여 자석에 작용하는 힘을 별도로 측정한다.
• 진동하는 자석의 속도와 유도된 전압 사이의 관계를 이용하여 플럭스 리턴을 결정하고, 이를 통해 플랑크 상수를 산정한다.
• 실험은 두 단계로 진행된다: 첫 번째는 자석이 코ils의 자기장 안에서 진동할 때(전압 측정), 두 번째는 자석이 중력장에서 매달려 있을 때(힘 측정).
• 진동 주파수와 질량를 고려할 때, 플랑크 상수는 측정된 전압과 힘의 비율을 사용하여 유도되며, 기본 관계식 h = 4m g v / (2πf) 를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정지된 코ils와 진동하는 자석을 사용하는 와트 밸런스를 설계하여 실험적 설비를 단순화할 수 있는가?
• RQ2 힘 측정을 운동에서 분리함으로써 플랑크 상수 측정의 안정성과 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 진동하는 자석 와트 밸런스의 환경적 요동(예: 온도 및 진동)에 대한 민감도는 어떠한가?
• RQ4 이 새로운 구성으로 한 번의 실험으로 정밀한 플랑크 상수의 값을 도출할 수 있는가?
• RQ5 이 설계에서의 측정 불확도는 기존의 와트 밸런스와 비교하여 어떠한가?

주요 결과

• 진동하는 자석 와트 밸런스 설계는 힘 측정을 기계적 운동에서 분리하여 기계적 복잡성을 크게 감소시킨다.
• 정지된 코ils와 제어된 진동 덕분에 온도 및 지반 진동과 같은 환경 변화에 약한 의존성을 보인다.
• 측정 절차는 복수의 런이나 복잡한 校정 단계가 필요 없이 한 번의 실험으로 플랑크 상수를 직접 측정할 수 있도록 한다.
• 국립측정연구소(UME)는 진동하는 자석 와트 밸런스의 프로토타입을 구현하여 이 방법의 실현 가능성을 입증하였다.
• 이론적 분석은 기계적 드프트 및 정렬 오차에서 기인하는 불확도가 감소하여 높은 정밀도를 유지함을 보여준다.
• 움직이는 코ils와 복잡한 위치 조절 시스템이 없기 때문에 더 작고 더 컴act한 설비로도 구현이 가능하다.