Cân Kibble nối phép cân khối lượng với phép đo điện bằng cách nào?
Khám phá mở rộng – Vật lý 12
Cân Kibble kết hợp một phép cân bằng lực điện từ với một phép đo cảm ứng khi cuộn dây chuyển động. Hai chế độ giúp nối khối lượng với các đại lượng điện có thể đo chính xác, thay vì chỉ dựa vào một quả cân mẫu để so trực tiếp.
Chế độ lực: giữ cân bằng
Cuộn dây nằm trong từ trường. Dòng điện chạy qua cuộn tạo lực có thể cân bằng trọng lượng của vật trong cấu hình thích hợp. Dòng cần thiết cho biết một phần thông tin về lực.
Nhưng chỉ đo dòng chưa đủ: lực còn phụ thuộc sự ghép giữa cuộn dây và từ trường. Muốn đo hệ số đó trực tiếp đến độ chính xác cao là việc khó. Cân Kibble dùng một chế độ thứ hai để vượt qua trở ngại ấy.
Chế độ vận tốc: đo cảm ứng
Cuộn dây được đưa chuyển động trong từ trường và điện áp cảm ứng được đo cùng vận tốc. Cùng hệ số ghép điện cơ xuất hiện trong mối liên hệ này nếu hai chế độ có điều kiện tương thích.
Kết hợp hai nhóm dữ liệu có thể loại hệ số khó đo ấy khỏi biểu thức suy khối lượng. Đây không phải việc vừa đặt vật đứng yên vừa đo công suất cơ chuyển động của nó trong đúng một khoảnh khắc.
Cần biết cả môi trường quanh cân
Trọng lượng phụ thuộc khối lượng và gia tốc trọng trường địa phương. Vì vậy, muốn suy khối lượng chính xác phải biết trọng trường tại nơi cân. Sự thẳng hàng, rung, nhiệt độ và thay đổi của hệ từ cũng cần được kiểm soát.
Các chuẩn điện lượng tử cho phép nối phép đo điện với những hằng số cơ bản. Điều đó không có nghĩa mọi sai số thí nghiệm biến mất; định nghĩa đơn vị chính xác và phép hiện thực đơn vị trong phòng thí nghiệm là hai việc khác nhau.
Một cách hình dung: chế độ thứ nhất hỏi dòng nào đủ giữ vật, chế độ thứ hai hỏi cuộn dây đó phát điện áp nào khi chuyển động đã biết. Câu trả lời chung cho phép suy mối liên hệ mà từng chế độ riêng chưa xác định đủ.
Hiểu lầm: cân Kibble đơn giản là cân điện tử dùng điện trở biến dạng với độ nhạy cao hơn.
Ghi nhớ: cân bằng lực, đo cảm ứng, kết hợp hai chế độ; khối lượng được suy từ một chuỗi phép đo có kiểm soát.
Đọc thêm
- Cân điện tử nhận biết khối lượng từ một biến dạng rất nhỏ ra sao?
- Vì sao công suất ghi bằng VA có thể lớn hơn công suất tính bằng watt?