Российские ученые создадут эталонный килограмм
А именно – отечественную модель весов Киббла. Это высокоточный прибор, который должен стать эталоном массы — килограмма. Физики уже определили основные подходы, которые позволят создать весы с точностными характеристиками, не уступающими лучшим мировым образцам. Разработка позволит усовершенствовать измерительную систему.
Статья с описанием проведенных исследований и их результатов опубликована в журнале «Измерительная техника». На сегодня разработкой и усовершенствованием весов Киббла, помимо России, занимаются США, Канада, Франция, Италия, Швейцария, Великобритания, Турция, Китай, Южная Корея. Создание российского варианта эталонного килограмма — вопрос не только престижа, но и безопасности.
Во-первых, простое заимствование прибора чревато зависимостью от страны-поставщика. Во-вторых, обладание собственным эталоном массы важно для таких сфер, как наука и торговля. В-третьих, процесс создания весов стимулирует развитие национальных технологий. В весах Киббла масса груза определяется в магнитном поле. Проблема в том, что как только в режиме взвешивания груза на катушку подают электрический ток, меняется само магнитное поле. Над решением этой проблемы, в том числе, работают российские специалисты.
Физики изготовили две магнитные системы. Одна из них соответствует «классическому» образцу, принятому в мире: она включает в себя два постоянных магнита, выполненные из металлических порошков, а остальная, большая часть магнитной системы, состоит из магнитомягких материалов (катушка изготавливается из немагнитного материала, чтобы без приложения тока магнитное поле магнитной системы воздействовало на нее как можно меньше).
«Магниты — материалы с линейной текстурой, хрупкие и неоднородные. Тогда как нам необходимо радиальное и очень однородное распределение магнитного поля в так называемом зазоре — воздушном пространстве, в котором перемещается катушка. Для этого мы использовали магнитомягкие элементы, которые и создают необходимую конфигурацию магнитного поля», — объясняет участник исследовательской группы, старший научный сотрудник Отдела магнетизма твердых тел УрФУ Алексей Волегов.
Усовершенствования стали первым этапом решения проблемы. Во второй магнитной системе, изготовленной специалистами УрФУ и УНИИМ, постоянные магниты расположены гораздо ближе к воздушному зазору магнитной системы. Это снизило зависимость магнитного поля от силы электрического тока в ней.
«Перед тем как сконструировать и собрать первую магнитную систему, мы рассчитали ее параметры с помощью метода конечных элементов. А после сборки тщательно измерили распределение магнитного поля в ней, то, как катушка с проволокой движется в системе, какие электродвижущие силы при этом возникают, как сила электрического тока, пропускаемого через катушку, влияет на изменение поля и потокосцепления, то есть суммарного магнитного потока, пронизывающего все витки катушки», — рассказывает Алексей Волегов.
Для сканирования магнитного поля в системе ученые изготовили специальную измерительную установку и проводили измерения в течение двух месяцев по 10-12 часов в сутки. «Благодаря этому сейчас мы четко знаем сильные стороны созданных систем и их недостатки, то, насколько механически точно можно в наших условиях воспроизвести магнитную систему для российского варианта весов Киббла. Испытания системы на макетах весов Киббла в петербургском ВНИИ метрологии показали, что мы движемся в верном направлении», — резюмирует Алексей Волегов.
Следующий этап работы — улучшить однородность магнитного поля и усовершенствовать измерительную систему. И в том, и в другом случае ученые хорошо представляют способы выполнения стоящих перед ними задач.
Отметим, над созданием весов Киббла работают ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) с коллегами из Уральского научно-исследовательского института метрологии — филиала ФГУП «ВНИИМ имени Д. И. Менделеева» (Екатеринбург). Общее руководство и финансирование проекта осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстанадарт).
Исследования проводятся по заказу Всероссийского НИИ метрологии имени Д. И. Менделеева (Санкт-Петербург). Петербуржцы отвечают за разработку концепции, механики и алгоритмов работы весов, задача УрФУ и УНИИМ — филиала ФГУП «ВНИИМ имени Д. И. Менделеева» — создать электромагнитную систему.
Стоит напомнить, что современная система мер создана в 1875 году, когда 17 стран, в том числе Российская империя, заключили в Париже Метрическую конвенцию. С тех пор физические «подлинники» метра и килограмма хранятся в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в пригороде Парижа — Севре, а странам-участницам конвенции были предоставлены точные копии эталонов.
В 1960 году утверждена Международная система единиц, в которую вошли шесть основных величин: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Спустя десятилетие к ним добавили количество вещества. Посредством этих единиц по соответствующим физическим законам стали определять все остальные величины. Уже в то время из-за возросших требований к точности измерений метрологи стали переходить от физических воплощений (артефактов) эталонов к их выражению через квантовые законы и фундаментальные физические константы. К примеру, за метр приняли расстояние, проходимое электромагнитным излучением за 1 / 299 792 458 м/с.
В конце XX века выяснилось, что решение было верным. Проверки национальных копий эталона килограмма показали, что за прошедший век их массы в сравнении с главным, «севрским» килограммом изменились на ±50 микрограммов: сказались диффузии и испарения вещества, загрязнения в моменты, когда эталоны извлекались из вакуума. Риску деформаций подвержен и «царь-килограмм» — цилиндр, изготовленный из платино-иридиевого сплава. Вместе с тем новые требования к точности и универсальности единиц измерения (особенно в науке) вызвали идею связать их с неизменными фундаментальными константами.
В 2018 году утверждена, а в 2019-м вступила в силу новая версия Международной системы единиц. В соответствии с ней килограмм выражается через постоянную Планка. Измерения производятся с помощью сверхточного и очень сложного прибора, названного весами Киббла — по имени британского физика, метролога и изобретателя Брайана Киббла, создавшего установку в 1975 году.
По прогнозам специалистов, реализация проекта по созданию российских весов Киббла займет не менее пяти лет. Уральский федеральный университет, участвующий в проекте, — один из немногих российских вузов, занимающийся разработкой магнитных систем, это направление развивается в УрФУ на протяжении полувека. История сотрудничества УрФУ с Уральским научно-исследовательским институтом метрологии насчитывает более 40 лет.
Telegram 
Дзен 
VK Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Ученые выяснили, что золото владеет уникальной «техникой самообороны», которая защищает его от потускнения. Оказалось, атомы на поверхности этого металла способны самостоятельно перестраиваться в особые защитные структуры. Такой невидимый барьер блокирует контакт с кислородом и подавляет процесс окисления в триллион раз эффективнее, чем поверхность любого другого металла.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно