키블저울로 플랑크상수 측정

한국 표준 과학 연구원에서는 단위를 새로 정하는 상세한 자료를 올려놓았습니다. 네가지 단위가 동시에 바뀌는 것은 지난번 글에 올려 놓았습니다.

         2019/02/18 - [과학이야기] - 단위의 정의

 

표준연구원의 2018년 11월 16일 보도자료에 보면 키블저울을 사용해서 플랑크 상수를 측정한다는 방법으로 

--기계적 일률(m·g·v)=전기적 일률(V2/R = c·f2·h)이 같다는 원리를 이용--

한다고 발표했습니다. 1975년 영국의 브라이언 키블 박사가 제안한 방법입니다. 발표에서처럼 일률을 바로 측정한 것이 아닙니다.

통(파란색)속에만 자기장이 있습니다. 통속에 전선(빨간고리)이 있고 여기에 연결된 저울은 통 밖에 있습니다. 

저울에 1kg을 올리면 저울은 아래로 힘을 받습니다. 자기장 속에 있는 고리에 전류를 흘려면 위로 힘을 받습니다. 이 두 힘의 크기가 같으면 정지한 채로 있습니다.

               질량*중력가속도 = 자기장(B)*전류*전선의 길이  ->  자기장*전선의 길이 = 질량*중력가속도/전류

   질량은 1kg원기를 사용했고 중력가속도는 알고 있으면 고리에 흘려주는 전류도 정확하게 측정할 수 있지만 자기장과 전선의 길이는 정확히 측정할 수 없읍니다.

   이번에는 전류를 흘리지 않고 저울을 천천히 내립니다. 자기장에서 고리가 움직이면 전자기유도에 의해 전류가 흐릅니다. 이때 고리의 전압을 측정할 수 있습니다.

            고리의 전압 = 자기장*전선의 길이*전선의 속력  

                       -> 자기장*전선의 길이 = 고리 전압/전선속력

            질량*중력가속도/전류 = 고리전압/전선속력 

                 -> 질량*중력가속도*고리속도 = 고리 전압*전류

    전압과 전류를 곱하면 전력이 되고 단위가 와트여서 와트저울이라고도 합니다. 전력은 전기적인 일률입니다. 이식으로부터 질량을 정확하게 정의할 수 있습니다. 

   전류는 전압/저항이며 저항은 양자홀효과에 의하면 (플랑크상수)/(전자의 전하량)2*(정수)입니다. 

   전압은 초전도체를 두개 붙여서 전자기파를 쪼여주면 접합부분에서 전자가 두개 지나가는데 이 접합을 조셉슨 접합이라고 하고 전압은 (플랑크상수)*(전자기파의 진동수)/2(전자의 전하량) 입니다. 

   

            질량*중력가속도*고리속도=상수*플랑크상수*(전자기파의 진동수)2

  이런 방법으로 전압과 전류를 정확하게 측정하면서 플랑크상수가 들어있는 값으로 질량을 정의할 수 있습니다.  아래 참고 동영상을 연결해 두었습니다.