키블 저울 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:NIST-4_Kibble_balance.jpg|섬네일| [[미국 국립표준기술연구소|NIST]]-4 키블 저울. 2015년 상반기에 본격 가동을 시작하였는데,  [[플랑크 상수]]를 10억분의 13의 정밀도로 측정하여, [[2019년 SI 기본 단위 개정|2019년의 킬로그램에 대한 재정의]]를 지원하기에 충분한 정밀도를 보여주었다. ]]
'''키블 저울''' 또는 '''와트 저울'''은 어떤 물체의 무게에 해당하는 전기력을 생성하는 데 필요한 [[전류]] 및 [[전압]]을 매우 정밀하게 측정하여 어떤 물체의 [[무게]]를 매우 정확하게 [[계측기|측정]]하는 [[전기기계식]] [[계측기|측정 장치]]이다.  [[질량]]의 단위인 [[킬로그램]]을 물리학의 기본 상수에 기초하는 새로운 정의인 '전자 킬로그램' 또는 '전기 킬로그램'으로 구현할 수 있도록 해주는 [[도량형학|도량형]] 계측기이다.<ref>{{저널 인용|제목=The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass|저널=Metrologia|성=Robinson|이름=Ian A.|성2=Schlamminger|이름2=Stephan|연도=2016|권=53|호=5|쪽=A46–A74|doi=10.1088/0026-1394/53/5/A46}}</ref><ref>
{{뉴스 인용|url=https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12276822|제목=Curbing the kilogram's weight-loss programme|성=Palmer|이름=Jason|날짜=2011-01-26|뉴스=BBC News|출판사=[[BBC News]]|확인날짜=2011-02-16}}
</ref>

'''와트 저울'''이라는 명칭은 시험 질량의 무게가 [[와트]]의 단위로 측정되는 전류와 전압의 곱에 비례한다는 사실에서 유래한다. 와트 저울의 발명가인 [[브라이언 키블]]이 사망 한 2 개월 후인 2016년 6월, [[국제 도량형 위원회]], [[국제 도량형 위원회|단위 자문 위원회]]의 계측학자들이 그를 기념하여 기계의 명칭을 키블 저울로 개명하기로 합의하였다.<ref name="NPL">{{웹 인용|url=http://www.npl.co.uk/educate-explore/kibble-balance/|제목=The Kibble Balance|날짜=2016|웹사이트=Education|출판사=UK National Physical Laboratory website|형식=|doi=|확인날짜=15 May 2017}}</ref><ref>Consultative Committee for Units (CCU),
[http://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCU/CCU22.pdf Report of the 22nd meeting (15-16 June 2016)], pp. 32-32, 35</ref>

1889년 이래로 [[킬로그램]]의 정의는 [[국제 킬로그램 원기]](IPK)로 알려진 물리적인 물체를 기반으로 하였다. 2013년에는 기존의 정의를 키블 저울의 사용에 기초하는 새로운 정의로 대체하기 위한 정밀도 기준이, [[국제 도량형 총회]] (CGPM)에서 합의되었다. 이러한 기준이 달성되자, 국제 도량형 총회에서는 2018년 11월 16일 만장일치로, 기존의 킬로그램 단위 및 기타 단위의 정의를 변경하여 2019년 5월 20일 [[세계 측정의 날|세계 계측의 날]]에 발효시키는 것으로 결정하였다.<ref name="NPL">{{웹 인용|url=http://www.npl.co.uk/educate-explore/kibble-balance/|제목=The Kibble Balance|날짜=2016|웹사이트=Education|출판사=UK National Physical Laboratory website|형식=|doi=|확인날짜=15 May 2017}}</ref><ref>{{저널 인용|제목=Plot to redefine the kilogram nears climax|저널=Science|성=Cho|이름=Adrian|연도=2017|권=356|호=6339|쪽=670–671|doi=10.1126/science.356.6339.670|pmid=28522473}}</ref><ref name="Milton16">{{웹 인용|url=http://www.sim-metrologia.org.br/docs/2016Presentations/BIPM%202016.pdf#page=10|제목=Highlights in the work of the BIPM in 2016|성=Milton|이름=Martin|날짜=14 November 2016|쪽=10|확인날짜=2019-06-17|보존url=https://web.archive.org/web/20170901031605/http://www.sim-metrologia.org.br/docs/2016Presentations/BIPM%202016.pdf#page=10|보존날짜=2017-09-01|url-status=dead}}</ref><ref>[http://www.bipm.org/en/committees/cipm/meeting/105.html Decision CIPM/105-13 (October 2016)]</ref><ref>{{뉴스 인용|url=https://www.nist.gov/news-events/news/2018/11/historic-vote-ties-kilogram-and-other-units-natural-constants|제목=Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants|성=Materese|이름=Robin|날짜=2018-11-16|뉴스=NIST|언어=en|확인날짜=2018-11-16}}</ref>

== 설계 ==
[[파일:Ampere_balance_1927.jpg|섬네일| 1927년 미국 [[미국 국립표준기술연구소|국립 표준기술 연구소]] (현재 [[미국 국립표준기술연구소|NIST]])의 고정밀 암페어 저울. 전류 코일은 저울 아래에서 오른쪽 저울 팔에 부착된 것으로 보인다. 키블 저울은 [[암페어 저울]]이 개량된 것이다.]]
키블 저울은 두개의 통전 코일 사이의 [[힘 (물리)|힘]]을 측정하여 전류의 크기를 계산하는 초기의 [[전류]] 측정 장비인 암페어 저울이 더욱 정확하게 개량된 것이다. 이 새로운 기계에서는 저울이 반대의 의미로 사용된다. 즉, "[[국제 킬로그램 원기]]나 물리적 물체에 의존하지 않는 질량의 측정"을 위하여, 코일의 전류가 [[플랑크 상수]]에 대한 새로운 표준 정의를 이용하여 측정된다.<ref>{{뉴스 인용|url=https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-kibble-balance|제목=Kilogram: The Kibble Balance|성=Materese|이름=Robin|날짜=2018-05-14|뉴스=NIST|언어=en|확인날짜=2018-11-22}}</ref> 키블 저울에 의하여 물체의 무게가 정해지면, [[중력계]]를 이용하여 국지적인 중력 (중력과 원심 효과를 결합한 순 가속도)을 정확하게 측정함으로써, 질량을 계산할 수 있다. 즉, 물체의 질량("전자 질량")이 전류와 전압으로부터 후술하는 바와 같이 결정된다.

== 유래 ==
키블 저울에 사용된 원리는 1975년 [[자기회전비율]]의 측정을 위해 영국 [[영국 국립 물리 연구소|국립 물리학 연구소]] (NPL)의 [[브라이언 키블]]에 의해 제안되었다.<ref>{{서적 인용|제목=Atomic Masses and Fundamental Constants 5|성=Kibble|이름=B. P.|연도=1976|쪽=545–551|장=A Measurement of the Gyromagnetic Ratio of the Proton by the Strong Field Method|doi=10.1007/978-1-4684-2682-3_80|isbn=978-1-4684-2684-7}}</ref>

[[암페어 저울]] 방법의 가장 큰 약점은 코일 치수의 정확도에 따라 결과가 달라진다는 점이었다. 키블 저울의 방법에서는 부정확성의 주요 원인인 코일의 기하학적 형상의 영향을 제거하는 교정 단계가 추가되어 있다. 이 교정 단계는 1990년부터 수행되었는데, 전기력 코일을 세기가 알려져 있는 [[자기 선속|자속]](Magnetic flux) 내에서 일정한 속도로 이동시킨다.<ref>{{저널 인용|제목=A Realization of the SI Watt by the NPL Moving-coil Balance|url=https://archive.org/details/sim_metrologia_1990-12_27_4/page/n12|저널=Metrologia|성=Kibble|이름=B. P.|성2=Robinson|이름2=I. A.|연도=1990|권=27|호=4|쪽=173–192|doi=10.1088/0026-1394/27/4/002|성3=Belliss|이름3=J. H.}}</ref>

키블 저울은 영국의 [[국립 물리학 연구소]] (National Physical Laboratory)에서 기원하였는데, 2009년 [[캐나다 국립 연구위원회]] (National Research Council of Canada, NRC)로 이전되었고, 장비에 대한 개량이 두 연구소의 과학자에 의하여 지속되었다.<ref>{{웹 인용|url=http://www.npl.co.uk/engineering-measurements/mass-force-pressure/mass/research/npl-watt-balance|제목=Kibble balances : Research : Mass & Force : Science + Technology : National Physical Laboratory|웹사이트=www.npl.co.uk|확인날짜=2019-06-17|보존url=https://web.archive.org/web/20160617091105/http://www.npl.co.uk/engineering-measurements/mass-force-pressure/mass/research/npl-watt-balance|보존날짜=2016-06-17|url-status=dead}}</ref> 2014년 NRC 연구원은 [[플랑크 상수]] 값에 대하여 1.8  {{E|-8}} 의 정밀도로 발표하였는데 이는 당시로서는 가장 정밀한 측정 값이다.<ref>{{저널 인용|제목=A determination of Planck's constant using the NRC watt balance|저널=Metrologia|성=Sanchez|이름=C. A.|성2=Wood|이름2=B. M.|연도=2014|권=51|호=2|쪽=S5–S14|doi=10.1088/0026-1394/51/2/S5|성3=Green|이름3=R. G.|성4=Liard|이름4=J. O.|성5=Inglis|이름5=D.}}</ref> 2017년 5월 발표된 NRC 연구원에 의한 최종 논문에서는, 9.1 ppb(십억분의 1)의 정밀도로 현재까지 가장 높은 정밀도의 플랑크 상수 측정치가 제시되었다.<ref>{{저널 인용|제목=A summary of the Planck constant determinations using the NRC Kibble balance|저널=Metrologia|성=Wood|이름=B. M.|성2=Sanchez|이름2=C. A.|연도=2017|권=54|호=3|쪽=399–409|doi=10.1088/1681-7575/aa70bf|성3=Green|이름3=R. G.|성4=Liard|이름4=J. O.}}</ref> 이외에도 미국 [[미국 국립표준기술연구소|국립 표준 기술 연구소]] (NIST), 스위스 베른의 [[스위스 계측 학회]] (METAS), 파리 근교의 [[국제 도량형국]](BIPM) 및 프랑스 [[트라프]]의 [[국립 도량형 연구소]] (LNE)에서 키블 저울을 이용하여 실험을 하고 있다.<ref>{{CODATA2006}}</ref>

== 원리 ==
강도 ''B'' 의 [[자기장]] 내에서 수직으로 [[전류]] ''I''를 흘리는 길이 ''L의''  도선에는 이들 변수의 곱에 해당하는 [[로런츠 힘|로렌츠 힘]]이 작용한다. 키블 저울에서는, 이 힘이 표준 질량 ''m'' 의 [[무게]] ''w''에 해당하도록 전류를 변화시킨다. 이러한 원리는 암페어 저울에서 유래된 것이다. 한편 무게 ''w''는 질량 ''m''에 지역의 [[중력 가속도]] ''g''를 곱한 값으로 주어진다. 따라서 저울에서 전자기장에 의한 힘과 중력에 의한 힘이 평형상태를 이루면 아래 식이 성립한다.
:<math>w = mg = BLI</math>

키블 저울에서는 두 번째 교정 단계를 수행하여 자기장의 세기 ''B'' 와 도선의 길이 ''L'' 을 측정하여야 하는 문제를 제거한다. 동일한 와이어 (실제로는 코일)를 속도 ''v''에서 위와 동일한 자기장 내부에서 통과 시키면, [[패러데이 전자기 유도 법칙|패러데이의 전자기 유도 법칙]]에 의하여 ''BLv''에 해당하는 [[전압|전위차]](전압)  즉,

:<math>U = BLv</math>

에 해당하는 전압 U 가 전선의 양단에 발생한다.

위의 방정식을 결합하면 알려지지 않은 곱 ''BL''이 제거되어,

:<math>UI = mgv</math>

가 된다.

따라서, ''U'', ''I'', ''g'' 및 ''v''를 정확하게 측정하면 ''m''에 대한 정확한 값을 얻을 수 있다.

한편 위 방정식의 좌변은 전압과 전류의 곱이고, 우변은 중력에 의한 힘과 속도의 곱으로, 양변은 [[일률]](power)의 [[차원]]을 가지며 국제 단위계 (SI, International System of Units)의 단위에서는 [[와트]]가 된다. 키블 저울의 원래 이름인 "[[와트 저울]]"은 여기에서 유래한다.

== 측정 ==
전류 및 전압에 대한 정밀한 값은 [[조셉슨 상수]] 및 [[양자 홀 효과|폰 클리칭 상수]]를 이용하여 측정된다. 조셉슨 상수 및 폰 클리칭 상수에는 플랑크 상수 ''h''가 포함되어 있다.

*조셉슨 상수: <math>K_J = 2e/h</math>

*폰 클리칭 상수: <math>R_K = h/e^2</math>

따라서 위의 방법에 의하여 구해지는 전자 킬로그램의 값은, [[미터]]가 [[빛의 속력|광속]]에 의하여 정의되는 것과 마찬가지로, 새롭게 합의되어 정해진 [[플랑크 상수]]의 값에 의존하게 된다. 이 경우 전류와 전압은 SI 단위로 측정되고 키블 저울은 질량을 측정하는 계기가 된다. 매우 상당한 시간과 돈을 키블 저울에 투자한 실험실에서는 종전에 [[국제 킬로그램 원기]](IPK)를 통해 플랑크  상수를 측정 한 것과 동일한 정도의 정확도로 어떤 물체의 질량을 측정 할 수 있다.

키블 저울에 의하여 질량을 구하기 위해서는, ''UI''를 측정하는 것 외에도, 실험실에서는 질량의 정의에 의존하지 않는 실험적 방법을 사용하여 ''v'' 와 ''g''를 측정해야 한다. 질량 ''m'' 의 전체적인 정밀도는 ''U'', ''I'', ''v'' 및 ''g'' 의 측정 정밀도에 따라 달라진다. ''v'' 와 ''g''를 매우 높은 정밀도로 측정하는 방법은 이미 있으므로, 질량 측정의 불확실성은 키블 저울에 의하여 측정 된 값인 ''UI'' 의 측정에 의해 좌우된다.

== 같이 보기 ==
* [[구이 저울]](Gouy balance)

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* {{저널 인용|제목=Towards an electronic kilogram: An improved measurement of the Planck constant and electron mass|저널=Metrologia|성=Steiner|이름=Richard L.|성2=Williams|이름2=Edwin R.|연도=2005|권=42|호=5|쪽=431–441|doi=10.1088/0026-1394/42/5/014|성3=Newell|이름3=David B.|성4=Liu|이름4=Ruimin}}
* {{저널 인용|제목=Hysteresis and related error mechanisms in the NIST watt balance experiment|저널=Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology|성=Schwarz|이름=J.P.|성2=Liu|이름2=R.M.|연도=2001|권=106|호=4|쪽=627–40|doi=10.6028/jres.106.028|pmc=4862827|pmid=27500039|성3=Newell|이름3=D.B.|성4=Steiner|이름4=R.L.|성5=Williams|이름5=E.R.|성6=Smith|이름6=D.|성7=Erdemir|이름7=A.|성8=Woodford|이름8=J.}}
* [http://www.bipm.fr/en/scientific/elec/watt_balance/ 국제 도량형 사무국]
* [https://web.archive.org/web/20070810224138/http://www-optics.unine.ch/former/metrology/Watt_balance/Watt_balance.html 스위스 계측 학회]
[[분류:계측기]]