A redefinição do kilograma e a Balança de Kibble como um meio … · 2019-07-02 · “O...

A redefinição do kilograma e a

Balança de Kibble como um meio

para a sua realização

Victor M. Loayza MSc.Chefe do Laboratório de MassaDivisão de Metrologia MecânicaDiretoria de Metrologia Científica e Tecnologia

http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/vim_2012.pdf http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf

Aprovação do Novo SI

https://www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9.pdf

9ª edição do

SI Brochure

publicado pelo

BIPM (2019)

o ‘Novo SI’

Em vigor desde

20 de maio de 2019

Novo SI - Mudança de estrutura

Alan Steele, NRC Canada IPAC’18 Vancouver May 2, 2018

de ‘Unidades de Base’ definidas (s, m, kg, A, K, mol, cd)

para constantes definidas (DnCs , c, h, e, kB , NA , Kcd )

Novo SI - Mudança de estrutura

O Sistema Internacional de Unidades, o SI, é o sistema de unidades em que

• a frequência de transição hiperfina do estado fundamental não perturbado

do átomo de césio 133 DnCs é: 9 192 631 770 Hz,

• a velocidade da luz no vácuo c é: 299 792 458 m/s,

• a constante de Planck h é: 6,626 070 15 × 10−34 J s,

• a carga elementar e é: 1,602 176 634 × 10−19 C,

• a constante de Boltzmann k é: 1,380 649 × 10−23 J/K,

• a constante de Avogadro NA é: 6,022 140 76 × 1023 mol−1,

• a eficácia luminosa da radiação monocromática de frequência 540 × 1012 Hz, Kcd, é: 683 lm/W

https://www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9.pdf

Novo SI - Mudança de estrutura

O uso de uma constante para definir uma unidade desconecta a

definição da realização.

Isto oferece a possibilidade de que

realizações práticas completamente diferentes ou novas e

superiores possam ser desenvolvidas, à medida que as

tecnologias evoluem, sem a necessidade de alterar a definição

https://www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9.pdf

Porque o kilograma foi redefinido ?

Linha do Tempo

“O kilograma é a unidade de massa; é igual à massa

do protótipo internacional.” (3ª CGPM1901)

, o Protótipo Internacional do Kilograma é um

cilindro feito de liga de platina (90%) e irídio

(10%) e é mantido no Bureau International des

Poids et Mesures (BIPM), na França.

Diâmetro = Altura = 39 mm

“A massa do Protótipo Internacional do Kilograma é

exatamente 1 kg logo após limpeza e lavagem

utilizando o método do BIPM.” (1989)

Armazenamento do IPK

www.bipm.org/utils/en/pdf/Monographie1990-1-EN.pdf

Laboratório de Massa - Lamas

Protótipo K66

Definição do kilograma (SI) baseada no IPK

u(mIPK) = 0

Quais são os experimentos para redefinir o kilograma ?

Experiências para redefinição do kilograma

Esfera 28SiCoordenação Internacional Avogadro (IAC)

Balança de Kibble

PTB

BIPM

Informações sobre a esfera de Silício

Coordenação Internacional Avogadro (IAC)

Leibniz-Institut fur

KristallzuchtungInstitute of Chemistry of High-Purity

Substances of the Russian Academy of

Sciences

Central

Design Bureau of

Machine Building

Institute of Mineral

Resources of the Chinese

Academy of Science

Institute

for Physics of

Microstructures of

the Russian

Academy of Science

Experiências para redefinição do kilograma

World's Roundest

Experiências para redefinição do kilogramaCoordenação Internacional Avogadro (IAC)

E as Balanças Kibble?

Balança de Kibble

Ali-Laurent Eichenberger METAS - Gérard Genevès LNE

Experiências para redefinição do kilograma

NIST-4 Kibble balance.

Rev. Sci. Instrum. 87 , 061301 (2016)Princípios da Balança Kibble

Rev. Sci. Instrum. 87 , 061301 (2016)

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble

Modo de pesagem

Modo de velocidade

m g v = V I

Potência mecânica Potência elétrica

Alan Steele, NRC Canada IPAC’18 Vancouver May 2, 2018

m g v = V I

Potência mecânica Potência elétrica

Meas. Sci. Technol. 29 (2018) C Rothleitner et al

Rev. Sci. Instrum. 87 , 061301 (2016)

Para alcançar uma incerteza global de 15 ppb, é necessário possuir uma

capacidade de medição seis grandezas primárias, todas melhores que 10 ppb

• Gravidade

• Voltagem

• Resistência

• Comprimento

• Tempo

• Massa

• Garantir o alinhamento mecânico, elétrico timing e outras questões

Câmara de vácuo

Espiras circulares

Carregador de massa

Magnetos

Divisor de feixe

Manivela

hidráulica

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble NRC

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble NRC

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble NRC

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble LNE

Experiências para redefinição do kilogramaBalança Kibble LNE

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble - BIPM

Experiências para redefinição do kilogramaBalança de Kibble

Quais foram os valores da constante de Planck fornecidos pelos experimentos?

CODATA 2017Committee on Data for Science and Technology

Qual foi o valor da constante de Planck?

Valor da constante de Planck (h)

Qual a importância do kilograma no novo Si?

Importância do kilograma no novo SI

kg

A mol

cd K

h NA

“O kilograma, símbolo kg, é a unidade de massa do SI. Ele é definido tomando-se ovalor numérico fixo da constante de Planck h como sendo 6,626 070 15 × 10–34

quando expresso na unidade J s, que é igual a kg m2 s–1, onde o metro e o segundosão definidos em termos de c e DnCs.”

Nova definição do kilograma

“...o Sistema Internacional de Unidades, o SI, é o sistema de unidades em que:

❑ a frequência de transição hiperfina do estado fundamental não perturbado doátomo de césio 133 DnCs é de 9 192 631 770 Hz,

❑ a velocidade da luz no vácuo c é 299 792 458 m/s,

❑ a constante de Planck h é 6,626 070 15 × 10-34 J s, ..”

Como o kilograma será disseminado?

Foundation for the redefinition of the kilogram, Metrologia 53 (2016) A6–A11

Disseminação do kilograma no novo SI

Efeitos superficiais na transição ar-vácuo-ar

Material para padrões de massa utilizados no ar e no vácuo

Disseminação do kilograma no novo SI

Disseminação do kilograma no novo SI

Experiências para a realização do kilograma

Conjunto de padrões de referência do BIPM

Set up para armazenamento de padrões de referência do BIPM

Disseminação do kilograma no novo SI

Os experimentos de realização do kilograma já podem fornecer rastreabilidade?

Ajuste Especial CODATA

Qual medida foi tomada para não propagar a discrepância para a escala de padrões de masssa?

Impactos da redefinição do kilogramaFonte de rastreabilidade Internacional

Quais os impactos imediatos da redefinição do kilograma?

Impactos da redefinição do kilogramaPúblico em geral

https://www1.folha.uol.com.br/folha/cotidiano/ult95u127255.shtml

https://www.niddk.nih.gov/health-information/

http://www.ipem.rj.gov.br/Instrumentos/PreMedidos/

Não há impacto

Impactos da redefinição do kilogramaIndústrias e Laboratórios

https://www.jayinst.com/product-page.php?cat_id=2&id=19

http://nigertechno.com/lab-weighing-manufacturers-in-chandigarh/

Não há impacto

Impactos da redefinição do kilogramaLaboratórios Acreditados, Industrias de Pesagem, Organismos de

Metrologia Legal

Não há impacto

Impactos da redefinição do kilogramaInstitutos Nacionais de Metrologia

Quais os impactos futuros da redefinição do kilograma?

Impactos futuros da redefinição do kilogramaProjeto NIST on a Chip (NOAC)

o Atender as necessidades de medição das áreas farmacêuticas, biomédicas enanotecnlógicas;o Baixo custo, adaptável para aplicações industriais e domésticas ;o Realização das unidades a partir de fenômenos quânticos, sem necessidade decalibração (alta exatidão e estabilidade).

Impactos futuros da redefinição do kilogramaRealização da unidade de massa com menor exatidão

ur~10-4

Impactos futuros da redefinição do kilogramaRealização da unidade de massa com menor exatidão

Custo estimado$100.000 - $300.000

Referências

[1] Cacais F L , Loayza V M Redefinição do Kilograma I: Motivações e Justificativativas, Metrologia 2017, disponível em http://media.metrologia2017.org.br/media/uploads/s/facacais@gmail.com_1506033700_673254.pdf, acessado em 13/05/2019.

[2] Cacais F L , Loayza V M Redefinição do Kilograma II: Decisões, Metrologia 2017, disponível em http://media.metrologia2017.org.br/media/uploads/s/facacais@gmail.com_1506033803_728675.pdf, acessado em 13/05/2019.

[3] Cacais F L , Loayza V M Redefinição do Kilograma III: Preparação e Consequências, Metrologia 2017, disponível em http://media.metrologia2017.org.br/media/uploads/s/facacais@gmail.com_1506033883_385830.pdf, acessado em 13/05/2019.

Muito Obrigado!

vmloayza@inmetro.gov.br facacais@inmetro.gov.br

Agradecimento especial a Fabio Cacais pela colaboração na elaboração desta apresentação