توازن طعام الكلاب الجاف

ميزان كيبل ( المعروف سابقًا بميزان وات ) هو أداة قياس كهروميكانيكية تقيس وزن الجسم المراد اختباره بدقة عالية باستخدام التيار الكهربائي والجهد اللازمين لتوليد قوة تعويضية. وهو أداة قياس تُتيح تعريف وحدة الكيلوغرام للكتلة بناءً على ثوابت أساسية . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

كان يُعرف في الأصل باسم ميزان الواط لأن وزن كتلة الاختبار يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب التيار والجهد، والذي يُقاس بالواط . في يونيو 2016، بعد شهرين من وفاة مخترعه، برايان كيبل ، وافق علماء القياس في اللجنة الاستشارية للوحدات التابعة للجنة الدولية للأوزان والمقاييس على إعادة تسمية الجهاز تكريمًا له. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

قبل عام ٢٠١٩، كان تعريف الكيلوغرام يعتمد على نموذج مادي يُعرف باسم النموذج الدولي الأولي للكيلوغرام (IPK). بعد دراسة البدائل ، وافق المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM) في عام ٢٠١٣ على معايير دقة لاستبدال هذا التعريف بتعريف آخر يعتمد على استخدام ميزان كيبل. بعد استيفاء هذه المعايير، صوّت المؤتمر بالإجماع في ١٦ نوفمبر ٢٠١٨ على تغيير تعريف الكيلوغرام وعدة وحدات أخرى ، اعتبارًا من ٢٠ مايو ٢٠١٩، بالتزامن مع اليوم العالمي للمترولوجيا . ^{[ ٣ ] [ ٥ ] [ ٦ ] [ ٧ ] [ ٨ ]} وهناك أيضًا طريقة تُسمى ميزان الجول . تُسمى جميع الطرق التي تستخدم القيمة العددية الثابتة لثابت بلانك أحيانًا بميزان بلانك.

يُعدّ ميزان كيبل تطويرًا متقدمًا ودقيقًا للغاية لميزان الأمبير السابق ، وهو جهاز يقيس القوة المتولدة بين ملفين يحملان تيارًا كهربائيًا لتحديد شدة التيار . وعلى النقيض من ذلك، يعمل ميزان كيبل بطريقة عكسية: يُضبط التيار المار عبر ملفاته بدقة عالية باستخدام قيمة ثابتة لثابت بلانك ، وتُستخدم القوة الكهرومغناطيسية الناتجة لموازنة وزن كتلة اختبار. ثم تُحدد كتلة الجسم من خلال دمج القياسات الكهرومغناطيسية مع تحديد دقيق لتسارع الجاذبية الأرضية المحلي - بما في ذلك مركبات الجاذبية والطرد المركزي - باستخدام مقياس الجاذبية . وهذا يسمح بتعريف الكتلة بدلالة الكميات الكهربائية مثل التيار والجهد ، مما يُمكّن الجهاز من "قياس الكتلة دون الحاجة إلى الكيلوغرام النموذجي الدولي (IPK ) أو أي جسم مادي". ^{[ 9 ]}

اقترح برايان كيبل (1938-2016) من المختبر الفيزيائي الوطني البريطاني (NPL) في عام 1975 مبدأ ميزان كيبل لقياس النسبة المغناطيسية الدورانية . ^{[ 10 ]} وفي عام 1978، تم بناء ميزان وات مارك 1 في المختبر الفيزيائي الوطني بالتعاون مع إيان روبنسون وراي سميث. ^{[ 11 ] [ 12 ]} واستمر تشغيله حتى عام 1988. ^{[ 13 ]}

تكمن نقطة الضعف الرئيسية في طريقة ميزان الأمبير في اعتماد النتيجة على دقة قياس أبعاد الملفات. يستخدم ميزان كيبل خطوة معايرة إضافية لإلغاء تأثير هندسة الملفات، مما يزيل المصدر الرئيسي للشك. تتضمن هذه الخطوة الإضافية تحريك ملف القوة عبر تدفق مغناطيسي معروف بسرعة معروفة. وقد أمكن ذلك من خلال ضبط القيم التقليدية لثابت فون كليتزينغ وثابت جوزيفسون ، المستخدمين عالميًا لمعايرة الجهد والمقاومة. استنادًا إلى هذه المبادئ، اخترع برايان كيبل وإيان روبنسون في عام 1990 ميزان كيبل مارك 2، الذي يستخدم ملفًا دائريًا ويعمل في ظروف الفراغ. ^{[ 14 ]} عمل برايان كيبل مع إيان روبنسون وجانيت بيليس على بناء هذا الإصدار الثاني من الميزان. سمح هذا التصميم بإجراء قياسات دقيقة بما يكفي لاستخدامها في إعادة تعريف وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات: الكيلوغرام. ^{[ 15 ]}

نُقل ميزان كيبل، الذي كان يُستخدم في المختبر الفيزيائي الوطني، إلى المجلس الوطني للبحوث في كندا (NRC) عام 2009، حيث واصل علماء من كلا المختبرين تطوير الجهاز. ^{[ 16 ]} وفي عام 2014، نشر باحثو المجلس الوطني للبحوث أدق قياس لثابت بلانك في ذلك الوقت، بنسبة خطأ نسبي بلغت 1.8 × 10^-8 . ^{[ 17 ]} نُشرت ورقة بحثية أخيرة من قِبل باحثي المجلس الوطني للبحوث في مايو 2017، تُقدم قياسًا لثابت بلانك بدقة لا تتجاوز 9.1 جزء في المليار، وهو القياس الأقل دقة حتى ذلك التاريخ. ^{[ 18 ]} تُجرى تجارب أخرى باستخدام ميزان كيبل في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، والمكتب الفيدرالي السويسري للمقاييس (METAS) في برن، والمكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM) بالقرب من باريس، والمختبر الوطني للمقاييس والاختبارات (LNE) في تراب ، فرنسا. ^{[ 19 ]}

سلك موصل بطول${\displaystyle L}$الذي يحمل تيارًا كهربائيًا${\displaystyle I}$عمودي على مجال مغناطيسي ذي قوة${\displaystyle B}$يتعرض الجسم لقوة لورنتز تساوي حاصل ضرب هذه المتغيرات. في ميزان كيبل، يتم تغيير التيار بحيث تعاكس هذه القوة الوزن .${\displaystyle w}$من كتلة${\displaystyle m}$ليتم قياسها. هذا المبدأ مستمد من ميزان الأمبير. ${\displaystyle w}$يتم تحديده بواسطة الكتلة${\displaystyle m}$مضروبًا في تسارع الجاذبية المحلي${\displaystyle g}$. هكذا،

${\displaystyle w=mg=BLI.}$

يتجنب ميزان كيبل مشاكل القياس${\displaystyle B}$و${\displaystyle L}$في خطوة معايرة ثانية، يتم تحريك السلك نفسه (في الواقع، ملف) عبر المجال المغناطيسي نفسه بسرعة معروفة.${\displaystyle v}$بحسب قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي ، فإن فرق الجهد${\displaystyle U}$يتم توليدها عبر طرفي السلك، وهو ما يساوي${\displaystyle BLv}$. هكذا

${\displaystyle U=BLv.}$

المنتج المجهول${\displaystyle BL}$يمكن حذفها من المعادلات للحصول على

${\displaystyle UI=mgv}$

${\displaystyle m=UI/gv.}$

مع${\displaystyle U}$،${\displaystyle I}$،${\displaystyle g}$، و${\displaystyle v}$وبقياسها بدقة، فإن ذلك يعطي قيمة دقيقة لـ${\displaystyle m}$كلا طرفي المعادلة لهما أبعاد القدرة ، التي تُقاس بالواط في النظام الدولي للوحدات؛ ومن هنا جاء الاسم الأصلي "ميزان الواط". الناتج${\displaystyle BL}$لا يتساوى العامل الهندسي، الذي يُطلق عليه أيضًا اسم العامل الهندسي، بشكل بديهي في كلتا خطوتي المعايرة. ويكون العامل الهندسي ثابتًا فقط في ظل ظروف استقرار معينة على الملف. ^{[ 1 ]}

صُمم ميزان كيبل بحيث تُعلق الكتلة المراد قياسها وملف السلك من جانب واحد من ميزان ذي كفتين، مع وجود كتلة موازنة على الجانب الآخر. يعمل النظام بالتناوب بين وضعين: "الوزن" و"التحريك". يعمل النظام الميكانيكي الفرعي بأكمله داخل حجرة مفرغة من الهواء لإزالة تأثيرات الطفو. ^{[ 20 ]}

أثناء عملية "الوزن"، يقوم النظام بالقياس${\displaystyle I}$يتم ذلك عن طريق التحكم في التيار المار في الملف للحفاظ على توازن القوة الكهرومغناطيسية المؤثرة عليه مع قوة الجاذبية. تستخدم دائرة قياس موضع الملف وسرعته مقياس تداخل مع إشارة ساعة دقيقة لتحديد السرعة والتحكم في التيار اللازم للحفاظ عليها. يُقاس التيار المطلوب باستخدام مقياس أمبير يتألف من معيار جهد وصلة جوزيفسون وفولتميتر تكاملي.

أثناء "التحرك"، يقوم النظام بالقياس${\displaystyle U}$و${\displaystyle v}$وذلك عن طريق التوقف عن تزويد الملف بالتيار. يسمح هذا للثقل الموازن بسحب الملف (والكتلة) لأعلى عبر المجال المغناطيسي، مما يُحدث فرقًا في الجهد عبر الملف. تقيس دائرة قياس السرعة السرعة${\displaystyle v}$حركة الملف. يتم قياس هذا الجهد باستخدام نفس معيار الجهد وفولتميتر التكامل.

يقيس ميزان الكيبل النموذجي${\displaystyle U}$،${\displaystyle I}$، و${\displaystyle v}$لكنها لا تقيس التسارع الجاذبي المحلي${\displaystyle g}$، لأن${\displaystyle g}$لا يتغير بسرعة مع مرور الوقت. بدلاً من ذلك،${\displaystyle g}$يُقاس الوزن في نفس المختبر باستخدام مقياس وزن دقيق للغاية . بالإضافة إلى ذلك، يعتمد الميزان على مرجع تردد دقيق للغاية، مثل الساعة الذرية، لحساب الجهد والتيار. وبالتالي، تعتمد دقة قياس الكتلة على ميزان كيبل، ومقياس الوزن، والساعة.

على غرار الساعات الذرية الأولى، كانت موازين كيبل الأولى أجهزة تجريبية فريدة من نوعها، وكانت كبيرة الحجم، باهظة الثمن، وحساسة. اعتبارًا من عام 2019، يجري العمل على إنتاج أجهزة موحدة بأسعار تسمح باستخدامها في أي مختبر قياس يتطلب قياسًا دقيقًا للكتلة. ^{[ 21 ]}

إلى جانب موازين كيبل الكبيرة، تمّ عرض موازين الواط المصنّعة بتقنية النانو أو بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS ) (والتي تُعرف الآن باسم موازين كيبل) ^{[ 22 ]} منذ حوالي عام 2003. تُصنّع هذه الموازين على رقائق سيليكون أحادية مشابهة لتلك المستخدمة في الإلكترونيات الدقيقة ومقاييس التسارع، وهي قادرة على قياس قوى صغيرة في نطاق النانو نيوتن إلى الميكرو نيوتن، مع إمكانية ربطها بالثوابت الفيزيائية المحددة في النظام الدولي للوحدات (SI) عبر القياسات الكهربائية والبصرية. نظرًا لصغر حجمها، تستخدم موازين كيبل المصنّعة بتقنية MEMS عادةً القوى الكهروستاتيكية بدلًا من القوى الحثية المستخدمة في الأجهزة الأكبر حجمًا. كما تمّ عرض أنواع جانبية ودورانية ^{[ 23 ]} ، وكان التطبيق الرئيسي لها (حتى عام 2019) هو معايرة مجهر القوة الذرية . ستُمكّن القياسات الدقيقة التي تُجريها فرق بحثية متعددة من حساب متوسط ​​نتائجها، وبالتالي تقليل الخطأ التجريبي. ^{[ 24 ]}

تُجرى قياسات دقيقة للتيار الكهربائي وفرق الجهد بوحدات كهربائية تقليدية (بدلاً من وحدات النظام الدولي للوحدات)، والتي تعتمد على " قيم تقليدية " ثابتة لثابت جوزيفسون وثابت فون كليتزينغ .${\displaystyle K_{\text{J-90}}}$و${\displaystyle R_{\text{K-90}}}$على التوالي. تُعادل تجارب ميزان كيبل الحالية قياس قيمة الواط التقليدي بوحدات النظام الدولي للوحدات. ومن تعريف الواط التقليدي، يُعادل هذا قياس قيمة الناتج${\displaystyle K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}$بوحدات النظام الدولي للوحدات بدلاً من قيمتها الثابتة بالوحدات الكهربائية التقليدية:

$$$

تكمن أهمية هذه القياسات في أنها تمثل أيضاً قياساً مباشراً لثابت بلانك${\displaystyle h}$:

${\displaystyle h={\frac {4}{K_{\text{J}}^{2}R_{\text{K}}}}.}$

يعتمد مبدأ الكيلوغرام الإلكتروني على قيمة ثابت بلانك، وهي قيمة دقيقة اعتبارًا من عام 2019. وهذا يشبه تعريف المتر بسرعة الضوء . وبما أن الثابت محدد بدقة، فإن ميزان كيبل ليس أداة لقياس ثابت بلانك، بل هو أداة لقياس الكتلة.

${\displaystyle m={\frac {UI}{gv}}.}$

تُستغل الجاذبية وطبيعة ميزان كيبل، الذي يُحرك كتل الاختبار صعودًا وهبوطًا عكس تسارع الجاذبية الأرضية المحلي (g) ، لمقارنة القدرة الميكانيكية بالقدرة الكهربائية، وهي مربع الجهد مقسومًا على المقاومة الكهربائية. مع ذلك، يتغير تسارع الجاذبية الأرضية (g) بشكل ملحوظ - بنسبة تقارب 1% - تبعًا لموقع القياس على سطح الأرض (انظر جاذبية الأرض ). كما توجد اختلافات موسمية طفيفة في قيمة g في الموقع الواحد نتيجة لتغيرات منسوب المياه الجوفية، وتغيرات أكبر نصف شهرية ويومية نتيجة لتشوهات المد والجزر في شكل الأرض ( المد والجزر الأرضي وحركة القطبين ) الناجمة عن القمر والشمس. على الرغم من أن g ليس مصطلحًا في تعريف الكيلوغرام، إلا أنه بالغ الأهمية في عملية قياس الكيلوغرام عند ربط الطاقة بالقدرة في ميزان كيبل. وبناءً على ذلك، يجب قياس g بدقة لا تقل عن دقة المصطلحات الأخرى، لذا يجب أن تكون قياسات g قابلة للتتبع إلى ثوابت الطبيعة الأساسية. للحصول على أدق النتائج في قياس الكتلة، يُقاس معامل الجاذبية (g) باستخدام مقاييس الجاذبية المطلقة ذات الكتلة الساقطة ، والتي تحتوي على مقياس تداخل ليزري من الهيليوم والنيون مُثبَّت باليود . ويُقاس خرج إشارة التداخل ، الناتج عن مسح التردد، باستخدام ساعة ذرية من الروبيديوم . ولأن هذا النوع من مقاييس الجاذبية ذات الكتلة الساقطة يستمد دقته واستقراره من ثبات سرعة الضوء، بالإضافة إلى الخصائص الذاتية لذرات الهيليوم والنيون والروبيديوم، فإن مصطلح "الجاذبية" في تحديد الكيلوغرام الإلكتروني يُقاس أيضًا بدلالة ثوابت الطبيعة، وبدقة عالية جدًا. على سبيل المثال، في قبو منشأة المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في غايثرسبيرغ عام 2009، عند قياس الجاذبية المؤثرة على كتل اختبار Pt - 10Ir (وهي أكثر كثافة وأصغر حجمًا ولها مركز ثقل منخفض قليلاً داخل ميزان كيبل مقارنة بكتل الفولاذ المقاوم للصدأ)، كانت القيمة المقاسة عادةً في حدود 8 أجزاء في المليار من 9.801 016 44  م/ث ² . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

• مناهج بديلة لإعادة تعريف الكيلوغرام §  ميزان كيبل
• توازن جوي

• ستاينر، ريتشارد ل.؛ ويليامز، إدوين ر.؛ نيويل، ديفيد ب.؛ ليو، رويمين (2005). "نحو كيلوغرام إلكتروني: قياس مُحسَّن لثابت بلانك وكتلة الإلكترون" . مجلة القياسات . 42 (5): 431-441 . رمز Bibcode : 2005Metro..42..431S . doi : 10.1088/0026-1394/42/5/014 . S2CID 14976336 . 
• شوارتز، جيه بي؛ ليو، آر إم؛ نيويل، دي بي؛ شتاينر، آر إل؛ ويليامز، إي آر؛ سميث، دي؛ إرديمير، إيه؛ وودفورد، جيه. (2001). "التخلف المغناطيسي وآليات الخطأ ذات الصلة في تجربة ميزان الواط التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا" . مجلة البحوث الصادرة عن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 106 (4): 627-640 . doi : 10.6028/jres.106.028 . PMC 4862827. PMID 27500039 .  
• المكتب الدولي للأوزان والمقاييس
• المكتب الفيدرالي السويسري للمقاييس