Kibblove váhy

Kibblove váhy (-názov od roku 2017; staršie názvy: wattové váhy, výkonové váhy; angl. "watt balance") sú extrémne presný prístroj na meranie hmotnosti alebo Planckovej konštanty. V roku 1975 ich navrhol Bryan P. Kibble z britského Národného fyzikálneho laboratória (NPL).
Medzinárodná komisia pre miery a váhy s účinnosťou od 20. mája 2019 zmenila definíciu kilogramu tak, že ju urobila závislou od Planckovej konštanty. Kibblove váhy predstavujú zatiaľ najpresnejší spôsob, ako kilogram realizovať pri použití tejto definície. Kilogram bol do mája 2019 ako posledná z jednotiek definovaný konkrétnym hmotným etalónom.
Princíp merania.
Kibblove váhy sú vylepšenou verziou prúdových váh, kde sa tiaž telesa porovnáva pomocou rovnoramennej páky s magnetickou silou pôsobiacou na cievku s prúdom. Prvá (statická) fáza experimentu watt balance spočíva práve v tomto meraní. Rovnováhu možno vyjadriť ako rovnosť tiažovej a magnetickej sily
kde formula_2 je hmotnosť telesa, formula_3 je tiažové zrýchlenie, formula_4 je prúd v cievke, formula_5 je magnetická indukcia vonkajšieho poľa a formula_6 je element dĺžky vodiča, ktorý tvorí cievku. Integrál na pravej strane sa často zapisuje ako formula_7, kde formula_8 je tzv. efektívna dĺžka vodiča:
Práve v hodnote tohoto integrálu spočíva nepresnosť merania prúdovými váhami. Efektívnu dĺžku nemožno prakticky dosť presne určiť. Prúdové váhy sa preto musia vždy kalibrovať etalónom hmotnosti.
Kibblove váhy pridávajú k experimentu druhú oddelenú fázu (dynamickú), ktorá nezávisle od tvaru cievky stanovuje hodnotu integrálu. Cievka sa v magnetickom poli nechá pohybovať rovnomernou rýchlosťou formula_10. Pohybom sa na ňu indukuje merateľné elektrické napätie formula_11, pre ktoré platí
Integrál potom môžeme z rovníc eliminovať a zapísať podmienku rovnováhy ako
Na ľavej strane rovnosti je elektrický výkon, na pravej mechanický výkon. Z tadiaľ pochádza názov prístroja. Žiaden z týchto výkonov viacmenej nie je v experimente priamo prítomný, pretože formula_11 a formula_10 sa merajú oddelene až v druhej fáze.
Pre dosiahnutie čo najväčšej presnosti sa napätie definuje pomocou Josephsonovho javu a prúd cez impedanciu pomocou kvantového Hallovho javu. Vo vzťahoch pre tieto javy figuruje Planckova konštanta, ktorá sa tak dostane do rovnice pre rovnováhu. Meraná hmotnosť je priamo úmerná jej hodnote. Experiment sa dá preto chápať buď ako meranie Planckovej konštanty pri známej hmotnosti telesa, alebo meranie hmotnosti pomocou známej konštanty.
Rýchlosť pohybu cievky sa meria pomocou laserovej interferometrie a atómových hodín. Tiažové (gravitačné) zrýchlenie v laboratóriu sa počas experimentu meria absolútnym gravimetrom úplne oddelene od hlavného prístroja.
Redefinícia kilogramu.
Porovnávania medzinárodného prototypu kilogramu s jeho kanonickými kópiami ukázali, že napriek všetkým snahám sa jeho hmotnosť mení medzi jednotlivými kontrolami v rádoch desiatok mikrogramov. To bolo hlavným dôvodom zmeny definície kilogramu. Hodnota konštanty definíciu určuje presne, podobne ako definíciu metra udáva hodnota rýchlosti svetla vo vákuu.
Definícia, ktorá viaže hodnotu kilogramu na Planckovú konštantu, sa realizuje pomocou Kibblových váh. Nová definícia kilogramu si vyžaduje zníženie relatívnej chyby pod formula_16, takže od formula_17 sa dá odchýliť najviac o formula_18. V júli 2008 merali najpresnejšie Kibblové váhy v americkom NIST s presnosťou formula_19.