Wattivaaka

Wattivaaka (tai Kibblen vaaka) on elektromekaaninen painon mittauslaite, jota käytetään massan yksikön kilogramman määritelmään liittyvissä mittauksissa.

NIST:in wattivaaka.

Taustaa

Elektrodynamometri on wattivaa’an kaukaisin esikuva, jonka perusteet esitti ensimmäisen kerran 1848 Wilhelm Weber.^[1][2][3]

Piirros elektrodynamometristä (Practical Electricity, London, Cassell, 1891, sivu 378).

Elektrodynamometrin kaavakuva, Encyclopædia Britannica, 1911.

Ampeerivaaka, joka kehitettiin elektrodynamometristä. Käytössä ollut - 1936 - National Museum of Nature and Science, Tokio, Kuva vuodelta 2013.

Ampeerivaa’asta kehitetty wattivaaka.

Elektrodynamometri mittaa sähkövirtaa, jännitettä tai tehoa.^[4][5]

Elektrodynamometria kehitti eteenpäin Lordi Kelvin William Thomson tekemällä siitä laboratoriokäyttöön tarkoitetun version, joka tunnettiin nimellä ampeerivaaka.^[6][7] Wattivaaka on kehittyneempi mittauslaite ampeerivaa’asta ja muutettu mittaamaan sähkövirran sijaan kappaleen painoa. Wattivaa’an periaatteet esitti 1975 brittiläinen fyysikko Bryan P. Kibble National Physical Laboratorystä (NPL).^[8]

Periaatteet

Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela	Punnituskoe
1) Punnitus
1) Voimatasapaino: - Staattisessa magneettikentässä olevaan kelaan syötetään virta ${\displaystyle I}$, jolloin siihen kohdistuu voima ${\displaystyle F}$${\displaystyle =}$ ${\displaystyle I}$β - Voima kompensoidaan punnuksen aiheuttaman painovoiman ${\displaystyle gm}$ avulla ${\displaystyle (g=putoamiskiihtyvyys,m=massa}$), ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle I}$ β ${\displaystyle =}$${\displaystyle mg}$, missä β${\displaystyle =mg/I}$ riippuu geometriasta ja magneettikentästä	Punnitusvaihe

Wattivaaka, magneettikentässä liikkuva kela	Liikutuskoe
2) Induktiomittaus
2) Mitataan kelaan indusoitunut jännite ${\displaystyle U}$ - kelaa liikutetaan magneettikentässä nopeudella ${\displaystyle v}$ -β${\displaystyle =U/v}$ ${\displaystyle U=v}$ β${\displaystyle =}$ − ${\displaystyle v}$*∂ Φ/∂z 3) Yhdistetään voimatasapainon ja induktiomittauksen tulokset: β${\displaystyle =mg/I=U/v}$ ${\displaystyle mgv=UI}$ (mekaaninen teho = sähköteho)	Liikutusvaihe[9]

Wattivaa’alla on monenlaisia toteutustapoja riippuen tutkimusryhmästä.^[10]

Avogadron projekti

Avogadron projekti on wattivaa’an kanssa kilpaileva metodi kilogramman uudelleen määrittelyssä. Siinä kilogramma määriteltäisiin käytännössä piipallon mukaan, joka painaisi täsmälleen kilogramman. Projektin virallinen nimi on: International Avogadro Coordination.^[11] Piipallojen valmistusta on tehnyt vain yksi konsortio. Wattivaakaa on testattu ainakin 5:ssä eri maassa.^[12]