Lo scienziato PTB Christof Gaiser al termometro a gas a costante dielettrica di PTB, che viene utilizzato per misurare la capacità. Credito:PTB
Gli scienziati del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hanno implementato un nuovo metodo di misurazione della pressione, in parte come sottoprodotto del lavoro sul "nuovo" kelvin. Oltre ad essere nuovo, questa procedura è un metodo primario, cioè dipende solo da costanti naturali. Come metodo indipendente, può essere utilizzato per controllare i manometri più precisi, per la quale PTB è conosciuta come leader mondiale.
Il controllo di tali strumenti era precedentemente possibile nell'intervallo fino a 100, solo 000 pascal; ora 7 milioni di pascal sono realizzabili. È stato così effettuato per la prima volta un confronto tra misure di pressione meccaniche ed elettriche con un'incertezza relativa inferiore a 5 × 10 -6 . Inoltre, questo nuovo metodo offre possibilità uniche per studiare l'elio, un importante sistema modello per i fondamenti della fisica. Gli scienziati hanno riportato il loro lavoro nell'attuale numero di Fisica della natura .
Sei mai stato calpestato da una persona che indossa tacchi a spillo? Se hai familiarità con questo tipo di dolore, potresti aver già considerato che la pressione corrisponde a una forza per unità di superficie, o, per essere più precisi, che è il risultato di una forza applicata verticalmente su una superficie. Questo è anche il principio secondo il quale funzionano i metodi più accurati di misurazione della pressione. Quando si utilizza una bilancia di pressione, si misura la pressione del gas sotto un pistone di superficie esattamente nota determinando la forza gravitazionale esercitata sul pistone. Le bilance di pressione PTB sono attualmente i manometri a pistone più precisi al mondo:strumenti di alta precisione, ognuno di loro fabbricato con grande sforzo.
Come ci sono, però, intervalli di pressione in cui anche le migliori bilance di pressione non misurano con la precisione che i metrologi vorrebbero. Ci sono stati sforzi per sviluppare metodi alternativi di misurazione della pressione per molto tempo. "Il nostro nuovo metodo è in realtà molto semplice:si basa sulla misurazione della densità del gas di misura elio per mezzo di una misura di capacità. Significa che misuriamo fino a che punto il gas modifica la capacità di uno speciale, condensatore altamente stabile tra gli elettrodi, " spiega Christof Gaiser, fisico presso PTB. Questo metodo si riferisce solo a una proprietà universale del gas elio, che è espresso tramite la costante dielettrica; è quindi un metodo primario.
Gaiser ei suoi colleghi sono così riusciti a realizzare per la prima volta nella pratica un approccio teorico innovativo. Già nel 1998, Mike Moldover dell'istituto di metrologia americano NIST aveva espresso la sua idea di misurare la pressione tramite una misurazione elettrica (capacità) utilizzando calcoli teorici delle proprietà del gas dell'elio. Negli anni successivi, però, l'attuazione di questa idea si è rivelata una vera sfida. Sia la misurazione della capacità di precisione che i condensatori altamente stabili necessari a questo scopo, così come i calcoli teorici utilizzando esclusivamente costanti naturali (calcoli ab initio) non erano ancora possibili con la precisione richiesta. Inoltre, non è stato possibile confrontarli con precisione con bilance di pressione convenzionali.
Uno dei più recenti, bilance di pressione altamente accurate. Credito:PTB
Ciascuno degli ostacoli sperimentali è stato rimosso al PTB nell'ultimo decennio. A causa delle attività svolte nell'ambito della nuova definizione dell'unità di base kelvin, che ha raggiunto il suo apice il 20 maggio di quest'anno con l'introduzione di un sistema potenziato di unità, le misurazioni di pressione convenzionali sia con bilance di pressione che tramite misurazioni di capacità sono state portate a un livello senza precedenti in tutto il mondo.
Grazie agli ultimi calcoli teorici ottenuti da diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo, è diventato ora possibile misurare una pressione di 7 milioni di pascal (cioè 70 volte la pressione normale) con un'incertezza relativa inferiore a 5 × 10 -6 . Questa misura è stata confermata dal confronto con una bilancia di pressione convenzionale. È stato il primo confronto su un piano di parità tra misure di pressione meccaniche ed elettriche.
A sinistra:misurazione della pressione convenzionale con un equilibrio di pressione secondo pPB =Fg/Aeff (PB:equilibrio di pressione; g:forza gravitazionale; Aeff:superficie effettiva di un sistema pistone/cilindro). A destra:il nuovo approccio elettrico:la variazione relativa di capacità C(T) causata dal gas di misura a una temperatura nota T, che viene determinato per mezzo di una termoresistenza tarata R(T), può essere direttamente collegato alla pressione del gas. La costante dielettrica e l'interazione delle particelle di gas entrano nei calcoli ab initio richiesti:pab-initio(C, T, Gasab-initio) Credito:PTB
Così, è ora disponibile un secondo metodo per calibrare la pressione con elevata precisione. Il metodo stesso e il confronto diretto con l'offerta standard di pressione convenzionale, per una cosa, la possibilità di verificare i calcoli teorici dell'elio, un importante sistema modello nella fisica atomica. Per un altro, consentono anche di misurare altri gas e quindi, sia la teoria che la metrologia dei gas da sviluppare ulteriormente.
