Ученым впервые удалось определить давление газа на основе измерения электрической емкости наполненного им конденсатора. Этот способ относится к первичным методам и позволит независимо проверять показания стандартных грузопоршневых манометров с высокой точностью, пишут авторы в журнале Nature Physics.
Физические величины можно измерить различными способами. Некоторые позволяют сразу получить оценку искомой величины — такие методы называются прямыми, но они существуют не для всех величин и, как правило, обладают значительными ограничениями. Поэтому обычно проводят косвенные измерения, при которых непосредственно определяется вспомогательная величина, которая затем позволяет вычислить искомую.
Процесс пересчета в рамках косвенного измерения также может проходить по-разному. В некоторых ситуациях измерительные приборы необходимо подвергать калибровке, то есть соотносить их показания с измерениями других инструментов. В таком случае точность измерения таким устройством не может быть лучше, чем у эталонного, с которым проходило сравнение.
Однако бывают случаи, когда можно обойтись и без калибровки — тогда говорят о первичном методе измерения. Его точность опирается на неопределенности в других используемых величинах и значениях физических констант. Использование нескольких высокоточных первичных методов разного рода для измерения одной величины позволяет добиться надежной оценки.
На данный момент стандартным методом измерения давления в области точной метрологии является механический — на основе грузопоршневых манометров. Он заключается в уравновешивании давления газа снизу от поршня тяжестью груза известной массы. Таким образом удается получать данные с относительной точностью на уровне одной миллионной вплоть до давления в семь мегапаскалей. Однако выше 0,1 мегапаскаля не существует другого первичного метода, который помогал бы сверять показания и искать источники систематических ошибок, что необходимо для расширения охватываемого диапазона.
Метод, предложенный физиками из Федерального физико-технического центра в Германии при участии Кристофа Гайзера (Christof Gaiser), как раз занимает эту нишу: им впервые удалось воплотить первичный метод измерения давления в газах на основе электрической емкости — впервые измерять давление таким способом предложили еще 20 лет назад.
Сам метод основан на предсказуемом изменении параметров конденсатора при его заполнении гелием, так как давление газа деформирует устройство, а сам он обладает диэлектрическими свойствами. Практическая реализация этой идеи была невозможна, так как не существовало достаточно стабильных конденсаторов, а параметры гелия, вычисляемые теоретически из первых принципов, не были известны с достаточной точностью. Также диэлектрическая проницаемость гелия весьма мала, что дополнительно осложняет ситуацию.
Эти проблемы были решены в рамках разработки новых эталонов величин системы СИ (в частности, кельвина) на протяжении последних лет. Это позволило провести сравнение показаний двух методов, которые показали одинаковые величины при давлениях до 7 мегапаскалей с точностью в 5 миллионных долей.
С точки зрения метрологии этот способ очень важен: это единственный первичный метод, который можно использовать для проверки показаний стандартного грузопоршневого манометра в диапазоне от 0,1 до 7 мегапаскалей с точностью на уровне нескольких миллионных долей. Авторы отмечают, что созданная ими установка слишком сложна для проведения массовых измерений. Ее можно было бы значительно упростить в случае использования газа с более высоким значением диэлектрической проницаемости. Подходящими значениями обладают неон и аргон, но теоретические значения их свойств пока недостаточно точно известны для проведения измерений с ошибками на уровне единиц миллионных долей.
В последние годы произошло масштабное переопределение единиц СИ: о начале процесса мы рассказывали в материале «Последний эталон», а завершился он 20 мая этого года. Отдельно мы писали о том, что килограмм стал нематериальным. О том как выглядят и как «живут» идеальные единицы измерения можно прочитать в тексте «Эталонный быт».
Иллюстрация к статье:
Обсуждение