"KIBB-g1 อุปกรณ์วัดมวลชนิดใหม่ ที่มีขนาดเล็กและใช้งานง่าย"

          

           เมื่อวันที่ 16 พฤษจิกายน ค.ศ. 2018 ในการประชุมของนักวิทยาศาสตร์ในงาน 26th General Conference on Weights and Measures เลือกให้มีการนิยามหน่วยของมวลขึ้นมาใหม่ โดยส่งผลอย่างเป็นทางการเมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 โดยเราเปลี่ยนจากการนิยามกิโลกรัมหน่วยของมวลในระบบเอสไอจากการอ้างอิงวัตถุทางกายภาพคือก้อนโลหะที่ทำมาจากแพลทินัมอัลลอย เราเรียกก้อนโลหะนี้ว่า Le Grand K มาเป็นการอ้างอิงค่าคงที่ทางฟิสิกส์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับค่าคงตัวของพลังค์ 


          ซึ่งจากนิยามใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์จะสามารถใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Kibble balance (ชื่อของอุปกรณ์นี้ตั้งตาม Bryan Kibble นักฟิสิกส์ซึ่งเป็นคนคิดค้นอุปกรณ์นี้) เพื่อวัดมวลของวัตถุได้โดยตรง หลักการที่เราใช้คือแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) สามารถทำให้เกิดแรงได้  ในหนังฝรั่งเราอาจจะเคยเห็นแม่เหล็กไฟฟ้าติดเครน เอาไว้ยกหรือเคลื่อนย้ายวัตถุที่เป็นโลหะ เช่นรถเก่าๆ การดึงของแม่เหล็กไฟฟ้า แรงที่มันใช้ออกมาสัมพันธ์โดยตรงกับจำนวนของกระแสไฟฟ้าที่ไปผ่านคอยล์ เพราะฉะนั้นนี่จึงเป็นความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างไฟฟ้าและน้ำหนัก ดังนั้นโดยหลักการแล้วนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถนิยามกิโลกรัม หรือน้ำหนักของสิ่งใด ๆด้วยปริมาณของไฟฟ้าที่ต้องใช้เพื่อต่อต้านกับน้ำหนัก 

         
           แต่ Kibble balance ที่ใช้งานกันจริงๆนั้นซับซ้อนเป็นอย่างมาก มีขนาดใหญ่ ต้องการห้องทดลองโดยเฉพาะและต้องการนักวิทยาศาสตร์ที่มีความรู้ระดับปริญญาเอกในการใช้อุปกรณ์นี้ ด้วยเหตุนี้ Leon Chao และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง The Design and Development of a Tabletop Kibble Balance at NIST ลงในวารสาร IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement เมื่อวันที่ 20 มีนาคม ค.ศ. 2019 ได้สร้างเครื่องชั่งแบบใหม่ที่มีขนาดเล็กลงและมีการใช้งานง่ายขึ้นโดยเรียกเครื่องนี้ว่า KIBB-g1 โดยออกแบบใหม่มาเพื่อช่างมวลที่มีมวลประมาณ 10 กรัมด้วยความแม่นยำสูงโดยมีความคลาดเคลื่อนไม่กี่ส่วนจาก 10 ยกกำลัง 6 โดยเครื่องนี้มีขนาดความสูงเพียงครึ่งเมตร มีราคาประมาณหนึ่งแสนห้าหมื่นบาท เหมาะสำหรับห้องทดลองที่ต้องการช่างมวลขนาดเล็กอย่างแม่นยำสูง เช่นในบริษัทยาที่ต้องการช่างตวงสารเคมีในการผลิตยาที่ต้องการความแม่นยำมาก 


          เครื่องชั่งแบบกล (mechanical balance) ที่เป็นเครื่องชั่งที่ใช้กันทั่วไป โดยปรกติต้องอาศัยคานและจุดหมุน เช่น เครื่องชั่งแบบสามคานชั่ง และเครื่องชั่งแบบคานชั่งยาวเท่ากัน ทำงานโดยเปรียบเทียบน้ำหนักของมวลจากทั้งสองฝั่ง แต่ Kibble balance ใช้การเปรียบเทียบมวลกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่จำเป็นเพื่อต้านกับมวลที่ใช้ชั่ง โดยใช้ความรู้จากแรงลอเรนซ์ และแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced voltage) เราจะได้สมการความสัมพันธ์ระหว่างกำลังกล (mechanical power) กับกำลังไฟฟ้า (electrical power) เป็น

โดย V,I,m,g และ v คือ ความแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในคอยล์ มวล ความเร่งโน้มถ่วง และความเร็วของคอยล์ที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก ตามลำดับ



เมื่อย้ายข้างหาค่าของ m ก็จะได้ 
 

เป็นความสัมพันธ์ระหว่างมวลกับปริมาณต่างๆทางไฟฟ้า



          KIBB-g1 กำลังอยู่ในขั้นต้นแบบ การทดลองพบว่าการช่างมวลพบว่ามีไม่แน่นอนประมาณ 1.7*10^(-6) ในการวัดมวล 10 กรัม และมีความแตกต่างระหว่างมวลที่วัดได้กับมวลจริงประมาณ 6.2*10^(-5) ซึ่งในการทดลองจะต้องหาต่อไปว่าความผิดพลาดที่เกิดขึ้นนี้มาจากไหน และถ้าสามารถตรวจพบและแก้ปัญหาได้ และถ้าสามารถเพิ่มความแม่นยำได้เพิ่มขึ้นอีก ในอนาคตจะสามารถผลิต KIBB-g1 เพื่อให้ห้องทดลองต่างๆที่กระจายอยู่ทั่วโลกนำไปใช้ต่อไปสำหรับการทดลองที่ต้องการวัดมวลที่มีความแม่นยำสูงต่อไป จะเป็นการสร้างเครื่องช่างมวลที่อาศัยนิยามใหม่ของกิโลกรัมให้ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายต่อไป



         
 

• Chotsisuparat, N. (2018, December 03). นิยามใหม่ของกิโลกรัมฉบับเข้าใจง่าย. Retrieved July 29, 2019, from http://www.thaiphysoc.org/article/62/
• Chao, L., Seifert, F., Haddad, D., Stirling, J., Newell, D., & Schlamminger, S. (2019). The design and development of a tabletop Kibble balance at NIST. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68(6), 2176-2182.
• Conover, E. (2019, July 05). This device turns the kilogram's new definition into a real mass. Retrieved July 27, 2019, from https://www.sciencenewsforstudents.org/article/device-turns-kilograms-new-definition-real-mass