Nuevo método primario para la medición de la presión a partir de las mediciones eléctricas realizadas en el gas helio
Científicos del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) han implementado un nuevo método de medición de presión, casi como un subproducto del trabajo sobre el "nuevo" kelvin. Además de ser nuevo, este procedimiento es un método primario, es decir, sólo depende de las constantes naturales. Como método independiente, puede utilizarse para comprobar los manómetros más precisos, por lo que PTB es conocido como el líder mundial. Antes era posible comprobar estos instrumentos sólo en el rango de hasta 100.000 pascales; ahora son posibles 7 millones de pascales. De este modo, se ha realizado por primera vez una comparación entre las mediciones de presión mecánica y eléctrica con una incertidumbre relativa inferior a 5 × 10-6. Además, este nuevo método ofrece posibilidades únicas para investigar el helio - un importante sistema modelo para los fundamentos de la física.
El científico del PTB Christof Gaiser en una de las nuevas balanzas de presión de alta precisión.
PTB
¿Alguna vez te ha pisado una persona con tacones de aguja? Si está familiarizado con este tipo de dolor, puede que ya haya considerado que la presión corresponde a una fuerza por unidad de superficie o, para ser más precisos, que es el resultado de una fuerza aplicada verticalmente sobre una superficie. Este es también el principio según el cual funcionan los métodos más precisos de medición de presión. Cuando se utiliza una balanza de presión, se mide la presión del gas bajo un pistón de una superficie exactamente conocida determinando la fuerza gravitacional ejercida sobre el pistón. Las balanzas de presión de PTB son actualmente los manómetros de pistón más precisos del mundo - instrumentos de alta precisión, cada uno de ellos fabricado con gran esfuerzo. Sin embargo, existen rangos de presión en los que incluso los mejores equilibrios de presión no miden con la precisión que los metrólogos desearían. Durante mucho tiempo se han realizado esfuerzos para desarrollar métodos alternativos de medición de presión. "Nuestro nuevo método es realmente muy simple: se basa en la medición de la densidad del gas de medición helio por medio de una medición de capacitancia. Esto significa que medimos hasta qué punto el gas cambia la capacidad de un condensador especial y altamente estable entre los electrodos", explica Christof Gaiser, físico del PTB. Este método sólo se refiere a una propiedad universal del gas helio, que se expresa a través de la constante dieléctrica; por lo tanto, es un método primario.
De este modo, Gaiser y sus colegas han logrado realizar por primera vez en la práctica un enfoque teórico innovador. Ya en 1998, Mike Moldover, del instituto de metrología estadounidense NIST, había expresado su idea de medir la presión mediante una medición eléctrica (capacitiva) utilizando cálculos teóricos de las propiedades del helio. Sin embargo, en los años siguientes, la implementación de este pensamiento resultó ser un verdadero desafío. Tanto la medición de precisión de la capacitancia como los condensadores de alta estabilidad necesarios para este fin, así como los cálculos teóricos que utilizan exclusivamente constantes naturales (cálculos ab initio), no han sido posibles todavía con la precisión requerida. Además, no había ninguna posibilidad precisa de compararlos con los balances de presión convencionales.
Cada uno de los obstáculos experimentales ha sido eliminado en el PTB durante la última década. Debido a las actividades llevadas a cabo en el marco de la nueva definición de la unidad básica kelvin, que alcanzó su cúspide el 20 de mayo de este año con la introducción de un sistema mejorado de unidades, las mediciones de presión convencionales, tanto con balances de presión como a través de mediciones de capacitancia, se elevaron a un nivel sin precedentes en todo el mundo. Gracias a los últimos cálculos teóricos realizados por diversos grupos de investigación en todo el mundo, ahora es posible medir una presión de 7 millones de pascales (es decir, 70 veces la presión normal) con una incertidumbre relativa inferior a 5 × 10-6. Esta medición ha sido confirmada por comparación con una balanza de presión convencional. Fue la primera comparación en pie de igualdad entre mediciones de presión mecánicas y eléctricas.
De este modo, se dispone ahora de un segundo método para calibrar la presión con gran precisión. El método en sí y la comparación directa con el estándar de presión convencional ofrecen, por un lado, la posibilidad de verificar los cálculos teóricos del helio, un importante sistema modelo en física atómica. Por otra parte, también permiten medir otros gases y, por lo tanto, desarrollar más tanto la teoría como la metrología de gases.
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