Strömvåg

En strömvåg^[1] är ett elektromekaniskt mätinstrument för att bestämma strömstyrka som i princip består av en balansvåg där man på ena sidan har en vanlig vågskål i vilken man placerar vikter och på den andra sidan har en strömgenomfluten elektrisk ledare i ett magnetfält.^[2] Hos precisionsinstrument utgörs såväl ledaren som magneten av spolar. Vågen kan dock i praktiken utfomas på olika sätt.

Strömvågar har använts för att bestämma SI-enheten ampere^[3] och en utveckling av strömvågen, kibblevågen (tidigare wattvågen)^[4], används sedan 20 maj 2019 för att bestämma SI-enheten kilogram.^[5]^[6]

Kelvins strömvåg redigera

1887^[7] konstruerade William Thomson (från 1899 Lord Kelvin) en ny typ av strömvåg (se bilderna nedan) som kom att bli den mest använda^[8]. Den består av fyra fast monterade spolar (A₁, A₂, B₁ och B₂ i principskissen nedan). A₁ och A₂ är lindade på samma håll (i förhållande till strömriktningen genom dem) och ger ett magnetfält i samma riktning, medan B₁ och B₂ är lindade på andra hållet och därför ger ett magnetfält i motsatt riktning. Mellan dessa fyra spolar sitter två spolar, C₁ och C₂, monterade på en (grön) vågbom. Dessa är lindade på varsitt håll och ger därför magnetfält som är motriktade varandra. I figuren attraheras sålunda den vänstra spolen C₁ av B₁ och repelleras av A₁, medan den högra spolen C₂ attraheras av A₂ och repelleras av B₂, vilket ger upphov till krafterna F₁ respektive F₂. Alla sex spolarna är seriekopplade så att samma ström flyter genom dem. På vågbommen sitter en (blå) skjutbar vikt (W) och när denna vikt placerats så att vridmomentet från dess tyngd (F₃) motverkar vridmomenten från F₁ och F₂ är vågen i balans och vridmomentet från F₁+F₂ kan beräknas. Skalan på vågen kan, såklart, graderas direkt i ampere, i stället för hur långt åt höger på bommen vikten skjutits (kvadraten på strömstyrkan är ju proportionell mot produkten av viktens massa och hur långt den flyttats^[9]) och genom att byta vikt kan vågens mätområde ändras.^[10] Thomson lät tillverka sex olika dimensioner; den minsta för mätområdet 20 till 500 mA, medan den kraftigaste spände över 100 till 2500 A.^[7]

"Kelvinvågar" skall inte förväxlas med kelvinvågor.

Principskiss av Kelvins strömvåg.

Bild på "kelvinvåg" ur Encyclopaedia Britannica 1911.

"Kopplingsschema" för Kelvins våg ur Encyclopaedia Britannica 1911. (Endast ett av spolarnas varv har ritats ut).

Referenser och noter redigera

R.T. Glazebrook, 1903, Electricity and magnetism. An elementary text-book, theoretical and practical, Univeristy Press, Cambridge, sid. 368-370.
Francis Briggs Silsbee, 1952, Extension and Dissemination of the Electrical and Magnetic Units by the National Bureau of Standards i Precision measurement and calibration: electricity and electronics (1961), National Bureau of Standards,sid. 57/2.

^ Laborationsinstruktion 3: Strömvåg, ( PDF) Sid.5 Fysik B, Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik, Linnéuniversitetet.
^ Glazebrook (1903) sid. 368-369.
^ Ampere:history på NIST.
^ Kilogram: The Kibble Balance på NIST.
^ Elizabeth Gibney, 2019, Physical kilogram is officially dead, Nature, News 20 maj 2019.
^ Ian Robinson och Stephan Schlamminger, 2016, The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass i Metrologia 53:5, sid. A46–A74.
^ [a b] W. Thomson, 1887, New Electric Balances. Ursprungligen publicerade i British Association Report 1887 sid. 582-583 och Nature 29 sept 1887 sid. 522-524. Joseph Larmor (ed.), 1911, Mathematical and physical papers by the right honourable Sir William Thomson Baron Kelvin., volym 5, Univerity Press, Cambridge, sid. 460. Se även On a New Composite Electric Balance (i Proceedings of the Philosophical Society of Glasgow vol 19 (1888) sid. 273-274) på sid. 465-468, med figurer på sid. 466-467.
^ Glazebrook (1903) sid 369.
^ Kraften mellan två parallella ledare är $F={\frac {l\cdot \mu _{0}\cdot I_{1}\cdot I_{2}}{2\pi \cdot r}}$ (se Magnetic Force Between Wires på HyperPhysics) och eftersom $I_{1}=I_{2}=I$ så är alltså $F=k_{1}\cdot I^{2}$ . Vridmomentet är proportionellt mot $F$ och sålunda är $M=k_{2}\cdot I^{2}$ . Detta vridmoment (summerat över alla spolarna) är lika med det vridmoment som åstadkoms av vikten, som är lika med $M_{\Sigma }=F_{3}\cdot d=m_{W}\cdot g\cdot d$ , och sålunda är $I^{2}={\frac {m_{W}\cdot g\cdot d}{\Sigma k_{2}}}=k_{3}\cdot m_{W}\cdot d$ .
^ Glazebrook (1903) sid 371.

Se även redigera

Galvanometer

Externa länkar redigera

Current Balance på Kenyon College Department of Physics med foton på fyra "kelvinvågar".

[1] Laborationsinstruktion 3: Strömvåg, ( PDF) Sid.5 Fysik B, Institutionen för datavetenskap, fysik och matematik, Linnéuniversitetet.

[2] Glazebrook (1903) sid. 368-369.

[3] Ampere:history på NIST.

[4] Kilogram: The Kibble Balance på NIST.

[5] Elizabeth Gibney, 2019, Physical kilogram is officially dead, Nature, News 20 maj 2019.

[6] Ian Robinson och Stephan Schlamminger, 2016, The watt or Kibble balance: A technique for implementing the new SI definition of the unit of mass i Metrologia 53:5, sid. A46–A74.

[wt-7] [a b] W. Thomson, 1887, New Electric Balances. Ursprungligen publicerade i British Association Report 1887 sid. 582-583 och Nature 29 sept 1887 sid. 522-524. Joseph Larmor (ed.), 1911, Mathematical and physical papers by the right honourable Sir William Thomson Baron Kelvin., volym 5, Univerity Press, Cambridge, sid. 460. Se även On a New Composite Electric Balance (i Proceedings of the Philosophical Society of Glasgow vol 19 (1888) sid. 273-274) på sid. 465-468, med figurer på sid. 466-467.

[8] Glazebrook (1903) sid 369.

[9] Kraften mellan två parallella ledare är $F={\frac {l\cdot \mu _{0}\cdot I_{1}\cdot I_{2}}{2\pi \cdot r}}$ (se Magnetic Force Between Wires på HyperPhysics) och eftersom $I_{1}=I_{2}=I$ så är alltså $F=k_{1}\cdot I^{2}$ . Vridmomentet är proportionellt mot $F$ och sålunda är $M=k_{2}\cdot I^{2}$ . Detta vridmoment (summerat över alla spolarna) är lika med det vridmoment som åstadkoms av vikten, som är lika med $M_{\Sigma }=F_{3}\cdot d=m_{W}\cdot g\cdot d$ , och sålunda är $I^{2}={\frac {m_{W}\cdot g\cdot d}{\Sigma k_{2}}}=k_{3}\cdot m_{W}\cdot d$ .

[10] Glazebrook (1903) sid 371.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]