Para Ilmuwan Mengembangkan Metode Baru Pengukuran Tekanan

Ilmuwan PTB Christof Gaiser memperlihatkan termometer gas konstan dielektrik PTB, yang digunakan untuk mengukur kapasitansi. Kredit: PTB

Para ilmuwan dari Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) telah menerapkan metode baru pengukuran tekanan. Metode baru pengukuran tekanan ini bergantung pada konstanta natural yang dimana para ilmuwan ari PTB tersebut mengklaim hasil karyanya sebagai alat pengukuran tekanan yang paling akurat.

Dalam upaya pemeriksaan instrumen seperti tersebut, sebelumnya hanya mungkin dilakukan dengan kisaran hingga 100.000 pascal tapi sekarang sangat meningkat menjadi 7 juta pascal. Perbandingan antara pengukuran tekanan mekanik dan listrik telah dipadukan untuk pertama kalinya dengan ketidakpastian relatif kurang dari . Selain itu, metode baru ini menawarkan kemungkinan unik untuk menyelidiki sistem model helium yang sangat penting untuk meningkatkan pemahaman kita dengan dasar-dasar fisika. Para ilmuwan telah mempublikasikan karya (metode pengkuran baru) ini di Journal Nature Physics .

Pernahkah Anda diinjak oleh seseorang ketika bermain sepak bola? Jika Anda merasakan sakit, maka mungkin Anda berpikiran bahwa tekanan sesuai dengan gaya per unit permukaan atau lebih tepatnya adalah hasil dari gaya yang diterapkan secara vertikal ke permukaan. Hal ini juga merupakan prinsip dasar yang bekerja pada metode pengukuran tekanan yang baru ditemukan ini. Saat menggunakan kesetimbangan tekanan, Anda mengukur tekanan gas di bawah piston dari permukaan yang diketahui persis dengan menentukan gaya gravitasi yang diberikan pada piston. Kesetimbabangan tekanan milik PTB saat ini merupakan instrumen pengukur piston paling akurat di dunia dan saat ini diupayakan untuk diproduksi dalam skala besar.

Baca juga berita: Partikel X17: Partikel Baru Dalam Fisika Yang Mungkin Memecahkan Misteri Dark Matter

Namun, karena adanya rentang tekanan yang dapat terjadi kapan saja membuat metode baru tidak seakurat yang diinginkan para ahli metrologi. Telah dilakukan berbagai upaya untuk mengembangkan metode pengukuran tekanan ini untuk jangka waktu. "Metode baru kami sebenarnya sangat sederhana: yaitu didasarkan pada pengukuran kepadatan gas helium dengan menggunakan pengukuran kapasitansi. Itu berarti bahwa kami mengukur sampai berapa derajat gas mengubah kapasitansi kapasitor khusus yang sangat stabil di antara elektroda, "jelas Christof Gaiser, fisikawan dari PTB. Metode ini hanya mengacu pada satu sifat universal gas helium, yang dinyatakan melalui konstanta dielektrik dan inilah yang menjadi metode utama dalam pengukuran tekanan tersebut.

Gaiser dan rekan-rekannya telah berhasil mewujudkan pendekatan teoretis yang inovatif untuk pertama kalinya dalam sebuah eksperimen. Pada awal tahun 1998, Mike Moldover dari lembaga metrologi Amerika NIST telah menyuarakan idenya untuk mengukur tekanan melalui pengukuran listrik (kapasitansi) menggunakan perhitungan teoritis melalui sifat gas helium. Pada tahun-tahun berikutnya, penerapan gagasan ini terbukti menjadi tantangan nyata. Baik pengukuran kapasitansi yang presisi dan stabilitas kapasitor yang diperlukan, serta perhitungan teoretis menggunakan konstanta natural (perhitungan ab initio) belum memungkinkan adanya keakuratan yang diharapkan. Selain itu, tidak mungkin untuk membandingkannya secara akurat dengan keseimbangan tekanan konvensional.

Salah satu instrumen sistem kesetimbangan tekanan yang baru dikembangkan dan sangat akurat. Kredit: PTB

Setiap hambatan yang dialami selama eksperimen telah mampu diperbaiki dengan baik di PTB selama dekade terakhir. Karena kegiatan yang dilakukan dalam ruang lingkup definisi baru dari unit dasar kelvin dan mencapai puncaknya pada 20 Mei tahun ini dengan pengenalan sistem unit yang ditingkatkan, pengukuran tekanan konvensional baik dengan keseimbangan tekanan dan melalui pengukuran kapasitansi dinaikkan ke tingkat yang belum pernah dilakukan sebelumnya di seluruh dunia.

Berkat perhitungan teoritis terbaru yang dicapai oleh berbagai kelompok penelitian di seluruh dunia, sekarang menjadi hal yang mungkin untuk mengukur tekanan 7 juta pascals (yaitu tekanan 70 kali dari nilai normal) dengan ketidakpastian relatif kurang dari . Pengukuran ini telah dikonfirmasikan melalui perbandingan dengan keseimbangan tekanan konvensional. Inilah yang menjadi perbandingan pertama yang menjadi pengukuran dasar antara tekanan mekanik dan listrik.

Kiri: Pengukuran tekanan konvensional dengan keseimbangan tekanan menurut pPB = Fg / Aeff (PB: keseimbangan tekanan; g: gaya gravitasi; Aeff: permukaan efektif sistem piston / silinder) . Kanan: Pendekatan metode baru: perubahan relatif pada kapasitansi C (T) yang disebabkan oleh gas pengukur pada suhu T yang diketahui, ditentukan dengan menggunakan termometer resistansi yang dikalibrasi R (T), dapat dihubungkan langsung dengan tekanan gas. Konstanta dielektrik dan interaksi partikel gas masuk ke dalam perhitungan ab initio yang diperlukan: pab-initio (C, T, Gasab-initio) Kredit: PTB

Dengan demikian, kedua metode ini sekarang mampu mengkalibrasikan tekanan dengan akurasi yang sangat tinggi. Metode dan perbandingan langsung dengan penawaran standar tekanan konvensional untuk satu hal, kemungkinan untuk memverifikasi perhitungan teoritis model sistem helium yang sangat penting dalam fisika atom. Untuk keperluan lain, para peneliti berupaya mencoba berbagai kemungkinan untuk gas-gas lain baik secara teori dan metrologi gas yang akan dikembangkan lebih lanjut.


Jurnal Referensi
Christof Gaiser, Bernd Fellmuth & Wladimir Sabuga. 2019. Primary gas-pressure standard from electrical measurements and thermophysical ab initio calculations , Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0722-2


Sumber Berita:
https://phys.org/news/2019-12-scientists-primary-method-pressure.html