--- title: "Kibble 天平怎样用两次实验测质量" description: "一次让电流托住质量，一次让同一线圈运动。同样的磁路因子出现在两次实验里，质量便能与电学量、速度和重力相联系。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/kibble-balance/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/kibble-balance/" last_modified: "2026-11-03" --- [物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/) 走进仪器 # Kibble 天平怎样用两次实验测质量 Kibble天平用两次不同的实验，消去一个难以直接测准的磁路因子。第一次，给线圈通电，让磁力托住盘上的质量；第二次，移去质量，让同一个线圈穿过磁场，读取感应电压。两次都用到同一段线圈、同一处磁场，这正是它们能连在一起的原因。 Sandbox Physics · 2026-11-03 ## 磁力能托住质量，却留下一个难题 把一圈铜线放进环形磁隙，磁场沿着半径穿过导线。电流绕圆周流动，每一小段导线都受到竖直磁力，整圈的力加起来可以向上托住质量。仪器调节电流，把线圈保持在一个规定高度，称为零位。此时电流越大，托起的重量通常也越大。 仅凭电流还不能知道质量。线圈受多大力，也取决于磁场有多强、多少导线有效穿过磁场。把这些因素合在一起，就叫磁路因子。真正的气隙磁场有空间变化，绕线也有尺寸；若要分别把它们测得足够精细，称量会变得很困难。 来源：[1] [4] ## 让同一个线圈运动一次 磁铁和线圈还有另一种熟悉的配合方式：线圈相对磁场运动，端口会感应出电压。发电机利用这个现象发电；Kibble天平把端口开路，用它来测量磁路因子。在线圈形状和磁场保持相同时，移动越快，感应电压越大；电压除以速度，就给出称量时需要的那个因子。 这一步改变了问题。原先要测准一幅磁场分布和一段细长绕线，现在可以测电压和速度。速度通常由跟随线圈的反射镜与干涉仪读取：光往返于镜子和固定光学装置，运动改变光程。光轴与竖直方向的夹角也要测量，才能把光轴方向的速度换回线圈的竖直速度。 英国国家物理实验室的Bryan Kibble在一九七五年提出这一思路，后来发表。最初的目标与电流单位有关；Josephson效应和量子霍尔效应提供稳定电学参考后，这条机械与电学之间的联系也走向了质量计量。 来源：[1] [3] ## 两次测量合成一个质量 测速给出磁路因子，称量给出维持零位所需的电流，再加上当地重力加速度，就能求出质量。同一个因子在合并的关系里消去，留下电压、电流、速度和重力。常见的写法把两边都写成功率，单位都是瓦。 这里的“虚功率”说的是分开测量后组成的乘积。称量时线圈静止，重力没有对它持续做机械功；测速时电路开路，也没有把电功率送到负载。电流与感应电压分两次测得，最后合成同一条质量关系。 来源：[1] [4] ## 消去因子需要相同的磁路条件 若在磁隙中较高处称量，却只用较低处的测速结果，两个因子可能不同。把它们写成同一个符号不会让差别消失。可行的办法是让测速扫描经过称量位置，沿途测出电压与速度的比值，再在已测范围内求出称量处的数值。扫描没有覆盖那里，就需要新的测量。 位置相同也要留意磁状态。称量电流会带来磁场和发热，磁性材料还可能记住先前的电流历史。两模式因此可能遇到不同的磁路因子。独立的已知质量检验能检查这次比较是否仍相符；一旦检验失败，就要重新查明磁场变化，质量结果才能继续使用。 来源：[2] [1] ## 电学参考把这座桥连向千克 真实计量装置还要知道电压和电流的刻度来自哪里。Josephson电压标准把电压联系到频率，量子霍尔电阻标准提供稳定电阻参考；经校准的电压和电阻又能给出电流。这些电学关系与固定的普朗克常数相连，Kibble天平便有了一条把宏观质量联系到基本常数的道路。 这条道路需要长度、时间、当地重力和电学标准共同工作。磁路设计与两模式检验也因此仍然重要：因子能够消去，依靠的是两次实验真正共享它。 来源：[3] [4] ## [比较同一线圈的称量与测速](https://sandboxphysics.com/zh/labs/kibble-balance/) 分开两个工作位置，看看实测磁路图何时还能修正质量。 模型从同一轴对称磁通函数生成力与感应电压，用原始通道和外部标定重建条件质量。 ## 来源与延伸阅读 1. [Robinson and Schlamminger (2016), The watt or Kibble balance, Metrologia 53 A46–A74](https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=921003) 采用正文A47页第一点一节的分模式称量、测速及虚功率解释，A51页第三点一点二节的径向磁场与空间变化，以及A53页第三点二点一节的电流改变磁因子。未采用论文所述精度作为本模拟性能。 2. [Schlamminger and Lo (2022), The irony of the magnet system for Kibble balances, NIST publication entry](https://www.nist.gov/publications/irony-magnet-system-kibble-balances-review) 核读公开摘要中两模式磁路因子必须相同才可完全消除的条件。未声称复刻综述中的材料磁路、参数优化或完整系统误差评估。 3. [Schlamminger and Haddad (2019), The Kibble balance and the kilogram, C. R. Physique 20 55–63](https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=926760) 采用正文56页的构思历史，以及第二节56至57页中电学量与Josephson、量子霍尔标准之间的关系。此处只作为校准背景，不模拟量子标准器件。 4. [Keck et al. (2022), Design of an enhanced mechanism for a new Kibble balance, EPJ Techniques and Instrumentation 9:7](https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=934463) 采用第二至三页第二节的零位称量、磁通梯度、开路测速与同步位置读出，以及第三页的电学参考链。未采用QEMMS目标不确定度或机械设计性能。 [游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [旋转流变仪为什么要同时量转速和扭矩](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/echelle-spectrograph/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/) [一颗颗光子怎样告诉我们荧光寿命](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tcspc-fluorescence-lifetime/) [布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/brillouin-microscope/) [白色积分球怎样比较一盏灯的总输出](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/integrating-sphere-radiometer/) [粉末的圆环怎样显露原子间距](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/powder-xray-diffractometer/) [小角X射线散射怎样从光晕看颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/small-angle-xray-scattering/) [X 射线荧光为什么要看样品厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-fluorescence-spectrometer/) [原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/atomic-force-microscope/) [小压痕怎样分开硬度与弹性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nanoindenter/) [差示扫描量热怎样读懂一个熔化峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/differential-scanning-calorimeter/) [热重分析怎样把失重与气体托力分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/) [金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/diamond-anvil-cell/) [金刚石怎样从荧光里读出磁场方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nv-center-magnetometer/) [用光听见原子在磁场里的节奏](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optically-pumped-magnetometer/) [让激光跟着原子走时](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optical-lattice-clock/) [稀释制冷机怎样一直搬走极低温的热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/dilution-refrigerator/) [泵很大，为什么样品旁边还抽不干净](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ultra-high-vacuum-system/) [怎样用微波读出超导量子比特](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/superconducting-qubit-readout/) [电流怎样在薄片两侧留下电压](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/four-probe-hall/) [离子跑一段路，怎样量出质荷比](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/time-of-flight-mass-spectrometer/) [四根直杆怎样筛选离子的质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quadrupole-mass-filter/)