6. novembril 2018 Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Peakonverentsil toimunud uue rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI hääletuse järgselt avaldab metroloogiakogukond iga põhiühiku kohta lühikirjelduse. Kirjutised ilmuvad kuni 20. maini 2019. aastal, mil tähistatakse üleilmset metroloogiapäeva ja jõustatakse SI uued definitsioonid. Käesoleva teksti kokkupanekul on kasutatud EURAMET’i poolt levitatavat ja vabalt kasutatavat teemakohast materjali, mille koostamisel on vabatahtlikkuse alusel osalenud metroloogiainstituutide töötajad erinevatest riikidest ning mille eesmärgiks on avalikkuses tutvustada SI põhiühikuid, nende definitsioone ja uute definitsioonidega kaasnevaid võimalikke muudatusi. AS Metrosert Eesti metroloogia keskasutusena edastab materjali teile, head lugejad.
Varasemalt avaldatud artiklis oleme SI põhiühikutest tutvustanud pikkuse mõõtühikut, meetrit ja ja valgustugevuse mõõtühikut, kandelat. Alljärgnevalt tulevad tutvustamisele elektrilise voolutugevuse mõõtühik, amper, ja temperatuuri mõõtühik, kelvin.
AMPER
Paljudele meist ilmub elekter müstiliselt seinapistikutest äratades ellu teleka, arvuti, nõudepesumasina, süüdates valguse ja hoides külmikut töötamas. Just nagu veri meie soontes, voolab elekter majade lugematutes juhtmetes toites kõike seda, mida oma argipäevas vajame; raskustega kujutame ette elu ilma tähtsa abimehe – elektrita.
Elektrit sellisel kujul nagu me toodame ja kasutame seda tänapäeval, tunneb inimkond vaid mõne sajandi. Varaseimaid kirjeldusi elektrist tasub otsida iidsete kreeklaste juurest. Nad panid tähele, et karusnahaga hõõrutud merevaigu tükk tõmbab ligi juukseid, tolmu ja teisi väikeseid esemeid. Tegelikult tulenebki sõna “elekter” kreekakeelsest sõnast ηλεκτρον (elektron), mis tähendab merevaiku. Tegemist oli staatilise laengu tekitamisega, mida pikka aega vaadati kui imenähtust ja jäi edasisest uurimisest kõrvale.
Alles 17. sajandil alustati taas elektriliste nähtuste uurimisega ja tõsisemate avastusteni jõuti 19. sajandil. Kiired arengud elektri valdkonnas tõid endaga kaasa ka metroloogia edenemise. Elektrit ei olnud võimalik ainult kergesti rakendada, vaid seda oli võimalik kasutada ka kõikvõimalikes teaduslikes tegevustes, mis tõi endaga kaasa uued uurimissuunad, tehnoloogiad ja tööstusharud. Üsna kiiresti hakkasid elektrilised mõõtmised valitsema kõikides metroloogia valdkondades. Tänapäeval mõõdetakse peaaegu kõiki suurusi elektriliste suuruste kaudu, isegi mehhaanilisi omadusi, mis ei ole elektriga mitte kuidagi seotud.
Koos elektrialaste teadmiste kasvuga suurenes vajadus täpsemalt ja korratavamalt mõõta elektrivoolutugevuse ühikut – amprit. Otsiti ja katsetati uusi võimalusi ampri defineerimiseks, kuni jõuti kehtiva sõnastuseni, mis võeti vastu Kaalude ja Mõõtude 9. Peakonverentsil 1948. aastal:
amper on selline konstantne elektrivoolu tugevus, mis kulgedes kahes sirges, paralleelses, lõpmatu pikas, kaduvväikese ringikujulise ristlõikega, vaakumis teineteisest ühe meetri kaugusele paigutatud juhtmes tekitab nende juhtmete vahel jõu 2•10-7 njuutonit juhtme meetri kohta.
Ehkki uus definitsioon avas metroloogias uued võimalused, eriti kvantfüüsika vallast, on ampri realiseerimine kaugel oma ametlikust definitsioonist. Ampri praktilisel esitusel kasutatakse elektrivoolu seost pinge ja takistusega ‒ Josephsoni siirde põhimõttel töötavat seadet kasutatakse pinge ja Halli kvantefektil töötavat seadet kasutatakse elektrilise takistuse tekitamiseks. Mõlemas meetodis kasutatakse põhjalikult uurituid ja hästi teadaolevaid füüsikalisi nähtusi, mis on seotud füüsikaliste konstantidega: Josephsoni ja von Klitzingi konstantidega (mõlemad teadlased on ka Nobeli füüsikapreemia laureaadid). Neid kahte tegurit saab väljendada füüsikaliste fundamentaalkonstantide ‒ elementaarlaengu e ja Plancki konstandi h abil, mis on muutumatud meile teadaolevas maailmas. Seepärast ühikud, mis rajanevad universaalkonstantidel, tagavad ka mõõteetalonide pikaajalise stabiilsuse.
Seda on arvesse võetud ampri uues definitsioonis, mis 20. mail 2019 saab ametlikult järgneva sõnastuse:
Amper, tähis A, on SI elektrivoolu tugevuse ühik. Amper on määratud elementaarlaengu e fikseerimisega arvväärtusel 1,602176634×10−19 väljendatuna ühiku C abil, mis on võrdne A⋅s, kus sekund on määratletud ΔνCs alusel.
Võrreldes kehtiva definitsiooniga on muudatused radikaalsed, millega loodetakse toetada teadust ja tehnoloogiat 21. sajandil eesseisvate väljakutsete lahendamisel.
Kas teadsid…
et igaüks meist on omamoodi väike elektrijaam? Meie närvisüsteem on “elektriahel”, mis saadab pidevalt meie ajusse elektriimpulssidena miljoneid nägemis-, kompamis- ja kuuldeärritusi. Aju töötleb saadud elektriimpulsse, et saaksime näha, kuulda, maitsta, nuusutada ja tunda kuuma, külma, valu. Seejärel saadab aju omakorda elektriimpulsse tagasi meie kehale, mille tulemusena saame kindlalt käituda, kõndida, maalida, õppida. Kas meile see meeldib või ei, on amper alati meie sees olemas.
KELVIN
“Mis mürin see sealt väljast kostus?”
“Täpselt ei oska öelda, aga arvan, et temperatuur kukkus järsult.”
“Ja mida siis termomeeter akna taga näitab ka?”
“Ma ei näe seda, sest Pakasetaat on aknale jäälilled maalinud…”
Tuleb tuttav ette? Meie kliimas tavaline nähtus – jäälilled akendel. Ja kellel veel pole õnnestunud sel talvel neid näha, siis märtsikuu võib olla täis üllatusi.
Täpsed temperatuuri mõõtmised on olulised paljudel aladel alates keemiliste protsesside ohjest ja toiduainete töötlemisest kuni kliimamuutuste hindamiseni. Peaaegu kõik tootmisprotsessid sõltuvad temperatuurist, mõned neist isegi kriitilisel määral, näiteks metallivalu. Samas on äärmuslikult kõrget või madalat temperatuuri täpselt väga keeruline määrata.
Temperatuuri mõõtmistel on pikk ajalugu: taas tuleb vaadata paari aastatuhande taha vanade kreeklaste aega, mil Filos Bütsantsist tuli välja millegagi, mida võib pidada termomeetriks. Tema riistapuu koosnes osalt õhu ja osalt veega täidetud kerast, mis oli toru kaudu ühendatud lahtise veekannuga. Idee seisnes selles, et kera sees oleva õhu paisumisel soojenedes lükatakse vesi torust välja ja kokku tõmbumisel jahtudes tõmmatakse vesi torusse, mispeale vee tase kannus muutub.
Palju hiljem täheldati, et õhu ruumala muutus kolmandiku võrra kui kera jahutati vee keemistemperatuurilt külmumistemperatuurini. Inimesed hakkasid spekuleerima selle üle, et mis võiks juhtuda, kui jahutamist jätkata. 19. sajandi keskpaigus hakkas Briti füüsik William Thomson (hiljem lord Kelvin) samuti “lõpmata külma” vastu huvi tundma. 1848. aastal avaldas W. Thomson artikli “Absoluutsest temperatuuriskaalast” (On an Absolute Thermometric Scale), milles ta hindas, et temperatuuri absoluutne null on ligikaudu -273 °C. Austusest lord Kelvini uuringute ja nende tulemuste vastu kasutame temperatuuri ühikuna tema järgi saadud nimetust – kelvinit, sümbolina K.
Sellal, kui lord Kelvin viis läbi oma uuringuid, ei olnud veel laialdlaselt aksepteeritud idee, et aine koosneb pidevas liikumises olevatest molekulidest. Tänapäeval me teame, et temperatuur on nende osakeste keskmise kineetilise energia määr ja absoluutne null – 0 K – vastab madalaimale võimalikule temperatuurile ehk siis tasemele, millel molekulide soojusliikumine lakkab.
Rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI algusaastail otsustati 1960-ndatel lugeda vee kolmikpunkti temperatuuriks täpselt 273,16 K. Sellel temperatuuril saavad vee kolm olekut – vedel, jää ja veeaur – õhu puudumisel tasakaalus olla. Taoline temperatuuriväärtus valiti, sest see oli mugavalt ja hästi täpselt taasesitatav nn vee kolmikpunkti raku abil.
Temperatuuri ühiku, kelvini kehtiv definitsioon on: kelvin, termodünaamilise temperatuuri ühik, on 1/273,16 vee kolmikpunkti termodünaamilisest temperatuurist.
Kelviniga on seotud ka teine temperatuuri mõõtühik – kraadi Celsiust (°C):
t(°C) = T(K) – 273,15
Selline SI jaoks tavatu mõõtühikute defineerimine on seotud praktilise vajadusega lihtsustada kümnendsüsteemi kasutamist temperatuuriväärtuste esitamisel. Oma argielus kasutame peaaegu igal pool ühikut kraadi Celsiust, mis põhineb skaalal, mille alumine punkt on vee külmumistemperatuur (umbes 0 °C) ja kõrgeim punkt vee keemistemperatuur (umbes 100 °C) ja see skaala piirkond on jagatud sajaks võrdseks osaks.
Uue definitsiooni järgi pole Kelvin enam seotud “meelevaldselt” valitud temperatuuriga:
Kelvin, tähis K, on SI temperatuuri ühik. Kelvin on määratud Boltzmanni konstandi k fikseerimisega arvväärtusel 1,380649×10−23 väljendatuna ühiku J⋅K−1 abil, mis on võrdne kg⋅m2⋅s−2⋅K−1, kus kilogramm on määratletud h, meeter c ja sekund ΔνCs alusel.
Temperatuuri mõõtühiku, kelvini seostamisel Boltzmanni konstandiga k, mille väljendamisel kasutatakse energiaühikut J, mis omakorda on väljendatav teiste SI põhiühikute kaudu, saab temperatuuri mõõta füüsikalise põhimõtte – molekulide kineetilise energia järgi. Temperatuuri teine mõõtühik, kraadi Celsiust, jääb kelviniga seotuks samal viisil nagu varem.
Enamikule meist tuleb uus sõnastus märkamatult: vesi jäätub ikka 0 °C läheduses ja termomeetritega, mis on kalibreeritud enne uue definitsiooni jõustumist, saab jätkuvalt temperatuuri õigesti mõõta. Peamine, mida uus definitsioon kaasa toob, on võimalus kasutada uusi tehnoloogiaid väga madalatel või ekstreemselt kõrgetel temperatuuri väärtuste mõõtmisel, mille näiteid on loetletud allpool.