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Das Ampere

Elektrischer Strom ist das Lebenselixier unserer Welt. Vom Telefon bis zur Waschmaschine haucht er allen Haushaltsgeräten Leben ein und fließt durch die Kommunikations- und Versorgungsleitungen unserer technischen Infrastruktur wie Blut durch unsere Adern. Seine Stärke wird in Ampere gemessen, einer Einheit, für die dieses Jahr wahrhaft elektrisierende Veränderungen bereit hält {1}. Und hier ist sie, die Einheit des Monats Januar: das Ampere!

Die historischen Wurzeln der Elektrizität reichen bis zu den Griechen der Antike zurück. Sie führten Versuche zur statischen Elektrizität durch und beobachteten, dass Bernstein kleine Objekte anzieht, z. B. Haare oder Staub, nachdem man ihn an einem Stück Fell gerieben hat. Tatsächlich stammt der Begriff “Elektrizität” von ηλεκτρον (elektron) ab, dem griechischen Wort für Bernstein. Bei diesen ersten Beobachtungen von „Bernsteinelektrizität“ blieb es für lange Zeit. Im 17. Jahrhundert gab es erste weitere Untersuchungen zur Elektrizität, aber erst im 19. Jahrhundert gingen die Arbeiten und Entdeckungen so richtig los. Mit zunehmendem Wissen und Erkenntnissen zu elektrischen Phänomenen war es auch möglich, das Ampere mit immer besserer Genauigkeit zu messen.

Die erste international gültige Definition für das Ampere trat 1908 in Kraft. Dieses “internationale Ampere” war definiert als die Stromstärke welche 1,118 Milligramm Silber pro Sekunde aus einer Silbernitratlösung abscheidet. Diese „nass-chemische“ Methode zur Bestimmung von 1 Ampere hatte gewisse praktische Nachteile und im Zuge weiterer Entwicklungen zur Erzeugung und Messung elektrischer Ströme zeigt sich, dass es bessere Methoden zur Realisierung und Darstellung des Amperes gab {2}. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der 9. Generalkonferenz für Maße und Gewichte im Jahr 1948 eine neue Definition für das Ampere bestätigt, welche bis Mai 2019 galt:

Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stroms, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von 1 Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigen Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je 1 Meter Leiterlänge die Kraft 2 × 10–7 Newton hervorrufen würde.

Natürlich ging auch nach 1948 die Forschung und Entwicklung stetig weiter. Bereits vor dem Inkrafttreten der neuen Definitionen im SI im Mai 2019 ist die praktizierte Darstellung des Amperes und der daraus abgeleiteten elektrischen Messgrößen ziemlich weit entfernt von der offiziellen Definition. Die seit 1990 auch offiziell „tolerierte“ Realisierung basiert auf der Beziehung zwischen der elektrischen Stromstärke (Symbol I), der elektrischen Spannung (Symbol U) und dem elektrischen Widerstand (Symbol R). {3}

Für diese Realisierung der Spannung werden Instrumente verwendet, die man als Josephson-Kontakte bezeichnet {4}. Geräte die auf dem sogenannten Quanten-Hall-Effekt beruhen, verwendet man, um exakt definierte Widerstandswerte zu erzeugen. Beide Methoden basieren auf physikalischen Phänomenen, die sehr gut verstanden sind, und darüber hinaus auf physikalischen Konstanten beruhen: der Elementarladung e und dem Planck'schen Wirkungsquantum h.

Was ist nun der Vorteil, Naturkonstanten als Basis zu verwenden? Nun, Naturkonstanten – wie der Name schon sagt – sind konstant, d. h. sie ändern sich nicht, nirgends, niemals {5}. Wenn man also auf Konstanten basierend eine physikalische Einheit definiert, dann ist diese im gesamten Universum messbar; denn die Ladung eines Elektrons ist in Kopenhagen, in Rom und auf dem Mars gleich.

Um die gültige Definition dem aktuellen Stand der Technik anzupassen lautet die offizielle Definition für das Ampere ab dem 20. Mai 2019 wie folgt:

Das Ampere, Einheitenzeichen A, ist die SI-Einheit der elektrischen Stromstärke. Es ist definiert, indem für die Elementarladung e der Zahlenwert 1,602 176 634 × 10–19 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit C, die gleich A s ist, wobei die Sekunde mittels ΔνCs definiert ist.

Wie Sie sehen können, ist die Veränderung für das Ampere ab dem 20. Mai doch durchaus als fundamental zu bezeichnen und sie wird ein Meilenstein in der Welt der Wissenschaft des Messens sein. Diese Neudefinition steht quasi in den Startlöchern um die Wissenschaft und Technik für das 21. Jahrhundert zu unterstützen.

Sie fragen sich wahrscheinlich gerade, warum diese fellige Herde unser Schlusslicht zum Ampere ist. Nun, angeblich hilft das Zählen von Schafen beim Einschlafen. Basierend auf der bald gültigen Definition ist eine mögliche Methode zur praktischen Realisierung von 1 Ampere das Zählen von Elektronen. Dazu wird man Instrumente verwenden können, die auf dem sogenannten Einzel-Elektronen-Transport basieren.Wir sind uns sicher, dass das Zählen von Elektronen nicht so einschläfernd ist wie das Zählen von Schafen, sondern ganz im Gegenteil sicherlich eher elektrisierend!
Sie fragen sich wahrscheinlich gerade, warum diese fellige Herde unser Schlusslicht zum Ampere ist. Nun, angeblich hilft das Zählen von Schafen beim Einschlafen. Basierend auf der bald gültigen Definition ist eine mögliche Methode zur praktischen Realisierung von 1 Ampere das Zählen von Elektronen. Dazu wird man Instrumente verwenden können, die auf dem sogenannten Einzel-Elektronen-Transport basieren.Wir sind uns sicher, dass das Zählen von Elektronen nicht so einschläfernd ist wie das Zählen von Schafen, sondern ganz im Gegenteil sicherlich eher elektrisierend!

{1} In diesem Monat hat eine Kollegin des polnischen Nationalen Metrologie-Instituts den Text für den Countdown zum neuen SI geschrieben. Auch im Polnischen bezeichnet man etwas als elektrisierend (elektryzować), wenn es interessant, faszinierend oder gar schockierend ist. Und interessant wird das Jahr 2019 aus Sicht des Amperes bzw. der Metrologinnen und Metrologen weltweit auf jeden Fall.

{2} Bereits bei unserer ersten Einheit des Monats, dem Meter, erwähnten wir den teilweise etwas anderen Sprachgebrauch in der Welt der Metrologie. Mit dem Wort „Definition“ meinen Metrologinnen und Metrologen die international geltende Festlegung von Maßen, also z. B. der Länge von 1 Meter oder der Dauer von 1 Sekunde. Unter „Realisierung” versteht man – in der Welt der Metrologie – wie man von dieser Definition zu einem tatsächlichen Messwert kommt; also über welche Messmethode diese theoretische Festlegung experimentell umgesetzt werden kann.

{3} Kommt da vielleicht bei dem einen oder der anderen die vage Erinnerung an eine Formel aus dem Physikunterricht in Erinnerung; irgendwas mit U und R und I? Schlagen Sie „Ohmsches Gesetz“ nach – dann ist vielleicht auch Ihre Erinnerung „elektrisiert“.

{4} Josephson hat dieses Instrument nicht entwickelt, aber durch seine theoretischen Überlegungen den Effekt vorhergesagt, auf dem dieses Messgerät basiert. 1969 erhielt er für diese Vorhersage den Nobelpreis.

{5} Zumindest ist bis zum heutigen Tage noch keine Änderung dieser Konstanten beobachtet wurden. Vielleicht werden zukünftig noch genauere oder gar neu entwickelte Messmethoden und Theorien zeigen, dass nicht alle (oder keine) Konstanten so konstant sind, wie wir heute denken. Letztendlich gibt es in der Wissenschaft selten einen „Jetzt wissen wir ein für alle Mal und unumstößlich, wie es wirklich ist!“-Moment…