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Elektrische Leistung quantengenau

Die PTB hat ihr Leistungsnormal – das weltweit genaueste – kürzlich mit dem neuen Wechselspannungs-Quantenstandard kombiniert und so eine direkte Rückführung elektrischer Leistung auf Fundamentalkonstanten realisiert. Damit wurde erstmals das Potential der auf dem Josephson-Effekt basierenden 10-Volt-Wechselspannungsschaltung für eine praktische Anwendung ausgenutzt.

Ein haushaltsüblicher Elektrizitätszähler vor dem etwa 2 cm x 4 cm großen Chip mit der weltweit ersten programmierbaren Reihenschaltung für Wechselspannungen von 10 Volt. Solch eine Schaltung aus ungefähr 70 000 supraleitenden Elementen wird bei der direkten Rückführung elektrischer Leistung auf Fundamentalkonstanten eingesetzt.

Die Messung elektrischer Wechselleistung ist von enormer wirtschaftlicher Bedeutung. Im Alltag eingesetzte Geräte werden in einer lückenlosen Kalibrierkette letztlich mit dem nationalen Leistungsnormal kalibriert, das sich in der PTB befindet. Dabei werden die Größen Stromstärke und Spannung mit einem speziellen Abtast-Voltmeter erfasst. Um dieses Voltmeter zu kalibrieren, setzt die PTB Thermokonverter ein, die mittels eines thermischen Effekts die Wechselleistung mit einer Leistung bei Gleichstrom vergleichen. Die Gleichstromgrößen selbst sind dabei letztlich über den Josephson-Effekt auf Naturkonstanten zurückgeführt.

Durch die Entwicklung hochintegrierter programmierbarer Quanten-Schaltungen gelang es der PTB, erstmals Wechselspannungen mit einer Amplitude von 10 V bei der Frequenz 50 Hz zu synthetisieren. Diese extrem genau reproduzierbaren Wechselsignale werden nun im elektrischen Leistungsnormal eingesetzt. Dabei nutzt man die Besonderheit des Abtastverfahrens, Stromstärke und Spannung zeitlich alternierend immer wieder zu erfassen („abzutasten“), um so den zeitlichen Verlauf
P(t) = U(t) · I(t) zu messen und daraus die Leistung zu bestimmen: Man schiebt fortlaufend zur U- und I-Abtastung einen weiteren Abtastschritt ein, bei dem eine passend synthetisierte Quanten-Spannung gemessen wird. Auf diese Weise wird das Voltmeter kontinuierlich und in Echtzeit mitkalibriert, und die über den Thermokonverter indirekte Rückführung auf Quantengrößen wird durch eine direkte Anbindung an das Quantennormal ersetzt.

Die Messunsicherheit des Quanten-Leistungsnormals erreicht den gleich guten Wert von 1 µW/VA wie bisher. Das spricht für die sehr hohe Qualität des klassischen Normals, zeigt aber auch, dass bei beiden Methoden die durch andere Mess-Komponenten gesetzte Grenze offenbar erreicht wurde. Der große Fortschritt liegt in der direkten Rückführung elektrischer Leistung auf Quantengrößen, vor allem im Hinblick auf die Neudefinition des Einheitensystems, nach der zukünftig die Naturkonstanten auch die offizielle Basis elektrischer Einheiten sein werden.