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Geschichte

Geschichte der Definition der Basiseinheit Ampere

1881 - 1948

Abb. 1 Anordnung zur Festlegung der Einheit für die elektrische Stromstärke über die chemischen Wirkung des Stroms

Ursprünglich verwandte man zur Festlegung der Stromstärkeeinheit die chemische Wirkung des Stromes:

Im Jahre 1881 legte man fest, dass genau dann der konstante Strom von \(1\,\rm{A}\) fließt, wenn aus einer Lösung von Silbernitrat in Wasser in einer Sekunde genau \(1{,}118\,\rm{mg}\) Silber an der negativen Elektrode abgeschieden wird.

Diese Festlegung des Stromnormals hielt den immer höher werdenden Genauigkeitsansprüchen nicht mehr Stand, darüber hinaus war die elektrolytische Festlegung des Ampere nicht sehr praktikabel.

1948 - 2019

Im Jahre 1948 einigte man sich dann auf eine Amperedefinition, welche auf die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes zurückgeht:

Die Einheit \(1\,\rm{A}\) ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der, durch zwei im Vakuum parallel im Abstand \(1\,\rm{m}\) voneinander angeordnete, geradlinige unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je \(1\,\rm{m}\) Leiterlänge elektrodynamisch die Kraft \(2 \cdot 10^{-7}\,\rm{N}\) (Newton) hervorrufen würde.

In der Praxis hatte man keine unendlich langen Leiter und auch die in der Definition genannte Kraft war extrem klein (\(1\,\rm{N}\) ist die Einheit der Kraft, welche etwas später genauer erläutert wird. Ein Körper mit der Masse \(100\,\rm{g}\) besitzt bei uns die Gewichtskraft \(1\,\rm{N}\). Eine Kraft von \(1\cdot 10^{-7}\,\rm{N}\) ist der zehnmillionste Teil dieser Gewichtskraft). Zur Darstellung des Normals verwendete man daher andere Leiteranordnungen und steckte eine komplizierte Theorie in die Auswertung. Aber im Lauf der Zeit war man mit dem neuen Stromstärkenormal nicht mehr  zufrieden, auch weil das Ampere von den Basisgrößen das ungenaueste Normal war.

Aus dieser Ampere-Definition kann man aber den Wert der magnetischen Feldkonstante \({\mu _0}\) bestimmen.

Der rechte stromdurchflossene Leiter befindet sich im Magnetfeld des linken Leiters. Dadurch erfährt der rechte Leiter eine Kraft vom Betrag \({F_{\rm{m}}}\) nach links.

Für das Magnetfeld des linken Leiters gilt nach dem Gesetz von BIOT-SAVART\[B = {\mu _0} \cdot \frac{I}{{2 \cdot \pi \cdot r}}\quad \left( 1 \right)\]Für den Kraftbetrag \({F_{\rm{m}}}\) auf den rechten Leiter gilt\[{F_{\rm{m}}} = B \cdot I \cdot l\quad\left( 2 \right)\]Setzt man \((1)\) in \((2)\), so folgt\[{{F_{\rm{m}}} = {\mu _0} \cdot \frac{I}{{2 \cdot \pi  \cdot r}} \cdot I \cdot l \Leftrightarrow {\mu _0} = \frac{{{F_{\rm{m}}} \cdot 2 \cdot \pi  \cdot r}}{{{I^2} \cdot l}}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[{{\mu _0} = \frac{{2{,}0 \cdot {{10}^{ - 7}}\,{\rm{N}} \cdot 2 \cdot \pi  \cdot 1{,}0\,{\rm{m}}}}{{{{\left( {1{,}0\,{\rm{A}}} \right)}^2} \cdot 1{,}0\,{\rm{m}}}} = 4{,}0 \cdot \pi  \cdot {{10}^{ - 7}}\,\frac{{{\rm{V}} \, {\rm{s}}}}{{\rm{A} \, {\rm{m}}}}}\]

2019 -

Im November 2018 beschloss die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine grundlegende Revision der Einheit Ampere, die am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, in Kraft trat. Dazu wurde der physikalischen Konstanten \(e\) ein fester Werte zugewiesen, so dass sich die Maßeinheit Ampere nur durch festgelegte physikalische Konstanten definieren lässt.

Tab. 1 Definition der Basiseinheit Ampere

Basisgröße Basiseinheit
Name Symbol Name Symbol Definition
elektrische Stromstärke \(I\) Ampere \(\rm{A}\) Das Ampere, Symbol \(\rm{A}\), ist die SI-Einheit der elektrischen Stromstärke. Sie ist definiert durch den festen Zahlenwert für die Elementarladung  \(e\) von \(1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\,\rm{A}\,\rm{s}\), wobei die Sekunde durch die Konstante \(\Delta {\nu _{{\rm{Cs}}}}\) definiert ist. Mit dieser Definition ergibt sich\[1\,{\rm{A}} = \frac{{e}}{1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}}\,\frac{1}{\rm{s}}\]bzw.\[1\,{\rm{A}} = \frac{1}{{9\,192\,631\,770 \cdot 1{,}602\,176\,634 \cdot {{10}^{-19}}}}\cdot e \cdot \Delta {\nu _{{\rm{Cs}}}}\]bzw.\[1\,{\rm{A}} \approx 6{,}789\,687 \cdot {10^8} \cdot e \cdot \Delta {\nu _{{\rm{Cs}}}}\]

Die erste Gleichung gibt eine Erklärung, was du dir unter einer Stromstärke von einem Ampere vorstellen kannst: Durch einen Leiterquerschnitt fließt ein Strom der Stromstärke \(1\,\rm{A}\), wenn pro Sekunde \(\frac{1}{{1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}}} \approx 6{,}242 \cdot {10^{18}}\) Elektronenladungen hindurchfließen.