Techniklexikon

Ampere

(Abk. A). Nach dem franz. Physiker Andre Marie Ampere (17751836) benannte Einheit im SI-System (SI-Einheiten) für die elektrische Stromstärke. 1 Aist definiert als der Strom, der unverändert durch zwei lange Leiter im Abstand von 1 m voneinander fließen muß, damit sich diese je Meter Drahtlänge mit einer Kraft von 210~7 N (Newton) anziehen. 1 A = W/V (Watt, Volt). (nach A.M. Ampère), absolutes Ampere, Einheitenzeichen A, SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke. Definition: Das Ampere ist die Stärke eines zeitlich konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von 1m voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigen Querschnitt fliessend, zwischen diesen Leitern je 1m Leitungslänge Kraft von 2 × 10^-7N hervorrufen würde.

Diese Definition (angenommen auf der 9. Generalkonferenz für Mass und Gewicht 1948) löste das internationale Ampere ab, das 1909 als derjenige Gleichstrom definiert worden war, der aus einer wässrigen Lösung von Silbernitrat innerhalb einer Sekunde durch Elektrolyse 1,11800mg Silber abscheidet. Das internationale Ampere war etwas kleiner als das absolute Ampere (1A_int = 0.99985A_abs).

Das Ampere ist gemäss seiner Definition niemals genauer zu realisieren als die ungenaueste der mechanischen Basiseinheiten Meter, Kilogramm oder Sekunde. Trotzdem ist die Definition sinnvoll, denn sie verknüpft die gesamte Elektrodynamik mit der Mechanik gemäss dem skalaren Kraftgesetz, das für zwei Ströme I₁ und I₂ gilt, die durch ein im Abstand d angeordnetes Leiterpaar

fliessen (m₀ magnetische Feldkonstante, l Länge des Leiters); für I₁ = I₂ = 1A, d = 1m, F/l = 2 × 10^-7Nm^-1 ergibt sich die gleichwertige Darstellung

.

Eine direkte Darstellung des Ampere entsprechend seiner Definition ist nicht möglich. Ersetzt man jedoch die unendlich lange Doppelleitung durch zwei koaxiale Kreisringe, so bleibt das Verhältnis des Produkts der Stromstärken I₁ × I₂ zur Kraft F aus den geometrischen Abmessungen und m₀ herleitbar. Eine Ausführung ist die sog. Stromwaage, mit der man durch Massenvergleich die Kraft aufgrund des magnetischen Moments misst (Messunsicherheit ca. 6 × 10^-6A, im wesentlichen durch die Wägung und durch die geometrische Vermessung der Spulen). Genauer ist die direkte Darstellung in zwei Schritten mit dem Moving-Coil-Experiment, in das die Abmessungen der Spule nicht eingehen: Ein Leiter der Länge l (Teil einer speziellen Spule) befindet sich in einem Magnetfeld der Stärke B und wird von einem Strom I durchflossen. Man vergleicht im ersten Schritt die Kraft auf den Leiter mit der Gewichtskraft auf eine Masse m. Im zweiten Teil bewegt man die Spule mit der Geschwindigkeit  durch das Magnetfeld und misst die induzierte Spannung; durch Gleichsetzung erhält man . Mit diesem Experiment lässt sich das Watt und - fliesst der Strom durch einen bekannten Widerstand R - auch das Ampere mit einer Genauigkeit von einigen 10 ^{- 8} darstellen.

Da sich die anderen elektrischen Einheiten mit geringerer Unsicherheit darstellen lassen, bevorzugt man indirekte Darstellungen des Ampere, beispielsweise die Verknüpfung mit dem Ohm mithilfe eines Kreuzkondensators oder mit dem Volt mithilfe einer Spannungswaage. Seit den 80er Jahren entwickelt man Anordnungen, die makroskopische Quanteneffekte wie den Josephson-Effekt oder den Quanten-Hall-Effekt für die Darstellung der Einheiten und ihre Verknüpfung mit den Fundamentalkonstanten nutzen. In jüngster Zeit werden Anstrengungen unternommen, mithilfe von nanostrukturierten Tunnelelementen auch das Ampere auf sog. Quantennormale zurückzuführen. Sind in diesen Strukturen der Tunnelwiderstand grösser als ein Viertel der Von-Klitzing-Konstanten h/e² und die Ladungsenergie höher als die thermische Energie, so lassen sich durch die Variation der Gate-Spannung einzelne Elektronen manipulieren, so dass man das Ampere letztlich auf die Zählung von Elektronen zurückführt. Die Unsicherheit liegt jedoch z.Z. noch weit von den in der Metrologie erforderlichen Werten entfernt. [CH]

André Marie, französischer Mathematiker und Physiker, *22.1.1775 Lyon, †10.6.1836 Marseille; 1802 Physiklehrer in Bourg, 1803 Mathematiklehrer in Lyon; ab 1804 in Paris, später Professor an der École Polytechnique; ab 1826 am Collège de France in Paris; bedeutender Universalgelehrter der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts; gilt als Begründer der Elektrodynamik; formulierte als erster die Verkettung von elektrischem Strom und Magnetfeld (Bestimmung der Ablenkung einer Magnetnadel durch den Strom mittels der Ampèreschen Schwimmerregel), führte den Ferromagnetismus auf molekulare elektrische Kreisströme zurück (Ampèresche Ringströme), stellte 1820 die mechanische anziehende bzw. abstossende Wirkung stromdurchflossener Leiter aufeinander fest (Ampèresche Gesetze, überprüfbar mit dem Ampèreschen Gestell); weitere Arbeiten zur Mathematik, theoretischen Chemie (insbesondere Gasreaktionen), Logik und Wissenschaftsphilosophie; nach ihm ist die SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke, das Ampere, benannt.

Ampère, André Marie