Techniklexikon

Watt-Waage

Laboratoriumsmethoden und -geräte, Instrument zum Vergleich elektrischer und mechanischer Leistung für Anwendungen in der Metrologie. Die Wattwaage wird an metrologischen Staatsinstituten eingesetzt, um das Plancksche Wirkungsquantum h präzise zu bestimmen. Sie ähnelt einer Balkenwaage. Auf der einen Seite wirkt die Gewichtskraft eines Kilogramm-Prototypen (Masse m = 1 kg). Auf der anderen Seite wird mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule eine Gegenkraft ausgeübt (Lorentz-Kraft). Der Strom I wird so gewählt, dass sich das Gewicht mit der Geschwindigkeit v langsam auf- oder abwärts bewegt. Daraus folgt:

wobei U die an der Spule anliegende Spannung bezeichnet. Werden Spannung und Widerstand auf der Basis von Josephson-Effekt und Quanten-Hall-Effekt gemessen, so ist die elektrische Leistung UI proportional zur Planck-Konstante h. Die rechte Seite der Gleichung lässt sich mit Quantennormalen (Normal) präzise bestimmen: die Erdbeschleunigung g mit einem Gravimeter und die Geschwindigkeit v mit Hilfe einer Atomuhr und eines Laser-Längennormals. Auf diese Weise ermittelten Forscher am National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland, im Jahr 1999 den Wert der Planck-Konstante mit einer relativen Unsicherheit von 8,7 × 10^-8. Ziel ist es, die Genauigkeit der Messung auf besser als 10^-8 zu steigern. Denn dann liessen sich Massenänderungen der verwendeten Kilogrammprototypen feststellen, die einige 10^-9 kg pro Jahr betragen. Legt man den Zahlenwert der Planck-Konstanten per Definition auf einen bestimmten Wert fest – so wie die Lichtgeschwindigkeit – so könnte man die Einheit »Kilogramm« neu definieren und für dessen Darstellung die Watt-Waage nutzen. Das Urkilogramm in Paris hätte dann nur noch historischen Wert.