Einzelne Elektronen zählbar: Das Ampere kann neu definiert werden

Chip, Computer, Elektronik, Board Bildquelle: anthony bolan photography
Wissenschaftler in diversen Ländern arbeiten seit einiger Zeit daran, die Definitionen der fundamentalen Einheiten auf eine neue Grundlage zu stellen. Das ist zuweilen nicht sonderlich einfach. Ein neues Messverfahren soll nun aber auch das Ampere, also die Stromstärke, genau definieren können.
Der wohl bekannteste Standard, der durch das neue Verfahren definiert werden soll, ist das Urkilogramm. Dabei handelt es sich um einen kleinen Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung, der in Paris in einem Tresor gelagert wird. Dieser ist die weltweite Referenz dafür, was genau 1 Kilogramm ist. Ähnlich leicht vorstellbar ist auch die entsprechende Referenz für die Länge, die lange im Urmeter bestand. Allerdings sind diese für die heutigen Ansprüche längst nicht mehr genau genug, weshalb nach immer besseren Definitionen auf Grundlage von Naturkonstanten gesucht wird.

Es gibt eine ähnliche Referenz im Grunde auch für die Stromstärke - nur ist diese noch ungünstiger gehalten. Für sie gibt es überhaupt keine wirkliche Entsprechung, sondern nur einen hypothetischen Versuchsaufbau mit zwei unendlich langen Leitungen. 1 Ampere definiert sich hier daraus, welche Stromstärke in diesem System eine bestimmte Kraft erzeugen würde. Das wiederum wäre natürlich eng mit der Definition der Masse verknüpft - und da das Urkilogramm schon zu ungenau ist, würde sich die Ungenauigkeit hier noch verstärken - was in unserer Welt, in der Stromstärken an allen möglichen Stellen eine wichtige Rolle spielen, nicht sonderlich günstig ist.

Ein Elektron, zwei Elektronen...

Daher soll das Ampere zukünftig dadurch definiert werden, was es ja eigentlich auch ist: Durch die genaue Zahl der Elektronen, die in einer bestimmten Zeit durch einen Leiter fließen. Allerdings ist es - wie man sich vorstellen kann - auch nicht gerade trivial, die Menge genau zu zählen und auch die Durchflussmenge korrekt zu regulieren.

Genau dabei ist den Wissenschaftlern von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) aber nun ein Durchbruch gelungen. Mit einer Einzelelektronen-Pumpe gelingt es ihnen, extrem kontrolliert Elektronen durch eine nur Nanometer hohe "Bergkette" zu schieben. Hier gibt es sogar schon eine Lösung sicherzustellen, dass es erkannt wird, wenn doch einmal zwei Elektronen gleichzeitig durchgehen oder eines einfach gar nicht durchkommt und zurückfällt.

Weiterhin konnten sie einen Verstärker konstruieren, der die dabei entstehenden Ströme um ein Tausendfaches steigert. So ist es nun möglich, selbst extrem kleine Stromstärken mit bisher unbekannter Genauigkeit zu messen - und so im Grunde jedes einzelne Elektron zu zählen - und auch Messgeräte, die mit wesentlich mehr Strom arbeiten, zu eichen. Damit hat man nun die Grundlage geschaffen, dass die Definition des Ampere wie geplant im Jahr 2018 auf eine vollständig neue Grundlage gestellt werden kann.

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Die PTB und die neuen Einheiten
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