Ampere

Formale Definition

Das Ampere (Symbol: A) ist die SI-Basiseinheit des elektrischen Stroms. Seit dem 20. Mai 2019 wird es definiert, indem der Zahlenwert der Elementarladung e auf genau 1.602176634 × 10⁻¹⁹ Coulomb (C) festgelegt wird, wobei 1 C = 1 A·s. Das bedeutet, dass ein Ampere dem elektrischen Strom entspricht, der dem Fluss von 1/(1.602176634 × 10⁻¹⁹) Elementarladungen pro Sekunde entspricht, was ungefähr 6.241509 × 10¹⁸ Elektronen entspricht, die einen bestimmten Punkt pro Sekunde passieren.

Das Ampere ist eine der sieben SI-Basiseinheiten und die einzige elektrische Einheit unter ihnen. Alle anderen elektrischen Einheiten — das Volt, Ohm, Watt, Coulomb, Farad, Henry, Siemens und Weber — leiten sich aus dem Ampere in Kombination mit dem Meter, Kilogramm und Sekunde ab. Das Ohmsche Gesetz (V = IR) verbindet das Ampere mit dem Volt und Ohm, während die elektrische Leistung (P = IV) es mit dem Watt verbindet.

Physikalische Bedeutung

Der elektrische Strom, gemessen in Ampere, stellt die Flussrate der elektrischen Ladung durch einen Leiter dar. In metallischen Leitern wird der Strom von Elektronen getragen, die durch das Kristallgitter des Metalls fließen. In Elektrolyten und Plasmen wird der Strom von Ionen getragen. In Halbleitern wird der Strom sowohl von Elektronen als auch von "Löchern" (Vakanzen in der Elektronenstruktur, die sich wie positive Ladungsträger verhalten) getragen. Die Richtung des konventionellen Stroms wird als die Richtung definiert, in der positive Ladungen fließen würden, was der tatsächlichen Richtung des Elektronenflusses in Metallen entgegengesetzt ist.

Benannt nach Andre-Marie Ampere

Das Ampere ist nach Andre-Marie Ampere (1775-1836) benannt, dem französischen Physiker und Mathematiker, der als einer der Begründer der Wissenschaft des Elektromagnetismus gilt, den er "Elektrodynamik" nannte. Geboren in Lyon, Frankreich, war Ampere ein prodigioser Intellekt, der sich Mathematik aus den Büchern in der Bibliothek seines Vaters selbst beibrachte. Trotz der Hinrichtung seines Vaters während der Französischen Revolution und anderer persönlicher Tragödien leistete Ampere bahnbrechende Beiträge zur Physik und Mathematik.

Ampere's Wesentliche Beiträge

Ampere's bedeutendster Erfolg war seine mathematische Formulierung der Beziehung zwischen elektrischem Strom und dem von ihm erzeugten Magnetfeld, veröffentlicht in seinem Memoir von 1826 "Memoire sur la theorie mathematique des phenomenes electrodynamiques uniquement deduite de l'experience." Er zeigte, dass zwei parallele Drähte, die elektrische Ströme führen, Kräfte aufeinander ausüben — sie ziehen sich an, wenn die Ströme in die gleiche Richtung fließen, und stoßen sich ab, wenn sie in entgegengesetzte Richtungen fließen. Diese Entdeckung bildete die Grundlage der ursprünglichen Definition des Ampere (vor 2019) und wird mathematisch als Ampere's Kraftgesetz ausgedrückt.

James Clerk Maxwell nannte Ampere "den Newton der Elektrizität" für seine grundlegenden Beiträge. Ampere's circuital law — eines von Maxwells Gleichungen — verbindet das Magnetfeld um eine geschlossene Schleife mit dem elektrischen Strom, der durch die Schleife fließt. Die Einheit des elektrischen Stroms wurde ihm zu Ehren beim Internationalen Elektrischen Kongress 1881 in Paris benannt.

Frühe Elektrische Messungen

Die Geschichte des Ampere ist untrennbar mit der breiteren Geschichte des Verständnisses des elektrischen Stroms verbunden. Im Jahr 1800 erfand Alessandro Volta die voltaische Säule — die erste echte Batterie — die zum ersten Mal eine kontinuierliche Quelle elektrischen Stroms bereitstellte. Diese Erfindung ermöglichte eine Welle elektrischer Experimente von Wissenschaftlern wie Humphry Davy, Hans Christian Oersted und Andre-Marie Ampere. Im Jahr 1820 enthüllte Oersteds Entdeckung, dass ein elektrischer Strom eine Kompassnadel ablenkt, die grundlegende Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Ampere's Elektrodynamik

Wenige Wochen nach der Kenntnisnahme von Oersteds Entdeckung führte Ampere eine Reihe brillanter Experimente durch, die die Kräfte zwischen stromführenden Drähten demonstrierten. Er zeigte, dass parallele Drähte, die Ströme in die gleiche Richtung führen, sich gegenseitig anziehen, während antiparallele Ströme sich abstoßen. Er formulierte mathematische Gesetze, die diese Kräfte beschreiben, und schlug vor, dass Magnetismus selbst durch zirkulierende elektrische Ströme innerhalb der Materie verursacht wird — eine Hypothese, die später durch die Elektronentheorie des Magnetismus bestätigt wurde.

Standardisierung

Der erste internationale Standard für das Ampere wurde beim Internationalen Elektrischen Kongress in Chicago im Jahr 1893 festgelegt, elektrochemisch definiert als der Strom, der 1.118 Milligramm Silber pro Sekunde aus einer Silbernitratlösung ablagert (das "Silberampere"). Diese praktische Definition wurde 1948 durch die kraftbasierte Definition unter Verwendung paralleler Leiter ersetzt und 2019 durch die aktuelle Definition, die auf der Elementarladung basiert.

Die Revision von 2019

Die Neudefinition des Ampere von 2019 war Teil einer umfassenderen Revision des SI, die auch das Kilogramm, Kelvin und Mol neu definierte. Die neue Definition beseitigte die Abhängigkeit vom Meter und Kilogramm (die in der kraftbasierten Definition vorkam) und verankerte stattdessen das Ampere direkt an einer fundamentalen Naturkonstante — der Elementarladung. Dies wurde durch jahrzehntelange Fortschritte in Experimenten zum Einzel-Elektronentransport und in der quantenelektrischen Metrologie möglich.

In der Elektrotechnik

Das Ampere ist die grundlegende Einheit zur Spezifizierung und Messung des elektrischen Stroms in allen Anwendungen der Elektrotechnik. Sicherungsautomaten und Sicherungen sind in Ampere bewertet — ein typischer Haushalts-Sicherungsautomat ist in Nordamerika mit 15 oder 20 Ampere und in Europa mit 16 oder 32 Ampere bewertet. Drahtquerschnittsstandards geben die maximale Stromtragfähigkeit (Ampacity) von Leitern in Ampere an, und elektrische Schaltschränke werden nach ihrer gesamten Ampere-Kapazität bewertet (üblich sind 100, 200 oder 400 Ampere für Wohnservice).

In der Elektronik

In der Elektronik werden Ströme typischerweise in Milliamperes (mA) oder Mikroamperes (μA) gemessen. Ein Smartphone zieht während des aktiven Gebrauchs etwa 100 bis 500 mA. Eine LED benötigt 10 bis 20 mA. Integrierte Schaltungen arbeiten mit Strömen von Mikroamperes (für Niedrigstromsensoren) bis zu Amperes (für Hochleistungsprozessoren). Die Batteriekapazität wird in Ampere-Stunden (Ah) oder Milliampere-Stunden (mAh) bewertet — eine typische Smartphone-Batterie hat eine Kapazität von 3.000 bis 5.000 mAh.

In der Energieversorgung

In der Stromerzeugung und -verteilung wird der Strom in Ampere und Kiloampere gemessen. Hochspannungsleitungen führen Ströme von Hunderten bis Tausenden von Ampere. Große Industriemotoren ziehen Zehner bis Hunderte von Ampere. Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge können 250 bis 500 Ampere bei Gleichspannungen liefern, was ein schnelles Laden der Batterie ermöglicht.

Elektrische Systeme zu Hause

Das elektrische System jedes Hauses wird grundlegend in Bezug auf Ampere beschrieben. Der Hauptstromverteiler in einem modernen Haus ist typischerweise mit 100 bis 200 Ampere bewertet. Einzelne Stromkreise sind durch Sicherungen geschützt, die mit 15 oder 20 Ampere für allgemeine Steckdosen, 20 Ampere für Küchen- und Badezimmerstromkreise und 30 bis 50 Ampere für Geräte mit hohem Strombedarf wie Elektroherde und Wäschetrockner bewertet sind. Das Verständnis der Ampere ist entscheidend für eine sichere elektrische Nutzung — das Überlasten eines Stromkreises, indem mehr Ampere als seine Bewertung gezogen werden, kann Überhitzung und Brand verursachen.

Ladegeräte

Das Laden von Batterien wird in Bezug auf Ampere beschrieben. Ein Standard-USB-Ladegerät liefert 0,5 bis 2,4 Ampere. USB-C Power Delivery-Ladegeräte können bis zu 5 Ampere bei 20 Volt (100 Watt) liefern. Schnelllade-Standards für Smartphones (Qualcomm Quick Charge, USB PD) erhöhen Strom und Spannung, um die Ladezeiten zu verkürzen. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge sind nach ihrer Ampere-Kapazität bewertet: Ein Level-1-Ladegerät (Standard-Haushaltssteckdose) liefert etwa 12 Ampere, ein Level-2-Ladegerät liefert 16 bis 80 Ampere, und DC-Schnellladegeräte können über 300 Ampere liefern.

Sicherheitsbewusstsein

Das Verständnis der Ampere ist wichtig für die elektrische Sicherheit. Ein Strom von etwa 10 Milliamperes (0,01 A) durch den menschlichen Körper verursacht schmerzhafte Muskelkontraktionen, 100 Milliamperes (0,1 A) können tödliche ventrikuläre Fibrillation verursachen, und höhere Ströme verursachen schwere Verbrennungen. Deshalb konzentriert sich die elektrische Sicherheit sowohl auf die Spannung (die den Strom durch den Widerstand treibt) als auch auf die Erdung (die einen sicheren Weg für Fehlerströme bietet).

In der Elektromagnetik

Das Ampere ist zentral für die elektromagnetische Theorie. Ampere's circuital law besagt, dass das Integral des Magnetfeldes um eine geschlossene Schleife proportional zum elektrischen Strom ist, der die Schleife durchzieht. Das Biot-Savart-Gesetz gibt das Magnetfeld an, das von einem Stromelement erzeugt wird. Maxwells Gleichungen, die Elektrizität, Magnetismus und Optik vereinen, drücken elektromagnetische Größen in Bezug auf Ampere, Volt und deren Ableitungen aus.

In der Quantenmetrologie

Die quantenelektrischen Standards, die das Ampere realisieren, gehören zu den präzisesten Messwerkzeugen in der gesamten Wissenschaft. Der Josephson-Effekt bietet einen Spannungsstandard mit einer relativen Unsicherheit unter 10⁻⁹. Der Quanten-Hall-Effekt bietet einen Widerstandsstandard mit einem ähnlichen Präzisionsniveau. Einzel-Elektronentransportgeräte (Single-Electron-Tunneling-Transistoren und Quantenpunkte) können einzelne Elektronen zählen, was eine direkte Realisierung des Ampere als Fluss von Elementarladungen ermöglicht.

In der Elektrochemie

In der Elektrochemie beziehen sich Faradays Gesetze der Elektrolyse auf die Menge der Substanz, die an einer Elektrode abgelagert wird, auf die insgesamt durchgeführte Ladung (Strom × Zeit) in Ampere-Sekunden (Coulombs). Ein Faraday Ladung (96.485 Coulombs) lagert ein Mol einer monovalenten Substanz ab. Diese Beziehungen sind grundlegend für die Galvanisierung, die elektrolytische Raffinierung von Metallen, die Batterietechnologie und den Betrieb von Brennstoffzellen.