Ampere (A)
Definition, realisering och elektrisk strömmätning inom det internationella enhetssystemet
Elektrisk ström är en grundläggande storhet inom fysik, teknik och modern infrastruktur. Allt från energidistribution och elektronik till kommunikation och mätteknik bygger på noggrann kontroll av elektrisk ström. Trots detta är det relativt få som känner till hur SI-enheten ampere i dag definieras och hur denna definition realiseras i praktiken.
Den moderna ampere är inte längre definierad genom mekaniska krafter mellan ledare, utan genom en fundamental naturkonstant. För att förstå detta är det, liksom för övriga SI-basenheter, nödvändigt att skilja mellan definition, realisering och praktisk användning.
Amperens definition i SI-systemet
Sedan 2019 är ampere definierad inom det internationella enhetssystemet (SI) enligt följande princip:
Ampere är SI-enheten för elektrisk ström. Den definieras genom att den elementarladdningens e ges det exakta numeriska värdet
1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ coulomb.
Eftersom en coulomb är definierad som ampere multiplicerat med sekund (C = A·s), innebär denna definition att ampere i praktiken definieras genom:
- den fixerade elementarladdningen e,
- sekunden, som definieras via cesiumatomens hyperfina övergång.
Elektrisk ström kan därmed tolkas som antal elementarladdningar som passerar per tidsenhet.
Historisk bakgrund och SI-reformen 2019
Före 2019 var ampere definierad genom en idealiserad kraftverkan mellan två oändligt långa, parallella ledare i vakuum. Denna definition var teoretiskt tydlig men svår att realisera med hög precision i praktiken.
SI-reformen 2019 innebar ett principiellt skifte, där ampere, liksom kilogrammet, kopplades till en naturkonstant. Genom att fixera värdet på elementarladdningen blev det möjligt att realisera ström direkt genom räkning av laddningar, snarare än genom mekaniska kraftmätningar.
Definition, realisering och användning
Även för elektrisk ström är det viktigt att skilja mellan tre nivåer:
Definitionen anger vad ampere är i principiell mening och är knuten till elementarladdningen.
Realiseringen avser de experimentella metoder genom vilka denna definition omsätts i faktiska strömstandarder.
Användningen avser praktisk strömmätning inom elektronik, industri, kraftsystem och vardagliga tillämpningar.
Realisering av ampere
Definitionen av ampere föreskriver ingen specifik experimentell metod. I praktiken realiseras ampere genom metoder som är spårbara till elementarladdningen och sekunden. Tre centrala angreppssätt används i modern elektrisk metrologi.
En-elektron-transporter
Ett direkt sätt att realisera ampere är genom en-elektron-transporter, där individuella elektroner flyttas kontrollerat genom en nanostruktur.
Om exakt ett antal n elektroner transporteras per cykel vid frekvens f, ges strömmen av:I=nef
Eftersom både e och f är exakt kända storheter kan strömmen realiseras direkt ur definitionen. Denna metod representerar den mest direkta tolkningen av ampere som laddning per tidsenhet.
Spänning och resistans: Josephson- och kvanteffektstandarder
I praktisk elektrisk metrologi realiseras ampere ofta indirekt via Ohms lag:I=RU
Spänningen U realiseras genom Josephsoneffekten, där spänning kopplas till frekvens och Plancks konstant. Resistansen R realiseras genom kvant-Halleffekten, där resistans uttrycks i termer av Plancks konstant och elementarladdningen.
Kombinationen av dessa kvanteffekter ger en mycket stabil och exakt realisering av elektrisk ström.
Primära och sekundära strömstandarder
Metoder baserade på en-elektron-transporter betraktas som primära realiseringar av ampere, eftersom de direkt kopplar ström till elementarladdningen.
Metoder baserade på spänning och resistans används som sekundära standarder och är i dag de mest använda inom nationella metrologiinstitut och kalibreringsverksamhet, på grund av sin höga stabilitet och praktiska användbarhet.
Amperens roll i härledda enheter
Ampere är en grundläggande komponent i många härledda SI-enheter, bland annat:
- volt (elektrisk potential),
- ohm (elektrisk resistans),
- watt (elektrisk effekt),
- coulomb (elektrisk laddning).
En stabil definition av ampere är därför avgörande för hela den elektriska delen av SI-systemet.
Praktisk strömmätning
I vardagliga och industriella tillämpningar mäts ström vanligtvis genom indirekta metoder, exempelvis via spänningsfall över en känd resistans. Även om dessa mätningar inte direkt realiserar SI-definitionen, är de spårbara till den genom kalibrering mot primära och sekundära standarder.
Sammanfattning
Ampere är i dag definierad genom ett exakt värde på elementarladdningen och utgör därmed en enhet som är direkt kopplad till atomär fysik. Genom moderna kvantmetrologiska metoder kan denna definition realiseras med mycket hög precision.
Övergången från en mekanisk till en konstantbaserad definition har gjort amperen mer reproducerbar, mer exakt och bättre anpassad till modern elektronik och mätteknik.