Ampere och elektrisk mätteknik

Hans Christian Ørsted och André-Marie Ampère

1820 visade den danske fysikern Hans Christian Ørsted att magnetism och elektricitet hör ihop, genom att visa att en kompassnål avviker från norr i närheten av en elektrisk ström. Detta beror på att strömmen skapar ett magnetiskt fält runt den elektriska ledaren som påverkar andra magnetfält i närheten, i detta fall kompassnålens magnetfält.

Denna upptäckt inspirerade den franske matematikern och fysikern André-Marie Ampère att forska vidare kring kopplingen mellan elektricitet och magnetism. Han upptäckte att två strömförande ledare utövar en dragningskraft på varandra, om strömriktningen är den samma i båda ledarna, och att de stöter bort varandra om de har motsatt strömriktning.

Måttenhetssystem växte fram

Med tiden växte behovet av ett standardiserat måttenhetssystem för el:

• 1893 föreslog IEC (International Electrical Congress) att ohm och ampere skulle vara basenheterna i ett gemensamt måttenhetssystem. 
• På 1921 års Allmänna konferens för mått och vikt i Paris lade man formellt till ampere som en enhet för elektrisk ström.
• 1948 beslutades definitionen av en ampere, en definition som utgick från André-Marie Ampères upptäckter mer än hundra år tidigare.
• 1960 blev ampere officiellt en av basenheterna i det internationella måttenhetssystemet SI.

Definitionen av 1 ampere – en omöjlig historia

Beslutet 1948 innebar att 1 ampere definierades som den ström som när den passerar genom två oändligt långa, raka och parallella ledare, med försumbart tvärsnitt och en meters avstånd mellan varandra, ger upphov till en kraft på 2x10^-7 newton per meter mellan ledarna.

Den uppmärksamme noterar att det utifrån denna definition verkar omöjligt att realisera, "tillverka" exakt en ampere i verkligheten. Det är trots allt inte möjligt att tillverka två oändligt långa ledare. Men definitionen gav ändå möjlighet att göra en praktisk realisering av ampere genom en så kallad amperevåg, där en känd massa balanserades mot en elektromagnetisk kraft från strömmen i ett antal spolar. Genom noggranna mätningar av spolarnas dimensioner kunde strömmen bestämmas med tillräckligt liten mätosäkerhet.

Ohms lag

Ohms lag formulerades av den tyske vetenskapsmannen Georg Ohm 1827 och beskriver förhållandet mellan elektrisk ström (ampere), spänning (volt) och resistans (ohm) och är en av de enklaste och mest användbara ekvationerna inom fysiken:

I = U / R

där I är strömmen, U är spänningen och R är resistansen. Det innebär att om man känner till två av värdena kan den tredje beräknas med hjälp av formeln. Om spänningen och resistansen i en krets är kända, kan strömmen enkelt räknas ut.

De tre enheterna hör alltså ihop. För att förstå det kan man göra en enkel jämförelse med ett vattensystem, där spänning motsvarar vattentrycket, strömmen motsvarar hur mycket vatten som flödar i ledningen och resistansen ledningens diameter. Om man vet diametern och vattentrycket är det enkelt att räkna ut hur mycket vatten som flödar. På samma sätt är det enkelt att räkna ut trycket om man vet diametern på röret och hur mycket vatten som flödar genom ledningen.

Bakvänd mätning

På 70- och 80-talet började elektriska mätinstrument bli så bra att amperevågen inte var tillräckligt noggrann. Samtidigt gjorde vetenskapliga genombrott inom kvantmekaniken det möjligt att realisera volt och ohm baserade på naturkonstanter. Med hjälp av Ohms lag kunde man då bestämma även ampere med väldigt liten mätosäkerhet.

Volt (spänning) realiseras med Josephson-effekten och ohm (resistans) med kvanthall-effekten. Båda dessa kvantmekaniska fenomen har belönats med nobelpris och har förändrat hur vi definierar och mäter dessa storheter. 

Rent praktiskt användes alltså de härledda enheterna volt och ohm för att realisera ampere. Detta verkar så klart bakvänt. Tanken var ju att basenheterna i SI-systemet skulle användas som bas för de härledda enheterna, inte tvärtom. Anledningen till detta var att spänning och resistans kunde mätas med mycket mindre mätosäkerhet än elektrisk ström. Problemet var dock att denna metod inte baserades på definitionen av ampere, även om realiseringarna av volt och ohm är väldigt exakta.

Omdefiniering av ampere 2019

2019 ändrades så definitionen för ampere inom SI-systemet. Istället för att baseras på kraften mellan två oändligt långa elektriska ledare så definieras ampere via värdet på elementarladdningen e. Elementarladdningen gavs samtidigt ett fastställt värde på 1,602 176 634 ∙ 10^-19 C, där enheten coulomb, C, kan uttryckas som A∙s, ampere gånger sekund.  Det betyder att en ampere motsvarar ett laddningsflöde på 1 coulomb, det vill säga ungefär 6,241 509 074 ∙ 10¹⁸ elektroner, per sekund. Genom denna omdefinition blev även realiseringarna av volt och ohm korrekta enligt SI-definitionen.

Riksmätplatsen för elektriska storheter

Den nya definitionen gör det dock inte enkelt att faktiskt realisera ampere utifrån sin definition. Det kräver extremt noggrann räkning av ett oerhört stort antal enskilda elektroner. Även om det är möjligt är det en teknik som är i sin linda och som behöver fortsätta utforskas. I praktiken används Ohms lag och realisationer av volt och ohm genom Josephsoneffekten och kvanthall-effekten därför fortfarande för att realisera ampere. Det är denna metod vi använder för att realisera den nationella standarden för ampere på riksmätplatsen för elektriska storheter hos oss på RISE.