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2024-12-12T07:43:03Z

10 hoch minus 15, nicht 10 hoch 15

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'''Kryostromkomparatoren (engl. ''cryogenic current comparator'', CCC)''' werden in der elektrischen Präzisionsmesstechnik verwendet, um elektrische [[Elektrischer Strom|Stromstärken]] zu vergleichen bzw. Stromstärkeverhältnisse mit höchster Genauigkeit zu bestimmen. Sie übertreffen die Genauigkeit anderer Stromkomparatoren um mehrere Größenordnungen und werden in der elektrischen [[Metrologie]] beispielsweise zu hochpräzisen Vergleichsmessungen von [[Elektrischer Widerstand|elektrischen Widerständen]] oder zur Verstärkung und Messung extrem kleiner Stromstärken verwendet.

Das Prinzip des Kryostromkomparators geht auf I. K. Harvey zurück<ref name="harvey1972" /> und basiert wesentlich auf den Eigenschaften von [[Supraleiter]]n. Dabei werden makroskopische Quanteneffekte ausgenutzt. die in Supraleitern unterhalb der [[Sprungtemperatur]] von typischerweise wenigen [[Kelvin]] auftreten. Der Begriff „Kryo-Stromkomparator“ leitet sich daher ab von ''κρυος'' (gr. ''Frost'', ''Eis'') und ''comparare'' (lat. ''vergleichen'').

Die im Kryostromkomparator vorteilhaft ausgenutzten Quanteneffekte sind zum einen der ideale [[Diamagnetismus]] des Supraleiters, bedingt durch den [[Meißner-Ochsenfeld-Effekt]], und zum anderen die Eigenschaften eines supraleitenden Quantensensors.

Zum Vergleich zweier Stromstärken leitet man die Ströme durch zwei Drähte, die durch das Innere einer supraleitende Röhre geführt werden. Durch den Meißner-Effekt bildet sich auf der Innenseite der Röhre ein Strom aus, der exakt so groß ist wie die Summe aller Ströme im Inneren der Röhre. Dieser Abschirmstrom bewirkt ein verschwindendes Magnetfeld im Inneren der Röhre. Er fließt über die äußere Oberfläche der Röhre zurück und erzeugt außerhalb der Röhre ein [[Magnetfeld]], welches mit einem hochempfindlichen [[Magnetometer]] nachgewiesen wird. Das vom Magnetometer nachgewiesene Magnetfeld ist nun ein Maß für die Gleichheit der Ströme – insbesondere verschwindet es, wenn die beiden zu vergleichenden Stromstärken gleich groß sind. Wichtig ist die Tatsache, dass die Stärke des Abschirmstromes und die Stromverteilung auf der Rohraußenseite unabhängig von der Anordnung bzw. Lage der Drähte im Inneren des Rohres sind.

Als Nulldetektor für das Magnetfeld werden [[SQUID|SQUID-Magnetometer]] (SQUID = '''S'''uperconducting '''Qu'''antum '''I'''nterference '''D'''evice) eingesetzt. Sie erlauben den Nachweis extrem kleiner Magnetfeldänderungen, die Vielfachen des elementaren [[Magnetisches Flussquant|magnetischen Flussquants]] ''h''/2''e'' ≈ {{ZahlExp|2|-15|post=Vs}} entsprechen (''h'' ist die [[Planck-Konstante]], ''e'' die [[Elementarladung]]). Die Funktion des SQUID beruht auf [[SQUID|makroskopischen Quanteninterferenzen]], die in supraleitenden Schleifen mit Tunnelkontakten auftreten.

Widerstandsmessbrücken, die auf Kryostromkomparatoren basieren, werden für den Vergleich von elektrischen Widerständen benutzt, insbesondere für Messungen höchster Präzision, wie sie für die Reproduzierung der Widerstandseinheit auf der Basis des [[Quanten-Hall-Effekt]]es (QHE) erforderlich sind. Anschlussmessungen von Normalwiderständen im Bereich 1 Ω bis 10 kΩ an einen QHE-Widerstand von 12,9 kΩ werden auf diese Weise an metrologischen Staatsinstituten wie der [[Physikalisch-Technische Bundesanstalt|Physikalisch-Technischen Bundesanstalt]] (PTB) mit einer relativen [[Messunsicherheit]] von nur einigen 10<sup>−9</sup> durchgeführt.

== Weblinks ==
* [https://www.ptb.de/de/org/2/Inhalte/qhe/_quantenhalleffekt.htm Physikalisch-Technische Bundesanstalt zum Thema "Quanten-Hall-Effekt"]
* [https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt2/fb-26/ag-261/kryo-stromkomparatoren.html Kryo-Stromkomparatoren], [[Physikalisch-Technische Bundesanstalt|PTB]]
* J.M. Williams [https://xdevs.com/doc/_Materials/IEEE/williams2011.pdf Cryogenic current comparators and their application to electrical metrology], 2011, [[doi:10.1049/iet-smt.2010.0170]]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="harvey1972">
I.K. Harvey, “A Precise Low Temperature dc Ratio Transformer”,
Review of Scientific Instruments 43, Nr. 11, S. 1626–1629,
Nov. 1972. [[doi:10.1063/1.1685508]]
</ref>
</references>

[[Kategorie:Elektrischer Strom]]
[[Kategorie:Elektrische Messtechnik]]

Kryostromkomparator - Versionsgeschichte

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