La balance du watt

摘要

Le kilogramme, dont dépend l'ensemble des unités électriques, est le dernier élément du Système International d'unités SI basé sur un artefact matérialisé: le prototype international du kilogramme IPK. Or les comparaisons faites au cours des cent dernières années entre IPK et ses copies officielles ont clairement mis en évidence l'instabilité du système. L'expérience de la balance du watt, qui permet d'établir un lien entre l'unité de masse et la constante de Planck, constitue une approche prometteuse en vue d'une nouvelle définition du kilogramme.%Das Kilogramm, von dem alle elektrischen Einheiten abhängen, ist das letzte Element im Internationalen Einheitensystem SI, das noch auf einem materiellen Artefakt basiert: dem Internationalen Kilogrammprototypen IPK. Bei Vergleichen zwischen dem IPK und seinen offiziellen Kopien über die letzten hundert Jahre hinweg wurde jedoch die Instabilität des Systems eindeutig nachgewiesen. Das Watt-Waagen-Experiment, mit dessen Hilfe eine Verbindung zwischen der Masseneinheit und der Planckschen Konstante geschaffen werden kann, stellt einen vielversprechenden Ansatz im Hinblick auf eine Neudefinition des Kilogramms dar. Das Funktionsprinzip der Watt-Waage besteht aus zwei Phasen: der statischen Phase oder Wägephase und der dynamischen Phase oder Induktionsphase. Während der statischen Phase wird das Massegewicht durch eine elektromagnetische Kraft ausgeglichen, die durch Strom erzeugt wird, der in einer Spule fliesst, die sich in einem Magnetfeld befindet. Während der dynamischen Phase wird die Spule vertikal durch dieses Magnetfeld bewegt. Dies induziert an den Anschlussklemmen der Spule eine Spannung. Sofern bestimmte Bedingungen erfüllt sind, ist es also möglich, die elektrische und mechanische Leistung zu vergleichen, daher auch die Bezeichnung «Watt-Waage». Dieses Experiment wird in verschiedenen Ländern angewendet, um zunächst mithilfe der nationalen Kilogrammprototypen die Plancksche Konstante mit einer relativen Unsicherheit in einer Grössenordnung von wenigen Millionstel Prozent zu bestimmen. Ist der Wert der Planckschen Konstante bestimmt, kann mit der Watt-Waage eine Neudefinition des Kilogramms mit derselben relativen Unsicherheit vorgenommen werden. In diesem Artikel werden die Einzelheiten dieses Experiments dargestellt sowie die Herausforderungen für die Wissenschaftler des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (Metas), um ein solches Präzisionsniveau zu erreichen.