Was ist eine Basiseinheit im neuen SI und warum ist das Ampere eine davon?

Eine Frage, die so ziemlich immer in Einführungskursen zum Thema Elektromagnetismus auftaucht, lautet: Warum ist die Basiseinheit elektrischer Messungen das Ampere und nicht das Coulomb , und die übliche Antwort lautet, dass es genauer und metrologisch nützlicher ist, elektrische Messungen um Messungen herum aufzubauen des Stroms, darum herum ist der SI aufgebaut.

Die Situation wird sich jedoch um 2018 ändern, wenn die derzeit vorgeschlagene Neudefinition der SI-Einheiten in Kraft tritt, die im Wesentlichen alle SI-Einheiten von sieben Invarianten der Natur abhängig macht. Ich bin verwirrt über die Rolle der Basiskonstanten in diesem neuen System: Was sind sie, und gibt es einen anderen Grund als die historische Kontinuität, das Konzept überhaupt beizubehalten?

Lassen Sie mich, um etwas expliziter zu sein, mich auf die Rolle des Ampere konzentrieren, denn dies ist die verrückteste. Im neuen SI bleibt das Ampere als Basiseinheit und der elektrische Strom als Basisgröße erhalten

Die im SI verwendeten Basisgrößen sind Zeit, Länge, Masse, elektrischer Strom, thermodynamische Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke. Als entsprechende Basiseinheiten des SI wurden von der CGPM Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela gewählt

( Entwurfsvorschlag der neuen SI-Broschüre (pdf), §1.2)

aber im Wesentlichen ist es als die Strommenge definiert, die die Elementarladung gleich macht$e=1.602\,176\,565×10^{-19}\:\mathrm{C} =1.602\,176\,565×10^{-19} \:\mathrm{A\:s}$(wobei die genaue Zahl durch das ersetzt wird, was laut CODATA unsere beste Messung zum Zeitpunkt der Neudefinition ist).

Vergleichen Sie dies mit der aktuellen Definition des SI-Ampere:

Das Ampere ist der konstante Strom, der, wenn er in zwei geraden parallelen Leitern von unendlicher Länge und vernachlässigbarem kreisförmigem Querschnitt aufrechterhalten und im Vakuum in einem Abstand von 1 Meter platziert wird, zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2 × 10 ^–7 Newton pro erzeugen würde Meter Länge.

Bei einem gegebenen Kraftstandard definiert dies direkt das Ampere, ohne dass irgendwelche Bedingungen angebracht sind. Die neue Definition definiert das Coulomb jedoch meist nur als eine feste Anzahl von Elementarladungen und hängt dann von der Definition der Sekunde ab, um das Ampere zu definieren. Sollte dies nicht das Coulomb zur Basiseinheit machen?

Etwas weiter davon entfernt, machen die tatsächlichen Implementierungen das Bild noch durcheinander. Ich habe sie in dieser Frage und Antwort dokumentiert , aber die Kurzgeschichte mit dem Ampere ist, dass die Implementierung hauptsächlich von zwei gut verstandenen physikalischen Effekten abhängt:

• Einer ist der Quanten-Hall-Effekt , der im Wesentlichen ein Leitwertquantum festlegt, wenn ein Elektronengas bei niedrigen Temperaturen auf ein zweidimensionales Material beschränkt wird. Der Widerstand ergibt sich dann in (Teil-)Vielfachen der von Klitzing-Konstante,$R_K=h/e^2\approx 26\:\mathrm{kΩ}$, also ergibt ein Quanten-Hall-Effekt-Experiment im Wesentlichen einen fertig gebackenen Widerstandsstandard.

• Der andere ist der Josephson-Effekt , den man erhält, wenn man zwei Supraleiter zusammenfügt, die durch eine dünne isolierende Barriere (als Josephson-Kontakt bezeichnet) getrennt sind. In seiner AC-Form setzen Sie die Verbindung einer Wechselspannung mit Frequenz aus$\nu$, und beobachten Sie dann, wie viel Gleichstrom in Abhängigkeit von einer zusätzlichen Gleichspannung fließt$V_\mathrm{DC}$; aufgrund quantenmechanischer Effekte, dies$I\text{-}V$Die Kennlinie zeigt eine Reihe von Sprüngen bei Spannungen$V_n=n\nu/K_J$, wo$K_J=2e/h\approx 484\mathrm{\:THz/V}$ist die Josephson-Konstante. Wenn Sie also ein Frequenznormal zum Vergleichen haben, erhalten Sie ein fertiges Spannungsnormal.

Das Ampere wird dann implementiert, indem diese beiden Standards auf naheliegende Weise kombiniert werden: als Strom durch a$1\:\Omega$Widerstand (wie oben kalibriert) bei Belastung durch a$1\:\mathrm V$Spannung (ebenfalls wie oben kalibriert). Da ursprünglich das Ampere als Basiseinheit gewählt wurde, weil dies betrieblich am sinnvollsten war, sollten jetzt nicht Volt und Ohm diesen Platz einnehmen?

(Erschwerend kommt hinzu, dass die vorgeschlagenen Implementierungen bei niedrigen Strömen auch einen Effekt namens Einzelelektronentunneln verwenden , der im Wesentlichen nur zählt, wie viele Elektronen in einer Sekunde durchgekommen sind (obwohl dies anscheinend noch nicht für die primäre Metrologie bereit ist). Also, sollte ist die Grundgröße nicht elektrische Ladung?)

Okay, das war jetzt ein bisschen geredet, aber wirklich: Übersehe ich etwas? Gibt es einen Grund, jenseits der historischen Kontinuität, das Konzept einer Basisgröße/-einheit überhaupt beizubehalten? Wenn wir das Konzept brauchen, warum behalten wir es nicht bei den sieben festen Konstanten? (Mit dem alarmierenden Merkmal natürlich, dass Masse keine Basisdimension mehr wäre – sie würde durch Aktion ersetzt .) Wollen wir sie nur als bequeme Basis für den Vektorraum physikalischer Größen ? Warum brauchen wir überhaupt eine kanonische Basis dafür? Und wenn wir es brauchen, wäre das Coulomb dort nicht ebenso nützlich?