Widerstand
Darstellung der Einheiten des elektrischen Widerstandes
Aktueller Stand der Technik zur Darstellung der Widerstandseinheit ist der Quanten-Halleffekt. Der nur von fundamentalen Naturkonstanten abhängige Widerstandswert wird auf Normalwiderstände bei Raumtemperatur übertragen. Von diesen Normalwiderständen ausgehend wird die gesamte Widerstandsskala durch Vergleichsmessungen abgeleitet. Seit kurzem steht ein derartiges Normal auch dem BEV zur Verfügung. In Zukunft soll dieses Normal die Rückführung der elektrischen Widerstandsmessung mittels Kalibrierung von Normalwiderständen am BIPM ablösen.
Normalwiderstände
Bei einem 1 Ω – Normalwiderstand wird ein ausgesuchter Manganindraht als Widerstandselement mechanisch spannungsfrei und bifilar auf einen Bronzezylinder aufgebracht. Dieser Bronzezylinder wird in einem Gehäuse hermetisch verschlossen.
Die Basis der Widerstandsdarstellung im Bereich zwischen 1 Ω bis 10 kΩ wird im BEV wird durch einen Satz von Normalwiderständen gebildet. Von diesem Normalwiderstand werden mit einer hochgenauen Messbrücke alle weiteren Normalwiderstände höheren und niedrigeren Widerstandswertes abgeleitet.
Quantenhalleffekt
Die Darstellung der elektrischen Widerstandseinheit Ohm durch den Quantenhalleffekt ist in vielen Metrologieinstituten mittlerweile aktueller Stand der Technik.
Der Quantenhalleffekt tritt in einem zweidimensionalen Elektronengas hoher Beweglichkeit in der Gegenwart eines starken äußeren Magnetfeldes bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auf. Zweidimensionale Elektronensysteme für metrologische Anwendungen können in MOS-Feldeffekttransistoren oder in GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen realisiert werden. Wird an einer solchen Struktur die Hallspannung als Funktion der magnetischen Flussdichte gemessen, so beobachtet man bei bestimmten Werten des Magnetfeldes Plateaus in der Hallspannung. Diesen Plateaus konstanter Hallspannung entspricht ein Hallwiderstandswert RH von
wobei h die Planck-Konstante, e die elektrische Elementarladung und i eine ganze Zahl ist. Der Ausdruck h/e2 wird als Klitzingkonstante RK bezeichnet. Die Klitzingkonstante kann seit der 26. Conférence Générale des Poids et Mesures im Jahr 2018 durch die exakt festgelegten Werte der Elementarladung e und der Planck-Konstante h abgeleitet werden.
Der nichtdekadische Wert des Quantenhallwiderstandes erfordert den Einsatz spezieller Methoden, um Normalwiderstände mit dekadischen Werten zu kalibrieren. Für Vergleiche höchster Genauigkeit wird am BEV eine spezielle Raumtemperaturmessbrücke verwendet, die den nichtdekadischen Widerstandswert des Quantenhallwiderstandes auf Normalwiderstände überträgt.