Pikoampere

Ein Pikoampere ist ein Billionstel Ampere, oder 10−12 A. In diesem Bereich misst man den schwachen Elektronenstrom, der durch Materialien entweicht, die den Stromfluss eigentlich vollständig sperren sollen, oder die minimale Ladung, die über einen Oberflächenfilm aus Staub und Feuchte fließt. In der praktischen Messtechnik liegt das Pikoampere an der Grenze zwischen theoretischer Physik und realen industriellen Messaufgaben, wo Rauschen und Drift schwerer zu beherrschen sind als das Messsignal selbst.

Die Hauptanwendung ist die Prüfung der Isolationsfestigkeit in Hochspannungsgeräten. Ein Stromkabel, eine Transformatormuffe oder ein Kondensator, der bei normalen Spannungen elektrisch in Ordnung aussieht, wird Pikoampere über seine Dielektrikumoberflächen und durch sein Volumen verlieren. Techniker legen eine Prüfspannung (oft mehrere hundert oder tausend Volt) über die verdächtige Isolierung an und messen den entstehenden Strom. Ein intaktes Kabel kann über seinen Widerstand in eine Richtung Milliampere durchlassen, verliert aber nur Nanoampere oder Pikoampere über seine Oberfläche. Wenn dieser Leckstrom dort steigt, wo er früher bei Femtoamperen lag, deutet das auf Alterung oder Feuchteaufnahme hin.

Messungen im Pikoampere-Bereich erfordern Geräte mit sehr hoher Eingangsimpedanz und extrem niedrigem Biasstrom. Elektrometerklasse-Voltmeter und Pikoamperemeter nutzen elektrostatische Abschirmung, bewachte Eingänge und oft Kühlung der Eingangsstufe, um thermisches Rauschen zu senken. Messleitungen müssen verlustarme Koaxialkabel sein. Die Messdauer beträgt typischerweise Sekunden bis Minuten pro Messpunkt, da Ladungsaufbau und dielektrische Absorption langsam ablaufen. Temperaturstabilität ist wichtig; eine Temperaturdifferenz von 1 Grad Celsius kann die Messwerte in diesem Bereich um 10 Prozent oder mehr verschieben.

Varianten und benachbarte Größenordnungen

Das Femtoampere (10−15 A) ist nur unter Laborbedingungen mit spezialisierter Ausrüstung messbar; das Nanoampere (10−9 A) ist in Feld- und Bankarbeit Routine. Das Mikroampere (10−6 A) markiert die Schwelle, ab der die meisten gewöhnlichen Multimeter zuverlässig funktionieren. Das Pikoampere liegt in der Lücke, wo industrielle Prüfung sowohl notwendig als auch schwierig ist: häufig genug, um in Hochspannungs-Isolierungsarbeiten vorzukommen, selten genug, dass Standard-Messgeräte es ohne Aufwand nicht erfassen können.

Der Begriff stammt direkt vom SI-Präfix piko, vom spanischen Wort pico, das Spitze oder Schnabel bedeutet und für 10−12 verwendet wird. Es kam in den 1960er Jahren in technische Verwendung, als Halbleiter- und Hochimpedanz-Schaltungsprüfung Routine wurden. Heute erscheint es in Normen für die Isolationswiderstandsprüfung von Kabeln, Transformatoren und Energiegeräten, wo Schwellenwerte oft im niedrigen Nanoampere- bis Pikoampere-Bereich als Bestanden/Nicht-Bestanden-Grenzwert festgelegt sind.