Das Erbe der Elektrotechnik: Diese Collage vereint die Pioniere der Elektrizität. Ihre Gemeinsamkeit – nach ihnen wurden SI-Einheiten benannt. (Bild: Gemeinfrei)
SI-Einheiten, oder das Système International d'Unités, sind das weltweit anerkannte System von Maßeinheiten, das in Wissenschaft, Technik und Handel verwendet wird. Es wurde entwickelt, um eine einheitliche und präzise Grundlage für alle physikalischen Messungen zu schaffen, unabhängig von Land, Kultur oder wissenschaftlicher Disziplin. Die SI-Einheiten basieren auf sieben Basiseinheiten, aus denen durch mathematische Kombinationen eine Vielzahl von abgeleiteten Einheiten entsteht, die für spezifischere Messungen verwendet werden.
Geschichte und Bedeutung des SI-Systems
Das SI-System wurde erstmals 1960 von der internationalen Einheitensystem-Konferenz ins Leben gerufen, um die verschiedenen Maßeinheitensysteme zu vereinheitlichen, die bis dahin verwendet wurden. Das System ist auf präzisen und international standardisierten Definitionen aufgebaut und ermöglicht dadurch vergleichbare Messungen weltweit. Es ist flexibel und wird kontinuierlich weiterentwickelt, um den wachsenden Anforderungen der Wissenschaft und Technik gerecht zu werden.
Das SI-System deckt eine Vielzahl physikalischer Größen ab, darunter Länge, Masse, Zeit, elektrische Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke. Jede dieser Größen hat eine spezifische Basiseinheit, die durch fundamentale Naturkonstanten definiert ist. Diese präzisen Definitionen ermöglichen exakte Messungen und eine weltweite Vergleichbarkeit.
Was sind SI-Einheiten?
SI-Einheiten (Système International d'Unités) sind die international anerkannten Standardmaßeinheiten für physikalische Größen. Sie wurden entwickelt, um ein einheitliches und präzises Messsystem zu schaffen, das weltweit in Wissenschaft, Technik und Handel verwendet wird. Das SI-System basiert auf sieben Basiseinheiten, die die Grundlage für alle anderen abgeleiteten Einheiten bilden.
Hier sind die sieben Basiseinheiten des SI-Systems:
- Meter (m): Einheit der Länge
- Kilogramm (kg): Einheit der Masse
- Sekunde (s): Einheit der Zeit
- Ampere (A): Einheit der elektrischen Stromstärke
- Kelvin (K): Einheit der thermodynamischen Temperatur
- Mol (mol): Einheit der Stoffmenge
- Candela (cd): Einheit der Lichtstärke
Zusätzlich zu diesen Basiseinheiten gibt es abgeleitete Einheiten, die durch Kombination der Basiseinheiten entstehen, wie zum Beispiel Newton (N) für Kraft oder Joule (J) für Energie. Die Verwendung von SI-Einheiten gewährleistet eine konsistente und präzise Kommunikation in allen wissenschaftlichen und technischen Bereichen.
Was sind die sieben Basiseinheiten des SI-Systems?
Die SI-Basiseinheiten sind die fundamentalen Einheiten des Systems. Sie sind nicht durch andere Einheiten ableitbar und dienen als Grundlage für alle abgeleiteten Einheiten. Hier sind die sieben Basiseinheiten und ihre modernen Definitionen:
1. Meter (m) – Einheit der Länge
Der Meter ist die Basiseinheit der Länge. Ursprünglich wurde der Meter als der zehnmillionste Teil der Entfernung vom Nordpol zum Äquator definiert. Heute basiert die Definition auf der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: Ein Meter ist die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt. Diese Definition ist extrem präzise und hängt direkt von einer Naturkonstanten ab – der Lichtgeschwindigkeit.
Beispiele für die Verwendung:
- Vermessung von Entfernungen (in der Geodäsie oder Astronomie)
- Bauwesen und Architektur
- Größenmessungen in der Nanotechnologie
2. Kilogramm (kg) – Einheit der Masse
Das Kilogramm ist die Basiseinheit der Masse. Früher war es durch einen physischen Standard definiert – ein Platin-Iridium-Zylinder, der in Paris aufbewahrt wurde. Im Jahr 2019 wurde das Kilogramm jedoch neu definiert und basiert nun auf der Planck-Konstanten. Diese Definition verknüpft die Masse mit einer fundamentalen Naturkonstanten, was eine noch genauere und stabilere Grundlage bietet.
Beispiele für die Verwendung:
- Messungen von Materialien und Rohstoffen
- Wiegen von Lebensmitteln und Produkten in Handel und Industrie
- Physikalische Berechnungen (z. B. Gravitationskraft)
3. Sekunde (s) – Einheit der Zeit
Die Sekunde ist die Basiseinheit der Zeit. Ursprünglich wurde sie als ein Bruchteil eines mittleren Sonnentages definiert. Heute wird sie durch die Schwingungen von Cäsium-Atomen definiert: Eine Sekunde ist die Zeit, die für 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung benötigt wird, die von einem Cäsium-133-Atom beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus ausgesendet wird.
Beispiele für die Verwendung:
- Zeitmessung in Uhren und GPS-Systemen
- Physikalische Berechnungen, die Zeit involvieren (z. B. Geschwindigkeit, Beschleunigung)
- Atomuhren und Hochpräzisionszeitmessung
4. Ampere (A) – Einheit der elektrischen Stromstärke
Das Ampere ist die Basiseinheit für die elektrische Stromstärke. Ein Ampere entspricht dem Fluss von 1 Coulomb Ladung pro Sekunde durch einen Leiter. Seit 2019 ist die Definition des Ampere auf der Elementarladung eines Elektrons (1,602176634 × 10⁻¹⁹ Coulomb) basiert.
Beispiele für die Verwendung:
- Elektrische Schaltkreise und Stromnetze
- Messungen in der Elektrotechnik und Elektronik
- Stromverbrauch in Geräten (z. B. Ampere von Haushaltsgeräten)
5. Kelvin (K) – Einheit der Temperatur
Der Kelvin ist die Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur und misst die absolute Temperatur. Ein Kelvin ist definiert als der Bruchteil 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser (der Punkt, an dem Wasser gleichzeitig als Feststoff, Flüssigkeit und Gas existiert).
Beispiele für die Verwendung:
- Temperaturmessungen in der Physik und Chemie
- Klimaforschung und Wettervorhersage
- Materialwissenschaften (z. B. Messung von Phasenübergängen)
6. Mol (mol) – Einheit der Stoffmenge
Das Mol ist die Basiseinheit für die Stoffmenge. Ein Mol entspricht der Menge eines Stoffes, die genauso viele Teilchen enthält wie in 12 Gramm Kohlenstoff-12 enthalten sind. Diese Anzahl wird durch die Avogadro-Konstante definiert (6,02214076 × 10²³ Teilchen pro Mol).
Beispiele für die Verwendung:
- Chemische Reaktionen und Stöchiometrie
- Berechnungen in der Biochemie (z. B. Konzentrationen in Lösungen)
- Gasmessungen und -berechnungen (z. B. ideales Gasgesetz)
7. Candela (cd) – Einheit der Lichtstärke
Die Candela ist die Basiseinheit der Lichtstärke und beschreibt die Helligkeit einer Lichtquelle in eine bestimmte Richtung. Eine Candela entspricht der Lichtstärke einer Quelle, die monochromatisches Licht mit einer Frequenz von 540 × 10¹² Hertz und einer Strahlungsleistung von 1/683 Watt pro Steradiant aussendet.
Beispiele für die Verwendung:
- Helligkeit von Lichtquellen wie Glühlampen und LEDs
- Messungen in der Beleuchtungstechnik
- Fotometrie und Lichtdesign
Abgeleitete SI-Einheiten
Zusätzlich zu den Basiseinheiten gibt es viele abgeleitete Einheiten, die durch Kombination der Basiseinheiten entstehen. Beispiele hierfür sind:
- Newton (N) für Kraft (1 N = 1 kg·m/s²)
- Joule (J) für Energie (1 J = 1 N·m)
- Pascal (Pa) für Druck (1 Pa = 1 N/m²)
Diese abgeleiteten Einheiten erleichtern die Beschreibung und Messung von komplexeren physikalischen Größen, wie zum Beispiel Kraft, Energie, Druck und elektrische Leistung.
Ganz einfach erklärt: Woher kommen unsere SI-Einheiten?
Wie wird der Name einer SI-Einheit bestimmt?
Die Benennung von SI-Einheiten erfolgt nach klaren Regeln und Richtlinien, die von der Internationalen Organisation für das gesetzliche Messwesen (OIML) und dem Internationalen Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) festgelegt wurden. Diese Organisationen überwachen und aktualisieren das Internationale Einheitensystem (SI), um sicherzustellen, dass es den neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen entspricht.
Wichtige Punkte zur Benennung von SI-Einheiten:
1. Einheiten, die nach Wissenschaftlern benannt sind
Viele SI-Einheiten tragen die Namen von bedeutenden Wissenschaftlern, um deren Beiträge zur Wissenschaft und Technik zu würdigen. Beispiele dafür sind:
- Newton (N) für Kraft, benannt nach Isaac Newton.
- Joule (J) für Energie, benannt nach James Prescott Joule.
- Watt (W) für Leistung, benannt nach James Watt.
- Ampere (A) für elektrische Stromstärke, benannt nach André-Marie Ampère.
Die Benennung erfolgt in der Regel posthum, um die Lebensleistung dieser Personen zu ehren. Solche Namen werden nur dann vorgeschlagen, wenn die wissenschaftlichen Arbeiten des jeweiligen Wissenschaftlers einen bedeutenden und langfristigen Einfluss auf das Verständnis und die Entwicklung der betreffenden physikalischen Größe hatten.
2. Schreibweise und Abkürzungen
Klein- und Großschreibung: Die Namen von Einheiten selbst (im ausgeschriebenen Zustand) werden immer kleingeschrieben, z. B. "newton" oder "watt". Allerdings werden die Abkürzungen von Einheiten, die nach Personen benannt sind, immer mit einem Großbuchstaben geschrieben, wie "N" für Newton oder "A" für Ampere.
Beispiele:
- Ausschreibung: "watt", "newton", "ampere"
- Abkürzung: "W", "N", "A"
Einheiten, die nicht nach Personen benannt sind, werden sowohl in der ausgeschriebenen Form als auch in der Abkürzung kleingeschrieben (z. B. "meter" und "m" für Meter).
3. Systematischer Bezug zu Basiseinheiten
SI-Einheiten werden oft als Kombination von Basiseinheiten definiert, um spezifische physikalische Größen darzustellen. Beispielsweise ist die Einheit Newton für Kraft eine Kombination aus Kilogramm, Meter und Sekunde:
1 Newton (N) = 1 kg·m/s²
Die Namen und Definitionen solcher abgeleiteten Einheiten sind präzise festgelegt, um klare Beziehungen zwischen den Basiseinheiten darzustellen.
4. Neue Einheiten und wissenschaftliche Entwicklungen
Manchmal entstehen neue Einheiten aufgrund wissenschaftlicher Fortschritte oder aufgrund von Änderungen in den Definitionen bestehender Einheiten. Dies ist selten, aber wenn neue Erkenntnisse dazu führen, dass eine Einheit anders definiert werden muss, wird diese Änderung durch die CIPM und das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) vorgeschlagen, genehmigt und implementiert. Ein Beispiel dafür ist die Neudefinition des Kilogramms im Jahr 2019, das nun auf der Planck-Konstanten basiert und nicht mehr auf einem physischen Prototyp.
5. Einheitensymbole und Regeln
Es gibt strenge Regeln für die Verwendung von Einheitensymbolen:
- Sie dürfen nicht in Pluralform geschrieben werden (z. B. "5 m" und nicht "5 ms").
- Sie dürfen nicht durch Punkte oder Abkürzungen modifiziert werden (z. B. "kg" und nicht "k.g.").
SI-Einheit als Ehrung
Eher versteckt ist dagegen das Thema SI-Einheiten. Diese finden sich auf Datenblättern, auf Produkten oder (wenn Sie schon auf all-electronics unterwegs sind) in Fachbeiträgen. Manche der Einheiten davon sind je nach Berufsgruppe mehr ins Blut übergegangen als das ABC, andere sind vielleicht vom Hörensagen bekannt oder Sie haben noch nie davon gehört. Viele der SI-Einheiten sind dabei nach berühmteren Wissenschaftlern (vor allem Physiker) benannt, die auf diesem Themengebiet immens zum Fortschritt beigetragen haben. Wir stellen an dieser Stelle die Forscher und "ihre" SI-Einheiten vor. Dabei gibt es auch Überschneidungen zur ChatGPT-Liste.
Befragt man ChatGPT (was Kurioses hervorbringen kann) nach den "einflussreichsten oder bekanntesten Elektroingenieure in der Geschichte oder der Gegenwart", gibt er/sie/es einem diese Liste aus:
Top 10 Einflussreichste Elektrotechniker
- Nikola Tesla: Serbisch-amerikanischer Ingenieur und Physiker, bekannt für seine Pionierarbeit im Bereich Wechselstrom, Elektromagnetismus und drahtlose Kommunikation.
- Thomas Edison: Amerikanischer Erfinder und Geschäftsmann, der entscheidende Entwicklungen in den Bereichen Elektrizität, Audio- und Videoaufzeichnung vorangetrieben hat.
- Michael Faraday: Englischer Wissenschaftler, der die Grundlagen für das Verständnis von Elektromagnetismus und Elektrochemie legte.
- James Clerk Maxwell: Schottischer Physiker, dessen Gleichungen den Elektromagnetismus beschreiben und eine der Grundlagen der modernen Elektrotechnik bilden.
- Guglielmo Marconi: Italienischer Erfinder, der die drahtlose Telegrafie entwickelte und als einer der Väter des Radios gilt.
- Alexander Graham Bell: Schottisch-kanadisch-amerikanischer Wissenschaftler, Erfinder und Unternehmer, der das Telefon erfand und maßgeblich an der Entwicklung der Telekommunikation beteiligt war.
- Heinrich Hertz: Deutscher Physiker, der die Existenz elektromagnetischer Wellen nachwies und somit den Weg für die drahtlose Kommunikation ebnete.
- Jack Kilby: Amerikanischer Elektroingenieur, der den integrierten Schaltkreis erfand und damit die Basis für die moderne Elektronik legte.
- Claude Shannon: Amerikanischer Mathematiker und Elektroingenieur, der als "Vater der digitalen Kommunikation und Informationstheorie" gilt.
- John Bardeen: Amerikanischer Physiker und Elektroingenieur, der als einziger Mensch zweimal den Nobelpreis für Physik erhielt, unter anderem für die Erfindung des Transistors
Einigen dieser Namen begegnen wir ganz offensichtlich heute auf der Straße oder als Forschungseinrichtungen. Noch mehr beeinflussen uns natürlich die Erfindungen, die mit diesen Namen in Verbindung stehen. Was wäre die heutige Welt beispielsweise ohne den Transistor, wobei hier der Vollständigkeit halber neben Bardeen auch William Shockley und Walter Brattain genannt werden müssen.
Ehrenvolle Erwähnung: Marie Curie und ihre physikalische Einheit
Sowohl in der Liste von ChatGPT als auch in der Bildergalerie fällt eine Sache auf: es ist nicht eine einzige Frau darunter. Das ist kein böser Wille, sondern der Tatsache geschuldet, dass Frauen in der Wissenschaft früherer Tage leider keine so große Rolle gespielt haben beziehungsweise sie keine spielen durften. Doch zum Glück gibt es Ausnahmen. Die wohl berühmteste ist Marie Curie, nach der auch eine Einheit (wenn auch keine SI-Einheit) benannt wurde. "Ihr" Curie [Ci] steht für die Aktivität einer radioaktiven Substanz, wobei ihr diese Ehre zusammen mit ihrem Mann Pierre Curie zuteil wurde.
Zudem war ihr Beitrag zur Wissenschaft so groß, dass sie zwei Nobelpreise in unterschiedlichen Kategorien erhielt: Physik (1903, gemeinsam mit Pierre Curie und Becquerel) und Chemie (1911). Neben Linus Pauling (1954 Chemie, 1963 Frieden) ist Marie Curie die einzige Person, die Nobelpreise in zwei unterschiedlichen Disziplinen erhalten hat.
Neben Marie Curie gibt es mit Maria Goeppert-Mayer (1906–1972) nur noch eine Frau, die ihren Namen in einer physikalischen Einheit verewigen konnte. Das Goeppert-Mayer [GM] der deutsch-amerikanischen Physikerin beschreibt den Zwei-Photonen-Wirkungsquerschnitt eines Materials.
Sonderfall Elektrizität: Wer hats entdeckt?
Es ist schwierig, eine einzige Person als „Entdecker“ der Elektrizität zu bestimmen, da die Entwicklung des Verständnisses über Elektrizität ein langer und vielschichtiger Prozess war. Verschiedene Forscher und Denker haben über Jahrhunderte hinweg entscheidende Beiträge geleistet. Einige davon gelten als bahnbrechend, aber keine einzelne Person kann als alleiniger Entdecker bezeichnet werden.
Wichtige Meilensteine, die von verschiedenen Personen erreicht wurden, sind:
- Thales von Milet erkannte die ersten Phänomene der statischen Elektrizität, ohne jedoch das Konzept von Elektrizität zu verstehen.
- William Gilbert führte den Begriff der Elektrizität ein und war der erste, der das Phänomen systematisch untersuchte.
- Benjamin Franklin bewies, dass Blitze eine Form von Elektrizität sind und legte den Grundstein für das Verständnis elektrischer Ladungen.
- Alessandro Volta schuf die erste Batterie, was die praktische Anwendung elektrischer Energie ermöglichte.
- Michael Faraday entdeckte die elektromagnetische Induktion, eine wesentliche Grundlage für die Nutzung von Elektrizität in Maschinen.
- Thomas Edison und Nikola Tesla trugen entscheidend zur Entwicklung des modernen Stromnetzes bei. Edison setzte auf Gleichstrom (DC), während Tesla Wechselstrom (AC) bevorzugte, das heute weltweit verwendet wird.
Jede dieser Personen hat zu einem entscheidenden Aspekt des Verständnisses der Elektrizität beigetragen, aber keine von ihnen kann allein für die „Entdeckung“ verantwortlich gemacht werden. Stattdessen war es eine kontinuierliche Entwicklung, die von der Antike bis ins 19. Jahrhundert reichte.
Welche bekannten Physiker gibt es sonst noch?
Auf einen Blick: Elektroingenieure und ihre SI-Einheiten
| Maßeinheit | Symbol | Gebrauch für | Personenname | Lebenszeit | Einheit ausgedrückt in Basiseinheiten | Einheit ausgedrückt in einer anderen SI-Einheit |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Joule | J | Energie | James Prescott Joule | 1818–1889 | J=(kg*m2)/s2 | J = N*m | J = W*s |
| Ampere | A | Elektrische Stromstärke | André-Marie Ampère | 1775–1836 | A = C/s | A = V/Ω |
| Coulomb | C | Elektrische Ladung | Charles Augustin de Coulomb | 1736–1806 | C = A*s | |
| Farad | F | Elektrische Kapazität | Michael Faraday | 1791–1867 | F = kg−1 m−2 s4 A2 | F = C/V |
| Henry | H | Induktivität | Joseph Henry | 1797–1878 | H = kg m2 s−2 A−2 | Wb/A |
| Hertz | Hz | Frequenz | Heinrich Hertz | 1857–1894 | Hz = 1/s | - |
| Ohm | Ω | Elektrischer Widerstand | Georg Simon Ohm | 1787–1845 | Ω = kg m2 s−3 A−2 | V/A |
| Siemens | S | Elektrischer Leitwert | Werner von Siemens | 1816–1892 | S = kg−1 m−2 s3 A2 | A/V |
| Tesla | T | Magnetische Flussdichte | Nikola Tesla | 1856–1943 | T = kg s−2 A−1 | T = Wb/m² |
| Volt | V | Elektrische Spannung | Alessandro Volta | 1745–1827 | V = kg m² s−3 A−1 | V = J/C |
| Watt | W | Leistung | James Watt | 1736–1819 | W = kg m² s-3 | W = J/s |