Die physikalischen Einheiten Von Christian Maaß

Inhaltsangabe: S.3 Wozu braucht man einheitliche Bezeichnungen? S.4 Das SI-System S.5 Die sieben Basiseinheiten S.6 Die Abhängigkeit der Einheiten S.7 Die Vorsilben S.8 Die Längeneinheit S.10 Die Einheit der Masse S.11 Bild des Kilogrammprototyps S.12 Die Einheit der Zeit S.13 Die Einheit der Stromstärke S.14 Skizze zur Definition eines Ampere S.15 Die anderen drei Einheiten S.16 Warum sind die Definitionen so kompliziert?

Wozu braucht man einheitliche Bezeichnungen? In den Naturwissenschaften geht es hauptsächlich darum, etwas zu messen, das Ergebnis mit anderen zu vergleichen und Regelmäßigkeiten herauszufinden. Um Messergebnisse vergleichen zu können sind allerdings drei wesentliche Dinge gefordert: Man muss festlegen, was man unter dem Wert 1 versteht (Maßeinheit) Es müssen die gleichen Maßstäbe benutzt werden (Maßgleichheit) Man muss definieren, was man unter dem Vielfachen versteht (Maßvielfachheit)

Das SI-System Damit das Vergleichen von Messungen möglich ist, hat man sich 1960 auf das SI-System (Système International d‘Unités) geeinigt. Das SI-System, das auch das MKSA-System genannt wird, besteht aus 7 Basiseinheiten aus den Bereichen der Mechanik (m,kg,s) , des Elektromagnetismus (A), der Wärmelehre (K), der Photometrie (cd) und der Chemie (mol). Da es sich bei dem SI-System um ein sogenanntes kohärentes (=zusammenhängendes) System handelt, kann man alle anderen Größen durch die Basisgrößen ausdrücken. Allerdings haben einige Einheiten ihren eigenen Namen erhalten, der zur Vereinfachung dient (z.B. Newton, Volt). Das heißt, dass man keine Umrechnungsfaktoren benötigt, sondern dass man alle anderen Größen durch multiplizieren oder dividieren der Basiseinheiten ermitteln kann. Da bei diesem System aber einige Einheiten zu groß oder zu klein für den normalen Gebrauch sind, hat man ein System von Vorsilben entwickelt.

Die sieben Basiseinheiten: - Meter (m) als Einheit der Länge (s) Kilogramm (kg) als Einheit der Masse (m) Sekunde (s) als Einheit der Zeit (t) Ampere (A) als Einheit der Stromstärke (I) Kelvin (K) als Einheit der Temperatur (T) Mol (mol) als Einheit der atomaren Stoffmenge (m) Candela (cd) als Einheit der Lichtstärke (I)

Die Abhängigkeit der Einheiten

Die Vorsilben Die Vorsilben dienen dazu, die einzelnen Werte der Messungen möglichst brauchbar auszugeben. Dabei gilt, dass man grundsätzlich immer nur eine Vorsilbe vor eine Einheit setzen kann. Da Kilogramm bereits eine Vorsilbe enthält, hängt man die Vorsilbe ausnahmsweise vor Gramm. Ansonsten wird die Vorsilbe aber immer vor die Grundeinheit gesetzt. Gebräuchliche Einheiten mit Vorsilben sind beispielsweise: pF, MW, mm usw. 1018 Exa (E) 1015 Peta (P) 1012 Tera (T) 109 Giga (G) 106 Mega (M) 103 Kilo (K) 10-1 Dezi (d) 10-2 Zenti (c) 10-3 Milli (m) 10-6 Mikro (µ) 10-9 Nano (n) 10-12 Piko (p) 10-15 Femto (f) 10-18 Atto (a)

Die Längeneinheit Bereits im Altertum gab es Einheiten zum Messen der Länge. Es wurden hauptsächlich Körpermaße wie die Elle und der Fuß verwendet. Im Jahr 1101 führte Heinrich I. von England die Einheiten Yard und Inch ein, die noch bis heute in England gelten. Eduard II. von England fügte das Zoll hinzu. 1793 entwickelte dann Ludwig XVI. von Frankreich zum ersten Mal ein Naturmaß anstelle von einem Körpermaß. Die neue Einheit nannte er Meter und definierte sie als zehnmillionsten Teil des Erdmeridianquadranten. Dies wird auch als Geburtsstunde des Meters bezeichnet. Weil die Erde aber keine Kugel ist, wurde der Meter später als die Strecke zwischen 2 Strichen auf einem Platium-Iridium-Stab definiert. Dieser Stab wurde der Urmeter genannt. Da diese Festlegung im Laufe der Zeit zu ungenau wurde, vereinbarte man 1960 auf der 11. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht, dass ein Meter das 1 650 763,53-Fache der ausgestrahlten Wellenlänge eines Krypton-86-Atoms ist. Auf diese Art hatte man Abweichungen, die um den Faktor Hundert kleiner waren als vorher. 1983 wurde die Definition erneut geändert. Ein Meter ist jetzt der Weg, den das Licht im Vakuum in 1/300 000 000 Sekunden zurücklegt. Wie misst man sowas. Geräte zum Messen.

Andere Längeneinheiten: 1 Seemeile = 1852m 1 Yard = 0,9144 m 1 Fuß = 1/3 Yard 1 Inch = 25,4 mm

Die Einheit der Masse Bis zum 18. Jahrhundert hatte noch jede Reichsstadt seine eigene Maßeinheit für die Masse, bis man dann alle Einheiten durch das Kilogramm ersetzt hat. Das Kilogramm wurde als Wassermasse mit dem Volumen 1,0 Kubikdezimeter bzw. 1 Liter festgelegt. 1889 wurde die Einheit der Masse auf der 1. Generalkonferenz für Maß und Gewicht wie folgt festgelegt: Die Masse eines Kilogramms ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. Bei dem Prototyp handelt um einen Zylinder mit einer Höhe von 39 mm und einem Durchmesser von ebenfalls 39 mm. Er besteht zu 90% aus Platin und zu 10% aus Iridium. Seine Dichte beträgt ca. 21500 kg/m³. Dieser Prototyp sollte gleich der Masse von einem Liter Wasser sein, bis man feststellte, dass der Prototyp 0,028 g zu schwer geworden ist. Trotz dieses Fehlers gilt der Zylinder als Grundeinheit der Masse. Aufbewahrt wird er in dem Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM).

Bild des Kilogrammprototyps

Die Einheit der Zeit Bei der Grundeinheit der Zeit handelt es sich um die Sekunde. Früher wurde sie als 1/86400 des mittleren Sonnentages definiert. Als Sonnentag bezeichnet man die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meridiandurchgänge. Als man jedoch merkte, dass die Erdrotation nicht konstant ist, legte man die Sekunde als 1/31556925,9747 eines Jahres fest. Diese Zeit wird die Ephemeridenzeit genannt. Da diese Methode immer noch zu viele Messunsicherheiten hervorrief, wurde die Sekunde im Jahre 1964 erneut definiert: Sie ist jetzt gleich dem 9 192 631 770fachen der Periodendauer der Strahlung, die bei dem Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturen des Grundzustands des Cäsium-Atoms entsteht. Durch diese Variante, die die Atomzeit genannt wird, sind die Messungenauigkeiten stark eingeschränkt worden. Es treten Ungenauigkeiten bis zu 10-11 s auf.

Die Einheit der Stromstärke Die Stromstärke wird in dem sogenannten Ampere gemessen. Sie wurde nach einem Wissenschaftler mit selben Namen, der führend auf dem Gebiet des Elektromagnetismus war, benannt. André Marie Ampère entdeckte nämlich in einem Experiment, dass stromdurchflossene, gerade Leiter unter bestimmten Bedingungen Kräfte aufeinander ausüben. Nach seinen Erkenntnissen wird das Ampere als der konstante Strom definiert, der zwischen 2 parallelen unendlichen langen Leitern, die sich in einem Abstand von 1 Meter im Vakuum befinden, die Kraft von 2* 10-7 Newton pro Meter hervorruft. Der Leiterquerschnitt ist hierbei zu vernachlässigen. Diese Definition gilt erst seit 1954. Vorher galt das sogenannte internationale Ampere, das als Fluss von einem Coulomb in einer Sekunde festgelegt war. (1 internationales Ampere= 0.99985 Ampere) Mit oder ohne Akzent, Heutiges Ampere gleich absolutem Ampere Elektromagnetismus von Ampere erfunden.

Skizze zur Definition eines Ampere

Die anderen 3 Einheiten Neben den 4 Einheiten für die Länge, Masse, Zeit und Stromstärke, gibt es noch 3 weitere Grundeinheiten für die Temperatur, die Stoffmenge und die Lichtstärke. -Die Temperatur wird durch Kelvin ausgedrückt. 0 K entspricht dabei dem absoluten Nullpunkt. Die bei uns eher gebräuchliche Maßeinheit für die Temperatur, das Celsius, beginnt erst bei dem Tripelpunkt von Wasser, welcher den Wert von 273,16 K hat. D.h. 0°C =273,16 K . -Die Einheit für die Stoffmenge ist das Mol. Ein Mol ist als die Stoffmenge eines Systems festgelegt, das genauso viele Einzelteilchen hat, wie Atome in 0,012 kg C-12 enthalten sind. Diese Zahl (Avogadrosche Zahl) hat einen Wert von ca. 6,022*1023. -Die Candela ist die Einheit der Lichtstärke. Ein Candela entspricht 1/60 des Lichts das von 1 cm² eines Schwarzen Körpers bei der Temperatur von erstarrendem Platin senkrecht zu seiner Oberfläche abgestrahlt wird.

Warum sind die Definitionen so kompliziert? Bei den Gründen für die komplizierten Definitionen der Basiseinheiten handelt es sich darum, dass die Physiker übereingekommen sind, die Basisgrößen möglichst nicht durch willkürliche Festsetzungen zu bestimmen, sondern durch Vorgänge in der Natur. Damit die Einheiten den gleichen Wert behalten wie bei der ursprünglichen Definition, sind solche merkwürdigen Definitionen zustande gekommen. Ein weiterer Vorteil bei dieser Art der Definition ist, dass jetzt theoretisch jeder mit den nötigen physikalischen Fähigkeit und Mitteln in der Lage ist, die Grundgrößen herzustellen. Bei dem Kilogramm ist es och nicht möglich gewesen.

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