Maßeinheiten in der Elektronik: Was ist das SI-System?

Maßeinheiten sind das Alphabet der Wissenschaftssprache – und die Elektronik spricht es mit außergewöhnlicher Präzision. Ohne ein grundlegendes Verständnis von Konzepten wie Ampere, Blindleistung, Scheinleistung, Wirkleistung, Henry, Ohm, Volt, Siemens oder Coulomb ist es schwierig, elektronische Komponenten gezielt zu entwerfen, zu reparieren, zu verbessern, zu testen oder zu verwenden.

Interessierst du dich für Elektronik, aber dir fehlen die physikalischen Grundlagen? Perfekt – genau dafür haben wir einen praktischen Leitfaden zu den wichtigsten physikalischen Größen, elektrischen Maßeinheiten und deren Bedeutung in der Elektronik zusammengestellt. Viel Spaß beim Lesen!

Physikalische Größen und elektrische Maßeinheiten – Physikalische Grundlagen als Basis der Elektronik

Die Physik basiert auf bestimmten Gesetzen, Prinzipien, Konzepten und physikalischen Größen, die miteinander verbunden sind und ein kohärentes System zur Beschreibung der Realität bilden. Die Beschreibung der Gesetzmäßigkeiten von Elektrizität und Elektronik ist unmöglich, ohne zuvor die entsprechenden physikalischen Größen und ihre Maßeinheiten zu definieren.

Was sind physikalische Größen?

Eine physikalische Größe ist eine Eigenschaft eines physikalischen Phänomens oder eine messbare Eigenschaft eines physikalischen Objekts. Sie ermöglicht die mathematische Modellierung von Phänomenen und die Bestimmung von Parameterwerten, die nicht immer direkt messbar sind.

Eine Zusammenstellung von zusammenhängenden Größen und ihren zugehörigen Einheiten bildet ein System physikalischer Größen, in dem wir unterscheiden zwischen:

• Grundgrößen (unabhängig definiert).
• Abgeleitete Größen (auf Basis der Grundgrößen definiert).

Ein Beispiel für eine Grundgröße ist der elektrische Strom.

Physikalische Größen in der Elektronik

Welche physikalischen Größen werden in der Elektronik und Elektrotechnik verwendet? Hier sind die wichtigsten:

• Elektrische Spannung (U) – die Differenz elektrischer Potentiale zwischen zwei Punkten. Sie bestimmt den Fluss des elektrischen Stroms.
• Elektrische Stromstärke (I) – die Menge an elektrischer Ladung, die innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit durch einen Leiter fließt.
• Elektrischer Widerstand (R) – der Widerstand, den ein Material dem elektrischen Strom entgegensetzt. Dadurch funktioniert beispielsweise die Helligkeitsregelung von Dimmern. Wenn sich zwischen zwei verschmutzten Oberflächen Widerstand bildet, wird der Stromfluss eingeschränkt – zur Reinigung verschmutzter elektronischer Komponenten eignet sich ein Reinigungsmittel wie Kontakt IPA Plus.
• Geschwindigkeit eines Körpers – das Tempo der Positionsänderung eines Körpers innerhalb einer bestimmten Zeit. In der Elektronik ist dies beispielsweise bei der Signalübertragung.

Weitere wichtige physikalische Größen:

• Temperatur – ein entscheidender Parameter bei der Entwicklung von Systemen, die anfällig für Überhitzung sind. Für industrielle und Wartungsanwendungen sind Wärmeleitpasten und Wärmeleitkleber (ThermoLeitfähigkeit).
• Masse und Gewicht – Grundlegende mechanische Parameter physikalischer Objekte.
• Kraft – die Wirkung mechanischer, elektrischer oder magnetischer Wechselwirkungen.

Mit diesen Grundlagen bist du bestens vorbereitet, um die physikalischen Zusammenhänge in der Elektronik zu verstehen und gezielt anzuwenden!

Maßeinheiten – Was sind sie?

Physikalische Größen sind messbar, sodass ihnen numerische Werte zugewiesen werden können. Diese Werte müssen relativ zu einer akzeptierten Maßeinheit ausgedrückt werden – einer definierten Größe einer bestimmten physikalischen Größe, die als Referenzstandard dient. Eine Maßeinheit ist daher ein festgelegter Zahlenwert, der gleich 1 (Eins) ist.

Ein Satz von akzeptierten Einheiten bildet ein Einheitensystem. In Polen verwenden wir Das Internationales Einheitensystem – SI (frz. Système international d’unités).

Einheitensysteme – Historischer Überblick

Das SI-System (Internationales Einheitensystem) ist ein einheitliches, internationales Messsystem, das Wissenschaftlern weltweit eine freie Kommunikation und den Vergleich von Forschungsergebnissen ermöglicht. Es bildet die Grundlage der modernen Wissenschaft und Technik.

Das SI-System ist das erste universell akzeptierte System, wurde jedoch nicht offiziell in drei Ländern übernommen: Myanmar, Liberia und den Vereinigten Staaten. Historisch gesehen war das SI-System nicht das erste Messsystem – zuvor wurden verschiedene Systeme verwendet, darunter:

• CGS (Zentimeter-Gramm-Sekunde) – definiert 1874, besonders beliebt bei theoretischen Physikern. Es spielte eine wichtige Rolle bei der Standardisierung von Maßeinheiten. Obwohl das CGS-System heute größtenteils veraltet ist, werden einige seiner abgeleiteten Einheiten (z.B. Gauss oder Barye) in bestimmten Bereichen weiterhin verwendet.
• MKS (Meter-Kilogramm-Sekunde) – 1889 eingeführt, weit verbreitet in der Ingenieurwissenschaft und klassischen Physik. Anfang des Jahrhunderts wurde es als Internationales System anerkannt.
• MKSA (Meter-Kilogramm-Sekunde-Ampere) – der Vorgänger des SI-Systems.
• MTS (Meter-Tonne-Sekunde) – die am wenigsten verbreitete Variante.

Bevor sich internationale Einheitensysteme etablierten, definierte jedes Land seine Maßeinheiten selbstständig.

Das SI-System – Ursprung und Bedeutung

Das Internationale Einheitensystem (SI) wurde 1960 offiziell verabschiedet und ist in Polen seit 1966 gültig. Die Bemühungen zur Standardisierung begannen jedoch bereits 1948.

Eine bahnbrechende Aktualisierung wurde im Jahr 2019 vorgenommen, als einige grundlegende Einheiten auf Basis physikalischer Konstanten (z. B. Planck-Konstante, Elementarladung) neu definiert wurden. Dadurch wurden die Definitionen von Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol von physischen Referenzobjekten und Experimenten unabhängig – sie basieren nun auf universellen physikalischen Konstanten.

Das SI-System – Charakteristik

Im Internationalen Einheitensystem (SI) werden zwei Hauptgruppen von Einheiten unterschieden, die ein kohärentes, hierarchisches System bilden:

• Basiseinheiten – Unabhängig definiert, entweder durch Experimente oder physikalische Konstanten. Ein Beispiel ist der Meter, der als die Strecke definiert wird, die Licht im Vakuum in 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt.
• Abgeleitete Einheiten – Sie beziehen sich auf die Basiseinheiten und werden durch mathematische Gleichungen: z.B ist der Newton (N) – die Einheit der Kraft – die auf dem Produkt von Kilogramm und Meter pro Quadratsekunde basiert (1 N = 1 kg × 1 m/s²). Schließlich sind kg, m und s selbst Basiseinheiten.

Falls du eine komplette Liste der SI-Basiseinheiten und abgeleiteten Einheiten, ihre historische Herkunft, die Notationsweise oder spannende Fakten zur Metrologie entdecken möchtest, empfiehlt sich ein Blick in das offizielle Dokument des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM). Basierend darauf wurde auch der Artikel „Compendium of Main Rules and Practices Applicable to the BIPM“ veröffentlicht, der vom Hauptamt für Messwesen, Polens offizieller Metrologie-Institution, bereitgestellt wird.

SI-Basiseinheiten – Definitionen der grundlegenden Einheiten

Das Internationale Einheitensystem (SI) konzentriert sich auf sieben grundlegende Maße, die den Ausgangspunkt für das gesamte SI-System bilden. Alle anderen Einheiten können aus ihnen abgeleitet werden. Die sieben SI-Basiseinheiten sind:

1. Meter (m) – Einheit der Länge (l) – unverzichtbar für das Design von Leiterplatten (PCB).
2. Kilogramm (kg) – Einheit der Masse (m) – dient als Grundlage für die Berechnung der Kräfte auf mechanische Komponenten.
3. Sekunde (s) – Einheit der Zeit (t) – entscheidend für die Synchronisation von Signalen und digitalen Schaltungen.
4. Ampere (A) – die Grundeinheit der elektrischen Stromstärke (I) – beschreibt die Menge an elektrischer Ladung, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt.
5. Kelvin (K) – die SI-Einheit der Temperatur, hauptsächlich verwendet in der Naturwissenschaft zur Messung der absoluten (thermodynamischen) Temperatur.
6. Candela (cd) – Einheit der Lichtstärke – eingesetzt in der Lichttechnik und bei der Kalibrierung von optischer Sensoren.
7. Mol (mol) – Einheit der Stoffmenge (n) – wichtig für chemische Analysen, beispielsweise bei der Elektronischer Herstellungsprozess oder Isolationsmaterialien.

Die zweite große Kategorie innerhalb des SI-Systems besteht aus abgeleiteten Einheiten, die durch Kombination von Basiseinheiten und algebraische Formeln entstehen. Bleib gespannt – wir werden sie bald genauer betrachten! Unsere Serie zu physikalischen Grundlagen wird fortgesetzt, daher laden wir dich ein, unseren Blog zu verfolgen, wo wir unser Fachwissen teilen.

Fazit

Jeder Elektroniker und Elektrotechniker sollte mit Maßeinheiten vertraut sein und sie praktisch anwenden können. Egal, ob du deine Karriere in der Elektrotechnik gerade erst beginnst oder bereits über umfangreiche Erfahrung verfügst – denke daran: Elektronik ist nicht nur das praktische Arbeiten mit Schaltkreisen, sondern auch das Verständnis mathematischer Gleichungen, die ihre Grundlagen bilden.