In der Elektronik verwendete Maßeinheiten – woher stammen die Maßeinheiten und was bedeuten sie?

Die Elektronik ist ein Fachgebiet, in dem täglich zahlreiche physikalische Größen und Basiseinheiten verwendet werden. Mithilfe dieser Größen können wir die Funktion von Schaltungen beschreiben, Messungen durchführen und elektronische Geräte entwickeln. Zu den wichtigsten Begriffen gehören unter anderem die elektrische Spannung (U), die elektrische Stromstärke (A), der elektrische Widerstand, die Leistung, die elektrische Kapazität sowie die Induktivität.

Es ist wissenswert, dass die heutigen Maßeinheiten des SI-Systems nicht zufällig entstanden sind. Viele von ihnen tragen die Namen von Wissenschaftlern, die einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Physik und Elektrotechnik geleistet haben. Heutzutage basiert der Großteil aller Messungen auf dem Internationalen Einheitensystem (SI), das die Basiseinheiten und die abgeleiteten Einheiten systematisch ordnet.

Was ist das Internationale Einheitensystem (SI)?

Das SI-System ist das Internationale Einheitensystem (Système International d’Unités), also das weltweit gebräuchliche System von Einheiten zur Messung physikalischer Größen. Es wurde entwickelt, um sicherzustellen, dass Messergebnisse eindeutig sind und weltweit möglichst gut miteinander verglichen werden können.

Die Grundlage des SI-Systems bilden 7 Basiseinheiten:

Auf der Grundlage dieser Einheiten werden abgeleitete Einheiten gebildet, z. B.:

• elektrische Spannung – Volt (V),
• Leistung – Watt (W),
• elektrischer Widerstand – Ohm (Ω),
• elektrische Kapazität – Farad (F).

Das SI-System verwendet auch Vorsätze, die das Schreiben sehr großer und sehr kleiner Werte erleichtern, z. B.:

• Kilo (k) = 1000,
• Mega (M) = 1 000 000,
• Milli (m) = 0,001,
• Mikro (µ) = 0,000001,
• Nano (n) = 0,000000001.

Beispiel:

• 2 km = 2000 m,
• 5 ms = 0,005 s,
• 3 MW = 3 000 000 W.

Das SI-System ist heute der Standard in Wissenschaft, Technik, Medizin und in den meisten Ländern der Welt. Dadurch verwenden alle dieselben Einheiten bei der Durchführung und dem Vergleich von Messungen.

Woher stammen die Namen der in der Elektronik verwendeten Einheiten?

Viele in der Elektronik und Elektrotechnik verwendete Einheiten wurden nach bedeutenden Wissenschaftlern benannt, die einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Elektrizitätslehre, des Magnetismus und der Elektronik geleistet haben.

Ampere (A) – André-Marie Ampère. Französischer Physiker, Mathematiker und einer der Begründer der Elektrodynamik. Er untersuchte die Zusammenhänge zwischen elektrischem Strom und Magnetfeldern.

Volt (V) – Alessandro Volta. Italienischer Physiker und Erfinder der ersten elektrischen Batterie, der sogenannten Voltaschen Säule. Seine Forschungen trugen zur Entwicklung der Elektrotechnik bei.

Ohm (Ω) – Georg Simon Ohm. Deutscher Physiker und Lehrer. Er formulierte das Ohmsche Gesetz, das den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand beschreibt.

Watt (W) – James Watt. Schottischer Erfinder und Maschinenbauingenieur. Er verbesserte die Dampfmaschine und trug damit zur Entwicklung von Industrie und Energietechnik bei.

Farad (F) – Michael Faraday. Englischer Physiker und Chemiker. Er entdeckte das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und schuf die Grundlagen für die Funktionsweise von Transformatoren und Elektromotoren.

Henry (H) – Joseph Henry. Amerikanischer Physiker, der den Elektromagnetismus erforschte. Unabhängig von Faraday entdeckte er das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und entwickelte Elektromagnete weiter.

Hertz (Hz) – Heinrich Hertz. Deutscher Physiker, der als Erster die von James Clerk Maxwell vorhergesagten elektromagnetischen Wellen experimentell nachwies.

Coulomb (C) – Charles-Augustin de Coulomb. Französischer Physiker und Militäringenieur. Er erforschte die Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen und formulierte das Coulombsche Gesetz.

Tesla (T) – Nikola Tesla. Serbisch-amerikanischer Erfinder sowie Elektro- und Maschinenbauingenieur. Er entwickelte zahlreiche Lösungen im Zusammenhang mit Wechselstrom (AC), Elektromotoren und der Energieübertragung.

Basiseinheiten des SI-Systems:

1. Länge:

Einheit: Meter (m).
Definition: Gibt den Abstand zwischen zwei Punkten an und ermöglicht die Beschreibung der Abmessungen eines Objekts.
Beispiel: Ein Kugelschreiber hat eine Länge von 15 cm, also 0,15 m.

2. Masse:

Einheit: Kilogramm (kg).
Definition: Gibt die Menge an Materie in einem Körper an und informiert darüber, wie „schwer“ ein Gegenstand ist.
Beispiel: Eine Schultasche hat eine Masse von 5 kg.

3. Zeit:

Einheit: Sekunde (s).
Definition: Gibt die Dauer eines Vorgangs oder das Zeitintervall zwischen Ereignissen an und ermöglicht die Messung, wie lange etwas dauert.
Beispiel: Ein Lidschlag dauert etwa 0,3 s.

4. Elektrische Stromstärke:

Einheit: Ampere (A).
Definition: Gibt die Menge der elektrischen Ladung an, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt, und beschreibt die Größe des Stromflusses.
Beispiel: Durch einen Leiter fließt ein Strom mit einer Stromstärke von 5 A. Das bedeutet, dass in jeder Sekunde eine Ladung von 5 Coulomb durch ihn fließt.

5. Thermodynamische Temperatur:

Einheit: Kelvin (K).
Definition: Gibt den Erwärmungsgrad eines Körpers an und beschreibt, wie warm oder kalt ein Objekt ist.
Beispiel: Die Raumtemperatur beträgt etwa 293 K (20 °C).

6. Stoffmenge:

Einheit: Mol (mol).
Definition: Gibt die Anzahl der Teilchen (Atome, Moleküle usw.) in einer Substanz an und dient zur Angabe sehr großer Teilchenmengen.
Beispiel: 1 Mol Wasser enthält etwa 6,02 × 10²³ Wassermoleküle.

7. Lichtstärke:

Einheit: Candela (cd).
Definition: Gibt die Intensität des in eine bestimmte Richtung ausgestrahlten Lichts an und beschreibt, wie stark eine Lichtquelle leuchtet.
Beispiel: Eine brennende Kerze hat eine Lichtstärke von etwa 1 Candela (1 cd).

Elektrische Spannung (U) – was ist das?

Elektrische Spannung (U) ist vereinfacht gesagt die Kraft, die den elektrischen Strom zum Fließen in einem Stromkreis „antreibt“. Dies lässt sich mit Wasser in einem Rohr vergleichen:

• Der elektrische Strom entspricht dem Wasser, das durch ein Rohr fließt.
• Die Spannung entspricht dem Druck, der das Wasser durch das Rohr drückt.

Je höher der Druck ist, desto leichter und schneller fließt das Wasser. Genauso gilt in der Elektrotechnik: Je höher die Spannung ist, desto größer ist die Fähigkeit, einen Stromfluss zu erzeugen.

Beispiel aus dem Alltag:
Stell dir einen mit Luft gefüllten Ballon vor. Wenn du ein kleines Loch hineinmachst, beginnt die Luft auszuströmen, weil im Inneren ein höherer Druck herrscht als außerhalb. Mit der elektrischen Spannung ist es ähnlich: Elektronen bewegen sich von einem Ort mit höherem Potenzial zu einem Ort mit niedrigerem Potenzial und erzeugen dadurch einen elektrischen Stromfluss.

Worin wird die Spannung gemessen?

Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt (V).

Beispiele:

• AA-Batterie – 1,5 V,
• USB-Anschluss – 5 V,
• Fahrzeugbatterie – 12 V,
• Steckdose im Haushalt – 230 V.

Warum ist die Spannung wichtig?

Ohne Spannung hätte der Strom keine „Antriebskraft“, um zu fließen. Erst die Spannung ermöglicht den Betrieb elektrischer Geräte wie Telefon, Laptop, Fernseher, Kühlschrank oder Beleuchtung.

Elektrische Spannung – wie wird eine Spannungsmessung durchgeführt?

Die elektrische Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen.

Das Messgerät wird parallel zum zu prüfenden Bauteil oder zur Spannungsquelle angeschlossen. Das Messergebnis wird in Volt (V) angegeben.

Um beispielsweise die Spannung einer AA-Batterie zu überprüfen, werden die Messspitzen des Voltmeters an deren Pole angelegt. Der angezeigte Wert kann etwa 1,5 V betragen.

Wo wird die elektrische Stromstärke (I) verwendet?

Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele elektrische Ladungen innerhalb einer bestimmten Zeit durch einen Leiter fließen. Sie ist eine der grundlegenden Größen zur Beschreibung des elektrischen Stroms. Je größer der Fluss elektrischer Ladungen ist, desto höher ist die Stromstärke.

In der Praxis kann der Stromfluss mit dem Wasserfluss in Rohrleitungen verglichen werden. Je mehr Wasser pro Sekunde durch ein Rohr strömt, desto größer ist die Durchflussmenge. Analog dazu gilt: Je mehr elektrische Ladung sich innerhalb derselben Zeit durch einen Leiter bewegt, desto höher ist die Stromstärke.

Die Einheit der Stromstärke ist das Ampere (A). Es handelt sich um eine der sieben Basiseinheiten des SI-Systems.

Häufig wird die Bezeichnung elektrischer Strom in Ampere verwendet, die sich auf die Messung der Stromstärke in Ampere bezieht. Die Kenntnis dieser Größe ist überall dort erforderlich, wo Stromgrößen, elektrische Stromgrößen und die Parameter elektronischer Geräte analysiert werden.

Wie wird die Stromstärke gemessen?

Die Stromstärke wird mit einem Amperemeter gemessen. Das Messgerät wird in Reihe in den Stromkreis geschaltet, damit der gesamte Strom durch das Messgerät fließt. Das Messergebnis wird in Ampere (A) angegeben.

Beispiel: Beim Laden eines Mobiltelefons kann gemessen werden, dass das Ladegerät einen Strom mit einer Stärke von 2 A liefert.

Worin bestehen der elektrische Widerstand und die Resistenz (R)?

Die Resistenz (elektrischer Widerstand) beschreibt, wie stark ein Bauteil den Stromfluss behindert.

Die Einheit des elektrischen Widerstands ist das Ohm (Ω).

In der Praxis wird die Messung des elektrischen Widerstands mit einem Multimeter durchgeführt, das über eine Ohmmeter-Funktion verfügt. Ein elektrischer Widerstand lässt sich mit einer Rohrverengung vergleichen: Durch ein breites Rohr kann Wasser leicht fließen, während ein enges Rohr den Durchfluss erschwert.

Wovon hängt die Resistenz ab?

Der Wert des elektrischen Widerstands hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

• der Art des Materials (z. B. leitet Kupfer besser als Kunststoff),
• der Länge des Leiters,
• dem Querschnitt des Leiters,
• der Temperatur.

Die Resistenz ermöglicht die Steuerung des Stromflusses in elektrischen Schaltungen. Mithilfe des Widerstands können Geräte vor Beschädigungen geschützt und die Funktion verschiedener elektronischer Bauteile wie LEDs, Sensoren und integrierte Schaltungen geregelt werden.

Elektrische Leistung (P) und ihre Arten

Die Leistung beschreibt die Geschwindigkeit, mit der elektrische Energie verbraucht oder übertragen wird. Je höher die Leistung eines Geräts ist, desto mehr Energie verbraucht es im gleichen Zeitraum. Beispielsweise verbraucht eine Glühlampe mit einer Leistung von 60 W in derselben Zeit doppelt so viel Energie wie ein Modell mit 30 W.

In Wechselstromkreisen wird unterschieden zwischen:

• Wirkleistung (führt Arbeit aus) – Sie verrichtet nutzbare Arbeit und wird in andere Energieformen umgewandelt, z. B. in Licht, Wärme oder Bewegung.
• Blindleistung (unterstützt den Betrieb von Geräten) – Sie verrichtet keine nutzbare Arbeit, ist jedoch für den Betrieb bestimmter elektrischer Geräte wie Motoren, Transformatoren oder Spulen erforderlich. Vereinfacht gesagt „pendelt“ sie zwischen der Quelle und dem Verbraucher.
• Scheinleistung (Summe beider Leistungsarten) – Die gesamte aus dem Stromnetz bezogene Leistung. Sie setzt sich aus Wirkleistung und Blindleistung zusammen. Sie zeigt an, wie stark das elektrische Netz belastet wird.

Was ist elektrische Kapazität?

Die elektrische Kapazität beschreibt die Fähigkeit eines Kondensators, Energie zu speichern und elektrische Ladung zu sammeln. In elektronischen Schaltungen werden Kondensatoren unter anderem zur Spannungsfilterung und zur Stabilisierung des Betriebs von Schaltungen eingesetzt. Die Einheit der Kapazität ist das Farad (F).

Kondensatoren werden verwendet in:

• Computernetzteilen,
• Ladegeräten für Mobiltelefone,
• Blitzgeräten von Fotoapparaten,
• elektronischen Schaltungen von Fernsehern und Computern.

Je größer die Kapazität eines Kondensators ist, desto mehr Energie kann er speichern und desto wirksamer kann er die Spannung stabilisieren sowie Störungen im elektrischen Stromkreis reduzieren.

Induktivität und Magnetismus – wie funktionieren sie?

Spulen speichern Energie in einem Magnetfeld. Ihr wichtigster Parameter ist die Induktivität. Die Einheit der Induktivität ist das Henry (H), benannt nach Joseph Henry.

Im Allgemeinen werden zwei Begriffe unterschieden:

• Eigeninduktivität – Die Spule wirkt auf sich selbst ein und wirkt Änderungen ihres eigenen Stroms entgegen.
• Gegeninduktivität – Eine Spule wirkt auf eine andere Spule ein und induziert in dieser eine Spannung.

Die Erscheinungen der Eigeninduktivität und der Gegeninduktivität stehen in direktem Zusammenhang mit dem magnetischen Fluss und dem Magnetfeld. Der magnetische Fluss beschreibt, welche „Menge“ des Magnetfeldes eine bestimmte Fläche durchdringt, beispielsweise die Windungen einer Spule. Zur Beschreibung der magnetischen Flussdichte wird die Einheit Tesla (T) verwendet.

Frequenz (f) – was ist das?

Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz).

Die Frequenz gibt an, wie oft sich ein bestimmter Vorgang innerhalb einer Sekunde wiederholt. Beispielsweise hat der Strom in Haushaltssteckdosen in Polen eine Frequenz von 50 Hz, was bedeutet, dass der Strom seine Richtung 50-mal pro Sekunde ändert.

Elektrische Ladung – wofür wird sie verwendet?

Die elektrische Ladung beschreibt die Menge an Ladung, die in einem Stromkreis gespeichert ist oder sich durch ihn bewegt. Die geordnete Bewegung elektrischer Ladungen führt zur Entstehung von elektrischem Strom. Die gesamte elektrische Ladungsmenge wird in Coulomb angegeben. Das Coulomb (C) ist die offizielle Einheit der elektrischen Ladung.

Die elektrische Ladung spielt eine Schlüsselrolle bei:

• dem Betrieb von Batterien und Akkumulatoren,
• der Übertragung elektrischer Energie,
• der Elektronik und Computertechnik,
• Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Ladung,
• elektrostatischen Phänomenen, wie beispielsweise Blitzen.

Zusammenfassung

Miary und Einheiten, die in der Elektronik verwendet werden, ermöglichen die präzise Beschreibung des Verhaltens elektrischer Schaltungen sowie die korrekte Durchführung von Messungen. Die meisten von ihnen basieren auf dem Internationalen Einheitensystem (SI), das einen gemeinsamen, in der Wissenschaft verwendeten Standard darstellt.

In der Elektronik sind insbesondere folgende Größen von Bedeutung: elektrische Spannung (V), Stromstärke (A), Widerstand (Ω), Leistung (W), Kapazität (F), Induktivität (H), Frequenz (Hz) sowie elektrische Ladung (C). Gerade durch diese Größen werden die Entwicklung, Inbetriebnahme und Diagnose elektronischer Geräte ermöglicht – von einfachen Schaltungen bis hin zu komplexen Computer- und Energiesystemen.

Die Kenntnis der grundlegenden Maßeinheiten und ihrer Bedeutung erleichtert das Verständnis der Funktionsweise elektrischer Geräte, die korrekte Interpretation von Messergebnissen sowie den sicheren Umgang mit elektronischen Schaltungen. Sie stellt das grundlegende Wissen für alle dar, die sich für Elektronik interessieren – sowohl im Hobbybereich als auch beruflich.