Wszystko, co powinieneś wiedzieć o jednostkach pochodnych układu SI

Pamiętasz artykuł o układach jednostek miary? Zgodnie z naszą obietnicą, wracamy z kolejnym tekstem o podstawach fizyki. W ostatnim wpisie mówiliśmy o wielkościach fizycznych, układach jednostek miar, genezie układu SI oraz podstawowych jednostkach miary. Dzisiaj zgłębimy temat jednostek pochodnych Międzynarodowego Układu Jednostek Miar – i to nie tylko tych powiązanych z elektroniką. Zapraszamy do lektury!

Jednostki pochodne układu SI – używane w elektronice i elektrotechnice

Jednostki pochodne układu SI zostały utworzone poprzez kombinację podstawowych jednostek. W elektronice i elektrotechnice szczególne znaczenie mają:

1. Kulomb (C) – jednostka ładunku elektrycznego (q) – istotny w kontekście ładowania kondensatorów i ustalania pojemności akumulatorów.
2. Wat (W) to jednostka mocy (P), czyli tempa przekazywania energii (1 W = 1 dżul na sekundę). W elektronice moc (w watach) m.in. określa, ile energii zużywa lub oddaje urządzenie — np. ile ciepła generuje procesor.
3. Wolt (V) – jednostka napięcia elektrycznego (U) – fundamentalna jednostka w elektronice, która reguluje m.in. stabilizatory i przetwornice.
4. Om (Ω) – jednostka oporu elektrycznego (R), tzw. rezystancja – zbyt wysoka rezystancja może spowodować przegrzewanie złączy elektronicznych.

Niektórzy mylą rezystancję (opór elektryczny) z rezystywnością (opór właściwy) – to zupełnie różne pojęcia, choć zależne od siebie. Jednostką rezystywności (ρ) jest omometr (Ω⋅m). Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tej wartości fizycznej, zapraszamy do zapoznania się z tekstem blogowym Rezystywność – co to jest i dlaczego jest ważna?

5. Farad (F) – jednostka pojemności (C) – zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego. Kluczowa w układach analogowych przy filtracji sygnałów.
6. Henr (H) – jednostka indukcyjności (L) – wysoka indukcyjność wpływa na cechy obwodów z cewkami (cewki zasilaczy impulsowych, filtry dolnoprzepustowe).
7. Herc (Hz) – jednostka częstotliwości (f) – istotna w technice radiowej i cyfrowej. Definiuje prędkość zmian sygnału.
8. Simens (S) – jednostka przewodności (σ), tzw. konduktywność – przeciwieństwo rezystywności. Pozwala analizować sprawność przewodników.
9. Weber (Wb), czyli woltosekunda (Vs) – jednostka strumienia magnetycznego (Φ) – wraz z teslą związany jest z polem magnetycznym. Wykorzystuje się go, np. przy projektowaniu transformatorów i silników.
10. Tesla (T) – jednostka indukcji magnetycznej (B) – stosowana także przy pomiarach magnesów i elektromagnesów.

Jednostki pochodne układu SI – inne

Inne, równie ważne, jednostki pochodne układu SI, to:

• Metr na sekundę (m/s) – jednostka prędkości (v) – wykorzystywana w analizie przepływu elektronów lub chłodzenia aktywnego.
• Metr na sekundę do kwadratu (m/s²) – jednostka przyspieszenia (a) – używana w czujnikach ruchu i akcelerometrach.
• Metr sześcienny (m³) – jednostka objętości (V) – wykorzystywana podczas wyboru obudów hermetycznych lub materiałów termoizolacyjnych.
• Kilogram na metr sześcienny (kg/m³) – jednostka gęstości (d, ρ) – istotna przy projektowaniu obiektów mechanicznych i cieplnych.
• Niuton (N) – jednostka siły (F).
• Pascal (Pa) – jednostka ciśnienia (p) – wykorzystywana w systemach hermetyzacji lub chłodzenia cieczą.
• Dżul (J) – jednostka energii (E) – powszechnie stosowana przy obliczeniach zasilania.

Jednostki pochodne o nazwach i symbolach specjalnych

Warto wspomnieć również o dwóch mało znanych jednostkach miary – niegdyś klasyfikowanych jako uzupełniające, a obecnie zaliczanych do kategorii jednostek pochodnych o specjalnych nazwach i symbolach. Odpowiadają one konkretnym zjawiskom geometrycznym:

• Radian (rad) – jednostka miary kąta płaskiego.
• Steradian (sr) – jednostka miary kąta bryłowego.

Te jednostki miary stosuje się m.in. w fotometrii, projektowaniu optyki LED czy analizie emisji świetlnej.

Niestandardowe jednostki miary układu SI

Znasz już podstawowy podział jednostek wielkości fizycznych w układzie SI. Da się jeszcze go uszczegółowić. Jednostki miary w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar można podzielić na:

• spójne– jednostki pochodne, których definicje wynoszą dokładnie 1, np. Niuton (N).
• główne– wszystkie jednostki podstawowe i niektóre jednostki pochodne bez przedrostków oraz wynikające wprost z równań definicyjnych (nie są krotnościami).
• wtórne (krotne), wielokrotne i podwielokrotne (ułamkowe) – pomocnicze jednostki miary, odwołujące się do tej samej wielkości fizycznej, co jednostka główna (np. 1 kg). Po prostu wskazują znacznie wyższą wartość. Tworzy się je poprzez dodanie przedrostka do nazwy jednostki głównej. Przykład: kilometr (km), czyli jednostka długości, to tysiąc metrów (m).

Więcej o zasadach stopniowania i nazwach przedrostków możesz dowiedzieć się z danego układu jednostek miar.

Jednostki pozaukładowe

Możemy jeszcze wyróżnić pozaukładowe jednostki miar – takie, których nie zdefiniowano w układzie SI. Są one bardziej intuicyjne i przyjęte powszechnie w danym regionie. Do tej grupy należą:

• jednostki stosowane w praktyce inżynierskiej (np. obrót na sekundę – obr/s),
• jednostki stosowane w handlu, gospodarce, ekonomii (np. sztuka, egzemplarz, opakowanie, skrzynia),
• jednostki walutowe euro, funt, dolar,
• przeliczniki walutowe, w rodzaju zł/euro.

Wiele z pozaukładowych jednostek miar ma wielkość utrwaloną na podstawie wieloletniej praktyki. To niepisane zasady metryczne, które obowiązują w większości krajów na świecie. Przykład: paczka zapałek może mieć od 24 do 60 zapałek (w zależności od wielkości opakowania), a skrzynia zapałek to tysiąc pakunków po dziesięć paczek.

Legalne pozaukładowe jednostki miar

Wśród jednostek pozaukładowych wyróżnić możemy także legalne pozaukładowe jednostki miar – takie, których istnienie uzasadnia się tradycją lub wygodą stosowania.

Dobrym przykładem będzie określenie temperatury. W układzie SI oficjalną jednostką temperatury jest kelwin (K). Nie jest jednak powszechnie stosowany – dopuszcza się także zastosowanie jednostek „stopień Celsjusza” (°C) bądź „stopień Fahrenheita” (°F).

Jakie jednostki pozaukładowe stosujemy w Polsce?

Najpopularniejszymi jednostkami pozaukładowymi w Polsce są:

• stopień Celsjusza (°C),
• kaloria (1 cal = 4,1868 J),
• kilowatogodzina (1 kWh = 3 600 000 J),
• koń mechaniczny (1 KM = 735,49875 W),
• atmosfera (1 at = 98066,5 Pa),
• milimetr słupa rtęci (1 mmHg = 133,3224 Pa),
• bit (1 b) – jednostka miary, która może przyjmować tylko wartość 0 „zero” i 1 „jeden”,
• 1 bajt (1B) – 8 bitów,
• kilobajt (kB), megabajt (mB), gigabajt (gB), terabajt (tB) – jednostki pochodzące od bajtów. 1 kB = 1024 B.

Kaloria, kilowatogodzina, koń mechaniczny, atmosfera i milimetr słupa rtęci funkcjonują w przemyśle, fizyce klasycznej i energetyce, zaś bit, bajt, kilobajt, megabajt, gigabajt czy terabajt są powszechne w informatyce przy obliczaniu pamięci i przepustowości.

Jednostki pozaukładowe w innych krajach – kraje anglojęzyczne

Na tle Międzynarodowego Układu Jednostek Miar zdecydowanie wyróżniają się angielskie (imperialne) jednostki miar:

• 1 stopa (foot) = 12 cali (30,48 cm),
• 1 cal = 1/12 stopy (2,54 cm),
• 1 jard (jard) = 3 stopy (0,9144 m),
• mila angielska = 1,609 km.

Imperialne jednostki miar używane są powszechnie w Wielkiej Brytanii oraz USA.

Podsumowanie

Znajomość jednostek miary i umiejętność ich wykorzystywania w praktyce to podstawa, bez której nie da się świadomie zająć elektroniką i elektrotechniką. Najważniejsza jest znajomość układu SI – niezawodnego, międzynarodowego systemu, który umożliwia komunikowanie i porównywanie wyników pomiarów wśród naukowców i inżynierów z całego świata. Mówią oni tym samym językiem – bez względu na to, czy rozważania dotyczą projektowania układu zasilania, pomiarów oporu elektrycznego czy testowania właściwości cieplnych past termoprzewodzących.