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Die Einheiten der Elektrizitätslehre

H. C. Ørsteds berühmtester Beitrag zur Geschichte ist die Entdeckung des Elektromagnetismus, und dieser Beitrag ist 2020 nun bereits 200 Jahre her. Ganz kurz zusammengefasst handelt es sich beim Elektromagnetismus um den Zusammenhang zwischen Magnetismus und elektrischem Strom. Wir wissen, dass es sowohl bei Strom als auch beim Magnetimus Elektronen gibt, die sich bewegen. Wenn diese in Bewegung begriffen sind, wirken sich der elektrische Strom und der Magnetismus aufeinander aus, und diese gegenseitige Auswirkung ist genau das, was man als Elektromagnetismus bezeichnet. In unserem alltäglichen Leben finden wir den Elektromagnetismus unter anderem in Geräten, die mit Induktion arbeiten und bei denen die Elektrizität über ein Magnetfeld geschaffen wird. So etwas gibt es beispielsweise bei Windmühlen oder einem Induktionsherd. Ein wichtiger Aspekt für H. C. Ørsteds Arbeit zum Elektromagnetismus und ganz allgemein für die gesamte Elektrizitätslehre ist die Verwendung von Einheiten. Werfen wir doch einmal einen genaueren Blick auf dieses Thema.

Einheiten

Wenn man über naturwissenschaftliche Begriffe wie die Elektrizitätslehre spricht, sind die Einheiten ein ganz wichtiger Faktor. Sie benennen den Wert einer physikalischen Größe. Das wiederum ist für unseren Alltag und die Arbeit mit der naturwissenschaftlichen Welt von enormer Bedeutung. Viele physikalische Größen können mit verschiedenen Einheiten wiedergegeben werden. Um die Sache übersichtlicher zu gestalten, stützt man sich deshalb auf ein internationales System: das SI-System, das an den meisten Orten dieser Erde zum Einsatz kommt. In Dänemark nutzt man das SI-System seit dem Jahr 1976.

Wie stark ein elektrischer Strom auf ein Magnetfeld einwirkt, ist davon abhängig, wie groß die Stromstärke (I) des Stromes ist. Um diesen Wert zu beziffern, greifen wir auf die Einheit „Ampere“ zurück, die nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère benannt ist. Ampere wird folgendermaßen definiert: Ein Ampere ist der konstante Strom, der zwischen zwei Leitern eine Kraft von 2 10-7 Newton pro Meter generiert. Dabei geht es um zwei unendlich lange, gerade, parallel verlaufende Leiter mit rundem Querschnitt, die in einem Abstand von einem Meter im Vakuum liegen.

Definition von Ampere

So verrät uns die Stromstärke, wie viele Elektronen pro Sekunde durch eine Leitung laufen. Ein Ampere entspricht 6,2415 1018 e/s.

Die Einheit für die Stromstärke gehört zu den grundlegenden SI-Einheiten, während viele andere Einheiten des Stromkreises voneinander abhängig sind.

Die Ladung, die Spannung und der Widerstand sind allesamt Begriffe, die in der Elektrizitätslehre zum Einsatz kommen und die vom Ampere abhängig sind. Aber auch wenn sie als Einheiten definiert sind, die sich unter anderem aus dem Ampere-Wert zusammensetzen, ist ihnen doch jeweils auch eine eigene Benennung zugewiesen worden. Die elektrische Ladung wird mit der Einheit „Coulomb“ angegeben. Wenn ein Stoff eine elektrische Ladung hat, kann er auf das elektromagnetische Feld einwirken, und wenn eine Ladung von einem Coulomb vorhanden ist, entspricht das der Ladung, die ein Strom mit einer Stromstärke von einem Ampere im Laufe einer Sekunde liefert. Das bedeutet, dass die elektrische Ladung von der Stromstärke und der Zeit abhängig ist. Beide Größen werden als SI-Einheit geführt, und so wird unsere Einheit folgendermaßen geschrieben: A s. Statt aber jedes Mal wieder auf diese Schreibweise zurückzugreifen, hat man sich dazu entschlossen A s als Coulomb (C) zu bezeichnen und dies als Einheit für die elektrische Ladung zu verwenden. Der Name bezieht sich übrigens auf den französischen Physiker Charles Augustin Coulomb. Wenn der Strom eine Ladung bewegt, entsteht Energie. Diese Energie wird als Spannung (U) bezeichnet und gibt an, wie viel Energie pro Ladung produziert wird. Die Ladung wird, wie bereits erwähnt, mit C bezeichnet, und die Energie kennen wir als Joule, was als Kraft mal Meter definiert ist: N ⋅ m. Unsere Einheit entspricht also J/C. „Joule pro Coulomb“ wird dabei als „Volt“ bezeichnet, benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta. Der elektrische Widerstand (R) beziffert die Energie, die an die Entstehung von Wärme verloren geht, wenn man Strom durch eine Leitung schickt. Dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm zu Ehren wird dies mit einer Einheit bezeichnet, die man „Ohm“ nennt: Ω. Sie entspricht der Spannung pro Stromstärke, also V/A, ound es gilt der Zusammenhang U = R ⋅ I – der auch als Ohm’sches Gesetz bekannt ist.

Warum so viele Einheiten?

Wie du siehst, hat man eine ganze Menge an Einheiten eingeführt, die theoretisch nicht notwendig wären, denn es gäbe ja jeweils auch die Möglichkeit, die verschiedenen physikalischen Begriffe in SI-Einheiten wiederzugeben, statt die aus SI-Einheiten abgeleiteten Einheiten zu verwenden. Wenn man das jedoch täte, würde das einige sehr lange Einheiten nach sich ziehen, und es würde wahrscheinlicher werden, dass man bei seinen physikalischen Berechnungen Fehler macht. Die folgende Tabelle zeigt dir auf anschauliche Weise, wie die Einheiten aussehen würden, wenn man nur diejenigen nutzen würde, die man als grundlegende SI-Einheiten betrachten kann. Man kann die Einheiten als Ausdrücke für Zusammenhänge verstehen. Ein gutes Beispiel hierfür ist der Widerstand, bei dem man anhand des Ohm’schen Gesetzes gut erkennen kann, dass die Einheit Ohm ein Ausdruck für den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke ist. Es ist wichtig, zu verstehen, woher die verschiedenen Einheiten kommen und was sie ausdrücken. Wenn man innerhalb der Elektrizitätslehre Berechnungen anstellt, arbeitet man in der Regel mit Konstanten und Variablen, die alle unterschiedliche Einheiten haben, und man kann nicht immer sicher sein, dass ein bekannter Zusammenhang wie das Ohm’sche Gesetz gegeben ist. Deshalb ist es wichtig, dass man erkennen kann, auf welchen grundlegenden SI-Einheiten sie beruhen, damit klar ist, zu welcher Einheit das Ergebnis letzten Endes führt.

Zusammenhang der Einheiten

Verschiedene Einheiten, die das Gleiche bezeichnen

Die Elektrizitätslehre ist nur ein Beispiel für die vielen Stellen, an denen in der naturwissenschaftlichen Welt bestimmte Einheiten verwendet werden, obwohl es auch andere gibt, die das Gleiche beschreiben könnten. Celsius, Kelvin und Fahrenheit sind ein anderes Beispiel für Einheitengruppen, die dieselbe physikalische Eigenschaft wiedergeben. Welche Gruppe man wählt, kann davon abhängig sein, wo auf der Welt man lebt. So verwendet man beispielsweise in den USA Fahrenheit und Meilen, um Temperaturen und Strecken zu benennen, während dafür in Europa hauptsächlich Celsius und Kilometer zum Einsatz kommen. In anderen Fällen beruht die Wahl der Gruppe darauf, dass die Einheiten einen Zusammenhang beschreiben, bei dem viele der abgeleiteten SI-Einheiten zum Einsatz kommen.

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