Siemens
Ein Ozeanograf lässt eine Sonde über Bord und misst nicht das Salz, sondern den Strom. Zwischen den Elektroden der Sonde fließt Wechselstrom, und aus seiner Stärke ermittelt das Gerät, wie viel Salz im Wasser ist. Meerwasser leitet den Strom millionenfach besser als Reinstwasser aus einer Laboranlage. Seit 1978 bestimmt man den Salzgehalt des Ozeans genau so.
Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstands. Der Widerstand zeigt, wie stark ein Leiter den Strom behindert, der Leitwert, wie leicht der Strom durch ihn fließt. Ein Siemens ist der Leitwert, bei dem eine Spannung von 1 V einen Strom von 1 A treibt. Lord Kelvin schlug vor, diese Einheit „Mho“ zu nennen: das Wort „Ohm“, rückwärts gelesen.
| Zeichen | S |
| Definition | Ampere je Volt · A/V · Ω⁻¹ · kg⁻¹·m⁻²·s³·A² |
| Bezugswerte | Leitwertquantum 2e²/h — 77,480 917 µS · KCl-Lösung 0,01 mol/L — 1413 µS/cm bei 25 °C · 1 S = 1 ℧ |
| Eingeführt | Mho, ℧ — seit 1883 · Siemens im SI seit 1971, XIV. Generalkonferenz |
| Normen | ISO 80000-6 · ISO 7888 · IEC 60746-3 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische Werte | 5,5 µS/m — Reinstwasser · 5,3 S/m — Meerwasser · 60 MS/m — Kupfer |
01 · Definition
Ein Ampere für jedes Volt
Der Leitwert G ist gleich dem Strom, der bei einer Spannung von einem Volt durch einen Leiter fließt. Er ist der Kehrwert des Widerstands: Ein Leiter mit 1 kΩ hat 1 mS, ein Leiter mit 1 Ω hat 1 S. In Siemens rechnet man bequem dort, wo der Strom mehrere Wege zugleich nimmt. Die Leitwerte paralleler Zweige addieren sich einfach.
Im Metall tragen Elektronen den Strom, im Wasser die Ionen gelöster Salze. Reines Wasser leitet kaum, doch jede Prise Salz bringt neue Ionen hinzu. Deshalb schließt man aus dem Leitwert des Wassers darauf, wie viel Salz es enthält. Dafür nimmt man die Leitfähigkeit: den Leitwert eines Würfels des Stoffes, bezogen auf seine Länge und Fläche.
Warum man bei Parallelschaltung Siemens addiert und nicht Ohm
Eine Batterie mit 10 V speist vier parallel geschaltete Widerstände. Jeder Zweig lässt sich ein- und ausschalten. Die roten Punkte sind der Strom im Zweig: Sie laufen umso schneller, je größer sein Leitwert ist. Der Strom jedes Zweigs ist sein Leitwert mal 10 V, und die Ströme addieren sich. Deshalb addieren sich auch die Leitwerte, während man den Gesamtwiderstand über Brüche berechnet.
Ein Wassermessgerät misst den Leitwert zwischen zwei Elektroden, zeigt aber die Leitfähigkeit an. Dazu teilt es die Siemens durch die Zellkonstante — das Verhältnis des Elektrodenabstands zur Elektrodenfläche. In einer Zelle mit Elektroden von 1 cm² im Abstand von 1 cm stimmen die Zahlen überein, nur die Einheiten unterscheiden sich: µS und µS/cm. Rückt man die Elektroden doppelt so weit auseinander, halbiert sich der Leitwert, die Leitfähigkeit bleibt gleich.
Warum Salz den Strom leitet und Zucker nicht
Links steht ein Leitfähigkeitsmessgerät, sein Sensor taucht in ein Glas mit 200 mL. Zwischen zwei Platinelektroden legt das Gerät eine Wechselspannung an und misst den Strom. Rote Punkte sind Ionen von Natrium und anderen Metallen, blaue sind Chloridionen und Säurerestionen. Jedes Mal, wenn die Spannung das Vorzeichen wechselt, kehren die Ionen zur anderen Elektrode um. Mit dem Löffel oben lässt sich Salz oder Zucker zugeben. Die Heizplatte unter dem Glas erwärmt oder kühlt das Wasser. Die Lupe rechts zeigt, dass ein Ion eine Hülle aus Wassermolekülen mit sich zieht. Die Wechselspannung ist in der Szene tausendfach verlangsamt.
Wählen Sie ein Wasser und geben Sie Salz hinzu.
02 · Umrechnung
| Einheit | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
Das Mho, ℧, ist genau gleich einem Siemens. In der amerikanischen Fachliteratur begegnet man ihm bis heute.
Für Wasser schreibt man µS/cm. 1 µS/cm = 0,1 mS/m = 100 µS/m — das ist ein und dieselbe Leitfähigkeit.
TDS-Messgeräte zeigen den TDS-Wert in mg/L. Das ist keine Messung, sondern eine Umrechnung: Die Leitfähigkeit wird mit 0,5—0,7 multipliziert.
03 · Größenordnungen
04 · Messgeräte
05 · Schreibregeln
06 · Benachbarte Einheiten
07 · Historischer Teil
Seit 1978 bestimmt man den Salzgehalt des Ozeans nach der Skala PSS-78. Sie beruht auf dem Verhältnis zweier Leitfähigkeiten: der Probe und einer Kaliumchloridlösung mit 32,4356 g je Kilogramm Wasser, bei 15 °C. Ist das Verhältnis gleich eins, beträgt der Salzgehalt 35. Zur Prüfung von Salinometern verschickt man weltweit zugeschmolzene Ampullen mit Standard-Meerwasser. Auf jeder Charge ist ihr Verhältnis K₁₅ angegeben.
Gewöhnliche Leitfähigkeitsmessgeräte prüft man mit KCl-Lösungen. Eine Lösung mit 0,01 mol/L ergibt 1413 µS/cm bei 25 °C. Die Leitfähigkeit von Wasser steigt um etwa 2 % je Grad. Deshalb rechnet das Gerät die Anzeige auf 25 °C um, und im Protokoll stehen beide Werte: Messwert und Temperatur.
Größenkatalog
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Ein Tropfen Säure ändert die Farbe des Safts, Salz färbt die Flamme, Wasser gefriert durch ein Klopfen. Darunter alle Simetrium-Blätter, nach Fachgebieten und alphabetisch.
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