Simens
Pochodna jednostka SI · wielkość: konduktancja elektryczna
01 · Definicja
Jeden siemens to konduktancja odcinka o rezystancji jednego oma. Nowej fizyki w tej jednostce nie ma, jest wygoda zapisu: konduktancje równoległe po prostu się dodają, podczas gdy rezystancje trzeba liczyć przez odwrotności. Dlatego mówi się w siemensach tam, gdzie wszystko jest połączone równolegle — w elektrochemii o roztworach, w fizjologii o błonach, w elektronice o transkonduktancji tranzystora.
Właśnie to usprawiedliwia istnienie jednostki. Przy połączeniu równoległym rezystancje trzeba łączyć przez odwrotności, a konduktancje po prostu się sumują, jak prądy w węźle; obliczenie złożonej sieci w siemensach sprowadza się do dodawania. Drugim polem są roztwory. Przewodność wody jest proporcjonalna do ilości rozpuszczonych soli, a cała uzdatnianie wody, od akwarium po elektrownię jądrową, mierzy ją w mikrosiemensach na centymetr. W czystej wodzie przewodność wyznacza jej własna dysocjacja i leży na poziomie pięciu setnych mikrosiemensa na centymetr — granicy, poniżej której nie schodzi żadna destylacja.
Trzy rezystory po trzy omy połączone równolegle dają jeden om — ale dojść do tego przez rezystancje znaczy dodać trzy ułamki i odwrócić wynik. W siemensach to samo liczy się w pamięci: jedna trzecia plus jedna trzecia plus jedna trzecia to jeden. Na tym opiera się metoda potencjałów węzłowych, w której niewiadomymi są potencjały węzłów, a współczynnikami konduktancje gałęzi: macierz wychodzi symetryczna i rozwiązuje się numerycznie bez żadnych ułamków. Obliczenia sieci energetycznych prowadzi się właśnie w siemensach, a na omy przelicza dopiero ostateczną odpowiedź.
02 · Przeliczanie
Wpisz konduktancję — karta odwróci ją w rezystancję
Związek z omem jest odwrotny, dlatego tablica dzieli jednostkę przez wartość. Mho i „om odwrotny” to te same siemensy pod dawnymi nazwami, obecne w podręcznikach do lat siedemdziesiątych.
Konduktometr mierzy nie przewodność roztworu, lecz konduktancję własnego naczyńka, dlatego w karcie czujnika podana jest stała naczyńka: stosunek odległości elektrod do ich powierzchni. Mnożąc zmierzone siemensy przez tę stałą w centymetrach odwrotnych, otrzymuje się mikrosiemensy na centymetr. Dla czystej wody bierze się naczyńka o małej stałej, dla wody morskiej o dużej, inaczej przyrząd wychodzi poza zakres.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| S | siemens, jednostka SI | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
| mS | milisiemens | 1000 | oswojony odcinek w elektrochemii |
| µS | mikrosiemens | 1000000 | na centymetr — robocza zapis laboratoriów |
| nS | nanosiemens | 10⁹ | tu konduktancja już przeszkadza, zamiast służyć |
| kS | kilosiemens | 0,001 | rezystancja schodzi w mikroomy |
| Ω | om, rezystancja | 1 | wielkość odwrotna, a nie inna jednostka |
| kΩ | kiloom | 0,001 | cztery cyfry po przecinku — to już mikrosiemensy |
| ℧ | mho, om od tyłu | 1 | to samo pod dawną nazwą |
| abS | absiemens, CGS-EM | 10⁻⁹ | miliard siemensów w jednej jednostce |
| statS | siemens układu CGS-ES | 8,988·10¹¹ | trochę więcej niż pikosiemens |
| jedn. Siem. | jednostka Siemensa 1860 | 0,9536 | słup rtęci długości metra |
| 2e²/h | kwant konduktancji | 12906 | od 2019 roku liczba dokładna |
| S | simens | 1 | jednostka wyjściowa tej karty |
Związek z omem jest odwrotny, dlatego tablica dzieli jednostkę przez wartość: konduktancje równoległe się sumują, rezystancje nie
03 · Rzędy wielkości
od izolatora do nadprzewodnikaJeden siemens: odcinek o rezystancji jednego oma
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się konduktancję
Przepuszcza przez roztwór prąd przemienny i liczy konduktancję z prawa Ohma. Prąd stały się nie nadaje: rozkłada wodę i pokrywa elektrody produktami elektrolizy, dlatego zasilanie jest zawsze przemienne, zwykle na kiloherc.
Roztwór przechodzi przez dwa toroidy: pierwszy wzbudza w cieczy prąd pierścieniowy, drugi go wyłapuje. Elektrody w ogóle nie dotykają ośrodka, dlatego czujnik pracuje w kwasach, ługach i zanieczyszczonych ściekach, gdzie zwykłe płytki uległyby zniszczeniu w miesiąc.
Od 1978 roku zasolenie oceanu wyznacza się nie analizą chemiczną, lecz pomiarem przewodności wraz z temperaturą i ciśnieniem. Praktyczna skala zasolenia zdefiniowana jest przez stosunek przewodności próbki do przewodności wzorcowego roztworu chlorku potasu i dlatego jest bezwymiarowa.
Konduktancja mostka o grubości jednego atomu zmienia się nie płynnie, lecz stopniami będącymi wielokrotnościami kwantu 77,48 mikrosiemensa. Wartość zależy wyłącznie od stałej Plancka i ładunku elektronu, a sam efekt obserwuje się, rozciągając złotą nitkę aż do zerwania.
05 · Zasady zapisu
Wielkie S — inaczej to sekunda
Cała waga spoczywa tu na wielkości litery: S to siemens, s to sekunda. Nazwa jednostki w rosyjskim nie odmienia się przez liczbę: „pięć siemens”, a nie „siemensów”, bo to nazwisko. Do 1971 roku tę samą wielkość nazywano „mho” — om przeczytany od tyłu, z odwróconym symbolem ℧. Nazwa utrzymała się prawie sto lat i do dziś trafia się w anglojęzycznej dokumentacji tranzystorów, gdzie transkonduktancję podaje się w milimho. Przewodność roztworu zapisuje się w S/m, ale praktyka laboratoryjna mocno trzyma się µS/cm: to sto razy mniej, a liczby wychodzą wygodniejsze.
Rosyjski symbol to См, z wielkim С. Do 1971 roku jednostkę nazywano „mho” — om przeczytany od tyłu — i oznaczano odwróconą omegą ℧; zapis został oficjalnie zniesiony, ale spotyka się go w podręcznikach o lampach elektronowych i w anglojęzycznej literaturze o tranzystorach, gdzie transkonduktancję nadal czasem podaje się w milimho. Przewodność roztworów wyraża się zwykle w mikrosiemensach na centymetr, a nie na metr: mnożnik między zapisami wynosi sto, a pomyłka w nim daje błąd, przez który łatwo uznać wodę kotłową za zdatną, choć nie jest.
06 · Jednostki sąsiednie
Siemens i om to jedna wielkość z dwóch stron. W obwodach prądu przemiennego wielkość odwrotna do impedancji nazywa się admitancją i również mierzy się w siemensach.
Kwant konduktancji jest odwrotnością połowy stałej von Klitzinga: obie te liczby opisują tę samą granicę kwantową z dwóch stron. Spośród kart Simetrium sąsiadują z siemensem om jako wielkość odwrotna, amper s wolt z definicji, mole na litr dla roztworów i farad z części biernej admitancji.
07 · Dział historyczny
Om przeczytany od tyłu
Siemens zbudował linię telegraficzną z Petersburga na Krym i pierwszy tramwaj elektryczny. Jednostka konduktancji nosi jego nazwisko — i jest odwrotnością oma.
Konduktancję mierzono w „mho” — om od tyłu — i oznaczano odwróconą omegą. Nazwę przypisuje się Williamowi Thomsonowi i utrzymała się ponad osiemdziesiąt lat: podręczniki lampowe pełne są milimho.
Czternasta Konferencja Generalna przyjęła siemens, katal i mol, zamykając listę jednostek pochodnych z własną nazwą. Siemens okazał się jedyną jednostką SI nazwaną na cześć przedsiębiorcy, a nie wyłącznie uczonego.
W kontakcie punktowym między dwoma przewodnikami konduktancja zmienia się skokami będącymi wielokrotnościami kwantu 77,48 mikrosiemensa. Każdy stopień oznacza otwarcie jeszcze jednego kanału dla elektronów — granicę, za którą konduktancja przestaje być wielkością ciągłą.
Jedno nazwisko trafiło do dwóch różnych jednostek w odstępie stu lat
W 1860 roku Werner Siemens zaproponował wzorzec rezystancji — słup rtęci długości metra o przekroju milimetra kwadratowego — i nazwano go „jednostką Siemensa”. Równała się 0,9536 dzisiejszego oma i przez ćwierć wieku była roboczą miarą telegrafistów kontynentu. Dwadzieścia lat później kongres wybrał zamiast niej om, nieco inny co do wielkości. A w 1971 roku czternasta Konferencja Generalna nadała imię Siemensa jednostce konduktancji — wielkości odwrotnej do tej, o której on pisał. Osobliwość polega właśnie na tym: przedsiębiorca zaproponował jednostkę rezystancji, a jego nazwisko przypadło jej odwrotności.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 20 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
otwarta karta siemensaJednostki podstawowe SI
terakotą — cztery jednostki, z których składa się siemensKonduktancja w innych zapisach
Język karty
20 języków. Symbol S jest międzynarodowy, ale twardość wody już nie: stopnie niemieckie, francuskie, angielskie i miligramy na litr — karta sprowadza je do miejscowej praktyki.