Сименс
Производная единица СИ · величина: электрическая проводимость
01 · Определение
Один сименс — проводимость участка сопротивлением в один ом. Никакой новой физики в единице нет, есть удобство записи: параллельные проводимости просто складываются, тогда как сопротивления приходится считать через обратные величины. Поэтому в сименсах говорят там, где всё соединено параллельно — в электрохимии о растворах, в физиологии о мембранах, в электронике о крутизне транзистора.
Именно это и оправдывает существование единицы. При параллельном соединении сопротивления приходится объединять через обратные величины, а проводимости просто суммируются, как токи в узле; расчёт сложной сети в сименсах сводится к сложению. Второе поле применения — растворы. Электропроводность воды пропорциональна количеству растворённых солей, и вся водоподготовка, от аквариума до атомной станции, меряет её в микросименсах на сантиметр. У чистой воды проводимость определяется собственной диссоциацией и лежит на уровне пяти сотых микросименса на сантиметр — предел, ниже которого не опускается ни одна дистилляция.
Три резистора по три ома, включённые параллельно, дают один ом — но получить это через сопротивления значит сложить три дроби и перевернуть результат. В сименсах то же считается устно: треть плюс треть плюс треть равно единице. На этом стоит узловой метод расчёта цепей, где неизвестными берут потенциалы узлов, а коэффициентами — проводимости ветвей: матрица получается симметричной и решается численно без всяких дробей. Электротехнические расчёты энергосистем ведут именно в сименсах, а в омы переводят только окончательный ответ.
02 · Пересчёт
Введите проводимость — паспорт перевернёт её в сопротивление
Связь с омом обратная, поэтому таблица делит единицу на значение. Мо и «обратный ом» — те же сименсы под старыми именами, встречающимися в справочниках до семидесятых годов.
Кондуктометр меряет не удельную проводимость раствора, а проводимость своей ячейки, поэтому в паспорте датчика указана постоянная: отношение расстояния между электродами к их площади. Умножив измеренные сименсы на эту постоянную в обратных сантиметрах, получают микросименсы на сантиметр. Для чистой воды берут ячейки с малой постоянной, для морской — с большой, иначе прибор выходит за диапазон.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| S | сименс, единица СИ | 1 | исходная единица листа |
| mS | миллисименс | 1000 | обжитый участок в электрохимии |
| µS | микросименс | 1000000 | на сантиметр — рабочая запись лабораторий |
| nS | наносименс | 10⁹ | здесь проводимость уже мешает, а не работает |
| kS | килосименс | 0,001 | сопротивление уходит в микроомы |
| Ω | ом, сопротивление | 1 | обратная величина, а не другая единица |
| kΩ | килоом | 0,001 | четыре знака после запятой — это уже микросименсы |
| ℧ | мо, ом наоборот | 1 | то же самое под старым именем |
| abS | абсименс, СГСМ | 10⁻⁹ | миллиард сименсов в одной единице |
| statS | сименс СГСЭ | 8,988·10¹¹ | чуть больше пикосименса |
| ед. Сим. | единица Сименса 1860 | 0,9536 | ртутный столб метровой длины |
| 2e²/h | квант проводимости | 12906 | с 2019 года — точное число |
| S | сименс | 1 | исходная единица листа |
Связь с омом обратная, поэтому таблица делит единицу на значение: параллельные проводимости складываются, сопротивления — нет
03 · Порядки величин
от изолятора до сверхпроводникаОдин сименс: участок сопротивлением в один ом
04 · Приборы измерения
Чем измеряют проводимость
Пропускает через раствор переменный ток и считает проводимость по закону Ома. Постоянный ток не годится: он разлагает воду и покрывает электроды продуктами электролиза, поэтому питание всегда знакопеременное, обычно на килогерце.
Раствор проходит через два тороида: первый наводит в жидкости кольцевой ток, второй его улавливает. Электроды не касаются среды вовсе, поэтому датчик работает в кислотах, щелочах и загрязнённых стоках, где обычные пластины разрушились бы за месяц.
Солёность океана с 1978 года определяют не химическим анализом, а измерением проводимости вместе с температурой и давлением. Практическая шкала солёности задана через отношение проводимости образца к эталонному раствору хлорида калия и потому безразмерна.
Проводимость мостика толщиной в один атом меняется не плавно, а ступенями, кратными кванту 77,48 микросименса. Величина зависит только от постоянной Планка и заряда электрона, а сам эффект наблюдают, растягивая золотую нить до разрыва.
05 · Правила записи
S заглавная — иначе это секунда
Регистр здесь несёт всю нагрузку: S — сименс, s — секунда. Название единицы в русском не склоняется по числу: «пять сименс», а не «сименсов», потому что фамилия. До 1971 года ту же величину называли «мо» — ом, прочитанный наоборот, с перевёрнутым символом ℧. Название держалось почти век и до сих пор попадается в англоязычной документации на транзисторы, где крутизну указывают в миллимо. Удельную проводимость раствора пишут в S/m, но лабораторная практика прочно держится за µS/cm: это в сто раз меньше, и цифры выходят удобнее.
Русское обозначение — См, с прописной С. До 1971 года единицу называли «мо» — ом, прочитанный наоборот, — и обозначали перевёрнутой омегой ℧; запись официально упразднена, но встречается в справочниках по электронным лампам и в англоязычной литературе по транзисторам, где крутизну до сих пор иногда дают в миллимо. Удельную проводимость растворов принято выражать в микросименсах на сантиметр, а не на метр: множитель между записями равен ста, и путаница в нём даёт ошибку, из-за которой воду для котла легко признать годной вместо негодной.
06 · Соседние единицы
Сименс и ом — одна величина с двух сторон. В цепях переменного тока обратная импедансу величина называется адмиттансом и тоже измеряется в сименсах.
Квант проводимости — величина, обратная половине постоянной Клитцинга: два эти числа описывают один и тот же квантовый предел с разных сторон. Из паспортов Simetrium к сименсу примыкают ом как обратная величина, ампер с вольтом из определения, моль на литр для растворов и фарад из реактивной части адмиттанса.
07 · Исторический раздел
Ом, прочитанный наоборот
Сименс построил телеграфную линию от Петербурга до Крыма и первый электрический трамвай. Единица проводимости названа его именем — и она обратна ому.
Проводимость измеряли в «мо» — ом наоборот, — а обозначали перевёрнутой омегой. Название приписывают Уильяму Томсону, и держалось оно больше восьмидесяти лет: справочники по радиолампам полны миллимо.
Четырнадцатая Генеральная конференция приняла сименс, катал и моль, закрыв список производных единиц с собственными именами. Сименс оказался единственной единицей СИ, названной в честь предпринимателя, а не только учёного.
В точечном контакте между двумя проводниками проводимость меняется скачками, кратными кванту 77,48 микросименса. Каждая ступень означает открытие ещё одного канала для электронов — предел, за которым проводимость перестаёт быть непрерывной величиной.
Одно имя досталось двум разным единицам с интервалом в сто лет
В 1860 году Вернер Сименс предложил эталон сопротивления — ртутный столб длиной метр и сечением квадратный миллиметр — и его назвали «единицей Сименса». Она равнялась 0,9536 нынешнего ома и на четверть века стала рабочей мерой телеграфистов континентальной Европы. Через двадцать лет конгресс выбрал вместо неё ом, чуть иной по величине. А в 1971 году Четырнадцатая Генеральная конференция дала имя Сименса единице проводимости — величине, обратной той, о которой он писал. Курьёз в том, что предприниматель предложил единицу сопротивления, а имя его досталось её перевёртышу.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 20 языках.
Производные СИ с собственным именем
открыт паспорт сименсаБазовые единицы СИ
терракотой — четыре единицы, из которых складывается сименсПроводимость в других записях
Язык паспорта
20 языков. Символ S международный, а вот жёсткость воды в переводах различается: немецкие градусы, французские, английские и миллиграммы на литр — паспорт приводит их к местной практике.