Het SI-stelsel, natuurkundige eenheden en grootheden

In de natuurkunde noemt men verschijnselen die te meten zijn 'grootheden'. De waarde van een grootheid wordt uitgedrukt in een eenheid. Een eenheid is een soort afgesproken maat. Met behulp van meettechnieken -door te meten dus- kan de numerieke waarde van een grootheid worden vastgesteld. De waarde van de grootheid wordt dan naast de meetlat van de eenheid gelegd. Met voorvoegsels (vermenigvuldigingsfactor) kunnen we eenheden met machten van 10 vergroten of verkleinen, dit voorvoegsel zet men voor de eenheid.

Het SI-stelsel

Standaard grootheden zijn vastgelegd in een internationaal systeem, het zogenaamde Systeme International (SI) stelsel. Sinds het is ingevoerd (1960), wordt het SI-stelsel beheerd door het Bureau international des Poids et Mesures (BIPM) te Sèvres (Frankrijk).

De bedoeling van het SI-stelsel is dat men internationaal zoveel mogelijk met dezelfde standaard werkt, hetgeen samenwerking, bewerking, en uitwisseling van data veel eenvoudiger maakt. Vroeger gebruikten landen verschillende maatstelsels (voor eenheden); iets wat tot op de dag van vandaag nog voorkomt. Zo meet men in Amerika gewicht in pounds, en afstand of lengte in inches, yards, en miles.

Daarnaast zijn er eenheden die naast het SI-stelsel bestaan, en gebruikt kunnen worden: een kubieke decimeter (dm³) wordt ook liter genoemd, graad Celsius gebruikt men vaak in plaats van graad Kelvin, etc. Er zijn afgeleide eenheden mogelijk, bijvoorbeeld kiloWattuur en elektronVolt, die gebruikt worden als maat voor de hoeveelheid elektrische energie (terwijl 'Joule' de officiële eenheid voor energie is).

Basis grootheden

Er zijn zeven basis SI-eenheden en -grootheden:

Afgeleide grootheden en eenheden

Afgeleide grootheden zijn grootheden waarvoor een eigen eenheid gebruikt wordt. Deze eenheden hebben een eigen symbool en kunnen worden uitgedrukt in de standaard SI-eenheden. Enkele voorbeelden van dergelijke grootheden zijn:

Voorvoegsel of vermenigvuldigingsfactor

Een gemeten waarde van een grootheid kan heel erg groot of heel erg klein zijn. Daarom gebruikt men een schrijfwijze die machten van 10 uitdrukt. Een voorvoegsel is een vermenigvuldigingsfactor die met de waarde van de grootheid vermenigvuldigd moet worden; elke factor heeft een eigen benaming. De onderstaande tabel laat zien welke voorvoegsels het meest gebruikt worden:

Natuurkundige constanten

• Na = 6,02214 10²³ [mol^-1], constante van Avagadro
• h = 6,62607 10^-34 [Js], constante van Planck
• e = 1,6021765 10^-19 [C], lading van een elektron (elementaire lading)
• me = 9,10938 10^-31 [kg], rustmassa elektron
• mp = 1,67262 10^-27 [kg], rustmassa proton
• c = 2,997924 10⁸ [m/s], lichtsnelheid

Herziening van het SI-stelsel

De definitie van de basiseenheden is in de loop der jaren voortdurend veranderd. We willen graag dat eenheden zo constant mogelijk zijn en constant blijven in de tijd. Daarnaast streeft men ernaar om eenheden meer beschikbaar te stellen voor 'iedereen'. Tot voor kort was dit niet zomaar het geval; een aantal basiseenheden (zoals de meter en de kilogram) werden als fysieke objecten bewaard door het BIPM. In andere landen gebruikten wetenschappers en mensen in de metrologie duplicaten van deze eenheden.

Alle eenheden kunnen worden uitgedrukt in de standaard SI-eenheden. Sommige basiseenheden zijn zelf samengesteld uit andere eenheden. Het aantal eenheden dat nodig is om een basiseenheid te definiëren is te reduceren door natuurconstanten te gebruiken zoals de lichtsnelheid c of de elementaire lading e. In de herziening van het SI-stelsel wordt gebruikt gemaakt van deze constanten om de definitie van de basiseenheden te verbeteren.

Ampère

De ampère werd vroeger gedefinieerd als de stroom die in twee parallelle geleiders een precies bepaalde Lorentzkracht opleverde. Voor het meten van een kracht gebruiken we de eenheid Newton die is gedefinieerd als 1 [kg m/s²], dus de eenheid ampère was afgeleid van zowel de kilogram, de meter als de seconde. Tegenwoordig wordt elektrische stroom gedefinieerd als de hoeveelheid lading (de elementaire lading = 1,6021765 10^-19 [C]) die per seconde een oppervlak in een geleider passeert. Door het gebruik van de elementaire lading, hangt de ampère alleen nog af van de eenheid seconde.

Seconde

De seconde wordt niet meer gezien als 1/86400 deel van een zonnedag, maar als 9.192.631.770 periodes van straling die vrijkomt bij het verval van een Cesium-133 atoom.

Meter

Sinds 1983 wordt de meter gedefinieerd als de afstand die licht in 1/299.792.458 seconde in vacuüm aflegt. Voor de lichtsnelheid c wordt altijd – ongeacht de snelheid van de waarnemer – dezelfde waarde gemeten. Met deze natuurconstante kunnen we de eenheid voor lengte dus vrij nauwkeurig uitdrukken. Omdat het licht van de zon er 8 minuten en 19 seconden over doet om de aarde te bereiken, is het ook correct om te stellen dat de aarde zich op 8,3 minuten afstand van de zon bevindt. Het licht van de maan reist ongeveer 1,3 seconde voordat het de aarde bereikt, dus de aarde staat op 1,3 seconde afstand van de maan.

Kilogram

De kilogram is de laatste basiseenhed, die een nieuwe definitie heeft gekregen. Sinds november 2018 wordt de kilogram uitgedrukt als 1,4755214 x 10⁴⁰ h f/c². Hierin zijn h de constante van Planck, c de lichtsnelheid, en f de frequentie van straling die vrijkomt bij het verval van een Cesium-133 atoom. Voor deze tijd werd de kilogram gedefinieerd als de massa van een platina/iridium cilinder die onder nauwkeurig bewaakte omstandigheden werd bewaard door het BIPM in Sèvres. De nieuwe situatie is voor wetenschappers en metrologen een verbetering, want voor vergelijkende metingen zijn hoeft men niet naar Frankrijk af te reizen of een duplicaat van de standaard-kilogram te gebruiken.