Physikalische Größen: Definition, Arten und SI-Einheiten

Physikalische Größen: Definition und Klassifizierung

Jede Messung weist einer Eigenschaft eines Körpers, wie Länge oder Fläche, einen quantitativen numerischen Wert zu. Diese Eigenschaften, bekannt als physikalische Größen, können durch Vergleich mit einem Standard oder Teilen eines Standards quantifiziert werden.

Beispiele für physikalische Größen sind: Masse, Länge, Zeit, Dichte, Temperatur, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Energie.

Arten von physikalischen Größen

Physikalische Größen können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden:

• Nach ihrer mathematischen Form werden die Größen in skalare, vektorielle oder tensorielle Größen klassifiziert.
• Nach ihrem Verhalten werden sie in extensive und intensive Größen eingeteilt.

Skalare, Vektoren und Tensoren

Physikalische Größen werden in drei Haupttypen unterteilt:

• Skalare Größen: Sie sind vollständig durch einen Zahlenwert (Betrag) und die zugehörige Maßeinheit definiert. Skalare werden durch einfache Zahlen dargestellt. Sie besitzen einen Betrag, aber keine Richtung oder Orientierung. Ihr Wert kann unabhängig vom Beobachter sein (z.B. Masse, Temperatur, Dichte) oder von der Position oder dem Bewegungszustand des Beobachters abhängen (z.B. kinetische Energie).
• Vektorielle Größen: Dies sind Größen, die durch einen Betrag (Intensität oder Modul), eine Richtung und eine Orientierung charakterisiert sind. In einem euklidischen Raum mit nicht mehr als drei Dimensionen wird ein Vektor durch eine gerichtete Strecke dargestellt. Beispiele für vektorielle Größen sind: Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, das elektrische Feld.

  Betrachtet man ein anderes Koordinatensystem, das mit einem Beobachter in einem anderen Bewegungszustand oder einer anderen Ausrichtung verbunden ist, zeigen vektorielle Größen keine Invarianz der einzelnen Komponenten des Vektors. Daher sind Vektor-Transformationsbeziehungen notwendig, um die Messungen verschiedener Beobachter in Beziehung zu setzen. In der klassischen Mechanik wird das elektrostatische Feld als Vektor behandelt. Nach der Relativitätstheorie sollten jedoch solche Größen, wie auch das magnetische Feld, als Teil eines Tensors behandelt werden.

• Tensorielle Größen: Dies sind Größen, die physikalische Eigenschaften und Verhaltensweisen charakterisieren, die durch eine Reihe von Zahlen modelliert werden, deren Komponenten sich bei einem Wechsel des Koordinatensystems, das mit einem Beobachter in einem anderen Bewegungszustand oder einer anderen Ausrichtung verbunden ist, gemäß den Tensor-Transformationsregeln ändern.

  Je nach Art der Größe müssen wir die Transformationsgesetze der physikalischen Komponenten der Messgrößen wählen, um zu sehen, ob verschiedene Beobachter die gleiche Größe messen oder wie die Messungen eines Beobachters mit denen eines anderen Beobachters in Beziehung stehen, dessen Bewegungszustand und Orientierung relativ zum ersten bekannt sind.

Extensive und Intensive Größen

• Extensive Größen: Eine extensive Größe ist eine Größe, deren Wert vom Umfang der Materie oder des Systems abhängt. Extensive Größen sind additiv. Wenn wir ein physikalisches System betrachten, das aus zwei Teilen oder Teilsystemen besteht, ist der Gesamtwert einer extensiven Größe die Summe ihrer Werte in jedem der beiden Teile. Beispiele: Masse und Volumen eines Körpers oder Systems, die Energie eines thermodynamischen Systems.
• Intensive Größen: Eine intensive Größe ist eine, deren Wert nicht von der Menge der Materie im System abhängt. Intensive Größen haben für ein System und für jeden seiner Teile (als Subsysteme betrachtet) den gleichen Wert. Beispiele: Dichte, Temperatur und Druck eines thermodynamischen Systems im Gleichgewicht.

Im Allgemeinen ist das Verhältnis von zwei extensiven Größen eine intensive Größe. Beispiel: Masse geteilt durch Volumen ergibt die Dichte.

Das Internationale Einheitensystem (SI)

Das Internationale Einheitensystem basiert auf zwei Arten von physikalischen Größen: den sieben Basisgrößen (Länge, Zeit, Masse, elektrischer Strom, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke) und den abgeleiteten Größen, die die übrigen sind und durch eine mathematische Kombination der Basisgrößen ausgedrückt werden können.

Basis- oder Grundeinheiten des SI

Die Basisgrößen des SI sind nicht voneinander ableitbar:

• Länge: Meter (m). Der Meter ist die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt. Diese Definition wurde 1983 festgelegt.
• Zeit: Sekunde (s). Die Sekunde ist die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Cäsium-133 entspricht. Diese Definition wurde 1967 festgelegt.