Volt

Physikalische Einheit ⓘ
Einheitenname	Volt
Einheitenzeichen	$\mathrm {V}$
Physikalische Größe(n)	Elektrische Spannung
Formelzeichen	$U$
Dimension	${\mathsf {M\;L^{2}\;T^{-3}\;I^{-1}}}$
System	Internationales Einheitensystem
In SI-Einheiten	$\mathrm {1\,V=1\;{\frac {W}{A}}=1\;{\frac {J}{C}}} \mathrm {{}=1\;{\frac {kg\,m^{2}}{A\,s^{3}}}}$
Benannt nach	Alessandro Volta
Abgeleitet von	Kilogramm, Meter, Ampere, Sekunde

Das Volt ist die SI-Einheit der elektrischen Spannung. Es wurde nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt. Als Einheitenzeichen wird der Großbuchstabe „V“ verwendet. ⓘ

Das Volt ist eine kohärente, abgeleitete SI-Einheit, das heißt, sie ist mit den Basiseinheiten über den numerischen Faktor Eins verbunden. ⓘ

Definition

Ein Volt ist definiert als das elektrische Potenzial zwischen zwei Punkten eines leitenden Drahtes, wenn ein elektrischer Strom von einem Ampere eine Leistung von einem Watt zwischen diesen Punkten abgibt. Gleichbedeutend ist es die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten, die ein Joule Energie pro Coulomb Ladung überträgt, die sie durchläuft. Sie kann in den SI-Basiseinheiten (m, kg, s und A) wie folgt ausgedrückt werden ⓘ

{\text{V}}={\frac {\text{potential energy}}{\text{charge}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {{\text{kg}}\cdot {\text{m}}^{2}\cdot {\text{s}}^{-2}}{{\text{A}}\cdot {\text{s}}}}.

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Er kann auch ausgedrückt werden als Ampere mal Ohm (Strom mal Widerstand, Ohmsches Gesetz), Weber pro Sekunde (magnetischer Fluss pro Zeit), Watt pro Ampere (Leistung pro Stromeinheit, Definition der elektrischen Leistung) oder Joule pro Coulomb (Energie pro Ladungseinheit), was auch Elektronenvolt pro Elementarladung entspricht:

{\text{V}}={\text{A}}\cdot \Omega ={\frac {\text{Wb}}{\text{s}}}={\frac {\text{W}}{\text{A}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {\text{eV}}{e}}.

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Definition des Josephson-Übergangs

Das "konventionelle" Volt, V₉₀, das 1987 von der 18. Generalkonferenz für Maße und Gewichte definiert wurde und seit 1990 verwendet wird, nutzt den Josephson-Effekt für die exakte Umwandlung von Frequenz in Spannung in Verbindung mit dem Cäsium-Frequenznormal. ⓘ

Für die Josephson-Konstante, KJ = 2e/h (wobei e die Elementarladung und h die Planck-Konstante ist), wurde ein "konventioneller" Wert K_J-90 = 0,4835979 GHz/μV für die Definition des Volt verwendet. Als Folge der Neudefinition der SI-Basiseinheiten im Jahr 2019 wurde die Josephson-Konstante mit dem exakten Wert $KJ$ = 483597,84841698 GHz/V neu definiert, der den konventionellen Wert $K J-90$ ersetzt. ⓘ

Diese Norm wird in der Regel mit einem in Reihe geschalteten Array aus mehreren Tausend oder Zehntausenden von Übergängen realisiert, die durch Mikrowellensignale zwischen 10 und 80 GHz (je nach Design des Arrays) angeregt werden. Mehrere Experimente haben gezeigt, dass die Methode unabhängig von der Bauart, dem Material, dem Messaufbau usw. ist und dass bei einer praktischen Umsetzung keine Korrekturterme erforderlich sind. ⓘ

K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}}=4{,}835\,978\,484\ldots \cdot 10^{14}\,\mathrm {\frac {Hz}{V}} \,,

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wobei $e$ die Elementarladung und $h$ das Plancksche Wirkungsquantum ist. Damit kann mittels Referenzmessungen die Darstellung des Volt auf eine sehr genaue Frequenzmessung (Zeitmessung) zurückgeführt werden. ⓘ

Analogie zur Wasserströmung

In der Wasserstrom-Analogie, die manchmal zur Erklärung elektrischer Schaltungen verwendet wird, indem man sie mit wassergefüllten Rohren vergleicht, wird die Spannung (Unterschied im elektrischen Potenzial) mit dem Unterschied im Wasserdruck verglichen, während der Strom proportional zur Menge des fließenden Wassers ist. Ein Widerstand wäre ein verringerter Durchmesser irgendwo in der Rohrleitung oder eine Art Heizkörper, der dem Durchfluss Widerstand entgegensetzt. Ein Kondensator könnte vielleicht mit einem U-Bogen verglichen werden, in dem ein höherer Wasserstand Energie speichern und eine Druckhöhe aufbauen kann. ⓘ

Ein Induktor könnte mit einem Schwungradapparat verglichen werden. ⓘ

Die Beziehung zwischen Spannung und Strom wird (bei ohmschen Geräten wie Widerständen) durch das Ohmsche Gesetz definiert. Das Ohmsche Gesetz entspricht der Hagen-Poiseuille-Gleichung, da es sich bei beiden um lineare Modelle handelt, die Fluss und Potenzial in ihren jeweiligen Systemen in Beziehung setzen. ⓘ

Allgemeine Spannungen

Mit einem Multimeter kann man die Spannung zwischen zwei Positionen messen. ⓘ

1,5 V C-Zellen-Batterien ⓘ

Die Spannung, die von jeder elektrochemischen Zelle in einer Batterie erzeugt wird, hängt von der Chemie dieser Zelle ab (siehe Galvanische Zelle § Zellspannung). Die Zellen können in Reihe geschaltet werden, um ein Vielfaches dieser Spannung zu erreichen, oder es können zusätzliche Schaltungen hinzugefügt werden, um die Spannung auf ein anderes Niveau einzustellen. Mechanische Generatoren können in der Regel für jede beliebige Spannung in einem Bereich der Machbarkeit gebaut werden. ⓘ

Nennspannungen der bekannten Quellen:

Ruhepotential von Nervenzellen: ~75 mV
Einzellige, wiederaufladbare NiMH- oder NiCd-Batterie: 1,2 V
Einzellige, nicht wiederaufladbare (z. B. AAA-, AA-, C- und D-Zellen): Alkalibatterie: 1,5 V; Zink-Kohle-Batterie: 1,56 V, wenn frisch und unbenutzt
Wiederaufladbare LiFePO₄-Batterie: 3,3 V
Wiederaufladbare Lithium-Polymer-Batterie auf Kobaltbasis: 3,75 V (siehe Vergleich handelsüblicher Batterietypen)
Transistor-Transistor-Logik/CMOS (TTL)-Versorgung: 5 V
USB: 5 V DC
PP3-Batterie: 9 V
Autobatteriesysteme haben 2,1 Volt pro Zelle; eine "12 V"-Batterie hat 6 Zellen oder 12,6 V; eine "24 V"-Batterie hat 12 Zellen oder 25,2 V. Einige antike Fahrzeuge verwenden "6 V"-Batterien mit 3 Zellen oder 6,3 Volt.
Haushaltsnetzstrom AC: (siehe Liste der Länder mit Netzsteckern, Spannungen und Frequenzen)
- 100 V in Japan,
- 120 V in Nordamerika,
- 230 V in Europa, Asien, Afrika und Australien
Dritte Schiene im Nahverkehr: 600-750 V (siehe Liste der Bahnelektrifizierungssysteme)
Oberleitungen für Hochgeschwindigkeitszüge: 25 kV bei 50 Hz, aber siehe Liste der Bahnelektrifizierungssysteme und 25 kV bei 60 Hz für Ausnahmen.
Hochspannungsleitungen zur Stromübertragung: 110 kV und mehr (1,15 MV ist der Rekord; die höchste aktive Spannung beträgt 1,10 MV)
Blitze: maximal etwa 150 MV. ⓘ

Geschichte

Alessandro Volta ⓘ

Gruppenfoto von Hermann Helmholtz, seiner Frau (sitzend) und seinen akademischen Freunden Hugo Kronecker (links), Thomas Corwin Mendenhall (rechts) und Henry Villard (Mitte) während des Internationalen Elektrokongresses ⓘ

Im Jahr 1800 entwickelte Alessandro Volta als Ergebnis eines fachlichen Streits über die von Luigi Galvani vertretene galvanische Reaktion den so genannten Voltastapel, einen Vorläufer der Batterie, der einen gleichmäßigen elektrischen Strom erzeugte. Volta hatte festgestellt, dass das effektivste Paar ungleicher Metalle zur Erzeugung von Elektrizität Zink und Silber war. 1861 prägten Latimer Clark und Sir Charles Bright den Namen "Volt" für die Einheit des Widerstands. Bis 1873 definierte die British Association for the Advancement of Science die Begriffe Volt, Ohm und Farad. Im Jahr 1881 genehmigte der Internationale Elektrokongress, heute die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), das Volt als Einheit für die elektromotorische Kraft. Dabei wurde das Volt mit 10⁸ cgs-Einheiten der Spannung gleichgesetzt, da das cgs-System damals das übliche Einheitensystem in der Wissenschaft war. Sie wählten ein solches Verhältnis, weil die cgs-Einheit der Spannung unbequem klein ist und ein Volt in dieser Definition ungefähr der EMK einer Daniell-Zelle entspricht, der Standardspannungsquelle in den damaligen Telegrafiesystemen. Damals wurde das Volt als die Potenzialdifferenz [d. h. das, was man heute als "Spannung (Differenz)" bezeichnet] über einem Leiter definiert, wenn ein Strom von einem Ampere ein Watt Leistung abgibt. ⓘ

Das "internationale Volt" wurde 1893 als 1/1,434 der EMK einer Clark-Zelle definiert. Diese Definition wurde 1908 zugunsten einer auf dem internationalen Ohm und dem internationalen Ampere basierenden Definition aufgegeben, bis 1948 die gesamte Reihe der "reproduzierbaren Einheiten" aufgegeben wurde. ⓘ

Eine Neudefinition der SI-Basiseinheiten, einschließlich der Definition des Wertes der Elementarladung, trat am 20. Mai 2019 in Kraft. ⓘ

Gebräuchliche dezimale Vielfache

Die Einheit Volt ist mit verschiedenen Vorsätzen für Maßeinheiten (SI-Präfixe) in Verwendung, beispielsweise:

Präfix-Schreibweise	Dezimal ⓘ
1 μV (Mikrovolt)	0,000 001 Volt
1 mV (Millivolt)	0,001 Volt
1 V (Volt)	1 Volt
1 kV (Kilovolt)	1 000 Volt
1 MV (Megavolt)	1 000 000 Volt
1 GV (Gigavolt)	1 000 000 000 Volt