Volt

Bedeutung und Einheit

Das Volt ist die Einheit des elektrischen Potentials und der elektrischen Spannung, also der Potentialdifferenz, im Internationalen Einheitensystem (SI). Das Einheitenzeichen ist der Großbuchstabe V; als Formelzeichen für die Spannung wird U verwendet. Die Einheit ist nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt.

Das SI ist ein kohärentes Einheitensystem: Seine Einheiten lassen sich ohne zusätzliche Zahlenfaktoren ineinander umrechnen. Für das Volt gelten insbesondere die Beziehungen 1 V = 1 J/C = 1 W/A = 1 kg·m²/(A·s³). Seine physikalische Dimension ist M L² T⁻³ I⁻¹.

Zusammenhang von Spannung, Ladung und Energie

Durchläuft eine elektrische Ladung von einem Coulomb (C) eine Potentialdifferenz von einem Volt, wird – abhängig von der Richtung des elektrischen Feldes – eine Energie von einem Joule (J) benötigt oder freigesetzt. Deshalb gilt:

• 1 V · 1 C = 1 J • 1 V = 1 J/C

Der Transport von 1 C Ladung pro Sekunde entspricht einer Stromstärke von einem Ampere: 1 C = 1 A·s. Ein Energieumsatz von 1 J pro Sekunde entspricht einer Leistung von einem Watt: 1 J = 1 W·s. Daraus folgt:

• 1 V · 1 A = 1 W • 1 V = 1 W/A

Heutige Definition und praktische Darstellung

Seit der SI-Reform von 2019 werden alle SI-Einheiten durch festgelegte Werte von sieben physikalischen Konstanten definiert. Für das Volt sind die Frequenz ΔνCs, die Planck-Konstante h und die Elementarladung e relevant. Aus den exakt festgelegten Werten von h und e folgt für die Josephson-Konstante:

KJ = 2e/h = (2 · 1,602 176 634 · 10⁻¹⁹ C)/(6,626 070 15 · 10⁻³⁴ J·s) = 4,835 978 484… · 10¹⁴ Hz/V.

Zusammen mit der Definition der Sekunde über ΔνCs ist das Volt damit als Kombination dieser Konstanten definiert.

Zur hochpräzisen praktischen Darstellung des Volts durch ein Spannungsnormal wird der quantenphysikalische Josephson-Effekt verwendet. Referenzmessungen führen die Spannungsmessung auf eine Frequenzmessung und damit auf eine Zeitmessung zurück. Die erreichbare Genauigkeit hängt nur von der Präzision der Frequenzmessung ab. Vor 2019 war sie zusätzlich durch die Genauigkeit begrenzt, mit der KJ bekannt war.

Entwicklung der Definition

1861 schlugen Josiah Latimer Clark und Charles Tilston Bright vor, die Spannungseinheit „Ohma“ und die Widerstandseinheit „Volt“ zu nennen. Der Internationale Elektrizitätskongress legte 1881 jedoch Volt als Einheit der elektrischen Spannung und Ohm als Einheit des elektrischen Widerstands fest. Es galten 1 V = 10⁸ e.m.u. und 1 Ω = 10⁹ e.m.u.; später wurden diese Einheiten „absolutes Volt“ und „absolutes Ohm“ genannt.

Später wurden Ampere und Ohm über physische Normale bestimmt: das Ampere anhand der bei der Elektrolyse abgeschiedenen Silbermenge pro Zeit und das Ohm durch ein metallisches Widerstandsnormal. Damit war auch das Volt indirekt festgelegt. Zunächst bestanden länderspezifische Definitionen, in Deutschland seit 1888; 1908 wurden sie international vereinheitlicht. 1910 definierte man das Volt über das Weston-Normalelement und führte auch für das Ampere eine neue Definition ein. Die „internationalen“ Einheiten Vint und Ωint sollten möglichst genau den „absoluten“ Einheiten entsprechen; ihre Abweichungen betrugen 3,4 · 10⁻⁴ beziehungsweise 4,9 · 10⁻⁴.

Auf einen CIPM-Beschluss von 1946, der 1948 von der 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht ratifiziert wurde, wurden die separat definierten „internationalen“ Einheiten abgeschafft. Das Volt war nun die elektrische Potentialdifferenz, bei der ein Strom von 1 A eine Leistung von 1 W abgibt. Ein Spannungsnormal diente danach nur noch zur Darstellung der Einheit.

In den 1980er Jahren wurde der Josephson-Effekt zur präzisesten Spannungsmessmethode. Um Messungen vergleichbar zu machen, legte das CIPM 1988 mit Wirkung vom 1. Januar 1990 den Referenzwert KJ-90 = 483 597,9 GHz/V fest. Dadurch entstand faktisch die Einheit V90, die parallel zum SI-Volt verwendet wurde. Seit der SI-Reform von 2019 besitzen Volt und KJ durch h und e dieselbe Konstantengrundlage; KJ-90 wurde überflüssig. Der heutige Wert von KJ ist um 1,067 · 10⁻⁷ niedriger als KJ-90. Zahlenwerte von Präzisionsmessungen aus den drei Jahrzehnten vor der Reform müssen um diesen Faktor erhöht werden, um sie an das neue Volt anzupassen.

Dezimale Vielfache und Teile

Für unterschiedliche Größenordnungen wird Volt mit SI-Präfixen verwendet:

• 1 μV (Mikrovolt) = 0,000 001 V • 1 mV (Millivolt) = 0,001 V • 1 V (Volt) = 1 V • 1 kV (Kilovolt) = 1 000 V • 1 MV (Megavolt) = 1 000 000 V