Volt

Physikalische Einheit
Einheitenname	Volt
Einheitenzeichen	V {\displaystyle \mathrm {V} }
Physikalische Größen	elektrisches Potential, elektrische Spannung
Formelzeichen	U {\displaystyle U}
Dimension	M L2 T−3 I−1
System	Internationales Einheitensystem
In SI-Einheiten	1 V = 1 J C = 1 W A = 1 k g m 2 A s 3 {\displaystyle \mathrm {1\,V=1\;{\frac {J}{C}}} \mathrm {{}=1\;{\frac {W}{A}}=1\;{\frac {kg\,m^{2}}{A\,s^{3}}}} }
Benannt nach	Alessandro Volta

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

Das SI wurde als kohärentes Einheitensystem entwickelt, d. h. die Einheiten lassen sich ohne weitere numerische Faktoren ineinander umrechnen: Wenn eine elektrische Ladung von einem Coulomb (C) eine Potentialdifferenz von einem Volt durchläuft, ist dafür eine Energie von einem Joule (J) erforderlich bzw. wird freigesetzt; je nach Richtung des Feldes. Es gilt also:

1 V ⋅ 1 C = 1 J {\displaystyle \mathrm {1\,V\cdot 1\,C=1\,J} \qquad } bzw. 1 V = 1 J C {\displaystyle \qquad \mathrm {1\,V=1\,{\frac {J}{C}}} \,} .

Der Transport von 1 C Ladung pro Sekunde entspricht einer Stromstärke von einem Ampere (1 C = 1 A·s) und der Umsatz von 1 J Energie pro Sekunde einer Leistung von einem Watt: (1 J = 1 W·s). Daher gilt äquivalent:

1 V ⋅ 1 A = 1 W {\displaystyle \mathrm {1\,V\cdot 1\,A=1\,W} \qquad } bzw. 1 V = 1 W A {\displaystyle \qquad \mathrm {1\,V=1\,{\frac {W}{A}}} \,} .

Seit der Reform des SI von 2019 sind alle SI-Einheiten dadurch definiert, dass sieben physikalischen Konstanten ein fester Wert zugewiesen wurde, von denen drei für das Volt relevant sind: die Frequenz Δν_Cs sowie die Planck-Konstante h und die Elementarladung e. Durch die Festlegung von h und e hat die Josephson-Konstante^[1]

K J = 2 e h = 2 ⋅ 1,602 176 634 ⋅ 10 − 19 C 6,626 070 15 ⋅ 10 − 34 J s = 4,835 978 484 … ⋅ 10 14 H z V {\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}}={\frac {2\cdot 1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\mathrm {C} }{6{,}626\,070\,15\cdot 10^{-34}\,\mathrm {J\;s} }}=4{,}835\,978\,484\ldots \cdot 10^{14}\,\mathrm {\frac {Hz}{V}} }

einen festen Wert. Zusammen mit der Definition der Sekunde über Δν_Cs ist damit das Volt als Kombination dieser Konstanten definiert.

Für eine hochpräzise Darstellung des Volts über ein Spannungsnormal nutzt man heute den quantenphysikalischen Josephson-Effekt. Mittels Referenzmessungen kann hierbei die Darstellung des Volt auf eine Frequenzmessung (Zeitmessung) zurückgeführt werden. Die erreichbare Genauigkeit ergibt sich allein aus der Präzision der Frequenzmessung. Vor der SI-Reform von 2019 hing sie zusätzlich von der Genauigkeit ab, mit der die Josephson-Konstante K_J bekannt war.

1861 schlugen die beiden englischen Elektro-Ingenieure Josiah Latimer Clark und Charles Tilston Bright der British Association for the Advancement of Science vor,^[2] die Einheit der Elektrischen Spannung mit Ohma (nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm) und die Einheit des Elektrischen Widerstands mit Volt zu benennen. 1881 legte der Internationale Elektrizitätskongress offiziell das Volt als Einheit für die elektrische Spannung und das Ohm als Einheit für den elektrischen Widerstand fest^[3] mit der Definition 1 V = 10⁸ e.m.u. (elektromagnetische CGS-Einheiten) und 1 Ω = 10⁹ e.m.u. (später zur Unterscheidung „absolutes Volt“ und „absolutes Ohm“ genannt).

In der Folge wurden die Einheiten Ampere und Ohm durch Normale definiert: das Ampere über die Menge von Silber pro Zeitspanne, die bei Elektrolyse abgeschieden wird, und das Ohm durch ein metallisches Widerstandsnormal. Dadurch war implizit auch das Volt festgelegt. Diese Definitionen waren zunächst länderspezifisch (in Deutschland 1888) und wurden 1908 international vereinheitlicht. 1910 wurde das Volt über das Weston-Normalelement definiert, und auch das Ampere erhielt eine neue Definition. Die so definierten „internationalen“ Einheiten V_int und Ω_int waren von Anfang an so gewählt worden, dass sie möglichst genau mit den „absoluten“ Einheiten übereinstimmen sollten. Die Abweichung betrug 3,4·10⁻⁴ bzw. 4,9·10⁻⁴.^[4]

Auf Beschluss des CIPM von 1946, ratifiziert 1948 durch die 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, wurde das „internationale“ Volt, ebenso wie die anderen „internationalen“ Einheiten, als separat definierte Einheit abgeschafft. Das Volt wurde über die neu geschaffene vierte Basiseinheit „Ampere“ definiert als diejenige elektrische Potentialdifferenz, die besteht, wenn bei einer Stromstärke von einem Ampere (1 A) die Leistung von einem Watt (1 W) abgegeben wird.^[5] Das Spannungsnormal diente nur noch zur Darstellung des Volt.^[4]

In den 1980er Jahren war der Josephson-Effekt als präziseste Messmethode für Spannungen etabliert.^[6] Limitierender Faktor war dabei die Genauigkeit, mit der die Josephson-Konstante bekannt war. Um Messungen vergleichbar zu machen, schrieb das CIPM 1988 mit Wirkung vom 1. Januar 1990 den damals genauesten Messwert 483 597,9 GHz/V als Referenzwert K_J-90 fest.^[7] Dadurch wurde de facto eine neue Maßeinheit V₉₀ geschaffen, die (wie früher das „internationale“ Volt) parallel zum SI-Volt existierte.

Mit der Reform des SI von 2019 erhielt die Josephson-Konstante ihren heutigen, exakten Wert. Volt und K_J waren nun durch dieselben Konstanten h und e definiert, und K_J-90 wurde obsolet.^[8] Der neue Wert von K_J ist um 1.067e^-7 niedriger als K_J-90.^[9] Daher müssen die Zahlenwerte von Präzisionsmessungen aus den drei Dekaden vor der SI-Reform um diesen Faktor erhöht werden, um sie an das neue Volt anzupassen.

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

Wiktionary: Volt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

1. ↑ CODATA Value (2022): Josephson constant. Abgerufen am 16. Juni 2024. 
2. ↑ IEEE Global History: System of Measurement Units
3. ↑ H. G. Jerrard ua.: A Dictionary of Scientific Units: Including dimensionless numbers and scales, Springer-Science+Business Media, Southampton, 1986, S. 152. ISBN 978-94-017-0571-4
4. ↑ ^{a b} Protokoll der 9.Generalkonferenz für Maß und Gewicht. (PDF) S. 13
5. ↑ “The volt is the potential difference between two points of a conducting wire carrying a constant current of 1 ampere, when the power dissipated between these points is equal to 1 watt.” Beschluss des CIPM von 1946. Quelle: SI-Broschüre, 9. Auflage (2019) Anhang 1, Seite 160 bipm.org (PDF)
6. ↑ Resolution 6 of the 18th CGPM. Forthcoming adjustment to the representations of the volt and of the ohm. Bureau International des Poids et Mesures, 1987, abgerufen am 21. April 2022 (englisch).  doi:10.59161/CGPM1987RES6E (engl.), doi:10.59161/CGPM1987RES6F (frz.)
7. ↑ CIPM, 1988: Recommendation 1 - Representation of the volt by means of the Josephson effect. In: bipm.org. CIPM, abgerufen am 14. Juli 2022 (englisch).  doi:10.59161/CIPM1988REC1E (engl.), doi:10.59161/CIPM1988REC1F (frz.)
8. ↑ Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI). Appendix 1. Bureau International des Poids et Mesures, 2018, abgerufen am 21. April 2022 (englisch).  doi:10.59161/CGPM2018RES1E (engl.), doi:10.59161/CGPM2018RES1F (frz.)
9. ↑ CODATA Value: conventional value of volt-90. Abgerufen am 4. Mai 2022.