Volt
1791 berührte Luigi Galvani einen Froschschenkel mit zwei verschiedenen Metallen, und der Schenkel zuckte. Galvani glaubte, die Elektrizität stecke im Frosch selbst. Alessandro Volta hielt die Metalle für die Ursache. Um das zu zeigen, schichtete er 1800 eine Säule aus Kupfer- und Zinkscheiben und legte dazwischen Tuch, das in Salzwasser getränkt war. Die Säule lieferte Strom ganz ohne Frosch.
Das war die erste Batterie. 1881 wurde die Einheit der Spannung nach Volta benannt. Ein Volt ist ein Joule je Coulomb: So viel Energie gewinnt jedes Coulomb Ladung, wenn es die Quelle durchläuft. Eine Mignonzelle liefert 1,5 V, eine Steckdose 230 V und eine Hochspannungsleitung Hunderte Kilovolt.
| Zeichen | V |
| Definition | Joule je Coulomb · J/C · W/A · kg·m²·s⁻³·A⁻¹ |
| Bezugswerte | K_J — 483 597,848 4 GHz/V · Weston-Element — 1,018 64 V · 1 eV — 1,602·10⁻¹⁹ J |
| Eingeführt | 1881, Internationaler Elektrizitätskongress · seit 1960 im SI |
| Normen | ISO 80000-6 · IEC 60050-131 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische Werte | 1,5 V — Batterie · 230 V — Steckdose · 400 kV — Hochspannungsleitung |
01 · Definition
Ein Joule für jedes Coulomb
Die Spannung U gibt an, wie viel Energie eine Ladung gewinnt oder abgibt, wenn sie von einem Punkt des Stromkreises zu einem anderen gelangt. Ein Volt ist ein Joule je Coulomb. Eine Batterie mit 1,5 V gibt jedem Coulomb anderthalb Joule mit, und eine Lampe im Stromkreis nimmt sie auf und macht daraus Licht und Wärme.
Spannung misst man immer zwischen zwei Punkten. Das Voltmeter wird an beide Enden eines Abschnitts angeschlossen, nicht in eine Unterbrechung des Stromkreises. Der Strom durch den Abschnitt ist die Spannung geteilt durch den Widerstand — das ist das ohmsche Gesetz.
Warum Hochspannungsleitungen Hunderte Kilovolt führen
Der Wasserkocher braucht eine Leistung von 2 kW. Man kann sie mit kleinem Strom bei hoher Spannung übertragen oder mit großem Strom bei niedriger. Leistung ist Spannung mal Strom. Die Leitung von der Quelle zum Wasserkocher hat einen Widerstand von 1 Ω, das sind etwa 60 m Kupferdraht mit 1 mm² Querschnitt. Die blauen Punkte sind der Strom: Je schneller sie laufen, desto größer ist er. Der Draht glüht rot von der Wärme, die in ihm verloren geht.
Ein Elektron, das eine Spannung von 1 V durchläuft, gewinnt eine Energie von 1 eV — ein Elektronenvolt. Das ist ein bequemes Maß für Atome und Teilchen. Ein Photon grünen Lichts trägt etwa 2,3 eV, ein Röntgenphoton Zehntausende und ein Proton im Large Hadron Collider 6,8 TeV.
Paar um Paar, Volt um Volt
Links die Säule: von unten nach oben Zink, Kupfer und in Salzwasser getränktes Tuch, Paar um Paar. Daneben die Potentialtreppe: Jedes Paar hebt das Potential um eine Stufe, und im Tuch sinkt es unter Strom ein wenig ab. Ein Draht führt vom oberen Ende der Säule über einen Schalter zur Last und zurück zum unteren Ende. Die blauen Punkte sind Elektronen: Sie laufen vom Zink durch die Last zum Kupfer. Rechts ein Voltmeter an den Enden der Säule. Solange Strom fließt, sammeln sich am Kupfer Wasserstoffbläschen, und die Spannung sinkt langsam. Klicken Sie auf die Szene, um den Schalter zu schließen oder zu öffnen.
Fügen Sie Paare hinzu und beobachten Sie das Voltmeter.
02 · Umrechnung
| Einheit | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
Ein ruhendes Neuron hält etwa −70 mV über einer 5 nm dicken Membran. Das Feld darin beträgt etwa 14 MV/m.
Eine Autobatterie mit 12 V gibt jedem Coulomb 12 J mit. Der Anlasser zieht Hunderte Ampere — Kilowatt an Leistung.
Das Statvolt aus dem CGS-System ist fast 300 V, genauer 299,792 458 V.
03 · Größenordnungen
04 · Messgeräte
05 · Schreibregeln
06 · Benachbarte Einheiten
07 · Historischer Teil
Seit 1990 wird das Volt mit Josephson-Kontakten bewahrt. Ein supraleitender Kontakt unter Mikrowellen der Frequenz f liefert eine Spannung in exakten Stufen f/K_J, wobei K_J = 2e/h die Josephson-Konstante ist. Seit 2019 ist sie exakt: 483 597,848 4 GHz/V. Eine Kette aus Zehntausenden Kontakten liefert 10 V mit einer Unsicherheit von milliardstel Teilen.
Davor diente das Weston-Normalelement als Normal — ein Cadmium-Quecksilber-Gefäß in Form des Buchstabens H. Bei 20 °C lieferte es 1,018 64 V. Das internationale Volt von 1908 erwies sich als 0,034 % größer als das heutige.
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Ein Tropfen Säure ändert die Farbe des Safts, Salz färbt die Flamme, Wasser gefriert durch ein Klopfen. Darunter alle Simetrium-Blätter, nach Fachgebieten und alphabetisch.
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