Volt
Abgeleitete SI-Einheit · Größe: elektrische Spannung
01 · Definition
Volta schichtete Zink, Kupfer und nasse Pappe aufeinander — und erhielt die erste Quelle stetigen Stromes. Vor ihm konnte man Elektrizität nur ansammeln und als Funken entladen.
Ein Volt ist die Spannung, bei der ein Strom von einem Ampere eine Leistung von einem Watt überträgt. Mit anderen Worten: jedes Coulomb Ladung gibt auf diesem Abschnitt ein Joule Arbeit ab. Spannung ist keine Eigenschaft eines Ortes, sondern ein Unterschied zwischen zwei Punkten: das „Potential eines Drahtes“ hat keinen Sinn, solange der zweite Punkt nicht genannt ist, und darum gibt es in jeder Schaltung eine gemeinsame Masse. Die Steckdose liefert 230 V, eine Mignonzelle 1,5 V, eine Nervenzelle im Gehirn arbeitet mit einigen zehn Millivolt, und eine Überlandleitung hält 750 kV. Ein Vogel sitzt auf einer Leitung von Hunderten Kilovolt unversehrt, gerade weil beide Füße auf demselben Potential liegen. Daraus folgt auch, dass sich die Gefahr des Stroms nicht in Volt misst: es tötet der Strom durch den Körper, und die Volt entscheiden nur, ob er durch den Widerstand der Haut fließt. Eine trockene Handfläche bietet etwa hundert Kiloohm, eine nasse tausend, und ein und dieselbe Spannung erweist sich einmal als harmlos und einmal als tödlich.
Die erste Quelle stetigen Stromes war ein Säulchen aus abwechselnd Zink- und Kupferscheiben, zwischen die in Salzlake getränktes Tuch gelegt war. Jedes Paar gab etwa ein Zehntel Volt, und Volta häufte Dutzende von Paaren aufeinander, bis die Entladung in den Fingern zu spüren war. Dasselbe Prinzip gilt noch heute: in einem Akku aus drei Lithiumzellen addieren sich die Spannungen, weil die Zellen in Reihe liegen. Eben dieser Versuch widerlegte die galvanische Theorie der „tierischen Elektrizität“: der Strom kam von den verschiedenartigen Metallen, und der Froschschenkel war nur ein empfindliches Messgerät.
02 · Umrechnung
Spannung eingeben — das Datenblatt legt sie in allen Einheiten aus
Die Vorsätze decken den ganzen Bereich ab, von den Nanovoltsignalen eines Thermoelements bis zu den Megavolt der Überlandleitungen. Das Elektronenvolt in der Tabelle ist keine Spannung, sondern die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen der gegebenen Potentialdifferenz gewinnt.
Die Netzspannung ist eine Wechselspannung, und die Zahl 230 meint den Effektivwert — jene Gleichspannung, die an demselben Widerstand dieselbe Leistung umsetzen würde. Der Scheitelwert der Sinuskurve ist um die Wurzel aus zwei größer und erreicht 325 Volt, der Abstand zwischen den Scheiteln 650. Die Isolierung wird eben auf den Scheitelwert ausgelegt, und darum schlägt ein billiges Gerät, „für 230“ gebaut, schon in der ersten Periode durch.
| Einheit | Name | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|---|
| V | Volt, SI-Einheit | 230 | die Ausgangseinheit dieses Blattes |
| mV | Millivolt | 230000 | Medizin, Messtechnik |
| µV | Mikrovolt | 2,3·10⁸ | die Empfindlichkeitsgrenze der Geräte |
| kV | Kilovolt | 0,23 | Hochspannungstechnik |
| MV | Megavolt | 2,3·10⁻⁴ | Hochenergiephysik |
| eV je Ladung | Energie eines Elektrons, eV | 230 | zahlenmäßig gleich der Spannung |
| statV | Volt des CGS-ESU | 0,7672 | der Faktor ist ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit |
| abV | Abvolt des CGS-EMU | 2,3·10¹⁰ | die kleinste der historischen Einheiten |
| V (int.) | internationales Volt von 1908 | 229,92 | über eine Quecksilbersäule und die Abscheidung von Silber definiert |
| V₉₀ | praktisches Volt von 1990 | 230 | wich um vier Zehnmillionstel ab |
| Weston-Element | in Einheiten des Normalelements | 225,79 | ein Cadmium-Quecksilber-Element im Thermostaten |
| V | Volt | 230 | die Ausgangseinheit dieses Blattes |
Die Vorsätze reichen von Nano- bis Mega-: der Bereich der Spannungen, mit denen die Technik arbeitet, umfasst fünfzehn Größenordnungen. Die Zeile mit dem Elektronenvolt erinnert daran, dass die Energie eines Elektrons zahlenmäßig gleich der durchlaufenen Spannung ist.
03 · Größenordnungen
vom Nanovolt bis zur BlitzentladungDie Steckdose in Europa: 230 Volt
04 · Messgeräte
Womit Spannung gemessen wird
Es wird dem Abschnitt parallel geschaltet und muss einen möglichst großen Widerstand haben, um keinen Strom abzuzweigen. Bei Zeigerinstrumenten liegt er bei einigen zehn Kiloohm, bei digitalen bei zehn Megaohm und darüber; in hochohmigen Schaltungen verfälscht selbst das die Messung merklich.
Die zu messende Spannung wird gegen einen Teil der Spannung eines Normalelements abgeglichen, und man fängt den Augenblick ab, in dem das Galvanometer null zeigt. In diesem Augenblick nimmt das Gerät überhaupt keinen Strom auf, und darum liefert die Methode die wahre Quellenspannung und nicht die Spannung unter Last.
Zwei Widerstände teilen die Spannung in einem bekannten Verhältnis und erlauben es, Kilovolt mit einem Gerät für wenige Volt zu messen. In Hochspannungsanlagen übernimmt ein Spannungswandler dieselbe Rolle und trennt den Messkreis galvanisch vom Leistungskreis.
Ein supraleitender Kontakt, mit Mikrowellen bestrahlt, gibt eine Spannung ab, die streng der Frequenz proportional ist: die Josephson-Konstante rechnet Hertz in Volt um. Ein Feld aus Tausenden Kontakten liefert zehn Volt mit einer Reproduzierbarkeit im Milliardstelbereich — und das ist das heutige Normal.
05 · Schreibregeln
Das Zeichen V ist lateinisch — das russische „В“ taugt hier nicht
Das russische „В“ und das lateinische V sehen verschieden aus, bedeuten aber dasselbe; in internationalen Dokumenten ist nur V zulässig. Der Name der Einheit wird klein geschrieben — „zweihundertdreißig Volt“ —, das Zeichen groß. Millivolt heißt mV, MV dagegen Megavolt: ein Unterschied um das Milliardenfache. Im Wechselstrom sind 230 V der Effektivwert; der Scheitelwert der Sinuskurve liegt um den Faktor √2 höher, also bei 325 V. Die Isolierung wird auf den Scheitelwert ausgelegt.
Das Zeichen der Größe ist ein kursives U oder V, das der Einheit ein aufrechtes V: in U = 230 V tragen Kursive und Aufrechte die Unterscheidung. Das russische Zeichen ist В. Der Vorsatz Kilo- wird mit kleinem k geschrieben: kV, nicht KV. Millivolt und Mikrovolt setzt man mit den üblichen Vorsätzen, das „Voltampere“ dagegen ist bereits eine andere Einheit — die Scheinleistung — und hat mit Spannung nichts zu tun. Elektronenvolt schreibt man zusammen, eV: das ist eine Energieeinheit.
06 · Benachbarte Einheiten
Das Volt steht in der Mitte des ohmschen Gesetzes: Strom, Spannung und Widerstand hängen so zusammen, dass je zwei von ihnen die dritte festlegen.
Von den Datenblättern von Simetrium stehen dem Volt zur Seite Ampere und Ohm aus dem ohmschen Gesetz, Watt als deren Produkt, Coulomb s das Farad aus der Definition der Kapazität, und Elektronenvolt — die nach dieser Einheit benannte Energie.
07 · Historischer Teil
Vom Froschschenkel zur Quantenstufe
Alessandro Volta stritt mit Galvani über die Natur der „tierischen Elektrizität“ und baute, um recht zu behalten, eine Quelle ganz ohne Biologie. Die Säule aus verschiedenartigen Metallen lieferte einen stetigen Strom — den ersten der Geschichte.
Der Internationale Elektrikerkongress definierte das Volt über Ampere und Ohm und benannte die Einheit nach Volta. Die praktische Darstellung blieb einem chemischen Element überlassen, dessen Genauigkeit weit hinter dem zurückblieb, was die Telegrafie verlangte.
Westons Cadmium-Quecksilber-Element hielt seine Spannung auf Mikrovolt genau und wurde für neunzig Jahre zum Normal. Man bewahrte es im Thermostaten auf, ließ ihm keinen Strom entnehmen und transportierte es so behutsam wie ein zerbrechliches Gerät.
Brian Josephson, ein zweiundzwanzigjähriger Doktorand, sagte Spannungsstufen an einem supraleitenden Kontakt voraus. Seit 1990 wird das Volt genau so dargestellt, und die chemischen Elemente sind in die Museen der Metrologie gewandert.
Ein Volt, das mit dem Volt nicht übereinstimmt
Von 1990 bis 2019 lebte die Metrologie mit zwei Volt zugleich. Die Definition im Internationalen System blieb die alte, über Watt und Ampere, dargestellt aber wurde die Einheit über den Josephson-Effekt mit einem vereinbarten Wert der Konstante — und diese praktische Einheit schrieb man V₉₀. Die Abweichung zwischen ihr und dem SI-Volt wurde auf Zehntel Mikrovolt je Volt beziffert: für die Technik verschwindend, für Normalvergleiche entscheidend. Die Neudefinition von 2019 hob die Spaltung auf: Elementarladung und Planck-Konstante wurden zu exakten Zahlen, die Josephson-Konstante ebenso, und die praktische Skala fiel mit der Definition zusammen. Zugleich mussten alle in dreißig Jahren in V₉₀ angesammelten Messungen nachträglich eine Korrektur erhalten — ein seltener Fall, in dem Ergebnisse vergangener Jahre umgerechnet werden, weil sich die Definition einer Einheit geändert hat.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und die Nicht-SI-Einheiten, ohne die weder Technik noch Alltag auskommen. Jede ein eigenes Blatt: Definition, Umrechnung, Messgeräte, Schreibregeln. In 11 Sprachen.
Abgeleitete SI-Einheiten mit eigenem Namen
Datenblatt des Volt geöffnetSI-Basiseinheiten
in Terrakotta — die vier Einheiten, aus denen sich das Volt zusammensetztSpannung in anderen Systemen
Sprache des Datenblatts
11 Sprachen. Das Zeichen V ist international, die Netzspannung dagegen nicht: 230 Volt in Europa, 120 in Nordamerika, 100 in Japan — das Datenblatt setzt den örtlichen Wert ein.