Βολτ
Παράγωγη μονάδα SI · μέγεθος: ηλεκτρική τάση
01 · Ορισμός
Ο Βόλτα στοίβαξε ψευδάργυρο, χαλκό και βρεγμένο χαρτόνι — και πήρε την πρώτη πηγή συνεχούς ρεύματος. Πριν από αυτόν τον ηλεκτρισμό ήξεραν μόνο να τον συσσωρεύουν και να τον εκφορτίζουν σε σπίθα.
Ένα βολτ είναι η τάση με την οποία ρεύμα ενός αμπέρ μεταφέρει ισχύ ενός βατ. Με άλλα λόγια, κάθε κουλόμπ φορτίου που περνά από ένα τέτοιο τμήμα αποδίδει ένα τζάουλ έργου. Η τάση δεν είναι ιδιότητα ενός τόπου αλλά διαφορά ανάμεσα σε δύο σημεία: το «δυναμικό ενός σύρματος» δεν σημαίνει τίποτα όσο δεν έχει οριστεί το δεύτερο σημείο, και γι’ αυτό κάθε κύκλωμα έχει κοινή γείωση. Η πρίζα δίνει 230 V, μια μπαταρία στήλης 1,5 V, ένας νευρώνας στον εγκέφαλο δουλεύει σε δεκάδες μιλιβόλτ, και μια γραμμή μεταφοράς αντέχει 750 kV. Ένα πουλί κάθεται ανέπαφο σε γραμμή εκατοντάδων κιλοβόλτ ακριβώς επειδή και τα δύο πόδια του βρίσκονται στο ίδιο δυναμικό. Από εδώ προκύπτει επίσης ότι ο κίνδυνος του ηλεκτρισμού δεν μετριέται σε βολτ: σκοτώνει το ρεύμα μέσα από το σώμα, και τα βολτ κρίνουν μόνο αν αυτό θα περάσει από την αντίσταση του δέρματος. Μια στεγνή παλάμη δίνει κάπου εκατό κιλοόμ, μια βρεγμένη χίλια, και η ίδια ακριβώς τάση αποδεικνύεται πότε αβλαβής και πότε θανατηφόρα.
Η πρώτη πηγή συνεχούς ρεύματος ήταν μια στηλίτσα από εναλλασσόμενους δίσκους ψευδαργύρου και χαλκού, με τσόχα βουτηγμένη σε άλμη ανάμεσά τους. Κάθε ζεύγος έδινε περίπου ένα δέκατο του βολτ, και ο Βόλτα στοίβαζε δεκάδες ζεύγη ώσπου η εκκένωση άρχιζε να γίνεται αισθητή στα δάχτυλα. Η ίδια αρχή ισχύει και σήμερα: σε μια μπαταρία από τρία στοιχεία λιθίου οι τάσεις αθροίζονται, επειδή τα στοιχεία είναι συνδεδεμένα σε σειρά. Αυτό ακριβώς το πείραμα ανέτρεψε τη γαλβανική θεωρία του «ζωικού ηλεκτρισμού»: το ρεύμα ερχόταν από τα ανόμοια μέταλλα, και το πόδι του βατράχου ήταν μόνο ένα ευαίσθητο όργανο.
02 · Μετατροπή
Δώστε μια τάση — το δελτίο θα την αναλύσει σε όλες τις μονάδες
Τα προθέματα καλύπτουν όλο το εύρος, από τα σήματα των νανοβόλτ ενός θερμοζεύγους ως τα μεγαβόλτ των γραμμών μεταφοράς. Το ηλεκτρονιοβόλτ στον πίνακα δεν είναι τάση αλλά η ενέργεια που παίρνει ένα ηλεκτρόνιο διασχίζοντας τη δοσμένη διαφορά δυναμικού.
Η τάση της πρίζας είναι εναλλασσόμενη, και ο αριθμός 230 σημαίνει την ενεργό τιμή — εκείνη τη συνεχή τάση που θα απέδιδε την ίδια ισχύ στην ίδια αντίσταση. Η κορυφή του ημιτόνου είναι κατά ρίζα δύο μεγαλύτερη και φτάνει τα 325 βολτ, ενώ το άνοιγμα ανάμεσα στις κορυφές είναι 650. Η μόνωση υπολογίζεται ακριβώς για την κορυφή, και γι’ αυτό μια φτηνή συσκευή φτιαγμένη «για 230» διασπάται ήδη στην πρώτη περίοδο.
| Μονάδα | Όνομα | Τιμή | Πού απαντάται |
|---|---|---|---|
| V | βολτ, μονάδα SI | 230 | η αφετηριακή μονάδα αυτού του δελτίου |
| mV | μιλιβόλτ | 230000 | ιατρική, όργανα μέτρησης |
| µV | μικροβόλτ | 2,3·10⁸ | το όριο ευαισθησίας των οργάνων |
| kV | κιλοβόλτ | 0,23 | τεχνολογία υψηλής τάσης |
| MV | μεγαβόλτ | 2,3·10⁻⁴ | φυσική υψηλών ενεργειών |
| eV ανά φορτίο | ενέργεια ενός ηλεκτρονίου, eV | 230 | αριθμητικά ίση με την τάση |
| statV | βολτ του CGS-ES | 0,7672 | ο συντελεστής είναι το ένα δέκατο της ταχύτητας του φωτός |
| abV | αμπβόλτ του CGS-EM | 2,3·10¹⁰ | η μικρότερη από τις ιστορικές μονάδες |
| V (int.) | διεθνές βολτ του 1908 | 229,92 | οριζόταν με στήλη υδραργύρου και εναπόθεση αργύρου |
| V₉₀ | πρακτικό βολτ του 1990 | 230 | απέκλινε κατά τέσσερα δεκάκις εκατομμυριοστά |
| στοιχείο Ουέστον | σε μονάδες του πρότυπου στοιχείου | 225,79 | στοιχείο καδμίου-υδραργύρου σε θερμοστάτη |
| V | βολτ | 230 | η αφετηριακή μονάδα αυτού του δελτίου |
Τα προθέματα πάνε από νανο- ως μεγα-: το εύρος των τάσεων με τις οποίες δουλεύει η τεχνική καλύπτει δεκαπέντε τάξεις μεγέθους. Η γραμμή με το ηλεκτρονιοβόλτ θυμίζει ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου είναι αριθμητικά ίση με την τάση που διέσχισε.
03 · Τάξεις μεγέθους
από το νανοβόλτ ως την εκκένωση καταιγίδαςΗ πρίζα στην Ευρώπη: 230 βολτ
04 · Όργανα μέτρησης
Με τι μετριέται η τάση
Συνδέεται παράλληλα στο τμήμα και πρέπει να έχει όσο γίνεται μεγαλύτερη αντίσταση, ώστε να μην τραβά ρεύμα. Στα όργανα με βελόνα είναι της τάξης δεκάδων κιλοόμ, στα ψηφιακά δέκα μεγαόμ και άνω· σε κυκλώματα υψηλής αντίστασης ακόμη κι αυτό αλλοιώνει αισθητά τη μέτρηση.
Η τάση που μετριέται εξισορροπείται με μέρος της τάσης ενός πρότυπου στοιχείου και πιάνεται η στιγμή που το γαλβανόμετρο δείχνει μηδέν. Εκείνη τη στιγμή το όργανο δεν τραβά καθόλου ρεύμα, και γι’ αυτό η μέθοδος δίνει την αληθινή ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής και όχι την τάση υπό φορτίο.
Δύο αντιστάσεις μοιράζουν την τάση σε γνωστό λόγο, επιτρέποντας να μετρηθούν κιλοβόλτ με όργανο λίγων βολτ. Σε γραμμές υψηλής τάσης τον ίδιο ρόλο παίζει ένας μετασχηματιστής τάσης, που χωρίζει γαλβανικά το κύκλωμα μέτρησης από αυτό της ισχύος.
Μια υπεραγώγιμη επαφή που ακτινοβολείται με μικροκύματα δίνει τάση αυστηρά ανάλογη της συχνότητας: η σταθερά Τζόζεφσον μετατρέπει τα χερτζ σε βολτ. Ένας πίνακας από χιλιάδες επαφές δίνει δέκα βολτ με επαναληψιμότητα στα δισεκατομμυριοστά — και αυτό είναι το σημερινό πρότυπο.
05 · Κανόνες γραφής
Το σύμβολο V είναι λατινικό — το ρωσικό «В» δεν κάνει εδώ
Το ρωσικό «В» και το λατινικό V φαίνονται διαφορετικά αλλά σημαίνουν το ίδιο· σε διεθνή έγγραφα επιτρέπεται μόνο το V. Το όνομα της μονάδας γράφεται με πεζά — «διακόσια τριάντα βολτ» — και το σύμβολο με κεφαλαίο. Το μιλιβόλτ είναι mV, ενώ το MV είναι μεγαβόλτ: διαφορά ενός δισεκατομμυρίου φορών. Στο εναλλασσόμενο ρεύμα τα 230 V είναι η ενεργός τιμή· η κορυφή του ημιτόνου είναι υψηλότερη κατά √2, δηλαδή 325 V. Η μόνωση υπολογίζεται για την κορυφή.
Το σύμβολο του μεγέθους είναι πλάγιο U ή V, της μονάδας όρθιο V: στο U = 230 V τα πλάγια και τα όρθια κρατούν τη διάκριση. Το ρωσικό σύμβολο είναι В. Το πρόθεμα κιλο- γράφεται με πεζό k: kV, όχι KV. Το μιλιβόλτ και το μικροβόλτ στοιχειοθετούνται με τα συνήθη προθέματα, ενώ το «βολτ-αμπέρ» είναι ήδη άλλη μονάδα — η φαινόμενη ισχύς — και δεν έχει σχέση με την τάση. Το ηλεκτρονιοβόλτ γράφεται ενιαία, eV: είναι μονάδα ενέργειας.
06 · Γειτονικές μονάδες
Το βολτ στέκει στη μέση του νόμου του Ωμ: ρεύμα, τάση και αντίσταση συνδέονται έτσι ώστε οποιαδήποτε δύο να ορίζουν το τρίτο.
Από τα δελτία του Simetrium γειτονεύουν με το βολτ αμπέρ και ωμ από τον νόμο του Ωμ, βατ ως γινόμενό τους, κουλόμπ s το φαράντ από τον ορισμό της χωρητικότητας, και ηλεκτρονιοβόλτ — η ενέργεια που πήρε το όνομά της από αυτή τη μονάδα.
07 · Ιστορικό μέρος
Από το πόδι του βατράχου στο κβαντικό σκαλοπάτι
Ο Αλεσάντρο Βόλτα διαφωνούσε με τον Γκαλβάνι για τη φύση του «ζωικού ηλεκτρισμού» και, για να αποδείξει ότι είχε δίκιο, συναρμολόγησε μια πηγή δίχως καθόλου βιολογία. Η στήλη από ανόμοια μέταλλα έδινε συνεχές ρεύμα — το πρώτο στην ιστορία.
Το Διεθνές Συνέδριο Ηλεκτρολόγων όρισε το βολτ μέσω του αμπέρ και του ωμ, δίνοντας στη μονάδα το όνομα του Βόλτα. Η πρακτική υλοποίηση έμεινε σε ένα χημικό στοιχείο, του οποίου η ακρίβεια υπολειπόταν κατά πολύ από όσα ζητούσε η τηλεγραφία.
Το στοιχείο καδμίου-υδραργύρου του Ουέστον κρατούσε την τάση του με ακρίβεια μικροβόλτ και έγινε πρότυπο για ενενήντα χρόνια. Το φύλαγαν σε θερμοστάτη, δεν το άφηναν να δίνει ρεύμα και το μετέφεραν με την προσοχή που ταιριάζει σε εύθραυστο όργανο.
Ο Μπράιαν Τζόζεφσον, υποψήφιος διδάκτορας είκοσι δύο ετών, προέβλεψε σκαλοπάτια τάσης σε υπεραγώγιμη επαφή. Από το 1990 το βολτ υλοποιείται ακριβώς έτσι, και τα χημικά στοιχεία πήγαν στα μουσεία της μετρολογίας.
Ένα βολτ που δεν συμφωνεί με το βολτ
Από το 1990 ως το 2019 η μετρολογία ζούσε με δύο βολτ ταυτόχρονα. Ο ορισμός στο Διεθνές Σύστημα έμενε ο παλιός, μέσω του βατ και του αμπέρ, αλλά η μονάδα υλοποιούνταν με το φαινόμενο Τζόζεφσον με συμβατικά αποδεκτή τιμή της σταθεράς — και αυτή την πρακτική μονάδα τη σημείωναν V₉₀. Η απόκλιση ανάμεσα σε αυτήν και στο βολτ του SI υπολογιζόταν σε δέκατα του μικροβόλτ ανά βολτ: μέγεθος αμελητέο για την τεχνική και καθοριστικό για τις συγκρίσεις προτύπων. Ο νέος ορισμός του 2019 εξάλειψε το σχίσμα: το φορτίο του ηλεκτρονίου και η σταθερά Πλανκ έγιναν ακριβείς αριθμοί, μαζί τους και η σταθερά Τζόζεφσον, κι έτσι η πρακτική κλίμακα συνέπεσε με τον ορισμό. Ταυτόχρονα, σε τριάντα χρόνια μετρήσεων συσσωρευμένων σε V₉₀ χρειάστηκε να δοθεί αναδρομικά διόρθωση — σπάνια περίπτωση όπου αποτελέσματα περασμένων ετών ξαναϋπολογίζονται επειδή άλλαξε ο ορισμός μιας μονάδας.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα δελτίο για κάθε μέγεθος
Επτά θεμελιώδεις μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και οι μονάδες εκτός συστήματος χωρίς τις οποίες δεν τα βγάζει πέρα ούτε η τεχνική ούτε η καθημερινότητα. Καθεμιά έχει το φύλλο της: ορισμός, μετατροπή, όργανα, κανόνες γραφής. Σε 23 γλώσσες.
Παράγωγες μονάδες SI με δικό τους όνομα
το δελτίο του βολτ είναι ανοιχτόΘεμελιώδεις μονάδες SI
με τερακότα — οι τέσσερις μονάδες από τις οποίες συντίθεται το βολτΗ τάση σε άλλα συστήματα
Γλώσσα του δελτίου
23 γλώσσες. Το σύμβολο V είναι διεθνές, η τάση της πρίζας όμως όχι: 230 βολτ στην Ευρώπη, 120 στη Βόρεια Αμερική, 100 στην Ιαπωνία — το δελτίο βάζει την τοπική τιμή.