ボルト
1791年、ルイージ・ガルヴァーニがカエルの脚に二種類の金属を触れさせると、脚がぴくりと動いた。ガルヴァーニは、電気はカエル自身の中にあると考えた。アレッサンドロ・ボルタは、原因は金属にあると考えた。それを示すため、ボルタは1800年、銅と亜鉛の円板を、塩水に浸した布をはさみながら積み重ねた。この電堆は、カエルなしで電流を生み出した。
これが最初の電池だった。1881年、電圧の単位はボルタにちなんで名づけられた。一ボルトは一クーロンあたり一ジュール、つまり電荷一クーロンが電源を通るときに得るエネルギーである。単三電池は1.5 V、コンセントは230 V、送電線は数百キロボルトになる。
| 記号 | V |
| 定義 | ジュール毎クーロン · J/C · W/A · kg·m²·s⁻³·A⁻¹ |
| 参考値 | K_J — 483 597.848 4 GHz/V · ウェストン電池 — 1.018 64 V · 1 eV — 1.602·10⁻¹⁹ J |
| 導入 | 1881年、国際電気会議 · 1960年からSI |
| 規格 | ISO 80000-6 · IEC 60050-131 · SI Brochure 9th ed. |
| 代表的な値 | 1.5 V — 乾電池 · 230 V — コンセント · 400 kV — 送電線 |
01 · 定義
一クーロンごとに一ジュール
電圧Uは、電荷が回路のある点から別の点へ移るときに、どれだけのエネルギーを得たり手放したりするかを表す。一ボルトは一クーロンあたり一ジュール。1.5 Vの電池は一クーロンごとに一ジュール半を与え、回路の電球がそれを受け取って光と熱に変える。
電圧はいつも二点のあいだで測る。電圧計は区間の両端につなぎ、回路を切ってその間に入れることはしない。区間を流れる電流は電圧を抵抗で割った値になる。これがオームの法則だ。
送電線はなぜ数百キロボルトなのか
電気ケトルには2 kWの電力が要る。それは高い電圧と小さな電流でも、低い電圧と大きな電流でも送れる。電力は電圧と電流の積だ。電源からケトルまでの導線の抵抗は1 Ω、断面1 mm²の銅線にしておよそ60 mにあたる。青い点は電流で、速く動くほど電流が大きい。導線は、その中で失われる熱で赤くなる。
1 Vの電圧を通り抜けた電子は1 eV、つまり一電子ボルトのエネルギーを得る。原子や粒子を扱うのに便利な目安だ。緑の光の光子は約2.3 eV、X線の光子は数万電子ボルト、大型ハドロン衝突型加速器の陽子は6.8 TeVになる。
一組ずつ、一ボルトずつ
左は電堆で、下から上へ亜鉛、銅、塩水に浸した布が一組ずつ重なっている。その横は電位のはしごだ。一組ごとに電位が一段上がり、電流が流れているあいだは布の中で少し下がる。導線は電堆の上からスイッチを通って負荷へ行き、電堆の下へ戻る。青い点は電子で、亜鉛から負荷を通って銅へ向かう。右は電堆の両端につないだ電圧計。電流が流れるあいだ銅に水素の泡がたまり、電圧はゆっくり下がっていく。画面をクリックすると、スイッチを入れたり切ったりできる。
組を増やして、電圧計を見てみよう。
02 · 換算
| 単位 | 値 | どこで出会うか |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
静止状態の神経細胞は、厚さ5 nmの膜をはさんで約−70 mVを保っている。膜の中の電場は約14 MV/mになる。
12 Vの自動車用バッテリーは一クーロンごとに12 Jを与える。スターターは数百アンペアを流し、電力は数キロワットにもなる。
CGS単位系のスタットボルトはほぼ300 V、正確には299.792 458 Vである。
03 · 桁の並び
04 · 測定器
05 · 表記の規則
06 · 隣り合う単位
07 · 歴史の部
1990年から、ボルトはジョセフソン接合で維持されている。周波数fのマイクロ波を当てた超伝導接合は、厳密にf/K_Jずつの段で電圧を生む。ここでK_J = 2e/hはジョセフソン定数だ。2019年からこの定数は正確な値になった：483 597.848 4 GHz/V。数万個の接合をつないだ列は、十億分の数の誤差で10 Vを生み出す。
それ以前の標準はウェストン標準電池で、H字形のガラス容器に入ったカドミウムと水銀の電池だった。20 °Cで1.018 64 Vを生んだ。1908年の国際ボルトは、現在のボルトより0.034 %大きかったことがわかっている。
酸を一滴たらすとジュースの色が変わり、塩は炎に色をつけ、水はひとたたきで凍る。その下に、Simetrium のすべてのページが分野別・五十音順に並ぶ。
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