볼트
1791년 루이지 갈바니가 두 가지 다른 금속을 개구리 다리에 대자 다리가 움찔했다. 갈바니는 전기가 개구리 자체에 깃들어 있다고 생각했다. 알레산드로 볼타는 원인이 금속에 있다고 보았다. 이를 보이려고 볼타는 1800년에 구리 원판과 아연 원판을 소금물에 적신 천을 사이에 끼워 가며 쌓았다. 이 전퇴는 개구리 없이도 전류를 냈다.
이것이 최초의 전지였다. 1881년 전압의 단위에 볼타의 이름이 붙었다. 1볼트는 쿨롱당 1줄, 곧 전하 1쿨롱이 전원을 지나며 얻는 에너지다. AA 건전지는 1.5 V, 콘센트는 230 V, 송전선은 수백 킬로볼트이다.
| 기호 | V |
| 정의 | 쿨롱당 줄 · J/C · W/A · kg·m²·s⁻³·A⁻¹ |
| 기준값 | K_J — 483 597.848 4 GHz/V · 웨스턴 전지 — 1.018 64 V · 1 eV — 1.602·10⁻¹⁹ J |
| 도입 | 1881년, 국제전기회의 · 1960년부터 SI |
| 규격 | ISO 80000-6 · IEC 60050-131 · SI Brochure 9th ed. |
| 대표 값 | 1.5 V — 건전지 · 230 V — 콘센트 · 400 kV — 송전선 |
01 · 정의
쿨롱마다 줄 하나씩
전압 U는 전하가 회로의 한 점에서 다른 점으로 옮겨 갈 때 에너지를 얼마나 얻거나 내놓는지를 나타낸다. 1볼트는 쿨롱당 1줄이다. 1.5 V 건전지는 쿨롱마다 1줄 반을 주고, 회로의 전구는 그 에너지를 받아 빛과 열로 바꾼다.
전압은 언제나 두 점 사이에서 잰다. 전압계는 구간의 양 끝에 연결하며, 회로를 끊고 그 사이에 넣지 않는다. 구간을 흐르는 전류는 전압을 저항으로 나눈 값이다. 이것이 옴의 법칙이다.
송전선에 왜 수백 킬로볼트가 흐를까
전기 주전자에는 2 kW의 전력이 필요하다. 이 전력은 높은 전압과 작은 전류로도, 낮은 전압과 큰 전류로도 보낼 수 있다. 전력은 전압과 전류의 곱이다. 전원에서 주전자까지의 도선은 저항이 1 Ω으로, 단면적 1 mm²의 구리선 약 60 m에 해당한다. 파란 점은 전류다. 빨리 움직일수록 전류가 크다. 도선은 그 안에서 잃는 열 때문에 붉어진다.
1 V의 전압을 지난 전자는 1 eV, 곧 전자볼트 하나만큼의 에너지를 얻는다. 원자와 입자를 다룰 때 편리한 척도다. 초록빛 광자는 약 2.3 eV, X선 광자는 수만 전자볼트, 대형 강입자 충돌기의 양성자는 6.8 TeV를 가진다.
한 쌍씩, 한 볼트씩
왼쪽은 전퇴다. 아래에서 위로 아연, 구리, 소금물에 적신 천이 한 쌍씩 쌓여 있다. 그 옆은 전위 사다리다. 쌍마다 전위가 한 계단 올라가고, 전류가 흐르는 동안에는 천 속에서 조금 내려앉는다. 도선은 전퇴 꼭대기에서 스위치를 거쳐 부하로 가고, 다시 전퇴 아래로 돌아온다. 파란 점은 전자로, 아연에서 부하를 지나 구리로 간다. 오른쪽은 전퇴 양 끝에 연결한 전압계다. 전류가 흐르는 동안 구리에 수소 거품이 쌓여 전압이 천천히 떨어진다. 화면을 클릭하면 스위치를 닫거나 열 수 있다.
쌍을 늘리며 전압계를 지켜보자.
02 · 환산
| 단위 | 값 | 어디서 만나는가 |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
휴지 상태의 뉴런은 두께 5 nm의 막을 사이에 두고 약 −70 mV를 유지한다. 막 속의 전기장은 약 14 MV/m이다.
12 V 자동차 배터리는 쿨롱마다 12 J을 준다. 시동 모터는 수백 암페어를 끌어 쓰니, 전력이 수 킬로와트에 이른다.
CGS 단위계의 스타트볼트는 거의 300 V, 정확히는 299.792 458 V이다.
03 · 크기의 차수
04 · 측정 기기
05 · 표기 규칙
06 · 이웃 단위
07 · 역사 부문
1990년부터 볼트는 조지프슨 접합으로 유지된다. 주파수 f의 마이크로파를 쬔 초전도 접합은 정확히 f/K_J씩의 계단으로 전압을 낸다. 여기서 K_J = 2e/h는 조지프슨 상수다. 2019년부터 이 상수는 정확한 값이다: 483 597.848 4 GHz/V. 접합 수만 개를 이은 사슬은 십억분의 몇 수준의 오차로 10 V를 낸다.
그 전에는 웨스턴 표준 전지가 표준이었다. H자 모양 유리 용기에 담긴 카드뮴-수은 전지다. 20 °C에서 1.018 64 V를 냈다. 1908년의 국제 볼트는 오늘날의 볼트보다 0.034 % 큰 것으로 밝혀졌다.
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