Вольт

Единица напряжения, производная от СИ

Вольт (символ: В ) — единица измерения электрического потенциала , разности электрических потенциалов ( напряжения ) и электродвижущей силы в Международной системе единиц (СИ) . ^[1]

Определение

Один вольт определяется как электрический потенциал между двумя точками проводящего провода , когда электрический ток силой в один ампер рассеивает один ватт мощности между этими точками. ^[2] Его можно выразить в терминах основных единиц СИ ( м , кг , с и А ) как

${\displaystyle {\text{V}}={\frac {\text{power}}{\text{electric current}}}={\frac {\text{W}}{\text{A}}}={\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-3}}{\text{A}}}={\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-3}{\cdot }{{\text{A}}^{-1}}.}$

Эквивалентно, это разность потенциалов между двумя точками, которая будет передавать один джоуль энергии на кулон заряда, проходящего через нее. Это может быть выражено в терминах основных единиц СИ ( м , кг , с и А ) как

${\displaystyle {\text{V}}={\frac {\text{potential energy}}{\text{charge}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-2}}{{\text{A}}{\cdot }{\text{s}}}}={\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-3}{\cdot }{{\text{A}}^{-1}}.}$

Его также можно выразить как амперы на омы (ток на сопротивление, закон Ома ), веберы в секунду (магнитный поток за единицу времени), ватты на ампер (мощность на ток) или джоули на кулон (энергия на заряд), что также эквивалентно электронвольтам на элементарный заряд :

${\displaystyle {\text{V}}={\text{A}}{\cdot }\Omega ={\frac {\text{Wb}}{\text{s}}}={\frac {\text{W}}{\text{A}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {\text{eV}}{e}}.}$

Вольт назван в честь Алессандро Вольта . Как и каждая единица СИ , названная в честь человека, его символ начинается с заглавной буквы (V), но при написании полностью он следует правилам написания заглавных букв нарицательных существительных ; то есть вольт пишется с заглавной буквы в начале предложения и в заголовках, но в остальном пишется строчной буквой.

Определение перехода Джозефсона

Исторически « условный » вольт, V ₉₀ , определенный в 1987 году 18-й Генеральной конференцией по мерам и весам ^[3] и использовавшийся с 1990 по 2019 год, был реализован с использованием эффекта Джозефсона для точного преобразования частоты в напряжение в сочетании с цезиевым стандартом частоты . Хотя эффект Джозефсона по-прежнему используется для реализации вольта, используемая константа немного изменилась.

Для постоянной Джозефсона , K _J = 2 e / h (где e — элементарный заряд , а h — постоянная Планка ), для определения вольта использовалось «условное» значение K _{J-90 = 0,4835979 ГГц/мкВ. В результате} пересмотра СИ 2019 года , по состоянию на 2019 год постоянная Джозефсона имеет точное значение K _J =483 597 .848 416 98 ... ГГц/В , которое заменило общепринятое значение K _J-90 .

Этот стандарт обычно реализуется с использованием последовательно соединенной решетки из нескольких тысяч или десятков тысяч переходов , возбуждаемых микроволновыми сигналами в диапазоне от 10 до 80 ГГц (в зависимости от конструкции решетки). ^[4] Эмпирически несколько экспериментов показали, что метод не зависит от конструкции устройства, материала, измерительной установки и т. д., и для практической реализации не требуются никакие поправочные коэффициенты. ^[5]

Аналогия с потоком воды

В аналогии с потоком воды , иногда используемой для объяснения электрических цепей путем сравнения их с трубами, заполненными водой, напряжение (разница в электрическом потенциале) сравнивается с разницей в давлении воды , в то время как ток пропорционален количеству текущей воды. Резистором будет уменьшенное отверстие в трубе или что-то вроде радиатора, оказывающего сопротивление потоку.

Соотношение между напряжением и током определяется (в омических устройствах, таких как резисторы ) законом Ома . Закон Ома аналогичен уравнению Хагена–Пуазейля , поскольку оба являются линейными моделями, связывающими поток и потенциал в соответствующих системах.

Общие напряжения

Для измерения напряжения между двумя позициями можно использовать мультиметр .

Батарейки типа C напряжением 1,5 В

Напряжение, вырабатываемое каждой электрохимической ячейкой в ​​батарее, определяется химией этой ячейки (см. Гальваническая ячейка § Напряжение ячейки ). Ячейки могут быть объединены последовательно для получения кратного этому напряжению или для добавления дополнительных схем для регулировки напряжения до другого уровня. Механические генераторы обычно могут быть сконструированы для любого напряжения в диапазоне осуществимости.

Номинальные напряжения известных источников:

• Потенциал покоя нервной клетки : ~75 мВ ^[6]
• Одноэлементная перезаряжаемая NiMH ^[7] или NiCd батарея: 1,2 В
• Одноэлементная, неперезаряжаемая (например, элементы AAA, AA, C и D ): щелочная батарея : 1,5 В; ^[8] угольно-цинковая батарея : 1,56 В, если новая и неиспользованная
• Уровни логического напряжения : 1,2 В, 1,5 В, 1,8 В, 2,5 В, 3,3 В, 5,0 В
• Аккумулятор LiFePO _{4 : 3,3 В}
• Литий-полимерная аккумуляторная батарея на основе кобальта : 3,75 В (см. Сравнение коммерческих типов батарей )
• Питание транзисторно-транзисторной логики / КМОП (ТТЛ): 5 В
• USB : 5 В постоянного тока
• Батарея PP3 : 9 В
• Автомобильные аккумуляторные системы имеют напряжение 2,1 вольта на ячейку; батарея «12 В» состоит из 6 ячеек или 12,6 В; батарея «24 В» состоит из 12 ячеек или 25,2 В. В некоторых старинных транспортных средствах используются батареи «6 В» из 3 ячеек или 6,3 вольта.
• Бытовая электросеть переменного тока : (см. Список стран с розетками, напряжением и частотой электропитания )
  • 100 В в Японии,
  • 120 В в Северной Америке,
  • 230 В в Европе, Азии, Африке и Австралии
• Третий рельс скоростного транспорта : 600–750 В (см. Список систем электрификации железных дорог )
• Воздушные линии электропередачи высокоскоростных поездов: 25 кВ при 50 Гц , но см. Перечень систем электрификации железных дорог и 25 кВ при 60 Гц для исключений.
• Высоковольтные линии электропередачи : 110 кВ и выше (рекорд – 1,15 МВ; наибольшее действующее напряжение – 1,10 МВ ^[9] )
• Молния : максимум около 150 МВ. ^[10]

История

Алессандро Вольта

Групповая фотография Германа Гельмгольца , его жены (сидит) и друзей-ученых Гуго Кронекера (слева), Томаса Корвина Менденхолла (справа), Генри Вилларда (в центре) во время Международного электрического конгресса

В 1800 году в результате профессионального разногласия по поводу гальванического отклика, пропагандируемого Луиджи Гальвани , Алессандро Вольта разработал так называемый вольтов столб , предшественника батареи , который производил постоянный электрический ток . Вольта определил, что наиболее эффективной парой разнородных металлов для производства электричества являются цинк и серебро . В 1861 году Латимер Кларк и сэр Чарльз Брайт придумали название «вольт» для единицы сопротивления. ^[11] К 1873 году Британская ассоциация содействия развитию науки определила вольт, ом и фарад. ^[12] В 1881 году Международный электрический конгресс, ныне Международная электротехническая комиссия (МЭК), утвердил вольт в качестве единицы электродвижущей силы. ^[13] Они сделали вольт равным 10 ⁸ единицам напряжения СГС , система СГС в то время была общепринятой системой единиц в науке. Они выбрали такое соотношение, поскольку единица измерения напряжения в системе СГС неудобно мала, а один вольт в этом определении приблизительно равен ЭДС элемента Даниэля , стандартного источника напряжения в телеграфных системах того времени. ^[14] В то время вольт определялся как разность потенциалов [т. е. то, что в настоящее время называется «напряжением (разницей)»] на проводнике, когда ток в один ампер рассеивает один ватт мощности.

«Международный вольт» был определен в 1893 году как 1 ⁄ 1,434 ЭДС ячейки Кларка . Это определение было оставлено в 1908 году в пользу определения, основанного на международном оме и международном ампере , пока весь набор «воспроизводимых единиц» не был оставлен в 1948 году. ^[15]

Пересмотр СИ 2019 года , включая определение значения элементарного заряда , вступил в силу 20 мая 2019 года. ^[16]

Смотрите также

• Энергетический портал

• Порядки величины (напряжение)
• Напряжение тяги рельса
• Единицы измерения электромагнетизма в системе СИ
• Префикс СИ для префиксов единиц
• Стандартизированные напряжения на железной дороге
• Вольтметр

Ссылки

1. "Брошюра SI, Таблица 3 (Раздел 2.2.2)". BIPM. 2006. Архивировано из оригинала 2007-06-18 . Получено 2007-07-29 .
2. Брошюра BIPM SI: Приложение 1, стр. 144.
3. «Резолюции CGPM: 18-е заседание (12–15 октября 1987 г.)».
4. Берроуз, Чарльз Дж.; Бент, Сэмюэл П.; Харви, Тодд Э.; Гамильтон, Кларк А. (1999-06-01), "Программируемый стандарт напряжения Джозефсона на 1 В постоянного тока", IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 9 (3), Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 4145–4149, Bibcode : 1999ITAS....9.4145B, doi : 10.1109/77.783938, ISSN  1051-8223, S2CID  12970127
5. Келлер, Марк В. (2008-01-18), "Текущий статус треугольника квантовой метрологии" (PDF) , Metrologia , 45 (1): 102–109, Bibcode :2008Metro..45..102K, doi :10.1088/0026-1394/45/1/014, ISSN  0026-1394, S2CID  122008182, заархивировано из оригинала (PDF) 2010-05-27 , извлечено 2010-04-11 , Теоретически, нет текущих прогнозов для каких-либо поправочных членов. Эмпирически несколько экспериментов показали, что K _J и R _K не зависят от конструкции устройства, материала, измерительной установки и т. д. Эта демонстрация универсальности согласуется с точностью соотношений, но не доказывает ее напрямую.
6. Буллок, Орканд и Гриннелл, стр. 150–151; Юнге, стр. 89–90; Шмидт-Нильсен, с. 484.
7. Хоровиц, Пол; Уинфилд, Хилл (2015). Искусство электроники (3-е изд.). Кембридж [ua]: Cambridge Univ. Press. стр. 689. ISBN 978-0-521-809269.
8. SK Loo; Keith Keller (август 2004 г.). «Характеристики разряда одноэлементной батареи с использованием повышающего преобразователя TPS61070» (PDF) . Texas Instruments. Архивировано (PDF) из оригинала 15 октября 2023 г.
9. "Самая большая в мире линия сверхвысокого напряжения заработала через Китай" . Bloomberg . 1 января 2019 г. Получено 7 января 2020 г.
10. Пол Х. Риск (26 июня 2013 г.). «Молния – Высоковольтная природа». RiskVA .
11. В качестве названий единиц различных электрических величин Брайт и Кларк предложили «ома» для напряжения, «фарад» для заряда, «гальват» для тока и «вольт» для сопротивления. См.:
    • Латимер Кларк и сэр Чарльз Брайт (1861) «О формировании стандартов электрической величины и сопротивления», Отчет тридцать первого заседания Британской ассоциации содействия развитию науки (Манчестер, Англия: сентябрь 1861 г.), раздел: Математика и физика, стр. 37-38.
    • Латимер Кларк и сэр Чарльз Брайт (9 ноября 1861 г.) «Измерение электрических величин и сопротивления», The Electrician , 1 (1): 3–4.
12. Сэр В. Томсон и др. (1873) «Первый отчет Комитета по выбору и номенклатуре динамических и электрических единиц», Отчет 43-го заседания Британской ассоциации содействия развитию науки (Брэдфорд, сентябрь 1873 г.), стр. 222-225. Со стр. 223: ««Ом», представленный исходной стандартной катушкой, составляет приблизительно 10 ⁹ единиц сопротивления СГС; «вольт» составляет приблизительно 10 ⁸ единиц электродвижущей силы СГС; а «фарад» составляет приблизительно 1/10 ⁹ единицы емкости СГС».
13. (Анон.) (24 сентября 1881 г.) «Электрический конгресс», The Electrician , 7  : 297.
14. Хамер, Уолтер Дж. (15 января 1965 г.). Стандартные элементы: их конструкция, обслуживание и характеристики (PDF) . Монография Национального бюро стандартов № 84. Национальное бюро стандартов США.
15. "Пересмотренные значения для электрических единиц" (PDF) . Bell Laboratories Record . XXV (12): 441. Декабрь 1947 г.
16. Проект резолюции A «О пересмотре Международной системы единиц (СИ)», который будет представлен на 26-м заседании CGPM (2018 г.) (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) 29-04-2018 , извлечено 02-11-2018

Внешние ссылки

• История электроагрегатов.