Вольт

Производная единица напряжения СИ

Вольт (обозначение: 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 в один ампер рассеивает один ватт мощности между этими точками. ^[2] Его можно выразить в базовых единицах СИ ( м , кг , с и А ) как

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

Другими словами, это разность потенциалов между двумя точками , которая передаст один джоуль энергии на кулон заряда, проходящего через нее. Его можно выразить в базовых единицах 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, умноженные на омы (ток, умноженный на сопротивление, закон Ома ), Вебер в секунду (магнитный поток на время), 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 любая единица СИ , названная в честь человека, ее символ начинается с заглавной буквы (V), но при написании полностью он соответствует правилам написания заглавных букв нарицательного существительного ; т. е. слово «вольт» пишется с заглавной буквы в начале предложения и в заголовках, но в остальном пишется строчными буквами.

Определение перехода Джозефсона

Исторически « обычный » 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 цезиевый стандарт частоты . Хотя эффект Джозефсона по-прежнему используется для получения вольта, используемая константа немного изменилась.

Для постоянной Джозефсона K J ₌ 2 e / h (где e — элементарный заряд , а h — постоянная Планка ) с целью определения вольта использовалось «обычное» значение K _J-90 = 0,4835979 ГГц/мкВ. . В результате переопределения основных единиц СИ в 2019 году с 2019 года константа Джозефсона имеет точное значение K _J =483 597 .848 416 98 ... ГГц/В , пришедший на смену традиционному значению 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, схемы измерения и т. д., и при практической реализации не требуется никаких корректировок. ^[5]

Аналогия с потоком воды

В аналогии с потоком воды , которую иногда используют для объяснения электрических цепей путем сравнения их с трубами, заполненными водой, напряжение (разница электрических потенциалов) сравнивается с разницей давления воды , а ток пропорционален количеству текущей воды. Резистор может представлять собой уменьшенный диаметр где-нибудь в трубопроводе или что-то вроде радиатора, обеспечивающего 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

Мультиметр можно использовать для измерения напряжения между двумя положениями.

Батареи типа C 1,5 В

Напряжение, создаваемое каждым гальваническим элементом в батарее, определяется химией этого элемента (см. Гальванический элемент § Напряжение элемента ). Ячейки можно объединить последовательно для получения напряжения, кратного этому значению, или добавить дополнительную схему для регулировки напряжения на другой уровень. Механические генераторы обычно могут быть рассчитаны на любое напряжение в пределах осуществимости.

Номинальные напряжения известных источников:

• Потенциал покоя нервных клеток : ~75 мВ ^[6]
• Одноэлементная перезаряжаемая NiMH ^[7] или NiCd батарея: 1,2 В.
• Одноэлементные, неперезаряжаемые (например, элементы AAA, AA, C и D ): щелочная батарея : 1,5 В; ^[8] Угольно-цинковая батарея : 1,56 В, если она новая и неиспользованная.
• Уровни логического напряжения : 1,2 В, 1,5 В, 1,8 В, 2,5 В, 3,3 В, 5,0 В
• Аккумуляторная батарея LiFePO _{4 : 3,3 В.}
• Литий-полимерная аккумуляторная батарея на основе кобальта : 3,75 В (см. Сравнение типов коммерческих 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 В на ячейку; аккумулятор «12 В» — 6 ячеек, или 12,6 В; батарея «24 В» состоит из 12 ячеек, или 25,2 В. В некоторых старинных автомобилях используются 3-элементные батареи «6 В», или 6,3 В.
• Бытовая сеть переменного тока : (см. Список стран с сетевыми вилками, напряжением и частотой )
  • 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 для высокоскоростных поездов: 25 кВ при 50 Гц , но исключения см. в Перечне систем электрификации железных дорог и 25 кВ при 60 Гц .
• Высоковольтные линии электропередачи : 110 кВ и выше (рекорд 1,15 МВ, максимальное активное напряжение 1,10 МВ ^[9] ).
• Молния : максимум около 150 МВ. ^[10]

История

Алессандро Вольта

Групповая фотография Германа Гельмгольца , его жены (сидит) и друзей-ученых Хьюго Кронекера (слева), Томаса Корвина Менденхолла (справа), Генри Виллара (в центре) во время Международного электротехнического конгресса.

В 1800 году в результате профессиональных разногласий по поводу гальванического отклика, пропагандируемого Луиджи Гальвани , Алессандро Вольта разработал так называемую гальваническую батарею , предшественник батареи , которая производила постоянный электрический ток . Вольта определил, что наиболее эффективной парой разнородных металлов для производства электроэнергии является 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 электротехнический конгресс, ныне Международная электротехническая комиссия (МЭК), утвердил вольт в качестве единицы электродвижущей силы. ^[13] Они сделали вольт равным 10 ⁸ единицам напряжения СГС , причем система СГС в то время была общепринятой системой единиц в науке. Они выбрали такое соотношение, потому что единица напряжения СГС неудобно мала, и один вольт в этом определении примерно равен ЭДС элемента Дэниела , стандартного источника напряжения в телеграфных системах того времени. ^[14] В то время вольт определялся как разность потенциалов [т.е. то, что сейчас называется «напряжением (разницей)»] на проводнике, когда ток силой в один ампер рассеивает один ватт мощности.

«Международный вольт» был определен в 1893 году как 1 / 1,434 ЭДС ячейки Кларка . От этого определения отказались в 1908 году в пользу определения, основанного на международном оме и международном ампере ^, пока в 1948 году не отказались от всего набора «воспроизводимых единиц».

Переопределение базовых единиц СИ , включая определение стоимости элементарного заряда , вступило в силу 20 мая 2019 года. ^[16]

Смотрите также

• Энергетический портал

• Порядки величины (напряжение)
• Напряжение тяги рельсов
• Единицы электромагнетизма СИ
• Префикс SI для префиксов единиц измерения
• Стандартизированные железнодорожные напряжения
• Вольтметр

Рекомендации

1. «Брошюра SI, Таблица 3 (раздел 2.2.2)» . МБМВ. 2006. Архивировано из оригинала 18 июня 2007 г. Проверено 29 июля 2007 г.
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 джозефсоновский стандарт напряжения постоянного тока 1 В», 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. (18 января 2008 г.), «Текущий статус треугольника квантовой метрологии» (PDF) , Metrologia , 45 (1): 102–109, Бибкод : 2008Metro..45..102K, doi : 10.1088/0026-1394/45/1/014, ISSN  0026-1394, S2CID  122008182, заархивировано из оригинала (PDF) 27 мая 2010 г. , получено 11 апреля 2010 г. Теоретически , текущих прогнозов для каких-либо условия корректировки. Эмпирически несколько экспериментов показали, что K _J и R _K не зависят от конструкции устройства, материала, схемы измерения и т. д. Такая демонстрация универсальности согласуется с точностью соотношений, но не доказывает ее напрямую.
6. Баллок, Орканд и Гриннелл, стр. 150–151; Юнге, стр. 89–90; Шмидт-Нильсен, с. 484.
7. Горовиц, Пол; Уинфилд, Хилл (2015). Искусство электроники (3-е изд.). Кембридж [ua]: Cambridge Univ. Нажимать. п. 689. ИСБН 978-0-521-809269.
8. СК Лоо; Кейт Келлер (август 2004 г.). «Характеристики разряда одноэлементной батареи с использованием повышающего преобразователя TPS61070» (PDF) . Инструменты Техаса. Архивировано (PDF) из оригинала 15 октября 2023 г.
9. «Крупнейшая в мире линия сверхвысокого напряжения заработала по всему Китаю» . Блумберг . 1 января 2019 года . Проверено 7 января 2020 г.
10. Пол Х. Риск (26 июня 2013 г.). «Молния – высоковольтная природа». РискВА .
11. В качестве названий единиц различных электрических величин Брайт и Кларк предложили «ом» для напряжения, «фарад» для заряда, «гальват» для тока и «вольт» для сопротивления. Видеть:
    • Латимер Кларк и сэр Чарльз Брайт (1861 г.) «О формировании стандартов электрической величины и сопротивления», Отчет тридцать первого собрания 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 собрания Британской ассоциации содействия развитию науки (Брэдфорд, сентябрь 1873 г.), стр. 222-225. Из стр. 223: «Ом», представленный исходной стандартной катушкой, составляет примерно 10 ⁹ единиц сопротивления СГС; «вольт» равен примерно 10 ⁸ единиц СГС электродвижущей силы; а «фарад» составляет примерно 1/10 ^9. единицы мощности СГС».
13. (Анон.) (24 сентября 1881 г.) «Электрический конгресс», Электрик , 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 блоков» (PDF) . Отчет лабораторий Белла . XXV (12): 441. Декабрь 1947 г.
16. Проект резолюции A «О пересмотре Международной системы единиц (СИ)», который будет представлен ГКМВ на ее 26-м заседании (2018 г.) (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) 29 апреля 2018 г. , получено. 2018-11-02

Внешние ссылки

• История электроагрегатов.