Volt

Im SI-Einheitensystem wurde das Volt definiert als diejenige elektrische Potentialdifferenz oder elektrische Spannung, die anliegt, wenn bei einer Stromstärke von einem Ampere (1 A) die Leistung von einem Watt (1 W) abgegeben wird.[1]

${\displaystyle \mathrm {1\,V=1\,{\frac {W}{A}}} }$

Das Watt ist mit der Energieeinheit Joule (J) und der Krafteinheit Newton (N) verbunden über:[2]

${\displaystyle \mathrm {1\,J=1\,N\,m=1\,W\,s} \,}$,

und somit gilt:

${\displaystyle \mathrm {1\,V=1\,{\frac {N\cdot m}{A\cdot s}}=1\,{\frac {kg\cdot m^{2}/s^{2}}{A\cdot s}}=1\,{\frac {kg\cdot m^{2}}{A\cdot s^{3}}}} \,.}$

Die obige Definition konnte in der Praxis nur schwer als genaue Referenz eingesetzt werden. Als Spannungsnormal wird seit 1990 ein Volt mittels des Josephson-Effekts realisiert.[3][4] Hierbei ist die Spannung über die Josephson-Konstante mit einer Frequenzmessung verknüpft. Diese Konstante beträgt[5]

${\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}}=4{,}835\,978\,484\ldots \cdot 10^{14}\,\mathrm {\frac {Hz}{V}} \,,}$

wobei ${\displaystyle e}$ die Elementarladung und ${\displaystyle h}$ die Planck-Konstante ist. Damit kann mittels Referenzmessungen die Darstellung des Volt auf eine sehr genaue Frequenzmessung (Zeitmessung) zurückgeführt werden.

Seit der Reform des SI von 2019 sind alle SI-Einheiten dadurch definiert, dass sieben physikalischen Konstanten ein fester Wert zugewiesen wurde, unter anderem den Konstanten h, e und Δν_Cs, die für das Volt relevant sind. Damit hat auch die Josephson-Konstante einen exakten Wert.

1861 schlugen die beiden englischen Elektro-Ingenieure Josiah Latimer Clark und Charles Tilston Bright der British Association for the Advancement of Science vor,[6] die Einheit der Elektrischen Spannung mit Ohma (nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm) und die Einheit des Elektrischen Widerstands mit Volt zu benennen. 1881 legte der Internationale Elektrizitätskongress offiziell das Volt als Einheit für die elektrische Spannung und das Ohm als Einheit für den elektrischen Widerstand fest[7] mit der Definition 1 V = 10⁸ e.m.u. (elektromagnetische CGS-Einheiten) und 1 Ω = 10⁹ e.m.u. (später zur Unterscheidung „absolutes Volt“ und „absolutes Ohm“ genannt).

In der Folge wurden die Einheiten Ampere und Ohm durch Normale definiert: das Ampere über die Menge von Silber pro Zeitspanne, die bei Elektrolyse abgeschieden wird, und das Ohm durch ein metallisches Widerstandsnormal. Dadurch war implizit auch das Volt festgelegt. Diese Definitionen waren zunächst länderspezifisch (in Deutschland 1888) und wurden 1908 international vereinheitlicht. 1910 wurde das Volt über das Weston-Normalelement definiert, und auch das Ampere erhielt eine neue Definition. Die so definierten „internationalen“ Einheiten V_int und Ω_int waren von Anfang an so gewählt worden, dass sie möglichst genau mit den „absoluten“ Einheiten übereinstimmen sollten. Die Abweichung betrug 3,4·10⁻⁴ bzw. 4,9·10⁻⁴.[8]

Auf Beschluss des CIPM von 1946, ratifiziert 1948 durch die 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, wurde das „internationale“ Volt, ebenso wie die anderen „internationalen“ Einheiten, als separat definierte Einheit abgeschafft; das Spannungsnormal diente nur noch zur Darstellung des Volt.[8]

In den 1980er Jahren war der Josephson-Effekt als präziseste Messmethode für Spannungen etabliert.[9] Limitierender Faktor war dabei die Genauigkeit, mit der die Josephson-Konstante bekannt war. Um Messungen vergleichbar zu machen, schrieb das CIPM 1988 mit Wirkung vom 1. Januar 1990 den damals genauesten Messwert 483 597,9 GHz/V als Referenzwert K_J-90 fest.[3][4] Dadurch wurde de facto eine neue Maßeinheit V₉₀ geschaffen, die (wie früher das „internationale“ Volt) parallel zum SI-Volt existierte.

Mit der Reform des SI von 2019 erhielt die Josephson-Konstante ihren heutigen, exakten Wert. Volt und K_J waren nun durch dieselben Konstanten h und e definiert, und K_J-90 wurde obsolet.[10] Der neue Wert von K_J ist um 1.067e^-7 niedriger als K_J-90.[11] Daher müssen die Zahlenwerte von Präzisionsmessungen aus den drei Dekaden vor der SI-Reform um diesen Faktor erhöht werden, um sie an das neue Volt anzupassen.