Definition als SI-Einheit

Im SI-Einheitensystem ist 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:

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

Reproduzierbare Darstellung

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

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

Sie ist exakt bekannt, weil der Elementarladung ${\displaystyle e}$ und dem Planckschen Wirkungsquantum ${\displaystyle h}$ exakte Werte zugewiesen sind (siehe auch Definition der SI-Einheiten). Damit kann mittels Referenzmessungen die Darstellung des Volt auf eine sehr genaue Frequenzmessung (Zeitmessung) zurückgeführt werden.

Historische Definition und Namensgebung

1861 schlugen die beiden englischen Elektro-Ingenieure Josiah Latimer Clark und Charles Tilston Bright vor, 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 allerdings dann endgültig das Volt als Einheit für die elektrische Spannung und das Ohm als Einheit für den elektrischen Widerstand fest.^[5]

Im 19. Jahrhundert wurde die Einheiten Ampere (A) und Ohm (Ω=V/A) 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 exakt mit den „absoluten“ Einheiten V_abs und Ω_abs übereinstimmen sollten, die über die Beziehungen 1 V_abs=1 A·Ω_abs und 1 V_abs·A·s=1 N·m definiert wurden. Die Abweichung betrug 3,4·10⁻⁴ bzw. 4,9·10⁻⁴.^[6]

Auf Beschluss der CIPM von 1946, ratifiziert 1948 durch die 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, wurde das „internationale“ Volt als separat definierte Einheit abgeschafft; das Spannungsnormal diente nur noch zur Darstellung des Volt.^[6]

1988 beschloss die CIPM mit Wirkung zum 1990 ein neues Spannungsnormal, basierend auf dem Josephson-Effekt. Für die Josephson-Konstante setzte man den Wert K_J-90 = 483 597,9 GHz/V fest.^[3] Mit der Revision des SI von 2019 erhielt die Josephson-Konstante ihren heutigen, exakten Wert.