電圧

ボルト（記号：V ）は、アレッサンドロ・ボルタにちなんで名付けられ、国際単位系（SI）における電位、電位差（電圧）、および起電力の測定単位です。^[1]

単位系

1ボルトは、 1アンペアの電流が導線の2点間で1ワットの電力を消費するときの、その2点間の電位として定義されます。^[2] SI基本単位（m、kg、s、A）では次のように表すことができます。

{\text{V}}={\frac {\text{電力}}{\text{電流}}}={\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}}.

同様に、通過する電荷1クーロンあたり1ジュールのエネルギーを与える2点間の電位差です。SI基本単位（ m、kg、s、A）では次のように表すことができます。

{\text{V}}={\frac {\text{位置エネルギー}}{\text{電荷}}}={\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}}.

また、アンペア×オーム（電流×抵抗、オームの法則）、ウェーバー毎秒（磁束／時間）、ワット／アンペア（電力／電流）、またはジュール／クーロン（エネルギー／電荷）で表すこともできます。これは、電子ボルト／素電荷とも等価です

{\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}}.

ボルトはアレッサンドロ・ボルタにちなんで名付けられました。人名にちなんで名付けられたすべてのSI単位と同様に、その記号は大文字（V）で始まりますが、フルネームで書く場合は普通名詞の大文字化の規則に従います。つまり、ボルトは文頭とタイトルでは大文字になりますが、それ以外は小文字です。

ジョセフソン接合の定義

歴史的に、1987年の第18回国際度量衡総会^[3]で定義され、1990年から2019年まで使用されていた「従来の」ボルトV _{90 は}、正確な周波数から電圧への変換のためのジョセフソン効果とセシウム周波数標準を組み合わせて実装されました。ジョセフソン効果は現在でもボルトを実現するために使用されていますが、使用される定数はわずかに変更されています。

ジョセフソン定数K _J = 2 e / h（ここでeは素電荷、hはプランク定数）の場合、「従来の」値K _J-90 =電圧を定義するために0.483 5979 GHz/μVが使用されました。 2019年のSI改訂の結果、2019年時点でジョセフソン定数の正確な値は $K J$ =483 597 .848 416 98 ... GHz/Vとなり、従来の値K _J-90に取って代わりました。

この規格は通常、数千または数万個の接合部を直列接続したアレイを使用して実現され、10～80GHz（アレイ設計によって異なります）のマイクロ波信号によって励起されます。^[4]経験的に、いくつかの実験は、この方法がデバイス設計、材料、測定設定などに依存せず、実際の実装では補正項は不要であることを示しています。^[5]

水の流れのアナロジー

水の流れのアナロジーは、電気回路を水で満たされたパイプに例えて説明する際に時々用いられますが、電圧（電位差）は水圧の差に例えられ、電流は流れる水の量に比例します。抵抗器は、配管のどこかにある直径の小さい部分、または流れに抵抗を与えるラジエーターのようなものになります。

電圧と電流の関係は（抵抗器のような抵抗を持つデバイスでは）オームの法則によって定義されます。オームの法則はハーゲン・ポアズイユの式に類似しており、どちらもそれぞれのシステムにおける磁束と電位を関連付ける線形モデルです。

一般的な電圧

電池内の各電気化学セルによって生成される電圧は、そのセルの化学的性質によって決まります（ガルバニ電池 § セル電圧を参照）。セルを直列に接続してその電圧の倍数にしたり、回路を追加して電圧を異なるレベルに調整したりすることができます。機械式発電機は通常、実現可能な範囲で任意の電圧に構成できます。

一般的な電源の公称電圧：

神経細胞静止電位：約75 mV ^[6]
単セル充電式NiMH ^[7]またはNiCd電池：1.2 V
単セル、充電不可（例：単4電池、単3電池、単2電池）：アルカリ電池：1.5V、^[8] マンガン電池：新品未使用の場合1.56V
ロジック電圧レベル：1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V、5.0 V
LiFePO4充電式バッテリー：3.3 V
コバルト系リチウムポリマー充電式バッテリー：3.75 V（市販バッテリーの種類の比較を参照）
トランジスタ-トランジスタロジック/ CMOS（TTL）電源：5 V
USB：DC 5 V
PP3バッテリー：9 V
自動車のバッテリーシステムは、セルあたり2.1ボルトのセルを使用します。「12 V」バッテリーは6つのセルを直列に接続して12.6 Vを生成します。「24 V」バッテリーは12のセルを直列に接続して25.2 Vを生成します。一部のアンティーク車両では、「6 V」の3セルバッテリー、つまり6.3ボルトを使用しています。
家庭用AC電源（主電源プラグ、電圧、周波数の国については、「国別の主電源」を参照してください）
- 日本では100V
- 北米では120V
- ヨーロッパ、アジア、アフリカ、オーストラリアでは230V
高速輸送第三軌条：600～750V（鉄道電化システム一覧を参照）
高速列車架空送電線：50Hzで25kV。ただし、例外については鉄道電化システム一覧と60Hzで25kVを参照。
高圧送電線：110kV以上（記録は1.15MV、最高有効電圧は1.10MV ^[9]）
雷：最大約150MV ^[10]

歴史

1800年、ルイジ・ガルヴァーニが提唱したガルバニック反応をめぐる専門家間の意見の相違の結果、アレッサンドロ・ボルタは、安定した電流を生成する電池の前身となる、いわゆるボルタ電池を開発しました。ボルタは、電気を生成するのに最も効果的な異種金属の組み合わせは亜鉛と銀であると結論付けました。1861年、ラティマー・クラークとサー・チャールズ・ブライトは、抵抗の単位として「ボルト」という名称を新たに考案しました。^[11] 1873年までに、英国科学振興協会はボルト、オーム、ファラドを定義しました。^[12] 1881年、国際電気会議（現在の国際電気標準会議（IEC））は、起電力の単位としてボルトを承認しました。^{[13]彼らは、ボルトを10}⁸cgs単位の電圧と等しくしました。cgs単位は当時、科学における慣習的な単位系でした。彼らがこのような比率を選んだのは、電圧のcgs単位が不便なほど小さく、この定義における1ボルトが当時の電信システムの標準電圧源であるダニエル電池の起電力とほぼ等しいためです。 ^{[14]当時、ボルトは1}アンペアの電流が1ワットの電力を消費するときの導体両端の電位差（つまり、今日では「電圧（差）」と呼ばれているもの）として定義されていました。

「国際ボルト」は1893年にクラーク電池の起電力の1 ⁄ 1.434として定義されました。この定義は1908年に廃止され、国際オームと国際アンペアに基づく定義が採用されましたが、1948年に「再現可能な単位」全体が廃止されるまで使用されました^。[15]

素電荷の値の定義を含むSIの2019年改訂版は、2019年5月20日に発効しました。^[16]

参照

参考文献

^ 「SIパンフレット、表3（セクション2.2.2）」。BIPM。2006年。2007年6月18日時点のオリジナルからアーカイブ。2007年7月29日閲覧
^ BIPM SIパンフレット：付録1 Archived 27 February 2022 at the Wayback Machine、p. 144。
^ 「CGPM決議：第18回会議（1987年10月12～15日）」。2022年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年2月27日閲覧。
^ Burroughs, Charles J.; Bent, Samuel P.; Harvey, Todd E.; Hamilton, Clark A. (1999年6月1日)、「1 Volt DC Programmable Josephson Voltage Standard」、IEEE Transactions on Applied Superconductivity、9 (3)、米国電気電子学会(IEEE)：4145–4149、Bibcode：1999ITAS....9.4145B、doi：10.1109/77.783938、ISSN 1051-8223、S2CID 12970127
^ Keller, Mark W. (2008年1月18日)、「量子計測三角形の現状」(PDF)、Metrologia、45 (1): 102– 109、Bibcode :2008Metro..45..102K、doi :10.1088/0026-1394/45/1/014、ISSN 0026-1394、S2CID 122008182、 2010年5月27日にオリジナル(PDF)からアーカイブ、2010年4月11日取得。理論的には、現在、補正項に関する予測はありません。経験的には、いくつかの実験により、K _JとR _Kはデバイス設計、材料、測定設定などに依存しないことが示されています。この普遍性の実証は、関係式の正確さと整合していますが、それを完全に証明するものではありません
^ Bullock, Orkand, and Grinnell, pp. 150–151; Junge, pp. 89–90; Schmidt-Nielsen, p. 484.
^ Horowitz, Paul; Winfield, Hill (2015). The Art of Electronics (第3版). Cambridge [ua]: Cambridge Univ. Press. p. 689. ISBN 978-0-521-809269.
^ SK Loo; Keith Keller (2004年8月). 「TPS61070昇圧コンバータを用いた単セルバッテリ放電特性」(PDF) . Texas Instruments. 2023年10月15日時点のオリジナルからのアーカイブ(PDF)
^ 「世界最大の超高電圧線が中国全土に電力を供給」ブルームバーグ、 2019年1月1日。 2020年1月7日閲覧。
^ ポール・H・リスク（2013年6月26日）。「雷 - 高電圧の性質」RiskVA。2021年4月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年4月23日閲覧
^
ブライトとクラークは、様々な電気量の単位名として、電圧には「オーム」、電荷には「ファラッド」、電流には「ガルバット」、抵抗には「ボルト」を提案しました。参照：
- ラティマー・クラークとサー・チャールズ・ブライト（1861年）「電気量と抵抗の標準の形成について」、2012年11月8日アーカイブ、英国科学振興協会第31回会議報告書（イギリス、マンチェスター、1861年9月）、数学と物理学のセクション、37～38ページ。
- ラティマー・クラークとサー・チャールズ・ブライト（1861年11月9日）「電気量と抵抗の測定」、The Electrician、1 (1): 3～4
^ W・トムソン卿他 (1873)「力学および電気単位の選択と命名に関する委員会の第一報告書」2017年4月23日アーカイブ、英国科学振興協会第43回会議報告書（ブラッドフォード、1873年9月）、222～225ページ。223ページより：「元の標準コイルで表される『オーム』は約10⁻CGS^単位の抵抗、『ボルト』は約^10⁻CGS単位の起電力、『ファラッド』は約CGS単位の容量の1/ ^{10⁻です。」}
^ (匿名) (1881年9月24日)「電気会議」2019年3月6日アーカイブ、 The Electrician、7 : 297
^ Hamer, Walter J. (1965年1月15日). 標準電池：その構造、保守、および特性(PDF) . 米国国立標準技術研究所モノグラフ #84. 米国国立標準技術研究所. 2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF ). 2017年7月13日閲覧.
^ 「電気単位の改訂値」(PDF) .ベル研究所記録. XXV (12): 441. 1947年12月.
^ CGPM第26回会議(2018年)に提出される決議案A「国際単位系(SI)の改訂について」(PDF) . 2018年4月29日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2018年11月2日閲覧.

外部リンク

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電気単位の歴史