볼트 (단위)

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1. 개요
2. 정의
- 2.1. 조셉슨 접합 정의
3. 역사
4. 유압 아날로지
5. 배량 및 분량 단위
6. 관련 단위
참조

1. 개요

볼트(V)는 전류가 흐르는 도체의 두 지점 사이에서 1 암페어의 전류가 1 와트의 전력을 소모할 때의 전위차를 나타내는 SI 유도 단위이다. 조셉슨 효과를 이용하여 정밀하게 정의되며, 1990년부터 2019년까지는 조셉슨 상수와 세슘 주파수 표준을 결합하여 구현되었다. 2019년 SI 단위계 개정으로 조셉슨 상수의 정확한 값이 정의되었다. 볼트는 유압 아날로지에서 수압 차이에 비유될 수 있으며, 옴의 법칙을 통해 전류와 전압 간의 관계를 설명한다. SI 접두어를 사용하여 다양한 배량 및 분량 단위로 표현될 수 있으며, 전기장 세기를 나타내는 볼트 매 미터와 관련이 있다.

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볼트 (단위)
기본 정보
명칭	볼트
로마자 표기	volt
기호	V
차원	M⋅L²⋅T⁻³⋅I⁻¹
명명 유래	알레산드로 볼타
SI 기본 단위	kg⋅m²⋅s⁻³⋅A⁻¹
관련 물리량	전압, 기전력
단위계	SI 단위
종류	조립 단위
정의	1A의 전류가 흐르는 도체의 두 점 사이에서 소비되는 전력이 1W일 때, 그 두 점 사이의 전압
추가 정보
조합	W/A, J/C
미국 국립표준기술연구소가 표준 볼트로 개발한 조셉슨 전압 표준 칩
볼타 전지
기타 정보
참고	볼트 (기호: V)의 사용
웹사이트	볼트·암페어·와트 - 전기의 기본 지식｜주부 전력 전기의 기초 지식 - 발전기 야마하 발동기

2. 정의

1볼트는 1암페어의 전류가 두 점 사이에서 1와트의 전력을 소모할 때, 도체의 두 점 사이의 전위차로 정의된다.^[2] SI 기본 단위(m, kg, s, A)로 표현하면 다음과 같다.

: $\text{V} = \frac{\text{전력}}{\text{전류}} = \frac{\text{W}}{\text{A}} = \frac{\text{kg}{\cdot}\text{m}^2{\cdot}\text{s}^{-3}}{\text{A}} = \text{kg}{\cdot}\text{m}^2{\cdot}\text{s}^{-3}{\cdot}{\text{A}^{-1}}.$

1쿨롱의 전하가 통과할 때 1줄의 에너지를 전달하는 두 점 사이의 전위차로도 정의되며, SI 기본 단위로 표현하면 다음과 같다.

: $\text{V} = \frac{\text{퍼텐셜 에너지}}{\text{전하}} = \frac{\text{J}}{\text{C}} = \frac{\text{kg}{\cdot}\text{m}^2{\cdot}\text{s}^{-2}}{\text{A}{\cdot}\text{s}} = \text{kg}{\cdot}\text{m}^2{\cdot}\text{s}^{-3}{\cdot}{\text{A}^{-1}}.$

볼트는 암페어 곱하기 옴(전류 곱하기 저항, 옴의 법칙), 초당 베버(시간당 자속), 암페어당 와트(전류당 전력), 또는 쿨롱당 줄(전하당 에너지)로 표현할 수 있으며, 이는 전자볼트당 기본 전하와도 같다.

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

2. 1. 조셉슨 접합 정의

1987년 제18차 국제도량형총회에서 정의되어^[3] 1990년부터 2019년까지 사용된 "기존" 볼트 ''V''₉₀은 조셉슨 효과와 세슘 주파수 표준을 결합하여 구현되었다. 이때, 조셉슨 상수 ''K''_J = 2''e''/''h'' (여기서 ''e''는 기본 전하, ''h''는 플랑크 상수)에 대해, "기존" 값 이 사용되었다.

2019년 SI 개정에 따라 2019년부터 조셉슨 상수는 의 정확한 값을 가지게 되었고, 이는 기존 값 ''K''_J-90을 대체했다.

이 표준은 일반적으로 수천 또는 수만 개의 접합을 직렬로 연결한 어레이를 사용하여 구현되며, 10~80 GHz의 마이크로파 신호로 여기된다(어레이 설계에 따라 다름).^[4] 경험적으로 여러 실험을 통해 이 방법이 소자 설계, 재료, 측정 설정 등과 무관하며 실제 구현에 보정 항이 필요하지 않다는 것이 입증되었다.^[5]

현재 볼트의 현시법은 조셉슨 효과를 이용한 것으로, 1990년에 채택되었다. 조셉슨 접합에 외부에서 주파수 의 전파를 조사하면서 직류적인 전류 전압 특성을 측정하면

V=nf\Phi_0

의 정전압 스텝이 관측된다. 여기서, 정수 은 스텝의 차수, 는 자속 양자이다. 는 원자시계로부터 극히 정확하게 보정되고, 는 물리 상수이기 때문에, 전류 전압 특성에 나타나는 스텝은 고정밀의 전압 눈금으로 간주할 수 있다. 볼트의 결정에서는,

n=18

에 대한 값이 사용되고 있다.

3. 역사

알레산드로 볼타는 1800년에 볼타 전지를 발명했다.^[16] 루이지 갈바니의 갈바니 반응 주장에 대한 반박으로, 알레산드로 볼타는 볼타 전지를 개발했다. 이는 꾸준한 전류를 발생시키는 전지의 전신이었다. 볼타는 아연과 은이 전기를 생성하는데 가장 효과적인 금속 조합임을 발견했다.

1861년, 레이티머 클락 경과 찰스 브라이트 경은 저항 단위에 "볼트"라는 이름을 제안했다.^[11] 1873년 영국 과학 진흥 협회는 볼트, 옴, 패럿을 정의했다.^[12]

1874년, 영국 과학진흥협회(BAAS)는 볼타의 이름을 딴 기전력 단위 볼트를 전기 저항 단위 옴과 함께 정의했다.

1881년, 현재 국제전기기술위원회(IEC)의 전신인 국제 전기 회의에서 기전력 단위로 볼트를 승인했다.^[13] 볼트는 10⁸ cgs 단위의 전압으로 정의되었는데, 당시 과학계에서 cgs 단위계가 널리 사용되었기 때문이다. cgs 단위 전압이 너무 작았기 때문에 이 비율이 선택되었다. 이 정의에서 1볼트는 당시 전신 시스템의 표준 전압원이었던 다니엘 전지의 기전력과 거의 같았다.^[14] 당시 1암페어의 전류가 1와트의 전력을 소비할 때 도체 양단의 전위차(오늘날의 "전압(차)")가 볼트로 정의되었다.

1893년, '''국제 볼트'''는 "클라크 전지 기전력의 1.434분의 1"로 정의되었으나, 1908년에 이 정의는 폐기되었다.

현재 볼트의 현시법은 조셉슨 효과를 이용하며, 1990년에 채택되었다. 조셉슨 접합에 외부에서 주파수의 전파를 조사(照射)하여 직류 전류 전압 특성을 측정하면 $V=nf\Phi_0$ 정전압 스텝이 관측된다. 여기서 정수 n은 스텝 차수, $\Phi_0$ 는 자속 양자이다. f는 원자시계로 매우 정확하게 보정되며, $\Phi_0$ 는 물리 상수이므로, 전류 전압 특성의 스텝은 고정밀 전압 눈금으로 간주된다. 볼트 결정에는 n=18에 대한 값이 사용된다.

기본 상수의 재정의를 포함한 2019년 SI 단위계 개정은 2019년 5월 20일에 발효되었다.^[16]

4. 유압 아날로지

물 흐름 아날로지에서 전압(전위차)은 수압 차이에 비유되며, 전류는 흐르는 물의 양에 비례한다. 저항은 파이프 어딘가의 지름이 줄어든 부분이나 흐름에 저항을 제공하는 라디에이터와 유사한 것으로 볼 수 있다.

전압과 전류 사이의 관계는 옴의 법칙에 의해 (저항과 같은 옴의 법칙을 따르는 소자에서) 정의된다. 옴의 법칙은 하겐-푸아죄유 방정식과 유사하며, 둘 다 각 시스템에서 플럭스와 퍼텐셜을 관련짓는 선형 모델이다.

5. 배량 및 분량 단위

볼트는 SI 접두어를 붙여 다양한 크기의 전압을 나타낼 수 있다. 예를 들어 밀리볼트(mV), 킬로볼트(kV), 메가볼트(MV) 등이 있다.

6. 관련 단위

볼트 매 미터는 전기장의 세기를 나타내는 단위이다.

참조

_[1] 웹사이트 SI Brochure, Table 3 (Section 2.2.2) http://www.bipm.org/[...] BIPM 2007-07-29
_[2] 웹사이트 BIPM SI Brochure: Appendix 1 https://www.bipm.org[...] 2022-02-27
_[3] 웹사이트 Resolutions of the CGPM: 18th meeting (12–15 October 1987) https://www.bipm.org[...] 2022-02-27
_[4] 논문 1 Volt DC Programmable Josephson Voltage Standard https://zenodo.org/r[...] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1999-06-01
_[5] 논문 Current status of the quantum metrology triangle https://web.archive.[...] 2010-04-11
_[6] 서적 (Unspecified)
_[7] 서적 The Art of Electronics Cambridge Univ. Press 2015
_[8] 웹사이트 Single-cell Battery Discharge Characteristics Using the TPS61070 Boost Converter http://www.ti.com/li[...] Texas Instruments 2004-08-01
_[9] 뉴스 World's Biggest Ultra-High Voltage Line Powers Up Across China https://www.bloomber[...] 2020-01-07
_[10] 웹사이트 Lightning – High-Voltage Nature https://www.riskva.c[...] 2021-04-23
_[11] 간행물 On the formation of standards of electrical quantity and resistance https://www.biodiver[...] British Association for the Advancement of Science 1861-09-01
_[12] 간행물 First report of the Committee for the Selection and Nomenclature of Dynamical and Electrical Units https://www.biodiver[...] British Association for the Advancement of Science 1873-09-01
_[13] 간행물 The Electrical Congress https://babel.hathit[...] The Electrician 1881-09-24
_[14] 서적 Standard Cells: Their Construction, Maintenance, and Characteristics https://www.nist.gov[...] US National Bureau of Standards 2017-07-13
_[15] 논문 Revised Values for Electrical Units http://www.americanr[...] 1947-12-01
_[16] 웹사이트 Draft Resolution A "On the revision of the International System of units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) https://web.archive.[...] 2018-11-02
_[17] 웹사이트 ボルト・アンペア・ワット - 電気のマメ知識｜中部電力 https://www.chuden.c[...] 2022-06-15
_[18] 웹사이트 電気の基礎知識 - 発電機 {{!}} ヤマハ発動機 https://www.yamaha-m[...] 2022-06-15
_[19] 법률 計量単位令 https://laws.e-gov.g[...]
_[20] 간행물 国際単位系(SI)第9版日本語版 (2019) https://unit.aist.go[...]
_[21] 뉴스 電気測定規則草案 (上・下) 満洲日日新聞 1926-09-10
_[22] 웹사이트 CJK Compatibility https://www.unicode.[...] 2016-02-21
_[23] 웹사이트 The Unicode Standard, Version 8.0.0 http://www.unicode.o[...] The Unicode Consortium 2016-02-21

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