Канвэртар Напружання
Электрычны Патэнцыял: Ад Мілівольт да Мегавольт
Асвойце адзінкі напружання ў электроніцы, энергасістэмах і фізіцы. Ад мілівольт да мегавольт, зразумейце электрычны патэнцыял, размеркаванне магутнасці і што азначаюць лічбы ў схемах і прыродзе.
Асновы Напружання
Што такое Напружанне?
Напружанне — гэта 'электрычны ціск', які штурхае ток па ланцугу. Уявіце сабе ціск вады ў трубах. Вышэйшае напружанне = мацнейшы штуршок. Вымяраецца ў вольтах (В). Гэта не тое самае, што ток ці магутнасць!
- 1 вольт = 1 джоўль на кулон (энергія на зарад)
- Напружанне выклікае працяканне току (як ціск выклікае працяканне вады)
- Вымяраецца паміж дзвюма кропкамі (розніца патэнцыялаў)
- Вышэйшае напружанне = больш энергіі на зарад
Напружанне, Ток і Магутнасць
Напружанне (V) = ціск, Ток (I) = хуткасць патоку, Магутнасць (P) = хуткасць перадачы энергіі. P = V × I. 12В пры 1А = 12Вт. Адна і тая ж магутнасць, магчымыя розныя камбінацыі напружання/току.
- Напружанне = электрычны ціск (В)
- Ток = паток зарада (А)
- Магутнасць = напружанне × ток (Вт)
- Супраціўленне = напружанне ÷ ток (Ом, закон Ома)
Напружанне AC і DC
Напружанне DC (пастаяннага току) мае пастаянны напрамак: батарэі (1.5В, 12В). Напружанне AC (пераменнага току) змяняе напрамак: разеткі (120В, 230В). RMS напружанне = эфектыўны эквівалент DC.
- DC: пастаяннае напружанне (батарэі, USB, схемы)
- AC: пераменнае напружанне (разеткі, электрасеткі)
- RMS = эфектыўнае напружанне (120В AC RMS ≈ 170В пікавае)
- Большасць прылад унутрана выкарыстоўваюць DC (адаптары AC пераўтвараюць)
- Напружанне = энергія на зарад (1 В = 1 Дж/Кл)
- Вышэйшае напружанне = большы 'электрычны ціск'
- Напружанне выклікае ток; ток не выклікае напружанне
- Магутнасць = напружанне × ток (P = VI)
Тлумачэнне Сістэм Адзінак
Адзінкі СІ — Вольт
Вольт (В) — гэта адзінка СІ для электрычнага патэнцыялу. Вызначаецца праз ват і ампер: 1 В = 1 Вт/А. Таксама: 1 В = 1 Дж/Кл (энергія на зарад). Прыстаўкі ад ата- да гіга- ахопліваюць усе дыяпазоны.
- 1 В = 1 Вт/А = 1 Дж/Кл (дакладныя вызначэнні)
- кВ для ліній электраперадач (110 кВ, 500 кВ)
- мВ, мкВ для датчыкаў, сігналаў
- фВ, аВ для квантавых вымярэнняў
Адзінкі Вызначэння
Вт/А і Дж/Кл па вызначэнні эквівалентныя вольту. Яны паказваюць сувязі: V = Вт/А (магутнасць на ток), V = Дж/Кл (энергія на зарад). Карысна для разумення фізікі.
- 1 В = 1 Вт/А (з P = VI)
- 1 В = 1 Дж/Кл (вызначэнне)
- Усе тры ідэнтычныя
- Розныя погляды на адну і тую ж велічыню
Састарэлыя Адзінкі СГС
Абвольт (EMU) і статвольт (ESU) са старой сістэмы СГС. Рэдка выкарыстоўваюцца ў сучаснасці, але сустракаюцца ў гістарычных тэкстах па фізіцы. 1 статВ ≈ 300 В; 1 абВ = 10 нВ.
- 1 абвольт = 10⁻⁸ В (EMU)
- 1 статвольт ≈ 300 В (ESU)
- Састарэлыя; стандарт — вольт СІ
- Сустракаюцца толькі ў старых падручніках
Фізіка Напружання
Закон Ома
Фундаментальная залежнасць: V = I × R. Напружанне роўнае току, памножанаму на супраціўленне. Ведаючы любыя два значэнні, можна вылічыць трэцяе. Аснова аналізу ўсіх электрычных ланцугоў.
- V = I × R (напружанне = ток × супраціўленне)
- I = V / R (ток з напружання)
- R = V / I (супраціўленне з вымярэнняў)
- Лінейная для рэзістараў; нелінейная для дыёдаў і г.д.
Закон напружання Кірхгофа
У любым замкнёным контуры сума напружанняў роўная нулю. Падобна хадзе па крузе: сума змен вышыні роўная нулю. Энергія захоўваецца. Неабходны для аналізу ланцугоў.
- ΣV = 0 вакол любога контуру
- Павышэнні напружання = падзенні напружання
- Захаванне энергіі ў ланцугах
- Выкарыстоўваецца для рашэння складаных ланцугоў
Электрычнае Поле і Напружанне
Электрычнае поле E = V/d (напружанне на адлегласць). Большае напружанне на кароткай адлегласці = мацнейшае поле. Маланка: мільёны вольт на метры = поле МВ/м.
- E = V / d (поле з напружання)
- Высокае напружанне + кароткая адлегласць = моцнае поле
- Прабой: паветра іанізуецца пры ~3 МВ/м
- Статычныя разрады: кВ на мм
Рэальныя Прыклады Напружання
| Кантэкст | Напружанне | Заўвагі |
|---|---|---|
| Нервовы сігнал | ~70 мВ | Патэнцыял спакою |
| Тэрмапара | ~50 мкВ/°C | Датчык тэмпературы |
| Батарэя АА (новая) | 1.5 В | Шчолачная, змяншаецца з выкарыстаннем |
| Сілкаванне USB | 5 В | Стандарт USB-A/B |
| Аўтамабільны акумулятар | 12 В | Шэсць 2В элементаў паслядоўна |
| USB-C PD | 5-20 В | Пратакол Power Delivery |
| Хатняя разетка (ЗША) | 120 В AC | Напружанне RMS |
| Хатняя разетка (ЕС) | 230 В AC | Напружанне RMS |
| Электрычная агароджа | ~5-10 кВ | Нізкі ток, бяспечна |
| Шпулька запальвання аўтамабіля | ~20-40 кВ | Стварае іскру |
| Лінія электраперадачы | 110-765 кВ | Высакавольтная сетка |
| Маланка | ~100 МВ | 100 мільёнаў вольт |
| Касмічны прамень | ~1 ГВ+ | Часціцы экстрэмальнай энергіі |
Агульныя Стандарты Напружання
| Прылада / Стандарт | Напружанне | Тып | Заўвагі |
|---|---|---|---|
| Батарэя AAA/AA | 1.5 В | DC | Шчолачны стандарт |
| Элемент Li-ion | 3.7 В | DC | Намінальнае (дыяпазон 3.0-4.2В) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 В | DC | Стандартнае сілкаванне USB |
| Батарэя 9В | 9 В | DC | Шэсць элементаў 1.5В |
| Аўтамабільны акумулятар | 12 В | DC | Шэсць свінцова-кіслотных элементаў 2В |
| Зарадная прылада для ноўтбука | 19 В | DC | Распаўсюджанае напружанне для ноўтбукаў |
| PoE (Power over Ethernet) | 48 В | DC | Сілкаванне сеткавых прылад |
| Хатняя гаспадарка ў ЗША | 120 В | AC | 60 Гц, напружанне RMS |
| Хатняя гаспадарка ў ЕС | 230 В | AC | 50 Гц, напружанне RMS |
| Электрамабіль | 400 В | DC | Тыповы акумулятарны блок |
Прымяненне ў Рэальным Свеце
Бытавая Электроніка
USB: 5В (USB-A), 9В, 20В (USB-C PD). Батарэі: 1.5В (AA/AAA), 3.7В (Li-ion), 12В (аўтамабільныя). Логіка: 3.3В, 5В. Зарадныя прылады для ноўтбукаў: тыпова 19В.
- USB: 5В (2.5Вт) да 20В (100Вт PD)
- Батарэя тэлефона: 3.7-4.2В Li-ion
- Ноўтбук: тыпова 19В DC
- Лагічныя ўзроўні: 0В (нізкі), 3.3В/5В (высокі)
Размеркаванне Электраэнергіі
Дома: 120В (ЗША), 230В (ЕС) AC. Перадача: 110-765 кВ (высокае напружанне = нізкія страты). Падстанцыі паніжаюць напружанне да размеркавальнага. Ніжэйшае напружанне каля дамоў для бяспекі.
- Перадача: 110-765 кВ (вялікія адлегласці)
- Размеркаванне: 11-33 кВ (раён)
- Дома: 120В/230В AC (разеткі)
- Высокае напружанне = эфектыўная перадача
Высокія Энергіі і Навука
Паскаральнікі часціц: ад МВ да ГВ (LHC: 6.5 ТэВ). Рэнтгенаўскія прамяні: 50-150 кВ. Электронныя мікраскопы: 100-300 кВ. Маланка: тыпова 100 МВ. Генератар Ван дэ Граафа: ~1 МВ.
- Маланка: ~100 МВ (100 мільёнаў вольт)
- Паскаральнікі часціц: дыяпазон ГВ
- Рэнтгенаўскія трубкі: 50-150 кВ
- Электронныя мікраскопы: 100-300 кВ
Хуткія Разлікі для Пераўтварэння
Хуткія Пераўтварэнні Прыставак СІ
Кожны крок прыстаўкі = ×1000 або ÷1000. кВ → В: ×1000. В → мВ: ×1000. мВ → мкВ: ×1000.
- кВ → В: памножыць на 1,000
- В → мВ: памножыць на 1,000
- мВ → мкВ: памножыць на 1,000
- Адваротна: падзяліць на 1,000
Магутнасць з Напружання
P = V × I (магутнасць = напружанне × ток). 12В пры 2А = 24Вт. 120В пры 10А = 1200Вт.
- P = V × I (Ваты = Вольты × Амперы)
- 12В × 5А = 60Вт
- P = V² / R (калі вядома супраціўленне)
- I = P / V (ток з магутнасці)
Хуткія Праверкі па Законе Ома
V = I × R. Ведаючы два, знайдзіце трэцяе. 12В на 4Ом = 3А. 5В ÷ 100мА = 50Ом.
- V = I × R (Вольты = Амперы × Омы)
- I = V / R (ток з напружання)
- R = V / I (супраціўленне)
- Памятайце: для I або R трэба дзяліць
Як Працуюць Пераўтварэнні
- Крок 1: Пераўтварыце зыходную велічыню → вольты, выкарыстоўваючы каэфіцыент toBase
- Крок 2: Пераўтварыце вольты → мэтавую велічыню, выкарыстоўваючы каэфіцыент toBase мэтавай велічыні
- Альтэрнатыва: Выкарыстоўвайце прамы каэфіцыент (кВ → В: памножыць на 1000)
- Праверка на разумнасць: 1 кВ = 1000 В, 1 мВ = 0.001 В
- Памятайце: Вт/А і Дж/Кл ідэнтычныя В
Даведнік па Агульных Пераўтварэннях
| З | У | Памножыць на | Прыклад |
|---|---|---|---|
| В | кВ | 0.001 | 1000 В = 1 кВ |
| кВ | В | 1000 | 1 кВ = 1000 В |
| В | мВ | 1000 | 1 В = 1000 мВ |
| мВ | В | 0.001 | 1000 мВ = 1 В |
| мВ | мкВ | 1000 | 1 мВ = 1000 мкВ |
| мкВ | мВ | 0.001 | 1000 мкВ = 1 мВ |
| кВ | МВ | 0.001 | 1000 кВ = 1 МВ |
| МВ | кВ | 1000 | 1 МВ = 1000 кВ |
| В | Вт/А | 1 | 5 В = 5 Вт/А (тоеснасць) |
| В | Дж/Кл | 1 | 12 В = 12 Дж/Кл (тоеснасць) |
Хуткія Прыклады
Разабраныя Задачы
Разлік Магутнасці USB
USB-C забяспечвае 20В пры 5А. Якая магутнасць?
P = V × I = 20В × 5А = 100Вт (максімум для USB Power Delivery)
Распрацоўка Рэзістара для Святлодыёда
Крыніца 5В, святлодыёду трэба 2В пры 20мА. Які рэзістар?
Падзенне напружання = 5В - 2В = 3В. R = V/I = 3В ÷ 0.02А = 150Ом. Выкарыстоўвайце стандартны рэзістар 150Ом або 180Ом.
Эфектыўнасць Ліній Электраперадачы
Чаму перадача адбываецца пры 500 кВ, а не 10 кВ?
Страты = I²R. Пры той жа магутнасці P = VI, таму I = P/V. Пры 500 кВ ток у 50 разоў меншы → страты ў 2500 разоў меншыя (фактар I²)!
Распаўсюджаныя Памылкі, якіх варта пазбягаць
- **Напружанне ≠ магутнасць**: 12В × 1А = 12Вт, але 12В × 10А = 120Вт. Аднолькавае напружанне, розная магутнасць!
- **Пікавае AC супраць RMS**: 120В AC RMS ≈ 170В пікавае. Для разлікаў магутнасці выкарыстоўвайце RMS (P = V_RMS × I_RMS).
- **Паслядоўныя напружанні складаюцца**: Дзве батарэі 1.5В паслядоўна = 3В. Паралельна = усё яшчэ 1.5В (большая ёмістасць).
- **Высокае напружанне ≠ небяспека**: Статычны разрад — 10+ кВ, але бяспечны (нізкі ток). Забівае ток, а не толькі напружанне.
- **Падзенне напружання**: Доўгія правады маюць супраціўленне. 12В на крыніцы ≠ 12В на нагрузцы, калі провад занадта тонкі.
- **Не змешвайце AC/DC**: 12В DC ≠ 12В AC. AC патрабуе спецыяльных кампанентаў. DC толькі ад батарэй/USB.
Займальныя Факты пра Напружанне
Вашы Нервы Працуюць на 70 мВ
Нервовыя клеткі падтрымліваюць патэнцыял спакою -70 мВ. Патэнцыял дзеяння падскоквае да +40 мВ (змена на 110 мВ) для перадачы сігналаў з хуткасцю ~100 м/с. Ваш мозг — гэта электрахімічны камп'ютар магутнасцю 20 Вт!
Маланка — гэта 100 Мільёнаў Вольт
Тыповая маланка: ~100 МВ на ~5 км = поле 20 кВ/м. Але шкоду наносяць ток (30 кА) і працягласць (<1 мс). Энергія: ~1 ГДж, магла б забяспечыць дом энергіяй на месяц, калі б мы маглі яе захапіць!
Электрычныя Вугры: Жывая Зброя на 600В
Электрычны вугор можа разраджаць 600В пры 1А для абароны/палявання. Ён мае 6000+ электрацытаў (біялагічных батарэй), злучаных паслядоўна. Пікавая магутнасць: 600Вт. Імгненна аглушае здабычу. Прыродны тазер!
USB-C Цяпер Можа Выдаваць 240Вт
USB-C PD 3.1: да 48В × 5А = 240Вт. Можа зараджаць гульнявыя ноўтбукі, маніторы, нават некаторыя электраінструменты. Той жа раз'ём, што і ў вашым тэлефоне. Адзін кабель, каб кіраваць усімі!
Лініі Электраперадачы: Чым Вышэй, тым Лепш
Страты магутнасці ∝ I². Вышэйшае напружанне = меншы ток для той жа магутнасці. Лініі 765 кВ губляюць <1% на 100 міль. Пры 120В вы б страцілі ўсё за 1 мілю! Вось чаму сетка выкарыстоўвае кВ.
Вы Можаце Выжыць пры Мільёне Вольт
Генератары Ван дэ Граафа дасягаюць 1 МВ, але бяспечныя — мізэрны ток. Статычны разрад: 10-30 кВ. Тазеры: 50 кВ. Небяспечны ток праз сэрца (>100 мА), а не напружанне. Само па сабе напружанне не забівае.
Гістарычная Эвалюцыя
1800
Вольта вынаходзіць батарэю (вольтаў слуп). Першая бесперапынная крыніца напружання. Адзінка пазней названа 'вольт' у яго гонар.
1827
Ом адкрывае V = I × R. Закон Ома становіцца асновай тэорыі ланцугоў. Спачатку адхілены, цяпер фундаментальны.
1831
Фарадэй адкрывае электрамагнітную індукцыю. Паказвае, што напружанне можа быць выклікана зменай магнітных палёў. Гэта дазваляе ствараць генератары.
1881
Першы міжнародны электрычны кангрэс вызначае вольт: ЭРС, якая стварае 1 ампер праз 1 ом.
1893
Westinghouse выйграе кантракт на электрастанцыю на Ніягарскім вадаспадзе. Пераменны ток перамагае ў 'Вайне токаў'. Напружанне AC можна эфектыўна трансфармаваць.
1948
CGPM перавызначае вольт у абсалютных тэрмінах. На аснове вата і ампера. Устаноўлена сучаснае вызначэнне СІ.
1990
Стандарт напружання Джозефсана. Квантавы эфект вызначае вольт з дакладнасцю 10⁻⁹. Заснаваны на пастаяннай Планка і частаце.
2019
Перавызначэнне СІ: вольт цяпер выводзіцца з фіксаванай пастаяннай Планка. Дакладнае вызначэнне, не патрабуецца фізічны артэфакт.
Парады Прафесіяналаў
- **Хутка кВ у В**: Перанясіце коску на 3 знакі ўправа. 1.2 кВ = 1200 В.
- **Напружанне AC — гэта RMS**: 120В AC азначае 120В RMS ≈ 170В пікавае. Для разлікаў магутнасці выкарыстоўвайце RMS.
- **Паслядоўныя напружанні складаюцца**: 4 батарэі АА 1.5В = 6В (паслядоўна). Паралельна = 1.5В (большая ёмістасць).
- **Напружанне выклікае ток**: Думайце: напружанне = ціск, ток = паток. Няма ціску — няма патоку.
- **Правярайце намінальныя напружанні**: Перавышэнне намінальнага напружання знішчае кампаненты. Заўсёды правярайце тэхнічны пашпарт.
- **Вымярайце напружанне паралельна**: Вольтметр падключаецца паралельна кампаненту. Амперметр — паслядоўна.
- **Аўтаматычны навуковы запіс**: Значэнні < 1 мкВ або > 1 ГВ адлюстроўваюцца ў навуковым запісе для чытальнасці.
Поўны Даведнік па Адзінках
Адзінкі СІ
| Назва Адзінкі | Сімвал | Эквівалент у Вольтах | Заўвагі па Выкарыстанні |
|---|---|---|---|
| вольт | V | 1 V (base) | Базавая адзінка СІ; 1 В = 1 Вт/А = 1 Дж/Кл (дакладна). |
| гігавольт | GV | 1.0 GV | Фізіка высокіх энергій; касмічныя прамяні, паскаральнікі часціц. |
| мегавольт | MV | 1.0 MV | Маланка (~100 МВ), паскаральнікі часціц, рэнтгенаўскія апараты. |
| кілавольт | kV | 1.0 kV | Перадача энергіі (110-765 кВ), размеркаванне, высакавольтныя сістэмы. |
| мілівольт | mV | 1.0000 mV | Сігналы датчыкаў, тэрмапары, біяэлектрычнасць (нервовыя сігналы ~70 мВ). |
| мікравольт | µV | 1.0000 µV | Дакладныя вымярэнні, сігналы ЭЭГ/ЭКГ, нізкашумныя ўзмацняльнікі. |
| нанавольт | nV | 1.000e-9 V | Звышадчувальныя вымярэнні, квантавыя прылады, межы шуму. |
| пікавольт | pV | 1.000e-12 V | Квантавая электроніка, звышправодныя ланцугі, экстрэмальная дакладнасць. |
| фемтавольт | fV | 1.000e-15 V | Квантавыя сістэмы з некалькімі электронамі, тэарэтычныя межавыя вымярэнні. |
| атавольт | aV | 1.000e-18 V | Квантавы ўзровень шуму, аднаэлектронныя прылады, толькі для даследаванняў. |
Агульныя Адзінкі
| Назва Адзінкі | Сімвал | Эквівалент у Вольтах | Заўвагі па Выкарыстанні |
|---|---|---|---|
| ват на ампер | W/A | 1 V (base) | Эквівалент вольту: 1 В = 1 Вт/А з P = VI. Паказвае сувязь магутнасці. |
| джоўль на кулон | J/C | 1 V (base) | Вызначэнне вольта: 1 В = 1 Дж/Кл (энергія на зарад). Фундаментальнае. |
Састарэлыя і Навуковыя
| Назва Адзінкі | Сімвал | Эквівалент у Вольтах | Заўвагі па Выкарыстанні |
|---|---|---|---|
| абвольт (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Адзінка СГС-EMU = 10⁻⁸ В = 10 нВ. Састарэлая электрамагнітная адзінка. |
| статвольт (ESU) | statV | 299.7925 V | Адзінка СГС-ESU ≈ 300 В (c/1e6 × 1e-2). Састарэлая электрастатычная адзінка. |
Частыя Пытанні
У чым розніца паміж напружаннем і токам?
Напружанне — гэта электрычны ціск (як ціск вады). Ток — гэта хуткасць патоку (як паток вады). Высокае напружанне не азначае высокі ток. Можна мець высокае напружанне пры нулявым току (разамкнуты ланцуг) або высокі ток пры нізкім напружанні (кароткае замыканне праз провад).
Чаму для перадачы электраэнергіі выкарыстоўваецца высокае напружанне?
Страты магутнасці ў правадах ∝ I² (ток у квадраце). Пры той жа магутнасці P = VI, вышэйшае напружанне азначае меншы ток. Пры 765 кВ ток у 6,375 разоў меншы, чым пры 120В для той жа магутнасці → страты ~ у 40 мільёнаў разоў меншыя! Вось чаму лініі электраперадачы выкарыстоўваюць кВ.
Ці можа высокае напружанне забіць нават пры нізкім току?
Не, забівае ток, які праходзіць праз цела, а не напружанне. Статычныя разрады складаюць 10-30 кВ, але яны бяспечныя (<1 мА). Тазеры: 50 кВ, але бяспечныя. Аднак высокае напружанне можа прымусіць ток прайсці праз супраціўленне (V = IR), таму высокае напружанне часта азначае высокі ток. Смяротным з'яўляецца ток >50 мА праз сэрца.
У чым розніца паміж напружаннем AC і DC?
Напружанне DC (пастаянны ток) мае пастаянны напрамак: батарэі, USB, сонечныя панэлі. Напружанне AC (пераменны ток) змяняе напрамак: разеткі (50/60 Гц). Напружанне RMS (120В, 230В) — эфектыўны эквівалент DC. Большасць прылад унутрана выкарыстоўваюць DC (адаптары AC пераўтвараюць).
Чаму краіны выкарыстоўваюць розныя напружанні (120В супраць 230В)?
Гістарычныя прычыны. ЗША выбралі 110В у 1880-х (бяспечней, патрабавалася менш ізаляцыі). Еўропа пазней стандартызавала 220-240В (больш эфектыўна, менш медзі). Абодва варыянты працуюць добра. Вышэйшае напружанне = меншы ток для той жа магутнасці = танчэйшыя правады. Кампраміс паміж бяспекай і эфектыўнасцю.
Ці можна складаць напружанні?
Так, паслядоўна: батарэі ў паслядоўным злучэнні складаюць напружанні (1.5В + 1.5В = 3В). Паралельна: напружанне застаецца тым жа (1.5В + 1.5В = 1.5В, але падвойная ёмістасць). Закон напружання Кірхгофа: сума напружанняў у любым контуры роўная нулю (павышэнні роўныя падзенням).
Поўны Даведнік Інструментаў
Усе 71 інструменты, даступныя на UNITS