Convertidor de Voltatge
Potencial Elèctric: De Mil·livolts a Megavolts
Domina les unitats de voltatge en electrònica, sistemes de potència i física. Des de mil·livolts a megavolts, entén el potencial elèctric, la distribució de potència i què signifiquen els números en circuits i a la natura.
Fonaments del Voltatge
Què és el Voltatge?
El voltatge és la 'pressió elèctrica' que empeny el corrent a través d'un circuit. Pensa-hi com la pressió de l'aigua en canonades. Més voltatge = empenta més forta. Es mesura en volts (V). No és el mateix que el corrent o la potència!
- 1 volt = 1 joule per coulomb (energia per càrrega)
- El voltatge fa que el corrent flueixi (com la pressió fa que l'aigua flueixi)
- Es mesura entre dos punts (diferència de potencial)
- Més voltatge = més energia per càrrega
Voltatge vs Corrent vs Potència
Voltatge (V) = pressió, Corrent (I) = cabal, Potència (P) = ritme d'energia. P = V × I. 12V a 1A = 12W. La mateixa potència, diferents combinacions de voltatge/corrent són possibles.
- Voltatge = pressió elèctrica (V)
- Corrent = flux de càrrega (A)
- Potència = voltatge × corrent (W)
- Resistència = voltatge ÷ corrent (Ω, llei d'Ohm)
Voltatge AC vs DC
El voltatge DC (Corrent Continu) té una direcció constant: bateries (1.5V, 12V). El voltatge AC (Corrent Altern) inverteix la seva direcció: endolls de paret (120V, 230V). El voltatge RMS = l'equivalent efectiu en DC.
- DC: voltatge constant (bateries, USB, circuits)
- AC: voltatge altern (endolls de paret, xarxa)
- RMS = voltatge efectiu (120V AC RMS ≈ 170V de pic)
- La majoria de dispositius utilitzen DC internament (els adaptadors AC converteixen)
- Voltatge = energia per càrrega (1 V = 1 J/C)
- Més voltatge = més 'pressió elèctrica'
- El voltatge causa el corrent; el corrent no causa el voltatge
- Potència = voltatge × corrent (P = VI)
Explicació dels Sistemes d'Unitats
Unitats SI — Volt
El volt (V) és la unitat del SI per al potencial elèctric. Es defineix a partir del watt i l'amper: 1 V = 1 W/A. També: 1 V = 1 J/C (energia per càrrega). Els prefixos des d'atto fins a giga cobreixen tots els rangs.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (definicions exactes)
- kV per a línies elèctriques (110 kV, 500 kV)
- mV, µV per a sensors, senyals
- fV, aV per a mesures quàntiques
Unitats de Definició
W/A i J/C són equivalents al volt per definició. Mostren relacions: V = W/A (potència per corrent), V = J/C (energia per càrrega). Útils per entendre la física.
- 1 V = 1 W/A (de P = VI)
- 1 V = 1 J/C (definició)
- Totes tres són idèntiques
- Diferents perspectives sobre la mateixa quantitat
Unitats CGS Antigues
L'abvolt (EMU) i l'statvolt (ESU) de l'antic sistema CGS. Rares en ús modern però apareixen en textos de física històrics. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvolt = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvolt ≈ 300 V (ESU)
- Obsoletes; el volt del SI és l'estàndard
- Apareixen només en llibres de text antics
La Física del Voltatge
Llei d'Ohm
Relació fonamental: V = I × R. El voltatge és igual al corrent multiplicat per la resistència. Si en coneixes dos, pots calcular el tercer. Fonament de tota anàlisi de circuits.
- V = I × R (voltatge = corrent × resistència)
- I = V / R (corrent a partir del voltatge)
- R = V / I (resistència a partir de mesures)
- Lineal per a resistències; no lineal per a díodes, etc.
Llei de Voltatge de Kirchhoff
En qualsevol bucle tancat, els voltatges sumen zero. Com caminar en cercle: els canvis d'altitud sumen zero. L'energia es conserva. Essencial per a l'anàlisi de circuits.
- ΣV = 0 al voltant de qualsevol bucle
- Pujades de voltatge = caigudes de voltatge
- Conservació de l'energia en circuits
- S'utilitza per resoldre circuits complexos
Camp Elèctric i Voltatge
Camp elèctric E = V/d (voltatge per distància). Més voltatge en una distància curta = camp més fort. Llamp: milions de volts en metres = camp de MV/m.
- E = V / d (camp a partir del voltatge)
- Alt voltatge + distància curta = camp fort
- Ruptura: l'aire s'ionitza a ~3 MV/m
- Descàrregues estàtiques: kV a través de mm
Punts de Referència de Voltatge al Món Real
| Context | Voltatge | Notes |
|---|---|---|
| Senyal nerviós | ~70 mV | Potencial de repòs |
| Termoparell | ~50 µV/°C | Sensor de temperatura |
| Pila AA (nova) | 1.5 V | Alcalina, disminueix amb l'ús |
| Alimentació USB | 5 V | Estàndard USB-A/B |
| Bateria de cotxe | 12 V | Sis cel·les de 2V en sèrie |
| USB-C PD | 5-20 V | Protocol Power Delivery |
| Endoll domèstic (EUA) | 120 V AC | Voltatge RMS |
| Endoll domèstic (UE) | 230 V AC | Voltatge RMS |
| Tanca elèctrica | ~5-10 kV | Baix corrent, segur |
| Bobina d'encesa de cotxe | ~20-40 kV | Crea l'espurna |
| Línia de transmissió | 110-765 kV | Xarxa d'alta tensió |
| Llamp | ~100 MV | 100 milions de volts |
| Raig còsmic | ~1 GV+ | Partícules d'energia extrema |
Estàndards Comuns de Voltatge
| Dispositiu / Estàndard | Voltatge | Tipus | Notes |
|---|---|---|---|
| Pila AAA/AA | 1.5 V | DC | Estàndard alcalí |
| Cel·la de Li-ion | 3.7 V | DC | Nominal (rang de 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Alimentació USB estàndard |
| Pila de 9V | 9 V | DC | Sis cel·les de 1.5V |
| Bateria de cotxe | 12 V | DC | Sis cel·les de plom-àcid de 2V |
| Carregador de portàtil | 19 V | DC | Voltatge comú de portàtil |
| PoE (Power over Ethernet) | 48 V | DC | Alimentació de dispositius de xarxa |
| Llar als EUA | 120 V | AC | 60 Hz, voltatge RMS |
| Llar a la UE | 230 V | AC | 50 Hz, voltatge RMS |
| Vehicle elèctric | 400 V | DC | Paquet de bateries típic |
Aplicacions al Món Real
Electrònica de Consum
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Bateries: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (cotxe). Lògica: 3.3V, 5V. Carregadors de portàtils: 19V típic.
- USB: 5V (2.5W) a 20V (100W PD)
- Bateria de telèfon: 3.7-4.2V Li-ion
- Portàtil: 19V DC típic
- Nivells lògics: 0V (baix), 3.3V/5V (alt)
Distribució d'Energia
Llar: 120V (EUA), 230V (UE) AC. Transmissió: 110-765 kV (alt voltatge = baixa pèrdua). Les subestacions redueixen al voltatge de distribució. Voltatge més baix a prop de les llars per seguretat.
- Transmissió: 110-765 kV (llarga distància)
- Distribució: 11-33 kV (barri)
- Llar: 120V/230V AC (endolls)
- Alt voltatge = transmissió eficient
Alta Energia i Ciència
Acceleradors de partícules: de MV a GV (LHC: 6.5 TeV). Raigs X: 50-150 kV. Microscopis electrònics: 100-300 kV. Llamp: 100 MV típic. Generador de Van de Graaff: ~1 MV.
- Llamp: ~100 MV (100 milions de volts)
- Acceleradors de partícules: rang de GV
- Tubs de raigs X: 50-150 kV
- Microscopis electrònics: 100-300 kV
Matemàtiques Ràpides de Conversió
Conversions Ràpides de Prefixos SI
Cada pas de prefix = ×1000 o ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.
- kV → V: multiplica per 1,000
- V → mV: multiplica per 1,000
- mV → µV: multiplica per 1,000
- Invers: divideix per 1,000
Potència a partir del Voltatge
P = V × I (potència = voltatge × corrent). 12V a 2A = 24W. 120V a 10A = 1200W.
- P = V × I (Watts = Volts × Ampers)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (si es coneix la resistència)
- I = P / V (corrent a partir de la potència)
Comprovacions Ràpides de la Llei d'Ohm
V = I × R. Si en coneixes dos, troba el tercer. 12V a través de 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Volts = Ampers × Ohms)
- I = V / R (corrent a partir del voltatge)
- R = V / I (resistència)
- Recorda: divideix per a I o R
Com Funcionen les Conversions
- Pas 1: Converteix la font → volts utilitzant el factor toBase
- Pas 2: Converteix volts → destinació utilitzant el factor toBase de la destinació
- Alternativa: Utilitza un factor directe (kV → V: multiplica per 1000)
- Comprovació de sentit comú: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Recorda: W/A i J/C són idèntics a V
Referència de Conversions Comuns
| Des de | A | Multiplica per | Exemple |
|---|---|---|---|
| V | kV | 0.001 | 1000 V = 1 kV |
| kV | V | 1000 | 1 kV = 1000 V |
| V | mV | 1000 | 1 V = 1000 mV |
| mV | V | 0.001 | 1000 mV = 1 V |
| mV | µV | 1000 | 1 mV = 1000 µV |
| µV | mV | 0.001 | 1000 µV = 1 mV |
| kV | MV | 0.001 | 1000 kV = 1 MV |
| MV | kV | 1000 | 1 MV = 1000 kV |
| V | W/A | 1 | 5 V = 5 W/A (identitat) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (identitat) |
Exemples Ràpids
Problemes Resolts
Càlcul de la Potència USB
Un USB-C subministra 20V a 5A. Quina és la potència?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (màxim de USB Power Delivery)
Disseny de Resistència per a LED
Alimentació de 5V, un LED necessita 2V a 20mA. Quina resistència?
Caiguda de voltatge = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Utilitza una resistència estàndard de 150Ω o 180Ω.
Eficiència de les Línies Elèctriques
Per què es transmet a 500 kV en lloc de 10 kV?
Pèrdua = I²R. Per a la mateixa potència P = VI, llavors I = P/V. 500 kV té 50 vegades menys corrent → 2500 vegades menys pèrdua (factor I²)!
Errors Comuns a Evitar
- **Voltatge ≠ potència**: 12V × 1A = 12W, però 12V × 10A = 120W. El mateix voltatge, diferent potència!
- **Pic AC vs RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V de pic. Utilitza RMS per als càlculs de potència (P = V_RMS × I_RMS).
- **Els voltatges en sèrie se sumen**: Dues piles de 1.5V en sèrie = 3V. En paral·lel = encara 1.5V (més capacitat).
- **Alt voltatge ≠ perill**: Una descàrrega estàtica és de 10+ kV però segura (baix corrent). El corrent mata, no el voltatge per si sol.
- **Caiguda de voltatge**: Els cables llargs tenen resistència. 12V a la font ≠ 12V a la càrrega si el cable és massa prim.
- **No barregis AC/DC**: 12V DC ≠ 12V AC. L'AC necessita components especials. El DC només de bateries/USB.
Dades Fascinants sobre el Voltatge
Els teus Nervis Funcionen a 70 mV
Les cèl·lules nervioses mantenen un potencial de repòs de -70 mV. El potencial d'acció puja a +40 mV (una oscil·lació de 110 mV) per transmetre senyals a ~100 m/s. El teu cervell és un ordinador electroquímic de 20W!
Un Llamp té 100 Milions de Volts
Un llamp típic: ~100 MV sobre ~5 km = camp de 20 kV/m. Però el corrent (30 kA) i la durada (<1 ms) causen el dany. Energia: ~1 GJ, podria alimentar una casa durant un mes—si poguéssim capturar-la!
Anguiles Elèctriques: Arma Vivent de 600V
L'anguila elèctrica pot descarregar 600V a 1A per a defensa/caça. Té més de 6000 electròcits (bateries biològiques) en sèrie. Potència de pic: 600W. Atordeix la presa a l'instant. El tàser de la natura!
L'USB-C Ara Pot Donar 240W
USB-C PD 3.1: fins a 48V × 5A = 240W. Pot carregar portàtils de gaming, monitors, fins i tot algunes eines elèctriques. El mateix connector que el teu telèfon. Un sol cable per a governar-los a tots!
Línies de Transmissió: Més Alt és Millor
La pèrdua de potència ∝ I². Més voltatge = menys corrent per a la mateixa potència. Les línies de 765 kV perden <1% per cada 100 milles. A 120V, ho perdries tot en 1 milla! Per això la xarxa utilitza kV.
Pots Sobreviure a un Milió de Volts
Els generadors de Van de Graaff arriben a 1 MV però són segurs—corrent minúscul. Descàrrega estàtica: 10-30 kV. Tàsers: 50 kV. El corrent a través del cor (>100 mA) és perillós, no el voltatge. El voltatge per si sol no mata.
Evolució Històrica
1800
Volta inventa la bateria (pila voltaica). Primera font de voltatge continu. La unitat s'anomena més tard 'volt' en el seu honor.
1827
Ohm descobreix V = I × R. La llei d'Ohm esdevé el fonament de la teoria de circuits. Inicialment rebutjada, ara fonamental.
1831
Faraday descobreix la inducció electromagnètica. Demostra que es pot induir voltatge canviant camps magnètics. Permet els generadors.
1881
El primer congrés elèctric internacional defineix el volt: FEM que produeix 1 amper a través d'1 ohm.
1893
Westinghouse guanya el contracte per a la central elèctrica de les Cascades del Niàgara. L'AC guanya la 'Guerra dels Corrents'. El voltatge AC es pot transformar eficientment.
1948
La CGPM redefineix el volt en termes absoluts. Basat en el watt i l'amper. S'estableix la definició moderna del SI.
1990
Estàndard de voltatge de Josephson. Un efecte quàntic defineix el volt amb una precisió de 10⁻⁹. Basat en la constant de Planck i la freqüència.
2019
Redefinició del SI: el volt ara es deriva de la constant de Planck fixa. Definició exacta, no es necessita cap artefacte físic.
Consells Professionals
- **Ràpid de kV a V**: Mou la coma decimal 3 llocs a la dreta. 1.2 kV = 1200 V.
- **El voltatge AC és RMS**: 120V AC significa 120V RMS ≈ 170V de pic. Utilitza RMS per als càlculs de potència.
- **Els voltatges en sèrie se sumen**: 4 piles AA de 1.5V = 6V (en sèrie). En paral·lel = 1.5V (més capacitat).
- **El voltatge causa el corrent**: Pensa en voltatge = pressió, corrent = cabal. Sense pressió, no hi ha cabal.
- **Comprova les classificacions de voltatge**: Superar el voltatge nominal destrueix els components. Comprova sempre el full de dades.
- **Mesura el voltatge en paral·lel**: El voltímetre es col·loca a través (en paral·lel) del component. L'amperímetre es col·loca en sèrie.
- **Notació científica automàtica**: Valors < 1 µV o > 1 GV es mostren en notació científica per a una millor llegibilitat.
Referència Completa d'Unitats
Unitats SI
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Volts | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| volt | V | 1 V (base) | Unitat base del SI; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (exacte). |
| gigavolt | GV | 1.0 GV | Física d'altes energies; raigs còsmics, acceleradors de partícules. |
| megavolt | MV | 1.0 MV | Llamps (~100 MV), acceleradors de partícules, màquines de raigs X. |
| kilovolt | kV | 1.0 kV | Transmissió d'energia (110-765 kV), distribució, sistemes d'alt voltatge. |
| mil·livolt | mV | 1.0000 mV | Senyals de sensors, termoparells, bioelectricitat (senyals nerviosos ~70 mV). |
| microvolt | µV | 1.0000 µV | Mesures de precisió, senyals EEG/ECG, amplificadors de baix soroll. |
| nanovolt | nV | 1.000e-9 V | Mesures ultra sensibles, dispositius quàntics, límits de soroll. |
| picovolt | pV | 1.000e-12 V | Electrònica quàntica, circuits superconductors, precisió extrema. |
| femtovolt | fV | 1.000e-15 V | Sistemes quàntics de pocs electrons, mesures de límit teòric. |
| attovolt | aV | 1.000e-18 V | Sòl de soroll quàntic, dispositius d'un sol electró, només recerca. |
Unitats Comunes
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Volts | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| watt per ampere | W/A | 1 V (base) | Equivalent al volt: 1 V = 1 W/A de P = VI. Mostra la relació de potència. |
| joule per coulomb | J/C | 1 V (base) | Definició de volt: 1 V = 1 J/C (energia per càrrega). Fonamental. |
Llegat i Científic
| Nom de la Unitat | Símbol | Equivalent en Volts | Notes d'Ús |
|---|---|---|---|
| abvolt (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Unitat CGS-EMU = 10⁻⁸ V = 10 nV. Unitat electromagnètica obsoleta. |
| statvolt (ESU) | statV | 299.7925 V | Unitat CGS-ESU ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Unitat electrostàtica obsoleta. |
Preguntes Freqüents
Quina és la diferència entre voltatge i corrent?
El voltatge és pressió elèctrica (com la pressió de l'aigua). El corrent és el cabal (com el flux d'aigua). Un alt voltatge no significa un alt corrent. Pots tenir un alt voltatge amb corrent zero (circuit obert) o un alt corrent amb baix voltatge (curtcircuit a través d'un cable).
Per què s'utilitza un alt voltatge per a la transmissió d'energia?
La pèrdua de potència en els cables ∝ I² (corrent al quadrat). Per a la mateixa potència P = VI, un voltatge més alt significa un corrent més baix. 765 kV té 6,375 vegades menys corrent que 120V per a la mateixa potència → ~40 milions de vegades menys pèrdua! Per això les línies elèctriques utilitzen kV.
Pot un alt voltatge matar-te fins i tot amb un corrent baix?
No, el corrent a través del teu cos és el que mata, no el voltatge. Les descàrregues estàtiques són de 10-30 kV però segures (<1 mA). Els tàsers: 50 kV però segurs. No obstant això, un alt voltatge pot forçar el corrent a través de la resistència (V = IR), de manera que un alt voltatge sovint significa un alt corrent. El corrent >50 mA a través del cor és letal.
Quina és la diferència entre el voltatge AC i DC?
El voltatge DC (Corrent Continu) té una direcció constant: bateries, USB, panells solars. El voltatge AC (Corrent Altern) inverteix la seva direcció: endolls de paret (50/60 Hz). El voltatge RMS (120V, 230V) és l'equivalent efectiu en DC. La majoria dels dispositius utilitzen DC internament (els adaptadors AC converteixen).
Per què els països utilitzen voltatges diferents (120V vs 230V)?
Per raons històriques. Els EUA van triar 110V a la dècada de 1880 (més segur, necessitava menys aïllament). Europa es va estandarditzar més tard en 220-240V (més eficient, menys coure). Tots dos funcionen bé. Més voltatge = menys corrent per a la mateixa potència = cables més prims. Un compromís entre seguretat i eficiència.
Es poden sumar els voltatges?
Sí, en sèrie: les bateries en sèrie sumen els seus voltatges (1.5V + 1.5V = 3V). En paral·lel: el voltatge es manté igual (1.5V + 1.5V = 1.5V, però el doble de capacitat). Llei de Voltatge de Kirchhoff: els voltatges en qualsevol bucle sumen zero (les pujades igualen les caigudes).
Directori Complet d'Eines
Totes les 71 eines disponibles a UNITS