Převodník Napětí
Elektrický Potenciál: Od Milivoltů po Megavolty
Ovládněte jednotky napětí v elektronice, energetických systémech a fyzice. Od milivoltů po megavolty, pochopte elektrický potenciál, distribuci energie a co čísla znamenají v obvodech a v přírodě.
Základy Napětí
Co je Napětí?
Napětí je „elektrický tlak“, který tlačí proud obvodem. Představte si to jako tlak vody v potrubí. Vyšší napětí = silnější tlak. Měří se ve voltech (V). Není to totéž co proud nebo výkon!
- 1 volt = 1 joule na coulomb (energie na náboj)
- Napětí způsobuje tok proudu (jako tlak způsobuje tok vody)
- Měří se mezi dvěma body (rozdíl potenciálů)
- Vyšší napětí = více energie na náboj
Napětí vs Proud vs Výkon
Napětí (V) = tlak, Proud (I) = průtok, Výkon (P) = rychlost energie. P = V × I. 12V při 1A = 12W. Stejný výkon, možné jsou různé kombinace napětí/proudu.
- Napětí = elektrický tlak (V)
- Proud = tok náboje (A)
- Výkon = napětí × proud (W)
- Odpor = napětí ÷ proud (Ω, Ohmův zákon)
AC vs DC Napětí
DC (stejnosměrné) napětí má konstantní směr: baterie (1.5V, 12V). AC (střídavé) napětí směr mění: zásuvky (120V, 230V). RMS napětí = efektivní DC ekvivalent.
- DC: konstantní napětí (baterie, USB, obvody)
- AC: střídavé napětí (zásuvky, rozvodná síť)
- RMS = efektivní napětí (120V AC RMS ≈ 170V špička)
- Většina zařízení interně používá DC (AC adaptéry převádějí)
- Napětí = energie na náboj (1 V = 1 J/C)
- Vyšší napětí = větší „elektrický tlak“
- Napětí způsobuje proud; proud nezpůsobuje napětí
- Výkon = napětí × proud (P = VI)
Vysvětlení Systémů Jednotek
Jednotky SI — Volt
Volt (V) je jednotka SI pro elektrický potenciál. Je definován z wattu a ampéru: 1 V = 1 W/A. Také: 1 V = 1 J/C (energie na náboj). Předpony od atto po giga pokrývají všechny rozsahy.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (přesné definice)
- kV pro elektrická vedení (110 kV, 500 kV)
- mV, µV pro senzory, signály
- fV, aV pro kvantová měření
Definiční Jednotky
W/A a J/C jsou z definice ekvivalentní voltu. Ukazují vztahy: V = W/A (výkon na proud), V = J/C (energie na náboj). Užitečné pro pochopení fyziky.
- 1 V = 1 W/A (z P = VI)
- 1 V = 1 J/C (definice)
- Všechny tři jsou identické
- Různé pohledy na stejnou veličinu
Zastaralé Jednotky CGS
Abvolt (EMU) a statvolt (ESU) ze starého systému CGS. V moderním použití jsou vzácné, ale objevují se v historických textech z fyziky. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvolt = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvolt ≈ 300 V (ESU)
- Zastaralé; standardem je SI volt
- Objevují se pouze ve starých učebnicích
Fyzika Napětí
Ohmův Zákon
Základní vztah: V = I × R. Napětí se rovná proudu krát odpor. Znáte-li libovolné dvě veličiny, vypočítáte třetí. Základ veškeré analýzy obvodů.
- V = I × R (napětí = proud × odpor)
- I = V / R (proud z napětí)
- R = V / I (odpor z měření)
- Lineární pro rezistory; nelineární pro diody atd.
Kirchhoffův Zákon o Napětí
V jakékoli uzavřené smyčce je součet napětí nulový. Jako když jdete v kruhu: změny nadmořské výšky se sečtou na nulu. Energie je zachována. Nezbytný pro analýzu obvodů.
- ΣV = 0 kolem jakékoli smyčky
- Vzestupy napětí = poklesy napětí
- Zachování energie v obvodech
- Používá se k řešení složitých obvodů
Elektrické Pole a Napětí
Elektrické pole E = V/d (napětí na vzdálenost). Vyšší napětí na krátkou vzdálenost = silnější pole. Blesk: miliony voltů na metrech = pole MV/m.
- E = V / d (pole z napětí)
- Vysoké napětí + krátká vzdálenost = silné pole
- Průraz: vzduch se ionizuje při ~3 MV/m
- Statické výboje: kV na mm
Referenční Hodnoty Napětí v Reálném Světě
| Kontext | Napětí | Poznámky |
|---|---|---|
| Nervový signál | ~70 mV | Klidový potenciál |
| Termočlánek | ~50 µV/°C | Teplotní senzor |
| Baterie AA (nová) | 1.5 V | Alkalická, s používáním klesá |
| Napájení USB | 5 V | Standard USB-A/B |
| Autobaterie | 12 V | Šest 2V článků v sérii |
| USB-C PD | 5-20 V | Protokol Power Delivery |
| Domácí zásuvka (USA) | 120 V AC | RMS napětí |
| Domácí zásuvka (EU) | 230 V AC | RMS napětí |
| Elektrický ohradník | ~5-10 kV | Nízký proud, bezpečný |
| Zapalovací cívka automobilu | ~20-40 kV | Vytváří jiskru |
| Přenosové vedení | 110-765 kV | Síť vysokého napětí |
| Blesk | ~100 MV | 100 milionů voltů |
| Kosmický paprsek | ~1 GV+ | Částice extrémní energie |
Běžné Standardy Napětí
| Zařízení / Standard | Napětí | Typ | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Baterie AAA/AA | 1.5 V | DC | Alkalický standard |
| Li-ion článek | 3.7 V | DC | Nominální (rozsah 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Standardní napájení USB |
| 9V baterie | 9 V | DC | Šest 1.5V článků |
| Autobaterie | 12 V | DC | Šest 2V olověných článků |
| Nabíječka notebooku | 19 V | DC | Běžné napětí notebooku |
| PoE (Napájení přes Ethernet) | 48 V | DC | Napájení síťových zařízení |
| Domácnost v USA | 120 V | AC | 60 Hz, RMS napětí |
| Domácnost v EU | 230 V | AC | 50 Hz, RMS napětí |
| Elektrické vozidlo | 400 V | DC | Typický bateriový balíček |
Aplikace v Reálném Světě
Spotřební Elektronika
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Baterie: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (auto). Logika: 3.3V, 5V. Nabíječky notebooků: typicky 19V.
- USB: 5V (2.5W) až 20V (100W PD)
- Baterie telefonu: 3.7-4.2V Li-ion
- Notebook: typicky 19V DC
- Logické úrovně: 0V (nízká), 3.3V/5V (vysoká)
Distribuce Energie
Domácnost: 120V (USA), 230V (EU) AC. Přenos: 110-765 kV (vysoké napětí = malé ztráty). Rozvodny snižují napětí na distribuční. Nižší napětí u domů pro bezpečnost.
- Přenos: 110-765 kV (dlouhé vzdálenosti)
- Distribuce: 11-33 kV (sousedství)
- Domácnost: 120V/230V AC (zásuvky)
- Vysoké napětí = efektivní přenos
Vysoká Energie a Věda
Urychlovače částic: MV až GV (LHC: 6.5 TeV). Rentgenové záření: 50-150 kV. Elektronové mikroskopy: 100-300 kV. Blesk: typicky 100 MV. Van de Graaffův generátor: ~1 MV.
- Blesk: ~100 MV (100 milionů voltů)
- Urychlovače částic: rozsah GV
- Rentgenové trubice: 50-150 kV
- Elektronové mikroskopy: 100-300 kV
Rychlá Matematika Převodů
Rychlé Převody Předpon SI
Každý krok předpony = ×1000 nebo ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.
- kV → V: násobte 1 000
- V → mV: násobte 1 000
- mV → µV: násobte 1 000
- Opačně: dělte 1 000
Výkon z Napětí
P = V × I (výkon = napětí × proud). 12V při 2A = 24W. 120V při 10A = 1200W.
- P = V × I (Watty = Volty × Ampéry)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (pokud je znám odpor)
- I = P / V (proud z výkonu)
Rychlé Kontroly Ohmova Zákona
V = I × R. Znáte dva, najděte třetí. 12V přes 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Volty = Ampéry × Ohmy)
- I = V / R (proud z napětí)
- R = V / I (odpor)
- Pamatujte: pro I nebo R dělte
Jak Fungují Převody
- Krok 1: Převeďte zdroj → volty pomocí faktoru toBase
- Krok 2: Převeďte volty → cíl pomocí faktoru toBase cíle
- Alternativa: Použijte přímý faktor (kV → V: násobte 1000)
- Kontrola zdravým rozumem: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Pamatujte: W/A a J/C jsou identické s V
Běžná Referenční Tabulka Převodů
| Z | Do | Násobit | Příklad |
|---|---|---|---|
| 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 (identita) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (identita) |
Rychlé Příklady
Řešené Problémy
Výpočet Výkonu USB
USB-C dodává 20V při 5A. Jaký je výkon?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (maximum pro USB Power Delivery)
Návrh Rezistoru pro LED
Napájení 5V, LED potřebuje 2V při 20mA. Jaký rezistor?
Úbytek napětí = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Použijte standardní rezistor 150Ω nebo 180Ω.
Účinnost Elektrického Vedení
Proč přenášet na 500 kV místo 10 kV?
Ztráta = I²R. Stejný výkon P = VI, takže I = P/V. 500 kV má 50× menší proud → 2500× menší ztráty (faktor I²)!
Běžné Chyby, Kterým se Vyhnout
- **Napětí ≠ výkon**: 12V × 1A = 12W, ale 12V × 10A = 120W. Stejné napětí, jiný výkon!
- **Špičkové AC vs RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V špička. Pro výpočty výkonu používejte RMS (P = V_RMS × I_RMS).
- **Sériová napětí se sčítají**: Dvě 1.5V baterie v sérii = 3V. Paralelně = stále 1.5V (vyšší kapacita).
- **Vysoké napětí ≠ nebezpečí**: Statický výboj je 10+ kV, ale bezpečný (nízký proud). Zabíjí proud, ne samotné napětí.
- **Úbytek napětí**: Dlouhé dráty mají odpor. 12V u zdroje ≠ 12V u zátěže, pokud je drát příliš tenký.
- **Nemíchejte AC/DC**: 12V DC ≠ 12V AC. AC vyžaduje speciální komponenty. DC pouze z baterií/USB.
Fascinující Fakta o Napětí
Vaše Nervy Běží na 70 mV
Nervové buňky udržují klidový potenciál -70 mV. Akční potenciál vyskočí na +40 mV (rozkmit 110 mV) pro přenos signálů rychlostí ~100 m/s. Váš mozek je 20W elektrochemický počítač!
Blesk je 100 Milionů Voltů
Typický blesk: ~100 MV na ~5 km = pole 20 kV/m. Ale škodu způsobuje proud (30 kA) a doba trvání (<1 ms). Energie: ~1 GJ, mohla by napájet dům měsíc – kdybychom ji dokázali zachytit!
Elektrický Úhoř: 600V Živá Zbraň
Elektrický úhoř může vybít 600V při 1A pro obranu/lov. Má více než 6000 elektrocytů (biologických baterií) v sérii. Špičkový výkon: 600W. Okamžitě omráčí kořist. Přírodní taser!
USB-C Nyní Může Dodat 240W
USB-C PD 3.1: až 48V × 5A = 240W. Může nabíjet herní notebooky, monitory, dokonce i některé elektrické nářadí. Stejný konektor jako váš telefon. Jeden kabel, aby vládl všem!
Přenosová Vedení: Čím Vyšší, Tím Lepší
Ztráta výkonu ∝ I². Vyšší napětí = nižší proud pro stejný výkon. Vedení 765 kV ztrácí <1% na 100 mil. Při 120V byste ztratili všechno za 1 míli! Proto síť používá kV.
Můžete Přežít Milion Voltů
Van de Graaffovy generátory dosahují 1 MV, ale jsou bezpečné – zanedbatelný proud. Statický výboj: 10-30 kV. Tasery: 50 kV. Nebezpečný je proud procházející srdcem (>100 mA), ne napětí. Samotné napětí nezabíjí.
Historický Vývoj
1800
Volta vynalezl baterii (Voltův sloup). První nepřetržitý zdroj napětí. Jednotka byla později pojmenována 'volt' na jeho počest.
1827
Ohm objevil V = I × R. Ohmův zákon se stává základem teorie obvodů. Původně odmítnut, nyní základní.
1831
Faraday objevil elektromagnetickou indukci. Ukazuje, že napětí může být indukováno změnou magnetických polí. Umožňuje generátory.
1881
První mezinárodní elektrický kongres definuje volt: EMF, které produkuje 1 ampér přes 1 ohm.
1893
Westinghouse vyhrává kontrakt na elektrárnu u Niagarských vodopádů. AC vítězí ve 'válce proudů'. AC napětí lze efektivně transformovat.
1948
CGPM redefinuje volt v absolutních termínech. Založeno na wattu a ampéru. Byla stanovena moderní definice SI.
1990
Josephsonův napěťový standard. Kvantový jev definuje volt s přesností 10⁻⁹. Založeno na Planckově konstantě a frekvenci.
2019
Redefinice SI: volt je nyní odvozen od pevné Planckovy konstanty. Přesná definice, není potřeba žádný fyzický artefakt.
Profesionální Tipy
- **Rychle kV na V**: Posuňte desetinnou čárku o 3 místa doprava. 1.2 kV = 1200 V.
- **AC napětí je RMS**: 120V AC znamená 120V RMS ≈ 170V špička. Pro výpočty výkonu používejte RMS.
- **Sériová napětí se sčítají**: 4× 1.5V AA baterie = 6V (v sérii). Paralelně = 1.5V (větší kapacita).
- **Napětí způsobuje proud**: Myslete na napětí = tlak, proud = průtok. Žádný tlak, žádný průtok.
- **Zkontrolujte jmenovité napětí**: Překročení jmenovitého napětí ničí součástky. Vždy zkontrolujte datový list.
- **Měřte napětí paralelně**: Voltmetr se připojuje paralelně k součástce. Ampérmetr se připojuje do série.
- **Automatická vědecká notace**: Hodnoty < 1 µV nebo > 1 GV se zobrazují ve vědecké notaci pro lepší čitelnost.
Kompletní Referenční Tabulka Jednotek
Jednotky SI
| Název Jednotky | Symbol | Ekvivalent ve Voltech | Poznámky k Použití |
|---|---|---|---|
| volt | V | 1 V (base) | Základní jednotka SI; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (přesně). |
| gigavolt | GV | 1.0 GV | Fyzika vysokých energií; kosmické paprsky, urychlovače částic. |
| megavolt | MV | 1.0 MV | Blesky (~100 MV), urychlovače částic, rentgenové přístroje. |
| kilovolt | kV | 1.0 kV | Přenos energie (110-765 kV), distribuce, vysokonapěťové systémy. |
| milivolt | mV | 1.0000 mV | Signály senzorů, termočlánky, bioelektřina (nervové signály ~70 mV). |
| mikrovolt | µV | 1.0000 µV | Přesná měření, signály EEG/ECG, nízkošumové zesilovače. |
| nanovolt | nV | 1.000e-9 V | Ultra-citlivá měření, kvantová zařízení, hranice šumu. |
| pikovolt | pV | 1.000e-12 V | Kvantová elektronika, supravodivé obvody, extrémní přesnost. |
| femtovolt | fV | 1.000e-15 V | Kvantové systémy s málo elektrony, měření teoretických limitů. |
| attovolt | aV | 1.000e-18 V | Kvantové šumové pozadí, jednoelektronová zařízení, pouze výzkum. |
Běžné Jednotky
| Název Jednotky | Symbol | Ekvivalent ve Voltech | Poznámky k Použití |
|---|---|---|---|
| watt na ampér | W/A | 1 V (base) | Ekvivalent voltu: 1 V = 1 W/A z P = VI. Ukazuje vztah k výkonu. |
| joule na coulomb | J/C | 1 V (base) | Definice voltu: 1 V = 1 J/C (energie na náboj). Základní. |
Zastaralé a Vědecké
| Název Jednotky | Symbol | Ekvivalent ve Voltech | Poznámky k Použití |
|---|---|---|---|
| abvolt (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Jednotka CGS-EMU = 10⁻⁸ V = 10 nV. Zastaralá elektromagnetická jednotka. |
| statvolt (ESU) | statV | 299.7925 V | Jednotka CGS-ESU ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Zastaralá elektrostatická jednotka. |
Často Kladené Otázky
Jaký je rozdíl mezi napětím a proudem?
Napětí je elektrický tlak (jako tlak vody). Proud je průtok (jako tok vody). Vysoké napětí neznamená vysoký proud. Můžete mít vysoké napětí s nulovým proudem (otevřený obvod) nebo vysoký proud s nízkým napětím (zkrat přes drát).
Proč se pro přenos energie používá vysoké napětí?
Ztráta výkonu v drátech je ∝ I² (proud na druhou). Pro stejný výkon P = VI, vyšší napětí znamená nižší proud. 765 kV má 6 375× menší proud než 120V pro stejný výkon → ~40 milionkrát menší ztráty! Proto elektrická vedení používají kV.
Může vás vysoké napětí zabít i při nízkém proudu?
Ne, zabíjí proud procházející vaším tělem, ne napětí. Statické výboje jsou 10-30 kV, ale bezpečné (<1 mA). Tasery: 50 kV, ale bezpečné. Avšak vysoké napětí může protlačit proud odporem (V = IR), takže vysoké napětí často znamená vysoký proud. Smrtelný je proud >50 mA procházející srdcem.
Jaký je rozdíl mezi AC a DC napětím?
DC (stejnosměrné) napětí má konstantní směr: baterie, USB, solární panely. AC (střídavé) napětí mění směr: zásuvky (50/60 Hz). RMS napětí (120V, 230V) je efektivní DC ekvivalent. Většina zařízení interně používá DC (AC adaptéry převádějí).
Proč země používají různá napětí (120V vs 230V)?
Historické důvody. USA si v 80. letech 19. století zvolily 110V (bezpečnější, vyžadovalo méně izolace). Evropa později standardizovala na 220-240V (efektivnější, méně mědi). Obě fungují dobře. Vyšší napětí = nižší proud pro stejný výkon = tenčí dráty. Kompromis mezi bezpečností a efektivitou.
Můžete sčítat napětí?
Ano, v sérii: baterie v sérii sčítají napětí (1.5V + 1.5V = 3V). Paralelně: napětí zůstává stejné (1.5V + 1.5V = 1.5V, ale dvojnásobná kapacita). Kirchhoffův zákon o napětí: napětí v jakékoli smyčce se sčítají na nulu (vzestupy se rovnají poklesům).
Kompletní Adresář Nástrojů
Všech 71 nástrojů dostupných na UNITS