Η τάση είναι η «ηλεκτρική πίεση» που ωθεί το ρεύμα μέσα από ένα κύκλωμα. Σκεφτείτε την σαν την πίεση του νερού στους σωλήνες. Υψηλότερη τάση = ισχυρότερη ώθηση. Μετριέται σε βολτ (V). Δεν είναι το ίδιο με το ρεύμα ή την ισχύ!

• 1 βολτ = 1 τζάουλ ανά κουλόμπ (ενέργεια ανά φορτίο)
• Η τάση προκαλεί τη ροή του ρεύματος (όπως η πίεση προκαλεί τη ροή του νερού)
• Μετριέται μεταξύ δύο σημείων (διαφορά δυναμικού)
• Υψηλότερη τάση = περισσότερη ενέργεια ανά φορτίο

Τάση (V) = πίεση, Ρεύμα (I) = ρυθμός ροής, Ισχύς (P) = ρυθμός ενέργειας. P = V × I. 12V στα 1A = 12W. Ίδια ισχύς, δυνατοί διαφορετικοί συνδυασμοί τάσης/ρεύματος.

• Τάση = ηλεκτρική πίεση (V)
• Ρεύμα = ροή φορτίου (A)
• Ισχύς = τάση × ρεύμα (W)
• Αντίσταση = τάση ÷ ρεύμα (Ω, νόμος του Ohm)

Η τάση DC (Συνεχές Ρεύμα) έχει σταθερή κατεύθυνση: μπαταρίες (1.5V, 12V). Η τάση AC (Εναλλασσόμενο Ρεύμα) αντιστρέφει την κατεύθυνσή της: πρίζες τοίχου (120V, 230V). Τάση RMS = ισοδύναμο αποτελεσματικό DC.

• DC: σταθερή τάση (μπαταρίες, USB, κυκλώματα)
• AC: εναλλασσόμενη τάση (πρίζες τοίχου, δίκτυο)
• RMS = αποτελεσματική τάση (120V AC RMS ≈ 170V κορυφή)
• Οι περισσότερες συσκευές χρησιμοποιούν DC εσωτερικά (οι μετασχηματιστές AC μετατρέπουν)

Το βολτ (V) είναι η μονάδα SI για το ηλεκτρικό δυναμικό. Ορίζεται από το βατ και το αμπέρ: 1 V = 1 W/A. Επίσης: 1 V = 1 J/C (ενέργεια ανά φορτίο). Τα προθέματα από άττο έως γίγα καλύπτουν όλα τα εύρη.

• 1 V = 1 W/A = 1 J/C (ακριβείς ορισμοί)
• kV για γραμμές μεταφοράς ενέργειας (110 kV, 500 kV)
• mV, µV για αισθητήρες, σήματα
• fV, aV για κβαντικές μετρήσεις

Τα W/A και J/C είναι εξ ορισμού ισοδύναμα με το βολτ. Δείχνουν σχέσεις: V = W/A (ισχύς ανά ρεύμα), V = J/C (ενέργεια ανά φορτίο). Χρήσιμα για την κατανόηση της φυσικής.

• 1 V = 1 W/A (από P = VI)
• 1 V = 1 J/C (ορισμός)
• Και τα τρία είναι πανομοιότυπα
• Διαφορετικές οπτικές γωνίες για την ίδια ποσότητα

Το αμπβόλτ (EMU) και το στατβόλτ (ESU) από το παλιό σύστημα CGS. Σπάνια σε σύγχρονη χρήση αλλά εμφανίζονται σε ιστορικά κείμενα φυσικής. 1 στατV ≈ 300 V· 1 αμπV = 10 nV.

• 1 αμπβόλτ = 10⁻⁸ V (EMU)
• 1 στατβόλτ ≈ 300 V (ESU)
• Παρωχημένες· το βολτ SI είναι το πρότυπο
• Εμφανίζονται μόνο σε παλιά εγχειρίδια

Θεμελιώδης σχέση: V = I × R. Η τάση ισούται με το ρεύμα επί την αντίσταση. Γνωρίζοντας οποιαδήποτε δύο, υπολογίζετε το τρίτο. Θεμέλιο κάθε ανάλυσης κυκλώματος.

• V = I × R (τάση = ρεύμα × αντίσταση)
• I = V / R (ρεύμα από τάση)
• R = V / I (αντίσταση από μετρήσεις)
• Γραμμική για αντιστάτες· μη γραμμική για διόδους, κλπ.

Σε οποιονδήποτε κλειστό βρόχο, οι τάσεις αθροίζονται στο μηδέν. Σαν να περπατάς σε κύκλο: οι αλλαγές υψομέτρου αθροίζονται στο μηδέν. Η ενέργεια διατηρείται. Απαραίτητος για την ανάλυση κυκλωμάτων.

• ΣV = 0 γύρω από οποιονδήποτε βρόχο
• Αυξήσεις τάσης = πτώσεις τάσης
• Διατήρηση ενέργειας σε κυκλώματα
• Χρησιμοποιείται για την επίλυση πολύπλοκων κυκλωμάτων

Ηλεκτρικό πεδίο E = V/d (τάση ανά απόσταση). Υψηλότερη τάση σε μικρή απόσταση = ισχυρότερο πεδίο. Κεραυνός: εκατομμύρια βολτ σε μέτρα = πεδίο MV/m.

• E = V / d (πεδίο από τάση)
• Υψηλή τάση + μικρή απόσταση = ισχυρό πεδίο
• Διάσπαση: ο αέρας ιονίζεται σε ~3 MV/m
• Στατικοί σπινθήρες: kV σε mm

USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Μπαταρίες: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (αυτοκινήτου). Λογική: 3.3V, 5V. Φορτιστές laptop: τυπικά 19V.

• USB: 5V (2.5W) έως 20V (100W PD)
• Μπαταρία τηλεφώνου: 3.7-4.2V Li-ion
• Laptop: τυπικά 19V DC
• Λογικά επίπεδα: 0V (χαμηλό), 3.3V/5V (υψηλό)

Σπίτι: 120V (ΗΠΑ), 230V (ΕΕ) AC. Μεταφορά: 110-765 kV (υψηλή τάση = χαμηλή απώλεια). Οι υποσταθμοί μειώνουν την τάση σε τάση διανομής. Χαμηλότερη τάση κοντά στα σπίτια για ασφάλεια.

• Μεταφορά: 110-765 kV (μεγάλες αποστάσεις)
• Διανομή: 11-33 kV (γειτονιά)
• Σπίτι: 120V/230V AC (πρίζες)
• Υψηλή τάση = αποδοτική μεταφορά

Επιταχυντές σωματιδίων: MV έως GV (LHC: 6.5 TeV). Ακτίνες Χ: 50-150 kV. Ηλεκτρονικά μικροσκόπια: 100-300 kV. Κεραυνός: τυπικά 100 MV. Γεννήτρια Van de Graaff: ~1 MV.

• Κεραυνός: ~100 MV (100 εκατομμύρια βολτ)
• Επιταχυντές σωματιδίων: εύρος GV
• Λυχνίες ακτίνων Χ: 50-150 kV
• Ηλεκτρονικά μικροσκόπια: 100-300 kV

Κάθε βήμα προθέματος = ×1000 ή ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.

• kV → V: πολλαπλασιάστε με 1.000
• V → mV: πολλαπλασιάστε με 1.000
• mV → µV: πολλαπλασιάστε με 1.000
• Αντίστροφα: διαιρέστε με 1.000

P = V × I (ισχύς = τάση × ρεύμα). 12V στα 2A = 24W. 120V στα 10A = 1200W.

• P = V × I (Βατ = Βολτ × Αμπέρ)
• 12V × 5A = 60W
• P = V² / R (αν η αντίσταση είναι γνωστή)
• I = P / V (ρεύμα από ισχύ)

V = I × R. Γνωρίζοντας δύο, βρίσκετε το τρίτο. 12V σε 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.

• V = I × R (Βολτ = Αμπέρ × Ωμ)
• I = V / R (ρεύμα από τάση)
• R = V / I (αντίσταση)
• Θυμηθείτε: διαιρέστε για I ή R

Το USB-C παρέχει 20V στα 5A. Ποια είναι η ισχύς;

P = V × I = 20V × 5A = 100W (μέγιστο για το USB Power Delivery)

Τροφοδοσία 5V, το LED χρειάζεται 2V στα 20mA. Τι αντιστάτης;

Πτώση τάσης = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Χρησιμοποιήστε έναν πρότυπο αντιστάτη 150Ω ή 180Ω.

Γιατί η μεταφορά γίνεται στα 500 kV αντί για τα 10 kV;

Απώλεια = I²R. Για την ίδια ισχύ P = VI, άρα I = P/V. Τα 500 kV έχουν 50 φορές λιγότερο ρεύμα → 2500 φορές λιγότερη απώλεια (παράγοντας I²)!

Τα νευρικά κύτταρα διατηρούν -70 mV δυναμικό ηρεμίας. Το δυναμικό δράσης φτάνει τα +40 mV (μια αλλαγή 110 mV) για να μεταδώσει σήματα με ταχύτητα ~100 m/s. Ο εγκέφαλός σας είναι ένας ηλεκτροχημικός υπολογιστής 20W!

Ένας τυπικός κεραυνός: ~100 MV σε ~5 km = πεδίο 20 kV/m. Αλλά το ρεύμα (30 kA) και η διάρκεια (<1 ms) προκαλούν τη ζημιά. Ενέργεια: ~1 GJ, θα μπορούσε να τροφοδοτήσει ένα σπίτι για έναν μήνα—αν μπορούσαμε να τη συλλέξουμε!

Το ηλεκτρικό χέλι μπορεί να εκφορτίσει 600V στο 1A για άμυνα/κυνήγι. Έχει 6000+ ηλεκτροκύτταρα (βιολογικές μπαταρίες) σε σειρά. Μέγιστη ισχύς: 600W. Ακινητοποιεί αμέσως το θήραμα. Το taser της φύσης!

USB-C PD 3.1: έως 48V × 5A = 240W. Μπορεί να φορτίσει gaming laptops, οθόνες, ακόμα και ορισμένα ηλεκτρικά εργαλεία. Ο ίδιος σύνδεσμος με το τηλέφωνό σας. Ένα καλώδιο για να τα κυβερνά όλα!

Η απώλεια ισχύος ∝ I². Υψηλότερη τάση = χαμηλότερο ρεύμα για την ίδια ισχύ. Οι γραμμές των 765 kV χάνουν <1% ανά 100 μίλια. Στα 120V, θα τα χάνατε όλα σε 1 μίλι! Γι' αυτό το δίκτυο χρησιμοποιεί kV.

Οι γεννήτριες Van de Graaff φτάνουν το 1 MV αλλά είναι ασφαλείς—ελάχιστο ρεύμα. Στατικός ηλεκτρισμός: 10-30 kV. Taser: 50 kV. Το ρεύμα μέσω της καρδιάς (>100 mA) είναι επικίνδυνο, όχι η τάση. Η τάση από μόνη της δεν σκοτώνει.

Ο Βόλτα εφευρίσκει την μπαταρία (βολταϊκή στήλη). Πρώτη συνεχής πηγή τάσης. Η μονάδα αργότερα ονομάζεται «βολτ» προς τιμήν του.

Ο Ohm ανακαλύπτει το V = I × R. Ο νόμος του Ohm γίνεται το θεμέλιο της θεωρίας των κυκλωμάτων. Αρχικά απορρίφθηκε, τώρα είναι θεμελιώδης.

Ο Faraday ανακαλύπτει την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Δείχνει ότι η τάση μπορεί να επαχθεί αλλάζοντας μαγνητικά πεδία. Επιτρέπει τις γεννήτριες.

Το πρώτο διεθνές ηλεκτρικό συνέδριο ορίζει το βολτ: ΗΕΔ που παράγει 1 αμπέρ μέσω 1 ωμ.

Η Westinghouse κερδίζει το συμβόλαιο για τον υδροηλεκτρικό σταθμό των Καταρρακτών του Νιαγάρα. Το AC κερδίζει τον «Πόλεμο των Ρευμάτων». Η τάση AC μπορεί να μετασχηματιστεί αποτελεσματικά.

Η CGPM επαναπροσδιορίζει το βολτ σε απόλυτους όρους. Βασίζεται στο βατ και το αμπέρ. Εγκαθιδρύεται ο σύγχρονος ορισμός SI.

Πρότυπο τάσης Josephson. Το κβαντικό φαινόμενο ορίζει το βολτ με ακρίβεια 10⁻⁹. Βασίζεται στη σταθερά του Planck και τη συχνότητα.

Επαναπροσδιορισμός SI: το βολτ προέρχεται πλέον από τη σταθερή σταθερά του Planck. Ακριβής ορισμός, δεν χρειάζεται φυσικό αντικείμενο.

Η τάση είναι ηλεκτρική πίεση (όπως η πίεση του νερού). Το ρεύμα είναι ο ρυθμός ροής (όπως η ροή του νερού). Η υψηλή τάση δεν σημαίνει υψηλό ρεύμα. Μπορείτε να έχετε υψηλή τάση με μηδενικό ρεύμα (ανοιχτό κύκλωμα) ή υψηλό ρεύμα με χαμηλή τάση (βραχυκύκλωμα μέσω ενός καλωδίου).

Η απώλεια ισχύος στα καλώδια είναι ∝ I² (τετράγωνο του ρεύματος). Για την ίδια ισχύ P = VI, υψηλότερη τάση σημαίνει χαμηλότερο ρεύμα. Τα 765 kV έχουν 6.375 φορές λιγότερο ρεύμα από τα 120V για την ίδια ισχύ → ~40 εκατομμύρια φορές λιγότερη απώλεια! Γι' αυτό οι γραμμές μεταφοράς ενέργειας χρησιμοποιούν kV.

Όχι, το ρεύμα που διαπερνά το σώμα σας σκοτώνει, όχι η τάση. Οι στατικοί ηλεκτρισμοί είναι 10-30 kV αλλά ασφαλείς (<1 mA). Τα Taser: 50 kV αλλά ασφαλή. Ωστόσο, η υψηλή τάση μπορεί να ωθήσει το ρεύμα μέσα από την αντίσταση (V = IR), οπότε η υψηλή τάση συχνά σημαίνει υψηλό ρεύμα. Το ρεύμα >50 mA μέσω της καρδιάς είναι θανατηφόρο.

Η τάση DC (Συνεχές Ρεύμα) έχει σταθερή κατεύθυνση: μπαταρίες, USB, ηλιακά πάνελ. Η τάση AC (Εναλλασσόμενο Ρεύμα) αντιστρέφει την κατεύθυνσή της: πρίζες τοίχου (50/60 Hz). Η τάση RMS (120V, 230V) είναι το αποτελεσματικό ισοδύναμο DC. Οι περισσότερες συσκευές χρησιμοποιούν DC εσωτερικά (οι μετασχηματιστές AC μετατρέπουν).

Ιστορικοί λόγοι. Οι ΗΠΑ επέλεξαν 110V τη δεκαετία του 1880 (ασφαλέστερο, απαιτούσε λιγότερη μόνωση). Η Ευρώπη αργότερα τυποποίησε στα 220-240V (πιο αποδοτικό, λιγότερος χαλκός). Και τα δύο λειτουργούν καλά. Υψηλότερη τάση = χαμηλότερο ρεύμα για την ίδια ισχύ = λεπτότερα καλώδια. Ένας συμβιβασμός μεταξύ ασφάλειας και αποδοτικότητας.

Ναι, σε σειρά: οι μπαταρίες σε σειρά προσθέτουν τις τάσεις τους (1.5V + 1.5V = 3V). Παράλληλα: η τάση παραμένει η ίδια (1.5V + 1.5V = 1.5V, αλλά διπλάσια χωρητικότητα). Νόμος Τάσης του Kirchhoff: οι τάσεις σε οποιονδήποτε βρόχο αθροίζονται στο μηδέν (οι αυξήσεις ισούνται με τις πτώσεις).