Pinge Teisendaja
Elektriline Potentsiaal: Millivoltidest Megavoltideni
Valdage pingeühikuid elektroonikas, elektrisüsteemides ja füüsikas. Millivoltidest megavoltideni, mõistke elektrilist potentsiaali, energiajaotust ja seda, mida numbrid vooluringides ja looduses tähendavad.
Pinge Alused
Mis on Pinge?
Pinge on 'elektriline rõhk', mis lükkab voolu läbi vooluringi. Mõelge sellest kui veesurvest torudes. Kõrgem pinge = tugevam lüke. Mõõdetakse voltides (V). See ei ole sama mis vool või võimsus!
- 1 volt = 1 džaul kuloni kohta (energia laengu kohta)
- Pinge põhjustab voolu voolamist (nagu rõhk põhjustab vee voolamist)
- Mõõdetakse kahe punkti vahel (potentsiaalide vahe)
- Kõrgem pinge = rohkem energiat laengu kohta
Pinge vs Vool vs Võimsus
Pinge (V) = rõhk, Vool (I) = voolukiirus, Võimsus (P) = energiakiirus. P = V × I. 12V 1A juures = 12W. Sama võimsus, erinevad pinge/voolu kombinatsioonid on võimalikud.
- Pinge = elektriline rõhk (V)
- Vool = laengu vool (A)
- Võimsus = pinge × vool (W)
- Takistus = pinge ÷ vool (Ω, Ohmi seadus)
Vahelduv- vs Alalispinge
Alalispinge (DC) on konstantse suunaga: patareid (1.5V, 12V). Vahelduvpinge (AC) muudab suunda: seinakontaktid (120V, 230V). Efektiivväärtus (RMS) pinge = efektiivne alalispinge ekvivalent.
- DC: konstantne pinge (patareid, USB, vooluringid)
- AC: vahelduvpinge (seinakontaktid, elektrivõrk)
- RMS = efektiivne pinge (120V AC RMS ≈ 170V tipp)
- Enamik seadmeid kasutab sisemiselt alalispinget (vahelduvvooluadapterid muundavad)
- Pinge = energia laengu kohta (1 V = 1 J/C)
- Kõrgem pinge = suurem 'elektriline rõhk'
- Pinge põhjustab voolu; vool ei põhjusta pinget
- Võimsus = pinge × vool (P = VI)
Ühikusüsteemide Selgitus
SI-ühikud — Volt
Volt (V) on SI-ühik elektrilise potentsiaali jaoks. Määratletud vati ja ampri kaudu: 1 V = 1 W/A. Samuti: 1 V = 1 J/C (energia laengu kohta). Eesliited attost gigani katavad kõik vahemikud.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (täpsed definitsioonid)
- kV elektriliinidele (110 kV, 500 kV)
- mV, µV anduritele, signaalidele
- fV, aV kvantmõõtmisteks
Definitsiooniühikud
W/A ja J/C on definitsiooni järgi voldiga samaväärsed. Näitavad seoseid: V = W/A (võimsus voolu kohta), V = J/C (energia laengu kohta). Kasulikud füüsika mõistmiseks.
- 1 V = 1 W/A (valemist P = VI)
- 1 V = 1 J/C (definitsioon)
- Kõik kolm on identsed
- Erinevad vaatenurgad samale suurusele
Vanad CGS-ühikud
Abvolt (EMU) ja statvolt (ESU) vanast CGS-süsteemist. Tänapäeval harva kasutatavad, kuid esinevad ajaloolistes füüsikatekstides. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvolt = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvolt ≈ 300 V (ESU)
- Aegunud; SI volt on standard
- Esinvad ainult vanades õpikutes
Pinge Füüsika
Ohmi Seadus
Põhiseos: V = I × R. Pinge võrdub voolu ja takistuse korrutisega. Teades kahte, arvuta kolmas. Kogu vooluringi analüüsi alus.
- V = I × R (pinge = vool × takistus)
- I = V / R (vool pingest)
- R = V / I (takistus mõõtmistest)
- Lineaarne takistite puhul; mittelineaarne dioodide jms puhul.
Kirchhoffi Pingeseadus
Igas suletud ahelas on pingete summa null. Nagu ringis kõndimine: kõrgusemuutuste summa on null. Energia säilib. Oluline vooluringide analüüsimisel.
- ΣV = 0 igas ahelas
- Pingetõusud = pingelangud
- Energia säilimine vooluringides
- Kasutatakse keerukate vooluringide lahendamiseks
Elektriväli ja Pinge
Elektriväli E = V/d (pinge vahemaa kohta). Kõrgem pinge lühikese vahemaa peal = tugevam väli. Välk: miljonid voldid meetrite peal = MV/m väli.
- E = V / d (väli pingest)
- Kõrge pinge + lühike vahemaa = tugev väli
- Läbilöök: õhk ioniseerub ~3 MV/m juures
- Staatilised särtsud: kV millimeetri kohta
Reaalse Maailma Pinge Võrdlusalused
| Kontekst | Pinge | Märkused |
|---|---|---|
| Närvisignaal | ~70 mV | Puhkepotentsiaal |
| Termopaar | ~50 µV/°C | Temperatuuriandur |
| AA patarei (uus) | 1.5 V | Leelispatarei, väheneb kasutamisega |
| USB-toide | 5 V | USB-A/B standard |
| Autoaku | 12 V | Kuus 2V elementi seerias |
| USB-C PD | 5-20 V | Power Delivery protokoll |
| Kodune pistikupesa (USA) | 120 V AC | Efektiivväärtuse pinge |
| Kodune pistikupesa (EL) | 230 V AC | Efektiivväärtuse pinge |
| Elektrikarjus | ~5-10 kV | Madal vool, ohutu |
| Auto süütepool | ~20-40 kV | Tekitab sädeme |
| Ülekandeliin | 110-765 kV | Kõrgepingevõrk |
| Välgunool | ~100 MV | 100 miljonit volti |
| Kosmiline kiir | ~1 GV+ | Äärmusliku energiaga osakesed |
Levinud Pingestandardid
| Seade / Standard | Pinge | Tüüp | Märkused |
|---|---|---|---|
| AAA/AA patarei | 1.5 V | DC | Leelispatarei standard |
| Li-ioon element | 3.7 V | DC | Nominaalne (vahemik 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Standardne USB-toide |
| 9V patarei | 9 V | DC | Kuus 1.5V elementi |
| Autoaku | 12 V | DC | Kuus 2V plii-happe elementi |
| Sülearvuti laadija | 19 V | DC | Levinud sülearvuti pinge |
| PoE (Power over Ethernet) | 48 V | DC | Võrguseadmete toide |
| USA majapidamine | 120 V | AC | 60 Hz, efektiivväärtuse pinge |
| EL majapidamine | 230 V | AC | 50 Hz, efektiivväärtuse pinge |
| Elektrisõiduk | 400 V | DC | Tüüpiline akupakett |
Reaalse Maailma Rakendused
Tarbeelektroonika
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Patareid: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (auto). Loogika: 3.3V, 5V. Sülearvuti laadijad: tüüpiliselt 19V.
- USB: 5V (2.5W) kuni 20V (100W PD)
- Telefoni aku: 3.7-4.2V Li-ion
- Sülearvuti: tüüpiliselt 19V DC
- Loogikatasemed: 0V (madal), 3.3V/5V (kõrge)
Energiajaotus
Kodu: 120V (USA), 230V (EL) AC. Ülekanne: 110-765 kV (kõrge pinge = väike kadu). Alajaamad alandavad pinget jaotuspingeni. Madalam pinge kodude lähedal ohutuse tagamiseks.
- Ülekanne: 110-765 kV (pikad vahemaad)
- Jaotus: 11-33 kV (naabruskond)
- Kodu: 120V/230V AC (pistikupesad)
- Kõrge pinge = tõhus ülekanne
Kõrgenergia ja Teadus
Osakeste kiirendid: MV kuni GV (LHC: 6.5 TeV). Röntgenikiirgus: 50-150 kV. Elektronmikroskoobid: 100-300 kV. Välk: tüüpiliselt 100 MV. Van de Graaffi generaator: ~1 MV.
- Välk: ~100 MV (100 miljonit volti)
- Osakeste kiirendid: GV vahemik
- Röntgentorud: 50-150 kV
- Elektronmikroskoobid: 100-300 kV
Kiire Teisendusmatemaatika
SI Eesliidete Kiired Teisendused
Iga eesliite samm = ×1000 või ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.
- kV → V: korruta 1,000-ga
- V → mV: korruta 1,000-ga
- mV → µV: korruta 1,000-ga
- Vastupidi: jaga 1,000-ga
Võimsus Pingest
P = V × I (võimsus = pinge × vool). 12V 2A juures = 24W. 120V 10A juures = 1200W.
- P = V × I (Vatid = Voldid × Amprid)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (kui takistus on teada)
- I = P / V (vool võimsusest)
Ohmi Seaduse Kiired Kontrollid
V = I × R. Tea kahte, leia kolmas. 12V üle 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Voldid = Amprid × Oomid)
- I = V / R (vool pingest)
- R = V / I (takistus)
- Pea meeles: jaga I või R leidmiseks
Kuidas Teisendused Toimivad
- Samm 1: Teisenda allikas → voltideks, kasutades toBase tegurit
- Samm 2: Teisenda voldid → sihtühikuks, kasutades sihtühiku toBase tegurit
- Alternatiiv: Kasuta otsetegurit (kV → V: korruta 1000-ga)
- Mõistlikkuse kontroll: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Pea meeles: W/A ja J/C on voldiga identsed
Levinud Teisenduste Viide
| Kust | Kuhu | Korruta | Näide |
|---|---|---|---|
| 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 (identsus) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (identsus) |
Kiired Näited
Lahendatud Ülesanded
USB Võimsuse Arvutamine
USB-C annab 20V 5A juures. Mis on võimsus?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (USB Power Delivery maksimum)
LED Takisti Disain
5V toide, LED vajab 2V 20mA juures. Mis takisti?
Pingelang = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Kasuta 150Ω või 180Ω standardtakistit.
Elektriliinide Tõhusus
Miks edastada 500 kV asemel 10 kV juures?
Kadu = I²R. Sama võimsuse P = VI puhul on I = P/V. 500 kV-l on 50× vähem voolu → 2500× vähem kadu (I² tegur)!
Levinud Vead, Mida Vältida
- **Pinge ≠ võimsus**: 12V × 1A = 12W, aga 12V × 10A = 120W. Sama pinge, erinev võimsus!
- **Vahelduvvoolu tipp vs RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V tipp. Kasuta võimsuse arvutamiseks RMS-i (P = V_RMS × I_RMS).
- **Jadaühenduse pinged liituvad**: Kaks 1.5V patareid jadamisi = 3V. Paralleelselt = ikka 1.5V (suurem mahtuvus).
- **Kõrge pinge ≠ oht**: Staatiline säde on 10+ kV, kuid ohutu (väike vool). Vool tapab, mitte pinge üksi.
- **Pingelang**: Pikkadel juhtmetel on takistus. 12V allikas ≠ 12V koormusel, kui juhe on liiga peenike.
- **Ära sega vahelduv- ja alalisvoolu**: 12V DC ≠ 12V AC. Vahelduvvool vajab spetsiaalseid komponente. Alalisvool ainult patareidest/USB-st.
Põnevad Faktid Pinge Kohta
Sinu Närvid Töötavad 70 mV peal
Närvirakud hoiavad -70 mV puhkepotentsiaali. Aktsioonipotentsiaal hüppab +40 mV-ni (110 mV muutus), et edastada signaale kiirusega ~100 m/s. Sinu aju on 20W elektrokeemiline arvuti!
Välk on 100 Miljonit Volti
Tüüpiline välgunool: ~100 MV üle ~5 km = 20 kV/m väli. Kuid kahju teeb vool (30 kA) ja kestus (<1 ms). Energia: ~1 GJ, võiks toita maja kuu aega—kui suudaksime selle kinni püüda!
Elektriangerjad: 600V Elav Relv
Elektriangerjas võib kaitseks/jahiks anda 600V 1A juures. Tal on seerias üle 6000 elektrotsüüdi (bioloogilised patareid). Tippvõimsus: 600W. Uimastab saagi hetkega. Looduse taser!
USB-C suudab nüüd anda 240W
USB-C PD 3.1: kuni 48V × 5A = 240W. Saab laadida mänguri sülearvuteid, monitore, isegi mõningaid elektritööriistu. Sama pistik mis sinu telefonil. Üks kaabel, et neid kõiki valitseda!
Ülekandeliinid: Kõrgem on Parem
Võimsuskadu ∝ I². Kõrgem pinge = madalam vool sama võimsuse juures. 765 kV liinid kaotavad <1% 100 miili kohta. 120V juures kaotaksid kõik 1 miiliga! Sellepärast kasutab võrk kV.
Sa Võid Üle Elada Miljon Volti
Van de Graaffi generaatorid ulatuvad 1 MV-ni, kuid on ohutud—pisike vool. Staatiline säde: 10-30 kV. Taserid: 50 kV. Vool läbi südame (>100 mA) on ohtlik, mitte pinge. Pinge üksi ei tapa.
Ajalooline Areng
1800
Volta leiutab patarei (Volta sammas). Esimene pidev pingeallikas. Ühik nimetatakse hiljem tema auks 'volt'.
1827
Ohm avastab V = I × R. Ohmi seadusest saab vooluringi teooria alus. Algselt tagasi lükatud, nüüd fundamentaalne.
1831
Faraday avastab elektromagnetilise induktsiooni. Näitab, et pinget saab indutseerida magnetväljade muutmisega. Võimaldab generaatoreid.
1881
Esimene rahvusvaheline elektrikongress defineerib voldi: EMF, mis tekitab 1 ampri läbi 1 oomi.
1893
Westinghouse võidab lepingu Niagara joa elektrijaama ehitamiseks. Vahelduvvool võidab 'voolude sõja'. Vahelduvpinget saab tõhusalt muundada.
1948
CGPM defineerib voldi ümber absoluutsetes terminites. Põhineb vatil ja ampril. Kehtestatakse kaasaegne SI definitsioon.
1990
Josephsoni pingestandard. Kvantefekt defineerib voldi 10⁻⁹ täpsusega. Põhineb Plancki konstandil ja sagedusel.
2019
SI ümberdefineerimine: volt tuletatakse nüüd fikseeritud Plancki konstandist. Täpne definitsioon, füüsilist artefakti pole vaja.
Profi Nõuanded
- **Kiirelt kV → V**: Liiguta koma 3 kohta paremale. 1.2 kV = 1200 V.
- **Vahelduvpinge on RMS**: 120V AC tähendab 120V RMS ≈ 170V tipp. Kasuta võimsuse arvutamiseks RMS-i.
- **Jadaühenduse pinged liituvad**: 4× 1.5V AA patareid = 6V (jadamisi). Paralleelselt = 1.5V (rohkem mahtuvust).
- **Pinge põhjustab voolu**: Mõtle pingest kui rõhust ja voolust kui voolust. Ilma rõhuta pole voolu.
- **Kontrolli pinge nimiväärtusi**: Nimipinge ületamine hävitab komponente. Kontrolli alati andmelehte.
- **Mõõda pinget paralleelselt**: Voltmeeter ühendatakse komponendiga paralleelselt. Ampermeeter ühendatakse jadamisi.
- **Automaatne teaduslik notatsioon**: Väärtused < 1 µV või > 1 GV kuvatakse loetavuse huvides teaduslikus notatsioonis.
Täielik Ühikute Viide
SI Ühikud
| Ühiku Nimi | Sümbol | Voldi Ekivalent | Kasutusmärkused |
|---|---|---|---|
| volt | V | 1 V (base) | SI põhiühik; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (täpne). |
| gigavolt | GV | 1.0 GV | Kõrgenergiafüüsika; kosmilised kiired, osakeste kiirendid. |
| megavolt | MV | 1.0 MV | Välk (~100 MV), osakeste kiirendid, röntgeniaparaadid. |
| kilovolt | kV | 1.0 kV | Energiaülekanne (110-765 kV), jaotus, kõrgepingesüsteemid. |
| millivolt | mV | 1.0000 mV | Andurite signaalid, termopaarid, bioelekter (närvisignaalid ~70 mV). |
| mikrovolt | µV | 1.0000 µV | Täppismõõtmised, EEG/ECG signaalid, madala müraga võimendid. |
| nanovolt | nV | 1.000e-9 V | Ülitundlikud mõõtmised, kvantseadmed, mürapiirid. |
| pikovolt | pV | 1.000e-12 V | Kvant-elektroonika, ülijuhtivad vooluringid, äärmine täpsus. |
| femtovolt | fV | 1.000e-15 V | Väheste elektronidega kvantsüsteemid, teoreetiliste piiride mõõtmised. |
| attovolt | aV | 1.000e-18 V | Kvantmüra põrand, ühe elektroniga seadmed, ainult uurimistöö. |
Tavalised Ühikud
| Ühiku Nimi | Sümbol | Voldi Ekivalent | Kasutusmärkused |
|---|---|---|---|
| vatt ampri kohta | W/A | 1 V (base) | Voldiga samaväärne: 1 V = 1 W/A valemist P = VI. Näitab võimsuse seost. |
| džaul kuloni kohta | J/C | 1 V (base) | Voldi definitsioon: 1 V = 1 J/C (energia laengu kohta). Fundamentaalne. |
Pärand ja Teaduslik
| Ühiku Nimi | Sümbol | Voldi Ekivalent | Kasutusmärkused |
|---|---|---|---|
| abvolt (EMU) | abV | 1.000e-8 V | CGS-EMU ühik = 10⁻⁸ V = 10 nV. Aegunud elektromagnetiline ühik. |
| statvolt (ESU) | statV | 299.7925 V | CGS-ESU ühik ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Aegunud elektrostaatiline ühik. |
Korduma Kippuvad Küsimused
Mis vahe on pingel ja voolul?
Pinge on elektriline rõhk (nagu veesurve). Vool on voolukiirus (nagu veevool). Kõrge pinge ei tähenda kõrget voolu. Sul võib olla kõrge pinge nullvooluga (avatud vooluring) või kõrge vool madala pingega (lühis läbi juhtme).
Miks kasutatakse energiaülekandeks kõrget pinget?
Võimsuskadu juhtmetes on ∝ I² (voolu ruut). Sama võimsuse P = VI puhul tähendab kõrgem pinge madalamat voolu. 765 kV-l on sama võimsuse juures 6,375 korda väiksem vool kui 120V-l → ~40 miljonit korda väiksem kadu! Sellepärast kasutavad elektriliinid kV.
Kas kõrge pinge võib sind tappa isegi madala voolu korral?
Ei, sinu keha läbiv vool tapab, mitte pinge. Staatilised särtsud on 10-30 kV, kuid ohutud (<1 mA). Taserid: 50 kV, kuid ohutud. Siiski võib kõrge pinge sundida voolu läbi takistuse (V = IR), seega tähendab kõrge pinge sageli kõrget voolu. Surmav on vool >50 mA läbi südame.
Mis vahe on vahelduv- ja alalispingel?
Alalispinge (DC) on konstantse suunaga: patareid, USB, päikesepaneelid. Vahelduvpinge (AC) muudab suunda: seinakontaktid (50/60 Hz). Efektiivväärtuse (RMS) pinge (120V, 230V) on efektiivne alalispinge ekvivalent. Enamik seadmeid kasutab sisemiselt alalispinget (vahelduvvooluadapterid muundavad).
Miks kasutavad riigid erinevaid pingeid (120V vs 230V)?
Ajaloolised põhjused. USA valis 1880ndatel 110V (ohutum, vajas vähem isolatsiooni). Euroopa standardiseeris hiljem 220-240V (tõhusam, vähem vaske). Mõlemad töötavad hästi. Kõrgem pinge = madalam vool sama võimsuse juures = peenemad juhtmed. Kompromiss ohutuse ja tõhususe vahel.
Kas pingeid saab liita?
Jah, jadamisi: jadamisi ühendatud patareide pinged liituvad (1.5V + 1.5V = 3V). Paralleelselt: pinge jääb samaks (1.5V + 1.5V = 1.5V, aga kahekordne mahtuvus). Kirchhoffi pingeseadus: pingete summa igas ahelas on null (tõusud võrduvad langudega).
Täielik Tööriistade Kataloog
Kõik 71 tööriista, mis on UNITSis saadaval