مبدل ولتاژ
پتانسیل الکتریکی: از میلیولت تا مگاولت
بر واحدهای ولتاژ در الکترونیک، سیستمهای قدرت و فیزیک مسلط شوید. از میلیولت تا مگاولت، پتانسیل الکتریکی، توزیع برق و معنای اعداد در مدارها و طبیعت را درک کنید.
مبانی ولتاژ
ولتاژ چیست؟
ولتاژ 'فشار الکتریکی' است که جریان را در یک مدار به جلو میراند. آن را مانند فشار آب در لولهها در نظر بگیرید. ولتاژ بالاتر = فشار قویتر. با ولت (V) اندازهگیری میشود. با جریان یا توان یکسان نیست!
- 1 ولت = 1 ژول بر کولن (انرژی بر بار)
- ولتاژ باعث جریان یافتن جریان میشود (مانند فشار که باعث جریان یافتن آب میشود)
- بین دو نقطه اندازهگیری میشود (اختلاف پتانسیل)
- ولتاژ بالاتر = انرژی بیشتر بر بار
ولتاژ در مقابل جریان در مقابل توان
ولتاژ (V) = فشار، جریان (I) = نرخ جریان، توان (P) = نرخ انرژی. P = V × I. 12 ولت در 1 آمپر = 12 وات. توان یکسان، ترکیبات مختلف ولتاژ/جریان ممکن است.
- ولتاژ = فشار الکتریکی (V)
- جریان = جریان بار (A)
- توان = ولتاژ × جریان (W)
- مقاومت = ولتاژ ÷ جریان (Ω، قانون اهم)
ولتاژ AC در مقابل DC
ولتاژ DC (جریان مستقیم) جهت ثابتی دارد: باتریها (1.5V, 12V). ولتاژ AC (جریان متناوب) جهت خود را معکوس میکند: برق دیوار (120V, 230V). ولتاژ RMS = معادل مؤثر DC.
- DC: ولتاژ ثابت (باتریها، USB، مدارها)
- AC: ولتاژ متناوب (برق دیوار، شبکه)
- RMS = ولتاژ مؤثر (120V AC RMS ≈ 170V پیک)
- اکثر دستگاهها به صورت داخلی از DC استفاده میکنند (آداپتورهای AC تبدیل میکنند)
- ولتاژ = انرژی بر بار (1 V = 1 J/C)
- ولتاژ بالاتر = 'فشار الکتریکی' بیشتر
- ولتاژ باعث جریان میشود؛ جریان باعث ولتاژ نمیشود
- توان = ولتاژ × جریان (P = VI)
توضیح سیستمهای واحد
واحدهای SI — ولت
ولت (V) واحد SI برای پتانسیل الکتریکی است. از وات و آمپر تعریف شده است: 1 V = 1 W/A. همچنین: 1 V = 1 J/C (انرژی بر بار). پیشوندها از آتو تا گیگا تمام محدودهها را پوشش میدهند.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (تعاریف دقیق)
- kV برای خطوط برق (110 kV, 500 kV)
- mV, µV برای حسگرها، سیگنالها
- fV, aV برای اندازهگیریهای کوانتومی
واحدهای تعریفی
W/A و J/C به طور تعریفی معادل ولت هستند. روابط را نشان میدهند: V = W/A (توان بر جریان)، V = J/C (انرژی بر بار). برای درک فیزیک مفید است.
- 1 V = 1 W/A (از P = VI)
- 1 V = 1 J/C (تعریف)
- هر سه یکسان هستند
- دیدگاههای متفاوت در مورد یک کمیت
واحدهای قدیمی CGS
آبولت (EMU) و استاتولت (ESU) از سیستم قدیمی CGS. در استفاده مدرن نادر هستند اما در متون فیزیک تاریخی ظاهر میشوند. 1 استاتولت ≈ 300 ولت؛ 1 آبولت = 10 نانوولت.
- 1 آبولت = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 استاتولت ≈ 300 V (ESU)
- منسوخ شده؛ ولت SI استاندارد است
- فقط در کتابهای درسی قدیمی ظاهر میشوند
فیزیک ولتاژ
قانون اهم
رابطه بنیادی: V = I × R. ولتاژ برابر است با جریان ضربدر مقاومت. هر دو را بدانید، سومی را محاسبه کنید. اساس تمام تحلیلهای مدار.
- V = I × R (ولتاژ = جریان × مقاومت)
- I = V / R (جریان از ولتاژ)
- R = V / I (مقاومت از اندازهگیریها)
- خطی برای مقاومتها؛ غیرخطی برای دیودها و غیره.
قانون ولتاژ کیرشهف
در هر حلقه بسته، مجموع ولتاژها صفر است. مانند راه رفتن در یک دایره: مجموع تغییرات ارتفاع صفر است. انرژی پایسته است. برای تحلیل مدار ضروری است.
- ΣV = 0 در اطراف هر حلقه
- افزایش ولتاژ = افت ولتاژ
- پایستگی انرژی در مدارها
- برای حل مدارهای پیچیده استفاده میشود
میدان الکتریکی و ولتاژ
میدان الکتریکی E = V/d (ولتاژ بر فاصله). ولتاژ بالاتر در فاصله کوتاه = میدان قویتر. صاعقه: میلیونها ولت در طول مترها = میدان MV/m.
- E = V / d (میدان از ولتاژ)
- ولتاژ بالا + فاصله کوتاه = میدان قوی
- شکست: هوا در ~3 MV/m یونیزه میشود
- شوکهای استاتیک: کیلوولت در عرض میلیمتر
معیارهای ولتاژ در دنیای واقعی
| زمینه | ولتاژ | یادداشتها |
|---|---|---|
| سیگنال عصبی | ~70 mV | پتانسیل استراحت |
| ترموکوپل | ~50 µV/°C | حسگر دما |
| باتری AA (نو) | 1.5 V | قلیایی، با استفاده کاهش مییابد |
| برق USB | 5 V | استاندارد USB-A/B |
| باتری ماشین | 12 V | شش سلول 2 ولتی به صورت سری |
| USB-C PD | 5-20 V | پروتکل تحویل برق |
| پریز خانگی (ایالات متحده) | 120 V AC | ولتاژ RMS |
| پریز خانگی (اتحادیه اروپا) | 230 V AC | ولتاژ RMS |
| حصار الکتریکی | ~5-10 kV | جریان کم، ایمن |
| کویل احتراق ماشین | ~20-40 kV | جرقه ایجاد میکند |
| خط انتقال | 110-765 kV | شبکه ولتاژ بالا |
| صاعقه | ~100 MV | 100 میلیون ولت |
| پرتو کیهانی | ~1 GV+ | ذرات انرژی بسیار بالا |
استانداردهای رایج ولتاژ
| دستگاه / استاندارد | ولتاژ | نوع | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| باتری AAA/AA | 1.5 V | DC | استاندارد قلیایی |
| سلول Li-ion | 3.7 V | DC | اسمی (محدوده 3.0-4.2 ولت) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | برق استاندارد USB |
| باتری 9 ولت | 9 V | DC | شش سلول 1.5 ولتی |
| باتری ماشین | 12 V | DC | شش سلول 2 ولتی سرب-اسید |
| شارژر لپتاپ | 19 V | DC | ولتاژ رایج لپتاپ |
| PoE (برق از طریق اترنت) | 48 V | DC | برق دستگاههای شبکه |
| خانگی ایالات متحده | 120 V | AC | 60 هرتز، ولتاژ RMS |
| خانگی اتحادیه اروپا | 230 V | AC | 50 هرتز، ولتاژ RMS |
| خودروی الکتریکی | 400 V | DC | بسته باتری معمول |
کاربردهای دنیای واقعی
الکترونیک مصرفی
USB: 5 ولت (USB-A)، 9 ولت، 20 ولت (USB-C PD). باتریها: 1.5 ولت (AA/AAA)، 3.7 ولت (Li-ion)، 12 ولت (ماشین). منطق: 3.3 ولت، 5 ولت. شارژرهای لپتاپ: معمولاً 19 ولت.
- USB: 5 ولت (2.5 وات) تا 20 ولت (100 وات PD)
- باتری تلفن: 3.7-4.2 ولت Li-ion
- لپتاپ: معمولاً 19 ولت DC
- سطوح منطقی: 0 ولت (پایین)، 3.3 ولت/5 ولت (بالا)
توزیع برق
خانه: 120 ولت (ایالات متحده)، 230 ولت (اتحادیه اروپا) AC. انتقال: 110-765 کیلوولت (ولتاژ بالا = تلفات کم). پستهای برق ولتاژ را به ولتاژ توزیع کاهش میدهند. ولتاژ پایینتر در نزدیکی خانهها برای ایمنی.
- انتقال: 110-765 کیلوولت (فاصله طولانی)
- توزیع: 11-33 کیلوولت (محله)
- خانه: 120 ولت/230 ولت AC (پریزها)
- ولتاژ بالا = انتقال کارآمد
انرژی بالا و علم
شتابدهندههای ذرات: از مگاولت تا گیگاولت (LHC: 6.5 تراالکترونولت). اشعه ایکس: 50-150 کیلوولت. میکروسکوپهای الکترونی: 100-300 کیلوولت. صاعقه: معمولاً 100 مگاولت. ژنراتور وان دو گراف: ~1 مگاولت.
- صاعقه: ~100 مگاولت (100 میلیون ولت)
- شتابدهندههای ذرات: محدوده گیگاولت
- لامپهای اشعه ایکس: 50-150 کیلوولت
- میکروسکوپهای الکترونی: 100-300 کیلوولت
محاسبات سریع تبدیل
تبدیلهای سریع پیشوند SI
هر مرحله پیشوند = ×1000 یا ÷1000. کیلوولت → ولت: ×1000. ولت → میلیولت: ×1000. میلیولت → میکروولت: ×1000.
- kV → V: در 1,000 ضرب کنید
- V → mV: در 1,000 ضرب کنید
- mV → µV: در 1,000 ضرب کنید
- برعکس: بر 1,000 تقسیم کنید
توان از ولتاژ
P = V × I (توان = ولتاژ × جریان). 12 ولت در 2 آمپر = 24 وات. 120 ولت در 10 آمپر = 1200 وات.
- P = V × I (وات = ولت × آمپر)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (اگر مقاومت مشخص باشد)
- I = P / V (جریان از توان)
بررسیهای سریع قانون اهم
V = I × R. دو تا را بدانید، سومی را پیدا کنید. 12 ولت در 4 اهم = 3 آمپر. 5 ولت ÷ 100 میلیآمپر = 50 اهم.
- V = I × R (ولت = آمپر × اهم)
- I = V / R (جریان از ولتاژ)
- R = V / I (مقاومت)
- به یاد داشته باشید: برای I یا R تقسیم کنید
چگونه تبدیلها کار میکنند
- مرحله 1: منبع را به ولت با استفاده از ضریب toBase تبدیل کنید
- مرحله 2: ولت را به هدف با استفاده از ضریب toBase هدف تبدیل کنید
- جایگزین: از ضریب مستقیم استفاده کنید (kV → V: در 1000 ضرب کنید)
- بررسی منطقی: 1 kV = 1000 V، 1 mV = 0.001 V
- به یاد داشته باشید: W/A و J/C با V یکسان هستند
مرجع تبدیلهای رایج
| از | به | ضرب در | مثال |
|---|---|---|---|
| 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 (یکسان) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (یکسان) |
مثالهای سریع
مسائل حل شده
محاسبه توان USB
USB-C 20 ولت در 5 آمپر تحویل میدهد. توان چقدر است؟
P = V × I = 20V × 5A = 100W (حداکثر تحویل برق USB)
طراحی مقاومت LED
منبع 5 ولت، LED به 2 ولت در 20 میلیآمپر نیاز دارد. چه مقاومتی؟
افت ولتاژ = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. از مقاومت استاندارد 150Ω یا 180Ω استفاده کنید.
بازده خطوط برق
چرا به جای 10 کیلوولت، در 500 کیلوولت انتقال میدهند؟
تلفات = I²R. برای توان یکسان P = VI، بنابراین I = P/V. 500 کیلوولت 50 برابر جریان کمتری دارد → 2500 برابر تلفات کمتر (ضریب I²)!
اشتباهات رایج برای اجتناب
- **ولتاژ ≠ توان**: 12V × 1A = 12W، اما 12V × 10A = 120W. ولتاژ یکسان، توان متفاوت!
- **پیک AC در مقابل RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V پیک. برای محاسبات توان از RMS استفاده کنید (P = V_RMS × I_RMS).
- **ولتاژهای سری جمع میشوند**: دو باتری 1.5 ولتی به صورت سری = 3 ولت. به صورت موازی = هنوز 1.5 ولت (ظرفیت بالاتر).
- **ولتاژ بالا ≠ خطر**: شوک استاتیک 10+ کیلوولت است اما ایمن است (جریان کم). جریان میکشد، نه فقط ولتاژ.
- **افت ولتاژ**: سیمهای بلند مقاومت دارند. 12 ولت در منبع ≠ 12 ولت در بار اگر سیم خیلی نازک باشد.
- **AC/DC را مخلوط نکنید**: 12V DC ≠ 12V AC. AC به قطعات خاصی نیاز دارد. DC فقط از باتریها/USB.
حقایق جذاب درباره ولتاژ
اعصاب شما با 70 میلیولت کار میکنند
سلولهای عصبی پتانسیل استراحت -70 میلیولت را حفظ میکنند. پتانسیل عمل به +40 میلیولت (نوسان 110 میلیولت) میرسد تا سیگنالها را با سرعت ~100 متر بر ثانیه منتقل کند. مغز شما یک کامپیوتر الکتروشیمیایی 20 واتی است!
صاعقه 100 میلیون ولت است
صاعقه معمولی: ~100 مگاولت در ~5 کیلومتر = میدان 20 کیلوولت بر متر. اما جریان (30 کیلوآمپر) و مدت زمان (<1 میلیثانیه) باعث آسیب میشود. انرژی: ~1 گیگاژول، میتواند یک خانه را برای یک ماه تغذیه کند—اگر میتوانستیم آن را بگیریم!
مارماهیهای الکتریکی: سلاح زنده 600 ولتی
مارماهی الکتریکی میتواند 600 ولت در 1 آمپر را برای دفاع/شکار تخلیه کند. دارای بیش از 6000 الکتروسیت (باتریهای بیولوژیکی) به صورت سری است. توان پیک: 600 وات. طعمه را فوراً بیهوش میکند. تیزر طبیعت!
USB-C اکنون میتواند 240 وات بدهد
USB-C PD 3.1: تا 48 ولت × 5 آمپر = 240 وات. میتواند لپتاپهای گیمینگ، مانیتورها، حتی برخی ابزارهای برقی را شارژ کند. همان کانکتور تلفن شما. یک کابل برای حکومت بر همه آنها!
خطوط انتقال: هر چه بالاتر، بهتر
تلفات توان ∝ I². ولتاژ بالاتر = جریان کمتر برای توان یکسان. خطوط 765 کیلوولت کمتر از 1% در هر 100 مایل تلفات دارند. در 120 ولت، همه چیز را در 1 مایل از دست میدادید! به همین دلیل شبکه از کیلوولت استفاده میکند.
شما میتوانید از یک میلیون ولت جان سالم به در ببرید
ژنراتورهای وان دو گراف به 1 مگاولت میرسند اما ایمن هستند—جریان بسیار ناچیز. شوک استاتیک: 10-30 کیلوولت. تیزرها: 50 کیلوولت. جریان از طریق قلب (>100 میلیآمپر) خطرناک است، نه ولتاژ. ولتاژ به تنهایی نمیکشد.
سیر تکاملی تاریخی
1800
ولتا باتری (پیل ولتایی) را اختراع میکند. اولین منبع ولتاژ پیوسته. واحد بعداً به افتخار او «ولت» نامیده شد.
1827
اهم V = I × R را کشف میکند. قانون اهم به اساس نظریه مدار تبدیل میشود. در ابتدا رد شد، اکنون بنیادی است.
1831
فارادی القای الکترومغناطیسی را کشف میکند. نشان میدهد که ولتاژ میتواند با تغییر میدانهای مغناطیسی القا شود. ژنراتورها را ممکن میسازد.
1881
اولین کنگره بینالمللی برق ولت را تعریف میکند: EMF که 1 آمپر را از طریق 1 اهم تولید میکند.
1893
وستینگهاوس قرارداد نیروگاه آبشار نیاگارا را برنده میشود. AC «جنگ جریانها» را برنده میشود. ولتاژ AC را میتوان به طور کارآمد تبدیل کرد.
1948
CGPM ولت را به صورت مطلق بازتعریف میکند. بر اساس وات و آمپر. تعریف مدرن SI ایجاد شد.
1990
استاندارد ولتاژ جوزفسون. اثر کوانتومی ولت را با دقت 10⁻⁹ تعریف میکند. بر اساس ثابت پلانک و فرکانس.
2019
بازتعریف SI: ولت اکنون از ثابت پلانک ثابت مشتق شده است. تعریف دقیق، نیازی به مصنوع فیزیکی نیست.
نکات حرفهای
- **سریع از کیلوولت به ولت**: نقطه اعشار را 3 مکان به راست منتقل کنید. 1.2 kV = 1200 V.
- **ولتاژ AC RMS است**: 120V AC به معنای 120V RMS ≈ 170V پیک است. برای محاسبات توان از RMS استفاده کنید.
- **ولتاژهای سری جمع میشوند**: 4 باتری 1.5 ولتی AA = 6 ولت (به صورت سری). به صورت موازی = 1.5 ولت (ظرفیت بیشتر).
- **ولتاژ باعث جریان میشود**: به ولتاژ به عنوان فشار و به جریان به عنوان جریان فکر کنید. بدون فشار، جریانی وجود ندارد.
- **رتبهبندی ولتاژ را بررسی کنید**: تجاوز از ولتاژ نامی قطعات را از بین میبرد. همیشه برگه اطلاعات را بررسی کنید.
- **ولتاژ را به صورت موازی اندازهگیری کنید**: ولتمتر در عرض (موازی با) قطعه قرار میگیرد. آمپرمتر به صورت سری قرار میگیرد.
- **نماد علمی خودکار**: مقادیر < 1 µV یا > 1 GV برای خوانایی به صورت نماد علمی نمایش داده میشوند.
مرجع کامل واحدها
واحدهای SI
| نام واحد | نماد | معادل ولت | یادداشتهای استفاده |
|---|---|---|---|
| ولت | V | 1 V (base) | واحد پایه SI؛ 1 V = 1 W/A = 1 J/C (دقیق). |
| گیگا ولت | GV | 1.0 GV | فیزیک انرژی بالا؛ پرتوهای کیهانی، شتابدهندههای ذرات. |
| مگا ولت | MV | 1.0 MV | صاعقه (~100 MV)، شتابدهندههای ذرات، دستگاههای اشعه ایکس. |
| کیلو ولت | kV | 1.0 kV | انتقال برق (110-765 kV)، توزیع، سیستمهای ولتاژ بالا. |
| میلی ولت | mV | 1.0000 mV | سیگنالهای حسگر، ترموکوپلها، بیوالکتریسیته (سیگنالهای عصبی ~70 mV). |
| میکرو ولت | µV | 1.0000 µV | اندازهگیریهای دقیق، سیگنالهای EEG/ECG، تقویتکنندههای کمنویز. |
| نانو ولت | nV | 1.000e-9 V | اندازهگیریهای فوقالعاده حساس، دستگاههای کوانتومی، محدودیتهای نویز. |
| پیکو ولت | pV | 1.000e-12 V | الکترونیک کوانتومی، مدارهای ابررسانا، دقت فوقالعاده. |
| فمتو ولت | fV | 1.000e-15 V | سیستمهای کوانتومی چند الکترونی، اندازهگیریهای حد نظری. |
| آتو ولت | aV | 1.000e-18 V | کف نویز کوانتومی، دستگاههای تک الکترونی، فقط تحقیقاتی. |
واحدهای رایج
| نام واحد | نماد | معادل ولت | یادداشتهای استفاده |
|---|---|---|---|
| وات بر آمپر | W/A | 1 V (base) | معادل ولت: 1 V = 1 W/A از P = VI. رابطه توان را نشان میدهد. |
| ژول بر کولن | J/C | 1 V (base) | تعریف ولت: 1 V = 1 J/C (انرژی بر بار). بنیادی. |
قدیمی و علمی
| نام واحد | نماد | معادل ولت | یادداشتهای استفاده |
|---|---|---|---|
| آبولت (EMU) | abV | 1.000e-8 V | واحد CGS-EMU = 10⁻⁸ V = 10 nV. واحد الکترومغناطیسی منسوخ شده. |
| استاتولت (ESU) | statV | 299.7925 V | واحد CGS-ESU ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). واحد الکترواستاتیک منسوخ شده. |
سوالات متداول
تفاوت بین ولتاژ و جریان چیست؟
ولتاژ فشار الکتریکی است (مانند فشار آب). جریان نرخ جریان است (مانند جریان آب). ولتاژ بالا به معنای جریان بالا نیست. شما میتوانید ولتاژ بالا با جریان صفر (مدار باز) یا جریان بالا با ولتاژ پایین (اتصال کوتاه از طریق سیم) داشته باشید.
چرا برای انتقال برق از ولتاژ بالا استفاده میشود؟
تلفات توان در سیمها ∝ I² (جریان به توان دو). برای توان یکسان P = VI، ولتاژ بالاتر به معنای جریان کمتر است. 765 کیلوولت 6375 برابر جریان کمتری نسبت به 120 ولت برای توان یکسان دارد → ~40 میلیون برابر تلفات کمتر! به همین دلیل خطوط برق از کیلوولت استفاده میکنند.
آیا ولتاژ بالا حتی با جریان کم میتواند شما را بکشد؟
نه، جریانی که از بدن شما عبور میکند میکشد، نه ولتاژ. شوکهای استاتیک 10-30 کیلوولت هستند اما ایمن هستند (<1 میلیآمپر). تیزرها: 50 کیلوولت اما ایمن. با این حال، ولتاژ بالا میتواند جریان را از طریق مقاومت مجبور به عبور کند (V = IR)، بنابراین ولتاژ بالا اغلب به معنای جریان بالا است. جریان >50 میلیآمپر از طریق قلب کشنده است.
تفاوت بین ولتاژ AC و DC چیست؟
ولتاژ DC (جریان مستقیم) جهت ثابتی دارد: باتریها، USB، پنلهای خورشیدی. ولتاژ AC (جریان متناوب) جهت خود را معکوس میکند: پریزهای دیوار (50/60 هرتز). ولتاژ RMS (120V, 230V) معادل مؤثر DC است. اکثر دستگاهها به صورت داخلی از DC استفاده میکنند (آداپتورهای AC تبدیل میکنند).
چرا کشورها از ولتاژهای مختلفی استفاده میکنند (120 ولت در مقابل 230 ولت)؟
دلایل تاریخی. ایالات متحده در دهه 1880 110 ولت را انتخاب کرد (ایمنتر، نیاز به عایقبندی کمتر). اروپا بعداً بر روی 220-240 ولت استاندارد شد (کارآمدتر، مس کمتر). هر دو به خوبی کار میکنند. ولتاژ بالاتر = جریان کمتر برای توان یکسان = سیمهای نازکتر. یک مصالحه بین ایمنی و کارایی.
آیا میتوانید ولتاژها را با هم جمع کنید؟
بله، به صورت سری: باتریهای سری ولتاژهای خود را جمع میکنند (1.5V + 1.5V = 3V). به صورت موازی: ولتاژ ثابت میماند (1.5V + 1.5V = 1.5V، اما ظرفیت دو برابر). قانون ولتاژ کیرشهف: مجموع ولتاژها در هر حلقه صفر است (افزایشها برابر با افتها هستند).
فهرست کامل ابزارها
همه 71 ابزار موجود در UNITS