Pretvarač Napona
Električni Potencijal: Od Milivolta do Megavolta
Savladajte jedinice napona u elektronici, energetskim sustavima i fizici. Od milivolta do megavolta, razumite električni potencijal, distribuciju energije i što brojevi znače u krugovima i prirodi.
Osnove Napona
Što je Napon?
Napon je 'električni tlak' koji gura struju kroz krug. Zamislite ga kao tlak vode u cijevima. Viši napon = jači potisak. Mjeri se u voltima (V). Nije isto što i struja ili snaga!
- 1 volt = 1 džul po kulonu (energija po naboju)
- Napon uzrokuje protok struje (kao što tlak uzrokuje protok vode)
- Mjeri se između dvije točke (razlika potencijala)
- Viši napon = više energije po naboju
Napon naspram Struje naspram Snage
Napon (V) = tlak, Struja (I) = brzina protoka, Snaga (P) = brzina energije. P = V × I. 12V na 1A = 12W. Ista snaga, moguće su različite kombinacije napona/struje.
- Napon = električni tlak (V)
- Struja = protok naboja (A)
- Snaga = napon × struja (W)
- Otpor = napon ÷ struja (Ω, Ohmov zakon)
AC naspram DC Napona
DC (istosmjerni) napon ima stalan smjer: baterije (1.5V, 12V). AC (izmjenični) napon mijenja smjer: zidne utičnice (120V, 230V). RMS napon = efektivni DC ekvivalent.
- DC: stalan napon (baterije, USB, krugovi)
- AC: izmjenični napon (zidne utičnice, mreža)
- RMS = efektivni napon (120V AC RMS ≈ 170V vršni)
- Većina uređaja interno koristi DC (AC adapteri pretvaraju)
- Napon = energija po naboju (1 V = 1 J/C)
- Viši napon = više 'električnog tlaka'
- Napon uzrokuje struju; struja ne uzrokuje napon
- Snaga = napon × struja (P = VI)
Objašnjenje Sustava Jedinica
SI Jedinice — Volt
Volt (V) je SI jedinica za električni potencijal. Definirana je iz vata i ampera: 1 V = 1 W/A. Također: 1 V = 1 J/C (energija po naboju). Prefiksi od ato do giga pokrivaju sve raspone.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (točne definicije)
- kV za dalekovode (110 kV, 500 kV)
- mV, µV za senzore, signale
- fV, aV za kvantna mjerenja
Definicijske Jedinice
W/A i J/C su po definiciji ekvivalentni voltu. Prikazuju odnose: V = W/A (snaga po struji), V = J/C (energija po naboju). Korisno za razumijevanje fizike.
- 1 V = 1 W/A (iz P = VI)
- 1 V = 1 J/C (definicija)
- Sve tri su identične
- Različite perspektive na istu veličinu
Zastarjele CGS Jedinice
Abvolt (EMU) i statvolt (ESU) iz starog CGS sustava. Rijetko se koriste u modernoj upotrebi, ali se pojavljuju u povijesnim tekstovima iz fizike. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvolt = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvolt ≈ 300 V (ESU)
- Zastarjelo; SI volt je standard
- Pojavljuju se samo u starim udžbenicima
Fizika Napona
Ohmov Zakon
Osnovni odnos: V = I × R. Napon je jednak struji pomnoženoj s otporom. Ako znate bilo koja dva, izračunajte treći. Osnova svih analiza krugova.
- V = I × R (napon = struja × otpor)
- I = V / R (struja iz napona)
- R = V / I (otpor iz mjerenja)
- Linearno za otpornike; nelinearno za diode, itd.
Kirchhoffov Zakon o Naponu
U bilo kojoj zatvorenoj petlji, zbroj napona je nula. Kao da hodate u krug: promjene nadmorske visine se zbrajaju u nulu. Energija je očuvana. Neophodno za analizu krugova.
- ΣV = 0 oko bilo koje petlje
- Porast napona = pad napona
- Očuvanje energije u krugovima
- Koristi se za rješavanje složenih krugova
Električno Polje i Napon
Električno polje E = V/d (napon po udaljenosti). Viši napon na kratkoj udaljenosti = jače polje. Munja: milijuni volti na metrima = polje od MV/m.
- E = V / d (polje iz napona)
- Visok napon + kratka udaljenost = jako polje
- Proboj: zrak se ionizira na ~3 MV/m
- Statički udari: kV preko mm
Referentne Vrijednosti Napona u Stvarnom Svijetu
| Kontekst | Napon | Napomene |
|---|---|---|
| Živčani signal | ~70 mV | Potencijal mirovanja |
| Termopar | ~50 µV/°C | Senzor temperature |
| AA baterija (nova) | 1.5 V | Alkalna, smanjuje se s upotrebom |
| USB napajanje | 5 V | USB-A/B standard |
| Akumulator automobila | 12 V | Šest 2V ćelija u seriji |
| USB-C PD | 5-20 V | Protokol za isporuku snage |
| Kućna utičnica (SAD) | 120 V AC | RMS napon |
| Kućna utičnica (EU) | 230 V AC | RMS napon |
| Električna ograda | ~5-10 kV | Niska struja, sigurno |
| Zavojnica za paljenje automobila | ~20-40 kV | Stvara iskru |
| Dalekovod | 110-765 kV | Mreža visokog napona |
| Munja | ~100 MV | 100 milijuna volti |
| Kozmička zraka | ~1 GV+ | Čestice ekstremne energije |
Uobičajeni Standardi Napona
| Uređaj / Standard | Napon | Tip | Napomene |
|---|---|---|---|
| AAA/AA baterija | 1.5 V | DC | Alkalni standard |
| Li-ion ćelija | 3.7 V | DC | Nominalno (raspon 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Standardno USB napajanje |
| 9V baterija | 9 V | DC | Šest 1.5V ćelija |
| Akumulator automobila | 12 V | DC | Šest 2V olovno-kiselinskih ćelija |
| Punjač za laptop | 19 V | DC | Uobičajeni napon za laptop |
| PoE (Napajanje preko Etherneta) | 48 V | DC | Napajanje mrežnih uređaja |
| Domaćinstvo u SAD-u | 120 V | AC | 60 Hz, RMS napon |
| Domaćinstvo u EU | 230 V | AC | 50 Hz, RMS napon |
| Električno vozilo | 400 V | DC | Tipičan paket baterija |
Primjene u Stvarnom Svijetu
Potrošačka Elektronika
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Baterije: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (auto). Logika: 3.3V, 5V. Punjači za laptope: tipično 19V.
- USB: 5V (2.5W) do 20V (100W PD)
- Baterija telefona: 3.7-4.2V Li-ion
- Laptop: tipično 19V DC
- Logičke razine: 0V (nisko), 3.3V/5V (visoko)
Distribucija Energije
Kuća: 120V (SAD), 230V (EU) AC. Prijenos: 110-765 kV (visok napon = mali gubitak). Podstanice smanjuju napon na distribucijski napon. Niži napon u blizini kuća radi sigurnosti.
- Prijenos: 110-765 kV (velike udaljenosti)
- Distribucija: 11-33 kV (susjedstvo)
- Kuća: 120V/230V AC (utičnice)
- Visok napon = učinkovit prijenos
Visoka Energija i Znanost
Akceleratori čestica: MV do GV (LHC: 6.5 TeV). Rendgenske zrake: 50-150 kV. Elektronski mikroskopi: 100-300 kV. Munja: tipično 100 MV. Van de Graaffov generator: ~1 MV.
- Munja: ~100 MV (100 milijuna volti)
- Akceleratori čestica: GV raspon
- Rendgenske cijevi: 50-150 kV
- Elektronski mikroskopi: 100-300 kV
Brza Matematika Konverzije
Brze Konverzije SI Prefiksa
Svaki korak prefiksa = ×1000 ili ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.
- kV → V: pomnožite s 1.000
- V → mV: pomnožite s 1.000
- mV → µV: pomnožite s 1.000
- Obrnuto: podijelite s 1.000
Snaga iz Napona
P = V × I (snaga = napon × struja). 12V na 2A = 24W. 120V na 10A = 1200W.
- P = V × I (Vati = Volti × Amperi)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (ako je otpor poznat)
- I = P / V (struja iz snage)
Brze Provjere Ohmovog Zakona
V = I × R. Znajte bilo koja dva, pronađite treći. 12V preko 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Volti = Amperi × Ohmi)
- I = V / R (struja iz napona)
- R = V / I (otpor)
- Zapamtite: dijelite za I ili R
Kako Funkcioniraju Konverzije
- Korak 1: Pretvorite izvor → volte koristeći toBase faktor
- Korak 2: Pretvorite volte → cilj koristeći toBase faktor cilja
- Alternativa: Koristite izravni faktor (kV → V: pomnožite s 1000)
- Provjera zdravog razuma: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Zapamtite: W/A i J/C su identični V
Uobičajena Referenca za Konverziju
| Od | Do | Pomnožiti s | Primjer |
|---|---|---|---|
| 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 (identitet) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (identitet) |
Brzi Primjeri
Riješeni Problemi
Proračun USB Snage
USB-C isporučuje 20V na 5A. Koja je snaga?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (maksimalno za USB Power Delivery)
Dizajn Otpornika za LED
5V napajanje, LED treba 2V na 20mA. Koji otpornik?
Pad napona = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Koristite standardni otpornik od 150Ω ili 180Ω.
Učinkovitost Dalekovoda
Zašto prenositi na 500 kV umjesto na 10 kV?
Gubitak = I²R. Ista snaga P = VI, pa je I = P/V. 500 kV ima 50× manje struje → 2500× manji gubitak (faktor I²)!
Uobičajene Pogreške koje Treba Izbjegavati
- **Napon ≠ snaga**: 12V × 1A = 12W, ali 12V × 10A = 120W. Isti napon, različita snaga!
- **AC vršni vs. RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V vršni. Koristite RMS za proračune snage (P = V_RMS × I_RMS).
- **Serijski naponi se zbrajaju**: Dvije 1.5V baterije u seriji = 3V. Paralelno = i dalje 1.5V (veći kapacitet).
- **Visok napon ≠ opasnost**: Statički udar je 10+ kV ali siguran (niska struja). Struja ubija, a ne samo napon.
- **Pad napona**: Duge žice imaju otpor. 12V na izvoru ≠ 12V na opterećenju ako je žica pretanka.
- **Ne miješajte AC/DC**: 12V DC ≠ 12V AC. AC zahtijeva posebne komponente. DC samo iz baterija/USB-a.
Fascinantne Činjenice o Naponu
Vaši Živci Rade na 70 mV
Živčane stanice održavaju potencijal mirovanja od -70 mV. Akcijski potencijal skoči na +40 mV (zamah od 110 mV) da bi prenio signale brzinom od ~100 m/s. Vaš mozak je 20W elektro-kemijsko računalo!
Munja je 100 Milijuna Volti
Tipična munja: ~100 MV na ~5 km = polje od 20 kV/m. Ali struja (30 kA) i trajanje (<1 ms) uzrokuju štetu. Energija: ~1 GJ, mogla bi napajati kuću mjesec dana—da je možemo uhvatiti!
Električne Jegulje: 600V Živo Oružje
Električna jegulja može isprazniti 600V na 1A za obranu/lov. Ima 6000+ elektrocita (bioloških baterija) u seriji. Vršna snaga: 600W. Trenutno ošamuti plijen. Prirodni taser!
USB-C Sada Može Iznositi 240W
USB-C PD 3.1: do 48V × 5A = 240W. Može puniti gamerske laptope, monitore, čak i neke električne alate. Isti konektor kao na vašem telefonu. Jedan kabel da vlada svima!
Dalekovodi: Što Više, to Bolje
Gubitak snage ∝ I². Viši napon = niža struja za istu snagu. 765 kV vodovi gube <1% na 100 milja. Na 120V, izgubili biste sve za 1 milju! Zato mreža koristi kV.
Možete Preživjeti Milijun Volti
Van de Graaffovi generatori dostižu 1 MV, ali su sigurni—zanemariva struja. Statički udar: 10-30 kV. Taseri: 50 kV. Struja kroz srce (>100 mA) je opasna, a ne napon. Sam napon ne ubija.
Povijesna Evolucija
1800
Volta izmišlja bateriju (voltni stup). Prvi kontinuirani izvor napona. Jedinica je kasnije nazvana 'volt' u njegovu čast.
1827
Ohm otkriva V = I × R. Ohmov zakon postaje temelj teorije krugova. U početku odbačen, sada fundamentalan.
1831
Faraday otkriva elektromagnetsku indukciju. Pokazuje da se napon može inducirati promjenom magnetskih polja. Omogućava generatore.
1881
Prvi međunarodni električni kongres definira volt: EMF koji proizvodi 1 amper kroz 1 ohm.
1893
Westinghouse dobiva ugovor za elektranu na Nijagarinim vodopadima. AC pobjeđuje u 'ratu struja'. AC napon se može učinkovito transformirati.
1948
CGPM redefinira volt u apsolutnim terminima. Zasnovan na vatu i amperu. Uspostavljena moderna SI definicija.
1990
Josephsonov naponski standard. Kvantni efekt definira volt s točnošću od 10⁻⁹. Zasnovan na Planckovoj konstanti i frekvenciji.
2019
Redefinicija SI: volt se sada izvodi iz fiksne Planckove konstante. Točna definicija, nije potreban fizički artefakt.
Profesionalni Savjeti
- **Brzo kV u V**: Pomaknite decimalnu točku za 3 mjesta udesno. 1.2 kV = 1200 V.
- **AC napon je RMS**: 120V AC znači 120V RMS ≈ 170V vršni. Koristite RMS za proračune snage.
- **Serijski naponi se zbrajaju**: 4× 1.5V AA baterije = 6V (u seriji). Paralelno = 1.5V (više kapaciteta).
- **Napon uzrokuje struju**: Mislite na napon = tlak, struja = protok. Nema tlaka, nema protoka.
- **Provjerite nazivne napone**: Prekoračenje nazivnog napona uništava komponente. Uvijek provjerite tehnički list.
- **Mjerite napon paralelno**: Voltmetar ide preko (paralelno s) komponente. Ampermetar ide u seriju.
- **Automatska znanstvena notacija**: Vrijednosti < 1 µV ili > 1 GV prikazuju se kao znanstvena notacija radi čitljivosti.
Kompletna Referenca Jedinica
SI Jedinice
| Naziv Jedinice | Simbol | Ekvivalent u Voltima | Napomene o Upotrebi |
|---|---|---|---|
| volt | V | 1 V (base) | Osnovna SI jedinica; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (točno). |
| gigavolt | GV | 1.0 GV | Fizika visokih energija; kozmičke zrake, akceleratori čestica. |
| megavolt | MV | 1.0 MV | Munja (~100 MV), akceleratori čestica, rendgenski aparati. |
| kilovolt | kV | 1.0 kV | Prijenos energije (110-765 kV), distribucija, visokonaponski sustavi. |
| milivolt | mV | 1.0000 mV | Senzorski signali, termoparovi, bioelektricitet (živčani signali ~70 mV). |
| mikrovolt | µV | 1.0000 µV | Precizna mjerenja, EEG/ECG signali, niskoshumni pojačivači. |
| nanovolt | nV | 1.000e-9 V | Ultra-osjetljiva mjerenja, kvantni uređaji, granice šuma. |
| pikovolt | pV | 1.000e-12 V | Kvantna elektronika, supravodljivi krugovi, ekstremna preciznost. |
| femtovolt | fV | 1.000e-15 V | Kvantni sustavi s malo elektrona, mjerenja teorijskih granica. |
| at Volt | aV | 1.000e-18 V | Kvantni šumni pod, jedno-elektronski uređaji, samo istraživanje. |
Uobičajene Jedinice
| Naziv Jedinice | Simbol | Ekvivalent u Voltima | Napomene o Upotrebi |
|---|---|---|---|
| vat po amperu | W/A | 1 V (base) | Ekvivalent voltu: 1 V = 1 W/A iz P = VI. Pokazuje odnos snage. |
| džul po kulonu | J/C | 1 V (base) | Definicija volta: 1 V = 1 J/C (energija po naboju). Fundamentalno. |
Zastarjele i Znanstvene
| Naziv Jedinice | Simbol | Ekvivalent u Voltima | Napomene o Upotrebi |
|---|---|---|---|
| abvolt (EMU) | abV | 1.000e-8 V | CGS-EMU jedinica = 10⁻⁸ V = 10 nV. Zastarjela elektromagnetna jedinica. |
| statvolt (ESU) | statV | 299.7925 V | CGS-ESU jedinica ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Zastarjela elektrostatička jedinica. |
Često Postavljana Pitanja
Koja je razlika između napona i struje?
Napon je električni tlak (kao tlak vode). Struja je brzina protoka (kao protok vode). Visok napon ne znači visoku struju. Možete imati visok napon s nula struje (otvoreni krug) ili visoku struju s niskim naponom (kratki spoj kroz žicu).
Zašto se visok napon koristi za prijenos energije?
Gubitak snage u žicama je ∝ I² (struja na kvadrat). Za istu snagu P = VI, viši napon znači nižu struju. 765 kV ima 6.375× manje struje od 120V za istu snagu → ~40 milijuna puta manji gubitak! Zato dalekovodi koriste kV.
Može li vas visok napon ubiti čak i s niskom strujom?
Ne, struja kroz vaše tijelo ubija, a ne napon. Statički udari su 10-30 kV, ali su sigurni (<1 mA). Taseri: 50 kV, ali sigurni. Međutim, visok napon može prisiliti struju kroz otpor (V = IR), pa visok napon često znači visoku struju. Struja >50 mA kroz srce je smrtonosna.
Koja je razlika između AC i DC napona?
DC (istosmjerni) napon ima stalan smjer: baterije, USB, solarni paneli. AC (izmjenični) napon mijenja smjer: zidne utičnice (50/60 Hz). RMS napon (120V, 230V) je efektivni DC ekvivalent. Većina uređaja interno koristi DC (AC adapteri pretvaraju).
Zašto zemlje koriste različite napone (120V naspram 230V)?
Povijesni razlozi. SAD su izabrale 110V 1880-ih (sigurnije, potrebno manje izolacije). Europa je kasnije standardizirala na 220-240V (učinkovitije, manje bakra). Oba rade dobro. Viši napon = niža struja za istu snagu = tanje žice. Kompromis između sigurnosti i učinkovitosti.
Možete li zbrajati napone?
Da, u seriji: baterije u seriji zbrajaju napone (1.5V + 1.5V = 3V). Paralelno: napon ostaje isti (1.5V + 1.5V = 1.5V, ali dvostruki kapacitet). Kirchhoffov zakon o naponu: naponi u bilo kojoj petlji se zbrajaju u nulu (porasti su jednaki padovima).
Potpuni Direktorij Alata
Svi 71 alati dostupni na UNITS