Prevodník Napätia
Elektrický Potenciál: Od Milivoltov po Megavolty
Ovládnite jednotky napätia v elektronike, energetických systémoch a fyzike. Od milivoltov po megavolty, pochopte elektrický potenciál, distribúciu energie a čo znamenajú čísla v obvodoch a v prírode.
Základy Napätia
Čo je Napätie?
Napätie je „elektrický tlak“, ktorý tlačí prúd obvodom. Predstavte si to ako tlak vody v potrubí. Vyššie napätie = silnejší tlak. Meria sa vo voltoch (V). Nie je to to isté ako prúd alebo výkon!
- 1 volt = 1 joule na coulomb (energia na náboj)
- Napätie spôsobuje tok prúdu (ako tlak spôsobuje tok vody)
- Meria sa medzi dvoma bodmi (rozdiel potenciálov)
- Vyššie napätie = viac energie na náboj
Napätie vs. Prúd vs. Výkon
Napätie (V) = tlak, Prúd (I) = prietok, Výkon (P) = rýchlosť energie. P = V × I. 12V pri 1A = 12W. Rovnaký výkon, možné sú rôzne kombinácie napätia/prúdu.
- Napätie = elektrický tlak (V)
- Prúd = tok náboja (A)
- Výkon = napätie × prúd (W)
- Odpor = napätie ÷ prúd (Ω, Ohmov zákon)
Striedavé (AC) vs. Jednosmerné (DC) Napätie
Jednosmerné (DC) napätie má konštantný smer: batérie (1.5V, 12V). Striedavé (AC) napätie mení smer: zásuvky (120V, 230V). RMS napätie = efektívny DC ekvivalent.
- DC: konštantné napätie (batérie, USB, obvody)
- AC: striedavé napätie (zásuvky, rozvodná sieť)
- RMS = efektívne napätie (120V AC RMS ≈ 170V špička)
- Väčšina zariadení interne používa DC (AC adaptéry konvertujú)
- Napätie = energia na náboj (1 V = 1 J/C)
- Vyššie napätie = väčší „elektrický tlak“
- Napätie spôsobuje prúd; prúd nespôsobuje napätie
- Výkon = napätie × prúd (P = VI)
Vysvetlenie Systémov Jednotiek
Jednotky SI — Volt
Volt (V) je jednotka SI pre elektrický potenciál. Je definovaný z wattu a ampéra: 1 V = 1 W/A. Tiež: 1 V = 1 J/C (energia na náboj). Predpony od atto po giga pokrývajú všetky rozsahy.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (presné definície)
- kV pre elektrické vedenia (110 kV, 500 kV)
- mV, µV pre senzory, signály
- fV, aV pre kvantové merania
Definičné Jednotky
W/A a J/C sú z definície ekvivalentné voltu. Ukazujú vzťahy: V = W/A (výkon na prúd), V = J/C (energia na náboj). Užitočné pre pochopenie fyziky.
- 1 V = 1 W/A (z P = VI)
- 1 V = 1 J/C (definícia)
- Všetky tri sú identické
- Rôzne pohľady na tú istú veličinu
Zastarané Jednotky CGS
Abvolt (EMU) a statvolt (ESU) zo starého systému CGS. V modernom použití sú zriedkavé, ale objavujú sa v historických textoch z fyziky. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvolt = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvolt ≈ 300 V (ESU)
- Zastarané; štandardom je SI volt
- Objavujú sa len v starých učebniciach
Fyzika Napätia
Ohmov Zákon
Základný vzťah: V = I × R. Napätie sa rovná prúdu krát odpor. Ak poznáte ľubovoľné dve veličiny, vypočítate tretiu. Základ všetkej analýzy obvodov.
- V = I × R (napätie = prúd × odpor)
- I = V / R (prúd z napätia)
- R = V / I (odpor z meraní)
- Lineárne pre rezistory; nelineárne pre diódy atď.
Kirchhoffov Zákon o Napätí
V akejkoľvek uzavretej slučke je súčet napätí nulový. Ako keby ste išli v kruhu: zmeny nadmorskej výšky sa sčítajú na nulu. Energia je zachovaná. Nevyhnutný pre analýzu obvodov.
- ΣV = 0 okolo akejkoľvek slučky
- Vzostupy napätia = poklesy napätia
- Zachovanie energie v obvodoch
- Používa sa na riešenie zložitých obvodov
Elektrické Pole a Napätie
Elektrické pole E = V/d (napätie na vzdialenosť). Vyššie napätie na krátku vzdialenosť = silnejšie pole. Blesk: milióny voltov na metroch = pole MV/m.
- E = V / d (pole z napätia)
- Vysoké napätie + krátka vzdialenosť = silné pole
- Prieraz: vzduch sa ionizuje pri ~3 MV/m
- Statické výboje: kV na mm
Referenčné Hodnoty Napätia v Reálnom Svete
| Kontext | Napätie | Poznámky |
|---|---|---|
| Nervový signál | ~70 mV | Pokojový potenciál |
| Termočlánok | ~50 µV/°C | Teplotný senzor |
| Batéria AA (nová) | 1.5 V | Alkalická, s používaním klesá |
| Napájanie USB | 5 V | Štandard USB-A/B |
| Autobatéria | 12 V | Šesť 2V článkov v sérii |
| USB-C PD | 5-20 V | Protokol Power Delivery |
| Domáca zásuvka (USA) | 120 V AC | RMS napätie |
| Domáca zásuvka (EÚ) | 230 V AC | RMS napätie |
| Elektrický ohradník | ~5-10 kV | Nízky prúd, bezpečný |
| Zapaľovacia cievka automobilu | ~20-40 kV | Vytvára iskru |
| Prenosové vedenie | 110-765 kV | Sieť vysokého napätia |
| Blesk | ~100 MV | 100 miliónov voltov |
| Kozmický lúč | ~1 GV+ | Častice extrémnej energie |
Bežné Štandardy Napätia
| Zariadenie / Štandard | Napätie | Typ | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Batéria AAA/AA | 1.5 V | DC | Alkalický štandard |
| Li-ion článok | 3.7 V | DC | Nominálne (rozsah 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Štandardné napájanie USB |
| 9V batéria | 9 V | DC | Šesť 1.5V článkov |
| Autobatéria | 12 V | DC | Šesť 2V olovených článkov |
| Nabíjačka notebooku | 19 V | DC | Bežné napätie notebooku |
| PoE (Napájanie cez Ethernet) | 48 V | DC | Napájanie sieťových zariadení |
| Domácnosť v USA | 120 V | AC | 60 Hz, RMS napätie |
| Domácnosť v EÚ | 230 V | AC | 50 Hz, RMS napätie |
| Elektrické vozidlo | 400 V | DC | Typický batériový balíček |
Aplikácie v Reálnom Svete
Spotrebná Elektronika
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Batérie: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (auto). Logika: 3.3V, 5V. Nabíjačky notebookov: typicky 19V.
- USB: 5V (2.5W) až 20V (100W PD)
- Batéria telefónu: 3.7-4.2V Li-ion
- Notebook: typicky 19V DC
- Logické úrovne: 0V (nízka), 3.3V/5V (vysoká)
Distribúcia Energie
Domácnosť: 120V (USA), 230V (EÚ) AC. Prenos: 110-765 kV (vysoké napätie = malé straty). Rozvodne znižujú napätie na distribučné. Nižšie napätie pri domoch pre bezpečnosť.
- Prenos: 110-765 kV (dlhé vzdialenosti)
- Distribúcia: 11-33 kV (susedstvo)
- Domácnosť: 120V/230V AC (zásuvky)
- Vysoké napätie = efektívny prenos
Vysoká Energia a Veda
Urýchľovače častíc: MV až GV (LHC: 6.5 TeV). Röntgenové žiarenie: 50-150 kV. Elektrónové mikroskopy: 100-300 kV. Blesk: typicky 100 MV. Van de Graaffov generátor: ~1 MV.
- Blesk: ~100 MV (100 miliónov voltov)
- Urýchľovače častíc: rozsah GV
- Röntgenové trubice: 50-150 kV
- Elektrónové mikroskopy: 100-300 kV
Rýchla Matematika Prevodov
Rýchle Prevody Predpôn SI
Každý krok predpony = ×1000 alebo ÷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
- Opačne: delte 1 000
Výkon z Napätia
P = V × I (výkon = napätie × prúd). 12V pri 2A = 24W. 120V pri 10A = 1200W.
- P = V × I (Watty = Volty × Ampéry)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (ak je známy odpor)
- I = P / V (prúd z výkonu)
Rýchle Kontroly Ohmovho Zákona
V = I × R. Znáte dva, nájdite tretí. 12V cez 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Volty = Ampéry × Ohmy)
- I = V / R (prúd z napätia)
- R = V / I (odpor)
- Pamätajte: pre I alebo R delte
Ako Fungujú Prevody
- Krok 1: Preveďte zdroj → volty pomocou faktora toBase
- Krok 2: Preveďte volty → cieľ pomocou faktora toBase cieľa
- Alternatíva: Použite priamy faktor (kV → V: násobte 1000)
- Kontrola zdravým rozumom: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Pamätajte: W/A a J/C sú identické s V
Bežná Referenčná Tabuľka Prevodov
| Z | Do | Násobiť | Príklad |
|---|---|---|---|
| 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) |
Rýchle Príklady
Riešené Problémy
Výpočet Výkonu USB
USB-C dodáva 20V pri 5A. Aký je výkon?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (maximum pre USB Power Delivery)
Návrh Rezistora pre LED
Napájanie 5V, LED potrebuje 2V pri 20mA. Aký rezistor?
Úbytok napätia = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Použite štandardný rezistor 150Ω alebo 180Ω.
Účinnosť Elektrického Vedenia
Prečo prenášať na 500 kV namiesto 10 kV?
Strata = I²R. Rovnaký výkon P = VI, takže I = P/V. 500 kV má 50× menší prúd → 2500× menšie straty (faktor I²)!
Bežné Chyby, Ktorým sa Vyhnúť
- **Napätie ≠ výkon**: 12V × 1A = 12W, ale 12V × 10A = 120W. Rovnaké napätie, iný výkon!
- **Špičkové AC vs. RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V špička. Pre výpočty výkonu používajte RMS (P = V_RMS × I_RMS).
- **Sériové napätia sa sčítajú**: Dve 1.5V batérie v sérii = 3V. Paralelne = stále 1.5V (vyššia kapacita).
- **Vysoké napätie ≠ nebezpečenstvo**: Statický výboj je 10+ kV, ale bezpečný (nízky prúd). Zabíja prúd, nie samotné napätie.
- **Úbytok napätia**: Dlhé drôty majú odpor. 12V pri zdroji ≠ 12V pri záťaži, ak je drôt príliš tenký.
- **Nemiešajte AC/DC**: 12V DC ≠ 12V AC. AC vyžaduje špeciálne komponenty. DC len z batérií/USB.
Fascinujúce Fakty o Napätí
Vaše Nervy Bežia na 70 mV
Nervové bunky udržiavajú pokojový potenciál -70 mV. Akčný potenciál vyskočí na +40 mV (rozkmit 110 mV) na prenos signálov rýchlosťou ~100 m/s. Váš mozog je 20W elektrochemický počítač!
Blesk je 100 Miliónov Voltov
Typický blesk: ~100 MV na ~5 km = pole 20 kV/m. Ale škodu spôsobuje prúd (30 kA) a doba trvania (<1 ms). Energia: ~1 GJ, mohla by napájať dom mesiac – keby sme ju dokázali zachytiť!
Elektrický Úhor: 600V Živá Zbraň
Elektrický úhor môže vybiť 600V pri 1A na obranu/lov. Má viac ako 6000 elektrocytov (biologických batérií) v sérii. Špičkový výkon: 600W. Okamžite omráči korisť. Prírodný taser!
USB-C Teraz Môže Dodať 240W
USB-C PD 3.1: až 48V × 5A = 240W. Môže nabíjať herné notebooky, monitory, dokonca aj niektoré elektrické náradie. Rovnaký konektor ako váš telefón. Jeden kábel, aby vládol všetkým!
Prenosové Vedenia: Čím Vyššie, Tým Lepšie
Strata výkonu ∝ I². Vyššie napätie = nižší prúd pre rovnaký výkon. Vedenia 765 kV strácajú <1% na 100 míľ. Pri 120V by ste stratili všetko za 1 míľu! Preto sieť používa kV.
Môžete Prežiť Milión Voltov
Van de Graaffove generátory dosahujú 1 MV, ale sú bezpečné – zanedbateľný prúd. Statický výboj: 10-30 kV. Tasery: 50 kV. Nebezpečný je prúd prechádzajúci srdcom (>100 mA), nie napätie. Samotné napätie nezabíja.
Historický Vývoj
1800
Volta vynašiel batériu (Voltov stĺp). Prvý nepretržitý zdroj napätia. Jednotka bola neskôr pomenovaná 'volt' na jeho počesť.
1827
Ohm objavil V = I × R. Ohmov zákon sa stáva základom teórie obvodov. Pôvodne odmietnutý, teraz základný.
1831
Faraday objavil elektromagnetickú indukciu. Ukazuje, že napätie môže byť indukované zmenou magnetických polí. Umožňuje generátory.
1881
Prvý medzinárodný elektrický kongres definuje volt: EMF, ktoré produkuje 1 ampér cez 1 ohm.
1893
Westinghouse vyhráva kontrakt na elektráreň pri Niagarských vodopádoch. AC víťazí vo 'vojne prúdov'. AC napätie sa dá efektívne transformovať.
1948
CGPM redefinuje volt v absolútnych termínoch. Založené na watte a ampéri. Bola stanovená moderná definícia SI.
1990
Josephsonov napäťový štandard. Kvantový jav definuje volt s presnosťou 10⁻⁹. Založené na Planckovej konštante a frekvencii.
2019
Redefinícia SI: volt je teraz odvodený od pevnej Planckovej konštanty. Presná definícia, nie je potrebný žiadny fyzický artefakt.
Profesionálne Tipy
- **Rýchlo kV na V**: Posuňte desatinnú čiarku o 3 miesta doprava. 1.2 kV = 1200 V.
- **AC napätie je RMS**: 120V AC znamená 120V RMS ≈ 170V špička. Pre výpočty výkonu používajte RMS.
- **Sériové napätia sa sčítajú**: 4× 1.5V AA batérie = 6V (v sérii). Paralelne = 1.5V (väčšia kapacita).
- **Napätie spôsobuje prúd**: Myslite na napätie ako na tlak, prúd ako na prietok. Žiadny tlak, žiadny prietok.
- **Skontrolujte menovité napätia**: Prekročenie menovitého napätia ničí súčiastky. Vždy skontrolujte dátový list.
- **Merajte napätie paralelne**: Voltmeter sa pripája paralelne k súčiastke. Ampérmeter sa pripája do série.
- **Automatická vedecká notácia**: Hodnoty < 1 µV alebo > 1 GV sa zobrazujú vo vedeckej notácii pre lepšiu čitateľnosť.
Kompletná Referenčná Tabuľka Jednotiek
Jednotky SI
| Názov Jednotky | Symbol | Ekvivalent vo Voltoch | Poznámky k Použitiu |
|---|---|---|---|
| volt | V | 1 V (base) | Základná jednotka SI; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (presne). |
| gigavolt | GV | 1.0 GV | Fyzika vysokých energií; kozmické lúče, urýchľovače častíc. |
| megavolt | MV | 1.0 MV | Blesky (~100 MV), urýchľovače častíc, röntgenové prístroje. |
| kilovolt | kV | 1.0 kV | Prenos energie (110-765 kV), distribúcia, vysokonapäťové systémy. |
| milivolt | mV | 1.0000 mV | Signály senzorov, termočlánky, bioelektricita (nervové signály ~70 mV). |
| mikrovolt | µV | 1.0000 µV | Presné merania, signály EEG/ECG, nízkošumové zosilňovače. |
| nanovolt | nV | 1.000e-9 V | Ultra-citlivé merania, kvantové zariadenia, hranice šumu. |
| pikovolt | pV | 1.000e-12 V | Kvantová elektronika, supravodivé obvody, extrémna presnosť. |
| femtovolt | fV | 1.000e-15 V | Kvantové systémy s málo elektrónmi, merania teoretických limitov. |
| attovolt | aV | 1.000e-18 V | Kvantové šumové pozadie, jednoelektrónové zariadenia, len výskum. |
Bežné Jednotky
| Názov Jednotky | Symbol | Ekvivalent vo Voltoch | Poznámky k Použitiu |
|---|---|---|---|
| watt na ampér | W/A | 1 V (base) | Ekvivalent voltu: 1 V = 1 W/A z P = VI. Ukazuje vzťah k výkonu. |
| joule na coulomb | J/C | 1 V (base) | Definícia voltu: 1 V = 1 J/C (energia na náboj). Základné. |
Zastarané a Vedecké
| Názov Jednotky | Symbol | Ekvivalent vo Voltoch | Poznámky k Použitiu |
|---|---|---|---|
| abvolt (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Jednotka CGS-EMU = 10⁻⁸ V = 10 nV. Zastaraná elektromagnetická jednotka. |
| statvolt (ESU) | statV | 299.7925 V | Jednotka CGS-ESU ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Zastaraná elektrostatická jednotka. |
Často Kladené Otázky
Aký je rozdiel medzi napätím a prúdom?
Napätie je elektrický tlak (ako tlak vody). Prúd je prietok (ako tok vody). Vysoké napätie neznamená vysoký prúd. Môžete mať vysoké napätie s nulovým prúdom (otvorený obvod) alebo vysoký prúd s nízkym napätím (skrat cez drôt).
Prečo sa pre prenos energie používa vysoké napätie?
Strata výkonu v drôtoch je ∝ I² (prúd na druhú). Pre rovnaký výkon P = VI, vyššie napätie znamená nižší prúd. 765 kV má 6 375× menší prúd ako 120V pre rovnaký výkon → ~40 miliónkrát menšie straty! Preto elektrické vedenia používajú kV.
Môže vás vysoké napätie zabiť aj pri nízkom prúde?
Nie, zabíja prúd prechádzajúci vaším telom, nie napätie. Statické výboje sú 10-30 kV, ale bezpečné (<1 mA). Tasery: 50 kV, ale bezpečné. Avšak vysoké napätie môže pretlačiť prúd cez odpor (V = IR), takže vysoké napätie často znamená vysoký prúd. Smrteľný je prúd >50 mA prechádzajúci srdcom.
Aký je rozdiel medzi AC a DC napätím?
DC (jednosmerné) napätie má konštantný smer: batérie, USB, solárne panely. AC (striedavé) napätie mení smer: zásuvky (50/60 Hz). RMS napätie (120V, 230V) je efektívny DC ekvivalent. Väčšina zariadení interne používa DC (AC adaptéry konvertujú).
Prečo krajiny používajú rôzne napätia (120V vs. 230V)?
Historické dôvody. USA si v 80. rokoch 19. storočia zvolili 110V (bezpečnejšie, vyžadovalo menej izolácie). Európa neskôr štandardizovala na 220-240V (efektívnejšie, menej medi). Obe fungujú dobre. Vyššie napätie = nižší prúd pre rovnaký výkon = tenšie drôty. Kompromis medzi bezpečnosťou a efektivitou.
Môžete sčítať napätia?
Áno, v sérii: batérie v sérii sčítajú svoje napätia (1.5V + 1.5V = 3V). Paralelne: napätie zostáva rovnaké (1.5V + 1.5V = 1.5V, ale dvojnásobná kapacita). Kirchhoffov zákon o napätí: napätia v akejkoľvek slučke sa sčítajú na nulu (vzostupy sa rovnajú poklesom).
Kompletný Adresár Nástrojov
Všetkých 71 nástrojov dostupných na UNITS