Конвертер Напруги
Електричний Потенціал: Від Мілівольт до Мегавольт
Опануйте одиниці напруги в електроніці, енергетичних системах та фізиці. Від мілівольт до мегавольт, зрозумійте електричний потенціал, розподіл потужності та що означають числа в схемах і природі.
Основи Напруги
Що таке Напруга?
Напруга — це 'електричний тиск', який штовхає струм по ланцюгу. Уявіть собі тиск води в трубах. Вища напруга = сильніший поштовх. Вимірюється у вольтах (В). Це не те саме, що струм чи потужність!
- 1 вольт = 1 джоуль на кулон (енергія на заряд)
- Напруга викликає протікання струму (як тиск викликає протікання води)
- Вимірюється між двома точками (різниця потенціалів)
- Вища напруга = більше енергії на заряд
Напруга, Струм і Потужність
Напруга (V) = тиск, Струм (I) = швидкість потоку, Потужність (P) = швидкість передачі енергії. P = V × I. 12В при 1А = 12Вт. Однакова потужність, можливі різні комбінації напруги/струму.
- Напруга = електричний тиск (В)
- Струм = потік заряду (А)
- Потужність = напруга × струм (Вт)
- Опір = напруга ÷ струм (Ом, закон Ома)
Напруга Змінного (AC) та Постійного (DC) струму
Напруга постійного струму (DC) має постійний напрямок: батареї (1.5В, 12В). Напруга змінного струму (AC) змінює напрямок: розетки (120В, 230В). RMS напруга = ефективний еквівалент DC.
- DC: постійна напруга (батареї, USB, схеми)
- AC: змінна напруга (розетки, електромережі)
- RMS = ефективна напруга (120В AC RMS ≈ 170В пікова)
- Більшість пристроїв внутрішньо використовують DC (адаптери AC перетворюють)
- Напруга = енергія на заряд (1 В = 1 Дж/Кл)
- Вища напруга = більший 'електричний тиск'
- Напруга викликає струм; струм не викликає напругу
- Потужність = напруга × струм (P = VI)
Пояснення Систем Одиниць
Одиниці СІ — Вольт
Вольт (В) — це одиниця СІ для електричного потенціалу. Визначається через ват і ампер: 1 В = 1 Вт/А. Також: 1 В = 1 Дж/Кл (енергія на заряд). Приставки від атто- до гіга- охоплюють усі діапазони.
- 1 В = 1 Вт/А = 1 Дж/Кл (точні визначення)
- кВ для ліній електропередач (110 кВ, 500 кВ)
- мВ, мкВ для датчиків, сигналів
- фВ, аВ для квантових вимірювань
Одиниці Визначення
Вт/А і Дж/Кл за визначенням еквівалентні вольту. Вони показують зв'язки: V = Вт/А (потужність на струм), V = Дж/Кл (енергія на заряд). Корисно для розуміння фізики.
- 1 В = 1 Вт/А (з P = VI)
- 1 В = 1 Дж/Кл (визначення)
- Усі три ідентичні
- Різні погляди на одну й ту саму величину
Застарілі Одиниці СГС
Абвольт (EMU) і статвольт (ESU) зі старої системи СГС. Рідко використовуються в сучасності, але зустрічаються в історичних текстах з фізики. 1 статВ ≈ 300 В; 1 абВ = 10 нВ.
- 1 абвольт = 10⁻⁸ В (EMU)
- 1 статвольт ≈ 300 В (ESU)
- Застарілі; стандарт — вольт СІ
- Зустрічаються тільки в старих підручниках
Фізика Напруги
Закон Ома
Фундаментальна залежність: V = I × R. Напруга дорівнює струму, помноженому на опір. Знаючи будь-які два значення, можна обчислити третє. Основа аналізу всіх електричних ланцюгів.
- V = I × R (напруга = струм × опір)
- I = V / R (струм з напруги)
- R = V / I (опір з вимірювань)
- Лінійна для резисторів; нелінійна для діодів і т.д.
Закон напруги Кірхгофа
У будь-якому замкненому контурі сума напруг дорівнює нулю. Подібно ході по колу: сума змін висоти дорівнює нулю. Енергія зберігається. Необхідний для аналізу ланцюгів.
- ΣV = 0 навколо будь-якого контуру
- Підвищення напруги = падіння напруги
- Збереження енергії в ланцюгах
- Використовується для розв'язання складних ланцюгів
Електричне Поле і Напруга
Електричне поле E = V/d (напруга на відстань). Більша напруга на короткій відстані = сильніше поле. Блискавка: мільйони вольт на метри = поле МВ/м.
- E = V / d (поле з напруги)
- Висока напруга + коротка відстань = сильне поле
- Пробій: повітря іонізується при ~3 МВ/м
- Статичні розряди: кВ на мм
Реальні Приклади Напруги
| Контекст | Напруга | Примітки |
|---|---|---|
| Нервовий сигнал | ~70 мВ | Потенціал спокою |
| Термопара | ~50 мкВ/°C | Датчик температури |
| Батарея АА (нова) | 1.5 В | Лужна, зменшується з використанням |
| Живлення USB | 5 В | Стандарт USB-A/B |
| Автомобільний акумулятор | 12 В | Шість 2В елементів послідовно |
| USB-C PD | 5-20 В | Протокол Power Delivery |
| Домашня розетка (США) | 120 В AC | Напруга RMS |
| Домашня розетка (ЄС) | 230 В AC | Напруга RMS |
| Електрична огорожа | ~5-10 кВ | Низький струм, безпечно |
| Котушка запалювання автомобіля | ~20-40 кВ | Створює іскру |
| Лінія електропередачі | 110-765 кВ | Високовольтна мережа |
| Блискавка | ~100 МВ | 100 мільйонів вольт |
| Космічний промінь | ~1 ГВ+ | Частинки екстремальної енергії |
Загальні Стандарти Напруги
| Пристрій / Стандарт | Напруга | Тип | Примітки |
|---|---|---|---|
| Батарея AAA/AA | 1.5 В | DC | Лужний стандарт |
| Елемент Li-ion | 3.7 В | DC | Номінальна (діапазон 3.0-4.2В) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 В | DC | Стандартне живлення USB |
| Батарея 9В | 9 В | DC | Шість елементів 1.5В |
| Автомобільний акумулятор | 12 В | DC | Шість свинцево-кислотних елементів 2В |
| Зарядний пристрій для ноутбука | 19 В | DC | Поширена напруга для ноутбуків |
| PoE (Power over Ethernet) | 48 В | DC | Живлення мережевих пристроїв |
| Домашня мережа в США | 120 В | AC | 60 Гц, напруга RMS |
| Домашня мережа в ЄС | 230 В | AC | 50 Гц, напруга RMS |
| Електромобіль | 400 В | DC | Типовий акумуляторний блок |
Застосування в Реальному Світі
Побутова Електроніка
USB: 5В (USB-A), 9В, 20В (USB-C PD). Батареї: 1.5В (AA/AAA), 3.7В (Li-ion), 12В (автомобільні). Логіка: 3.3В, 5В. Зарядні пристрої для ноутбуків: типово 19В.
- USB: 5В (2.5Вт) до 20В (100Вт PD)
- Батарея телефону: 3.7-4.2В Li-ion
- Ноутбук: типово 19В DC
- Логічні рівні: 0В (низький), 3.3В/5В (високий)
Розподіл Електроенергії
Вдома: 120В (США), 230В (ЄС) AC. Передача: 110-765 кВ (висока напруга = низькі втрати). Підстанції знижують напругу до розподільної. Нижча напруга біля будинків для безпеки.
- Передача: 110-765 кВ (великі відстані)
- Розподіл: 11-33 кВ (район)
- Вдома: 120В/230В AC (розетки)
- Висока напруга = ефективна передача
Високі Енергії і Наука
Прискорювачі частинок: від МВ до ГВ (LHC: 6.5 ТеВ). Рентгенівські промені: 50-150 кВ. Електронні мікроскопи: 100-300 кВ. Блискавка: типово 100 МВ. Генератор Ван де Граафа: ~1 МВ.
- Блискавка: ~100 МВ (100 мільйонів вольт)
- Прискорювачі частинок: діапазон ГВ
- Рентгенівські трубки: 50-150 кВ
- Електронні мікроскопи: 100-300 кВ
Швидкі Розрахунки для Перетворення
Швидкі Перетворення Приставок СІ
Кожен крок приставки = ×1000 або ÷1000. кВ → В: ×1000. В → мВ: ×1000. мВ → мкВ: ×1000.
- кВ → В: помножити на 1 000
- В → мВ: помножити на 1 000
- мВ → мкВ: помножити на 1 000
- Зворотно: поділити на 1 000
Потужність з Напруги
P = V × I (потужність = напруга × струм). 12В при 2А = 24Вт. 120В при 10А = 1200Вт.
- P = V × I (Вати = Вольти × Ампери)
- 12В × 5А = 60Вт
- P = V² / R (якщо відомий опір)
- I = P / V (струм з потужності)
Швидкі Перевірки за Законом Ома
V = I × R. Знаючи два, знайдіть третє. 12В на 4Ом = 3А. 5В ÷ 100мА = 50Ом.
- V = I × R (Вольти = Ампери × Оми)
- I = V / R (струм з напруги)
- R = V / I (опір)
- Пам'ятайте: для I або R треба ділити
Як Працюють Перетворення
- Крок 1: Перетворіть вихідну величину → вольти, використовуючи коефіцієнт toBase
- Крок 2: Перетворіть вольти → цільову величину, використовуючи коефіцієнт toBase цільової величини
- Альтернатива: Використовуйте прямий коефіцієнт (кВ → В: помножити на 1000)
- Перевірка на розумність: 1 кВ = 1000 В, 1 мВ = 0.001 В
- Пам'ятайте: Вт/А і Дж/Кл ідентичні В
Довідник по Загальних Перетвореннях
| З | У | Помножити на | Приклад |
|---|---|---|---|
| В | кВ | 0.001 | 1000 В = 1 кВ |
| кВ | В | 1000 | 1 кВ = 1000 В |
| В | мВ | 1000 | 1 В = 1000 мВ |
| мВ | В | 0.001 | 1000 мВ = 1 В |
| мВ | мкВ | 1000 | 1 мВ = 1000 мкВ |
| мкВ | мВ | 0.001 | 1000 мкВ = 1 мВ |
| кВ | МВ | 0.001 | 1000 кВ = 1 МВ |
| МВ | кВ | 1000 | 1 МВ = 1000 кВ |
| В | Вт/А | 1 | 5 В = 5 Вт/А (тотожність) |
| В | Дж/Кл | 1 | 12 В = 12 Дж/Кл (тотожність) |
Швидкі Приклади
Розібрані Задачі
Розрахунок Потужності USB
USB-C забезпечує 20В при 5А. Яка потужність?
P = V × I = 20В × 5А = 100Вт (максимум для USB Power Delivery)
Розробка Резистора для Світлодіода
Джерело 5В, світлодіоду треба 2В при 20мА. Який резистор?
Падіння напруги = 5В - 2В = 3В. R = V/I = 3В ÷ 0.02А = 150Ом. Використовуйте стандартний резистор 150Ом або 180Ом.
Ефективність Ліній Електропередачі
Чому передача відбувається при 500 кВ, а не 10 кВ?
Втрати = I²R. При тій самій потужності P = VI, тому I = P/V. При 500 кВ струм у 50 разів менший → втрати в 2500 разів менші (фактор I²)!
Поширені Помилки, яких варто уникати
- **Напруга ≠ потужність**: 12В × 1А = 12Вт, але 12В × 10А = 120Вт. Однакове напруга, різна потужність!
- **Пікове AC проти RMS**: 120В AC RMS ≈ 170В пікове. Для розрахунків потужності використовуйте RMS (P = V_RMS × I_RMS).
- **Послідовні напруги складаються**: Дві батареї 1.5В послідовно = 3В. Паралельно = все ще 1.5В (більша ємність).
- **Висока напруга ≠ небезпека**: Статичний розряд — 10+ кВ, але безпечний (низький струм). Вбиває струм, а не лише напруга.
- **Падіння напруги**: Довгі дроти мають опір. 12В на джерелі ≠ 12В на навантаженні, якщо дріт занадто тонкий.
- **Не змішуйте AC/DC**: 12В DC ≠ 12В AC. AC вимагає спеціальних компонентів. DC тільки від батарей/USB.
Цікаві Факти про Напругу
Ваші Нерви Працюють на 70 мВ
Нервові клітини підтримують потенціал спокою -70 мВ. Потенціал дії підскакує до +40 мВ (зміна на 110 мВ) для передачі сигналів зі швидкістю ~100 м/с. Ваш мозок — це електрохімічний комп'ютер потужністю 20 Вт!
Блискавка — це 100 Мільйонів Вольт
Типова блискавка: ~100 МВ на ~5 км = поле 20 кВ/м. Але шкоду завдають струм (30 кА) і тривалість (<1 мс). Енергія: ~1 ГДж, могла б забезпечити будинок енергією на місяць, якби ми могли її захопити!
Електричні Вугрі: Жива Зброя на 600В
Електричний вугор може розряджати 600В при 1А для захисту/полювання. Він має понад 6000 електроцитів (біологічних батарей), з'єднаних послідовно. Пікова потужність: 600Вт. Миттєво приголомшує здобич. Природний тазер!
USB-C Тепер Може Видавати 240Вт
USB-C PD 3.1: до 48В × 5А = 240Вт. Може заряджати ігрові ноутбуки, монітори, навіть деякі електроінструменти. Той самий роз'єм, що й у вашому телефоні. Один кабель, щоб керувати всіма!
Лінії Електропередачі: Чим Вище, тим Краще
Втрати потужності ∝ I². Вища напруга = менший струм для тієї ж потужності. Лінії 765 кВ втрачають <1% на 100 миль. При 120В ви б втратили все за 1 милю! Ось чому мережа використовує кВ.
Ви Можете Вижити при Мільйоні Вольт
Генератори Ван де Граафа досягають 1 МВ, але безпечні — мізерний струм. Статичний розряд: 10-30 кВ. Тазери: 50 кВ. Небезпечний струм через серце (>100 мА), а не напруга. Сама по собі напруга не вбиває.
Історична Еволюція
1800
Вольта винаходить батарею (вольтів стовп). Перше безперервне джерело напруги. Одиниця пізніше названа 'вольт' на його честь.
1827
Ом відкриває V = I × R. Закон Ома стає основою теорії ланцюгів. Спочатку відхилений, тепер фундаментальний.
1831
Фарадей відкриває електромагнітну індукцію. Показує, що напругу можна індукувати зміною магнітних полів. Це дозволяє створювати генератори.
1881
Перший міжнародний електричний конгрес визначає вольт: ЕРС, яка створює 1 ампер через 1 ом.
1893
Westinghouse виграє контракт на електростанцію на Ніагарському водоспаді. Змінний струм перемагає у 'Війні струмів'. Напругу AC можна ефективно трансформувати.
1948
CGPM перевизначає вольт в абсолютних термінах. На основі вата і ампера. Встановлено сучасне визначення СІ.
1990
Стандарт напруги Джозефсона. Квантовий ефект визначає вольт з точністю 10⁻⁹. Заснований на постійній Планка і частоті.
2019
Перевизначення СІ: вольт тепер виводиться з фіксованої постійної Планка. Точне визначення, не потрібен фізичний артефакт.
Поради Професіоналів
- **Швидко кВ у В**: Перенесіть кому на 3 знаки вправо. 1.2 кВ = 1200 В.
- **Напруга AC — це RMS**: 120В AC означає 120В RMS ≈ 170В пікове. Для розрахунків потужності використовуйте RMS.
- **Послідовні напруги складаються**: 4 батареї АА 1.5В = 6В (послідовно). Паралельно = 1.5В (більше ємності).
- **Напруга викликає струм**: Думайте про напругу як про тиск, а про струм як про потік. Немає тиску — немає потоку.
- **Перевіряйте номінальні напруги**: Перевищення номінальної напруги знищує компоненти. Завжди перевіряйте технічний паспорт.
- **Вимірюйте напругу паралельно**: Вольтметр підключається паралельно компоненту. Амперметр — послідовно.
- **Автоматичний науковий запис**: Значення < 1 мкВ або > 1 ГВ відображаються в науковому записі для зручності читання.
Повний Довідник по Одиницях
Одиниці СІ
| Назва Одиниці | Символ | Еквівалент у Вольтах | Примітки по Використанню |
|---|---|---|---|
| вольт | V | 1 V (base) | Базова одиниця СІ; 1 В = 1 Вт/А = 1 Дж/Кл (точно). |
| гігавольт | GV | 1.0 GV | Фізика високих енергій; космічні промені, прискорювачі частинок. |
| мегавольт | MV | 1.0 MV | Блискавки (~100 МВ), прискорювачі частинок, рентгенівські апарати. |
| кіловольт | kV | 1.0 kV | Передача енергії (110-765 кВ), розподіл, високовольтні системи. |
| мілівольт | mV | 1.0000 mV | Сигнали датчиків, термопари, біоелектрика (нервові сигнали ~70 мВ). |
| мікровольт | µV | 1.0000 µV | Точні вимірювання, сигнали ЕЕГ/ЕКГ, малошумні підсилювачі. |
| нановольт | nV | 1.000e-9 V | Надчутливі вимірювання, квантові пристрої, межі шуму. |
| піковольт | pV | 1.000e-12 V | Квантова електроніка, надпровідні ланцюги, екстремальна точність. |
| фемто-вольт | fV | 1.000e-15 V | Квантові системи з малим числом електронів, вимірювання теоретичних меж. |
| атто-вольт | aV | 1.000e-18 V | Квантовий рівень шуму, одноелектронні пристрої, тільки для досліджень. |
Загальні Одиниці
| Назва Одиниці | Символ | Еквівалент у Вольтах | Примітки по Використанню |
|---|---|---|---|
| ват на ампер | W/A | 1 V (base) | Еквівалент вольта: 1 В = 1 Вт/А з P = VI. Показує зв'язок потужності. |
| джоуль на кулон | J/C | 1 V (base) | Визначення вольта: 1 В = 1 Дж/Кл (енергія на заряд). Фундаментальне. |
Застарілі та Наукові
| Назва Одиниці | Символ | Еквівалент у Вольтах | Примітки по Використанню |
|---|---|---|---|
| абвольт (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Одиниця СГС-EMU = 10⁻⁸ В = 10 нВ. Застаріла електромагнітна одиниця. |
| статвольт (ESU) | statV | 299.7925 V | Одиниця СГС-ESU ≈ 300 В (c/1e6 × 1e-2). Застаріла електростатична одиниця. |
Часті Запитання
У чому різниця між напругою і струмом?
Напруга — це електричний тиск (як тиск води). Струм — це швидкість потоку (як потік води). Висока напруга не означає високий струм. Ви можете мати високу напругу з нульовим струмом (розімкнений ланцюг) або високий струм з низькою напругою (коротке замикання через дріт).
Чому для передачі електроенергії використовується висока напруга?
Втрати потужності в проводах ∝ I² (струм у квадраті). При тій самій потужності P = VI, вища напруга означає менший струм. При 765 кВ струм у 6 375 разів менший, ніж при 120В для тієї ж потужності → ~40 мільйонів разів менше втрат! Ось чому лінії електропередач використовують кВ.
Чи може висока напруга вбити вас навіть при низькому струмі?
Ні, вбиває струм, що проходить через ваше тіло, а не напруга. Статичні розряди складають 10-30 кВ, але вони безпечні (<1 мА). Тазери: 50 кВ, але безпечні. Однак висока напруга може змусити струм пройти через опір (V = IR), тому висока напруга часто означає високий струм. Смертельним є струм >50 мА через серце.
У чому різниця між напругою AC і DC?
Напруга постійного струму (DC) має постійний напрямок: батареї, USB, сонячні панелі. Напруга змінного струму (AC) змінює напрямок: розетки (50/60 Гц). Напруга RMS (120В, 230В) — ефективний еквівалент DC. Більшість пристроїв внутрішньо використовують DC (адаптери AC перетворюють).
Чому країни використовують різні напруги (120В проти 230В)?
Історичні причини. США вибрали 110В у 1880-х (безпечніше, вимагалося менше ізоляції). Європа пізніше стандартизувала 220-240В (ефективніше, менше міді). Обидва варіанти працюють добре. Вища напруга = менший струм для тієї ж потужності = тонші дроти. Компроміс між безпекою та ефективністю.
Чи можна складати напруги?
Так, послідовно: батареї в послідовному з'єднанні складають свої напруги (1.5В + 1.5В = 3В). Паралельно: напруга залишається тією ж (1.5В + 1.5В = 1.5В, але подвійна ємність). Закон напруг Кірхгофа: сума напруг у будь-якому контурі дорівнює нулю (підвищення дорівнюють падінням).
Повний Довідник Інструментів
Усі 71 інструменти, доступні на UNITS