Công cụ chuyển đổi Điện áp
Điện thế: Từ Millivolt đến Megavolt
Làm chủ các đơn vị điện áp trong điện tử, hệ thống điện và vật lý. Từ millivolt đến megavolt, hãy hiểu về điện thế, phân phối điện năng và ý nghĩa của các con số trong mạch điện và tự nhiên.
Cơ bản về Điện áp
Điện áp là gì?
Điện áp là 'áp suất điện' đẩy dòng điện qua một mạch điện. Hãy nghĩ về nó như áp lực nước trong ống. Điện áp cao hơn = lực đẩy mạnh hơn. Được đo bằng volt (V). Nó không giống như dòng điện hay công suất!
- 1 volt = 1 joule trên coulomb (năng lượng trên điện tích)
- Điện áp gây ra dòng điện (giống như áp suất gây ra dòng nước)
- Được đo giữa hai điểm (chênh lệch điện thế)
- Điện áp cao hơn = nhiều năng lượng hơn trên mỗi điện tích
Điện áp, Dòng điện và Công suất
Điện áp (V) = áp suất, Dòng điện (I) = tốc độ dòng chảy, Công suất (P) = tốc độ năng lượng. P = V × I. 12V ở 1A = 12W. Cùng một công suất, có thể có các kết hợp điện áp/dòng điện khác nhau.
- Điện áp = áp suất điện (V)
- Dòng điện = dòng chảy của điện tích (A)
- Công suất = điện áp × dòng điện (W)
- Điện trở = điện áp ÷ dòng điện (Ω, định luật Ohm)
Điện áp xoay chiều (AC) và một chiều (DC)
Điện áp một chiều (DC) có hướng không đổi: pin (1.5V, 12V). Điện áp xoay chiều (AC) đảo chiều: điện lưới (120V, 230V). Điện áp RMS = tương đương DC hiệu dụng.
- DC: điện áp không đổi (pin, USB, mạch điện)
- AC: điện áp xoay chiều (điện lưới)
- RMS = điện áp hiệu dụng (120V AC RMS ≈ 170V đỉnh)
- Hầu hết các thiết bị sử dụng DC bên trong (bộ chuyển đổi AC chuyển đổi)
- Điện áp = năng lượng trên mỗi điện tích (1 V = 1 J/C)
- Điện áp cao hơn = 'áp suất điện' lớn hơn
- Điện áp gây ra dòng điện; dòng điện không gây ra điện áp
- Công suất = điện áp × dòng điện (P = VI)
Giải thích các Hệ thống Đơn vị
Đơn vị SI — Volt
Volt (V) là đơn vị SI của điện thế. Được định nghĩa từ watt và ampe: 1 V = 1 W/A. Cũng có: 1 V = 1 J/C (năng lượng trên mỗi điện tích). Các tiền tố từ atto đến giga bao gồm tất cả các phạm vi.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (định nghĩa chính xác)
- kV cho đường dây điện (110 kV, 500 kV)
- mV, µV cho cảm biến, tín hiệu
- fV, aV cho các phép đo lượng tử
Đơn vị Định nghĩa
W/A và J/C theo định nghĩa tương đương với volt. Chúng cho thấy các mối quan hệ: V = W/A (công suất trên dòng điện), V = J/C (năng lượng trên điện tích). Hữu ích để hiểu vật lý.
- 1 V = 1 W/A (từ P = VI)
- 1 V = 1 J/C (định nghĩa)
- Cả ba đều giống hệt nhau
- Các góc nhìn khác nhau về cùng một đại lượng
Các Đơn vị CGS Cũ
Abvolt (EMU) và statvolt (ESU) từ hệ thống CGS cũ. Hiếm khi được sử dụng trong thời hiện đại nhưng xuất hiện trong các văn bản vật lý lịch sử. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvolt = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvolt ≈ 300 V (ESU)
- Lỗi thời; volt SI là tiêu chuẩn
- Chỉ xuất hiện trong các sách giáo khoa cũ
Vật lý của Điện áp
Định luật Ohm
Mối quan hệ cơ bản: V = I × R. Điện áp bằng dòng điện nhân với điện trở. Biết hai trong số đó, tính được cái thứ ba. Nền tảng của mọi phân tích mạch điện.
- V = I × R (điện áp = dòng điện × điện trở)
- I = V / R (dòng điện từ điện áp)
- R = V / I (điện trở từ các phép đo)
- Tuyến tính đối với điện trở; phi tuyến đối với điốt, v.v.
Định luật Điện áp của Kirchhoff
Trong bất kỳ vòng kín nào, tổng các điện áp bằng không. Giống như đi bộ trong một vòng tròn: tổng các thay đổi về độ cao bằng không. Năng lượng được bảo toàn. Cần thiết cho phân tích mạch điện.
- ΣV = 0 xung quanh bất kỳ vòng nào
- Sự tăng điện áp = sự giảm điện áp
- Bảo toàn năng lượng trong mạch điện
- Được sử dụng để giải các mạch điện phức tạp
Điện trường và Điện áp
Điện trường E = V/d (điện áp trên khoảng cách). Điện áp cao hơn trên một khoảng cách ngắn = điện trường mạnh hơn. Sét: hàng triệu volt trên mét = điện trường MV/m.
- E = V / d (điện trường từ điện áp)
- Điện áp cao + khoảng cách ngắn = điện trường mạnh
- Sự đánh thủng: không khí bị ion hóa ở ~3 MV/m
- Sốc tĩnh điện: kV trên mm
Các Mốc Điện áp trong Thế giới Thực
| Bối cảnh | Điện áp | Ghi chú |
|---|---|---|
| Tín hiệu thần kinh | ~70 mV | Điện thế nghỉ |
| Cặp nhiệt điện | ~50 µV/°C | Cảm biến nhiệt độ |
| Pin AA (mới) | 1.5 V | Pin kiềm, giảm dần khi sử dụng |
| Nguồn USB | 5 V | Tiêu chuẩn USB-A/B |
| Ắc quy ô tô | 12 V | Sáu cell 2V nối tiếp |
| USB-C PD | 5-20 V | Giao thức Power Delivery |
| Ổ cắm gia đình (Mỹ) | 120 V AC | Điện áp RMS |
| Ổ cắm gia đình (EU) | 230 V AC | Điện áp RMS |
| Hàng rào điện | ~5-10 kV | Dòng điện thấp, an toàn |
| Bô bin đánh lửa ô tô | ~20-40 kV | Tạo ra tia lửa |
| Đường dây truyền tải | 110-765 kV | Lưới điện cao thế |
| Sét | ~100 MV | 100 triệu volt |
| Tia vũ trụ | ~1 GV+ | Các hạt năng lượng cực cao |
Các Tiêu chuẩn Điện áp Phổ biến
| Thiết bị / Tiêu chuẩn | Điện áp | Loại | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Pin AAA/AA | 1.5 V | DC | Tiêu chuẩn pin kiềm |
| Cell Li-ion | 3.7 V | DC | Danh định (phạm vi 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Nguồn USB tiêu chuẩn |
| Pin 9V | 9 V | DC | Sáu cell 1.5V |
| Ắc quy ô tô | 12 V | DC | Sáu cell chì-axit 2V |
| Sạc laptop | 19 V | DC | Điện áp laptop phổ biến |
| PoE (Power over Ethernet) | 48 V | DC | Nguồn cho thiết bị mạng |
| Hộ gia đình Mỹ | 120 V | AC | 60 Hz, điện áp RMS |
| Hộ gia đình EU | 230 V | AC | 50 Hz, điện áp RMS |
| Xe điện | 400 V | DC | Bộ pin điển hình |
Các ứng dụng trong Thế giới Thực
Điện tử Tiêu dùng
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Pin: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (ô tô). Logic: 3.3V, 5V. Sạc laptop: thường là 19V.
- USB: 5V (2.5W) đến 20V (100W PD)
- Pin điện thoại: 3.7-4.2V Li-ion
- Laptop: thường là 19V DC
- Mức logic: 0V (thấp), 3.3V/5V (cao)
Phân phối Điện năng
Nhà: 120V (Mỹ), 230V (EU) AC. Truyền tải: 110-765 kV (điện áp cao = tổn thất thấp). Trạm biến áp hạ áp xuống điện áp phân phối. Điện áp thấp hơn gần nhà để đảm bảo an toàn.
- Truyền tải: 110-765 kV (khoảng cách xa)
- Phân phối: 11-33 kV (khu dân cư)
- Nhà: 120V/230V AC (ổ cắm)
- Điện áp cao = truyền tải hiệu quả
Năng lượng Cao & Khoa học
Máy gia tốc hạt: từ MV đến GV (LHC: 6.5 TeV). Tia X: 50-150 kV. Kính hiển vi điện tử: 100-300 kV. Sét: thường là 100 MV. Máy phát Van de Graaff: ~1 MV.
- Sét: ~100 MV (100 triệu volt)
- Máy gia tốc hạt: phạm vi GV
- Ống tia X: 50-150 kV
- Kính hiển vi điện tử: 100-300 kV
Tính toán Chuyển đổi Nhanh
Chuyển đổi Nhanh các Tiền tố SI
Mỗi bước tiền tố = ×1000 hoặc ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.
- kV → V: nhân với 1.000
- V → mV: nhân với 1.000
- mV → µV: nhân với 1.000
- Ngược lại: chia cho 1.000
Công suất từ Điện áp
P = V × I (công suất = điện áp × dòng điện). 12V ở 2A = 24W. 120V ở 10A = 1200W.
- P = V × I (Watt = Volt × Ampe)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (nếu biết điện trở)
- I = P / V (dòng điện từ công suất)
Kiểm tra Nhanh Định luật Ohm
V = I × R. Biết hai, tìm ba. 12V qua 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Volt = Ampe × Ohm)
- I = V / R (dòng điện từ điện áp)
- R = V / I (điện trở)
- Nhớ: chia cho I hoặc R
Cách thức Hoạt động của các Phép chuyển đổi
- Bước 1: Chuyển đổi nguồn → volt bằng hệ số toBase
- Bước 2: Chuyển đổi volt → mục tiêu bằng hệ số toBase của mục tiêu
- Cách khác: Sử dụng hệ số trực tiếp (kV → V: nhân với 1000)
- Kiểm tra hợp lý: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Nhớ: W/A và J/C giống hệt V
Tham chiếu Chuyển đổi Phổ biến
| Từ | Sang | Nhân với | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| 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 (đồng nhất) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (đồng nhất) |
Ví dụ Nhanh
Các Bài toán đã giải
Tính toán Công suất USB
USB-C cung cấp 20V ở 5A. Công suất là bao nhiêu?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (tối đa của USB Power Delivery)
Thiết kế Điện trở cho LED
Nguồn 5V, LED cần 2V ở 20mA. Điện trở nào?
Sụt áp = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Sử dụng điện trở tiêu chuẩn 150Ω hoặc 180Ω.
Hiệu suất của Đường dây Điện
Tại sao truyền tải ở 500 kV thay vì 10 kV?
Tổn thất = I²R. Cùng công suất P = VI, nên I = P/V. 500 kV có dòng điện ít hơn 50 lần → tổn thất ít hơn 2500 lần (hệ số I²)!
Những Sai lầm Thường gặp cần Tránh
- **Điện áp ≠ công suất**: 12V × 1A = 12W, nhưng 12V × 10A = 120W. Cùng điện áp, công suất khác nhau!
- **Đỉnh AC vs. RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V đỉnh. Sử dụng RMS cho các tính toán công suất (P = V_RMS × I_RMS).
- **Các điện áp nối tiếp cộng lại**: Hai pin 1.5V nối tiếp = 3V. Song song = vẫn là 1.5V (dung lượng cao hơn).
- **Điện áp cao ≠ nguy hiểm**: Sốc tĩnh điện là 10+ kV nhưng an toàn (dòng điện thấp). Dòng điện giết chết, không phải chỉ riêng điện áp.
- **Sụt áp**: Dây dài có điện trở. 12V ở nguồn ≠ 12V ở tải nếu dây quá mỏng.
- **Đừng trộn lẫn AC/DC**: 12V DC ≠ 12V AC. AC yêu cầu các thành phần đặc biệt. DC chỉ từ pin/USB.
Những Sự thật Thú vị về Điện áp
Hệ Thần kinh của Bạn Hoạt động ở 70 mV
Các tế bào thần kinh duy trì điện thế nghỉ -70 mV. Điện thế hoạt động nhảy lên +40 mV (biến động 110 mV) để truyền tín hiệu với tốc độ ~100 m/s. Não của bạn là một máy tính điện hóa 20W!
Sét là 100 Triệu Volt
Một tia sét điển hình: ~100 MV trên ~5 km = điện trường 20 kV/m. Nhưng chính dòng điện (30 kA) và thời gian (<1 ms) gây ra thiệt hại. Năng lượng: ~1 GJ, có thể cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà trong một tháng—nếu chúng ta có thể thu được nó!
Lươn Điện: Vũ khí Sống 600V
Lươn điện có thể phóng điện 600V ở 1A để phòng thủ/săn mồi. Nó có hơn 6000 tế bào điện (pin sinh học) nối tiếp. Công suất đỉnh: 600W. Làm cho con mồi bị choáng ngay lập tức. Súng điện của tự nhiên!
USB-C Hiện có thể Cung cấp 240W
USB-C PD 3.1: lên đến 48V × 5A = 240W. Có thể sạc laptop chơi game, màn hình, thậm chí cả một số dụng cụ điện. Cùng một đầu nối như điện thoại của bạn. Một sợi cáp để thống trị tất cả!
Đường dây Truyền tải: Càng Cao Càng Tốt
Tổn thất công suất ∝ I². Điện áp cao hơn = dòng điện thấp hơn cho cùng một công suất. Các đường dây 765 kV mất <1% mỗi 100 dặm. Ở 120V, bạn sẽ mất tất cả trong 1 dặm! Đó là lý do tại sao lưới điện sử dụng kV.
Bạn Có thể Sống sót sau Một Triệu Volt
Các máy phát Van de Graaff đạt 1 MV nhưng an toàn—dòng điện rất nhỏ. Sốc tĩnh điện: 10-30 kV. Súng điện: 50 kV. Dòng điện qua tim (>100 mA) mới là nguy hiểm, không phải điện áp. Điện áp một mình không giết chết.
Quá trình Phát triển Lịch sử
1800
Volta phát minh ra pin (cọc voltaic). Nguồn điện áp liên tục đầu tiên. Đơn vị sau này được đặt tên là 'volt' để vinh danh ông.
1827
Ohm khám phá ra V = I × R. Định luật Ohm trở thành nền tảng của lý thuyết mạch điện. Ban đầu bị từ chối, nay là cơ bản.
1831
Faraday khám phá ra cảm ứng điện từ. Cho thấy điện áp có thể được tạo ra bằng cách thay đổi từ trường. Cho phép tạo ra máy phát điện.
1881
Đại hội điện quốc tế đầu tiên định nghĩa volt: EMF tạo ra 1 ampe qua 1 ohm.
1893
Westinghouse thắng hợp đồng cho nhà máy điện Thác Niagara. Dòng điện xoay chiều thắng 'Cuộc chiến Dòng điện'. Điện áp AC có thể được biến đổi một cách hiệu quả.
1948
CGPM định nghĩa lại volt theo các thuật ngữ tuyệt đối. Dựa trên watt và ampe. Định nghĩa SI hiện đại được thiết lập.
1990
Tiêu chuẩn điện áp Josephson. Hiệu ứng lượng tử định nghĩa volt với độ chính xác 10⁻⁹. Dựa trên hằng số Planck và tần số.
2019
Định nghĩa lại SI: volt hiện được bắt nguồn từ hằng số Planck cố định. Định nghĩa chính xác, không cần vật mẫu vật lý.
Mẹo Chuyên nghiệp
- **Chuyển đổi nhanh từ kV sang V**: Di chuyển dấu thập phân 3 vị trí sang phải. 1.2 kV = 1200 V.
- **Điện áp AC là RMS**: 120V AC có nghĩa là 120V RMS ≈ 170V đỉnh. Sử dụng RMS cho các tính toán công suất.
- **Các điện áp nối tiếp cộng lại**: 4 pin AA 1.5V = 6V (nối tiếp). Song song = 1.5V (dung lượng nhiều hơn).
- **Điện áp gây ra dòng điện**: Hãy nghĩ điện áp là áp suất, dòng điện là lưu lượng. Không có áp suất, không có lưu lượng.
- **Kiểm tra định mức điện áp**: Vượt quá điện áp định mức sẽ phá hủy các thành phần. Luôn kiểm tra bảng dữ liệu.
- **Đo điện áp song song**: Vôn kế được mắc song song với thành phần. Ampe kế được mắc nối tiếp.
- **Ký hiệu khoa học tự động**: Các giá trị < 1 µV hoặc > 1 GV được hiển thị dưới dạng ký hiệu khoa học để dễ đọc.
Tham chiếu Đơn vị Toàn diện
Đơn vị SI
| Tên Đơn vị | Ký hiệu | Tương đương Volt | Ghi chú Sử dụng |
|---|---|---|---|
| volt | V | 1 V (base) | Đơn vị cơ sở SI; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (chính xác). |
| gigavolt | GV | 1.0 GV | Vật lý năng lượng cao; tia vũ trụ, máy gia tốc hạt. |
| megavolt | MV | 1.0 MV | Sét (~100 MV), máy gia tốc hạt, máy X-quang. |
| kilovolt | kV | 1.0 kV | Truyền tải điện (110-765 kV), phân phối, hệ thống điện áp cao. |
| milivolt | mV | 1.0000 mV | Tín hiệu cảm biến, cặp nhiệt điện, điện sinh học (tín hiệu thần kinh ~70 mV). |
| microvolt | µV | 1.0000 µV | Các phép đo chính xác, tín hiệu EEG/ECG, bộ khuếch đại nhiễu thấp. |
| nanovolt | nV | 1.000e-9 V | Các phép đo siêu nhạy, thiết bị lượng tử, giới hạn nhiễu. |
| picovolt | pV | 1.000e-12 V | Điện tử lượng tử, mạch siêu dẫn, độ chính xác cực cao. |
| femtovolt | fV | 1.000e-15 V | Các hệ thống lượng tử ít electron, các phép đo giới hạn lý thuyết. |
| attovolt | aV | 1.000e-18 V | Nền nhiễu lượng tử, các thiết bị đơn electron, chỉ dùng trong nghiên cứu. |
Đơn vị Thông thường
| Tên Đơn vị | Ký hiệu | Tương đương Volt | Ghi chú Sử dụng |
|---|---|---|---|
| watt trên ampe | W/A | 1 V (base) | Tương đương với volt: 1 V = 1 W/A từ P = VI. Cho thấy mối quan hệ công suất. |
| joule trên coulomb | J/C | 1 V (base) | Định nghĩa của volt: 1 V = 1 J/C (năng lượng trên mỗi điện tích). Cơ bản. |
Cũ & Khoa học
| Tên Đơn vị | Ký hiệu | Tương đương Volt | Ghi chú Sử dụng |
|---|---|---|---|
| abvolt (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Đơn vị CGS-EMU = 10⁻⁸ V = 10 nV. Đơn vị điện từ lỗi thời. |
| statvolt (ESU) | statV | 299.7925 V | Đơn vị CGS-ESU ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Đơn vị tĩnh điện lỗi thời. |
Câu hỏi Thường gặp
Sự khác biệt giữa điện áp và dòng điện là gì?
Điện áp là áp suất điện (giống như áp lực nước). Dòng điện là tốc độ dòng chảy (giống như dòng nước). Điện áp cao không có nghĩa là dòng điện cao. Bạn có thể có điện áp cao với dòng điện bằng không (mạch hở) hoặc dòng điện cao với điện áp thấp (ngắn mạch qua một dây dẫn).
Tại sao lại sử dụng điện áp cao để truyền tải điện năng?
Tổn thất công suất trong dây dẫn ∝ I² (bình phương dòng điện). Đối với cùng một công suất P = VI, điện áp cao hơn có nghĩa là dòng điện thấp hơn. 765 kV có dòng điện ít hơn 6.375 lần so với 120V cho cùng một công suất → tổn thất ít hơn ~40 triệu lần! Đó là lý do tại sao các đường dây điện sử dụng kV.
Điện áp cao có thể giết bạn ngay cả khi dòng điện thấp không?
Không, chính dòng điện đi qua cơ thể bạn mới giết người, không phải điện áp. Sốc tĩnh điện là 10-30 kV nhưng an toàn (<1 mA). Súng điện: 50 kV nhưng an toàn. Tuy nhiên, điện áp cao có thể ép dòng điện đi qua điện trở (V = IR), vì vậy điện áp cao thường có nghĩa là dòng điện cao. Dòng điện >50 mA qua tim mới gây chết người.
Sự khác biệt giữa điện áp AC và DC là gì?
Điện áp DC (Dòng điện một chiều) có hướng không đổi: pin, USB, tấm pin mặt trời. Điện áp AC (Dòng điện xoay chiều) đảo chiều: ổ cắm tường (50/60 Hz). Điện áp RMS (120V, 230V) là tương đương DC hiệu dụng. Hầu hết các thiết bị sử dụng DC bên trong (bộ chuyển đổi AC chuyển đổi).
Tại sao các quốc gia sử dụng các điện áp khác nhau (120V so với 230V)?
Lý do lịch sử. Hoa Kỳ đã chọn 110V vào những năm 1880 (an toàn hơn, cần ít cách điện hơn). Châu Âu sau này đã tiêu chuẩn hóa ở mức 220-240V (hiệu quả hơn, ít đồng hơn). Cả hai đều hoạt động tốt. Điện áp cao hơn = dòng điện thấp hơn cho cùng một công suất = dây mỏng hơn. Một sự đánh đổi giữa an toàn và hiệu quả.
Bạn có thể cộng các điện áp lại với nhau không?
Có, nối tiếp: các pin nối tiếp cộng điện áp của chúng lại (1.5V + 1.5V = 3V). Song song: điện áp không đổi (1.5V + 1.5V = 1.5V, nhưng dung lượng gấp đôi). Định luật Điện áp của Kirchhoff: các điện áp trong bất kỳ vòng nào cũng có tổng bằng không (sự tăng bằng sự giảm).
Danh Mục Công Cụ Toàn Diện
Tất cả 71 công cụ có sẵn trên UNITS