ولتاژ چیست؟ (تعریف، فرمول و نحوه اندازهگیری اختلاف پتانسیل)
نکات کلیدی:
تعریف ولتاژ: ولتاژ به عنوان اختلاف انرژی پتانسیل به ازای واحد بار بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی تعریف میشود.
درک از طریق قیاس: ولتاژ را میتوان به فشار آب در یک سیستم هیدرولیک تشبیه کرد، جایی که فشار بالاتر، آب را از طریق لولهها به جلو میراند، مشابه ولتاژی که الکترونها را از طریق یک مدار به جلو میراند.
واحدهای اندازهگیری: واحد استاندارد ولتاژ، ولت است که با نماد V نشان داده میشود و انرژی به ازای واحد بار را کمّی میکند.
کاربرد قانون اهم: ولتاژ در قانون اهم بسیار مهم است، که به عنوان حاصلضرب جریان و مقاومت محاسبه میشود و به تعیین اختلاف پتانسیل در مدارها کمک میکند.
اندازهگیری عملی: برای اندازهگیری ولتاژ، از ابزارهایی مانند ولتمتر یا مولتیمتر استفاده میشود که به صورت موازی با عنصر مدار متصل میشوند تا اختلاف پتانسیل را به طور دقیق ارزیابی کنند.
ولتاژ چیست؟
ولتاژ (که با نامهای اختلاف پتانسیل الکتریکی، نیروی محرکه الکتریکی، فشار الکتریکی یا تنش الکتریکی نیز شناخته میشود) به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی بر واحد بار بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی تعریف میشود. ولتاژ به صورت ریاضی (یعنی در فرمولها) با استفاده از نماد "V" یا "E" بیان میشود.
در یک میدان الکتریکی ساکن، کار مورد نیاز برای جابجایی هر واحد بار بین دو نقطه، ولتاژ نامیده میشود. از نظر ریاضی، ولتاژ را میتوان به صورت زیر بیان کرد:

که در آن کار انجام شده بر حسب ژول و بار بر حسب کولن است.

ما میتوانیم ولتاژ را به عنوان مقدار انرژی پتانسیل بین دو نقطه در یک مدار تعریف کنیم.
یک نقطه پتانسیل بالاتری دارد و نقاط دیگر پتانسیل کمتری دارند. تفاوت بار بین پتانسیل بالاتر و پتانسیل پایینتر، ولتاژ یا اختلاف پتانسیل نامیده میشود.
ولتاژ با ایجاد اختلاف پتانسیل، جریان الکترونها را در یک مدار هدایت میکند.
هرچه ولتاژ بالاتر باشد، نیرو بیشتر است و از این رو الکترونهای بیشتری از مدار عبور میکنند. بدون ولتاژ یا اختلاف پتانسیل، الکترونها به طور تصادفی در فضای آزاد حرکت میکنند.
ولتاژ گاهی اوقات به عنوان "کشش الکتریکی" نیز شناخته میشود. به عنوان مثال، کابلها بر اساس ظرفیت ولتاژشان طبقهبندی میشوند. به عنوان مثال، کابلهای ۱ کیلوولت، ۱۱ کیلوولت و ۳۳ کیلوولت به ترتیب به عنوان کابلهای فشار ضعیف، فشار قوی و فشار فوقالعاده شناخته میشوند.
تعریف اختلاف پتانسیل به عنوان پتانسیل میدان الکتریکی
همانطور که گفته شد، ولتاژ به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی به ازای واحد بار بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی تعریف میشود. اجازه دهید این را با استفاده از معادلات توصیف کنیم.
دو نقطه A و B را در نظر بگیرید.
پتانسیل نقطه A نسبت به نقطه B به عنوان کار انجام شده در جابجایی یک واحد بار از نقطه A به B در حضور میدان الکتریکی E تعریف میشود.
از نظر ریاضی، این را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
این همچنین یک اختلاف پتانسیل بین نقاط A و B است که نقطه B به عنوان نقطه مرجع در نظر گرفته شده است. همچنین میتوان آن را به صورت زیر بیان کرد:
درک مفهوم ولتاژ میتواند چالشبرانگیز باشد.
بنابراین، ما از یک قیاس با چیزی ملموس - چیزی در دنیای واقعی - استفاده خواهیم کرد تا درک ولتاژ را آسانتر کنیم.
درک ولتاژ به صورت قیاسی
«تشبیه هیدرولیک» یک تشبیه رایج است که برای کمک به توضیح ولتاژ استفاده میشود.
در تشبیه هیدرولیک:
-
ولتاژ یا پتانسیل الکتریکی معادل فشار آب هیدرولیک است.
-
-
جریان الکتریکی معادل سرعت جریان آب هیدرولیک است.
-
-
بار الکتریکی معادل مقدار آب است.
-
-
یک رسانای الکتریکی معادل یک لوله است.
قیاس ۱
مخزن آبی را مطابق شکل زیر در نظر بگیرید. شکل (الف) دو مخزن پر از آب با سطح آب یکسان را نشان میدهد. بنابراین، آب نمیتواند از یک مخزن به مخزن دیگر جریان یابد زیرا اختلاف فشاری وجود ندارد.
قیاس هیدرولیک 1
در شکل (ب)، دو مخزن دارای سطوح آب متفاوتی هستند که باعث ایجاد اختلاف فشار میشود و باعث میشود آب از یک مخزن به مخزن دیگر جریان یابد تا زمانی که سطوح آب برابر شوند.
به طور مشابه، اگر دو باتری را از طریق سیم رسانا با سطوح ولتاژ مختلف به هم متصل کنیم، بارها میتوانند از باتری با پتانسیل بالاتر به باتری با پتانسیل پایینتر جریان یابند. در نتیجه، باتری با پتانسیل پایینتر شارژ میشود تا زمانی که هر دو باتری به پتانسیل یکسانی برسند.
قیاس ۲
یک مخزن آب را در نظر بگیرید که در ارتفاع مشخصی از سطح زمین قرار دارد. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، یک شلنگ در پایین مخزن وجود دارد.
قیاس هیدرولیک 2
فشار آب در انتهای شلنگ معادل ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در یک مدار الکتریکی است. آب موجود در مخزن معادل بار الکتریکی است. حال اگر مقدار آب موجود در مخزن را افزایش دهیم، فشار بیشتری در انتهای شلنگ ایجاد میشود.
برعکس، اگر مقدار مشخصی از آب را از مخزن تخلیه کنیم، فشار ایجاد شده در انتهای شلنگ کاهش مییابد. میتوانیم فرض کنیم که این مخزن آب مانند یک باتری ذخیره است. وقتی ولتاژ باتری کاهش مییابد، لامپها کمنورتر میشوند.
قیاس 3
بیایید بفهمیم که چگونه میتوان با ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در یک مدار الکتریکی، کار انجام داد. یک قیاس ساده بین مدار آب هیدرولیک و مدار الکتریکی در شکل زیر نشان داده شده است.
قیاس کاری مدار هیدرولیک و الکتریکی
همانطور که در مدار آب هیدرولیک نشان داده شده است، آب از طریق لولهای که توسط یک پمپ مکانیکی به حرکت در میآید، جریان مییابد. یک لوله معادل سیم رسانا در یک مدار الکتریکی است.
حال، اگر یک پمپ مکانیکی اختلاف فشار بین دو نقطه ایجاد کند، آب تحت فشار قادر به انجام کار خواهد بود، مانند چرخاندن یک توربین.
به طور مشابه، در یک مدار الکتریکی، اختلاف پتانسیل یک باتری میتواند باعث جریان یافتن جریان از طریق رسانا شود، بنابراین میتوان با جریان یافتن جریان الکتریکی، مانند روشن کردن لامپ، کار انجام داد.
ولتاژ با چه واحدی اندازهگیری میشود (واحدهای ولتاژ)؟
واحد ولتاژ در سیستم SI
واحد SI برای ولتاژ، ولت است. این واحد با V نمایش داده میشود. ولت یک واحد SI مشتق شده از ولتاژ است. فیزیکدان ایتالیایی، آلساندرو ولتا (1745-1827)، که پیل ولتایی را اختراع کرد، که اولین باتری الکتریکی بود، از این رو، واحد ولت به افتخار آنها نامگذاری شده است.
ولت در واحدهای پایه SI
ولت را میتوان به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار الکتریکی تعریف کرد که به ازای هر کولن بار عبوری از مدار الکتریکی، یک ژول انرژی تلف میکند. از نظر ریاضی، میتوان آن را به صورت زیر بیان کرد:
بنابراین، ولت را میتوان بر حسب واحدهای پایه SI به صورت زیر بیان کرد:

یا

همچنین میتوان آن را بر حسب وات بر آمپر یا آمپر ضربدر اهم اندازهگیری کرد.
فرمول ولتاژ
فرمول پایه برای ولتاژ در تصویر زیر نشان داده شده است.
مثلث فرمول ولتاژ
فرمول ولتاژ ۱ (قانون اهم)
طبق قانون اهم، ولتاژ را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
مثال ۱
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، جریان ۴ آمپر از مقاومت ۱۵ اهم عبور میکند. افت ولتاژ در مدار را تعیین کنید.
راه حل:
اطلاعات داده شده:
, 
طبق قانون اهم:

بنابراین، با استفاده از معادله، افت ولتاژ در مدار ۶۰ ولت به دست میآید.
فرمول ولتاژ ۲ (توان و جریان)
توان منتقل شده حاصلضرب ولتاژ منبع تغذیه و جریان الکتریکی است.
حال

را در معادله بالا قرار می دهیم، که داریم:
بنابراین، ولتاژ برابر است با توان تقسیم بر جریان. از نظر ریاضی،
مثال ۲
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، جریان ۲ آمپر از لامپی با توان ۴۸ وات عبور میکند. ولتاژ تغذیه را تعیین کنید.
راه حل:
دادههای داده شده:
, 
طبق فرمول بین ولتاژ، توان و جریان که در بالا ذکر شد،
بنابراین، با استفاده از معادله، ولتاژ تغذیه ۲۴ ولت را بدست میآوریم.
فرمول ولتاژ ۳ (توان و مقاومت)
طبق معادله (1)، ولتاژ جذر حاصلضرب توان در مقاومت است. از نظر ریاضی،
مثال ۳
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، ولتاژ لازم برای روشن کردن یک لامپ ۵ وات با مقاومت جریان ۲ اهم را تعیین کنید.
راه حل:
دادههای داده شده:

,

طبق فرمولی که در بالا ذکر شد،
بنابراین، با استفاده از معادله، ولتاژ لازم برای روشن شدن لامپ ۵ وات، با مقاومت 2 اهم، یعنی ۳.۱۶ ولت را بدست میآوریم.
نماد مدار ولتاژ (AC و DC)
نماد ولتاژ AC
نماد ولتاژ AC (جریان متناوب) در زیر نشان داده شده است:
نماد ولتاژ AC
نماد ولتاژ DC
نماد ولتاژ DC (جریان مستقیم) در زیر نشان داده شده است:

نماد ولتاژ DC
ابعاد ولتاژ
ولتاژ (V) نمایانگر انرژی پتانسیل الکتریکی در واحد بار است.
ابعاد ولتاژ را میتوان بر حسب جرم (M)، طول (L)، زمان (T) و آمپر (A) بیان کرد، همانطور که در رابطه زیر داده شده است.



نحوه اندازهگیری ولتاژ
در یک مدار الکتریکی و الکترونیکی، اندازهگیری ولتاژ یک پارامتر ضروری است که باید اندازهگیری شود. ما میتوانیم ولتاژ بین یک نقطه خاص و زمین یا خط صفر ولت را در یک مدار اندازهگیری کنیم.
در یک مدار سه فاز، اگر ولتاژ بین هر یک از فازها را از نقطه سه فاز و نول اندازهگیری کنیم، به عنوان ولتاژ خط به زمین شناخته میشود.
به طور مشابه، اگر ولتاژ بین هر دو فاز را از سه فاز اندازهگیری کنیم، به عنوان ولتاژ خط به خط شناخته میشود.
ابزارهای مختلفی برای اندازهگیری ولتاژ استفاده میشود. بیایید در مورد هر روش بحث کنیم.
روش ولتمتر
ولتاژ بین دو نقطه در یک سیستم را میتوان با استفاده از ولتمتر اندازهگیری کرد. برای اندازهگیری ولتاژ، ولتمتر باید به صورت موازی با قطعهای که ولتاژ آن اندازهگیری میشود، متصل شود.
یک سر ولتمتر باید به نقطه اول و یکی به نقطه دوم متصل شود. توجه داشته باشید که ولتمتر هرگز نباید به صورت سری متصل شود.
ولتمتر همچنین میتواند برای اندازهگیری افت ولتاژ در هر قطعه یا مجموع افت ولتاژ در دو یا چند قطعه در یک مدار استفاده شود. تصویر زیر اتصال ولتمتر را برای اندازهگیری ولتاژ در مقاومت نشان میدهد.

اتصال ولتاژ برای اندازهگیری ولتاژ دو سر مقاومت
یک ولتمتر آنالوگ با اندازهگیری جریان عبوری از یک مقاومت ثابت کار میکند. حال، طبق قانون اهم، جریان عبوری از مقاومت مستقیماً با ولتاژ یا اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت ثابت متناسب است. بنابراین، میتوانیم ولتاژ مجهول را تعیین کنیم.
مثال دیگری از اتصال ولتمتر برای اندازهگیری ولتاژ دو سر یک باتری ۹ ولتی در شکل زیر نشان داده شده است:
اتصال ولتمتر برای اندازهگیری ولتاژ باتری
روش مولتیمتر
در حال حاضر، یکی از رایجترین روشها برای اندازهگیری ولتاژ، استفاده از مولتیمتر است. مولتیمتر میتواند آنالوگ یا دیجیتال باشد، اما مولتیمترهای دیجیتال به دلیل دقت بالاتر و هزینه کمتر، بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند.
ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در هر وسیلهای را میتوان به سادگی با اتصال پرابهای مولتیمتر به دو نقطهای که قرار است ولتاژ اندازهگیری شود، اندازهگیری کرد. اندازهگیری ولتاژ باتری با استفاده از مولتیمتر در تصویر زیر نشان داده شده است.
اتصال مولتیمتر برای اندازهگیری ولتاژ باتری
روش پتانسیومتر
پتانسیومتر بر اساس اصل تکنیک تعادل نول کار میکند. این روش ولتاژ را با مقایسه یک ولتاژ ناشناخته با ولتاژ مرجع شناخته شده اندازهگیری میکند. مدار پتانسیومتر برای اندازهگیری ولتاژ در شکل زیر نشان داده شده است.

مدار پتانسیومتر برای اندازهگیری ولتاژ مجهول
ابزارهای دیگری مانند اسیلوسکوپ، ولتمتر الکترواستاتیک نیز میتوانند برای اندازهگیری ولتاژ استفاده شوند.
تفاوت بین ولتاژ و جریان (ولتاژ در مقابل جریان)
تفاوت اصلی بین ولتاژ و جریان این است که ولتاژ اختلاف پتانسیل بارهای الکتریکی بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است، در حالی که جریان، شارش بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر در یک میدان الکتریکی است.
به سادگی میتوان گفت که ولتاژ علت شارش جریان است در حالی که جریان معلول ولتاژ است.
هرچه ولتاژ بالاتر باشد، جریان بیشتری بین دو نقطه جاری میشود. توجه داشته باشید که اگر دو نقطه در یک مدار پتانسیل یکسانی داشته باشند، جریان نمیتواند بین آن نقاط جاری شود. بزرگی ولتاژ و جریان به یکدیگر بستگی دارد (طبق قانون اهم).
ولتاژ
|
جریان |
ولتاژ، اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است.
|
جریان، شارش بارها بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است. |
نماد ولتاژ V یا ΔV یا E است.
|
نماد جریان I است. |
|
واحد جریان در سیستم SI، آمپر یا آمپر است.
|
ولتاژ را میتوان با استفاده از ولتمتر اندازهگیری کرد.
|
جریان را میتوان با استفاده از آمپرمتر اندازهگیری کرد. |

|
 |

|

|
در مدار موازی، مقدار ولتاژ ثابت میماند.
|
در مدار سری، اندازه جریان ثابت میماند. |
ولتاژ یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد میکند.
|
جریان یک میدان الکترواستاتیکی در اطراف خود ایجاد میکند. |
ابعاد ولتاژ برابر است با

|
ابعاد جریان برابر است با

|
در قیاس هیدرولیک، پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ معادل فشار آب هیدرولیک است.
|
در قیاس هیدرولیکی، جریان الکتریکی معادل سرعت جریان آب هیدرولیکی است. |
ولتاژ عامل ایجاد جریان در مدار است.
|
جریان الکتریکی نتیجهی ولتاژ است. |
تفاوت بین ولتاژ و جریان
تفاوت بین ولتاژ و اختلاف پتانسیل (ولتاژ در مقابل اختلاف پتانسیل)
تفاوت زیادی بین ولتاژ و اختلاف پتانسیل وجود ندارد. اما میتوانیم تفاوت بین آنها را به روشهای زیر توصیف کنیم.
ولتاژ مقدار انرژی مورد نیاز برای جابجایی یک واحد بار بین دو نقطه است در حالی که اختلاف پتانسیل، تفاوت بین پتانسیل بالاتر یک نقطه و پتانسیل پایینتر نقطه دیگر است.
با توجه به شارژ نقطه ای:
ولتاژ، پتانسیلی است که در یک نقطه با در نظر گرفتن نقطه مرجع دیگر در بینهایت به دست میآید. در حالی که اختلاف پتانسیل، اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در فواصل محدود از بار است. از نظر ریاضی، آنها را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
ولتاژ مشترک چیست؟
ولتاژ مشترک به عنوان سطح ولتاژ معمول یا درجهبندی دستگاه یا تجهیزات الکتریکی تعریف میشود.
فهرستی از ولتاژهای مشترک برای دستگاهها یا تجهیزات الکتریکی مختلف در زیر فهرست شده است.
-
باتریهای سرب-اسید مورد استفاده در خودروهای الکتریکی: ۱۲ ولت DC. باتری ۱۲ ولت از ۶ سلول تشکیل شده است که ولتاژ مشترک هر سلول ۲.۱ ولت است. توجه داشته باشید که سلولها برای افزایش ولتاژ به صورت سری به هم متصل میشوند.
-
سلولهای خورشیدی: معمولاً در شرایط مدار باز ولتاژی در حدود ۰.۵ ولت DC تولید میکنند. با این حال، چندین سلول خورشیدی اغلب به صورت سری به هم متصل میشوند تا پنلهای خورشیدی تشکیل دهند که میتوانند ولتاژ کل بالاتری را تولید کنند.
-
خط انتقال برق ولتاژ بالا: ۱۱۰ کیلوولت تا ۱۲۰۰ کیلوولت AC
-
خطوط برق قطارهای پرسرعت (کششی): ۱۲ کیلوولت و ۵۰ کیلوولت AC یا ۰.۷۵ کیلوولت و ۳ کیلوولت DC
-
منبع تغذیه (TTL/CMOS): 5 ولت
-
یک باتری نیکل-کادمیوم قابل شارژ تک سلولی: ۱.۲ ولت
-
باتریهای چراغ قوه: ۱.۵ ولت DC
ولتاژهای رایجی که توسط شرکت توزیع به مصرفکنندگان خانگی ارائه میشود عبارتند از:
۱۰۰ ولت، تک فاز AC در ژاپن
۱۲۰ ولت، تک فاز AC در آمریکا
۲۳۰ ولت، تک فاز AC در هند و استرالیا
ولتاژهای رایجی که توسط شرکت توزیع به مصرفکنندگان صنعتی ارائه میشود عبارتند از:
۲۰۰ ولت، سه فاز AC در ژاپن
۴۸۰ ولت، سه فاز AC در آمریکا
۴۱۵ ولت، سه فاز AC در هند
کاربردهای ولتاژ
برخی از کاربردهای ولتاژ عبارتند از:
یکی از رایجترین کاربردهای ولتاژ، تعیین افت ولتاژ در یک دستگاه یا تجهیزات الکتریکی مانند مقاومت است.
اضافه کردن ولتاژ برای افزایش ولتاژ نامی مورد نیاز است. از این رو، سلولها به صورت سری به هم متصل میشوند تا ولتاژ نامی را افزایش دهند.
ولتاژ منبع انرژی اصلی هر قطعه از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی است. از ولتاژهای کوچک (5 ولت) تا ولتاژهای بالا (415 ولت) در کاربردهای مختلف استفاده میشوند.
ولتاژ پایین معمولاً برای بسیاری از تجهیزات الکترونیکی و کاربردهای کنترلی استفاده میشود.
ولتاژ بالا برای:
-
برای آزمایش تجهیزات الکتریکی
-
چاپ الکترواستاتیک، نقاشی الکترواستاتیک، پوشش الکترواستاتیک مواد
-
مطالعه کیهانشناسی فضا
-
رسوبگر الکترواستاتیک (کنترل آلودگی هوا)
-
آزمایشگاه پیشرانش جت
-
لامپهای اشعه ایکس
-
لامپهای خلاء تقویتکننده توان بالا
-
طیفسنجی جرمی
-
آزمایش دیالکتریک
-
آزمایش مواد غذایی و آشامیدنی
-
کاربردهای اسپری و ریسندگی الکتریکی، الکتروفتوگرافی
-
کاربرد مبتنی بر پلاسما
-
حسگر سطح
-
گرمایش القایی
-
لامپهای فلش
-
سونار
منبع: www.electrical4u.com