علوم پایه, فیزیک 565 بازدید

در این مطلب در مورد وات صحبت می‌کنیم. در حقیقت وات یکی از واحدهای اندازه‌گیری در الکتریسیته است که در این نوشتار قصد داریم با جزئیات بیشتری آن را مطالعه و بررسی کنیم. بدین منظور ابتدا به معرفی واحدهای مختلف اندازه‌گیری در الکتریسیته می‌پردازیم و سپس تفاوت این واحدها را با یکدیگر بیان می‌کنیم.

مدار الکتریکی چیست؟

مدار الکتریکی مسیر انتقال جریان الکتریکی است. مدار الکتریکی شامل دستگاهی است که به ذرات باردار تشکیل دهنده جریان، مانند باتری یا ژنراتور انرژی می‌دهد. دستگاه‌هایی که از جریان استفاده می‌کنند مانند لامپ‌ها، موتورهای الکتریکی یا رایانه‌ها و سیمهای متصل یا خطوط انتقال از دو قانون اساسی که به طور ریاضی عملکرد مدارهای الکتریکی را توصیف می‌کنند یعنی قانون اهم و قوانین کیرشهف پیروی می‌کنند.

مدار الکتریکی
تصویر 1: یک مدار الکتریکی ساده

مدارهای الکتریکی به چندین روش طبقه بندی می‌شوند. یک مدار جریان مستقیم جریانی را توصیف می‌کند که فقط در یک جهت جریان دارد. در حالی که یک مدار جریان متناوب جریانی را توصیف می‌کند که مانند اکثر مدارهای خانگی در هر ثانیه بارها عقب و جلو می‌رود. برای آشنایی بیشتر با مدار الکتریکی سری و موازی مطالب مدار متوالی یا مدار سری چیست؟ و مدار موازی چیست؟ را در مجله فرادرس بخوانید.

یک مدار سری شامل مسیری است که کل جریان آن از طریق هر جز جریان دارد. یک مدار موازی شاخه‌هایی را تشکیل می‌دهد به طوری که جریان تقسیم می‌شود و فقط بخشی از آن از طریق هر شاخه جریان می‌یابد. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در هر شاخه مدار موازی یکسان است، اما ممکن است جریان‌ها متفاوت باشند. به عنوان مثال در یک مدار الکتریکی خانگی ولتاژ یکسانی در هر لامپ یا دستگاه اعمال می‌شود اما هر یک از این بارها با توجه به نیاز برق خود مقدار متفاوتی از جریان را می‌کشند. تعدادی از باتری‌های مشابه که به طور موازی به هم متصل هستند جریان بیشتری نسبت به یک باتری فراهم می‌کنند اما ولتاژ برابر با همان ولتاژ یک باتری است.

شبکه ترانزیستورها، ترانسفورماتورها، خازن‌ها، سیم‌های اتصال دهنده و سایر قطعات الکترونیکی در یک دستگاه واحد مانند رادیو نیز یک مدار الکتریکی هستند. چنین مدارهای پیچیده‌ای ممکن است از یک یا چند شاخه در ترکیب آرایش‌های سری و موازی تشکیل شده باشد.

ولت، آمپر، اهم و وات به چه معنا هستند؟

واحدهای استاندارد اندازه‌گیری توسط یک سازمان رسمی اعلام و ایجاد می‌شود که وظیفه استاندارد سازی وزن و اندازه گیری‌های بین المللی را دارد. این سازمان اطمینان حاصل می‌کند که کل جهان از یک استاندارد برای وزن و اندازه‌گیری استفاده می‌کنند. این سازمان فرانسوی دفتر بین المللی وزن و اندازه‌گیری یا مخفف آن BIPM نام دارد. تعاریف موجود در این مطلب از تعاریف رسمی است که می‌توان در سیستم بین المللی واحدهای BIPM یا SI یافت. منابع و پیوندها برای هر اصطلاح تعریف شده شامل اطلاعات ارائه شده توسط BIPM است. برای آشنایی بیشتر با واحدهای SI مطلب یکا چیست؟ — هرآنچه باید بدانید را در مجله فرادرس بخوانید.

ولت چیست؟

ولت یک واحد پتانسیل الکتریکی است که به آن نیروی الکتریکی نیز گفته می‌شود و اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از یک سیم رسانا را که جریان ثابت 1 آمپر را هنگامی که توان تلف شده بین این نقاط برابر با 1 وات باشد، نشان می‌دهد. به بیان دیگر، پتانسیل یک ولت در برابر مقاومت یک اهم، هنگامی که جریان یک آمپر از آن مقاومت عبور می‌کند، ظاهر می‌شود. ولتاژ را می‌توان بر حسب واحد پایه SI بیان کرد و داریم، یک ولت برابر با 1 کیلوگرم در متر مربع در معکوس مکعب ثانیه در معکوس آمپر است.

$$1\ V=1\ kg \times m^2 \times s^{-3} \times A^{-1}$$

همچنین داریم:

$$\large V=\frac{potential\ energy}{charge}=\frac{N.m}{coulomb}=\frac{kg.m.m}{s^2.A.s}=\frac{kg.m^2}{s^3.A}$$

ولتاژ چیست؟

ولتاژ (V) پتانسیل حرکت انرژی است و رفتاری مشابه فشار آب دارد. مشخصات ولتاژ مانند جریان آب در لوله‌ها است و گاهی به عنوان جریان آب در لوله نیز شبیه سازی می‌شود. گاهی اوقات برای توضیح مدارهای الکتریکی آن‌ها را با سیستم بسته لوله‌های پر از آب یا مدار آب که تحت فشار پمپ است، تعریف می‌کنیم. این موضوع در شکل زیر به صورت شماتیک نمایش داده شده است.

شبیه سازی مدار الکتریکی و لوله‌های جریان آب
تصویر 2: شبیه سازی مدار الکتریکی و لوله‌های جریان آب

جریان (I) یک سرعت جریان است و با آمپر (A) اندازه‌گیری می‌شود. اهم (R) واحد اندازه‌گیری مقاومت است و مشابه اندازه لوله آب است. جریان متناسب با قطر لوله یا مقدار آب جاری در آن فشار است.

ولتاژ بیان انرژی موجود در واحد بار است که جریان الکتریکی را در اطراف یک مدار بسته در یک مدار الکتریکی جریان مستقیم (DC) هدایت می‌کند. افزایش مقاومت که قابل مقایسه با کاهش اندازه لوله در مدار آب است به طور متناسب جریان یا جریان آب در مدار آب را که از طریق مدار توسط ولتاژ هدایت می شود و قابل مقایسه با فشار هیدرولیک در یک مدار آب است را کاهش می‌دهد.

رابطه بین ولتاژ و جریان (در دستگاه‌های اهمی مانند مقاومت‌ها) توسط قانون اهم تعریف شده است. قانون اهم مشابه با معادله «هاگن-پوزویل» (Hagen–Poiseuille) است زیرا هر دو مدل خطی مربوط به شار و پتانسیل در سیستم‌های مربوطه هستند. همان طور که پیش‌تر نیز گفتیم جریان الکتریکی (I) یک سرعت جریان است و با آمپر (A) اندازه‌گیری می‌شود و اهم (R) اندازه مقاومت است و با اندازه لوله آب قابل مقایسه است.

آمپ چیست؟

آمپ مخفف آمپر، واحدی برای جریان الکتریکی است که در SI با اندازه‌گیری نیروی الکترومغناطیسی بین هادی‌های الکتریکی حامل جریان الکتریکی از نظر سایر واحدهای پایه تعریف می‌شود. آمپر مقدار جریان ثابتی است که اگر دو رسانای موازی مستقیم به طول بی نهایت و با سطح مقطع دایره‌ای ناچیز در خلاء به فاصله یک متر از هم قرار گیرند بین این هادی‌ها نیرویی برابر با $$2 \times 10^{-7}$$ نیوتن در هر متر طول وارد می‌شود.

نیروی میان دو سیم رسانای حامل جریان
تصویر 3: نیروی میان دو سیم رسانای حامل جریان

آمپراژ چیست؟

آمپراژ قدرت یک جریان الکتریسیته است که با آمپر بیان می‌شود.

اهم چیست؟

اهم یک واحد از مدار الکتریکی است که به عنوان مقاومت الکتریکی بین دو نقطه از یک هادی زمانی که اختلاف پتانسیل ثابت یک ولت بر این نقاط اعمال شود تعریف می‌شود که جریان یک آمپر را در هادی تولید می‌کند. یک اهم برابر است با:

$$\large \Omega=\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{A}}=\frac{1}{\mathrm{~S}}=\frac{\mathrm{W}}{\mathrm{A}^{2}}=\frac{\mathrm{V}^{2}}{\mathrm{~W}}=\frac{\mathrm{s}}{\mathrm{F}}=\frac{\mathrm{J} \cdot \mathrm{s}}{\mathrm{C}^{2}}=\frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^{2}}{\mathrm{~s} \cdot \mathrm{C}^{2}}=\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{s} \cdot \mathrm{A}^{2}}=\frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^{2}}{\mathrm{~s}^{3} \cdot \mathrm{A}^{2}}$$

وات چیست؟

وات واحد اندازه گیری قدرت است. یک وات (W) نرخ انجام کار زمانی است که یک آمپر (A) جریان از طریق اختلاف پتانسیل الکتریکی یک ولت (V) شارش می‌کند. یک وات را می‌توان به صورت زیر فرمول نویسی کرد.

$$\large 1 W=1 V.A$$

تفاوت وات و کیلووات ساعت چیست؟

تفاوت بین این دو کمیت بسیار ساده است اما بسیاری از افراد این دو کمیت را به خوبی از هم تشخیص نمی‌دهند که در این بخش این تفاوت‌ها را بررسی می‌کنیم.

تفاوت میان وات و کیلووات ساعت

وات (W)

وات (W) واحد اندازه‌گیری توان است، بنابراین وات به قدرت دستگاه شما اشاره دارد. مثال‌های مربوط به وات به شرح زیر هستند:

  • یک لامپ رشته‌ای توانی برابر با 60 وات دارد.
  • مایکروویو شما حداکثر توان 900 وات را دارد.

وات شکل‌های متفاوت و زیادی دارد که عبارت از کیلووات، مگاوات و غیره هستند. وات قدرت الکتریکی یک دستگاه را اندازه‌گیری می‌کند خواه این دستگاه موتور باشد یا دیگ بخار یا یک اجاق چوب. امروز این اطلاعات در توضیحات فنی همه لوازم برقی وجود دارد. هرچه یک دستگاه قدرت بیشتری داشته باشد عدد وات آن نیز بیشتر است.

تبدیل واحد در وات:

  • 1 کیلووات (kW) = 1000 وات (W)
  • 1 مگاوات (MW) = 1000 کیلووات (kW)
  • 1 گیگاوات (GW) = 1000 مگاوات (MW)

در اینجا لیستی از لوازم خانگی آشپزخانه با توان (به وات) و میزان مصرف (در کیلووات ساعت) آورده شده است. این هزینه‌ها مربوط به خانواده‌ای در بروکسل است.

نام دستگاه توان مدت استفاده  مصرف در سال/هزینه
یخچال و فریزر $$A+$$ 365 روز پیوسته 150-190 کیلووات ساعت/ 37/50 یورو
یخچال و فریزر $$C$$ 365 روز پیوسته 500 کیلووات ساعت/ 125 یورو
ماشین ظرفشویی قدرتمند $$A+++$$ 48 هفته/ 5 بار در هفته  220 کیلووات ساعت/ 55 یورو
ماشین ظرفشویی عادی $$C$$ 240 بار در سال  380 کیلووات ساعت/ 95 یورو
دستگاه قهوه ساز $$1000\ W$$ 5 دقیقه روزانه  30 کیلووات ساعت/ 7/5 یورو
هود آشپزخانه $$E$$ 40 دقیقه روزانه  25 کیلووات ساعت/ 6/25 یورو
هود آشپزخانه قدرتمند $$A$$ 40 دقیقه روزانه  15 کیلووات ساعت/ 3/75 یورو
مایکروویو $$1000\ W$$ 48 هفته/ 1/5 ساعت در هفته  60 کیلووات ساعت/ 15 یورو
فر برقی $$3000\ W$$ 4/5 ساعت در هفته  150 کیلووات ساعت/ 37/5 یورو
اجاق سرامیکی و برقی $$2000\ W$$ دو شعله/ ا وعده روزانه  260 کیلووات ساعت/ 65 یورو
اجاق همرفتی و برقی $$2500\ W$$ دو شعله/ ا وعده روزانه  210 کیلووات ساعت/ 52/5 یورو
اجاق گاز چدنی $$2500\ W$$ دو شعله/ ا وعده روزانه  360 کیلووات ساعت/ 90 یورو

برای محاسبه میزان مصرف یک وسیله برقی چه باید کرد؟

برای محاسبه میزان مصرف یک وسیله برقی به کیلووات ساعت باید سه فاکتور زیر را مد نظر قرار داد:

  1. توان وسیله برقی که بر حسب وات بیان می‌شود.
  2. مدت زمانی که وسیله برقی در یک روز کار می‌کند.
  3. تعداد روزهایی که وسیله برقی در سال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با توجه به این سه فاکتور داریم:

تعداد ساعت‌های استفاده در تعداد روزهای استفاده در توان دستگاه به وات تقسیم بر هزار برابر با مقدار بر حسب کیلووات ساعت است. مثلاً میزان استفاده برق یک زنگ هشدار رادیو که هر روز به مدت 24 ساعت روشن بوده و توان آن 10 وات است برابر با $$24 \times 365 \times \frac{10}{1000}$$ و برابر با 87/6 کیلووات ساعت است.

کیلووات ساعت (kWh) چیست؟

کیلووات ساعت (kWh) واحد اندازه‌گیری انرژی است. بنابراین یک کیلووات ساعت به مصرف دستگاه شما اشاره دارد. یک کیلووات ساعت (kWh) انرژی مصرف شده توسط دستگاه الکتریکی 1000 وات یا 1 کیلوواتی است که به مدت 1 ساعت کار می‌کند. به عنوان مثال داریم:

  • یک لامپ 60 وات که به مدت یک ساعت روشن است، 60 وات ساعت یا 0/06 کیلووات ساعت مصرف داشته است.
  • اجاق مایکروویو 900 وات که به مدت 5 دقیقه کار می‌کند، 75 وات ساعت یا 0/075 کیلووات ساعت مصرف داشته است.

تبدیل واحد بر حسب کیلووات ساعت:

1 کیلووات ساعت (kWh) = 1000 وات ساعت (Wh)
1 مگاوات ساعت (MWh) = 1000 کیلووات ساعت (kWh)
1 گیگاوات ساعت (GWh) = 1000 مگاوات ساعت (MWh)

وات و کیلووات ساعت نام خود را از جیمز وات مهندس اسکاتلندی متولد سال 1736 گرفته‌اند که موتور بخار را اختراع کرد.

قانون وات چیست؟

قانون وات رابطه بین قدرت یا توان، آمپر و افت ولتاژ را در یک مدار الکتریکی تعریف می‌کند. قانون وات همچنین می‌گوید که قدرت مدار الکتریکی حاصل ضرب ولتاژ و جریان آن است. فرمول قانون وات را می‌توان به شرح زیر ارائه داد. این فرمول رابطه بین قدرت (وات)، جریان (آمپر) و ولتاژ (ولت) را به شکل زیر نشان می‌دهد و داریم:

$$\large Power= Voltage \times Current$$

$$\large Voltage= \frac{Power}{Current}$$

$$\large Current= \frac{Power}{Voltage}$$

مثال‌هایی از قانون وات

در ادامه چندین مثال را بررسی می‌کنیم تا قانون وات را بهتر توضیح دهیم.

قانون وات مثال 1

فرض کنید در حال تلاش برای فهمیدن این موضوع هستید که یک دستگاه روشنایی 500 واتی را در چه مداری قرار دهید تا فیوز نپرد.

در ابتدا شما می‌خواهید بدانید که چه مقدار جریان می‌تواند در مدار وجود داشته باشد. در بیشتر خانه‌ها مدارهای 15A وجود دارد و در بیشتر مدارها قطع کننده مدار 20A موجود است. بنابراین کل توان چقدر خواهد بود؟

همان طور که گفتیم وات برابر با ولت در آمپر است. بنابراین در اینجا مقادیر ولتاژ و جریان به صورت 110 ولت و 20 آمپر داده می‌شود و مقدار توان محاسبه شده 2200 وات است. بنابراین هر چیزی که به مدار خود وصل می‌کنیم باید کمتر از 2200 وات باشد، زیرا این تمام توان موجود در این مدار است. بدین ترتیب شما می‌توانید با خیال راحت چهار چراغ 500 واتی یا دو چراغ 1000 واتی را با 200 وات به عنوان حاشیه ایمنی به مدار وصل کنید.

قانون وات مثال 2

اگر ولتاژ لامپ 120 ولت و توان آن 60 وات باشد مقدار جریان چه قدر است؟

در این مثال ولتاژ و قدرت یک لامپ به ترتیب 120 ولت و 60 وات داده شده است. می‌‌دانیم که جریان برابر با توان تقسیم بر ولتاژ است. بنابراین با جایگزینی مقادیر مربوط به لامپ مقدار جریان برابر با 0/5 آمپر خواهد بود.

قانون وات مثال 3

لامپ 100 واتی خانه خود را در نظر بگیرید. می‌دانیم که ولتاژ وارد شده به لامپ معمولاً 110 یا 220 ولت است، در این حالت جریان مصرفی به صورت زیر به دست می‌آید:

$$\large I=\frac{P}{V}=\frac{100\ W}{110\ V}=0.91\ Amps\ or\ I=\frac{P}{V}=\frac{100\ W}{220\ V}=0.45\ Amps$$

در خانه‌ها معمولاً هزینه استفاده برق را بر حسب کیلووات ساعت (kWh) به شما ارائه می‌کنند. یک کیلووات ساعت میزان انرژی مورد نیاز برای انجام 1000 وات انرژی به مدت یک ساعت است.

قانون وات و قانون اهم

قانون وات رابطه بین قدرت، ولتاژ و جریان را بیان می‌کند. قدرت یا توان، سرعت مصرف انرژی است. واحد اندازه گیری توان الکتریکی وات نام دارد که به نام جیمز وات نامگذاری شده است. هرگاه از یک ولت برای انتقال یک آمپر در مدار استفاده شود کار انجام شده برابر با یک وات از توان است.

$$\large P=V \times I$$

با عبور الکترون‌ها از یک مقاومت در مدار الکتریکی، الکترون‌ها با یکدیگر برخورد کرده و اتم‌ها مقاومت را می‌سازند. این برخوردها باعث تولید گرما و از دست رفتن انرژی می‌شود و از این رو یک تغییر در قانون وات به صورت زیر به دست می‌آید:

$$\large P=IR^2$$

حرکت الکترون‌ها یا سایر ذرات از یک رسانا به جریان معروف است. واحد مورد استفاده برای محاسبه این پارامتر آمپر است. نمادی که برای نشان دادن مقادیر این کمیت استفاده می‌شود حرف A است و از I برای نشان دادن جریان در روابط ریاضی می‌توان استفاده کرد.

فشار الکتریکی که باعث حرکت الکترون‌ها یا سایر ذرات در مدار می‌شود به ولتاژ معروف است. واحد مورد استفاده برای محاسبه پارامتر ولتاژ، ولت است و علامت مورد استفاده برای نشان دادن ولت حرف V است.

مقاومت الکتریکی در حقیقت نشان دهنده پایداری برای جلوگیری از عبور جریان در مدار الکتریکی است. مقاومت با اهم اندازه گیری می‌شود و نماد آن با حرف یونانی امگا است. مقاومت مفید است زیرا به ما راهی می‌دهد تا از خود در برابر انرژی مضر برق محافظت کنیم.

قانون اهم رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را بیان می‌کند و می‌توان قانون اهم را به شکل زیر نمایش داد:

وات و قانون اهم
تصویر 4: وات و قانون اهم

برای آشنایی بیشتر با مبانی مدارهای الکتریکی، می‌توانید فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ + کلیک کنید.

مثلث قانون وات

از آنجا که هر دو قانون وات و اهم از مقادیر الکتریکی یکسان یعنی ولتاژ و جریان استفاده می‌کنند، می‌توان این دو قانون را با هم ترکیب کرد و برخی معادلات مفید را بدست آورد. معادله اساسی قانون اهم برای توان یا وات جابه‌جا شده است. این ویژگی ترکیب متفاوتی از کمیت‌ها را ارائه می‌دهد.

سه رابطه برای محاسبه توان الکتریکی در یک مدار وجود دارد. اگر توان محاسبه شده مثبت باشد بدان معنی است که تجهیزات در حال مصرف یا استفاده از برق هستند. اما اگر توان محاسبه شده از نظر مقدار منفی باشد بدین معنی است که این قطعه تولید یا ایجاد نیرو می‌کند.

رابطه توان در یک مدار
تصویر 5: روابط مربوط به وات و توان در یک مدار

کاربردهای قانون وات چه هستند؟

برخی از کاربردهای قانون وات عبارتند از:

  • اگر منبع تغذیه داشته باشید از این فرمول برای اندازه‌گیری توان واقعی که منبع می‌تواند تولید کند استفاده می‌کنید. می‌توانید از این رابطه برای اندازه گیری نیاز به برق فقط برای یک جز استفاده کنید. وقتی جریان و ولتاژ منبع داده می‌شود این مقادیر را می‌توان در هم ضرب کرد.
  • توان مورد نیاز برق یک ساختمان را می‌توان با استفاده از فرمول وات اندازه گیری کرد. در هنگام طراحی سیم کشی ساختمان برآورد کل قدرت مورد نیاز، مهم است. سپس می‌توان از این کمیت برای تعیین اندازه سیم مناسب برای خانه استفاده کرد. همچنین می‌توانید هزینه برق را اندازه‌گیری کنید. نیاز نیروی برق یک ساختمان با اندازه‌گیری و جمع مقدار قدرت هر دستگاه الکتریکی یا بخشی از ساختمان به دست می‌آید.
  • اگر از توان و ولتاژ هر یک از اجزای الکتریکی اطلاع دارید، می‌توانید جریان را با استفاده از فرمول وات اندازه‌گیری کنید ($$I=\frac{P}{V}$$). همچنین زمانی که جریان و توان را در اختیار دارید می‌توانید باز هم با استفاده از فرمول وات، ولتاژ را محاسبه کنید.
  • فرمول‌های به دست آمده از ترکیب قانون وات و اهم را می‌توان برای تعیین مقاومت الکتریکی یک جز نیز به کار برد.

تفاوت میان وات و ولت چیست؟

تفاوت میان وات و ولت

وات به افتخار جیمز وات به عنوان واحد قدرت نامگذاری شده است. از نظر مغناطیسی این کمیت برابر با جریان الکتریکی یک آمپر است که در مداری با ولتاژ 1 ولت شارش می‌کند. ولت یک واحد برای پتانسیل الکتریکی، نیروی الکتریکی و اختلاف پتانسیل الکتریکی است. رابطه بین وات و ولت مستقیم است. این موضوع بدان معنا است که تغییر در مقدار وات یک دستگاه در تغییر مقدار ولت آن دستگاه منعکس خواهد شد.

وات و ولت

در فیزیک رابطه بین وات و ولت را می‌توان به صورت زیر نوشت و داریم:

  • 1 وات = 1 آمپر در 1 ولت
  • 1 ولت = 1 وات بر 1 آمپر

در تعاریف بالا وات اندازه توان یا قدرت یک دستگاه، ولت اندازه پتانسیل الکتریکی دستگاه و آمپر اندازه جریان یک مدار یا یک دستگاه است.

به صورت دیگر باید گفت ولت برابر با اختلاف پتانسیل در دو ترمینال سیم رسانا است در حالی که وات سرعت انجام کار الکتریکی در هنگام عبور جریان یک آمپر از اختلاف پتانسیل یک ولت است. رابطه بین وات و ولت متناسب و مستقیم است این موضوع بدان معنا است که:

  • وقتی توان الکتریکی بر حسب وات افزایش می‌یابد، پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت نیز افزایش می‌یاب تا جریان الکتریکی ثابت بماند.
  • همچنین وقتی توان الکتریکی بر حسب وات کاهش می‌یابد، پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت نیز کاهش می‌یابد تا جریان الکتریکی ثابت بماند.

توان و ولتاژ برای مدارهای جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC)

فرمول تغییرات وات و ولت برای جریان متناوب و جریان مستقیم در جدول زیر آورده شده است:

نوع جریان رابطه توضیحات
جریان متناوب $$P_W=P_F \times V_V \times I_A$$
  • $$P_W$$ توان بر حسب وات است.
  • $$P_F$$ عامل توان است.
  • $$V_V$$ و $$I_A$$ ولتاژ و جریان بر حسب ولت و آمپر هستند.
جریان مستقیم  $$P_W=V_V \times I_A$$
  • $$P_W$$ توان بر حسب وات است.
  • $$V_V$$ و $$I_A$$ ولتاژ و جریان بر حسب ولت و آمپر هستند.

تفاوت میان آمپر و وات چیست؟

آمپر و وات دو موردی هستند که معمولاً وقتی صحبت از میزان مصرف برق توسط بعضی از وسایل خاص و وسایل روشنایی می‌شود، می‌شنوید. تفاوت زیادی بین این دو کمیت وجود دارد، وات قدرت یا توان کل یک دستگاه است در حالی که آمپر فقط مقدار جریانی است که در یک مدار شارش می‌کند. همچنین میزان توان بسته به ولتاژ می‌تواند متفاوت باشد. جریان در آمپر و ولتاژ منبع ضرب شده و برابر با کشش توان دستگاه بر حسب وات است. به عنوان مثال دستگاهی که 2 آمپر از یک منبع 12 ولتی می‌گیرد 24 وات مصرف می‌کند در حالی که دستگاهی که از منبع 24 ولت 2 آمپر می‌گیرد 48 وات مصرف می‌کند.

هر دو کمیت آمپر و وات را می‌توان با ابزار اندازه‌گیری کرد. اندازه گیری آمپر آسان‌تر و ساده‌تر است زیرا فقط کافی است برای اندازه گیری جریان آمپرمتر را به صورت سری به مدار وصل کنید. اما اندازه‌گیری وات کمی پیچیده‌تر است زیرا شما باید ولتاژ و همچنین جریان را اندازه بگیرید و سپس دو مقدار را ضرب کنید تا وات را محاسبه کنید. وات مترهایی در بازار وجود دارند که این فرآیند را آسان‌تر می‌کنند اما فرآیند اندازه‌گیری با این ابزار نیز به همان صورت کلی است. اگر می‌خواهید مقدار وات را برای یک دستگاه معمولی اندازه گیری کنید اما وات سنج ندارید، می‌توانید جریان را بر حسب آمپر اندازه بگیرید و سپس آن را در 110 ولت یا 220 ولت ضرب کنید، این مقدار ولتاژ بستگی به ولتاژ استاندارد در محل سکونت شما دارد.

تفاوت دیگر این دو واحد در جایی است که شما واقعاً می‌توانید از آن‌ها استفاده کنید. از آنجا که آمپر واحد شارش جریان است، به راحتی می‌توان نتیجه گرفت که منحصر به برق است. از طرف دیگر می‌توان از وات برای توصیف توان در انواع دیگر انرژی نیز استفاده کرد. به عنوان مثال یک اسب بخار معادل تقریباً 746 وات است. بنابراین می‌توانید یک موتور 2 اسب بخاری را با توان خروجی 1492 وات نیز توصیف کنید. در نهایت باید اذعان کرد که وات واحد جامع‌تری برای قدرت است. هنگامی که ولتاژ مشخص است مانند پریزهای برق، تا زمانی که مقدار جریان را می‌دانیم می‌توانیم توان یا قدرت دستگاه را به دست آوریم.

به صورت خلاصه برای تفاوت میان وات و جریان باید گفت:

  • آمپر واحد شارش جریان است در حالی که وات واحد قدرت است.
  • جریان وقتی در ولتاژ ضرب شود برابر با وات است.
  • اندازه‌گیری آمپر در مقایسه با اندازه‌گیری وات بسیار راحت‌تر است.
  • آمپر فقط برای برق قابل استفاده است در حالی که از وات می‌توان برای انواع دیگر انرژی استفاده کرد.

روش اندازه‌گیری وات چگونه است؟

همان طور که گفتیم واحد اندازه گیری توان الکتریکی وات است. وات میزان کار انجام شده یا برق مصرفی در واحد زمان را نشان می‌دهد. یک وات به عنوان یک ژول در ثانیه تعریف می‌شود و محصول حاصلضرب ولتاژ و جریان است.

وات را می‌توان مانند قدرت آبی که از یک شلنگ می‌آید تصور کرد. توان آب محصولی از فشار و دبی است. یک معادله محاسبه بسیار ساده برای محاسبه میزان مصرف وات برای یک دستگاه الکترونیکی وجود دارد. تنها چیزی که باید بدانید میزان جریان (آمپر) و مقدار ولتاژ دستگاه است. درک کمیت وات مهم است زیرا می‌تواند به شما در صرفه جویی در هزینه و انرژی کمک کند.

تعیین وات در یک منبع برق

محاسبه وات دستگاه
تصویر 6: محاسبه وات یک دستگاه

شما باید آمپر و ولتاژ منبع تغذیه را بدانید. برای تعیین وات از یک فرمول ضرب ساده استفاده کنید. جریان (یا آمپر) میزان برق مصرفی است و ولتاژ نیرو یا فشار برق را اندازه گیری می‌کند. مقدار وات برابر با آمپر ضرب در ولت است. به عبارت دیگر وات برابر با جریان در ولتاژ است. بعضی اوقات می‌بینید که این فرمول به صورت $$W=V \times A$$ نوشته می‌شود.

به عنوان مثال اگر جریان 3 آمپر (3 A) و ولتاژ 110 ولت باشد، 3 را در 110 ضرب می‌کنید تا مقدار 330 وات (W) را به دست آورید. این رابطه به صورت $$P=3A \times 110V=330W$$ است که W نمایش دهنده توان یا قدرت است. به همین دلیل است که وات را گاهی ولت-آمپر نیز می‌نامند.

روی قطع کننده‌های مدار معمولاً مقدار جریان روی دسته آن‌ها نوشته می‌شود. این حداکثر جریانی است که مدار می‌تواند قبل از شروع به کار قطع کننده مدار داشته باشد. همچنین می‌توانید با مشاهده برچسب‌ها یا کتابچه‌های راهنما ولتاژ و آمپر دستگاه را تعیین کنید.

در حقیقت می‌توان برای وسایل استاندارد به دنبال ارقام متداول باشید. اکثر وسایل کوچک و وسایل روشنایی در خانه‌ها به مدارهایی نیاز دارند که با 15-20 آمپر کار می‌کنند و وسایل برقی بزرگتر دارای جریان 20 تا 60 آمپر هستند. با این حال اکثر لوازم خانگی با ولتاژ 120 ولت و جریان 12 آمپر یا کمتر کار می‌کنند.

وسایل برقی بزرگتر مانند ماشین ظرفشویی و خشک کن لباس به برق بیشتری احتیاج دارند و به مدارهایی متصل می‌شوند که ولتاژ آن‌ها 240 ولت و بسته به عوامل مختلفی ممکن است جریان 20 تا 40 آمپر داشته باشند.

برای تعیین جریان یا ولتاژ یک دستگاه می‌توان رابطه ضرب مربوط به توان را برعکس انجام داد. به عنوان مثال فرض کنید منبع تغذیه شما 24-40 و از نوع AC است. این اعداد بدان معنی است که منبع تغذیه شما 24 ولت و 40 وات است.

بدین ترتیب این منبع تغذیه می‌تواند جریان 1/6 آمپر را تأمین کند. فرمول مورد استفاده بدین صورت است که $$40=? \times 24$$، در نتیجه جریان برابر با 40 تقسیم بر 24 است که جواب نهایی برابر با 1/6 آمپر می‌شود.

یا فرض کنید شما می‌خواهید وات‌های استفاده شده توسط یک فن سقفی را بفهمید و برچسب روی فن می‌گوید که فن از مقدار مشخصی آمپر استفاده می‌کند. همچنین می‌توانید از تعداد معمول ولت‌ استفاده شده توسط یک فن سقفی با تماس با شرکت سازنده یا فقط با جستجوی آنلاین مطلع شوید، این دو عدد را ضرب کرده و تخمینی از وات مورد نیاز برای راه اندازی فن سقفی را به دست خواهید آورد.

اگر می خواهید مقدار نیروی برق که توسط یک مقاومت مصرف می‌شود را بدانید، باید ولتاژ (V) و جریان (معروف به I) را بدانید. این قانون به نام قانون اهم شناخته می‌شود. در این رابطه ولتاژ در جریان ضرب می‌شود و داریم $$W=V \times I$$ که گاهی اوقات به جای W از P نیز در رابطه استفاده می‌شود.

این رابطه زمانی پیچیده‌تر می‌شود که توان با گذشت زمان تغییر کند. این ویژگی شامل استفاده از دوره زمانی برای به دست آوردن میانگین است. این نوع محاسبه دشوار است و برای این نوع اندازه‌گیری شما باید از تجهیزات ویژه‌ای استفاده کنید که به عنوان وات متر شناخته می‌شوند.

معرفی فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱

آموزش

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ کرده است. این مجموعه آموزشی از ده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته برق و فیزیک مفید است. پیش‌نیاز این درس آموزش فیزیک ۲ دانشگاه  و آموزش معادلات دیفرانسیل است.

درس اول این مجموعه مروری بر مفاهیم پایه مانند بار الکتریکی، انرژی و توان دارد و درس دوم به قوانین پایه برای حل مسائل مدارهای الکتریکی مانند قانون اهم، قوانین کیرشهف و مقاومت‌های سری و موازی می‌پردازد. درس سوم به روش‌های آنالیز مدارهای الکتریکی و درس چهارم به قضایای شبکه مانند قضیه جمع آثار، تبدیل منابع و قضیه تونن اختصاص دارد. در درس پنجم تقویت‌کننده‌های عملیاتی مانند تقویت کننده مثبت، منفی، تفاضلی و کسکد را خواهید آموخت و در درس ششم خازن‌ها و القاگرها معرفی و بررسی می‌شود. درس هفتم و هشتم به ترتیب به مدارهای الکتریکی مرتبه اول و مدارهای الکتریکی مرتبه دوم اختصاص دارد. در درس نهم در مورد مبانی مدارهای LTI خواهید آموخت و در نهایت در درس دهم آنالیز حالت دائمی سینوسی آموزش داده خواهد شد.

جمع بندی

در این مطلب در مورد وات در فیزیک و مهندسی صحبت کردیم. همان طور که گفتیم وات در حقیقت توان الکتریکی است که به جریان و ولتاژ در مدار وابسته است. این کمیت را معرفی و بررسی کردیم و تفاوت آن را با ولتاژ و جریان بیان کردیم. همچنین در مثال‌های متفاوتی به نحوه محاسبه وات پرداختیم. به علاوه در مورد نحوه محاسبه برق مصرفی در خانه‌ها با استفاده از وات نیز صحبت کردیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *