ولتاژ چیست؟ – به زبان ساده

۶۰۶ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۰۳ بهمن ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۱۶ دقیقه
ولتاژ چیست؟ – به زبان ساده

ولتاژ یک مفهوم بنیادی در زمینه فیزیک و مهندسی برق است. به طور ساده، ولتاژ می‌تواند به عنوان واحد اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار یا یک میدان الکتریکی توصیف شود. این نشان‌ دهنده نیرویی است که بارهای الکتریکی را از طریق یک رسانا، مانند یک سیم، حرکت می‌دهد. در این مطلب از مجله فرادرس یاد می‌گیریم که تعریف ولتاژ چیست و به کاربردهای آن نیز می‌پردازیم. در این مطلب، ابتدا ولتاژ را معرفی می‌کنیم و در ادامه در رابطه با ولتاژ معادل و افت ولتاژ در مدار صحبت می‌کنیم. نحوه محاسبه افت ولتاژ در مدارهای معادل را نیز با استفاده قوانین KCL و KVL به کمک مثال‌های مختلف بیان می‌کنیم. در انتهای مطلب نیز، ولتاژ موثر و گام را به همراه استاندارد ولتاژ در ایران بررسی خواهیم کرد. بنابراین، اگر می‌خواهید با تعریف ولتاژ و تمامی مباحث مربوط به آن آشنا شوید، این مطلب را حتما تا انتها مطالعه کنید.

معرفی ولتاژ

«ولتاژ» (Voltage) یا «اختلاف پتانسیل» (Potential Difference)، کاری است که موجب می‌شود جریان الکترون‌ها در یک مدار بسته بین دو نقطه‌ مشخص حرکت کنند. این کار انجام شده می‌تواند با نماد مثبت و منفی بیان شود.

تعریف ولتاژ به کمک قانون اهم

ار قانون اهم می‌دانیم اگر یک جریان الکتریکی به اندازه یک آمپر از یک مقاومت با اندازه یک اهم عبور کند، افت ولتاژ ایجاد شده در مقاومت، همان اختلاف پتانسیل در دو سر مقاومت و معادل یک ولت است.

به عبارت دیگر، یک ولت حاصل ضرب یک آمپر جریان و یک اهم مقاومت است. یعنی:

$$V=IR$$

پارامترهای قانون اهم که از آن به صورت نظری می‌توان ولتازژ چیست را بدست آورد.
پارامترهای قانون اهم

قانون اُهم به نام کاشف آن «جورج اهم» (Georg Ohm) دانشمند آلمانی نام‌ گذاری شده‌ است. برای مثال شما اگر یک لامپ با مقاومت ۶۰ اهمی داشته باشید و آن را به یک باتری با ولتاژ ۱۲ ولت متصل کرده باشید مطابق قانون اهم جریان ۰٫۲ آمپر از آن گذر می‌کند.

جورج اهم کاشف قانون اهم
جورج اهم

جریان گذرنده از یک مدار خطی طبق قانون اهم، با اختلاف پتانسیل بین دو سر آن متناسب است. بنابراین هرچه اختلاف پتانسیل بین دو سر یک مقاومت بزرگتر باشد، جریان گذرنده از مقاومت نیز بیشتر است.

روابط بین ولتاژ، جریان و مقاومت

بهترین و ساده‌ترین رابطه بین این سه کمیت همان قانون اهم است که در ابتدا به آن اشاره شد. مفهوم الکتریسیته به طور ساده، حرکت الکترون‌ها است. برای بررسی روابط بین ولتاژ، جریان و مقاومت ابتدا باید یک تعریف کلی از هر کدام داشته باشیم:

  • ولتاژ الکتریکی: همان طور که پیش‌تر گفته شد تفاوت پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار است.
  • جریان الکتریکی: آهنگ شار الکترون‌ها در یک مدار و واحد اندازه‌گیری آن آمپر است.
  • مقاومت الکتریکی: تمایل مقاومت مواد نسبت به جریان گذرنده از آن‌ها و واحد اندازه‌گیری آن اهم است.

بنابراین هنگامی که در مورد این مقادیر صحبت می‌کنیم، در واقع در حال توصیف حرکت الکترون‌ها و در نتیجه رفتار آن‌ها هستیم. مدار یک حلقه بسته است که به الکترون اجازه می‌دهد از یک مکان به مکان دیگر حرکت کند. اجزای مدار به ما امکان کنترل الکتریسیته و استفاده از آن برای انجام کار را می‌دهند.

ولتاژ مثبت و منفی

آیا تا به حال به علامت «+» و «-» روی باتری توجه کرده‌اید؟ این علامت‌ها بر روی مدار‌های الکتریکی هم دیده می‌شوند که به زبان ساده نمایانگر جهتی است که ولتاژ سعی می‌کند جریان را به آن سمت هدایت کند که به اصطلاح آن را (قطب) نیز می‌گویند.

اندازه‌گیری ولتاژ

می‌توان از مولتی‌متر برای اندازه‌گیری ولتاژ استفاده کرد برای این منظور، باید پراب‌ها (Prob) را به مولتی‌متر وصل کرده و دامنه اندازه‌ گیری ولتاژ را انتخاب کنید. سپس سر دیگر پراب را در تماس با هر دو سر مدار موردنظر قرار دهید. هنگام استفاده از تستر آنالوگ، با بزرگترین دامنه اندازه‌گیری ولتاژ شروع کنید.

در قسمت قبل با ماهیت ولتاژ چیست آشنا شدید در این قسمت به نحوه اندازه‌گیری آن می‌پردازیم. مولتی‌ مترها (مولتی تسترها) برای اندازه‌گیری ولتاژ استفاده می‌شوند. علاوه بر ولتاژ، مولتی‌مترها می‌توانند پارامترهای دیگری را هم اندازه‌گیری کنند مانند جریان، مقاومت، دما و ظرفیت را اندازه‌گیری کنند. مولتی‌مترها به صورت آنالوگ و دیجیتال موجود هستند، اما مدل‌های دیجیتال استفاده رایج‌تر و آسان‌تری دارند زیرا مقادیر را به طور مستقیم نمایش می‌دهند.

مولتی متر دیجیتال که می‌توان با آن مقدار ولتاژ را اندازه‌گیری کرد.

اگر دستگاه پاسخی نداد، سعی کنید محدوده اندازه‌گیری را به‌تدریج پایین بیاورید تا زمانی که به محدوده‌ای برسید که بتواند ولتاژ مدار را اندازه‌گیری کند. بسیاری از مولتی‌مترهای دیجیتال، فرایند اندازه‌گیری را با تنظیم خودکار محدوده اندازه‌گیری ساده می‌کنند.

واحد ولتاژ چیست؟

در سیستم واحد SI که معتبرترین سیستم واحدشناسی جهان است، اختلاف پتانسیل الکتریکی با نماد ولت (V) شناخته می‌شود که همان واحد ولتاژ است. این واحد از روی نام یک فیزیکدان مشهور ایتالیایی به اسم «الساندرو ولتا» (Alessandro Volta) بر گرفته شده است. این فیزیکدان آزمایشات بسیار زیادی در حوزه الکتریسیته انجام داده است و تعداد وسیعی از نخستین باتری‌ها را طراحی کرده است.

دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا
الساندرو ولتا

تعریف دیمانسیونی ولت عبارت است از کار انجام شده بر واحد بار الکتریکی یعنی:

$$V=\frac{W}{Q}$$

دیمانسیون کار و بار الکتریکی به ترتیب زیر است:

$$W=\frac{ML^{2}}{T^{2}}$$

$$Q=IT$$

بنابراین دیمانسیون ولتاژ یا اختلاف پتانسیل می‌شود:

$$V=\frac{ML^{2}}{IT^{3}}$$

در این نوع نمادگذاری:

  • $$M$$: جرم
  • $$L$$: طول
  • $$T$$: زمان
  • $$I$$: جریان

ولتاژ معادل چیست؟

برای یافتن ولتاژ معادل باید مفهوم اتصال متوالی و موازی مدار را توضیح داد. مدارهای الکتریکی به دو دسته‌ی متوالی و موازی تقسیم می‌شوند یا ترکیبی از این دو حالت در مدارهای پیچیده‌تر وجود دارد. البته پیش‌تر نیز در رابطه با این مدارها در مجله فرادرس صحبت کردیم.

به طور ساده اتصال متوالی به گونه‌ای است که قطعات پشت سر هم قرار داده می‌شوند، به‌ طوری که جریان عبوری از همه آن‌ها یکسان خواهد بود ولی ولتاژ بین آن‌ها تقسیم می‌شود. به شکل زیر توجه کنید:

مدار متوالی که شامل دو لامپ و یک باتری است.
شکل یک مدار ساده متوالی

بنابراین ولتاژ منبع تغذیه برابر با جمع ولتاژ تک تک مولفه‌های موجود در مدار خواهد بود.

اکنون اگر در مدار مقاومت یا خازن وجود داشته باشد باعث افت ولتاژ می‌شود که با به کار بردن قانون اهم که پیش‌تر معرفی شد می‌توان، مقاومت کل را محاسبه کرد.

$$R_{total}=\sum_i R_i$$

بنابراین مقاومت کل در یک مدار متوالی برابر جمع جبری هر یک از مقاومت‌ها است.

ظرفیت خازن معادل (کل) مطابق فرمول زیر محاسبه می‌شود:

$$\frac{1}{C_{total}}=\sum_i \frac{1}{C_{i}}$$

اتصال موازی اما برعکس اتصال متوالی است یعنی قطعات به شکل موازی در مدار قرار گرفته شده‌اند و ولتاژ عبوری از میان آن‌ها یکسان است ولی جریان بین آن‌ها تقسیم می‌شود. به شکل زیر توجه کنید:

مداز موازی که شامل دو لامپ و یک باتری است.
شکل یک مدار ساده موازی

بنابراین جریان منبع تغذیه برابر با جمع جریان گذرنده از تک تک مولفه‌های موجود در مدار خواهد بود. محاسبه مقاومت کل و ظرفیت کل خازن هم برعکس مدار متوالی است.

مقاومت کل در مدار موازی از رابطه زیر حساب می‌شود :

$$\frac{1}{R_{total}}=\sum_i \frac{1}{R_{i}}$$

ظرفیت خازن کل در مدار موازی از رابطه زیر حساب می‌شود:

$$C_{total}=\sum_i C_i$$

تفاوت جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC)

دو نوع جریان الکتریکی به نام جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC) وجود دارد. جریان الکتریکی AC در تولید، انتقال و مصرف برق عمومی به کار می‌رود. در جریان متناوب جهت جریان الکترون‌ها با فرکانس مشخصی به طور دوره‌ای تغییر می‌کند. جریان متناوب از منابع تولید برق متنوعی مانند نیروگاه‌ها و توربین‌های بادی تامین می‌شود. در نیروگاه‌ها، از مولد‌های چرخشی برای تولید جریان متناوب استفاده می‌شود در نتیجه شکل آن به صورت یک موج سینوسی است. جریان متناوب را نیز می‌توان از طریق تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب با استفاده از دستگاه‌های تبدیل (مثل اینورتورها، UPS و غیره) تامین کرد. یکی از ویژگی‌های برجسته جریان متناوب، توانایی انتقال بلندمدت برق برای فواصل طولانی است. با استفاده از ترانسفورماتورها، جریان متناوب به ولتاژهای بالاتر تبدیل شده و جریان کاهش پیدا می‌کند همچنین باعث کاهش اتلاف توان خروجی نیز می‌شود تا به مصرف‌کنندگان منتقل شود.

جریان الکتریکی مستقیم (DC)، نوع دیگری از جریان برق است که در بسیاری از دستگاه‌ها و منابع تغذیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوع جریان، الکترون‌ها در یک جهت مشخص حرکت می‌کنند، مقدار جریان ثابت بوده و در طول زمان تغییر نمی‌کند. از ویژگی‌های جریان مستقیم می‌توان به امکان ذخیره سازی آسان‌تر آن اشاره کرد زیرا جریان مستقیم نیازی به ترانسفورماتور برای تغییر ولتاژ ندارد. از موارد استفاده می‌توان به باتری‌ها و سلول‌های خورشیدی اشاره کرد.

نمودار مقایسه چریان مستقیم و متناوب

قوانین کیرشهف

تا اینجا یاد گرفتیم که ولتاژ چیست و مفاهیمی مثل قانون اهم، اتصال متوالی و موازی، انواع جریان الکتریکی و قطعات رایج در الکترونیک را نیز یاد گرفتیم. در این قسمت به معرفی قوانین KVL و KCL - معروف به قوانین کیرشهف - پرداخته خواهد شد و سپس تعدادی مثال و تمرین برای درک بیشتر در ادامه می‌آوریم.

قوانین کیرشهف برای جریان و ولتاژ اساس تحلیل مدار قرار دارند. با این دو قانون، به علاوه معادلات برای هر جز مدار (مقاومت، خازن، سلف)، مجموعه ابزارهای اولیه‌ای را داریم که برای شروع تجزیه و تحلیل مدارها نیاز داریم.

ابتدا باید مجموعه‌ای از مفاهیم اولیه در این موضوع را بدانید:

  • مدار بسته (Closed Circuit): به مداری گفته ‌شود که تمام جریان‌ از جایی که شروع شده دوباره به همان نقطه برگردد و هیچ مانعی برای قطع جریان وجود نداشته باشد.
  • مدار باز (Open Circuit): بر عکس شرایط تعریف قبلی به مداری گفته ‌شود که جریان به دلیلی نتواند به نقطه اولیه خود بازگردد.
  • اتصال کوتاه (Short Circuit): اتصال کوتاه زمانی رخ می‌دهد که یک مسیر (سیم) با مقاومت کم (به طور معمول به اشتباه) به دو سر یک اتصال وصل شود. برای مثال در شکل زیر مقاومت نشان داده شده در مسیر جریان اصلی است و سیم منحنی دور آن اتصال کوتاه است. جریان از مسیر اصلی خود منحرف می‌شود که گاهی اوقات منجر به آسیب می‌شود. سیم با ارائه مسیری با مقاومت کم برای جریان، مقاومت را کوتاه می‌کند (که شاید این چیزی نیست که طراح قصد داشته باشد).
یک سیم لخت باعث اتصال کوتاه در مدار الکتریکی
شکل یک مدار که در سمت راست آن به وسیله یک سیم اتصال کوتاه شده است.
  • کلید (Make or Break Key): وجود یک کلید در مدار می‌تواند امکان قطع یا وصل جریان در مدار را فراهم کند.
کلید باز و بسته در مدار
  • نمادگذاری شماتیک در مدار (Schematic): برای نشان دادن قطعات مختلف الکترونیکی در مدار آن‌ها را با نمادهای مخصوصی نمایش می‌دهند. در اینجا فقط به بعضی از پرکاربردترین و ابتدایی‌ترین قطعات که دارای دو پایه (ترمینال) هستند، پرداخته شده است:
شکل نماد شماتیک برخی از قطعات الکترونیکی
شکل نماد شماتیک برخی از قطعات الکترونیکی

توجه کنید که در شکل فوق تفاوت نماد منبع تغذیه ولتاژ با نماد باتری فقط نشان دادن جهت ولتاژ «+» و «-» برای سادگی بیشتر است و هر دو منبع تغذیه ایده‌آل DC هستند.

برای هر یک از اجزا موجود در مدار یک نام یکتا با مشخصه آن نیز در شکل درج می‌شود تا بتوان به خوبی آن‌ها را از یکدیگر تفکیک کرد.

اتصالات بين عناصر به صورت خطوطی کشیده می‌شوند که اغلب آن‌ها را به عنوان «سیم» در نظر می‌گیریم. در مدار شماتیک، این خطوط رسانای کامل با مقاومت صفر را نشان می‌دهند. هر پایه عناصر یا منبع تغذیه که روی یک خط باشد، در همان ولتاژ قرار دارد.

  • گره (Node): به هر نقطه اتصال بین دو یا بیشتر از عناصر موجود در مدار گفته می‌شود. در شکل زیر یک گره وجود دارد که پنج عنصر را به شکل شماتیک به هم وصل کرده است.
گره در مدار الکتریکی مثالی برای قانون جریان کیرشهف
شکل گره در مدار الکتریکی
  • گره مرجع (Reference Node): به طور معمول یک گره دلخواه را انتخاب می‌کنیم و ولتاژ سایر گره‌ها را نسبت به آن می‌سنجیم. رایج‌ترین روش انتخاب گره مرجع شامل پایه منفی منبع تغذیه یا گره‌ای که بیشترین تعداد شاخه را داشته باشد.
  • شاخه (Branch): به مسیر بین دو گره به اصطلاح شاخه می‌گویند.
  • حلقه (Loop): یک حلقه مسیر بسته‌ای است که از عناصر مدار عبور می‌کند. برای ترسیم حلقه، یک گره دلخواه را به عنوان نقطه شروع انتخاب کنید و یک مسیر را از طریق عناصر و گره‌ها بکشید تا مسیر به گره‌ای که در آن شروع کردید بازگردد. فقط یک قانون وجود دارد، یک حلقه می‌تواند از هر گره فقط یک بار عبور کند. اگر حلقه‌ها همپوشانی داشته باشند یا حاوی حلقه های دیگر باشند اشکالی ندارد. برای مثال در شکل زیر یک مدار الکتریکی آورده شده است که در آن به دلخواه سه حلقه به رنگ نارنجی رسم شده است.
شکل یک مدار ساده الکتریکی که طبق قانون کیرشهف سه حلقه در مدار انتخاب شده است.
شکل حلقه در مدار الکتریکی
  • مش‌ (Mesh): یک مش به اصطلاح حلقه‌ای است که شامل هیچ حلقه کوچکتر از خود نباشد.
  • اتصال به زمین (Ground): به طور معمول به گره مرجع، اتصال به زمین نیز می‌گویند و شامل سه نکته است:
    • یک اتصال مستقیم به زمین است که برای ایمنی لوازم برقی لازم است.
    • نقطه بازگشت برای جریان الکتریکی به منبع تغذیه است.
    • نقطه مرجع که از آن ولتاژ سایر قسمت‌های مدار نسبت به آن اندازه‌گیری می‌شود.
نماد شماتیک اتصال به زمین که در اینجا جهار نمونه رایج امده است
شکل نماد اتصال به زمین

اکنون به قوانین کیرشهف برمی‌گردیم. قانون اول که مربوط به جریان الکتریکی است و به KCL نیز معروف است بیان دارد که جمع جبری تمام جریان‌های وارد شده به یک گره با جمع جبری جریان‌های خارج شده باید برابر باشد.

$$\sum i_{in}=\sum i_{out}$$

قانون دوم کیرشهف که مربوط به ولتاژ (اختلاف پتانسیل) و معروف به KVL است، بیان می‌کند که جمع جبری تمام ولتاژها در یک حلقه بسته صفر است.

$$\sum v_n=0$$

تاکنون آموختیم که ولتاژ چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود اکنون به بررسی چند مثال در این زمینه می‌پردازیم.

مثال اول برای KCL

در شکل زیر مقدار جریان I را پیدا کنید.

مثال برای kcl که همان قانون جریان کیرشهف است.
مثال برای KCL

ابتدا از قانون KCL در نقطه P استفاده می‌کنیم یعنی جمع جبری جریان‌های ورو.دی و خروجی در یک گره باید صفر باشد. بردارهایی را که به سمت نقطه P هستند را به عنوان جریان مثبت و بردارهایی را که از نقطه P خارج می‌شوند را به عنوان جریان منفی در نظر می‌گیریم. در نتیجه خواهیم داشت:

$$0.2A-0.4A+0.6A-0.5A+0.7A-I=0$$

$$1.5A-0.9A-I=0$$

$$0.6A-I=0$$

$$I=0.6A$$

مثال دوم برای KVL

در شکل زیر مقدار جریانی که از مقاومت $$R_{1}=5Ω$$ عبور می‌کند را پیدا کنید. مقدار مقاومت‌های $$R_{2}$$ و $$R_{3}$$ برابر ۵ اهم است.

مثال برای KVL که سه مقاومت و دو منبع تغذیه داریم که می‌خواهیم محاسبه کنیم که کل ولتاژ چیست و مقاومت معادل چقدر است.
مثال برای KVL

با استفاده از قانون KVL، جمع جبری ولتاژ در یک حلقه بسته باید صفر باشد پس ما در اینجا به دلخواه یک حلقه بسته در نظر می‌گیریم که از $$E_{1}$$ شروع می‌شود و ساعتگرد کل حلقه را می‌پیماید.

$$-10+5(i)+5(i)+10(i)+5=0$$

$$20(i)-5=0$$

$$i=\frac{1}{4}$$

بنابراین میزان جریان گذرنده از مقاومت $$R_{1}$$ برابر $$\frac{1}{4}$$ است.

مثال سوم برای ولتاژ معادل

در این مثال می‌خواهیم ابتدا ولتاژ معادل را پیدا می‌کنیم .سپس با استفاده از قانون اهم جریان در مدار تک حلقه را محاسبه می‌کنیم:

مثال از مدار تک حلقه که ۴ منبع تغذیه داریم و می‌خواهیم محاسبه کنیم که کل ولتاژ چیست.
مثال از مدار تک حلقه

برای محاسبه ولتاژ معادل، منبع‌های تغذیه باید به شکل متوالی قرار گرفته باشند از آنجا که یک جریان یکسان از هر کدام از آن‌ها عبور می‌کند این شرط برقرار است. بنابراین از گوشه سمت چپ شروع می‌کنیم و یک حلقه در نظر می‌گیریم و به صورت ساعتگرد هر منبع تغذیه را جمع جبری می‌کنیم.

مثال از مدار تک حلقه ولتاژ معادل که باید به محاسبه ولتاژ چیست پرداخته شود.
مثال از مدار تک حلقه ولتاژ معادل

$$-3-9-5+1=-16V$$

بنابراین ما یک منبع تغذیه ۱۶ ولت را جایگزین چهار منبع تغذیه کردیم. حالا با استفاده از قانون KVL و قانون اهم می‌توانیم جریان را محاسبه کنیم.

$$-16+100i+220i=0$$

$$i=\frac{16}{320}=50mA$$

بنابراین جریان گذرنده از مدار تک حلقه برابر ۵۰ میلی‌آمپر است.

مثال چهارم برای مقاومت معادل

در مثال قبل فهمیدیم که ولتاژ معادل چیست اما در این مثال می‌خواهیم مقاومت معادل را نیز حساب کنیم. با توجه به شکل زیر سه مقاومت داریم که به صورت موازی در مدار قرار دارند و به اختلاف پتانسیل 18V متصل هستند. جریان و مقاومت معادل را محاسبه کنید.

مثال برای مدار الکتریکی

چون مطابق شکل مقاومت‌ها به صورت موازی در مدار هستند به هر یک ولتاژ یکسان یعنی 18V می‌رسد. با استفاده از قانون اهم خواهیم داشت:

$$I_{1}=\frac{\triangle V}{R_{1}}=\frac{18V}{3Ω}=6A$$

$$I_{2}=\frac{\triangle V}{R_{2}}=\frac{18V}{6Ω}=3A$$

$$I_{3}=\frac{\triangle V}{R_{3}}=\frac{18V}{9Ω}=2A$$

بدین صورت جریان را برای هر مقاومت حساب کردیم. اکنون با توجه به رابطه گفته شده برای مقاپمت معادل در مدارهای موازی خواهیم داشت:

$$\frac{1}{R_{total}}=\frac{1}{3Ω}+\frac{1}{6Ω}+\frac{1}{9Ω}$$

$$\frac{1}{R_{total}}=\frac{6}{18Ω}+\frac{3}{18}+\frac{2}{18Ω}=\frac{11}{18Ω}$$

$$R_{total}=\frac{18Ω}{11}=1.6Ω$$

به این ترتیب مقاومت معادل در این مدار برابر $$Ω1.6$$ است.

مثال پنجم برای جریان الکتریکی

مطابق شکل زیر جریان‌های $$I_{1}$$ و $$I_{2}$$ و $$I_{3}$$ را در مدار محاسبه کنید.

مدار مثال ۶ که در آن مدار به صورت موازی است و کل ولتاژ چیست

در این نوع مسئله ما نمی‌توانیم مدار را ساده‌تر کنیم و باید به طور مستقیم از قوانین کیرشهف استفاده کنیم. به طور دلخواه جهت جریان را همان طور که در شکل نشان دادیم تعیین کردیم.

قانون KCL در نقطه c داریم:

$$I_{1}+I_{2}=I_{3}$$

که یک معادله با سه مجهول است و سه حلقه در مدار زیر داریم که عبارتند از: «abcda» و «befcb» و «aefda». ما فقط به دو حلقه نیاز داریم تا با معادله جریان‌ها یک دستگاه تشکیل دهیم و مجهولات را محاسبه کنیم. چون حلقه سومی که بیان شد اینجا کاربرد ندارد فقط از دو حلقه «abcda» و «befcb» استفاده می‌کنیم و مسیر ساعتگرد را انتخاب می‌کنیم.

$$abcda\Rightarrow 10V-(6Ω)I_{1}-(2Ω)I_{3}=0$$

$$befcb\Rightarrow -14V+(6Ω)I_{1}-10V-(4Ω)I_{2}=0$$

توجه کنید که در حلقه «befcb» ما مثبت برای مقاومت 6Ω بدست آوردیم زیرا مسیر انتخابی خلاف جهت پیش‌فرض جریان $$I_{1}$$ است.

در نهایت با کمک گرفتن از حل دستگاه معادلات می‌توانیم مقادیر مجهول برای جریان‌ها را مخاسبه کنیم:

$$I_{1}=2A$$

$$I_{2}=-3A$$

$$I_{1}+I_{2}=I_{3}=-1A$$

اینکه علامت جریان‌های $$I_{3}$$ و $$I_{2}$$ منفی شد به این دلیل است که جهت جریان انتخابی ما خلاف جهت جریان واقعی بوده است. به هر حال مقدار بدست آمده صحیح است.

افت ولتاژ چیست؟

پس از اینکه با تعریف ولتاژ چیست آشنا شدید اکنون مفهوم دیگری را معرفی می‌کنیم. در مدارهای الکتریکی، افت ولتاژ (Voltage Drop) به معنی از دست دادن ولتاژ در مسیر جریان جاری در یک رسانا است. دلیل این پدیده این است که رسانا دارای مقاومتی در برابر جریان الکترون‌ها است که باعث می‌شود بخشی از ولتاژ اعمال شده به عنوان گرما مصرف شود. مقدار افت ولتاژ متناسب با جریان جاری و مقاومت رسانا است.

چندین عامل می‌توانند باعث افت ولتاژ در مدار شوند که عبارتند از:

  • اندازه سیم: سیم طولانی‌تر و نازکتر، مقاومت آن بیشتر است و افت ولتاژ بیشتر می‌شود.
  • جریان جاری: هر چه جریان بیشتری از یک رسانا عبور کند، افت ولتاژ بیشتر می‌شود.
  • ماده رسانا: مواد مختلف دارای مقاومت‌های متفاوتی هستند. به عنوان مثال، مس دارای مقاومت کمتری از آلومینیوم است، بنابراین سیم‌های مسی باعث افت ولتاژ کمتری نسبت به سیم‌های آلومینیومی با اندازه یکسان می‌شوند.

افت ولتاژ می‌تواند چند اثر زیان‌بار بر سیستم‌های الکتریکی داشته باشد که عبارتند از:

  • کاهش بهره‌وری: هنگامی که ولتاژ کاهش می‌یابد، توان در دسترس بار کاهش می‌یابد. این بدان معناست که تجهیزات به طور مناسب کار نمی‌کنند.
  • گرمای بیش از حد: اگر افت ولتاژ بیش از حد باشد، می تواند باعث گرم شدن بیش از حد سیم‌ها شود. این می‌تواند به سیم‌ها آسیب برساند و خطر آتش سوزی ایجاد کند.

نحوه محاسبه افت ولتاژ چیست؟

مطابق رابطه ریر می‌توان افت ولتاژ را محاسبه کرد:

$$V_{D}=I\times R\times L$$

در رابطه‌ی فوق:

  • $$V_{D}$$: ولتاژ افت جریان (ولت)
  • $$I$$: شار جریان (آمپر)
  • $$R$$: مقاومت رسانا (اهم)
  • $$L$$: طول رسانا (متر)

چند روش برای جلوگیری یا به حداقل رساندن افت ولتاژ در مدارهای الکتریکی وجود دارد که عبارتند از:

  • استفاده از سیم‌های با اندازه بزرگتر: استفاده از سیم‌های با اندازه بزرگتر مقاومت رسانا را کاهش می‌دهد و بنابراین افت ولتاژ را کاهش پیدا می‌کند.
  • محدود کردن جریان جاری: کاهش جریان جاری نیز باعث کاهش افت ولتاژ می‌شود که می‌توان با استفاده از دیمرها یا سایر دستگاه‌هایی که جریان را کنترل می کنند انجام شود.
  • استفاده از مواد رسانا با کیفیت بالاتر: رساناهایی که از مس یا سایر موادی که با مقاومت کم ساخته شده‌اند می‌تواند باعث افت ولتاژ کمتری نسبت به رساناهایی که از آلومینیوم یا سایر مواد با مقاومت بالا ساخته شده‌اند بشود.
  • خنک نگه داشتن رساناها: نگهداری رساناها در دمای پایین نیز به کاهش افت ولتاژ کمک می‌کند.

در ایران استاندارد ولتاژ چیست؟

استانداردهای برق در ایران به طور معمول با استانداردهای بین المللی همسو هستند، اما تفاوت‌های اندکی نیز وجود دارد. در اینجا خلاصه‌ای از استانداردهای رایج آورده شده است:

فرکانس

فرکانس استاندارد برق در ایران 50 هرتز است، که همانند بسیاری از کشورهای اروپا و آسیا است. این بدان معناست که اکثر لوازم خانگی این مناطق بدون هیچ مشکلی در ایران کار خواهند کرد. با این حال، لوازم خانگی از کشورهایی با استاندارد 60 هرتز، مانند ایالات متحده و کانادا، به یک مبدل برای کار ایمن نیاز خواهند داشت.

ولتاژ

ولتاژ استاندارد برق خانگی در ایران 230 ولت است، که همانند بسیاری دیگر از کشورها، از جمله بسیاری از کشورهای اروپا، آسیا و آفریقا است. این بدان معناست که اکثر لوازم خانگی طراحی شده برای 230 ولت بدون هیچ مشکلی در ایران کار خواهند کرد. با این حال، لوازم خانگی طراحی شده برای 110 ولت، مانند لوازم خانگی آمریکای شمالی، به یک ترانسفورماتور برای کار ایمن نیاز خواهند داشت.

پریزها و دوشاخه‌ها

نوع استاندارد دوشاخه برای برق خانگی در ایران نوع C است که همچنین در اروپا به طور گسترده استفاده می شود. این بدان معناست که اکثر دوشاخه‌های اروپا بدون هیچ مشکلی در پریزهای ایرانی قرار می‌گیرند. با این حال، دوشاخه‌های سایر کشورها، مانند آن‌هایی که از نوع A یا B استفاده می کنند، برای سازگاری با پریزهای ایرانی به یک آداپتور نیاز دارند.

دو نکته حائز اهمیت است:

  • آمپر باتری یک اندازه‌گیری از حداکثر خروجی جریان آن است. آمپر بالاتر, سریعتر باتری را می‌تواند تخلیه کند.
  • ولتاژ باتری اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی آن است. هرچه ولتاژ بالاتر باشد، نیروی بیشتری برای حرکت الکترون‌ها در مدار وجود خواهد داشت.

بنابراین مهم است که حتما دستورالعمل استفاده از دستگاه مورد استفاده را قبل از مصرف با دقت مطالعه کنید.

ولتاژ موثر چیست؟

یک اندازه‌گیری از توان متوسط تولید شده توسط جریان متناوب در یک چرخه کامل است که به طور معمول با تعریف قله موج همراه است که آن بیشینه مقدار موج در جریان متناوب است. به هر حال استفاده از تعریف ولتاژ موثر کاربردی‌تر است زیرا آن متناسب است با گرمای ایجاد شده در مقاومت توسط جریان متناوب است. ولتاژ موثر که توسط یک موج سینوسی جریان متناوب تولید می‌شود 0.7071 برابر ولتاژ اوج است. به عبارت دیگر:

$$V_{rms}=\sqrt {2} V_{peak}$$

یک مثال کاربردی از ولتاژ موثر را می‌توان این گونه بیان کرد، ولتاژ RMS برای ارزیابی لوازم برقی و تجهیزات استفاده می شود زیرا میزان واقعی توان مصرفی را نشان می دهد. به عنوان نمونه، ولتاژ معمولی خانه در ایالات متحده 120 ولت RMS است. این بدان معناست که یک دستگاه 120 ولت با جریان متناوب همان میزان توان را مصرف می کند که یک دستگاه 120 ولت با جریان مستقیم دارد.

ولتاژ گام چیست؟

«ولتاژ گام» (Step Voltage) اختلاف ولتاژ بین پای فردی است که در نزدیکی یک جسم به اصطلاح زمین شده دارای انرژی ایستاده است. جریان‌های بالا از طریق پست برق پتانسیلی در سطح زمین ایجاد می‌کند که ممکن است جان افراد و حیوانات اطراف را به خطر بیندازد. سیستم زمین، پتانسیل را کنترل کرده و مقاومت کافی در زمین ایجاد می‌کند. افزایش پتانسیل زمین (GPR) حداکثر مقدار پتانسیل الکتریکی است که یک الکترود زمینی ممکن است به آن برسد. در عملِ زمین‌ کردن، موقعیت مرجع پتانسیل الکتریکی بی‌نهایت است. پتانسیل الکترود GPR است و در جهت شعاعی کاهش می‌یابد و در بی‌نهایت به صفر ولت می‌رسد.

معرفی اجزای رایج تشکیل دهنده‌ مدار الکتریکی

اکنون که یاد گرفتیم مفهوم ولتاژ چیست و با نحوه اندازه‌گیری آن نیز آشنا شدیم، در ادامه می‌خواهیم به معرفی کوتاه قطعات اصلی و پرکاربرد در مدارهای الکتریکی بپردازیم.

  • خازن: خازن‌ها انرژی الکتریکی را به شکل میدان الکتریکی ذخیره می‌کنند. آن‌ها با واحد فاراد اندازه‌گیری می‌شوند و نمادشان (F) است و برای فیلتر کردن یا صاف کردن سیگنال های AC، ذخیره انرژی یا جفت کردن سیگنال‌های AC بین مدارها استفاده می‌شوند.
  • مقاومت:‌ مقاومت‌ها اجزای الکتریکی هستند که جریان الکتریکی را محدود می‌کنند. آن‌ها با واحد اهم اندازه‌گیری می‌شوند و نماد آن (Ω) است و برای کنترل جریان در مدار استفاده می شوند. مقاومت‌ها به طور معمول برای ایجاد افت ولتاژ خاص، محدود کردن جریان یا تلفات توان استفاده می‌شوند.
  • منبع تغذیه: واحدی است که برای تامین انرژی قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود و ولتاژ و جریان ثابتی دارد مانند باتری یا شبکه برق.
  • سیم‌لوله (القاگر): القاگرها که به آن سلف نیز می‌گویند، انرژی را در قالب میدان مغناطیسی ذخیره می‌کنند. آن‌ها با واحد هنری اندازه‌گیری می‌شوند و نمادشان (H) است و برای فیلتر کردن یا صاف کردن سیگنال‌های DC، ایجاد سیگنال‌های AC یا ذخیره انرژی استفاده می‌شوند.
  • دیود: دیودها فقط به یک جهت جریان را عبور می‌دهند. آن‌ها برای یکسوساز سیگنال‌های AC به سیگنال‌های DC، محافظت از مدارها در برابر ولتاژ بیش از حد و تولید نور استفاده می‌شوند.
  • ترانزیستور: دستگاه‌های نیمه رسانا هستند که می‌توانند سیگنال‌های الکترونیکی را تقویت یا سوئیچ کنند. آن‌ها پایه بسیاری از مدارهای الکترونیکی مدرن هستند.
  • آی‌سی: مدارهای مجتمع (ICs) مدارهای الکترونیکی کوچک شده‌ای هستند که حاوی میلیون ها ترانزیستور و سایر اجزای دیگر هستند. آن‌ها در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی از جمله رایانه‌ها، تلفن‌های هوشمند واتومبیل‌ها استفاده می‌شوند.

نتیجه‌گیری

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم که ولتاژ چیست و اغلب به عنوان اختلاف پتانسیل نیز نامیده می‌شود، جز ویژگی‌های بنیادی الکتریسیته است و نقشی اساسی در تامین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی، لوازم خانگی و سیستم‌های برقی مختلف دارد. اهمیت آن از خانه‌های ما فراتر رفته و به قلمرو پیشرفت‌های فناوری و کاربردهای صنعتی می‌رسد.

در زندگی روزمره ما، الکتریسیته نیروی محرکه دستگاه‌های الکترونیکی ما از تلفن‌های هوشمند و لپ تاپ‌ها گرفته تا ابزارهای برقی و لوازم آشپزخانه است. همچنین روشنایی خانه‌ها و دفاتر ما را تأمین می‌کند، انتقال اطلاعات را از طریق شبکه‌های ارتباطی امکان پذیر می‌کند و موتورهایی را که وسایل نقلیه و ماشین آلات را به حرکت در می‌آورند، تأمین می‌کند. آموختن درباره الکتریسیته و ویژگی‌های آن از جمله ولتاژ مهم است زیرا اهمیت آن غیرقابل انکار است و تأثیرش بر زندگی ما عمیق است.

بر اساس رای ۳ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
hiokiallaboutcircuitssparkfunkhanacademy
نظر شما چیست؟

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