ولت چیست؟ – در فیزیک و مهندسی برق به زبان ساده

۵۷۹ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۳ خرداد ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۲۶ دقیقه
ولت چیست؟ – در فیزیک و مهندسی برق به زبان ساده

در الکتریسیته با کمیت‌های مختلفی روبرو می‌شویم که لازم است با واحد اندازه‌گیری آن‌ها طبق سیستم استاندارد بین‌المللی واحدها یا SI آشنا باشیم. «ولت» (Volt) واحد یا یکای اندازه‌گیری سه کمیت مهم به نام «ولتاژ» (Voltage) یا «اختلاف پتانسیل الکتریکی» (Electric Potential Difference)، «پتانسیل الکتریکی» (Electric Potential) و «نیرو محرکه الکتریکی» (Electromotive Force) است. در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا توضیح خواهیم داد که ولت چیست و پس از بیان مفهوم ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق، به توضیح ولتاژ، پتانسیل الکتریکی و تبدیل واحد ولت به سایر واحدهای مهم در الکتریسیته خواهیم پرداخت.

997696

ولت چیست؟

ولت در فیزیک و مهندسی برق، واحد اندازه‌‌گیری استاندارد پتانسیل الکتریکی، اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ و نیرو محرکه الکتریکی است. ولت همان عاملی است که باعث برقراری جریانی از الکترون‌ها در یک مسیر رسانا مثل یک مدار الکتریکی می‌شود. اگر مقدار توان مصرفی بین دو نقطه از یک سیم رسانا با جریان الکتریکی به اندازه یک آمپر، برابر با یک وات باشد، آن‌گاه اختلاف پتانسیل الکتریکی بین این دو نقطه از سیم یک ولت خواهد شد. تعریف دیگر ولت این است که اگر برای جابجایی باری به اندازه یک کولن بین دو نقطه، یک ژول کار انجام دهیم، اختلاف پتانسیل بین این دو نقطه یک ولت است.

تصویری از یک باتری قلمی آبی با علامت مثبت

اگر بخواهیم ولت را در قالب چند فرمول بنویسیم، می‌توانیم روابط زیر را داشته باشیم:

V=WA=kg.m2.s3A=kg.m2.s3.A1V=\frac{W}{A}=\frac{kg.m^2.s^{-3}}{A}=kg.m^2.s^{-3}.A^{-1}

  • V نشان‌دهنده ولت و واحد ولتاژ (V)
  • W نشان‌دهنده وات و واحد توان الکتریکی (P)
  • A نشان‌دهنده آمپر و واحد جریان الکتریکی (I)
  • kg نشان‌دهنده کیلوگرم و واحد جرم (m)
  • m نشان‌دهنده متر و واحد طول (L)
  • s نشان‌دهنده ثانیه و واحد زمان (t)

در رابطه بالا ولت در انتها برحسب واحدهای چند کمیت اصلی مانند طول، جرم، زمان و شدت جریان الکتریکی نوشته شده است. بنابراین ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی با واحد ولت، هر سه کمیت‌های فرعی محسوب می‌شوند. در بخش‌های بعدی راجع‌به مفهوم کمیت‌های اصلی و فرعی حتما توضیح خواهیم داد.

رابطه مهم دیگری که ولت در فیزیک می‌تواند داشته باشد، برحسب ژول (J) واحد انرژی (U) و کولن (C) واحد بار الکتریکی (Q) است. این رابطه هم مانند رابطه بالا در نهایت قابل ساده‌سازی به واحدهای اصلی مانند طول، جرم، زمان و شدت جریان الکتریکی است:

V=JC=kg.m2.s2A.s=kg.m2.s3.A1V=\frac{J}{C}=\frac{kg.m^2.s^{-2}}{A.s}=kg.m^2.s^{-3}.A^{-1}

همچنین رابطه ولت با سه کمیت مهم و اساسی در الکتریسیته، یعنی شدت جریان الکتریکی و مقاومت الکتریکی (R) با واحد اهم (Ω) به‌صورت زیر است:

V=A.Ω=Wbs=WA=JC=eVeV=A.\Omega=\frac{Wb}{s}=\frac{W}{A}=\frac{J}{C}=\frac{eV}{e}

  • Wb نشان‌دهنده وبر و واحد شار مغناطیسی (Φ)
  • eV نشان‌دهنده الکترون‌ولت و واحد انرژی (U)
  • e نشان‌دهنده بار بنیادی با مقدار 1.6×1019 C1.6 \times10^{-19} \ C

از آن‌جا که ولت در مهندسی برق نیز واحد اندازه‌گیری این سه کمیت مختلف اما مشابه و از یک جنس است، بهتر است ابتدا یاد بگیریم مفهوم این سه کمیت‌ چیست. سپس ارتباط این کمیت‌ها را با بقیه کمیت‌های مهم در الکتریسیته بررسی می‌کنیم تا با روابط بین ولت و دیگر واحدها مانند وات، آمپر، کولن و ... آشنا شویم و بتوانیم فرمول‌های بالا را به‌راحتی به‌دست آوریم.

نام‌گذاری ولت، به افتخار دانشمند ایتالیایی «الکساندرو ولتا» (Alessandro Volta) مخترع باتری الکتریکی انجام شده است. همان‌طور که گفتیم ولت در فیزیک و در مهندسی برق به‌عنوان واحد SI برای سنجش و اندازه‌گیری پتانسیل هر نقطه، ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در مدار و نیرو محرکه الکتریکی بکار می‌رود.

تصویر نقاشی شده‌ای از الکساندرو ولتا مخترع باتری
الکساندرو ولتا

ویژگی‌های واحد اندازه‌گیری ولت

برای اینکه دقیق‌تر متوجه شویم که ولت چیست، ابتدا باید ببینیم تعریف آن چیست و چه کاربردی دارد. ولت یک کمیت نیست، بلکه ابزاری است به نام واحد یا یکای اندازه‌گیری که برای سنجش چند کمیت مختلف استفاده می‌شود. در این بخش می‌خواهیم توضیح دهیم واحد اندازه‌گیری چه خصوصیاتی دارد و کمیت‌ها در فیزیک چند نوع هستند. همچنین مشخص می‌کنیم که ولتاژ، پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی کمیت اصلی هستند یا فرعی، برداری هستند یا نرده‌ای.

اندازه‌گیری طول یک میز با متر زرد

واحد استاندارد چیست؟

در فیزیک مفاهیم مهم و قابل اندازه‌گیری را در قالب یک کمیت بیان می‌کنیم. هر کمیت فیزیکی دارای یک یا چند واحد اندازه‌گیری می‌تواند باشد. برای مثال زمانی که شما مسافتی را طی می‌کنید، بسته به اندازه مسافت طی شده و اینکه راه رفته‌اید یا با ماشین در حال حرکت‌اید، از واحدهای مختلفی برای نشان دادن مسافت استفاده می‌کنید. مثلا ممکن است بگویید ۲ متر راه رفته‌ام یا ۱۰۰ کیلومتر در جاده با ماشین رانندگی کرده‌ام. در مقیاس بزرگ‌تر، برای بیان ابعاد یک زمین کشاورزی از واحدی به نام هکتار ممکن است استفاده کنید و در مقیاس کوچک‌تر، مثلا برای بیان طول یک خط‌کش، واحد سانتی‌متر را بکار می‌برید.

چند دایره رنگی با نوشته‌های انگلیسی به هم مربوط شده‌اند.
واحدهای اصلی

متر، سانتی‌متر، کیلومتر و هکتار، مایل، فوت و اینچ همه واحدهای طول و مسافت محسوب می‌شوند. نکته‌ای که در این‌جا وجود دارد این است که باید یک واحد، به‌عنوان واحدی مورد توافق همه وجود داشته باشد تا در اندازه‌گیری کمیت طول استاندارد یکسانی اعمال شود. سیستم استاندارد بین‌المللی واحدها یا به اختصار SI، تعیین‌کننده چنین واحدی است. بنابراین برای هر کمیت یک واحد استاندارد وجود دارد. واحد استاندارد طول، متر است.

در جدول زیر واحد استاندارد چند کمیت مهم در الکتریسیته را مشاهده می‌کنید. برای مثال برای کمیت انرژی، علاوه‌بر ژول واحدهایی مانند الکترون‌ولت، کالری و دین (Dyne) هم استفاده می‌شوند. اما واحد استاندارد انرژی، ژول است.

واحد SI یا واحد استاندارد (نماد)نام کمیت (نماد)
اهم (Ω)مقاومت الکتریکی (R)
آمپر (A)شدت جریان الکتریکی (I)
ولت (V)ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی (V)
ولت (V)پتانسیل الکتریکی (V)
ولت (V)نیرو محرکه الکتریکی (ε)
کولن (C)بار الکتریکی (Q)
وات (W)توان الکتریکی (P)
ژول (J)انرژی الکتریکی (U)
نیوتن (N)نیروی الکتریکی (F)

واحد اصلی و فرعی چیست؟

اگر واحدهای مختلف را دقیق‌تر بررسی کنیم و به روابط فیزیکی بین کمیت‌های مختلف مسلط باشیم، خواهیم دید که تمام واحدها در نهایت برحسب هفت واحد نوشته می‌شوند. این هفت واحد را واحدهای اصلی و کمیت‌های فیزیکی مربوط به این واحدها را کمیت اصلی می‌نامند. هفت کمیت‌ اصلی در جدول زیر نشان داده شده‌اند:

یکای اصلی (نماد)نام کمیت اصلی (نماد)
متر (m)طول (L)
کیلوگرم (kg)جرم (m)
ثانیه (s)زمان (t)
کلوین (K)دما (T)
آمپر (A)شدت جریان الکتریکی (I)
مول (mol)مقدار ماده (n)
کندلا (شمع) (cd)شدت روشنایی (Iv)
نمادی از دماسنج، خط‌کش، ساعت، لامپ و برق
کمیت‌های اصلی

یکای اندازه‌گیری بقیه کمیت‌ها از ترکیب این هفت واحد ساخته می‌شود. به همین خاطر، کمیت‌های دیگر در گروه کمیت‌های فرعی قرار می‌گیرند. ولتاژ، پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی سه کمیت فرعی محسوب می‌شوند. اگر به فرمول‌هایی که در مورد ولت در بخش «ولت چیست» بیان کردیم دقت کنید، در این روابط ولت در انتها برحسب واحدهای اصلی نوشته شد. در بخش‌‌های بعد این فرمول‌ها را بیشتر توضیح می‌دهیم.

کمیت برداری و نرده‌ای چیست؟

هر کمیت برای اینکه دقیق‌تر مشخص شود، ممکن است علاوه‌بر اندازه، جهت هم داشته باشد. بر این اساس کمیت‌ها را به دو گروه «کمیت‌های نرده‌ای یا عددی یا اسکالر» (Scaler Quantities) و «کمیت‌های برداری» (Vector Quantities) تقسیم‌بندی می‌کنند. اگر کمیتی هم اندازه داشته باشد و هم جهت، برداری است اما کمیتی که فقط اندازه بتواند آن را به‌درستی توصیف کند، نرده‌ای است.

سیب، ساعت، ماشین، استوانه مدرج و ترازو
چند کمیت نرده‌ای و برداری

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی هر سه کمیت‌های نرده‌ای یا عددی هستند. یعنی فقط اندازه دارند و دارای جهت نیستند. بنابراین ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق، به عنوان واحد این سه کمیت، فقط بیان‌گر مقدار یا اندازه است.

دقت کنید نیرو محرکه الکتریکی با اینکه کلمه نیرو را در خود دارد، اما یک کمیت عددی با واحد ولت است. اگر این کمیت از جنس نیرو بود، باید واحد آن نیوتن می‌بود. در بخش‌های بعد در مورد ماهیت این کمیت بیشتر توضیح خواهیم داد. در جدول زیر به چند کمیت نرده‌‌ای و برداری مهم اشاره شده است:

کمیت برداریکمیت نرده‌ای
نیروی الکتریکیولتاژ
میدان الکتریکیپتانسیل الکتریکی
میدان مغناطیسینیرو محرکه الکتریکی
شتابفشار

یادگیری ولت با فرادرس

در بخش‌های قبل تا حدودی متوجه شدیم که ولت چیست و به‌عنوان یک واحد اندازه‌گیری فرعی و نرده‌ای، چه خصوصیاتی دارد. پیش از اینکه به بخش بعد بپردازیم، اگر دانش‌آموز هستید و علاقه‌مندید تا مباحثی مانند الکتریسیته ساکن و الکتریسیته جاری را همراه با حل تمرین‌های مختلف به‌طور کامل فرا بگیرید، پیشنهاد می‌کنیم فیلم‌های آموزشی زیر در فرادرس را مشاهده کنید:

نام یک مجموعه آموزشی در تصویر است.

ولت، اهم و آمپر (قانون اهم)

گفتیم که ولت چیست و چه نوع واحدی در فیزیک محسوب می‌شود. برای اینکه درک بهتری نسبت به مفهوم ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق داشته باشیم، بهتر است ابتدا ارتباط ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی با دو کمیت مهم اساسی دیگر در الکتریسته یعنی شدت جریان الکتریکی و مقاومت الکتریکی را بررسی کنیم. «قانون اهم» (Ohm's Law) رابطه بین این سه کمیت را به شکل زیر بیان کرده است:

V=IRV=IR

یک دایره رنگی همراه با نوشته‌هایی در داخل آن شامل I و R و V
قانون اهم

در قانون اهم V همان ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی با واحد ولت (V)، R مقاومت الکتریکی با واحد اهم (Ω) و I شدت جریان الکتریکی با واحد آمپر (A) است. این قانون بیان می‌کند مقدار جریان عبوری از یک سیم رسانا مستقیما با اختلاف پتانسیل دو سر آن سیم متناسب است. بنابراین اگر ولتاژ دو سر یک سیم رسانا برای مثال ۳ برابر شود، جریان عبوری از آن نیز ۳ برابر خواهد شد. ولی نسبت ولتاژ به جریان یعنی V/I ثابت باقی می‌ماند.

سه نفر در حال هل دادن هم و عبور از یک مسیر هستند.
ارتباط اهم، ولت و آمپر

این نسبت به جنس ماده‌ای که سیم از آن ساخته شده است، بستگی دارد و همان مقاومت الکتریکی با واحد اهم است. پس در قانون اهم، جریان و ولتاژ به هم وابسته هستند و مقاومت ماده‌ای که برای آن قانون اهم برقرار است، برای مقادیر مختلفی از جریان و ولتاژ تغییری نخواهد کرد. به عبارت دیگر، برای یک ماده اهمی، مقاومت الکتریکی در تمام بخش‌ها در دمای ثابت، مقدار ثابتی است. نمودار جریان بر حسب ولتاژ برای یک ماده اهمی به‌شکل یک خط مستقیم است که بیان‌گر نسبت ثابت بین این دو کمیت است.

یک نمودار خطی با رنگ آبی
نمودار جریان-ولتاژ برای یک ماده رسانای اهمی

بنابراین با توجه به اینکه گفتیم ولتاژ دو سر یک رسانا برابر با حاصل‌ضرب جریان عبوری از رسانا در مقاومت آن است، در یک مدار الکتریکی با ولتاژ ثابت، با افزایش مقاومت الکتریکی، جریان کاهش خواهد یافت و برعکس. حالا که با فرمول قانون اهم آشنا شدیم، می‌توانیم رابطه ولت، اهم و آمپر را به‌صورت زیر بنویسیم:

V=A.ΩV=A .\Omega

ولتاژ چیست؟

برای اینکه بهتر درک کنیم مفهوم ولت چیست، اولین قدم این است که ولتاژ را بیاموزیم. برقراری جریان الکتریکی یا الکتریسیته، به چیزی بیشتر از یک مسیر پیوسته رسانا برای شارش الکترون‌ها یا یک مدار بسته وابسته است. در واقع پیش از هر چیزی، نیازمند نیرویی هستیم که بارها یا الکترو‌ن‌ها را در این مسیر هل دهد و باعث حرکت آن‌ها در این مسیر شود. چنانچه تمایل دارید با مفهوم ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق در سطوح دانشگاهی آشنا شوید، می‌توانید یادگیری خود را با تماشای فیلم آموزشی فیزیک الکتریسیته فرادرس شروع کنید که لینک آن در ادامه قرار داده شده است:

مدار الکتریکی متشکل از کلید، لامپ حبابی و باتری قلمی
یک مدار الکتریکی ساده متشکل از لامپ، کلید و باتری قلمی

در شکل بالا باتری قلمی به‌عنوان یک منبع ولتاژ باعث می‌شود با بسته شدن کلید، جریان در مدار برقرار شود. به این ترتیب، با حرکت الکترون‌ها و برقراری جریان الکتریکی در مدار، لامپ روشن خواهد شد.پس به‌صورت مختصر اگر بخواهیم ولتاژ را تعریف کنیم، می‌توانیم بگوییم نوعی فشار یا عامل حرکت‌دهنده برای الکترون‌ها یا شروع جریان است. ولتاژ با ولت اندازه‌گیری می‌شود. اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم، شکل زیر در واقع نیرو محرکه الکتریکی را نشان می‌دهد. در بخش‌های بعدی بیشتر در مورد تفاوت ولتاژ و نیرو محرکه صحبت می‌کنیم.

تصویری از یک لامپ و باتری در مدار
نحوه ایجاد ولتاژ در مدار توسط باتری

داخل یک منبع ولتاژ میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که این میدان، تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ خواهد کرد. نحوه تولید این میدان در یک باتری قلمی، بر اثر فعل و انفعالات شیمیایی است. بنابراین ولتاژ آن عاملی است که به الکترون‌های داخل سیم رسانا نیرو وارد می‌کند و باعث حرکت آن‌ها در مدار می‌شود (ذرات قرمز در سیم شکل بالا).

در الکتریسیته ساکن، حتی اگر منبع ولتاژی در مدار نباشد، این نیروی هل‌دهنده به علت عدم تعادل بار الکتریکی ایجاد می‌شود. برای مثال یک پارچه پشمی و یک تکه موم را در نظر بگیرید. اگر سطح این دو را به هم مالش دهیم، تعادل بار در این دو جسم بهم می‌خورد. پیش از مالش، هر دو خنثی هستند، یعنی تعداد بارهای مثبت و منفی برابر دارند. پس از مالش، الکترون از پشم کنده می‌شود و به موم منتقل خواهد شد.

علامت مثبت و منفی روی دو جسم به سمت هم جذب شده‌‌اند.

بنابراین افزایش بار منفی یا الکترون در موم و کاهش بار منفی یا افزایش بار مثبت در پشم، باعث ایجاد عدم تعادل بار در این دو و در نتیجه، ایجاد نیروی جاذبه بین آن‌ها خواهد شد. حالا اگر یک سیم رسانا بین این دو قرار دهیم، الکترون‌های اضافه در موم، از طریق این سیم از موم به پشم جاری خواهند شد تا جای خالی الکترون‌های کنده شده از پشم پر شود. در این مثال عدم تعادل بار الکتریکی باعث ایجاد نیروی الکتریکی بین دو جسم شد. مسیری که برای شارش الکترون‌های اضافی موم فراهم کردیم باعث می‌شود تا این بارهای اضافی به پشم بازگردند. بنابراین این شارش تا ابد نیست و تا زمانی ادامه دارد که بار اضافی روی موم تمام شود و موم خنثی شود.

علامت مثبت و منفی روی دو جسم و حرکت منفی به سمت مثبت

از این مثال می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم که بار ایجاد شده روی اجسام توسط مالش، یک مقدار انرژی محدودی را برای ایجاد جریان الکتریکی تامین خواهد کرد. چنین منبعی نمی‌تواند در یک مدار برای تامین جریان بکار رود. بنابراین لازم است در مدار، برای برقراری جریان از منبع ولتاژی استفاده کنیم که محدودیت نداشته باشد. منابع ولتاژ پرکاربرد عبارت‌اند انواع «باتری‌ها» (Batteries) و «ژنراتورها» (Generators).

برای داشتن درک عمیق‌تری از مفهوم ولتاژ، خوب است شباهت برقراری جریان الکتریکی و جاری شدن آب را نیز در این قسمت توضیح دهیم. فرض کنید منبع آبی داریم که بالای یک حوضچه قرار دارد. اگر بخواهیم از آب این منبع برای حوضچه استفاده کنیم، با باز کردن دریچه پایینی آن به‌راحتی جریان آب به سمت پایین در اثر نیروی جاذبه برقرار خواهد شد. اما اگر بخواهیم از این آب در یک چرخه استفاده کنیم، لازم است آب حوضچه مجددا به منبع بازگردد.

داخل منبع مقداری آب قرار دارد که در حال تخلیه در یک منبع پایین‌تر است.

برقراری جریان آب از حوضچه به سمت منبع، در خلاف جهت نیروی جاذبه است. بنابراین خودبه‌خود اتفاق نمی‌افتد. برعکس فرآیند اول که خودبه‌خودی و بدون نیاز به انجام کار، آب از منبع به سمت حوضچه جاری می‌شد. بنابراین در این بخش نیازمند استفاده از یک وسیله به‌عنوان منبع تامین انرژی برای انجام کار روی جریان آب هستیم. این منبع در سیستم آب، پمپ است. پمپ مناسب می‌تواند نیروی لازم برای برقراری جریان آب در خلاف جهت نیروی جاذبه زمین را فراهم کند.

آب جمه شده در منبع پایین‌تر توسط پمپ به سمت منبع بالا جریان دارد.

بنابراین در یک مدار الکتریکی هم نیازمند چیزی شبیه پمپ آب در مثال گفته شده هستیم که منبع ولتاژ نام دارد. عملکرد منبع ولتاژ در مدار مثل پمپ و جریان آب شبیه جریان الکتریکی است. ولتاژ تولید شده در مدار می‌تواند ولتاژ مستقیم (DC) یا ولتاژ متناوب (AC) باشد. نکته مهم این است که ولتاژ تولید شده توسط انواع منابع ولتاژ چه AC و چه DC همگی با واحد ولت اندازه‌گیری می‌شوند.

اگر نیاز دارید در این قسمت راجع‌به انواع ولتاژ و انواع جریان تولید شده به دنبال آن، اطلاعات بیشتری داشته باشید، مطالعه مطالب «ولتاژ RMS چیست؟ — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)»، «جریان متناوب (Alternating Current) — از صفر تا صد» و «مدارهای جریان مستقیم (DC) — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)» از مجله فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

پتانسیل الکتریکی چیست؟

در این بخش بررسی می‌کنیم که رابطه پتانسیل الکتریکی و ولت چیست. گفتیم کمیت دیگری که واحد آن ولت محسوب می‌شود، پتانسیل الکتریکی است. پتانسیل الکتریکی برابر است با کاز لازم برای جایجایی بار واحد از نقطه مرجع تا نقطه موردنظر، در جهتی خلاف جهت میدان الکتریکی. مرسوم است نقطه مرجع زمین در نظر گرفته شود یا هر نقطه‌ای که اثر میدان الکتریکی در آن حس نشود.

ذره زرد رنگی به سمت ذره صورتی حرکت می‌کند.

در شکل زیر بار Q با بار مثبت را در نظر بگیرید که بین دو صفحه مثبت و منفی A و B قرار گرفته است. میدان و نیروهای وارد بر این بار در شکل مشخص است. رابطه نیروی الکتریکی ناشی از میدان که بر این بار وارد می‌شود، عبارت است از:

F=QEF=QE

نیروی الکتریکی F که ناشی از میدان الکتریکی E است و به بار Q وارد شده است، موجب جابجایی این بار از صفحه A تا صفحه B می‌شود. برای اینکه پتانسیل چنین باری محاسبه شود، باید ببینیم چه مقدار کار لازم است انجام شود تا این اتفاق نیفتد.

دو صفحه باردار با بار مثبت و منفی در فاصله از هم قرار دارند.

اگر نیرویی مساوی و در خلاف جهت F به شکل Fˊ=QE\acute{F}=-QE به بار Q اعمال شود، در این صورت کار انجام شده (W) برای جابجایی بار مثبت Q در فاصله d برابر با W=Fˊd=QEdW=\acute{F}d=-QEd خواهد شد. پس با حرکت بار الکتریکی مثبت در خلاف جهت میدان، انرژی پتانسیل آن زیاد می‌شود و با حرکت این بار در جهت میدان، انرژی پتانسیل الکتریکی آن کاهش می‌یابد. عکس این توصیف، برای بار منفی برقرار است.

حالا می‌توانیم با توجه به ارتباط انرژی پتانسیل و کار که به‌نوعی هم‌ارز هم هستند، پتانسیل الکتریکی را به‌صورت انرژی الکتریکی واحد بار تعریف کنیم:

V=UQV=\frac{U}{Q}

در رابطه بالا U انرژی پتانسیل الکتریکی برحسب ژول (J)، Q بار الکتریکی برحسب کولن (C) و V پتانسیل الکتریکی برحسب ولت (V) است. علت اینکه تعریف بالا را برای پتانسیل الکتریکی داشتیم این است که اگر میدان الکتریکی به‌صورت نیرو بر بار واحد تعریف شود، می‌توانیم تعریف مشابهی هم برای پتانسیل الکتریکی ارائه دهیم. انرژی پتانسیل الکتریکی بر بار واحد مشابه تعریفی است که برای میدان الکتریکی داریم.

پس کاری که برای جابجایی این بار واحد از یک نقطه به نقطه دیگر انجام می‌شود برابر است با اختلاف انرژی پتانسیلی که در این دو نقطه وجود دارد. واحد SI پتانسیل الکتریکی، ولت است که طبق تعریف بالا برای پتانسیل الکتریکی می‌توانیم بگوییم یک ولت برابر است با یک ژول بر کولن:

1V=1JC1V=1\frac{J}{C}

پس رابطه ولت با ژول و کولن در این قسمت به‌دست آمد.

ذره‌ای روی یک مسیر مستقیم قرار دارد.

اگر چه پتانسیل الکتریکی مفهوم مهمی در درک پدیده‌های الکتریکی است، اما کمیتی که عملا قابل اندازه‌گیری و کاربرد است، اختلاف پتانسیل الکتریکی یا همان ولتاژ است. در بخش پیش گفتیم که ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق واحد ولتاژ است و ولتاژ برابر است با پتانسیل یک نقطه (برای مثال نقطه A در شکل بالا) منهای پتاسیل نقطه دیگر (نقطه B). پس اگر واحد پتانسیل الکتریکی در یک نقطه ولت باشد، آن‌گاه واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ بین هر دو نقطه نیز ولت خواهد بود. البته در نوشتار معمولا از ΔV استفاده نمی‌شود و آن را نیز با V نشان می‌دهند.

V=VBVA\triangle V=V_B-V_A

نیرو محرکه الکتریکی چیست؟

در بخش‌های قبل با توضیح دو کمیت مهمی که واحد آنها ولت است، یاد گرفتیم که ولت چیست و دیدیم که ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق به چه معنا است. در این بخش کمیت سوم با واحد ولت را توضیح می‌دهیم. نیرو محرکه الکتریکی که با emf یا ε نشان داده می‌شود، میزان انتقال انرژی بر واحد بار الکتریکی به یک مدار الکتریکی است و با ولت اندازه‌گیری می‌شود.

یک لامپ و باتری در مداری به هم متصل شده‌اند.

در بخش « ولتاژ چیست» اشاره کردیم که عامل حرکت الکترون‌ها در مدار، استفاده از یک منبع ولتاژ است تا اختلاف پتانسیل در مدار ایجاد کند. اختلاف پتانسیلی که در منبع ولتاژ ایجاد می‌شود، همان نیرو محرکه الکتریکی است. بنابراین منابع ولتاژ به کمک تبدیل انرژی، تولید emf دارند. برای مثال باتری‌ها که تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در آن‌ها انجام می‌شود یا ژنراتورها که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. تبدیل انرژی‌ توسط نیروهای فیزیکی با انجام کار روی بارهای الکتریکی حاصل می‌شود.

اما برای ابزارهایی با دو ترمینال یا پایانه مانند یک مقاومت الکتریکی در مدار، emf معادل به‌صورت ولتاژ مدار-باز بین دو این پایانه اندازه‌گیری خواهد شد که همان ولتاژ است. بنابراین اگر یک مدار خارجی به این دو پایانه متصل شود، چنین ابزاری به‌عنوان منبع ولتاژ در مدار عمل خواهد کرد و نیرو محرکه الکتریکی‌ باعث جاری شدن یک جریان الکتریکی در مدار خواهد شد. شکل زیر تفاوت emf و ولتاژ در مدار را کاملا نشان می‌دهد.

دو مدار الکتریکی کنار هم - ولت چیست
تفاوت اختلاف پتانسیل دو سر یک قطعه و نیرو محرکه الکتریکی منبع ولتاژ

پس نیرو محرکه الکتریکی، خودش یک نیروی فیزیکی محسوب نمی‌شود و علت چنین نام‌گذاری برای نیرو محرکه این است که منبع ولتاژ است. اگر بخواهیم نیرو محرکه الکتریکی را به چیزی تشبیه کنیم، این کمیت دقیقا شبیه کار مکانیکی است که توسط یک پمپ روی آب انجام می‌شود. پمپ آب باعث می‌شود که یک اختلاف فشار تولید شود و این دقیقا مشابه عملکرد نیرو محرکه الکتریکی در تولید ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی است.

کمیت دیگری که مشابه نیرو محرکه الکتریکی است، نیرو محرکه القایی است. در مبحث القای الکترومغناطیسی، با فرض داشتن یک حلقه رسانای بسته در یک میدان مغناطیسی، emf القایی را می‌توانیم کار الکترومغناطیسی‌ تعریف کنیم که توسط یک بار الکتریکی مثل الکترون با یک بار چرخش دور این حلقه، انجام می‌شود.

آهنربایی در نزدیکی یک حلقه سیم زرد است.
القای الکترومغناطیسی

اختلاف پتانسیل الکتریکی مشابه نیرو محرکه القایی که اغلب ولتاژ القایی هم نامیده می‌شود، نیست. اختلاف پتانسیل الکتریکی که معادل اختلاف در مقادیر اسکالر پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه A و B است، کاملا از مسیری که بین این دو نقطه انتخاب می‌شود، مستقل است. اگر یک ولت‌متر که همیشه اختلاف پتانسیل بین دو نقطه ‌A و B را اندازه‌گیری می‌کند، در نظر بگیریم، محل قرارگیری ولت‌متر تفاوتی در اندازه‌گیری ایجاد نمی‌کند. اما در شرایطی که یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان داریم، اندازه‌گیری با ولت‌متر برای ولتاژ بین دو نقطه A و B کاملا به مکان قرار دادن ولت‌متر وابسته می‌شود.

با توجه به توضیحاتی که ارائه شد، با اینکه ‌emf باعث ایجاد ولتاژ می‌شود و قابل اندازه‌گیری به‌عنوان ولتاژ است و حتی گاهی ممکن است ولتاژ هم نامیده شود، اما باید دقت کنیم که این دو مفهوم یکسانی ندارند. تفاوت‌های دو کمیت ولتاژ و نیرو محرکه الکتریکی عبارت‌اند از:

  • اختلاف پتانسیل یک مفهوم کلی‌تر است و شامل مفهوم emf نیز می‌شود.
  • در مداری شامل یک مقاومت و یک منبع ولتاژ، مجموع ولتاژ منبع بکار رفته و افت ولتاژ اهمی عبوری از یک مقاومت صفر است. مقاومت emf‌ ندارد و فقط منبع ولتاژ دارای ‌emf‌ به شکل زیر است:
  1. برای مداری که از منبع باتری استفاده می‌کند، emf فقط ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی یا نیروهای شیمیایی داخل باتری است.
  2. برای مداری که از یک ژنراتور الکتریکی استفاده می‌کند، emf فقط ناشی از نیروهای مغناطیسی متغیر با زمان درون ژنراتور است.

اما شباهتی که برای این دو وجود دارد به این شکل است که برای مثال هر دوی ۱ ولت emf و ۱ ولت اختلاف پتانسیل معادل هستند با ۱ ژول بر کولن. می‌خواهیم توضیح دهیم که داخل باتری چه اتفاقی رخ می‌دهد. با تولید میدان، بار الکتریکی که با مکانیسم تولید emf جدا شده است، یک میدان الکتریکی را ایجاد می‌کند که با این فرآیند جداسازی مخالفت کند. برای مثال، وقتی که میدان الکتریکی مخالفت‌کننده در هر الکترود به اندازه کافی قوی است، واکنش های شیمیایی داخل پیل شیمیایی متوقف می‌شوند. میدان مخالفت‌کننده قوی‌تر می‌تواند واکنش‌ها را معکوس کند که چنین پیل‌هایی پیل معکوس نامیده می‌شوند.

اجزای مختلف در یک مدار الکتریکی

بار الکتریکی جدا شده ایجاد یک اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌کند که در موارد بسیاری قابل اندازه‌گیری با ولت‌متری است که بین دو پایانه ابزار قرار می‌گیرد، زمانی که هنوز به منبع باری وصل نشده است. اندازه emf یک باتری یا هر منبع دیگری، همان ولتاژ مدار باز است. وقتی که یک باتری در حال شارژ شدن یا تخلیه است، خود emf مستقیما قابل‌ اندازه‌گیری با استفاده از یک ولتاژ خارجی نیست. علت این است که برخی از مقادیر ولتاژ داخل منبع از دست می‌روند. اما می‌توان چنین ولتاژی را با اندازه‌گیری جریان I و اختلاف پتانسیل V و مقاومت داخلی R به‌دست آورد:

ϵ=V+IR=I(r+R)\epsilon=V+IR=I(r+R)

ابزارهایی که نیرو محرکه الکتریکی دارند و در نتیجه، اندازه‌گیری ولت برای آن‌ها انجام خواهد، شامل موارد زیر می‌شوند:

در جدول زیر خلاصه‌ای از تفاوت‌های نیرو محرکه القایی و ولتاژ را می‌توانید ببینید:

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکینیرو محرکه الکتریکی (emf)
انرژی مصرف شده توسط بار واحد برای حرکت از نقطه‌ای به نقطه دیگرمقداری انرژی فراهم شده توسط منبع برای یک بار واحدتعریف
Vεنماد
V=IRV=IRϵ=V+IR\epsilon=V+IRفرمول
کمتر از emfبیشتر از ولتاژاندازه
بین دو سر یک مقاومت برای مثال، وقتی که جریان از آن عبور می‌کند.بین دو نقطه از منبع وقتی جریانی از آن عبور نمی‌کند.محل اندازه‌گیری
ولت‌متر EMF Meter یا emf‌مترابزار اندازه‌گیری
پیل، باتری و ژنراتورنور (انرژی خورشیدی)، باتری (انرژی شیمیایی) و گرما (ترموکوپل)منبع تولید

حالا که متوجه شدیم واحد نیرو محرکه الکتریکی هم ولت است، این نکته را در این قسمت اضافه می‌کنیم که می‌توانیم قانون اهم را بر حسب نیرو محرکه الکتریکی نیز بنویسیم. در واقع نیرو محرکه الکتریکی مانند ولتاژ، منبعی برای تامین انرژی است. پس می‌توانیم بنویسیم:

ϵ=IRV=A.Ω\epsilon=IR \Rightarrow V=A.\Omega

تبدیل ولت به وات

در این بخش می‌خواهیم بررسی کنیم راه تبدیل وات به ولت چیست. گفتیم یک ولت در فیزیک برابر است با آن اختلاف پتانسیلی که بین دو نقطه ایجاد می‌شود و موجب خواهد شد جریانی به اندازه یک آمپر جاری شود و به دنبال آن، توان الکتریکی به اندازه یک وات در طول این فرآیند مصرف شود. در کاربرد، مقدار الکتریسیته‌ای که یک وسیله الکترونیکی برای کار به آن نیاز دارد، معمولا با «توان الکتریکی» (Electrical Power) بیان می‌شود.

تصویری از دکل برق در غروب

تقریبا تمام ابزارها و وسایل الکترونیکی دارای برچسب توان هستند که بیان‌کننده مقدار توان مصرف شده توسط آن‌ها است. تعریف کلی توان برابر است با نرخ انرژی انتقال داده شده یا انرژی‌ای که در واحد زمان منتقل می‌شود. پس برای توان الکتریکی چنین تعریفی معادل است با نرخ انرژی الکتریکی منتقل شده یا نرخ کاری که روی بار الکتریکی در یک مدار الکتریکی انجام می‌شود.

انرژی الکتریکی (U) همان انرژی است که در بار الکتریکی Q که تحت اثر پتانسیل الکتریکی V است، ذخیره می‌شود. بنابراین می‌توانیم توان الکتریکی را به شکل زیر بنویسیم:

P=Ut=VQtP=\frac{U}{t}=\frac{VQ}{t}

در نوشتن رابطه بالا از این واقعیت استفاده کردیم که پتانسیل الکتریکی برابر است با انرژی الکتریکی واحد بار یا V=UQV=\frac{U}{Q}. از طرفی، برای رابطه بالا می‌توانیم از رابطه بین بار الکتریکی و جریان (I) استفاده کنیم:

I=QtI=\frac{Q}{t}

P=VQt=VI\Rightarrow P=\frac{VQ}{t}=VI

پس رابطه کمیت‌های اساسی الکتریسیته مانند جریان و ولتاژ با توان الکتریکی به‌صورت زیر شد:

P=VIP=VI

که با در نظر گرفتن قانون اهم، می‌توانیم این رابطه را به دو شکل زیر هم بنویسیم:

V=IRV=IR

P=(IR)I=I2R\Rightarrow P=(IR)I=I^2 R

P=V(VR)=V2R\Rightarrow P=V(\frac{V}{R})=\frac{V^2}{R}

یک خط زیگزاگی نارنجی به پایانه مثبت و منفی وصل شده است.

بنابراین می‌توانیم بگوییم در یک مدار الکتریکی مقدار توان مصرف شده یا تولید شده در یک قطعه از مدار برابر است با حاصل‌ضرب افت ولتاژ عبوری از آن در جریانی که از داخل آن می‌گذرد. واحد اندازه‌گیری استاندارد برای توان یا P، «وات» (Watt) که با W نشان داده می‌شود. توان دارای واحدهای مختلفی بر اساس میزان بزرگی یا کوچکی است که به صورت پیشوندهایی در کنار وات قرار می‌گیرند. برای مثال میلی‌وات (mW)، کیلووات (kW) یا مگاوات (MW).

گفتیم توان الکتریکی برابر است با جریانی از انرژی در واحد زمان. پس برای وات خواهیم داشت:

W=Js W=\frac{J}{s}

یعنی یک وات توان مصرف شده برابر است با یک ژول بر ثانیه و معادل است با اینکه، اگر اختلاف پتانسیلی برابر با یک ولت به دو نقطه از یک مدار اعمال شود، جریانی به میزان یک آمپر بین این دو نقطه جاری خواهد شد. حالا می‌خواهیم ببینیم رابطه ولت، وات و آمپر چگونه است. از فرمول زیر شروع می‌کنیم که توان برحسب ولتاژ و جریان است:

P=VIP=VI

W=V.AV=WAW=V.A \Rightarrow V= \frac{W}{A}

اگر بخواهیم رابطه ولت، وات و اهم را داشته باشیم، می‌توانیم از رابطه زیر استفاده کنیم:

P=V2RW=V2ΩP=\frac{V^2}{R}\Rightarrow W=\frac{V^2}{\Omega}

تبدیل ولت به ژول

در بخش قبل دیدیم رابطه وات و ولت چیست. حالا می‌خواهیم ارتباط ولت و ژول را نیز توضیح دهیم. اگر به یاد داشته باشید، در بخش «پتانسیل الکتریکی چیست» توضیح دادیم که رابطه پتانسیل الکتریکی و انرژی الکتریکی به چه صورت است:

V=UQV=\frac{U}{Q}

بنابراین می‌توانیم برای رابطه ولت، ژول و کولن بنویسیم:

V=JCV=\frac{J}{C}

تبدیل ولت به وبر

تا اینجا یاد گرفتیم نحوه تبدیل وات و ژول به ولت چیست. در این بخش می‌خواهیم تبدیل وبر به ولت را بررسی کنیم. «شار مغناطیسی» (Magnetic Flux) نشان‌دهنده مولفه‌هایی از میدان مغناطیسی است که از سطحی با مساحت A عبور می‌کنند. واحد شار مغناطیسی یا Φ در سیستم SI برابر است با «وبر» (Weber) که با Wb نمایش داده می‌شود.

یک حلقه مربعی آبی بین دو قطب مغناطیسی است.
مفهوم شار مغناطیسی

اگر بخواهیم رابطه ولت را با وبر پیدا کنیم، بهتر است از نیرو محرکه الکتریکی استفاده کنیم. چون با داشتن ارتباط بین نیرو محرکه الکتریکی و شار مغناطیسی طبق قوانین الکترومغناطیس، می‌توانیم تبدیل واحد ولت و وبر را نیز محاسبه کنیم. وارد مبحث القای الکترومغناطیس یا القای فارادی می‌شویم. به یاد داریم که شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه سیم رسانا می‌تواند با روش‌های مختلفی تغییر کند.

تغییر شار در چنین سیستمی باعث می‌شود نیرو محرکه‌ای در حلقه بسته سیم رسانا القا شود و به دنبال آن جریان القایی را خواهیم داشت. ارتباط بین نیرو محرکه القایی با تغییرات شار مغناطیسی توسط قانون فارادی بیان می‌شود:

ϵ=dϕdt\epsilon=-\frac{d\phi}{dt}

در این رابطه نیرو محرکه القایی برحسب ولت و شار مغناطیسی برحسب وبر است. پس می‌توانیم ارتباط ولت، وبر و ثانیه را به شکل زیر داشته باشیم:

V=WbsV=\frac{Wb}{s}

در یک مدار، یک آهنربا وارد پیچه‌ای از سیم می‌شود.
القای الکترومغناطیسی

تبدیل ولت به واحدهای اصلی

در بخش‌های قبلی آموختیم روند تبدیل واحدهای مختلف به ولت چیست. اگر به ابتدای این مطلب بازگردیم، گفتیم هر واحد فرعی مثل ولت از ترکیب چند واحد اصلی ساخته شده است. در فرمول‌های ابتدای مطلب دیدیم که ولت ترکیبی از واحدهای اصلی کیلوگرم، متر، ثانیه و آمپر به شکل زیر است:

V=kg.m2.s3.A1V=kg.m^2.s^{-3}.A^{-1}

 در این قسمت می خواهیم ببینیم رابطه بالا چطور به‌دست می‌آید. می‌توانیم از رابطه توان الکتریکی و ولتاژ استفاده کنیم:

P=VIP=VI
W=V.AV=WAW=V.A \Rightarrow V= \frac{W}{A}

حالا می‌خواهیم وات را باز کنیم و ببینیم برحسب واحدهای اصلی چگونه محاسبه می‌شود. طبق تعریف کلی، توان عبارت است از کار انجام شده در واحد زمان یا انرژی مصرفی در واحد زمان. می‌د‌انیم که واحد کار و انرژی یکسان و برابر با ژول است. پس تا اینجا همان‌طور که قبلا هم گفتیم وات برابر می‌شود با ژول بر ثانیه:

V=JA.s \Rightarrow V= \frac{J}{A.s}

ولی هنوز رابطه بالا برحسب واحدهای اصلی نیست. فقط ثانیه و آمپر در آن واحد اصلی محسوب می‌شوند. پس لازم است ژول را هم تبدیل کنیم. ابتدا از فرمول کار و سپس از فرمول قانون دوم نیوتن استفاده می‌کنیم. کار (W) یک نیروی F‌ برابر است با حاصل‌ضرب این نیرو در جابجایی (d) حاصل از اثر نیرو:

W=Fd W= Fd

واحد جابجایی متر (m)، واحد نیرو نیوتن (N) و واحد کار ژول (J) است. پس خواهیم داشت:

J=N.m J= N.m

حالا رابطه جدید برای ژول را در رابطه‌ای که برای ولت داشتیم، قرار می‌دهیم:

V=N.mA.s \Rightarrow V= \frac{N.m}{A.s}

نیرو به یک بلوک آبی وارد می‌شود.

همچنان در رابطه بالا واحد نیوتن، یک واحد فرعی است. برای اینکه نیوتن را هم برحسب واحدهای اصلی بنویسیم، از قوانین نیوتن کمک می‌گیریم. می‌دانیم طبق قانون دوم نیوتن، نیروی F وارد ببر یک جسم برابر است با حاصل‌ضرب جرم جسم (m) در شتاب آن (a):

F=ma F=ma

که در این رابطه واحد نیرو نیوتن (N)، واحد جرم کیلوگرم (kg) و واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه (m/s2) است. پس نیوتن می‌شود:

N=kg.ms2 N= \frac{kg.m}{s^2}

با جای‌گذاری نیوتن در فرمول ولت، خواهیم داشت:

V=kg.m2A.s3 \Rightarrow V= \frac{kg.m^2}{A.s^3}

در نهایت ولت برحسب واحدهای اصلی نوشته شد.

یک راه دیگر برای رسیدن به این رابطه، این است که از رابطه بین انرژی پتانسیل الکتریکی و پتانسیل الکتریکی شروع کنیم:

V=UQV=\frac{U}{Q}

V=JC \Rightarrow V= \frac{J}{C}

سپس برای نوشتن فرمول بالا برحسب واحدهای اصلی لازم بود مجددا ژول را باز کنیم. طبق آنچه که محاسبه کردیم، ژول برحسب واحدهای اصلی برابر است با:

J=N.m=kg.m2s2J=N.m=\frac{kg.m^2}{s^2}

بنابراین ولت می‌شود:

V=kg.m2C.s2 \Rightarrow V= \frac{kg.m^2}{C.s^2}

ولی این رابطه هنوز برحسب واحدهای اصلی نیست، چون واحد کولن در مخرج یک واحد فرعی است. اگر از رابطه جریان و بار الکتریکی استفاده کنیم و به‌جای کولن، ثانیه و آمپر را قرار دهیم، ولت برحسب واحدهای اصلی محاسبه می‌شود:

I=QtC=A.s I= \frac{Q}{t}\Rightarrow C=A.s

V=kg.m2A.s3 \Rightarrow V= \frac{kg.m^2}{A.s^3}

تبدیل ولت به الکترون‌ولت

در این بخش می‌خواهیم ببینیم الکترون‌ولت چیست و چه تفاوتی با ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق دارد. الکترون‌ولت که با نماد eV نشان داده می‌شود برابر است با مقدار انرژی جنبشی که توسط یک الکترون به‌دست می‌آید، زمانی که این الکترون در حضور اختلاف پتانسیلی به اندازه یک ولت در خلا، از حالت سکون شتاب می‌گیرد. بنابراین الکترون‌ولت واحد انرژی است و مقدار عددی ‎1 eV به ژول برابر خواهد شد با مقدار عددی بار یک الکترون به کولن. طبق استانداردهای SI، یک الکترون‌ولت به‌صورت دقیقی برابر است با 1 eV=1.602176634×1019 1 \ eV =1.602176634 \times 10^{-19}.

یک باتری سبز به دو صفحه باردار وصل شده است.
مفهوم الکترون‌ولت

از نظر تاریخی، الکترون‌ولت واحدی است که برای اندازه‌گیری انرژی در شتاب‌دهنده‌های ذرات الکتروستاتیکی استفاده می‌شد. چون در این شتاب‌دهنده‌ها ذره‌ای با بار Q پس از عبور از اختلاف پتانسیلی به اندازه V، انرژی‌ای به اندازه U=QV U =QV به‌دست می‌آورد. از آن‌جایی که اندازه بار Q باید یک عدد صحیح باشد، پس انرژی به‌دست آمده بر حسب واحد الکترون‌ولت مساوی با این عدد صحیح در مقدار ولتاژ خواهد شد.

گفتیم یک الکترون‌ولت برابر است با مقدار انرژی جنبشی که توسط یک تک الکترون شتاب گرفته از حالت سکون در حضور اختلاف پتانسیل الکتریکی به اندازه یک ولت در خلا، به‌دست آمده یا از دست رفته است. چون ولتاژ یک ولت است، معادل است با یک ژول بر کولن که در بار الکتریکی بنیادی با اندازه e=1.602176634×1019 C e =1.602176634 \times 10^{-19} \ C ضرب می‌شود.

اما الکترون‌ولت واحد استاندارد انرژی محسوب نمی‌شود. واحد استاندارد انرژی در SI، ژول است. الکترون‌ولت یک واحد مرسوم انرژی در فیزیک بخصوص شاخه‌های فیزیک هسته‌ای، فیزیک ذرات یا فیزیک حالت جامد است. واحدهای دیگری که از الکترون‌ولت مشتق می‌شوند و کاربرد زیادی دارند عبارت‌اند از کیلو الکترون ولت (keV) یا مگا الکترون‌ولت (MeV).

همچنین واحدهای دیگری برای جرم، تکانه و ... از eV ساخته می‌شوند که توضیح مختصری در مورد آن‌ها می‌دهیم. طبق نظریه هم‌ارزی جرم و انرژی، الکترون‌ولت به نوعی مطابق است با واحد جرم. این تطابق، در فیزیک ذرات پدیده معمولی است، چون در فیزیک ذرات واحدهای جرم و انرژی اغلب با هم مبادله می‌شوند. به این صورت می‌توانیم با استفاده از رابطه E=mc2 E =mc^2 که در آن c برابر است با سرعت نور در خلا، برای واحد جرم بنویسیم:

1eV/c2=1.602176634×1019 C×1V(299792458 m/s)2 1 eV/c^2 =\frac{1.602176634 \times 10^{-19} \ C \times 1 V}{(299792458 \ m/s)^2}

اگر محاسبه عبارت بالا انجام شود، خواهیم داشت:

1eV/c2=1.78266192×1036 kg 1 eV/c^2 =1.78266192 \times 10^{-36} \ kg

به همین صورت تبدیل واحد کمیت‌های مختلف برحسب eV به واحدهای SI، در جدول زیر قرار داده شده است:

واحد برحسب eVکمیت فیزیکی
eVeVانرژی
eV/c2 eV/c^2 جرم
eV/c eV/c تکانه
eV/KB eV/K_B دما
/eV \hbar/eV زمان
c/eV \hbar c/eV فاصله

پس از اینکه یاد گرفتیم الکترون ولت چیست، حالا می‌خواهیم ببینیم ارتباط ولت و الکترون‌ولت چگونه است. براساس رابطه بین انرژی الکتریکی و پتانسیل الکتریکی داریم:

V=UQV=\frac{U}{Q}

حالا اگر در رابطه بالا انرژی را برحسب الکترون‌ولت و بار Q را به‌صورت بار بنیادی الکترون یعنی e بنویسیم، خواهیم داشت:

V=eVeV=\frac{eV}{e}

محاسبه ولت

حالا که یاد گرفتیم ولت چیست و تبدیل واحدهای آن چگونه است، چند مثال حل می‌کنیم تا ببینیم ولت چگونه محاسبه می‌شود.

مثال ۱

برای جریانی با اندازه ‎۲ A که از مقاومت ‎۱۲ Ω عبور می‌کند، افت ولتاژ را به ولت محاسبه کنید:

پاسخ

با توجه به سه کمیتی که در سوال داریم، برای محاسبه افت ولتاژ از قانون اهم استفاده می‌کنیم:

V=IRV=IR

V=2×12=24 V\Rightarrow V=2\times12=24 \ V

مثال ۲

ولتاژ موردنیاز را برای یک لامپ ‎۳۰ W محاسبه کنید، اگر جریان ‎۰٫۵ A از آن عبور کند:

پاسخ

در این سوال توان برحسب وات داده شده است. پس از رابطه توان و ولتاژ استفاده می‌کنیم:

P=VIP=VI

V=PI=300.5=60 V\Rightarrow V= \frac{P}{I}=\frac{30}{0.5}=60 \ V

مثال ۳

ولتاژ موردنیاز برای یک لامپ LED با توان ‎۴۵ W و مقاومت ‎ ۵ Ωچقدر است؟

پاسخ

باز هم رابطه توان و ولتاژ را باید بکار ببریم. فقط در این سوال مقاومت داده شده است. پس رابطه توان، ولتاژ و مقاومت را باید با کمک قانون اهم بنویسیم:

P=VIP=VI
V=IRI=VRV=IR\Rightarrow I=\frac{V}{R}

P=V2R\Rightarrow P=\frac{V^2}{R}

V2=RP=45×5=225 V2\Rightarrow V^2=RP=45\times5=225 \ V^2

V=225=15 V\Rightarrow V=\sqrt{225}= 15 \ V

مثال ۴

در شکل زیر، نمودار جریان - ولتاژ برای یک قطعه مقاومت در مدار نمایش داده شده است.

تصویری از یک نمودار خطی در یک صفحه شطرنجی
  1. مقدار جریان عبوری از مقاومت را زمانی که ولتاژ دو سر آن ‎۱۲ V است، محاسبه کنید:
  2. نتیجه‌گیری کنید که با توجه به این نمودار مقاومت برابر است با ‎.۸۰ Ω
  3. اگر P برابر با توان الکتریکی مصرف شده توسط مقاومت باشد، بیشینه توان الکتریکی را با علم به اینکه بیشترین جریان عبوری از مقاومت برابر با ‎۰٫۲۵ A است، به‌دست آورید:

پاسخ

اگر به نمودار ولتاژ برحسب جریان دقت کنیم، یک نمودار خطی داریم. پس به ازای هر مقدار ولتاژ، یک جریان معادل خواهیم داشت. برای پیدا کردن جریان معادل با ولتاژ ‎،۱۲ V فقط کافی است خط افقی و موازی با محور جریان که نقطه ۱۲ در محور ولتاژ را قطع کرده است، امتداد دهیم. این خط نمودار را در یک نقطه قطع می‌کند. اگر از این نقطه خطی عمود و موازی با محور ولتاژ رسم کنیم تا محور جریان را قطع کند، محل قطع، مقدار جریان موردنظر است که دقیقا برابر با ‎۱۵۰ mA خواهد شد.

برای پاسخ به سوال شماره ۲، از قانون اهم به‌صورت زیر استفاده می‌کنیم:

V=IRV=IR

مقدار ولتاژ را داریم. گفتیم طبق نمودار، ولتاژ ‎۱۲ V با جریان ‎۱۵۰ mA مطابقت دارد. اما در قانون اهم برای اینکه ولتاژ را به ولت و مقاومت را به اهم داشته باشیم، لازم است جریان هم به آمپر تبدیل شود. پس ابتدا تغییر واحد جریان را انجام می‌دهیم:

1 mA=103 A1 \ mA = 10^{-3} \ A

150 mA=150×103 A=0.15 A\Rightarrow 150 \ mA = 150\times10^{-3} \ A =0.15 \ A

R=VI=120.15=80 Ω\Rightarrow R=\frac{V}{I}=\frac{12}{0.15}=80 \ \Omega

از آن‌جایی که نمودار خطی است، یعنی یک ماده اهمی داریم و مقدار مقاومت را با هر جریان ولتاژ معادل دیگری اگر محاسبه کنیم، همین مقدار ۸۰ اهم خواهد شد. برای مثال اگر ولتاژ ‎۴ V و جریان معادل آن یعنی ‏‏‎۵۰ mA را انتخاب کنیم، پس از تبدیل واحد جریان طبق قانون اهم خواهیم داشت:

R=VI=40.05=80 Ω R=\frac{V}{I}=\frac{4}{0.05}=80 \ \Omega

در سوال بعدی برای محاسبه توان بیشینه از جریان بیشینه داده شده استفاده می‌کنیم:

Pmax=Imax2R P_{max}=I_{max}^2 R

حتی اگر جریان بیشینه باشد، باز هم چون ماده رسانا طبق نمودار خطی در صورت سوال یک ماده اهمی محسوب می‌شود، پس مقاومت همان مقدار ثابت خودش یعنی ۸۰ اهم است:

Pmax=Imax2R=(0.25)2×80=5 W \Rightarrow P_{max}=I_{max}^2 R= (0.25)^2\times80=5 \ W

تکمیل یادگیری ولت با فرادرس

در انتهای این مطلب پس از اینکه آموختیم ولت چیست، به منظور آشنایی بیشتر با کاربردهای ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق، می‌توانید فیلم‌های آموزشی زیر از فرادرس را مشاهده کنید:

نام چند مجموعه آموزشی در فرادرس
  1. فیلم آموزش رایگان الکتریسیته ساکن با تمرین فرادرس
  2. فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته فرادرس
  3. فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه فرادرس
  4. فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه حل مساله فرادرس

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس یاد گرفتیم که ولت چیست و واحد چه کمیت‌هایی محسوب می‌‌شود. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی همگی کمیت‌هایی نرده‌ای هستند که همه با ولت اندازه‌گیری می‌شوند.

  • ولتاژ برابر است با اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه یا اختلاف پتانسیل بین دو سر یک قطعه الکترونیکی مانند مقاومت در مدار که از آن جریان عبور می‌کند.
  • نیرو محرکه الکتریکی برابر است با ولتاژی که داخل یک منبع ولتاژ مانند باتری، طی تبدیل انرژی‌های مختلف به انرژی الکتریکی، تولید می‌شود.
  • پتانسیل الکتریکی برابر است با مقدار انرژی الکتریکی که برای جابجایی یک بار الکتریکی از نقطه مرجع با پتانسیل صفر به نقطه موردنظر خود مصرف می‌کنیم.

آزمون ولت

در انتها اگر تمایل دارید دانش خود را در مورد مبحث ولت بسنجید، می‌توانید به سوالات آزمون زیر پاسخ دهید. پس از پاسخ‌دهی به سوالات، با کلیک روی بخش «دریافت نتیجه آزمون» نمره نهایی شما قابل مشاهده است.

فرض کنید مقاومت R به منبع ولتاژی با مقدار اختلاف پتانسیل U متصل شده است. در مورد جریان عبوری از این مقاومت کدام گزینه صحیح است؟

رابطه معکوسی با ولتاژ دارد.

رابطه مستقیمی با ولتاژ دارد.

برابر با ولتاژ است.

هیچ‌کدام

شرح پاسخ

گزینه دوم صحیح است. طبق قانون اهم، جریان و ولتاژ با هم رابطه مستقیمی دارند، یعنی با افزایش ولتاژ جریان هم زیاد می‌شود و برعکس.

فرض کنید مشابه سوال قبل، مقاومت R به منبع ولتاژی با مقدار اختلاف پتانسیل U متصل شده است. با کاهش U، مقاومت چگونه تغییر می‌کند؟

تغییری نمی‌کند.

زیاد می‌شود.

کم می‌شود.

نمی‌توان پیش‌بینی کرد.

شرح پاسخ

گزینه اول صحیح است. باز هم طبق قانون اهم، این جریان و ولتاژ هستند که با هم تغییر می‌کنند. مقدار مقاومت ثابت است و به خصوصیاتی مثل جنس یا دمای ماده رسانای حامل جریان بستگی دارد.

واحد کدام گزینه ولت نیست؟

پتانسیل الکتریکی

انرژی پتانسیل الکتریکی

اختلاف پتانسیل الکتریکی

نیرو محرکه الکتریکی

شرح پاسخ

گزینه دوم درست است. واحد استاندارد انرژی پتانسیل الکتریکی یا هر نوع انرژی دیگری ژول است.

 ولتاژ لازم برای تولید جریان ‎۲۰۰ A که از یک مقاومت ‎۱۰۰ Ω عبور می‌کند، چقدر است؟

۲۰۰۰۰ ولت

۲ کیلوولت

۲۰ کیلوولت

گزینه اول و سوم درست است.

شرح پاسخ

گزینه آخر صحیح است. از قانون اهم می‌توانیم با یک ضرب ساده ولتاژ لازم را محاسبه کنیم:

V=IRV=IR

V=200×100=20000 V=20 kV \Rightarrow V=200\times 100=20000 \ V = 20 \ kV

با توجه به اینکه می‌دانیم پیشوند کیلو به معنای هزار است، پس با تقسیم ۲۰۰۰۰ ولت بر هزار ولتاژ برابر با ۲۰ کیلوولت می‌شود.

کدام گزینه تعریف معادل برای یک ولت است؟

اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه از یک سیم رسانا اگر مقدار توان مصرفی بین این دو نقطه با جریان الکتریکی به اندازه یک آمپر، برابر با یک وات باشد.

مولفه‌هایی از میدان مغناطیسی به اندازه یک تسلا که از سطحی با مساحت یک متر مربع عبور می‌کنند.

اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در صورتی که برای جابجایی باری به اندازه یک کولن بین این دو نقطه، یک ژول کار انجام دهیم.

گزینه اول و سوم درست است.

شرح پاسخ

گزینه آخر صحیح است. طبق تعریفی که در ابتدای این مطلب برای ولت ارائه شد، ولت واحد اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل الکتریکی است. گزینه دوم تعریف وبر، واحد شار مغناطیسی است.

ولت به‌عنوان یک واحد فرعی، ترکیبی از کدام واحدهای اصلی در فیزیک است؟

کیلوگرم، متر، ثانیه و کولن

کیلوگرم، متر، ثانیه و آمپر

گرم، متر، وات و کولن

کیلوگرم، آمپر، ثانیه و وات

شرح پاسخ

گزینه دوم درست است. اگر به‌خاطر داشته باشید، نشان دادیم در نهایت می‌توانیم ولت را به شکل زیر و ترکیبی از واحدهای اصلی شامل کیلوگرم، متر، ثانیه و آمپر بنویسیم:

V=JC=kg.m2.s2A.s=kg.m2.s3.A1V=\frac{J}{C}=\frac{kg.m^2.s^{-2}}{A.s}=kg.m^2.s^{-3}.A^{-1}

دقت کنید حتی اگر ترکیب واحدهای اصلی ولت را ندانیم، در گزینه‌های دیگر وات و کولن واحد اصلی محسوب نمی‌شوند. پس این گزینه‌ها اشتباه هستند.

کدام گزینه در مورد ولت صحیح است؟

ولت به‌عنوان واحد اندازه‌گیری نیرو محرکه الکتریکی، یک واحد فرعی محسوب می‌شود.

ولت به‌عنوان واحد اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی، یک واحد اصلی محسوب می‌شود.

ولت به‌عنوان واحد اندازه‌گیری امپدانس الکتریکی، یک واحد فرعی محسوب می‌شود.

ولت به‌عنوان واحد اندازه‌گیری نیروی الکتریکی واحد بار، یک واحد فرعی محسوب می‌شود.

شرح پاسخ

گزینه اول درست است. ولت واحد اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی است، اما واحد امپدانس الکتریکی یا نیروی الکتریکی واحد بار که همان میدان الکتریکی است، محسوب نمی‌شود. همچنین ولت یک واحد فرعی و ترکیبی از چند واحد اصلی است.

یک ژول بر کولن برابر است با:

یک آمپر

یک اهم

یک وات

یک ولت

شرح پاسخ

گزینه آخر درست است. در بخش پتانسیل الکتریکی گفتیم یک ژول بر کولن معادل یک ولت است.

انرژی فراهم شده توسط یک منبع ولتاژ در مدار الکتریکی برابر با ... است.

اختلاف پتانسیل الکتریکی

ولتاژ

نیرو محرکه الکتریکی

گزینه اول و دوم درست است.

شرح پاسخ

گزینه سوم صحیح است. نیرو محرکه الکتریکی برابر است با آن انرژی که باتری یا منبع ولتاژ در مدار به بارهای در حال حرکت در سیم رسانا می‌دهند.

کدام گزینه برابر با یک ولت است؟

1V=1JC1V=1\frac{J}{C}

1V=1Wbs1V=1\frac{Wb}{s}

1V=1A.Ω1V=1A .\Omega

تمام گزینه‌ها معادل یک ولت هستند.

شرح پاسخ

گزینه آخر درست است. اگر به فرمول‌های ابتدای مطلب مراجعه کنید، می‌بینید که ولت با تمام روابط بالا معادل است.

 
بر اساس رای ۱ 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:
WikipediaBritannicaMR. SOLARrapidtables
نظر شما چیست؟

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