شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آن‌ها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
در فرآیند انتقال انرژی الکتریکی یا الکتریسیته به وسایل روزمره مانند کامپیوترها یا لامپ‌ها، دو کمیت مهم به نام «ولتاژ» و «جریان» (Current) نقش اساسی دارند. ولتاژ یا «اختلاف پتانسیل الکتریکی» (Electrical Potential Difference) در واقع نوعی فشار است که از سمت منبع انرژی در مدار الکتریکی به الکترون‌ها وارد می‌شود و باعث حرکت آن‌ها در یک راستای مشخصی می شود. در مطالب قبلی مجله فرادرس گفتیم جریان الکتریکی، حرکت الکترون‌ها در یک مسیر مشخص مثل یک سیم رسانا است. در این آموزش قصد داریم ببینیم عامل ایجاد این حرکت در الکترون‌ها یا ولتاژ چیست، دارای چه ویژگی‌هایی است و چه تفاوتی با جریان الکتریکی دارد.
آنچه در این مطلب می‌آموزید:
می‌توانید تفاوت ولتاژ و جریان را تشخیص دهید.
با منابع ولتاژ مستقیم و متناوب آشنا می‌شوید.
نحوه محاسبه ولتاژ و فرمول‌های آن را می‌آموزید.
می‌توانید تفاوت نحوه اندازه‌گیری جریان و ولتاژ را درک کنید.
ولتاژ موثر و نحوه عملکرد آن را یاد می‌گیرید.
با تأثیر میدان الکتریکی و انرژی پتانسیل بر ولتاژ آشنا می‌شوید.
بنابراین در ادامه، ابتدا لازم است با تفاوت جریان و ولتاژ آشنا شوید. سپس، به بررسی انواع ولتاژ شامل «ولتاژ متناوب» (Alternating Voltage)، «ولتاژ مستقیم» (Direct Voltage) و «ولتاژ موثر» (Effective Voltage) و معرفی منابع تامین‌کننده این ولتاژها می‌پردازیم. همچنین نحوه به‌دست آوردن فرمول ولتاژ را نیز توضیح می‌د‌هیم.
ولتاژ چیست؟
ولتاژ، معادل اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار الکتریکی است. در واقع ولتاژ عامل حرکت الکترون‌ها در یک جهت معین و در نتیجه، تولید جریان الکتریکی است. هر چه ولتاژ بیشتر باشد، جریان الکتریکی یعنی تعداد الکترون‌هایی که در واحد زمان از یک نقطه ثابت عبور می‌کنند، بیشتر می‌شود. یکا یا واحد اندازه‌گیری ولتاژ که با V نشان داده می‌شود، در سیستم بین‌المللی واحدها ولت (v) است. اگر جریانی به اندازه یک آمپر از مقاوتی به اندازه یک اهم عبور کند، افت ولتاژ ایجاد شده در مقاومت با اختلاف پتانسیل دو سر آن برابر است. این اختلاف پتانسیل معادل یک ولت است.
می‌دانیم الکتریسیته نوعی انرژی است که انتقال آن توسط ذرات بارداری مثل الکترون‌ها انجام می‌شود. این الکترون‌ها برای حرکت در یک راستای مشخص و انتقال الکتریسیته، باید ولتاژ دریافت کنند. پس لازم است یک منبع انرژی برای تولید ولتاژ در مدار الکتریکی وجود داشته باشد تا با ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه، به الکترون‌های سیم رسانا نیرو وارد کند و موجب حرکت آن‌ها در یک مسیر مشخص شود. منبع ولتاژ در یک مدار الکتریکی ساده معمولا باتری است.
تصویری از ساده‌ترین مدار الکتریکی شامل کلید، لامپ، باتری و سیم.
در واقع یکی از ضروری‌ترین عناصر برای بستن ساده‌ترین مدار الکتریکی، باتری است. در شکل بالا مشاهده می‌کنید که از یک باتری در مدار الکتریکی جهت هدایت الکترون‌ها به سمت لامپ و روشن کردن آن استفاده شده است. با روشن کردن کلید، مدار برقرار می‌شود و جریان به لامپ می‌رسد و آن را روشن می‌کند.
مقایسه ولتاژ با اختلاف پتانسیل گرانشی
برای درک بهتر مفهوم ولتاژ، از مفاهیم گرانش استفاده می‌کنیم. مقدار مشخصی آب را در نظر بگیرید. اگر این مقدار آب روی یک سطح صاف و مسطح ریخته شود، پس از پخش شدن روی زمین حرکتی در آب دیده نمی‌شود. به عبارت دیگر، آب روی یک سطح مسطح به خودی خود جاری نخواهد شد. پس جریان آبی برقرار نمی‌شود.
حالا فرض کنید همین مقدار آب را از بالای یک ارتفاع مانند کوه یا تپه‌ای بریزیم. آب در این ارتفاع جاری می‌شود تا زمانی که به سطح زمین برسد. علت برقراری جریان آب و حرکت آن در یک مسیر مشخص، ارتفاعی است که از آن جاری شده است. می‌دانیم هرچه ارتفاع جسمی از سطح زمین بیشتر باشد، پتانسیل گرانشی آن بیشتر است. چون بین دو نقطه بالای کوه و روی زمین، اختلاف پتانسیل گرانشی وجود دارد، آب جاری شد. بنابراین عامل جاری شدن آب، اختلاف پتانسیل گرانشی است.
در یک آبشار، جریان آب از یک ارتفاع به سمت زمین جاری می‌شود.
حالا اگر مفاهیم گرانشی را با مفاهیم الکتریسیته مقایسه کنیم، جریان آب معادل جریان الکتریکی و اختلاف پتانسیل گرانشی نیز معادل اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ است. همچنین لوله‌ای که آب در آن جریان دارد، معادل سیم رسانای الکتریکی است. ذرات حامل جریان در الکتریسیته معمولا الکترون‌ها هستند، در حالی که ذرات حامل جریان آب، مولکول‌های آب هستند. نرخ جریان آب عبوری به‌صورت لیتر بر ثانیه است و برای جریان الکتریکی تعداد بارهای الکتریکی عبوری در واحد زمان اندازه‌گیری می‌شوند.
شباهت جریان آب در لوله با مفاهیمی مانند مقاومت، ولتاژ و جریان
در شکل بالا شباهت جریان آب و جریان الکتریکی نشان داده شده است. اثر مقاومت در میزان جریان الکتریکی عبوری مانند تغییر اندازه لوله آب است. بنابراین اختلاف پتانسیل الکتریکی همتای اختلاف پتانسیل گرانشی است. در الکتریسیته به افتخار مخترع باتری دانشمند ایتالیایی «الکساندرو ولتا» (Alessandro Volta)، برای اختلاف پتانسیل الکتریکی نام دیگری به نام ولتاژ در نظر گرفته شده است.
پس از یادگیری مبحث ولتاژ چیست، به توضیح یکی از بنیادی‌ترین قوانین طبیعت که با انجام آزمایش‌های مختلف اثبات شده است، «قانون اهم» (Ohm’s Law) می‌پردازیم. قانون اهم بیان می‌کند بین افت ولتاژی (V) که در عبور از یک ابزار الکتریکی در مدار ایجاد می‌شود و جریان (I) عبوری از آن، یک رابطه خطی برقرار است. جهت فراگیری عمیق‌تر مفهوم قانون اهم می‌توانید از فیلم آموزشی فیزیک پایه یازدهم فرادرس که لینک آن در ادامه قرار داده شده است، استفاده کنید.
در این رابطه ولتاژ V بر حسب ولت (v)، جریان I بر حسب آمپر (A) و مقاومت R بر حسب اهم (Ω) است. این سه کمیت بازوهای اصلی الکتریسته محسوب می‌شوند. در این فرمول، مقدار مقاومت R از جریان و ولتاژ مستقل است و به خصوصیات سیم رسانا مثل طول، مساحت سطح مقطع و جنس آن بستگی دارد.
قانون اهم و رابطه ولتاژ، جریان و مقاومت
بر‌خلاف مقاومت که گفتیم به ویژگی‌های فیزیکی ماده رسانا بستگی دارد، ولتاژ و جریان به یکدیگر وابسته‌‌اند. به همین دلیل دانستن تفاوت بین این دو کمیت مهم است. تفاوت بین ولتاژ و جریان را می‌توانیم شامل موارد زیر در نظر بگیریم:
تفاوت نحوه تولید جریان و ولتاژ
تفاوت نحوه وابستگی جریان و ولتاژ به هم
تفاوت واحد اندازه‌گیری جریان و ولتاژ
تفاوت نحوه اندازه‌گیری جریان و ولتاژ
تفاوت نحوه تولید جریان و ولتاژ
در قانون اهم و جاری شدن الکتریسیته، مهم ترین کمیت ولتاژ است. بنابراین از لحاظ اهمیت و اولویت برای تولید الکتریسیته، ولتاژ بر جریان مقدم است. با تامین ولتاژ است که جریان برقرار می‌شود. زمانی که منبع تامین انرژی در مدار این ولتاژ را در دو سر مدار ایجاد کند، ذرات باردار یا الکترون‌ها شروع به حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی برقرار می‌شود.
بنابراین ولتاژ از طریق یک منبع انرژی در مدار مانند باتری تولید خواهد شد، در حالی که جریان بر اثر ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ بین دو نقطه از مدار تولید و جاری می‌شود. در شکل بالا، باتری منبع تولید اختلاف پتانسیل یا ولتاژ است. در داخل باتری، ذرات باردار با بار منفی بر اثر فعل و انفعالات شیمیایی از ذرات مثبت جدا شده‌اند و در نتیجه دو قطب یا دو پایانه مثبت و منفی داخل باتری تشکیل شده است. تولید ولتاژ می‌تواند به‌وسیله باتری یا هر نوع منبع ولتاژ دیگری انجام شود. در بخش‌های بعدی انواع منابع تولیدکننده ولتاژ را توضیح خواهیم داد.
رسانایی الکتریکی و جریان
در مبحث تولید جریان، علاوه بر اعمال ولتاژ عامل دیگری که می‌تواند در برقراری جریان در یک ماده موثر باشد، تعداد الکترون‌های حمل‌کننده جریان در آن است. در مواد مختلف، تعداد الکترون‌های در حال حرکت که «هدایت الکتریسیته» یا «رسانایی الکتریکی» (Electric Conductivity) را ایجاد می‌کنند، متفاوت است. علت این تفاوت، ساختار الکترونی متفاوت در مواد است. از نظر تفاوت در ساختار الکترونی، مواد به دو گروه رسانا و نارسانا تقسیم می‌شوند:
«رسانا» (Conductor): در مواد رسانا وابستگی الکترون‌های لایه‌های بیرونی به هستهاتم ضعیف است. در نتیجه این الکترون‌ها می‌توانند به آسانی داخل ماده حرکت کنند. به این الکترون‌ها، الکترون آزاد گفته می‌شود. در یک ماده رسانا، تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد و این مسئله باعث می‌شود رسانایی یا هدایت الکتریکی یک رسانا زیاد باشد. همچنین، مقاومت الکتریکی یک ماده هم معیاری برای سنجش میزان انتقال الکتریسیته از آن محسوب می‌شود. اگر مقاومت ماده‌ای کم باشد، رسانای الکتریسیته خوبی است. اما اگر مقاومت ماده‌ای زیاد باشد، رسانایی الکتریکی آن کم است.
«عایق» (Insulator) یا نارسانا: در مواد نارسانا وابستگی الکترون‌های لایه‌های بیرونی به هسته اتم قوی است. در نتیجه این الکترون‌ها نمی‌توانند از هسته جدا شوند و داخل ماده حرکت کنند. پس در یک ماده نارسانا، یا الکترون آزاد وجود ندارد یا ممکن است تعداد خیلی خیلی کمی الکترون آزاد وجود داشته باشد. در نتیجه رسانایی یا هدایت الکتریکی یک ماده نارسانا ضعیف است.
اعمال ولتاژ ۱۲ v به مقطع یک سیم مسی (شکل بالا) و یک سیم پلاستیکی (شکل پایین)
در شکل بالا می‌دانیم مس، رسانا است. پس سیم مسی دارای تعداد زیادی الکترون آزاد است. این الکترون‌ها می‌توانند جریان را پس از دریافت ولتاژ ۱۲ ولتی به‌خوبی هدایت کنند. اگر دقت کنید الکترون بار منفی دارد و با قرار گرفتن در این مقطع از سیم، به سمت پایانه مثبت حرکت می‌کند. پس جهت جریان، از پایانه منفی منبع ولتاژ به سمت پایانه مثبت آن است. ولی پلاستیک نارسانا است و الکترون آزادی ندارد. بنابراین حتی با اعمال ولتاژ ۱۲ ولتی به سیم پلاستیکی، باز هم جریانی از این سیم عبور نخواهد کرد. پس اهمیت رسانایی ماده در عبور جریان را نباید فراموش کنیم.
تفاوت نحوه وابستگی جریان و ولتاژ به هم
طبق قانون اهم، این جریان است که به ولتاژ وابسته است. هر چه ولتاژ بیشتر شود، با صرف نظر کردن از اثر مقاومت سیم حامل جریان، جریان عبوری از یک عنصر در مدار الکتریکی مانند یک لامپ بیشتر خواهد شد. در یک ولتاژ ثابت، برای افزایش جریان مقاومت باید کم شود. پس اندازه جریان الکتریکی به‌صورت مستقیم با ولتاژ و به‌صورت معکوس با مقاومت تغییر می‌کند:
«فهیمه سکاکی» دانش‌آموخته مقطع دکتری فیزیک گرایش حالت جامد است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک لایه‌های نازک در سلول‌های خورشیدی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.
۳ دیدگاه برای «ولتاژ چیست؟ – انواع و تفاوت با جریان به زبان ساده»
اکبر
با سلام ضمن تشکر از مطالب بسیار عالیتون که واقعا مباحث تخصصی و سخت رو با زبانی ساده و قابل فهم برای همه مینویسید یه پیشنهاد داشتم اگه میشه از فونت سیاه و پررنگتر برای مطالبتون استفاده کنید نه خاکستری یا سیاه کم رنگ چرا که نیاز به نزدیک شدن به صفحه کامپیوتر داره ولی اگه سیاه پررنگ باشه میشه از فواصل دورتر هم مطالب رو خوند ممنون
امیر سجاد
ممنونم . از استاد عزیز اموزش عالی بود. در حالت کلی چرا از حروف فرمول ها در اموزش استفاده نمیکنید. به شکل زیر مینویسیدV_{D}=I\times R\times L$$ در این حالت سخته درک مطلب .متشکرم
رضا مقدری
سلام، وقت شما بخیر؛
احتمالاً صفحه برای شما به درستی بارگذاری نشده است، لطفاً مجدداً صفحه را رفرش بفرمایید تا فرمول‌ها را به شکل صحیح مشاهده کنید. همچنین، در صورتیکه با مشکل مواجه هستید لطفاً سیستم عامل و مرورگری که استفاده می‌کنید را جهت بررسی بیشتر اعلام بفرمایید.
شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آن‌ها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
با سلام ضمن تشکر از مطالب بسیار عالیتون که واقعا مباحث تخصصی و سخت رو با زبانی ساده و قابل فهم برای همه مینویسید یه پیشنهاد داشتم اگه میشه از فونت سیاه و پررنگتر برای مطالبتون استفاده کنید نه خاکستری یا سیاه کم رنگ چرا که نیاز به نزدیک شدن به صفحه کامپیوتر داره ولی اگه سیاه پررنگ باشه میشه از فواصل دورتر هم مطالب رو خوند ممنون
ممنونم . از استاد عزیز اموزش عالی بود. در حالت کلی چرا از حروف فرمول ها در اموزش استفاده نمیکنید. به شکل زیر مینویسیدV_{D}=I\times R\times L$$ در این حالت سخته درک مطلب .متشکرم
سلام، وقت شما بخیر؛
احتمالاً صفحه برای شما به درستی بارگذاری نشده است، لطفاً مجدداً صفحه را رفرش بفرمایید تا فرمول‌ها را به شکل صحیح مشاهده کنید. همچنین، در صورتیکه با مشکل مواجه هستید لطفاً سیستم عامل و مرورگری که استفاده می‌کنید را جهت بررسی بیشتر اعلام بفرمایید.