اختلاف پتانسیل چیست؟ – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

۳۵۶۵۳ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۵ آذر ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۱۶ دقیقه
دانلود PDF مقاله
اختلاف پتانسیل چیست؟ – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)اختلاف پتانسیل چیست؟ – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس درباره پتانسیل الکتریکی صحبت کردیم. در این آموزش قصد داریم به بررسی اختلاف پتانسیل بپردازیم.

997696
محتوای این مطلب جهت یادگیری بهتر و سریع‌تر آن، در انتهای متن به صورت ویدیویی نیز ارائه شده است.

تعریف اختلاف پتانسیل

تفاوت ولتاژ بین دو نقطه از یک مدار، «اختلاف پتانسیل» (Potential Difference) نامیده می‌شود. عبور جریان، به دلیل اختلاف پتانسیل بین دو نقطه روی می‌دهد. در یک مدار الکتریکی بسته، جریان به فرم بار الکتریکی حرکت می‌کند. اما اختلاف پتانسیل مفهومی متفاوت دارد و حرکت نمی‌کند. واحد اختلاف پتانسیل ولت نام دارد. یک ولت به صورت زیر تعریف می‌شود:

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=IRV = I \ast R

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. برای مثال، اگر یک پایانه از مقاومت ۱۰ اهمی ولتاژی برابر ۸ ولت و ولتاژ پایانه دیگر ۵ ولت باشد، اختلاف پتانسیل در این مقاومت برابر ۳ ولت خواهد بود. این اختلاف پتانسیل، باعث عبور جریانی به اندازه 0.3 آمپر از مقاومت می‌شود. حال اگر ولتاژ یک طرف، از ۸ ولت به ۴۰ ولت برسد، اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت برابر 40V5V=35V40V - 5 V = 35 V خواهد شد. بنابراین جریانی معادل ۳.۵ آمپر از مقاومت عبور خواهد کرد. بنابراین با افزایش اختلاف پتانسیل بین دو طرف مقاومت، جریان گذرنده از مقاومت نیز زیاد می‌شود.

ولتاژ هر نقطه از مدار همیشه نسبت به یک «نقطه مرجع» (Reference Point) اندازه‌گیری می‌شود. فرض می‌شود که ولتاژ این نقطه مرجع برابر صفر است. برای مدارهای الکتریکی، پتانسیل الکتریکی زمین برابر با صفر ولت فرض می‌شود و همه چیز بر اساس این ولتاژ مرجع اندازه‌گیری می‌شود. این مسئله، همانند اندازه‌گیری ارتفاع است. مثلا ارتفاع کوه‌ها، همواره نسبت به سطح دریا اندازه‌گیری می‌شود و فرض می‌شود ارتفاع سطح دریا، مرجع و برابر صفر است.

به همین ترتیب، می‌توان نقطه مرجع یک مدار را برابر صفر ولت در نظر گرفت و آن را زمین با ولتاژ صفر نامید و ولتاژ در نقاط دیگر مدار را نسبت به این نقطه زمین محاسبه و مقایسه کرد. در شماتیک‌های الکتریکی، استفاده از نقطه مرجع یا نقطه مشترک باعث رسم ساده‌تر مدار می‌شود. زیرا فرض می‌شود که همه نقاط نسبت به این نقطه مرجع، سنجیده می‌شوند.

برای مثال شکل زیر را در نظر بگیرید:

اختلاف پتانسیلواحد اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل، «ولت» (Volt) است. به همین دلیل، اختلاف پتانسیل را «ولتاژ» (Voltage) نیز می‌نامند. همانطور که در مبحث مربوط به مقاومت‌های سری مشاهده شد، ولتاژهای سری با یکدیگر جمع می‌شوند تا یک «ولتاژ کلی» (Total Voltage) را تشکیل دهند. در مبحث مقاومت‌های موازی نیز مشاهده کردیم که ولتاژ مقاومت‌های موازی با یکدیگر برابر است.

برای ولتاژهای سری متصل به هم داریم:

VT=V1+V2+V3+V_T = V_1 + V_2 + V_3 + \cdots

همچنین برای ولتاژهای موازی متصل به هم داریم:

VT=V1=V2=V3=V_T = V_1 = V_2 = V_3 = \cdots

در ادامه با بیان دو مثال، به توضیح بیشتر اختلاف پتانسیل می‌پردازیم.

مثال ۱

جریان گذرنده از یک مقاومت با استفاده از قانون اهم قابل محاسبه است. ابتدا جریان گذرنده از یک مقاومت ۱۰۰ اهمی را بیابید. ولتاژ در پایانه A برابر ۵۰ ولت و در پایانه B برابر ۳۰ ولت است. بنابراین، اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت به صورت زیر داده می‌شود:

VA=50v,VB=30vVAVB=5030=20vV_A = 50v \, \, \, , \, \, \, V_B = 30 v \to V_A - V_B = 50 - 30 = 20 v

بنابراین اختلاف پتانسیل در دو سر مقاومت برابر ۲۰ ولت است. جریان گذرنده از مقاومت به صورت زیر است:

I=VAB÷R=20v÷100Ω=200mAI = V_{AB} \div R = 20 v \div 100 \Omega = 200mA

شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ

در مبحث مربوط به مقاومت‌های سری، دیدیم که با اتصال سری مقاومت‌ها به یک منبع ولتاژ می‌توان یک تقسیم‌کننده ولتاژ ساخت. ولتاژ در این مدار، بین نقاط مختلف تقسیم می‌شود. به این ترتیب، یک «شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ» (Voltage Divider Network) خواهیم داشت. این شبکه فقط در ساختارهای سری ایجاد می‌شود. زیرا مقاومت‌های موازی، شبکه تقسیم‌کننده جریان ایجاد می‌کنند. برای مثال، مدار شکل زیر را در نظر بگیرید:

تقسیم ولتاژمدار نشان داده شده در شکل، اساس تقسیم ولتاژ را نشان می‌دهد. در این مدار افت ولتاژ ایجاد شده در مقاومت‌های R1R_1 و R2R_2 و R3R_3 و R4R_4 برای شبکه مقاومتی سری، نسبت به یک نقطه مرجع مشترک با ولتاژ صفر ولت سنجیده می‌شود.

پس طبق قانون اهم برای هر تعداد مقاومت که به صورت سری متصل هستند، با تقسیم ولتاژ منبع VsV_s به مقاومت کلی مدار (RTR_T) می‌توان جریان گذرنده از مدار را محاسبه کرد. معادله زیر، مقدار این جریان را نشان می‌دهد:

I=VsRI = \frac{V_s}{R}

پس افت ولتاژ ایجاد شده در هر مقاومت با رابطه V=IRV= I \ast R قابل محاسبه است. در این رابطه، RR مقدار هر مقاومت است.

به دلیل جمع شدن اختلاف پتانسیل‌ها، ولتاژ در نقطه P2P_2 نسبت به نقطه P1P_1 بیشتر است. ولتاژ در نقطه P3P_3 جمع ولتاژ در نقطه P2P_2 و اختلاف پتانسیل P3P_3 و P2P_2 است. این جمع ولتاژها تا نقطه P4P_4 ادامه پیدا می‌کند. ولتاژ در این نقطه با ولتاژ منبع (VsV_s) برابر است. رابطه افت ولتاژ در هر نقطه از مدار به صورت زیر است:

V(x)=R(x)RTVSV_{(x)} = \frac{R_{(x)}}{R_T} V_S

که در آن، V(x)V_{(x)} ولتاژ در نقطه xx و R(x)R_{(x)} مقاومت معادل تا آن نقطه و RTR_T مقاومت معادل سری کلی مدار و VSV_S ولتاژ منبع است.

مثال ۲

در مدار بالا، چهار مقاومت با اندازه‌های R1=10ΩR_1 = 10 \Omega و R2=20ΩR_2 = 20 \Omega و R3=30ΩR_3 = 30 \Omega و R4=40ΩR_4 = 40 \Omega به یک منبع ولتاژ ۱۰۰ ولتی متصل شده‌اند. با استفاده از فرمول بالا، افت ولتاژ را در نقاط P1P_1 و P2P_2 و P3P_3 و P4P_4 بیابید. همچنین افت ولتاژ ایجاد شده در هر مقاومت از زنجیره سری را محاسبه کنید.

حل: ولتاژ در نقاط مختلف مدار به صورت زیر محاسبه می‌شود:

VP1=R1RT×VS=(10)100(10+20+30+40)=10VoltsV_{P1} = \frac{R_1}{R_T} \times V_S = \frac{(10)100}{(10+20+30+40)} = 10 \, Volts

VP2=R1+R2RT×Vs=(10+20)100(10+20+30+40)=30VoltsV_{P2} = \frac{R_1 + R_2}{R_T} \times V_s = \frac{(10+20)100}{(10+20+30+40)} = 30 \, Volts

VP3=R1+R2+R3RT×Vs=(10+20+30)100(10+20+30+40)=60VoltsV_{P3} = \frac{R_1 + R_2 + R_3}{R_T} \times V_s =\frac{(10 +20 + 30)100}{(10+20+30+40)} = 60 \, Volts

VP4=Vs=100VoltsV_{P4} = V_s = 100 \, Volts

افت ولتاژ در هر یک از مقاومت‌های مدار برابر است با:

I=VSRT=100v(10+20+30+40)=100V100Ω=1Amp.I = \frac{V_S}{R_T} = \frac{100v}{(10+20+30+40)}= \frac{100V}{100 \Omega} = 1 Amp.

VR1=I×R1=1×10=10VoltsV_{R1} = I \times R_1 = 1 \times 10 = 10 \, Volts

VR2=I×R2=20VoltsV_{R2} = I \times R_2 = 20 \, Volts

VR3=I×R3=30VoltsV_{R3} = I \times R_3 = 30 \, Volts

VR4=I×R4=40VoltsV_{R4} = I \times R_4 = 40 \, Volts

با استفاده از این معادلات می‌توان گفت که افت ولتاژ هر مقاومت در شبکه سری با اندازه مقاومت متناسب است و طبق قانون ولتاژ کیرشهف، افت ولتاژ کلی در همه مقاومت‌ها، با منبع ولتاژ VsV_s برابر است. برای هر تعداد مقاومت سری، افت ولتاژ‌ در هر مقاومت با استفاده از «معادله تقسیم ولتاژ» (Voltage Divider Equation) قابل محاسبه است.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مدار‌های الکتریکی احتمالا آموزش‌های زیر می‌تواند برایتان کاربردی باشند:

فیلم‌ های آموزش اختلاف پتانسیل چیست؟ – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

فیلم آموزشی تعریف اختلاف پتانسیل

Video Player is loading.
Current Time 0:00
Duration 0:00
Loaded: 0%
1x
دانلود ویدیو

فیلم آموزشی شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ

Video Player is loading.
Current Time 0:00
Duration 0:00
Loaded: 0%
1x
دانلود ویدیو
بر اساس رای ۰ 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:
Electronics Tutorials
دانلود PDF مقاله
۷ دیدگاه برای «اختلاف پتانسیل چیست؟ – به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)»

با توجه به اینکه جریان های وارد شونده و خارج شونده از یک مقاومت باهم برابرند ، اختلاف پتانسیل یا افت ولتاژ مقاومت چگونه به وجود می اید؟

مقاومت خود اختلاف ولتاژ یا ولتاژ ندارد بلکه عامل اختلاف ولتاژ است
منبع تغذیه ولتاژ و اختلاف ولتاژ دارد

سلام
طبق فرمول R=V÷I با داشتن اختلاف پتانسیل و مقاومت(I=V÷R) با تقسیم اختلاف پتانسیل بر مقاومت جریان عبوری بدست می آید. 4=50÷200(4 آمپر)

ببخشید میشه این سوال رو حل کنید :
اختلاف پتانسیل مداری 200ولت میباشد.اگرمقاومت الکتریکی ان50 اهم باشد.شدت جریان الکتریکی مدارچقدراست؟

بستگی به نوع مدار و طریقه قرار گیری مقاومت و منبع تغذیه آن دارد

سلام دوست عزیز.جواباین سوالت میشه:
V=I*R
یعنی ولتاژ تقسیم بر مقاومت
جوابش میشه 4
امپر
با تشکر

I=A÷R
ولتاژ شما ۲۰۰ هست و مقاومت شما هم ۵۰ پس این دوتارو تقسیم میکنیم و میشه ۴

نظر شما چیست؟

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