ولتاژ

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
ولتاژ
AA AAA AAAA A23 battery comparison-1.jpg
باتری are sources of voltage in many مدار الکتریکی.
نمادهای رایج
V , V , U , U
دستگاه بین‌المللی یکاهاولت
استخراج از
کمیت‌های دیگر
Voltage=انرژی / بار الکتریکی
تحلیل ابعادیM L2 T−3 I−1

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی یا فشار برق کارِ لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطهٔ دیگر است.[۱] اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌تواند منجر به برقراری جریان الکتریکی شود. برای میدان الکترواستاتیک، ولتاژ معادل با اختلاف پتانسیل الکتریکی است، ولی در حالت کلی که میدان الکتریکی و مغناطیسی با زمان تغییر می‌کنند. این دو معادل یکدیگر نیستند.[۲] در این حالت پتانسیل مغناطیسی نیز مطرح می‌شود.
یکای آن در دستگاه بین‌المللی یکاها، ولت (V) یا ژول بر کولن (j/c) است. یکای پایه‌اش نیز کیلوگرم در مجذور متر، بر مجذور ثانیه در کولن (Kg m۲/s۲ c) است.

اختلافات پتانسیل الکتریکی بین نقاط می‌تواند در اثر بار الکتریکی، جریان الکتریکی از طریق یک میدان مغناطیسی، توسط میدان‌های مغناطیسی متغیر با زمان یا ترکیبی از این سه ایجاد شود.[۳][۴] یک ولت‌متر می‌تواند برای اندازه‌گیری ولتاژ (یا اختلاف پتانسیل) بین دو نقطه در یک سیستم استفاده شود. اغلب از پتانسیل مرجع مشترک مانند زمین سیستم به عنوان یکی از نقاط اندازه‌گیری استفاده می‌شود. یک ولتاژ ممکن است منبع انرژی (نیروی برق) یا تلفات، انرژی مصرف شده یا ذخیره شده (افت ولتاژ) باشد.

توصیف شهودی ولتاژ[ویرایش]

یک قیاس ساده برای یک مدار الکتریکی، آب در مدار بسته لوله‌کشی است که توسط یک پمپ مکانیکی هدایت می‌شود. این را می‌توان «مدار آب» نامید. اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه با اختلاف فشار (ناشی از ارتفاع یا فشار پمپ) بین دو نقطه مطابقت دارد. اگر پمپ اختلاف فشار را بین دو نقطه ایجاد کند، آنگاه آب از یک نقطه به نقطه دیگر می‌تواند جابجا شود. به‌طور مشابه، این کار را می‌توان با جریان الکتریکی رانده شده توسط اختلاف پتانسیل ارائه شده توسط باتری انجام داد. به عنوان مثال، ولتاژ تأمین شده توسط یک باتری خودرو می‌تواند جریان زیادی را از طریق سیم پیچ‌های استارت اتومبیل ایجاد کند. اگر پمپ کار نکند، اختلاف فشار ایجاد نمی‌کند و پرهٔ پمپ نمی‌چرخد. به همین ترتیب، اگر باتری خودرو بسیار ضعیف یا خوابیده باشد، ماشین استارت نمی‌خورد.

قیاس با آب یک روش مفید برای درک بسیاری از مفاهیم برقی است. در چنین سیستمی، کارهایی که برای جابجایی آب انجام می‌شود برابر با فشار ضرب شده با حجم آب منتقل شده‌است. به‌طور مشابه، در یک مدار الکتریکی، کار انجام شده برای جابجایی الکترون‌ها یا سایر حامل‌های بار برابر است با «فشار الکتریکی» ضرب شده با مقدار بارهای الکتریکی منتقل شده. در رابطه با «جریان»، هرچه «اختلاف فشار» بین دو نقطه بزرگتر باشد (اختلاف پتانسیل یا اختلاف فشار آب)، جریان بین آن‌ها بیشتر می‌شود (جریان الکتریکی یا جریان آب). (به نیروی الکتریکی مراجعه کنید).

تاریخچه[ویرایش]

اصطلاح نیروی الکتریکی اولین بار توسط ولتا در نامه ای به Giovanni Aldini در سال ۱۷۹۸ استفاده شد، و اولین بار در سال ۱۸۰۱ در مقاله ای منتشر شده در Annales de chimie et de physique ظاهر شد.[۵]:۴۰۸ ولتا (Volta) به معنای این نیرو بود که نبود. نیروی الکترواستاتیک، به‌طور خاص، یک نیروی الکتروشیمیایی است.[۵]:۴۰۵ این اصطلاح توسط مایکل فارادی در رابطه با القای الکترومغناطیسی در دهه ۱۸۲۰ مطرح شد. با این حال، تعریف روشنی از ولتاژ و روش اندازه‌گیری آن در آن زمان ارائه نشده بود.[۶] ولتا نیروی الکتروموتور (emf) را از تنش (اختلاف پتانسیل مشاهده شده در پایانه‌های یک سلول الکتروشیمیایی) متمایز می‌کند. وقتی مدار باز بود دقیقاً باید emf سلول را متعادل کند، تا جریان جاری نشود.[۵]:۴۰۵

ارتباط ولتاژ با میدان الکتریکی[ویرایش]

کار انجام شده بر روی بار Q عبارتست از حاصل ضرب شدّت میدان الکتریکی مقدار بار و فاصله:
W=F d، F=E Q → W=E Q d, V=W/Q → V=E Q d/Q=E d → V=E d → E=V/d
واحد میدان الکتریکی ولت بر متر است (V/m).
در تعریف ولتاژ، مقدار کار خود به خودی لحاظ نمی‌شود. مثلاً، اگر برای جابه‌جایی بار q کار w خود به خود انجام شود، باید در تعریف آن مقدار کار w- را لحاظ کرد.

با استفاده از روابط میدان الکتریکی، اختلاف ولتاژ دو نقطه می‌تواند طبق رابطهٔ زیر محاسبه شود:

در این حالت، افزایش ولتاژ از نقطه A به نقطه B برابر است با کار انجام شده برای هر واحد بار الکتریکی، در برابر میدان الکتریکی، برای انتقال بار از A به B بدون ایجاد هرگونه شتاب. از نظر ریاضی، این به عنوان انتگرال خطی میدان الکتریکی در طول آن مسیر بیان می‌شود. براساس این تعریف، اختلاف ولتاژ بین دو نقطه در صورت وجود میدان‌های مغناطیسی متغیر با زمان مشخص نیست زیرا نیروی الکتریکی در چنین مواردی یک نیروی پایستار نیست.

اندازه‌گیری ولتاژ[ویرایش]

مشخص کردن اندازه‌گیری ولتاژ نیاز به اتصال مستقیم یا غیرمستقیم نقاطی دارد که ولتاژ در آن اندازه‌گیری می‌شود. هنگام استفاده از ولت‌متر برای اندازه‌گیری اختلاف ولتاژ، باید یک سر ولت‌متر به نقطه اول وصل شود و یک سر به نقطه دوم.

دستگاه‌های اندازه‌گیری[ویرایش]

ابزار اندازه‌گیری ولتاژها شامل ولت‌متر، پتانسیومتر و اسیلوسکوپ است. ولت‌مترهای آنالوگ مانند ابزارهای سیم پیچ متحرک، با اندازه‌گیری جریان از طریق یک مقاومت ثابت کار می‌کنند، که مطابق قانون اهم با ولتاژ موجود در مقاومت متناسب است. پتانسیومتر با تعادل ولتاژ ناشناخته در برابر ولتاژ شناخته شده در مدار پل کار می‌کند. اسیلوسکوپ پرتوی کاتدی با تقویت ولتاژ و استفاده از آن برای از بین بردن پرتوی الکترون از یک مسیر مستقیم کار می‌کند، به طوری که تغییر شکل پرتو متناسب با ولتاژ است.

افت ولتاژ[ویرایش]

کاربرد مشترک اصطلاح «ولتاژ» در توصیف ولتاژ دو سر یک دستگاه برقی (مانند مقاومت) است. افت ولتاژ در دستگاه می‌تواند به عنوان تفاوت اندازه‌گیری در هر ترمینال دستگاه با توجه به یک نقطه مرجع مشترک (یا زمین) درک شود. افت ولتاژ تفاوت بین دو قرائت است. دو نقطه در یک مدار الکتریکی که توسط یک هادی ایده‌آل و بدون مقاومت به یکدیگر وصل می‌شوند و در یک میدان مغناطیسی در حال تغییر نیستند اختلاف ولتاژ صفر دارند. هر دو نقطه با همان پتانسیل ممکن است توسط یک هادی وصل شود و هیچ جریانی بین آن‌ها جریان نخواهد داشت.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. "To find the electric potential difference between two points A and B in an electric field, we move a test charge q0 from A to B, always keeping it in equilibrium, and we measure the work WAB that must be done by the agent moving the charge. The electric potential difference is defined from VB − VA = WAB/q0" Halliday, D. and Resnick, R. (1974). Fundamentals of Physics. New York: John Wiley & Sons. p. 465.
  2. Demetrius T. Paris and F. Kenneth Hurd, Basic Electromagnetic Theory, Mc Graw Hill, New York 1969, page 546
  3. Demetrius T. Paris and F. Kenneth Hurd, Basic Electromagnetic Theory, McGraw-Hill, New York 1969, ISBN 0-07-048470-8, pp. 512, 546
  4. P. Hammond, Electromagnetism for Engineers, p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336.
  5. ۵٫۰ ۵٫۱ ۵٫۲ Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Electromotive force: Volta's forgotten concept", American Journal of Physics, vol. 48, iss. 5, pp. 405–408, May 1980.
  6. C. J. Brockman, "The origin of voltaic electricity: The contact vs. chemical theory before the concept of E. M. F. was developed", Journal of Chemical Education, vol. 5, no. 5, pp. 549–555, May 1928