ولتاژ

ولتاژ
ولتاژ
	باتری‌ها منابع ولتاژ در بسیاری از مدار الکتریکی هستند.
نمادهای رایج	V , ∆V , U , ∆U
دستگاه بین‌المللی یکاها	ولت
استخراج از; کمیت‌های دیگر	Voltage=انرژی / بار الکتریکی
تحلیل ابعادی	M L2 T−3 I−1

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی کارِ لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطهٔ دیگر است.^[۱] اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌تواند به برقراری جریان الکتریکی بینجامد.

ولتاژ برای میدان الکترواستاتیک، 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.m^۲/s^۲.c) است.

اختلافات پتانسیل الکتریکی دو نقطه ممکن است در اثر بار الکتریکی، جریان الکتریکی پدیدآمده از میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی متغیر با زمان، یا ترکیبی از این سه پدید آید.^[۳]^[۴]

از ولت‌متر برای اندازه‌گیری ولتاژ (یا اختلاف پتانسیل) بین دو نقطه استفاده می‌شود. یکی از این دو نقطه، اغلب پتانسیل مرجع، مانند زمین سیستم، است.

توصیف شهودی ولتاژ

یک قیاس ساده برای مدار الکتریکی، آب در مدار بسته لوله‌کشی است که با یک پمپ مکانیکی هدایت می‌شود. می‌توان آن را «مدار آب» نامید. اختلاف پتانسیل الکتریکی دو نقطه، با اختلاف فشار (ناشی از ارتفاع یا فشار پمپ) دو نقطه مطابقت دارد. اگر پمپ اختلاف فشار را بین دو نقطه ایجاد کند، آب از یک نقطه به نقطه دیگر جابه‌جا می‌شود. 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 دوسر 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 در 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 توان الکتریکی مراجعه کنید).

ولتاژ متداول

ولتاژ متداول برای باتری چراغ قوه ۱.۵ ولت (DC) است و ولتاژ متداول برای باتری اتوموبیل ۱۲ ولت (DC) است.

ولتاژ معمول تامین شده توسط شرکت‌های برق برای مصرف کننده‌ها بین ۱۱۰ تا ۱۲۰ ولت (AC) در شمال آمریکا و بین ۲۲۰ تا ۲۴۰ ولت (DC) در بیشتر اروپا است. ولتاژ در خط‌های انتقال توان الکتریکی که برای توزیع الکتریسیته از نیروگاه‌ها استفاده می‌شوند تا صد برابر بزرگتر از ولتاژ مصرف کننده‌ها است، عموما بین ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ کیلو ولت (AC).

ولتاژ استفاده شده در سیم‌های بالای سر قطار برای تامین توان لوکومتیوهای راه‌آهن استفاده می‌شود، بین ۱۲ کیلو ولت تا ۵۰ کیلو ولت متناوب (AC) یا بین ۷۵۰ ولت تا ۳ کیلو ولت مستقیم (DC) است.

ارتباط ولتاژ با میدان الکتریکی

کار انجام شده بر روی بار q عبارتست از حاصل ضرب شدت میدان الکتریکی، اندازهٔ بار و فاصله.

$W=F\,d$

از سوی دیگر،

$F=E\,q$

و

$V=W/q$

بنابراین،

$V=Ed$

با استفاده از روابط میدان الکتریکی، اختلاف پتانسیل دو نقطه A و B، این گونه محاسبه می‌شود:

{\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=V(x_{B})-V(x_{A})\\&=-\int _{r_{0}}^{x_{B}}{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}-\left(-\int _{r_{0}}^{x_{A}}{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}\right)\\&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}\end{aligned}}

اختلاف پتانسیل A و B برابر است با کار انجام‌شده برای انتقال بار الکتریکی q در میدان الکتریکی E از A به B با سرعت ثابت. به ریاضی، این با انتگرال خطی میدان الکتریکی در طول مسیر A تا B بیان می‌شود.

ابزارهای اندازه‌گیری

تجهیزات برای اندازه‌گیری ولتاژ می‌توان به ولت‌متر، پتانسیل‌متر و اسیلوسکوپ اشاره کرد. ولت‌متر آنالوگ مانند ابزارهای سیم‌پیج (کویل) متحرک، با اندازه‌گیری جریان عبوری از یک مقاومت تعیین شده کار می‌کند، که با توجه به قانون اهم، این جریان عبوری با ولتاژ دو سر مقاومت متناسب است. پتانسیل متر با مقایسه ولتاژ نامعلوم با یک ولتاژ معلوم در یک مدار پل کار می‌کند مثل پل وتسون و پل تار. اسیلوسکوپ پرتو کاتدی با تقویت ولتاژ و استفاده از آن برای منحرف کردن پرتو الکترونی از مسیر مستقیم کار می‌کند، به طوری که میزان انحراف پرتو الکترونی متناسب با اندازه ولتاژ است.

کاربردها

تعیین اندازه‌گیری ولتاژ نیازمند مشخص کردن صریح یا ضمنی نقطه‌هایی است که ولتاژ میان آنها اندازه‌گیری می‌شود. در استفاده از ولت متر برای اندازه‌گیری ولتاژ، باید یک سر ولت متر به نقطه اول و سر دیگر ولت متر به نقطه دوم متصل شود.

اصطلاح رایج "ولتاژ" در واقع افت ولتاژ روی یک المان الکتریکی (مثل مقاومت الکتریکی) را توصیف میکند. افت ولتاژ روی یک قطعه الکتریکی تفاوت ولتاژ اندازه‌گیری شده در هر یک از پایه‌‌های (ترمینال‌) قطعه الکتریکی نسبت به یک نقطه مرجع مشترک (یا زمین) است. افت ولتاژ تفاوت میان دو ولتاژ اندازه‌گیری شده است. دو نقطه در یک مدار الکتریکی که با یک هادی (رسانا) ایده‌آل بدون مقاومت به هم متصل باشند و در میدان مغناطیسی متغیر قرار نداشته باشند، افت ولتاژشان برابر صفر است. هر دو نقطه که پتانسیل الکتریکی یکسان داشته باشند را می‌توان با یک رسانا به هم متصل کرد و هیچ جریانی بین آن دو نقطه جاری نخواهد شد.

جمع ولتاژها

ولتاژ بین نقطه‌‌های A و C برابر با جمع ولتاژ بین نقطه‌های A و B و ولتاژ بین نقطه‌های B و C است. ولتاژ نقطه‌های گوناگون در یک مدار را می‌توان با قانون‌های مداری کیرشهف بدست آورد.

در مورد جریان متناوب (AC)، تفاوتی بین ولتاژ لحظه‌ای و ولتاژ میانگین وجود دارد. ولتاژ لحظه‌ای قابل جمع شدن در جریان مستقیم (DC) و متناوب (AC) است، اما ولتاژ میانگین فقط در سیگنال‌هایی با فرکانس و فاز یکسان به صورت معنادار قابل جمع است.

تاریخچه

اصطلاح نیروی الکتریکی را اولین بار در ۱۷۹۸ ولتا در نامه‌ای به جووانی آلدینی استفاده کرد، و در ۱۸۰۱ در مقاله‌ای در سال‌نامه شیمی و فیزیک ظاهر شد.^[۵] منظور ولتا از این نیرو نه یک نیروی الکترواستاتیک، بلکه یک نیروی الکتروشیمیایی بود.^[۵] این اصطلاح را مایکل فارادی در القای الکترومغناطیسی در ۱۸۲۰ مطرح کرد. با این حال، تعریف روشنی از ولتاژ و روش اندازه‌گیری آن در آن زمان پیشنهاد نشده‌بود.^[۶] ولتا نیروی محرکه الکتریکی (emf) را از تنش (اختلاف پتانسیل پایانه‌های یک سلول الکتروشیمیایی) جدا می‌دانست.^[۵]

جستارهای وابسته

منابع

↑ "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 W_AB that must be done by the agent moving the charge. The electric potential difference is defined from V_B − V_A = W_AB/q₀" Halliday, D. and Resnick, R. (1974). Fundamentals of Physics. New York: John Wiley & Sons. p. 465.
↑ Demetrius T. Paris and F. Kenneth Hurd, Basic Electromagnetic Theory, Mc Graw Hill, New York 1969, page 546
↑ Demetrius T. Paris and F. Kenneth Hurd, Basic Electromagnetic Theory, McGraw-Hill, New York 1969, ISBN 0-07-048470-8, pp. 512, 546
↑ P. Hammond, Electromagnetism for Engineers, p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336.
1 2 3 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.
↑ 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

[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 W_AB that must be done by the agent moving the charge. The electric potential difference is defined from V_B − V_A = W_AB/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.

[Varney-5] 1 2 3 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

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]