ولتاژ چیست

ولتاژ که با نام‌های فشار الکتریکی، کشش الکتریکی یا اختلاف پتانسیل (الکتریکی) نیز شناخته می‌شود، اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه است. در یک میدان الکتریکی ساکن، مربوط به کار مورد نیاز در هر واحد بار برای حرکت یک بار آزمایشی بین دو نقطه است. در سیستم بین المللی واحدها، واحد مشتق شده برای ولتاژ ولت نامیده می شود.

ولتاژ بین نقاط می تواند ناشی از ایجاد بار الکتریکی (به عنوان مثال، خازن)، و نیروی الکتروموتور (به عنوان مثال، القای الکترومغناطیسی در ژنراتور، سلف، و ترانسفورماتور) باشد. در مقیاس ماکروسکوپی، یک تفاوت پتانسیل می تواند توسط فرآیندهای الکتروشیمیایی (به عنوان مثال، سلول ها و باتری ها)، اثر پیزوالکتریک ناشی از فشار، و اثر ترموالکتریک ایجاد شود.

برای اندازه گیری ولتاژ بین دو نقطه در یک سیستم می توان از ولت متر استفاده کرد. اغلب از یک پتانسیل مرجع مشترک مانند زمین سیستم به عنوان یکی از نقاط استفاده می شود. یک ولتاژ می تواند نشان دهنده یک منبع انرژی یا از دست دادن، اتلاف یا ذخیره انرژی باشد.

تعریف

در واحدهای SI، کار در واحد بار به صورت ژول بر کولن بیان می شود، که در آن 1 ولت = 1 ژول (کار) در هر 1 کولن (بار) است. تعریف قدیمی SI برای ولت برق و جریان استفاده می شود. از سال 1990، از هال کوانتومی و اثر جوزفسون استفاده شد و اخیراً (2019) ثابت‌های فیزیکی اساسی برای تعریف تمام واحدهای SI و واحدهای مشتق شده معرفی شده‌اند.

اختلاف ولتاژ به صورت نمادین با نشان داده می شود(بصورت ساده V)، به ویژه در کشورهای انگلیسی زبان، یا توسط U در سطح بین المللی، به عنوان مثال در زمینه قوانین مدار اهم یا کیرشهوف.

پتانسیل الکتروشیمیایی ولتاژی است که می توان مستقیماً با یک ولت متر اندازه گیری کرد. پتانسیل گالوانی که در سازه‌هایی با اتصالات مواد غیرمشابه وجود دارد نیز برای هر بار شارژ است، اما نمی‌توان آن را با یک ولت متر در مدار خارجی اندازه‌گیری کرد (به § پتانسیل گالوانی در مقابل پتانسیل الکتروشیمیایی مراجعه کنید).

ولتاژ طوری تعریف می شود که اجسام با بار منفی به سمت ولتاژهای بالاتر کشیده می شوند، در حالی که اجسام با بار مثبت به سمت ولتاژهای پایین تر کشیده می شوند. بنابراین، جریان معمولی در یک سیم یا مقاومت همیشه از ولتاژ بالاتر به ولتاژ پایین تر جریان می یابد.

از لحاظ تاریخی، ولتاژ با استفاده از اصطلاحاتی مانند “تنش” و “فشار” مورد اشاره قرار گرفته است. حتی امروزه، اصطلاح “کشش” همچنان استفاده می شود، به عنوان مثال در عبارت “تنش بالا” (HT) که معمولاً در الکترونیک مبتنی بر شیر ترمیونیک (لوله خلاء) استفاده می شود.

تعریف در الکترواستاتیک

در الکترواستاتیک، افزایش ولتاژ از نقطه   به نقطه ای با تغییر پتانسیل الکترواستاتیک از   به داده می شود. طبق تعریف،  این است:

در این حالت، افزایش ولتاژ از نقطه A به نقطه B برابر است با کار انجام شده در واحد بار، در برابر میدان الکتریکی، برای انتقال بار از A به B بدون ایجاد هیچ شتابی. این به عنوان انتگرال خط میدان الکتریکی در طول آن مسیر بیان می شود. در الکترواستاتیک، این انتگرال خط مستقل از مسیر طی شده است.

طبق این تعریف، هر مداری که در آن میدان‌های مغناطیسی متغیر با زمان وجود دارد، مانند مدارهای AC، ولتاژ مشخصی بین گره‌های مدار نخواهد داشت، زیرا نیروی الکتریکی در آن موارد نیروی محافظه‌کارانه نیست. با این حال، در فرکانس‌های پایین‌تر، زمانی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به سرعت در حال تغییر نیستند، می‌توان از این امر صرف نظر کرد.

تعمیم به الکترودینامیک

پتانسیل الکتریکی را می توان به الکترودینامیک تعمیم داد، به طوری که تفاوت در پتانسیل الکتریکی بین نقاط حتی در حضور میدان های متغیر با زمان به خوبی مشخص می شود. با این حال، برخلاف الکترواستاتیک، میدان الکتریکی دیگر نمی‌تواند تنها بر حسب پتانسیل الکتریکی بیان شود.

در این مورد کلی، برخی از نویسندگان  از کلمه “ولتاژ” برای اشاره به انتگرال خط میدان الکتریکی استفاده می کنند، نه به تفاوت در پتانسیل الکتریکی. در این مورد، افزایش ولتاژ در طول مسیری   از به به صورت زیر داده می شود:

با این حال، در این مورد “ولتاژ” بین دو نقطه به مسیر طی شده بستگی دارد.

درمان در نظریه مدار

در آنالیز مدارها و مهندسی برق، از مدل های المان توده ای برای نمایش و تحلیل مدارها استفاده می شود. این عناصر، عناصر مداری ایده آل و مستقلی هستند که برای مدل سازی اجزای فیزیکی استفاده می شوند.

هنگام استفاده از یک مدل عنصر توده ای، فرض می شود که اثرات تغییر میدان های مغناطیسی تولید شده توسط مدار به طور مناسب برای هر عنصر وجود دارد. تحت این مفروضات، میدان الکتریکی در ناحیه بیرونی هر جزء محافظه کارانه است و ولتاژهای بین گره ها در مدار به خوبی تعریف شده است، جایی که

تا زمانی که مسیر ادغام از درون هیچ جزء نگذرد. فرمول فوق همان فرمول مورد استفاده در الکترواستاتیک است. این انتگرال، با قرار گرفتن در مسیر ادغام در امتداد لیدهای آزمایش، همان چیزی است که یک ولت متر در واقع اندازه گیری می کند.

اگر میدان های مغناطیسی نامحدود در سراسر مدار ناچیز نباشد، می توان اثرات آنها را با افزودن عناصر القایی متقابل مدل کرد. اگرچه در مورد یک سلف فیزیکی، نمایش یکپارچه ایده آل اغلب دقیق است. این به این دلیل است که میدان های خارجی سلف ها به طور کلی ناچیز است، به خصوص اگر سلف دارای یک مسیر مغناطیسی بسته باشد. اگر میدان‌های خارجی ناچیز باشند، متوجه می‌شویم

مستقل از مسیر است و یک ولتاژ کاملاً مشخص در سرتاسر پایانه های سلف وجود دارد.[10] به همین دلیل است که اندازه گیری با یک ولت متر در عرض یک سلف اغلب به طور منطقی مستقل از محل قرارگیری سیم های آزمایش است.

ولت

ولت (نماد: V) واحد مشتق شده برای پتانسیل الکتریکی، ولتاژ و نیروی الکتروموتور است. این ولت به افتخار فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا (1745-1827) که شمع ولتایی را اختراع کرد، احتمالاً اولین باتری شیمیایی نامگذاری شده است.

قیاس هیدرولیک

یک تشبیه ساده برای یک مدار الکتریکی، جریان آب در یک مدار بسته لوله کشی است که توسط یک پمپ مکانیکی هدایت می شود. این را می توان “مدار آب” نامید. اختلاف پتانسیل بین دو نقطه با اختلاف فشار بین دو نقطه مطابقت دارد. اگر پمپ بین دو نقطه اختلاف فشار ایجاد کند، آنگاه آبی که از یک نقطه به نقطه دیگر جریان می یابد، قادر به انجام کارهایی مانند راندن توربین خواهد بود. به طور مشابه، کار را می توان با جریان الکتریکی که توسط اختلاف پتانسیل ارائه شده توسط باتری ایجاد می شود، انجام داد. به عنوان مثال، ولتاژ ارائه شده توسط یک باتری خودرو که به اندازه کافی شارژ شده است، می تواند جریان زیادی را از طریق سیم پیچ موتور استارت خودرو عبور دهد. اگر پمپ کار نکند، هیچ اختلاف فشاری ایجاد نمی کند و توربین نمی چرخد. به همین ترتیب، اگر باتری خودرو بسیار ضعیف یا “مرده” (یا “تخت”) باشد، موتور استارت را نمی چرخاند.

قیاس هیدرولیک روشی مفید برای درک بسیاری از مفاهیم الکتریکی است. در چنین سیستمی، کار انجام شده برای حرکت آب برابر است با «افت فشار» (مقایسه کنید p.d.) ضرب در حجم آب جابجا شده. به طور مشابه، در یک مدار الکتریکی، کار انجام شده برای حرکت الکترون ها یا سایر حامل های بار برابر است با “اختلاف فشار الکتریکی” ضرب در مقدار بارهای الکتریکی جابجا شده. در رابطه با «جریان»، هرچه «تفاوت فشار» بین دو نقطه (تفاوت پتانسیل یا اختلاف فشار آب) بیشتر باشد، جریان بین آنها (جریان الکتریکی یا جریان آب) بیشتر است.

برنامه های کاربردی

تعیین یک اندازه گیری ولتاژ مستلزم تعیین صریح یا ضمنی نقاطی است که ولتاژ در آنها اندازه گیری می شود. هنگام استفاده از ولت متر برای اندازه گیری ولتاژ، یک سیم برق ولت متر باید به نقطه اول و یکی به نقطه دوم متصل شود.

استفاده رایج از اصطلاح “ولتاژ” در توصیف ولتاژ افت شده در یک دستگاه الکتریکی (مانند مقاومت) است. افت ولتاژ در سراسر دستگاه را می توان به عنوان تفاوت بین اندازه گیری ها در هر پایانه دستگاه با توجه به یک نقطه مرجع مشترک (یا زمین) درک کرد. افت ولتاژ تفاوت بین این دو قرائت است. دو نقطه در مدار الکتریکی که توسط یک هادی ایده آل بدون مقاومت و در یک میدان مغناطیسی متغییر به هم متصل شده اند ولتاژ صفر دارند. هر دو نقطه با پتانسیل یکسان ممکن است توسط یک هادی به هم متصل شوند و جریانی بین آنها جریان نداشته باشد.

اضافه شدن ولتاژها

ولتاژ بین A و C مجموع ولتاژ بین A و B و ولتاژ بین B و C است. ولتاژهای مختلف در یک مدار را می توان با استفاده از قوانین مدار Kirchhoff محاسبه کرد.

وقتی صحبت از جریان متناوب (AC) می شود، بین ولتاژ لحظه ای و ولتاژ متوسط تفاوت وجود دارد. ولتاژهای لحظه ای را می توان برای جریان مستقیم (DC) و AC اضافه کرد، اما ولتاژهای متوسط را می توان به طور معناداری تنها زمانی اضافه کرد که برای سیگنال هایی اعمال شود که همگی فرکانس و فاز یکسان دارند.

ابزار اندازه گیری

ابزارهای اندازه گیری ولتاژ عبارتند از: ولت متر، پتانسیومتر و اسیلوسکوپ. ولت مترهای آنالوگ، مانند ابزارهای سیم پیچ متحرک، با اندازه گیری جریان از طریق یک مقاومت ثابت کار می کنند، که طبق قانون اهم، متناسب با ولتاژ دو طرف مقاومت است. پتانسیومتر با متعادل کردن ولتاژ مجهول در برابر ولتاژ شناخته شده در مدار پل کار می کند. اسیلوسکوپ پرتو کاتدی با تقویت ولتاژ و استفاده از آن برای انحراف پرتو الکترونی از مسیر مستقیم کار می کند، به طوری که انحراف پرتو متناسب با ولتاژ است.

ولتاژهای معمولی

یک ولتاژ رایج برای باتری های چراغ قوه 1.5 ولت (DC) است. یک ولتاژ رایج برای باتری های خودرو 12 ولت (DC) است.

ولتاژهای معمولی که توسط شرکت های برق به مصرف کنندگان عرضه می شود 110 تا 120 ولت (AC) و 220 تا 240 ولت (AC) است. ولتاژ خطوط انتقال برق مورد استفاده برای توزیع برق از نیروگاه ها می تواند چندین صد برابر بیشتر از ولتاژ مصرف کننده باشد، معمولاً 110 تا 1200 کیلو ولت (AC).

ولتاژ مورد استفاده در خطوط هوایی برای تغذیه لکوموتیوهای راه آهن بین 12 کیلو ولت تا 50 کیلو ولت (AC) یا بین 0.75 کیلو ولت تا 3 کیلو ولت (DC) است.

پتانسیل گالوانی در مقابل پتانسیل الکتروشیمیایی

در داخل یک ماده رسانا، انرژی یک الکترون نه تنها تحت تأثیر پتانسیل الکتریکی متوسط است، بلکه تحت تأثیر محیط حرارتی و اتمی خاصی است که در آن قرار دارد. هنگامی که یک ولت متر بین دو نوع فلز مختلف متصل می شود، الکترواستاتیک را اندازه گیری نمی کند. تفاوت پتانسیل، اما در عوض چیز دیگری است که تحت تأثیر ترمودینامیک است. مقدار اندازه گیری شده توسط یک ولت متر، منفی اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی الکترون ها (سطح فرمی) تقسیم بر بار الکترون است و معمولاً به عنوان اختلاف ولتاژ نامیده می شود، در حالی که پتانسیل الکترواستاتیکی خالص تنظیم نشده (با ولت متر قابل اندازه گیری نیست) است. گاهی اوقات پتانسیل گالوانی نامیده می شود. اصطلاحات “ولتاژ” و “پتانسیل الکتریکی” مبهم هستند، زیرا در عمل می توانند به هر یک از اینها در زمینه های مختلف اشاره کنند.

تاریخچه

اصطلاح نیروی الکتروموتور اولین بار توسط ولتا در نامه ای به جیووانی آلدینی در سال 1798 استفاده شد و اولین بار در مقاله ای منتشر شده در سال 1801 در Annales de chimie et de physique ظاهر شد. نیروی الکترواستاتیک، به طور خاص، یک نیروی الکتروشیمیایی.  این اصطلاح توسط مایکل فارادی در ارتباط با القای الکترومغناطیسی در دهه 1820 مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، تعریف روشنی از ولتاژ و روش اندازه‌گیری آن در حال حاضر ارائه نشده بود. هنگامی که مدار باز بود باید دقیقاً emf سلول را متعادل کند تا هیچ جریانی جریان نداشته باشد.

 

همه چیز درباره الکتریسیته را اینجا ببینید