رابطه اهم، ولتاژ، آمپر و مقاومت به زبان ساده با تصویر
رابطه اهم، ولتاژ، آمپر و مقاومت به زبان ساده با تصویر

ولتاژ چیست؟

ولتاژ یا فشار برق که در فیزیک با نام اختلاف پتانسیل شناخته می شود، اختلاف در پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان برداری پایدار است. که وظیفه جابجایی بار الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر را دارد. در واقع اختلاف پتانسیل الکتریکی باعث برقراری جریان الکتریکی می شود.

در مهندسی، این کمیت گاهاً به عنوان متغیرهای عرضی در برابر کمیت هایی مانند شار که متغیر عبوریاست، توصیف می شود.

اختلاف پتانسیل به صورت مقدار کار انجام شده برای انتقال واحد بار الکتریکی از نقطه دوم به نقطه اول یا به طور برابر، مقدار کاری که واحد بار می تواند در انتقال از نقطه اول به نقطه دوم انجام دهد، است. در سیستم واحد های ««SI، اختلاف پتانسیل، پتانسیل الکتریکی و نیروی الکتروموتیو توسط ««ولت که نشان دهنده واژه معروف ولتاژ و نماد V است، اندازه گیری می شود.

یا به تعریف ساده تر: در صورتی که یک مدار الکتریکی را به حرکت آب در یک لوله (بدون در نظر گرفتن جاذبه زمین) توسط پمپ به حرکت در می آید، تشبیه کنیم، اختلاف پتانسیل می شود، فشار بین دو نقطه. در صورتی که اختلاف پتانسیلی بین دو نقطه وجود داشته باشد، انرژی حاصله از حرکت آب از نقطه اول به نقطه دوم قادر به انجام کار خواهد بود، مانند به حرکت درآوردن یک توربین آبی.

ولتاژ خاصیت جمع پذیری دارد، به این معنی که ولتاژ بین نقطه A و نقطه C برابر است با ولتاژ بین A و B به علاوه ولتاژ بین B و C.

تاریخچه کشف ولتاژ

در سال ۱۸۰۰ میلادی و در پی یک اختلاف حرفه ای بر سر واکنش گالوانیکی که از سوی لوییجی گالوانی حمایت می شد، الساندور ولتا پیل ولتایی خود را که مقدمه ابداع باتری بود، اختراع، و این پیل جریان الکتریکی پایداری را ایجاد می کرد. آقای ولتا همچنین کشف کرد که موثرترین جفت فلز متفاوتی که می توانند جریان الکتریسته ایجاد کنند، روی و نقره هستند.

به افتخار این دانشمند ایتالیایی «Alessandro Volta» این کمیت ولت (Volt) نام گرفت که با علامت اختصاریv  شناخته می شود.

در دهه ۱۸۰۰میلادی کنگره بین المللی الکتریکی که امروزه با نام کمیسیون بین المللی الکترونیکی (IEC) شناخته می شود، ولت را برای نیروی الکتروموتیو تصویب کرد. ولت به صورت اختلاف پتانسیل یک هادی زمانی که یک جریان یک آمپر توان یک وات را ایجاد می کند، تعریف شد.

مقاومت الکتریکی چیست؟

به میزان حرکت الکترون ها در عنصر های مختلف، مقاومت الکتریکی گفته می شود. عنصر های که در آنها الکترونها آزادانه تر حرکت کنند (مانند فلزات)، دارای مقاومت الکتریکی کمتر هستند. از این عناصر به عنوان حامل الکتریسیته استفاده می شود. (مانند مس که در سیم های الکتریکی استفاده می شود)

همچنین از عنصرهای که دارای مقاومت الکتریکی بالاتر هستند به عنوان مصرف کننده استفاده می شود.لازم به توضیح است که الکتریسیته در هنگام عبور از این عناصر گرما تولید می کند.

عناصری مانند گرافیت، تنگستن، آهن، از جمله عناصری هستند که دارای مقاومت الکتریکی تقریبا بالا هستند.

مقاومت الکتریکیِ برحسب اهم اندازه‌ گیری می شود و نماد آن اهم (حرف یونانی اُمگای بزرگ یا Ω ) است. یک امگا برابر است با مقاومت بین دو نقطه که اختلاف پتانسیل یک ولت به آن‌ها اعمال شده و جریان یک آمپر از آنها عبور می کند.

مقادیر بزرگ مقاومت با پیشوندهای کیلو، مگا یا گیگا نشان داد می شود که رایج ترین آنها معمولاً کیلو است. به عنوان مثال، ۴٫۷ کیلو اهم برابر است با ۴۷۰۰ اهم است.

جریان الکتریکی چیست؟

در الکتریسته به جریان سرعت عبور الکترونها در یک سیم مسی یا هر جسم رسانای دیگر جریان الکتریکی می گویند. جریان قراردادی است که در ابتدای تاریخ علم الکتریسته به صورت عبور بارهای مثبت تعریف شده بود. اما امروزه می دانیم که جریان الکتریسته بر اثر عبور بارهای منفی الکترون، در جهت مخالف در صورت داشتن رسانای فلزی بوجود می آبد.

امروزه با اینکه می دانیم این درک اشتباه از جریان الکتریکی بود، اما در تعریف قراردادی جریان، چیزی تغییر نکرده است. نمادی که عموما برای نشان دادن جریان الکتریکی (که در واقع میزان باری است که در ثانیه از مقطع هادی عبور میکند) در مدار بکار می‌رود، I است.

تاریخچه جریان الکتریکی

کشف الکتریسیته به ۶۰۰ سال قبل از میلاد می رسد. در داستانهای میلتوس نوشته شده است که یک کهربا در اثر مالش کاه را به طرف خود جذب می کند. مغناطیس از زمانی که مشاهده گردید، بعضی از سنگها مانند مگنیتیت، آهن را می‌ربایند، شناخته شد. در ابتدا الکتریسیته و مغناطیس بصورت جداگانه توسعه پیدا کردند، اما در سال ۱۸۲۵ میلادی دانشمندی به نام اورستد (Orested) رابطه ای بین آنها مشاهده کرد که در اداما آن را شزح می دهیم. او کشف کرد که اگر جریانی از سیم عبور کند می تواند یک جسم مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. در سالهای بعد دانشمند دیگری به نام فاراده پی برد که الکتریسیته و مغناطیس جدا از هم نبوده و و هر دو در مبحث الکترومغناطیس قرار می گیرند.

واحد اندازه گیری جریان الکتریکی کولن بر ثانیه (C/s) است که با $I$ نشان داده می شود و نام دانشمند فرانسوی «Andre-Marie Ampere» یعنی «آمپر» را به این واحد اختصاص داده ‌اند.

قانون اهم چیست؟

قانون اهم ارتباط بین سه کمیت اصلی جریان، ولتاژ و مقاومت (که پیشتر آنها را توضیح دادیم) را مشخص می کند. این قانون بیان می کند که جریان به صورت مستقیم با ولتاژ و به صورت عکس با مقاومت متناسب است. تمام تکنولوژی بشر مدیون این قانون است.

جریانی که از هر قطعه یا عنصر الکتریکی عبور می کند از «قانون اهم» پیروی می کند (مانند کابل ها و مقاومت ها که ماهیت «اهمی» دارند) و متناسب با ولتاژ دو سر آن است. همچنین، قطعاتی که چنین رابطه مستقمی بین جریان و ولتاژ آنها برقرار نیست (مانند دیودها و ترانزیستورها)، «غیراهمی» نامیده می شوند.

رابطه اهم، ولتاژ و آمپر با یکدیگر

 

رابطه اهم، ولتاژ و آمپر با یکدیگر

شکل زیر از یک تانکر و یک باریکه تشکیل شده است را در نظر بگیرید است. در این تصوریر آب را معادل بار الکتریکی، اختلاف فشار آب را معادل ولتاژ و جریان آب عبوری از باریکه را معادل جریان الکتریکی در نظر بگیرید.

 

رابطه اهم، ولتاژ و آمپر با یکدیگر

 

با افزایش مقدار آب موجود در تانکر، فشار آب و در نتیجه آن جریان آب عبوری از باریکه زیاد می شود. به این معنی که یعنی جریان الکتریکی رابطه مستقیمی با بار الکتریکی دارد.

همچنین با افزایش ارتفاع تانکر جریانی که از باریکه عبور می کند به دلیل فشار بیشتر افزایش می یابد. و به این معنی است که جریان الکتریکی با ولتاژ الکتریکی رابطه مستقیم دارد.

حال  تصویر زیر را مشاهده کنید. در تصویر زیر تمام شرایط بجز عرض باریکه در دو تانکر آب برابر است. در این شرایط مقدار آبی که از تانکر سمت چپ خارج می شود بیشتر خواهد بود.

 

رابطه اهم، ولتاژ و آمپر با یکدیگر

 

این موضوع مفهوم «مقاومت» را به نوعی ساده بیان می کند. باریکه با عرض کم مقاومت بیشتری نسبت به عرض زیاد در مقابل جریان آب از خود نشان می دهد.

 

رابطه اهم، ولتاژ و آمپر با یکدیگر

 

بررسی های انجام شده در تصاویر بالا نشان داد که مسیری که مقاومت بیشتری دارد جریان الکتریکی کمتر و مسیری که مقاومت کمتری دارد می تواند جریان الکتریکی بیشتری عبور از خود عبور دهد.

این برسی ها تنها زمانی درست هستند که هر دو مسیر دارای ولتاژ (میزان آب) یکسانی باشند. حال در تصویر زیر نشان می دهیم که چگونه در دو شرایط با مقاومت مختلف جریان مساوی بدست بیاوریم.

 

رابطه اهم، ولتاژ و آمپر با یکدیگر

 

در این تصویر با اینکه قطر باریکه در شکل سمت راست کمتر و در نتیجه مقاومت بیشتر از شکل سمت چپ است، اما جریان خروجی از دو باریکه به یک میزان است. دلیل این امر این است که متناسب با بیشتر بودن مقاومت باریکه خروجی سمت راست، ارتفاع آب یا همان ولتاژ بالای آن نیز بیشتر است.