قانون اهم به زبان ساده؛ ولتاژ، جریان و مقاومت با مثال‌های کاربردی – قسمت اول - قانون اهم

در قسمت قبلی درباره‌ی الکترونیک و مباحث اولیه آن صحبت کردیم در این قسمت می خواهیم قانون اهم را به زبان ساده و روان شرح دهیم.

به‌احتمال خیلی زیاد تا حالا از یه باتری 1.5 ولتی استفاده کردید! عدد 1.5 که روی اون به عنوان ولتاژ نوشته شده چه معنی میده؟ اصن ولت و ولتاژ یعنی چی؟! دوست دارید رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت که در واقع قانون اهم هست رو یاد بگیرید؟ قانون اهم یکی از مبانی مهم الکترونیکه که شما حتماً باید اون رو بلد باشید! توی این آموزش، قصد نداریم تعاریف کتابی و کلیشه‌ای ارائه کنیم، میخوایم اون رو عملاً حس کنید و یاد بگیرید!
پس بزن بریم!

مقدمات قانون اهم

رسانای الکتریکی چیست؟

تعریف خیلی ساده رسانا میشه: “هر جسمی که جریان الکتریکی رو بتونه از خودش عبور بده!”. مثل انواع سیم‌ها و فلزها که به کمکشون جریان برق رو منتقل می‌کنیم. به رسانا “هادی” هم گفته میشه و اگه جسمی نتونه جریان برق رو از خودش عبور بده، میشه نارسانا! مثلاً یک وسیله پلاستیکی، نارسانا هست. البته نیمه رسانا یا نیمه هادی هم وجود داره که خودمون میتونیم کاری کنیم که هم رسانا به شه و هم نارسانا که بعداً در موردش بیشتر یاد می‌گیریم!

جریان الکتریکی چیه؟

حرکت منظم الکترون ها درون یک جسم رسانا رو جریان الکتریکی میگن. به همین سادگی!

سه پارامتر اصلی

هر موقه جریانی داخل یک هادی برقرار بشه، ما سه ویژگی ولتاژ، جریان و مقاومت رو می تونیم براش اندازه گیری کنیم. برای اینکه این موارد رو بهتر درک کنید، تصویر زیر رو زیر ببینید:

تشبیه مفاهیم الکترونیک به منبع آب

در منبع آب تصویر بالا:

مثال منبع آب رو ممکنه خیلی شنیده باشید، اما تازه بیشتر هم گیج شده باشید و نتونسته باشید رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت رو متوجه شده باشید! اشکالی نداره، با مثال های بیشتر، این موضوع رو بهتر متوجه میشید!

جریان چیه؟

جریان، واحدی است که با آن میزان الکترون های در حال گذر از یک نقطه را اندازه میگیریم و واحد اندازه گیری اون آمپر (Amps) هست که با A نشون میدیم. یا ساده تر بگم، مثل میزان حجم آبیه که در حال حاضر داره از منبعمون خارج میشه! توی الکترونیک، به جای اینکه بگیم از منبعمون داره یک لیتر بر ثانیه آب خارج میشه، میتونیم بگیم مدارمون داره 10 میلی آمپر جریان مصرف میکنه یا مثلا باتری (منبع تغذیه) داره 10 میلی آمپر به مدار جریان میده. (ازونجایی که خود آمپر واحد بزرگیه، معمولا از میلی آمپر (mA) که هزارم آمپر هست یا واحد های کوچیک تر استفاده میکنیم.)

ولتاژ چیه؟

معمولاً کلمه ولتاژ رو جاهای زیادی شنیدید یا دیدید، روی یه باتری، همراه با کلمه AC، پشت دستگاه‌ها و…
ولتاژ درواقع همان فشار آب خروجی از منبع آب فرضی ماست. هرچقدر که فشار آب بیشتر باشه، در نتیجه میزان آب بیشتری هم از منبع خارج میشه و جریان آب خروجی بیشتر میشه. ما این فشار رو در الکترونیک با واحد ولت اندازه می‌گیریم و با V یا E نشون میدیم.

با زبان ساده‌تر، تصویر زیر رو در نظر بگیرید، جریان مقدار آبیه که داره از طریق لوله خارج میشه و ولتاژ، میزان فشار اون آب در حال خروج هست.

ولتاژ مثل فشار آب خروجی در ارتفاعات مختلفه

ولتاژ در الکترونیک، مثل فشار آب در ارتفاعات مختلف تصویر بالاست که هر چه منبعمون بالاتر باشه، فشار بیشتری داره و باعث میشه مقدار آب بیشتری هم از منبع خارج بشه. اگر دقت کنید، در منبع سوم آب فاصله بیشتری از منبع گرفته. این یعنی اینکه جریان خروجی بیشتر شده.

توان چیه؟

توان، میزان کاری است که جریان الکتریکی میتونه برای ما انجام بده. یعنی اگر برق ما، فلان ولتاژ و فلان جریان رو داشته باشه، چقدر انرژی داره و چه کارهایی میشه باهاش انجام داد؟ انرژی، قدرت یا توان یک جریان مستقیم (DC) از حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان اون به دست میاید و واحد اون هم وات (W) هست. اغلب این نماد را بر روی وسایل الکتریکی مختلفی دیده‌اید. مثل لامپ 100 وات! و یا در خودرو ممکنه لامپ 10W 12V (ده وات، دوازده ولت) را دیده باشید. به این معنیه که با ولتاژ 12 ولت، 10 وات انرژی مصرف می‌کند. به نظر شما چقدر جریان مصرف می‌کنه؟

مقاومت چیه؟

لوله آبی رو در نظر بگیرید که داخلش گرفتگی وجود داره، یا قطرش کمه. خوب این‌ها باعث میشه جریان کمتری بتونه ازون لوله عبور کنه. بیشتر وسایلی که رسانای جریان الکتریکی هستند (مثل سیم) کاملاً رسانا نیستند و ممکنه کمی با عبور جریان از خودشون مقاومت نشون بدن و جلوی فشار اون رو بگیرن. این موضوع رو در الکترونیک مقاومت الکتریکی میگیم و با اهم Ω اندازه گیری می‌کنیم.

قطر لوله، مثل مقاومت الکتریکی عمل میکنه.

توی تصویر بالا، لوله ای که قطر بیشتری داره، ازون جریان بیشتری هم عبور می کنه.

ظرفیت باتری

فرض کنید دو مخزن آب دارید که خروجی هر دو یکسان است؛ مثلاً هرکدام یک لیتر در دقیقه آب می‌دهند.

اما مخزن دوم دو برابر مخزن اول آب دارد. اگر اولی ۱۰ لیتر باشد، دومی ۲۰ لیتر است. نتیجه مشخص است: مخزن اول زودتر خالی می‌شود، چون حجم کمتر یعنی مدت زمان کمتر برای برداشت آب با همان سرعت خروجی.

در الکترونیک هم ماجرا همین است. باتری مثل یک مخزن انرژی عمل می‌کند. هرچه ظرفیتش بیشتر باشد، برای مدت طولانی‌تری می‌تواند جریان یکسانی را به مدار بدهد.

واحد ظرفیت باتری «آمپر‌ساعت» (Ah) است. مثلاً باتری 10Ah یعنی می‌تواند حداکثر یک ساعت، جریان ۱۰ آمپر را تأمین کند تا خالی شود.

البته این به معنی تحویل یک‌جای ۱۰ آمپر نیست؛ جریان باید در بازه زمانی مشخص دریافت شود. آمپر‌ساعت در واقع نشان‌دهنده «حجم ذخیره انرژی» باتری است، اما توان لحظه‌ای آن محدودیت‌های خاص خودش را دارد.

برای مثال، دو باتری داریم: 12V 10Ah و 12V 5Ah. هر دو را به مداری وصل می‌کنیم که فقط ۳ میلی‌آمپر جریان می‌کشد. اگر هر دو بتوانند این جریان کم را تأمین کنند، باتری 10Ah دقیقاً دو برابر باتری 5Ah دوام خواهد داشت.

قانون اهم چیست؟

با سه مشخصه اصلی ولتاژ، جریان، مقاومت آشنا شدیم. قانون اهم (Ohm’s Law)، فرمولی است که رابطه بین این سه رو مشخص میکنه. یعنی چی؟ برای مثال، دیدیم که وقتی قطر لوله آب بیشتر میشه (مقاومت کمتر میشه)، با همون ولتاژ، جریان آب بیشتر میشه. یا وقتی فشار آب (ولتاژ) بالاتر می‌رفت، میزان جریان خروجی هم بیشتر می‌شد. پس بین هر سه مشخصه ولتاژ، جریان و مقاومت رابطه‌ای وجود داره که هر کدوم تغییر کنه، روی بقیه هم تأثیر میذاره.

بیایید سؤالی که بالاتر پرسیدیم رو باهم حل کنیم. لامپ 10W 12V چقدر جریان مصرف می کنه و چه باتری برای اون باید استفاده کنیم؟

داده های مساله:
‏P = 10W
‏V = 12V
فرمول توان ‏P = V x I بود، ما میخواهیم جریان رو حساب کنیم، بنابراین I = P / V
I = 10W / 12V
که میشه 0.83A
اگه میخواهید دو ساعت ازش استفاده کنید، باید از یک باتری 12 ولت که قدرتش بیشتر از 2Ah باشه استفاده کنید.

مثلث قانون اهم

خوب اگه ریاضی کار کرده باشید، میدونید که پیدا کردن فرمول‌های ولتاژ، جریان و مقاومت از روی همدیگه کار خیلی راحتیه. فقط کافیه جای اون ها رو با هم جابجا کنید. اما کوچک‌تر که بودم، برای اینکه بتونم اون رو راحت حفظ کنم و سریع به خاطر به یارم، از مثلث قانون اهم استفاده می‌کردم:

مثلث قانون اهم

خوب چجوری ازش استفاده می کردم؟ فرض کنید جریان رو میخواستم، دستم رو روی اون میگذاشتم:

پیدا کردن جریان از روی مثلث اهم

خوب، از تصویر کاملا مشخصه که

‏I = V/R

یه مساله دیگه! فرض کنید یک لامپی داریم که مقاومت دو سر اون رو حدود 10 اهم اندازه گرفتیم. اگر ولتاژ باتری ما 12 ولت باشه، چقدر جریان مصرف میکنه؟

‏I = 12V / 10 ohms

‏= 1.2 A

لامپ ما با ولتاژ 12 ولت، حدود 1.2 آمپر جریان مصرف میکنه.

مابقی حالت های مثلث اهم رو هم میتونید توی شکل زیر ببینید:

مثلث قانون توان

مثلث توان

برای فرمول توان هم میتوانید مثلثی در نظر بگیرید و به کمک آن روابط میان جریان و ولتاژ را پیدا کنید! اگر تصویر زیر را ببینید، بهتر متوجه خواهید شد:

‏P = I x V
یا
‏I = P / V
یا
‏V = P / I

منابع تامین انرژی مدار

آداپتور

اگر روی آداپتور ها دقت کرده باشید، مقداری برای ولتاژ و جریان نوشته شده، مثلا: 12V 2A

آداپتور 12 ولت 2 آمپر

منبع ولتاژی که به برق شهر وصل است، از نظر زمانی مثل باتری محدودیت ندارد. وقتی روی یک آداپتور مثلاً نوشته 12V – 2A، این به این معنی نیست که اگر یک لامپ ۱۲ ولتی وصل کنید، حتماً دو آمپر به آن «تزریق» می‌شود! بلکه یعنی این آداپتور می‌تواند در ولتاژ ۱۲ ولت، تا حداکثر ۲ آمپر جریان را بدون افت ولتاژ تأمین کند. اگر جریان بیشتری از آن بخواهید، ولتاژ ممکن است افت کند یا خود آداپتور آسیب ببیند.

به همین دلیل، گاهی چند وسیله را با یک آداپتور تغذیه می‌کنند، چون مجموع جریان مصرفی آن‌ها کمتر یا برابر حداکثر جریان آداپتور است.

بر اساس قانون اهم، در واقع این مصرف‌کننده است که تعیین می‌کند چقدر جریان بکشد. مثلاً اگر یک باتری ۱۲ ولت ۱۰۰ آمپر‌ساعت را به یک لامپ ۱۲ ولت ۱۰ وات وصل کنید، لامپ فقط حدود ۰٫۸۳ آمپر جریان می‌گیرد، چون این همان مقدار مورد نیازش است. تنها در صورتی جریان بیشتری کشیده می‌شود که:

• ولتاژ بالاتر برود،
• یا خود مصرف‌کننده آسیب ببیند، مقاومتش کمتر شود و جریان بیشتری بخواهد.

منبع تغذیه

همین‌طور در منبع تغذیه، وقتی ولوم جریان را کم یا زیاد می‌کنیم، درواقع جریانی را به مصرف‌کننده تزریق نمی‌کنیم، بلکه محدودیت خروجی جریان را کمتر یا بیشتر می‌کنیم که اگر مدارمان اتصالی داشت و یا مشکلی داشت که می‌خواست جریان زیادی مصرف کند، جلوی آن را بگیریم و آسیبی به آن نرسد! درواقع جلوی مصرف بیش‌تر از حد جریان توسط مصرف‌کننده را می‌گیریم!

باتری

در مورد ظرفیت باتری بالاتر یاد گرفتیم. گاهی اوقات بجای mAh یا Ah ممکن است واحد وات‌ساعت Wh یا حتی Kwh را هم مشاهده کنید که با توجه به روابط توان، می‌توان متوجه شد که اگر همان Ah اگر در ولتاژ ضرب شود، توان باتری با واحد Wh به‌دست می‌آید.

برای مثال، باتری ۱۲ ولت با ظرفیت باتری ۵۰۰ Ah امکان ذخیره تقریباً ۱۰۰Ah × V12 = Wh 1200 یا KWh 1.2 را می‌دهد.

البته باتری بحث مفصل تری دارد که توصیه میکنم مقاله “چگونه یک شارژر سریع (Fast Charger) بسازیم؟” را مطالعه ای داشته باشید تا با پارامتر C باتری آشنا شوید و یا مقالات “همه چیز درباره باتری ها قسمت اول : مقدمه” را نیز مطالعه کنید. اما نگران نباشید، فعلاً برای راه که پیش رو داریم، همین اطلاعات کافی است و توصیه می‌کنم چندین بار همین قسمت را مطالعه و تمرین کنید. شاید این قسمت ساده باشد، اما درک آن بسیار بسیار مهم و کاربردی است!

همین‌طور توجه داشته باشید که ما در این قسمت تنها درباره ولتاژ مستقیم یا DC صحبت کردیم و در مورد ولتاژ AC در قسمت‌های بعدی خواهیم آموخت.

منبع انگلیسی (همراه با تغییر و تصرف جهت بهبود)

> قسمت بعدی