در ابتدای پیدایش الکتریسیته، ولتاژ به عنوان «نیروی محرکه الکتریکی» (Electromotive Force | emf) شناخته می‌شد. به همین دلیل، در معادلاتی مانند قانون اهم، ولتاژ با نماد E نوشته می‌شود. در این مطلب، ابتدا به پرسش ولتاژ چیست به زبان ساده پاسخ می‌دهیم. سپس، با انواع ولتاژ و چگونگی اندازه‌گیری آن در مدار الکتریکی آشنا می‌شویم.

ولتاژ چیست؟

الکتریسیته به صورت حرکت الکترون‌های آزاد بین اتم‌ها تعریف می‌شود. ولتاژ، الکترون‌ها را در مدار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت می‌دهد. الکترون‌های آزاد بدون ولتاژ باز هم می‌توانند بین اتم‌ها حرکت کنند، اما حرکت آن‌ها کاملا تصادفی خواهد بود. با اعمال ولتاژ به مدار الکتریکی، الکترون‌های آزاد در جهت یکسانی حرکت خواهند کرد.

حرکت الکترون‌ها در یک جهت به ما جریان الکتریکی را می‌دهد. برای داشتن درک بهتری از ولتاژ می‌توانیم آن را به فشار در لوله آب تشبیه کنیم. اگر ظرف بزرگی متصل به لوله داشته باشیم که به طور کامل از آب پر شده باشد، جرم آب داخل ظرف باعث ایجاد فشار بسیار بزرگی به لوله می‌شود. اگر ظرف تا نیمه از آب پر شده باشد، فشار وارد شده به لوله کمتر خواهد بود. اگر شیر متصل به لوله را باز کنیم، آب داخل لوله متصل به ظرف پر از آب با فشار و سرعت بیشتری از لوله خارج می‌شود.

ظرف پر شده از آب و لوله متصل به آن مشابه مدار الکتریکی است. هرچه مقدار ولتاژ اعمال شده به مدار بیشتر باشد، جریان بزرگ‌تری در مدار ایجاد می‌شود. ولتاژ می‌تواند بدون جریان الکتریکی نیز وجود داشته باشد. به عنوان مثال، فشار داخل لوله متصل به ظرف پر شده از آب را می‌توانیم حتی به هنگام بسته بودن شیر آب و بدون جریان داشتن آب نیز اندازه بگیریم.

در این حالت، آنچه واقعا اندازه می‌گیریم، اختلاف فشار داخل و خارج از لوله است. این حالت مشابه زمانی است که باتری در مدار ساده‌ای به صورت تصویر زیر قرار گرفته و کلید باز است. ولتاژ وجود دارد و به محض بستن کلید در مدار می‌توانیم مقدار آن را اندازه بگیریم. با یستن کلید، الکترون‌های آزاد در مدار شروع به حرکت می‌کنند.

به طور حتم شنیده‌اید که گاهی از ولتاژ به عنوان اختلاف پتانسیل یاد می‌شود. این بدان معنا است که چه مقدار کار می‌تواند توسط مدار الکتریکی انجام شود. بار دیگر به مثال ظرف آب و لوله متصل به آن بازمی‌گردیم. اگر دو دریاچه هم‌تراز به صورت نشان داده شده در تصویر زیر داشته باشیم، آب نمی‌تواند از دریاچه‌ای به دریاچه دیگر جریان داشته باشد.

اما اگر ارتفاع آب در یکی از دریاچه‌ها را افزایش دهیم، آب از دریاچه با ارتفاع بیشتر به دریاچه با ارتفاع کمتر می‌رود. در این حالت، آب بین دو دریاچه جاری خواهد شد.

به طور معمول، اختلاف پتانسیل بین قطب‌های مثبت و منفی باتری‌های کوچک قلمی برابر ۱/۵ ولت است. اگر قطعه‌ای سیم به دو سر این باتری وصل کنیم، اختلاف پتانسیل بین دو قطب منفی و مثبت الکترون‌ها را واراد به حرکتی در جهتی مشخص می‌کند. در ادامه، می‌توانیم قطعه‌ای الکترونیکی، مانند لامپ، در مسیر این الکترون‌ها قرار دهیم. لامپ با قرار گرفتن در این مدار روشن می‌شود.

اگر باتری دیگری به مدار فوق و به صورت سری اضافه کنیم، نیروی بیشتری به الکترون‌ها وارد می‌شود. زیرا با اضافه شدن باتری دوم، مقدار ولتاژ اعمال شده بر مدار افزایش خواهد یافت و برابر ۳ ولت می‌شود.  ولتاژ بیشتر به معنای فشار بیشتر و فشار بیشتر نیز به معنای نیروی بزرگ‌تر خواهد بود.

در این حالت، روشنایی لامپ افزایش می‌یابد. در مقابل، اگر باتری دوم موازی باتری اول در مدار قرار دهیم، در این حالت، مسیر الکترون‌ها به دو قسمت تقسیم می‌شود. برخی الکترون‌ها از باتری اول و برخی دیگر از باتری دوم می‌گذرند. مقدار ولتاژ در اتصال موازی باتری‌ها با یکدیگر افزایش نمی‌یابد. بنابراین، مقدار ولتاژ اندازه‌گیری شده توسط مولتی متر برابر ۱/۵ ولت خواهد بود. همچنین، لامپ برای مدت زمان طولانی‌تری روشن می‌ماند، اما درخشش کمتری دارد.

شیوه اندازه گیری ولتاژ

واحد اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل یا ولتاژ برابر ولت (V) است. ولت از نام فیزیک‌دانی ایتالیایی به نام «الکساندرو ولتا» (Alessandro Volta) می‌آید. ولتاژ و ولت با یکدیگر تفاوت دارند. ولت میزان فشاری است که به الکترون‌ها در مدار وارد می‌شود و ولت واحد اندازه‌گیری این فشار است.

مقدار ولتاژ در مدار را می‌توانیم با استفاده از مولتی متر اندازه بگیریم. اگر بخواهیم ولتاژ بین دو نقطه در مدار را اندازه بگیریم باید مولتی متر را به صورت موازی به دو نقطه موردنظر وصل کنیم. به عنوان مثال، برای اندازه‌گیری ولتاژ دو سر لامپ در مدار فوق، مولتی متر را باید به صورت موازی و به صورت نشان داده شده در تصویر زیر به آن وصل کنیم.

حال فرض کنید دو لامپ به صورت متوالی یا سری در مدار قرار گرفته‌اند. ولتاژ دو سر لامپ‌ها برابر ۱/۵ ولت است. ولتاژ دو سر هر یک از لامپ‌ها چه مقدار است؟ همان‌طور که در تصویر فوق مشاهده می‌کنید، ولتاژ دو سر هر یک از لامپ‌های برابر ۰/۷۵ ولت است.

ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو لامپ سری تقسیم شده‌اند. وقتی دو لامپ به صورت سری در مدار قرار بگیرند، درخشش کمتری دارند. زیرا ولتاژ ۱/۵ ولتی باتری به صورت مساوی بین آن‌ها تقسیم شده است. در ابتدای این مطلب گفتیم که ولت و ولتاژ با یکدیگر تفاوت دارند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که یک ولت چه معنایی دارد.

به نیروی لازم برای انتقال یک کولن از مقاومتی به اندازه یک اهم در مدت زمان یک ثانیه، یک ولت گفته می‌شود. شاید درک این تعریف کمی سخت به نظر برسد. به بیان ساده‌تر، برای آن‌که بتوانیم لامپ۱/۵ واتی را با استفاده از باتری ۱/۵ ولتی روشن کنیم، هر ثانیه باید یک کولن بار یا

6.242 \times 10 ^ { 18 }

الکترون از لامپ عبور کند. همچنین، برای روشن کردن لامپ ۰/۳ واتی با استفاده از باتری ۱/۵ ولتی، باید در هر ثانیه مقدار ۰/۲ کولن بار یا

1.8726 \times 10 ^ { 18 }

الکترون از لامپ بگذرد. با کاهش ولتاژ، درخشش لامپ کمتر می‌شود. زیرا فشار کمتری بر الکترون‌ها وارد و در نتیجه نور کمتری تولید می‌شود.

نمایش تاثیر افزایش ولتاژ بر میزان نور لامپ

به طور معمول، لامپ‌ها برای ولتاژ و جریان خاصی رتبه‌بندی می‌شوند. اگر در مدار متصل به لامپ از ولتاژ بالاتری استفاده کنیم، درخشندگی لامپ بیشتر خواهد بود. زیرا الکترون‌های بیشتری از آن عبور می‌کنند. به این نکته توجه داشته باشید که اگر از ولتاژ و جریان بالایی استفاده کنیم، لامپ ممکن است بسوزد. زیرا الکترون‌های زیادی در لحظه می‌خواهند از آن عبور کنند.

انواع ولتاژ

ولتاژ مستقیم

ولتاژ دو نوع باتری نشان داده شده در تصویر زیر برابر ۱/۵ و ۹ ولت است. این دو باتری، منبع ولتاژ مستقیم (DC Voltage) هستند. ولتاژ مستقیم بدان معنا است که فشار ایجاد شده توسط این دو باتری، الکترون‌ها را با جریان ثابت در جهتی مشخص حرکت می‌دهد. در این حالت، حرکت الکترون‌ها مشابه حرکت جریان آب رودخانه‌ای آرام و مستقیم است.

ولتاژ مستقیم به شکل زیر نوشته می‌شود:

این علامت را می‌توانید روی مولتی متر مشاهده کنید. برای اندازه‌گیری ولتاژ مستقیم در مدار، باید مولتی متر را روی این علامت تنظیم کنید.

اگر ولتاژ مستقیم را برحسب زمان رسم کنیم، خطی مستقیم و افقی خواهیم داشت.

ولتاژ متناوب

ولتاژ پریزهای برق، ولتاژ متناوب (AC Voltage) است. در این حالت، مسیر حرکت الکترون‌ها در مدار به صورت تناوبی رفت و برگشتی می‌شود. دلیل این موضوع آن است که قطبیت یا پلاریته مدار، همانند امواج دریا، به صورت متناوب تغییر می‌کند. اگر ولتاژ تناوبی را برحسب زمان رسم کنیم، موجی سینوسی خواهیم داشت که به سمت جلو حرکت می‌کند. ولتاژ تناوبی به صورت زیر نشان داده می‌شود. این علامت را نیز می‌توانید روی مولتی متر مشاهده کنید. برای اندازه‌گیری ولتاژ متناوب در مدار، باید مولتی متر را روی این علامت تنظیم کنید.

ولتاژ پریزهای برق بسته به اینکه در کدام نقطه از جهان زندگی می‌کنیم، تغییر می‌کند. در بیشتر نقاط جهان از ولتاژ بین ۲۲۰ تا ۲۴۰ ولت استفاده می‌شود. اما شما، مرکز، بخش‌هایی از جنوب آمریکا و همچنین برخی از کشورها از پریزهایی با ولتاژ 110 تا 120۷ ولت استفاده می‌کنند.

ولتاژ مؤثر

به «مقدار مؤثر» (Root Mean Square | RMS) ولتاژ، ولتاژ موثر گفته می‌شود. از عبارت RMS در جا های زیادی در ولتاژ متناوب استفاده می‌کنیم. ولتاژی که در خانه از آن استفاده می‌کنیم یا ولتاژی که مولتی متر به ما می‌دهد، مقدار RMS ولتاژ یا ولتاژ موثر است. مقدار RMS، مقداری بسیار مهم در مهندسی الکترونیک و تقریبا برای طراحی هر چیزی که مربوط به برق و الکترونیک باشد، از آن استفاد می‌شود.

افت ولتاژ چیست؟

فرض کنید خانه‌ای آتش گرفته است و  آتشنشان ها در تلاش هستند با شلنگی به طول حدودا ۴۵ متر، آتش را خاموش کنند. برای خاموش کردن آتش، آب باید با نرخ مشخصی، به عنوان مثال ۲۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، از شلنگ خارج شود. از این‌رو، آب باید با نرخی در حدود ۲۳ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع وارد شلنگ شود.

چرا نرخ آب ورودی به شلنگ با نرخ آب خروجی از آن با یکدیگر تفاوت دارند؟ دلیل این موضوع به برخورد مولکول‌های آب به یکدیگر و وجود نیروی اصطکاک در مسیر حرکت آن‌ها برمی‌گردد. حالت مشابهی نیر به هنگام حرکت الکترون‌ها از نقطه‌ای به نقطه دیگر در دا رخ می‌دهد. به این حالت در مدار الکتریکی، افت ولتاژ گفته می‌شود.

فرض کنید لامپی ۱۰ آمپری داریم که در محدوده ولتاژی بین ۱۲ تا ۱۳ ولت روشن می‌شود. باتری ۱۲/۶ ولتی را به وسیله سیمی به طول ۳۰ متر به این لامپ وصل می‌کنیم. افت ولتاژ در طول این سیم رخ می‌دهد. سیم‌های حامل جریان همواره در برابر عبور جریان از خود مقاومت نشان می‌دهند. به مقدار ولتاژ از دست رفته با اتلافی در طول مدار یا قسمتی از مدار به دلیل وجود مقاومت داخلی سیم یا قطعه الکترونیکی، افت ولتاژ گفته می‌شود.

تفاوت جریان و ولتاژ

جریان و ولتاژ دو مفهوم بنیادی در مهندسی الکترونیک هستند. در مطالب بالا فهمیدیم ولتاژ چیست. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی بر واحد بار تعریف می‌شود. به بیان ساده‌تر، ولتاژ نیرویی است که الکترون‌ها را در مدار به حرکت درمی‌آورد. همان‌طور که می‌دانیم ولتاژ را می‌توانیم با فشار در لوله آب مقایسه کنیم. در مقایل، به جاری شدن بار الکتریکی در مدار، جریان گفته و برحسب آمپر اندازه‌گیری می‌شود. جاری شدن جریان در مدار به دلیل حرکت الکترون‌ها است. جریان را می‌توانیم با نرح یا آهنگ جریان آب در لوله مقایسه کنیم.

ولتاژ و جریان علی‌رغم رابطه بسیار نزدیک با یکدیگر، چند تفاوت اصلی با یکدیگر دارند:

• ولتاژ یا اختلاف پتانسیل به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی بر واحد بار، اما جریان به صورت حرکت الکترون‌ها در مدار تعریف می‌شود.
• واحد اندازه‌گیری ولتاژ، ولت اما واحد اندازه‌گیری جریان، آمپر است.
• ولتاژ با V، اما جریان الکتریکی با I نشان داده می‌شود.
• ولتاژ نیرویی است که الکترون‌ها را در مدار حرکت می‌دهد، اما جریان، حرکت الکترون‌ها در مدار است.
• ولتاژ مستقل از مدار است، اما جریان به مقامت مدار وابسته است.

جمع‌بندی

در ابتدای این مطلب فهمیدیم ولتاژ چیست. ولتاژ نیرویی در مدار الکتریکی است که الکترون‌ها را به حرکت درمی‌آورد. در ادامه، با ولتاژ موثر، افت ولتاژ و تفاوت ولتاژ و جریان نیز آشنا شدیم.