اختلاف پتانسیل چیست؟ 

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چرا می توانید یک باتری کوچک را بین انگشتان خود نگه دارید و هیچ احساسی نداشته باشید، اما اگر رعد و برق به شما برخورد کند، شانس زنده ماندنتان بسیار کم است؟ پاسخ، در میان عوامل دیگر، ولتاژ (یا اختلاف پتانسیل) این دو منبع مختلف برق است. یک باتری معمولی ممکن است اختلاف پتانسیل 1.5 ولتی داشته باشد، در حالی که یک صاعقه یا رعد و برق می تواند تا 150 میلیون ولت باشد! در این مطلب توضیح می دهیم که اختلاف پتانسیل در واقع چیست، واحد و فرمول آن چیست و به طور کلی بیشتر با این مفهوم آشنا می شویم.

تعریف اختلاف پتانسیل

اختلاف ولتاژ بین هر دو نقطه در یک مدار به عنوان اختلاف پتانسیل(potential difference) شناخته می‌شود و همین اختلاف پتانسیل است که جریان را جاری می‌کند. برخلاف جریانی که به شکل یک بار الکتریکی در اطراف یک مدار الکتریکی بسته جریان دارد، اختلاف پتانسیل حرکت نمی کند و جاری نمی‌شود. همچنین می توان گفت که مقدار انرژی مورد نیاز برای انتقال یک واحد بار مثبت از یک نقطه به نقطه دیگر به عنوان اختلاف پتانسیل توصیف می شود.

واحد اختلاف پتانسیل تولید شده بین دو نقطه ولت(V) نامیده می‌شود و به طور کلی به عنوان افت اختلاف پتانسیل دو سر یک مقاومت ثابت یک اهم با جریان یک آمپر از داخل آن تعریف می‌شود.

به عبارت دیگر، 1 ولت برابر است با 1 آمپر برابر 1 اهم ، یا معمولاً V = I * R.

قانون اهم بیان می کند که برای یک مدار خطی جریان عبوری از آن متناسب با اختلاف پتانسیل موجود در آن است بنابراین هرچه اختلاف پتانسیل در هر دو نقطه بیشتر باشد جریان بزرگتر از آن جاری خواهد بود.

به عنوان مثال، اگر ولتاژ یک طرف مقاومت 10Ω اندازه 8 ولت و آن طرف مقاومت 5 ولت باشد، اختلاف پتانسیل مقاومت 3 ولت خواهد بود (8 تا 5) و جریان 0.3A جریان می‌یابد.

اگر ولتاژ یک طرف از 8 ولت به 40 ولت افزایش یابد ، اختلاف پتانسیل مقاومت 40v است – 5V = 35V و جریان 3.5A جریان می یابد. ولتاژ در هر نقطه از مدار همیشه با توجه به یک نقطه مشترک ، عموما 0V اندازه گیری می‌شود.

برای مدارهای الکتریکی، پتانسیل زمین یا زمین معمولاً در ولتاژ صفر (0 ولت) در نظر گرفته می شود و همه چیز به آن نقطه مشترک در یک مدار ارجاع می شود. این از نظر تئوری مشابه اندازه گیری قد است. ما ارتفاع تپه ها را به روشی مشابه با گفتن اینکه سطح دریا در صفر فوت است اندازه می گیریم و سپس سایر نقاط تپه یا کوه را با آن سطح مقایسه می کنیم.

به روشی کاملاً مشابه می توان نقطه مشترک را در مدار صفر ولت نامید و به آن نام زمین، صفر ولت یا زمین داد، سپس سایر نقاط ولتاژ موجود در مدار با آن نقطه زمین مقایسه یا ارجاع می شوند. استفاده از یک نقطه مشترک یا نقطه مرجع در نقشه های شماتیک الکتریکی باعث می شود مدار به صورت ساده تری ترسیم شود زیرا اینگونه درک می شود که تمام اتصالات به این نقطه پتانسیل یکسانی دارند.

فرمول اختلاف پتانسیل الکتریکی

از آنجا که واحدهای اندازه گیری اختلاف پتانسیل ولت هستند، اختلاف پتانسیل را ولتاژ می نامند. ولتاژهای فردی متصل به سری را می توان با هم جمع کرد تا مجموع “ولتاژ کل” مدار را به ما بدهد، که در مجموعه آموزش مقاومت ها دیدیم. ولتاژهای موجود در اجزایی که به طور موازی به هم متصل می شوند، همیشه دارای مقدار یکسان  خواهند بود که به عنوان مثال در آموزش مقاومتهای موازی دیده شد.

برای ولتاژهای متصل بصورت سری:

                                                                                        ….VT=V1+V2+V3

برای ولتاژهای متصل بصورت موازی:

                                                                                          ….VT=V1+V2+V3

مثال شماره 1 اختلاف پتانسیل

با استفاده از قانون اهم می توان جریان عبوری از طریق مقاومت را به صورت زیر محاسبه کرد:

جریان عبوری از یک مقاومت100Ω را محاسبه کنید که یکی از ترمینال های آن به 50 ولت و پایانه دیگر به 30 ولت متصل باشد.

ولتاژ در ترمینال A برابر با 50v و ولتاژ در ترمینال B برابر 30v است. بنابراین ولتاژ روی مقاومت به صورت زیر داده می شود:

                                                       VA = 50v ، VB = 30v ، بنابراین ، VA – VB = 50 – 30 = 20v

ولتاژ روی مقاومت 20 ولت است ، سپس جریان عبوری از مقاومت به صورت زیر ارائه می شود:

                                                                        I = V_AB ÷ R = 20V ÷ 100Ω = 200mA

شبکه تقسیم کننده ولتاژ

ما از آموزشهای قبلی می دانیم که با اتصال مقاومتها به یکدیگر بصورت سری در دو سر یک اختلاف پتانسیل، می توان یک مدار تقسیم ولتاژ تولید کرد که نسبت ولتاژهای هر مقاومت را با توجه به ولتاژ تغذیه در دو سرکل ترکیب می دهد.

این چیزی را تولید می کند که به طور کلی شبکه تقسیم کننده ولتاژ نامیده می شود و شبکه ای است که فقط برای مقاومت های متصل به هم به صورت سری اعمال می شود، زیرا همانطور که در آموزش مقاومت در موازات مشاهده کردیم، مقاومت هایی که به طور موازی به هم متصل می شوند، شبکه ای را ایجاد می کنند که شبکه تقسیم کننده جریان نامیده می‌شود. مدار سری زیر را در نظر بگیرید.

تقسیم ولتاژ

این مدار اصل مدار تقسیم ولتاژ را نشان می‌دهد که در آن ولتاژ خروجی در دوسرهر مقاومت در داخل زنجیره سری افت می‌کند و مقاومت های R1 ، R2 ، R3 و R4 به برخی از نقاط مرجع معمول (معمولاً صفر ولت) ارجاع می شوند.

بنابراین برای هر تعداد مقاومت که به صورت سری به هم متصل شده اند، ولتاژ تغذیه VS را بر مقاومت کل RT تقسیم می کنیم که  جریان جاری از شاخه سری را به صورت زیر می دهد: I = VS / RT ، (قانون اهم). سپس ولتاژ منفرد روی هر مقاومت را می توان به سادگی محاسبه کرد: V = I * R بطوریکه R مقدار مقاومت را نشان می دهد.

ولتاژ در هر نقطه ، P1 ، P2 ، P3 و غیره با توجه به مجموع ولتاژهای هر نقطه تا ولتاژ تغذیه ، Vs افزایش می یابد و ما همچنین می توانیم افت ولتاژ منفرد را در هر نقطه بدون محاسبه اولیه جریان مدار با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنیم.

فرمول تقسیم کننده ولتاژ

بطوریکه (V (x ولتاژی است که می توان یافت، (R (x مقاومت تولید کننده ولتاژ است، RT مقاومت سری کل است و VS ولتاژ منبع تغذیه است.

مثال شماره 2 اختلاف پتانسیل

در مدار بالا، چهار مقاومت از مقادیر R1 = 10Ω ، R2 = 20Ω ، R3 = 30Ω و R4 = 40Ω دو سر منبع تغذیه 100 ولت متصل می شوند. با استفاده از فرمول بالا، افت ولتاژ در نقاط P1 ، P2 ، P3 و P4 و همچنین افت ولتاژ منفرد روی هر مقاومت در داخل زنجیره سری را محاسبه کنید.

1. ولتاژ در نقاط مختلف به شرح زیر محاسبه می شود:

                                                                                 VP4=VS=100V

2. افت ولتاژ منفرد روی هر مقاومت به صورت زیر محاسبه می شود:

                                                                         VR1=I X R1=1×10=10V

                                                                          VR2=Ix R2=1×20=20V

                                                                          VR3=IxR3=1×30=30V

                                                                          VR4=1 x R4=1X40=40V

سپس با استفاده از این معادله می توان گفت افت ولتاژ بر روی هر مقاومت در یک مدار سری متناسب با مقدار مقاومت است و کل افت ولتاژ روی همه مقاومت ها باید برابر منبع ولتاژ باشد که توسط قانون ولتاژ کیرشهف تعریف شده است. بنابراین با استفاده از معادله تقسیم ولتاژ، برای هر تعداد مقاومت سری، افت ولتاژ روی هر مقاومت جداگانه را می توان یافت.

تاکنون دیدیم که ولتاژ به یک مقاومت یا مدار اعمال می شود و جریان از مدار و اطراف آن جریان می یابد. اما یک متغیر سوم نیز وجود دارد که می توانیم از آن برای مقاومت ها و شبکه های مقاومت نیز استفاده کنیم. توان محصول ولتاژ و جریان است و واحد اصلی اندازه گیری توان وات است.

در آموزش بعدی درباره مقاومت ها، ما توان تلف شده (مصرف شده) توسط مقاومت به صورت گرما و کل توان تلف شده توسط یک مدار مقاومتی چه سری باشد ، چه موازی یا ترکیبی از این دو را بررسی خواهیم کرد، ما به سادگی توان تلف شده توسط هر مقاومت را اضافه می‌کنیم.