برای کاوش در دنیای برق و الکترونیک، لازم است که با درک مفاهیم اولیه‌ای مثل ولتاژ، جریان و مقاومت که 3 بلوک اصلی این ساختمان هستند، شروع کنیم. در ابتدا، درک این مفاهیم می‌تواند دشوار باشد زیرا ما نمی‌توانیم آنها را ببینیم. انسان با چشم غیرمسلح نمی‌تواند جریان عبوری در یک سیم یا مقدار ولتاژ یک باتری که بطور مثال روی یک میز قرار گرفته‌است را ببیند.
حتی با اینکه رعد و برق در آسمان قابل مشاهده است، در واقع تبادل انرژی از ابرها به زمین نیست، بلکه واکنشی در هوا به انرژی عبوری از آن است. برای تشخیص این انتقال انرژی، باید از ابزارهای اندازه‌گیری مانند مولتی متر، اسیلوسکوپ و … استفاده کنیم تا بتوانیم آنچه را که با عبور جریان الکتریکی در یک سیستم اتفاق می افتد، تجسم کنیم. با این همه جای ترس نیست! در این مقاله به شما درک اساسی از ولتاژ، جریان و مقاومت و نحوه ارتباط این سه با یکدیگر را خواهیم داد.
بار الکتریکی چیست؟
الکتریسیته حرکت الکترون هاست. الکترون‌ها بار ایجاد می‌کنند که می‌توانیم از این بار ایجاد شده، برای انجام بسیاری از کارها استفاده کنیم. از حرکت الکترون‌ها در لامپ خانه شما، تلفن همراه‌تان و… بهره گرفته شده. همه آنها با استفاده از یک منبع انرژی اصلی کار می کنند: حرکت الکترون‌ها.
سه اصل اساسی را می‌توان با استفاده از الکترون‌ها یا به طور خاص‌تر، باری که آنها ایجاد می‌کنند توضیح داد:
ولتاژ : که همان اختلاف بار الکتریکی بین دو نقطه است.
جریان : نرخ عبور جریان است. ( میزان بار الکتریکی در حال عبور)
مقاومت: تمایل یک ماده به مقاومت در برابر عبور بار است. (که مقدار آن در مواد با جنس‌های مختلف متفاوت است و به آن بستگی دارد)
بنابراین، وقتی در مورد این مقادیر صحبت می کنیم، حرکت بار و بنابراین، رفتار الکترون‌ها را توصیف می‌کنیم. مدار، یک حلقه‌ی بسته است که به بار الکتریکی اجازه می‌دهد از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت کند. اجزای موجود در مدار به ما این امکان را می‌دهند که این بار را کنترل کرده و از آن برای مصارف متعددی استفاده کنیم.
ولتاژ چیست؟
ولتاژ مقدار انرژی پتانسیل بین دو نقطه در مدار تعریف می‌شود.
اختلاف بار الکتریکی بین دو نقطه را ولتاژ می‌گویند و واحد اندازه‌گیری آن نیز ولت است. واحد “ولت” به افتخار فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا نامگذاری شده است که اولین باتری شیمیایی را اختراع کرد. ولتاژ در معادلات و نمودارها با حرف “V” نشان داده می شود.
برای درک بهتر مفاهیم ولتاژ، جریان و مقاومت، یک مثال رایج، مخزن آب است. در این مقایسه، بار الکتریکی به مقدار آب، ولتاژ به فشار آب و جریان الکتریکی به جریان آب تشبیه می‌شود. پس برای این قیاس به یاد داشته باشید:
آب = بار الکتریکی
فشار آب = ولتاژ
جریان آب = جریان الکتریکی
یک مخزن آب که در ارتفاع مشخصی از سطح زمین قرار گرفته را در نظر بگیرید. در پایین این مخزن یک شلنگ وجود دارد.
فشار آب در انتهای شلنگ می‌تواند نشان‌دهنده ولتاژ باشد. آب موجود در مخزن هم نشان‌دهنده بار الکتریکی است. هرچه آب در مخزن بیشتر باشد (یا بار الکتریکی بیشتر باشد) فشار بیشتری در انتهای شلنگ وجود خواهد داشت.
می‌توانیم خود مخزن را به باتری تشبیه کنیم، جایی که در آن مقدار مشخصی انرژی را ذخیره می کنیم و سپس آن را آزاد می کنیم. اگر مخزن خود را به مقدار مشخص تخلیه کنیم، فشار ایجاد شده در انتهای شیلنگ پایین می‌آید. می‌توانیم این را به عنوان کاهش ولتاژ در نظر بگیریم، مثل زمانی که چراغ قوه با تمام شدن باتری‌هایش کم نور می‌شود. همچنین مقدار آبی که از شلنگ جریان می‌یابد کم می‌شود. فشار کمتر به‌معنای جریان کمتر آب است ( یا معادل آن : جریان الکتریکی کمتر)
جریان چیست؟
به طور مشابه برای درک بهتر جریان الکتریکی، می‌توانیم مقدار آبی از مخزن، که از داخل شلنگ عبور می‌کند را به عنوان جریان در نظر بگیریم. هرچه فشار آب بیشتر باشد، جریان بیشتر است و بالعکس.
همانطور که با آب، حجم آب جاری در شلنگ را در مدت زمان مشخصی اندازه‌گیری می‌کنیم؛ با الکتریسیته هم، مقدار باری را که در یک دوره زمانی از مدار می گذرد اندازه‌گیری می کنیم. جریان بر حسب آمپر (A) اندازه‌گیری می شود و در معادلات با حرف “I” نشان داده می شود.
تعریف آمپر
آمپر به صورت 18^10*6.241 الکترون ( یا 1 کولن ( واحد بار الکتریکی) ) در ثانیه تعریف می شود که از نقطه ای در مدار عبور می کند.
حالا فرض کنید دو تانک داریم که هر کدام یک شلنگ از پایین دارند. هر مخزن دقیقاً همان مقدار آب دارد، اما شلنگ یک مخزن از شلنگ مخزن دیگر باریکتر است.
قبل از خروج آب، فشار آب در انتهای هر یک از شیلنگ‌ها یکسان است، اما زمانی که آب شروع به جریان می‌کند، واضح است که سرعت جریان آب در مخزنی که شیلنگ آن باریکتر است کمتر از سرعت جریان آب در مخزن با شیلنگ پهن‌تر خواهد بود. در اصطلاح الکتریکی، جریان عبوری از شیلنگ باریکتر، کمتر از جریان عبوری از شیلنگ پهن‌تر است. اگر بخواهیم جریان هر دو شیلنگ برابر باشد، باید مقدار آب (بار الکتریکی) مخزنی که شیلنگ آن باریکتر است را (مثل شکل زیر) افزایش دهیم.
این کار باعث افزایش فشار آب (ولتاژ) در انتهای شیلنگ باریکتر می‌شود و در نتیجه باعث خروج آب بیشتری از داخل مخزن می‌شود. این کار دقیقا مشابه افزایش ولتاژ است که باعث افزایش جریان الکتریکی می‌شود.
حالا کم کم متوجه رابطه بین ولتاژ و جریان می‌شویم. اما اینجا عامل سومی هم وجود دارد که باید در نظر گرفته شود: عرض شیلنگ. در این مقایسه، عرض شیلنگ همان مقاومت است. در نتیجه باید یک کمیت دیگر به مدل شبیه‌سازی شده‌مان اضافه کنیم:
- آب = بار الکتریکی (با واحد اندازه‌گیری کولن Q)
- فشار آب= ولتاژ (با واحد اندازه‌گیری ولت V)
- جریان آب = جریان الکتریکی (با واحد اندازه‌گیری آمپر A)
- عرض شلنگ = مقاومت ( با واحد اندازه‌گیری اهم Ω)
مقاومت چیست؟
دوباره دو مخزن آب را در نظر بگیرید که یکی لوله انتهایی اش باریک و دیگری پهن است.
منطقی است که نمی‌توانیم حجم زیادی از آب را در یک شیلنگ باریک در مقایسه با یک شیلنگ عریض‌تر، با فشار یکسان وارد کنیم. این مقاومت است. شیلنگ باریکتر در برابر عبور جریان آب “مقاومت” می کند، حتی اگر فشار آب آن با فشار آب مخزنی که شیلنگ پهن‌تری دارد، مساوی باشد.
شکل بالا در اصطلاح الکتریکی، معادل دو مدار با ولتاژهای برابر و مقاومت‌های متفاوت است. مداری که مقاومت بیشتری دارد، بار الکتریکی کمتری هم از آن عبور می‌کند.
اهم واحد مقاومت است (به افتخار فیزیکدان آلمانی، جورج اهم نامگذاری شده است) که درواقع مقاومت بین دو نقطه در یک رسانا تعریف می‌شود و معمولاً در نمودارها با حرف یونانی “Ω” نشان داده می شود که به آن امگا می‌گویند.
قانون اهم
اهم با ترکیب سه کمیت : مقاومت، ولتاژ و جریان، فرمول زیر را ارائه کرد:
V = I × R
که در آن :
V = ولتاژ بر حسب ولت
I = جریان بر حسب آمپر
R = مقاومت بر حسب اهم
فرمول بالا رابه شکل‌های دیگری هم می‌توان نوشت :
فرض کنید این قانون نشان‌دهنده همان مخزن با یک شلنگ پهن است. مقدار آب در مخزن 1 ولت و “باریکی” (مقاومت در برابر جریان) شیلنگ هم 1 اهم تعریف شده است. حال با استفاده از قانون اهم، این به ما جریان 1 آمپر را می‌دهد.
1V = 1A × 1Ω
با همین مقایسه، حالا به مخزن با شلنگ باریکتر نگاه می‌کنیم. از آنجایی که شیلنگ باریکتر است، مقاومت آن در برابر عبور جریان هم بیشتر است. بیایید این مقاومت را 2 اهم تعریف کنیم. مقدار آب هر 2 مخزن هم با هم برابر است، بنابراین با استفاده از قانون اهم، معادله بالا برای مخزن با شلنگ باریک تر به این شکل است :
1V = ?A × 2Ω
اما مقدار جریان چقدر است؟ از آنجایی که مقاومت بیشتر و ولتاژ یکسان است،مقدار جریان، طبق فرمول بالا با یک طرفین وسطین ساده، یعنی 1ولت تقسیم بر 2 اهم، مقدار 0.5 آمپر را به ما می‌دهد:
1V = 0.5A × 2Ω
1 دیدگاه در “مفهوم جریان، ولتاژ و مقاومت”
خیلی عالی
از اینکه اطلاعات ناب را رایگان در اختیار عموم قرار می دهید متشکرم