ولتاژ چیست؟
ولتاژ (که به عنوان تفاوت پتانسیل الکتریکی، نیروی الکتروموتوری emf، فشار الکتریکی یا تنش الکتریکی نیز شناخته میشود) به عنوان تفاوت پتانسیل الکتریکی بر واحد بار بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی تعریف میشود. ولتاژ از طریق نماد "V" یا "E" در فرمولها نمایش داده میشود.
اگر به دنبال توضیحی بیشتر و بازتابنده برای توضیح ولتاژ هستید، به این بخش از مقاله مراجعه کنید.
در غیر این صورت، ما با تعریف رسمیتر ولتاژ ادامه میدهیم.
در یک میدان الکتریکی ثابت، کار لازم برای جابجایی واحد بار بین دو نقطه به عنوان ولتاژ شناخته میشود. ریاضیاً، ولتاژ میتواند به صورت زیر بیان شود،
که در آن کار انجام شده به جول و بار به کولوم است.
میتوانیم ولتاژ را به عنوان مقدار انرژی پتانسیل بین دو نقطه در یک مدار تعریف کنیم.
یک نقطه دارای پتانسیل بالاتر و نقاط دیگر دارای پتانسیل پایینتر است. تفاوت شارژ بین پتانسیل بالاتر و پایینتر را ولتاژ یا تفاوت پتانسیل مینامند.
ولتاژ یا تفاوت پتانسیل نیروی لازم برای جریان الکترونها در مدار را فراهم میکند.
هرچه ولتاژ بیشتر باشد، نیروی اعمالی بیشتر خواهد بود و بنابراین تعداد الکترونهای جریانیافته در مدار بیشتر خواهد شد. بدون ولتاژ یا تفاوت پتانسیل، الکترونها به صورت تصادفی در فضای آزاد حرکت میکنند.
ولتاژ گاهی اوقات به عنوان "تنش الکتریکی" نیز اشاره میشود. به عنوان مثال، ظرفیت ولتاژی کابلهایی مانند ۱ کیلوولت، ۱۱ کیلوولت و ۳۳ کیلوولت به ترتیب به عنوان کابلهای با تنش پایین، تنش بالا و تنش فوقالعاده اشاره میشوند.
همانطور که ذکر شد، ولتاژ به عنوان تفاوت پتانسیل الکتریکی بر واحد شارژ بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی تعریف میشود. بیایید این موضوع را با استفاده از معادلات توصیف کنیم.
دو نقطه A و B را در نظر بگیرید.
پتانسیل نقطه A نسبت به نقطه B به عنوان کار انجام شده در حرکت یک واحد شارژ از نقطه A به B در حضور میدان الکتریکی E تعریف میشود.
به صورت ریاضی، این میتواند به صورت زیر بیان شود،
این همچنین تفاوت پتانسیل بین نقاط A و B با نقطه B به عنوان نقطه مرجع است. این میتواند به صورت زیر نیز بیان شود،
![]()
حالا، مفهوم ولتاژ از نظر مفهومی ممکن است کمی پیچیده باشد.
بنابراین ما از یک تشبیه به چیزی ملموس—چیزی در دنیای واقعی—برای آسانتر کردن درک ولتاژ استفاده خواهیم کرد.
«تشبیه هیدرولیک» یک تشبیه رایج برای توضیح ولتاژ است.
در تشبیه هیدرولیک:
ولتاژ یا پتانسیل الکتریکی معادل فشار آب هیدرولیک است
جریان الکتریکی معادل سرعت جریان آب هیدرولیک است
بار الکتریکی معادل مقدار آب است
یک رسانا معادل لوله است
یک مخزن آب را در نظر بگیرید که در شکل زیر نشان داده شده است. شکل (الف) دو مخزن را نشان میدهد که با همان سطح آب پر شدهاند. بنابراین، آب نمیتواند از یک مخزن به مخزن دیگر جریان یابد زیرا تفاوت فشار وجود ندارد.
حالا، شکل (ب) دو مخزن را نشان میدهد که با سطوح آب مختلف پر شدهاند. بنابراین بین این دو مخزن تفاوت فشاری وجود دارد. بنابراین، آب از یک مخزن به مخزن دیگر جریان خواهد یافت تا سطح آب در هر دو مخزن برابر شود.
به طور مشابه، اگر دو باتری با سطوح ولتاژ مختلف را از طریق سیم رسانا به هم متصل کنیم، بارها از باتری با پتانسیل بالاتر به باتری با پتانسیل پایینتر جریان خواهند یافت. بنابراین، باتری با پتانسیل پایینتر شارژ میشود تا زمانی که پتانسیل هر دو باتری یکسان شود.
یک مخزن آب را در نظر بگیرید که در ارتفاع مشخصی از زمین قرار دارد.
فشار آب در انتهای لوله معادل ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در یک مدار الکتریکی است. آب موجود در مخزن معادل بار الکتریکی است. حال اگر مقدار آب در مخزن را افزایش دهیم، فشار بیشتری در انتهای لوله ایجاد میشود.
به عبارت دیگر، اگر مقداری از آب مخزن را خالی کنیم، فشار ایجاد شده در انتهای لوله کاهش خواهد یافت. میتوانیم این مخزن آب را مانند یک باتری ذخیرهساز در نظر بگیریم. وقتی ولتاژ باتری کاهش مییابد، چراغها تاریکتر میشوند.
بیایید درک کنیم که چگونه ولتاژ یا اختلاف پتانسیل در یک مدار الکتریکی کار میکند. مدار الکتریکی در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که در مدار هیدرولیک آب نشان داده شده است، آب از طریق یک لوله تحت تأثیر پمپ مکانیکی جریان مییابد. یک لوله معادل سیم رسانا در یک مدار الکتریکی است.
حالا، اگر پمپ مکانیکی تفاوت فشاری بین دو نقطه ایجاد کند، آب تحت فشار قادر خواهد بود کاری انجام دهد، مانند چرخاندن یک توربین.
به طور مشابه، در یک مدار الکتریکی، اختلاف پتانسیل یک باتری میتواند باعث جریان بار در رسانا شود و بنابراین، جریان الکتریکی میتواند کاری انجام دهد، مانند روشن کردن چراغ.
واحد SI برای ولتاژ ولت است. این با حرف V نشان داده میشود. ولت یک واحد مشتق شده از سامانه SI برای ولتاژ است. فیزیکدان ایتالیایی آلسسندرو ولتا (۱۷۴۵-۱۸۲۷) که پیل ولتا را اختراع کرد، اولین باتری الکتریکی بود و به افتخار او واحد ولت نامگذاری شد.
ولت میتواند به عنوان تفاوت پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار الکتریکی تعریف شود که یک جول انرژی را برای هر کولن باری که از مدار عبور میکند، مصرف میکند. ریاضیاً، این میتواند به صورت زیر بیان شود،
بنابراین، ولت میتواند به صورت واحدهای پایه SI به صورت
یا
بیان شود.
این میتواند همچنین به صورت وات بر آمپر یا آمپر ضرب اهم اندازهگیری شود.
فرمول اساسی ولتاژ در تصویر زیر نشان داده شده است.
بر اساس قانون اهم، ولتاژ میتواند به صورت زیر بیان شود،
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، جریان ۴ آمپر از طریق مقاومت ۱۵ اهم میگذرد. فشار الکتریکی را در این مدار تعیین کنید.مقاومت و فشار الکتریکی در مدار.
حل:
دادههای موجود:
، ![]()
بر اساس قانون اهم،
بنابراین، با استفاده از معادله، فشار الکتریکی ۶۰ ولت در مدار به دست میآید.
توان منتقل شده حاصل ضرب فشار الکتریکی و جریان الکتریکی است.توان.
حالا،
را در معادله بالا جایگزین میکنیم،
بنابراین، ولتاژ برابر با قدرت تقسیم بر جریان است. ریاضیاً،
مانند مدار زیر، جریان ۲ آمپر از یک لامپ ۴۸ وات عبور میکند. ولتاژ تغذیه را تعیین کنید.
حل:
دادههای داده شده:
, ![]()
بر اساس فرمول بین ولتاژ، توان و جریان ذکر شده،
بنابراین، با استفاده از معادله مذکور ولتاژ تغذیه ۲۴ ولت به دست میآید.
بر اساس معادله (۱)، ولتاژ ریشه دوم حاصلضرب توان و مقاومت است. ریاضیاً،
همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، ولتاژ لازم برای روشن شدن یک لمپ ۵ وات با مقاومت ۲ اهم را تعیین کنید.
حل:
دادههای موجود:
, ![]()
بر اساس فرمول ذکر شده،
بنابراین، با استفاده از معادله، ولتاژ لازم برای روشن شدن لمپ ۵ وات با مقاومت ۲ اهم ۳.۱۶ ولت است.
نماد ولتاژ جریان متناوب (alternating current) به صورت زیر نمایش داده میشود:
نماد ولتاژ جریان مستقیم (direct current) به صورت زیر نمایش داده میشود:
ولتاژ (V) نمایانگر پتانسیل الکتریکی energy برای هر واحد بار است.
ابعاد ولتاژ میتواند به صورت جرم (M)، طول (L)، زمان (T) و آمپر (A) به صورت زیر بیان شود:
.
لطفاً توجه داشته باشید که برخی از افراد به جای استفاده از A، I را برای نمایش جریان استفاده میکنند. در این صورت، بُعد ولتاژ میتواند به صورت
نشان داده شود.
در یک مدار الکتریکی و الکترونیکی، اندازهگیری ولتاژ یک پارامتر ضروری است که باید اندازهگیری شود. میتوانیم ولتاژ بین یک نقطه خاص و زمین یا خط صفر ولتا در مدار را اندازهگیری کنیم.
در یک مدار سه فازی، اگر ولتاژ بین هر یک از فازها و نقطه خنثی را اندازهگیری کنیم، آن را ولتاژ خط به زمین مینامند.
به طور مشابه، اگر ولتاژ بین هر دو فاز از سه فاز را اندازهگیری کنیم، آن را ولتاژ خط به خط مینامند.
برای اندازهگیری ولتاژ ابزارهای مختلفی وجود دارد. هر روش را بررسی کنیم.
ولتاژ بین دو نقطه در یک سیستم میتواند با استفاده از یک ولتمتر اندازهگیری شود. برای اندازهگیری ولتاژ، ولتمتر باید موازی با مولفهای که ولتاژ آن اندازهگیری میشود، متصل شود.
یک سیم ولتمتر باید به اولین نقطه و یکی به دومین نقطه متصل شود. توجه داشته باشید که ولتمتر نباید به صورت سری متصل شود.
ولتمتر میتواند برای اندازهگیری کاهش ولتاژ در هر قطعه یا مجموع کاهش ولتاژ در دو یا چند قطعه در یک مدار استفاده شود.
ولتمتر آنالوگ با اندازهگیری جریان از طریق یک مقاومت ثابت کار میکند. حال، بر اساس قانون اوهم، جریان از طریق مقاومت مستقیماً متناسب با ولتاژ یا تفاضل پتانسیل روی مقاومت ثابت است. بنابراین، میتوانیم ولتاژ ناشناخته را تعیین کنیم.
مثال دیگری از اتصال ولتمتر برای اندازهگیری ولتاژ روی باتری ۹ وات در شکل زیر نشان داده شده است:
در روزهای کنونی، یکی از روشهای متداول برای اندازهگیری ولتاژ استفاده از مالتیمتر است. مالتیمتر میتواند آنالوگ یا دیجیتال باشد اما مالتیمترهای دیجیتال به دلیل دقت بالاتر و هزینه کمتر بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند.
ولتاژ یا تفاضل پتانسیل روی هر تجهیزات میتواند با اتصال سوندهای مالتیمتر به دو نقطهای که ولتاژ در آنها اندازهگیری میشود، به سادگی اندازهگیری شود. اندازهگیری ولتاژ باتری با استفاده از مالتیمتر در تصویر زیر نشان داده شده است.
پوتنتیومتر بر اساس اصل تعادل صفر کار میکند. این دستگاه ولتاژ را با مقایسه ولتاژ ناشناخته با ولتاژ مرجع شناخته شده اندازهگیری میکند.
وسایل دیگری مانند اسکیلوسکوپ یا ولتمتر الکترواستاتیک نیز میتوانند برای اندازهگیری ولتاژ استفاده شوند.
تفاوت اصلی بین ولتاژ و جریان این است که ولتاژ، تفاوت پتانسیل بارهای الکتریکی بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی است، در حالی که جریان، جریان بارهای الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر در یک میدان الکتریکی است.
میتوانیم بگوییم که ولتاژ علت جریان بودن است در حالی که جریان اثر ولتاژ است.
هرچه ولتاژ بالاتر باشد، جریان بیشتری بین دو نقطه جریان مییابد. لازم به ذکر است که اگر دو نقطه در مدار در یک پتانسیل قرار داشته باشند، جریان نمیتواند بین آن نقاط جریان یابد. اندازه ولتاژ و جریان به یکدیگر بستگی دارد (بر اساس قانون اهم).
تفاوتهای دیگر بین ولتاژ و جریان در جدول زیر مورد بحث قرار گرفته است.
| Voltage | Current |
| The voltage is the difference in potential between two points in an electric field. | The current is the flow of charges between two points in an electric field. |
| The symbol of the current is I. | The SI unit of current is ampere or amp. |
| The symbol of voltage is V or ΔV or E. | The symbol of current is I. |
| Voltage can be measured by using a voltmeter. | Current can be measured by using an ammeter. |
| In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same. | In a series circuit, the magnitude of the current remains the same. |
| The voltage creates a magnetic field around it. | The current creates an electrostatic field around it. |
| Dimensions of voltage is |
Dimensions of current is |
| In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure. | In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate. |
| The voltage is the cause of the current flowing in the circuit. | An electric current is the effect of a voltage. |
تفاوت زیادی بین ولتاژ و اختلاف پتانسیل وجود ندارد. اما میتوانیم تفاوت بین آنها را به شکلهای زیر توصیف کنیم.
ولتاژ مقدار انرژی لازم برای حرکت واحد بار بین دو نقطه است، در حالی که اختلاف پتانسیل تفاوت بین پتانسیل بالاتر یک نقطه و پتانسیل پایینتر نقطه دیگر است.
به دلیل بار نقطهای:
ولتاژ پتانسیل حاصل در یک نقطه با در نظر گرفتن نقطه مرجع دیگر در بینهایت است. در حالی که اختلاف پتانسیل تفاوت پتانسیل بین دو نقطه در فواصل محدود از بار است. ریاضیاً آنها میتوانند به صورت زیر بیان شوند،
اگر ترجیح میدهید توضیحات ویدیویی درباره ولتاژ را مشاهده کنید، به ویدیو زیر مراجعه کنید:
ولتاژ معمولی به عنوان سطح یا رتبه ولتاژ معمولی دستگاهها یا تجهیزات الکتریکی تعریف میشود.
فهرستی از ولتاژهای معمول برای تجهیزات یا دستگاههای مختلف الکتریکی در زیر آمده است.
باتریهای سرب-اسید که در خودروهای برقی استفاده میشوند: ۱۲ ولت دسی. باتری ۱۲ ولتی شامل ۶ سلول با ولتاژ مشترک هر سلول ۲.۱ ولت است. توجه داشته باشید که سلولها به صورت سری متصل شدهاند تا نمره ولتاژ افزایش یابد.
سلولهای خورشیدی: معمولاً ولتاژ حدود ۰.۵ ولت دسی تحت شرایط مدار باز تولید میکنند. با این حال، معمولاً چندین سلول خورشیدی به صورت سری متصل میشوند تا پنلهای خورشیدی را تشکیل دهند که میتوانند ولتاژ کل بالاتری تولید کنند.
USB: ۵ ولت دسی.
خط انتقال برق با ولتاژ بالا: ۱۱۰ کیلوولت تا ۱۲۰۰ کیلوولت جریان متناوب.
خطوط برق قطارهای پرسرعت (جریان): ۱۲ کیلوولت و ۵۰ کیلوولت جریان متناوب یا ۰.۷۵ کیلوولت و ۳ کیلوولت دسی.
منبع تغذیه TTL/CMOS: ۵ ولت.
باتری قابل شارژ تک سلولی نیکل-کادمیوم: ۱.۲ ولت.
باتریهای فانوس: ۱.۵ ولت دسی.
ولتاژ معمولی که شرکتهای توزیع به مصرفکنندگان مسکونی ارائه میدهند عبارتند از:
۱۰۰ ولت، یکفازی در ژاپن
۱۲۰ ولت، یکفازی در آمریکا
۲۳۰ ولت، یکفازی در هند و استرالیا
ولتاژ معمولی که شرکتهای توزیع به مصرفکنندگان صنعتی ارائه میدهند عبارتند از:
۲۰۰ ولت، سهفازی در ژاپن
۴۸۰ ولت، سهفازی در آمریکا
۴۱۵ ولت، سهفازی در هند
برخی از کاربردهای ولتاژ عبارتند از:
یکی از کاربردهای رایج ولتاژ تعیین فرورفت ولتاژ در یک دستگاه یا تجهیزات الکتریکی مانند مقاومت است.
افزودن ولتاژ برای افزایش نمره ولتاژ ضروری است. بنابراین، سلولها به صورت سری متصل میشوند تا نمره ولتاژ افزایش یابد.
ولتکه منبع اصلی انرژی برای هر تجهیز الکتریکی و الکترونیکی است. ولتاژهای کوچک (5 ولت) تا ولتاژهای بالا (415 ولت) در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.
ولتاژ پایین معمولاً برای بسیاری از تجهیزات الکترونیکی و کاربردهای کنترلی استفاده میشود.
ولتاژ بالا برای
چاپ الکترواستاتیک، رنگ آمیزی الکترواستاتیک، پوشاندن مواد با روش الکترواستاتیک
مطالعه کیهان شناسی فضا
تجهیز جاذب الکترواستاتیک (کنترل آلودگی هوا)
آزمایشگاه پیشرانش جت
لولههای خلاء تقویتکننده با توان بالا
آزمون دی الکتریک
آزمون مواد غذایی و نوشیدنی
کاربردهای پاشش الکترواستاتیک و پرداختن الکترواستاتیک، الکتروفتوگرافی
کاربردهای پلاسمایی
تشخیص سطح
لامپهای فلاش
سونار
برای آزمون تجهیزات الکتریکی
منبع: Electrical4u
بیانیه: احترام به اصلی، مقالات خوبی که ارزش به اشتراک گذاری دارند، در صورت وجود نقض حق تکثیر لطفاً تماس بگیرید و حذف کنید.