ولتاژ در مدارهای سری
ولتاژهای سری چیست؟
مدار سری یا اتصال سری به زمانی اشاره می‌کند که دو یا چند مولفه الکتریکی در یک ترتیب زنجیره‌ای در داخل یک مدار به هم متصل می‌شوند. در این نوع مدار، فقط یک راه برای عبور بار از مدار وجود دارد. تغییر پتانسیل بار در دو نقطه در یک مدار الکتریکی به عنوان ولتاژ شناخته می‌شود. در این مقاله، به طور دقیق درباره ولتاژ‌ها در یک مدار سری صحبت خواهیم کرد.
باتری یک مدار انرژی را برای عبور بار از باتری و ایجاد یک تفاوت پتانسیل بین دو انتهای مدار خارجی فراهم می‌کند. حالا، اگر یک سلول ۲ ولتی را در نظر بگیریم، آن سلول یک تفاوت پتانسیل ۲ ولتی در مدار خارجی ایجاد خواهد کرد.
مقدار پتانسیل الکتریکی در ترمینال مثبت ۲ ولت بیشتر از ترمینال منفی است. بنابراین، وقتی بار از ترمینال مثبت به ترمینال منفی جریان می‌یابد، باعث از دست دادن ۲ ولت از پتانسیل الکتریکی می‌شود.
این به عنوان افت ولتاژ شناخته می‌شود. این اتفاق می‌افتد که انرژی الکتریکی بار در حال عبور از مولفه‌ها (مقاومت‌ها یا بار) در مدار به شکل‌های دیگر (مکانیکی، حرارتی، نوری و غیره) تبدیل می‌شود.
اگر یک مدار با بیش از یک مقاومت متصل به صورت سری و توسط یک سلول ۲ ولتی تغذیه شده را در نظر بگیریم، جمع کل از دست دادن پتانسیل الکتریکی ۲ ولت خواهد بود. یعنی، در هر مقاومت متصل شده، یک افت ولتاژ خاص وجود دارد. اما می‌توانیم ببینیم که جمع افت ولتاژ تمامی مولفه‌ها ۲ ولت خواهد بود که معادل ولتاژ منبع تغذیه است.
به صورت ریاضی، می‌توانیم آن را به صورت زیر بیان کنیم
با استفاده از قانون اهم، افت‌های ولتاژ فردی می‌توانند محاسبه شوند.
حالا، می‌توانیم یک مدار سری شامل ۳ مقاومت و تغذیه شده توسط یک منبع انرژی ۹ ولتی را در نظر بگیریم. در اینجا، قصد داریم تفاوت پتانسیل در مکان‌های مختلف در حین عبور جریان در سراسر مدار سری را پیدا کنیم.
مکان‌ها با رنگ قرمز در مدار زیر مشخص شده‌اند. می‌دانیم که جریان در جهت از ترمینال مثبت به ترمینال منفی منبع عبور می‌کند. علامت منفی ولتاژ یا تفاوت پتانسیل نشان‌دهنده از دست دادن پتانسیل به دلیل مقاومت است.
تفاوت پتانسیل الکتریکی نقاط مختلف در مدار می‌تواند با استفاده از یک نمودار به نام نمودار پتانسیل الکتریکی که در زیر نشان داده شده‌است، نمایش داده شود.
در این مثال، پتانسیل الکتریکی در A = ۹ ولت است زیرا این ترمینال با پتانسیل بالاتر است. پتانسیل الکتریکی در H = ۰ ولت است زیرا این ترمینال منفی است. وقتی جریان از منبع انرژی ۹ ولتی عبور می‌کند، بار ۹ ولت از پتانسیل الکتریکی کسب می‌کند که از H به A است. در حالی که جریان در مدار خارجی عبور می‌کند، بار این ۹ ولت را به طور کامل از دست می‌دهد.
در اینجا، این اتفاق در سه مرحله اتفاق می‌افتد. زمانی که جریان از مقاومت‌ها عبور می‌کند، افت ولتاژ اتفاق می‌افتد اما هیچ افت ولتاژی زمانی که عبور از سیم صرف است، رخ نمی‌دهد. بنابراین، می‌توانیم ببینیم که بین نقاط AB، CD، EF و GH؛ هیچ افت ولتاژی وجود ندارد. اما بین نقاط B و C، افت ولتاژ ۲ ولت است.
یعنی ولتاژ منبع ۹ ولت به ۷ ولت می‌شود. بعداً، بین نقاط D و E، افت ولتاژ ۴ ولت است. در این نقطه، ولتاژ ۷ ولت به ۳ ولت می‌شود. در نهایت، بین نقاط F و G، افت ولتاژ ۳ ولت است. در این نقطه، ولتاژ ۳ ولت به ۰ ولت می‌شود.
بخش مدار بین نقاط G و H، هیچ انرژی برای بار وجود ندارد. بنابراین، نیاز به تقویت انرژی برای عبور دوباره از مدار خارجی دارد. این تقویت توسط منبع انرژی ارائه می‌شود زمانی که بار از H به A عبور می‌کند.
چندین منبع ولتاژ در سری می‌توانند با یک منبع ولتاژ واحد جایگزین شوند با در نظر گرفتن مجموع کل منابع ولتاژ. اما باید قطبیت را مطابق با تصویر زیر در نظر بگیریم.
منابع ولتاژ AC در سری
در مورد منابع ولتاژ AC در سری، منابع ولتاژ می‌توانند با هم جمع یا ترکیب شوند تا یک منبع واحد تشکیل دهند، به شرطی که فرکانس زاویه‌ای (ω) منابع متصل شده یکسان باشد. اگر منابع ولتاژ AC متصل شده در سری فرکانس‌های زاویه‌ای متفاوت داشته باشند، می‌توانند با هم جمع شوند به شرطی که جریان از طریق منابع متصل شده یکسان باشد.
