اختلاف پتانسیل الکتریکی

اختلاف پتانسیل الکتریکی
اختلاف پتانسیل
شبکه تقسیم ولتاژ
تقسیم ولتاژ
فرمول تقسیم ولتاژ

تفاوت ولتاژ بین دو نقطه در یک مدار به عنوان اختلاف پتانسیل شناخته می‌شود و همین اختلاف پتانسیل است که باعث جاری شدن جریان می‌شود.

بر خلاف جریان که به شکل بار الکتریکی در یک مدار الکتریکی بسته جاری است، اختلاف پتانسیل حرکت نمی‌کند یا جریان نمی‌یابد، بلکه اعمال می‌شود.

واحد اختلاف پتانسیل ایجاد شده بین دو نقطه، ولت نامیده می‌شود و به طور کلی به عنوان اختلاف پتانسیل دو سر یک مقاومت ثابت با مقدار یک اهم و جریان عبوری یک آمپر تعریف می‌شود.

به عبارت دیگر، 1 ولت برابر است با 1 آمپر ضرب در 1 اهم، یا به طور عمومی‌تر، V = I × R.

قانون اهم بیان می‌کند که در یک مدار خطی، جریان عبوری متناسب با اختلاف پتانسیل در آن است. بنابراین هرچه اختلاف پتانسیل بین دو نقطه بیشتر باشد ، جریان عبوری از آن نیز بزرگتر خواهد بود.

به عنوان مثال، اگر ولتاژ یک طرف مقاومت 10Ω، 8 ولت و طرف دیگر آن 5 ولت باشد، اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت 3 ولت (8V – 5V) خواهد بود که باعث جاری شدن جریان 0.3 آمپری می‌شود.

اگر ولتاژ یک طرف از 8 ولت به 40 ولت افزایش یابد، اختلاف پتانسیل مقاومت 40V – 5V = 35V خواهد بود و جریان 3.5A جاری می‌شود. ولتاژ در هر نقطه از مدار همواره نسبت به یک نقطه مشترک، عموما 0V اندازه گیری می‌شود.

در مدارهای الکتریکی، پتانسیل ارت یا زمین معمولا صفر ولت (0V) در نظر گرفته می‌شود و همه چیز به آن نقطه مشترک در مدار ارجاع می‌شود. این از نظر تئوری مشابه اندازه گیری ارتفاع است. ما ارتفاع تپه ها را به روشی مشابه، با در نظر گرفتن سطح دریا به عنوان نقطه مرجع (صفر فوت یا صفر متر)، اندازه می‌گیریم و سپس سایر نقاط تپه یا کوه را با آن سطح مقایسه می‌کنیم.

به روشی کاملا مشابه، می‌توان نقطه مشترک در مدار را صفر ولت در نظر گرفت و به آن نام زمین، صفر ولت یا ارت داد، سپس سایر نقاط ولتاژ در مدار با آن نقطه زمین مقایسه می‌شوند. استفاده از یک نقطه مشترک یا مرجع در نقشه‌های شماتیک الکتریکی باعث می‌شود مدار به صورت ساده‌تری ترسیم شود، زیرا مقرر است که تمام اتصالات به این نقطه پتانسیل یکسانی دارند. به عنوان مثال:

اختلاف پتانسیل

از آنجا که واحد اندازه گیری اختلاف پتانسیل ولت است، عموما آن را ولتاژ می‌نامند. همانطور که در آموزش اتصال سری مقاومت‌ها دیده شد، ولتاژهای سری را می‌توان با هم جمع کرد تا «ولتاژ کل» به دست آید. همانطور که در آموزش اتصال موازی مقاومت‌ها دیده شد، ولتاژهای مختلف اجزایی که به طور موازی به هم متصل شده‌اند، همیشه مقدار یکسانی خواهند داشت. به عنوان مثال:

برای ولتاژهای سری:

برای ولتاژهای موازی:

با استفاده از قانون اهم، می‌توان جریان عبوری از یک مقاومت را به صورت زیر محاسبه کرد:

مثال ۱

جریان عبوری از یک مقاومت ۱۰۰Ω که یکی از ترمینال‌های آن به ۵۰ ولت و دیگری به ۳۰ ولت متصل است، محاسبه کنید.

ولتاژ در ترمینال A برابر با 50V و در ترمینال B برابر با 30V است. بنابراین ولتاژ دو سر مقاومت به صورت زیر به دست می‌آید:

ولتاژ دو سر مقاومت ۲۰ ولت است، پس جریان عبوری از آن به صورت زیر محاسبه می‌شود:

شبکه تقسیم ولتاژ

ما از آموزش‌های قبلی می‌دانیم که با اتصال سری مقاومت‌ها به یکدیگر در یک اختلاف پتانسیل، می‌توان یک مدار تقسیم ولتاژ تولید کرد که نسبت ولتاژهای هر مقاومت را با توجه به ولتاژ تغذیه کل ترکیب به ما بدهد.

این چیزی است که به طور کلی شبکه تقسیم ولتاژ نامیده می‌شود و شبکه‌ای است که تنها برای مقاومت‌های سری صادق است، زیرا همان طور که در آموزش اتصال موازی مقاومت‌ها دیدیم، مقاومت‌هایی که به طور موازی به هم متصل می‌شوند، شبکه‌ای را ایجاد می‌کنند که شبکه تقسیم 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 بعد از هر مقاومت در زنجیره سری، کاهش می‌یابد و مقاومت‌های R_۱، R_۲، R_۳ و R_۴ به یک نقطه مرجع مشترک (معمولا صفر ولت) ارجاع می‌شوند.

بنابراین برای هر تعداد مقاومت که به صورت سری به هم متصل شده‌اند، با تقسیم ولتاژ تغذیه V_S بر مقاومت کل R_T، جریان عبوری از شاخه سری به این صورت به دست می‌آید: I = V_S / R_T (قانون اهم). پس افت ولتاژهای جداگانه روی هر مقاومت را می‌توان به سادگی محاسبه کرد: V = I × R که در آن R نشان دهنده مقدار مقاومت است.

ولتاژ در هر نقطه، P_۱، P_۲، P_۳ و غیره، با توجه به مجموع ولتاژهای هر نقطه تا ولتاژ تغذیه V_S افزایش می‌یابد. ما همچنین می‌توانیم افت ولتاژ در هر نقطه را بدون محاسبه اولیه جریان مدار، با استفاده از فرمول زیر به دست آوریم.

فرمول تقسیم ولتاژ

که در آن V_(x) ولتاژ مجهول، R_(x) مقاومت تولید کننده [افت] ولتاژ، R_T مقاومت کل سری و V_S ولتاژ منبع تغذیه است

مثال ۲

در مدار بالا، چهار مقاومت با مقادیر R_۱ = 10Ω، R_۲ = 20Ω، R_۳ = 30Ω و R4 = 40Ω به منبع تغذیه 100 ولت متصل شده‌اند. با استفاده از فرمول بالا، افت ولتاژ را در نقاط P_۱، P_۲، P_۳ و P_۴ و همچنین افت ولتاژ منفرد دو سر هر مقاومت در داخل زنجیره سری را محاسبه کنید.

ولتاژ در نقاط مختلف به صورت زیر محاسبه می‌شود:

۲. افت ولتاژ منفرد دو سر هر مقاومت به صورت زیر محاسبه می‌شود:

پس با استفاده از این معادله می‌توان گفت افت ولتاژ هر مقاومت در یک مدار سری متناسب با مقدار مقاومت است و بنا بر قانون ولتاژ کیرشهف، ولتاژ کل مقاومت‌ها باید برابر منبع ولتاژ باشد. بنابراین با استفاده از معادله تقسیم ولتاژ، برای هر تعداد مقاومت سری، افت ولتاژ مقاومت‌های جداگانه را می‌توان یافت.

تاکنون دیدیم که ولتاژ به یک مقاومت یا مدار اعمال شده و جریان در مدار و دور تا دور آن جاری می‌شود. اما یک متغیر سوم نیز وجود دارد که می‌توانیم از آن برای مقاومت‌ها و شبکه‌های مقاومتی استفاده کنیم. توان، حاصل ضرب ولتاژ و جریان، و واحد اصلی اندازه گیری آن، وات است.

در آموزش بعدی در مورد مقاومت‌ها، توان تلف شده (مصرف شده) توسط مقاومت به صورت گرما را بررسی می‌کنیم و خواهیم دید که برای به دست آوردن کل توان تلف شده توسط یک مدار مقاومتی، چه سری باشد و چه موازی و یا ترکیبی از این دو، به سادگی توان تلف شده توسط هر مقاومت را با هم جمع می‌کنیم.

منبع

منبع:ردرونیک