به همین دلیل، ما می‌توانیم مقاومت بسیاری از قطعات الکترونیکی را ثابت فرض کنیم، که در این حالت ولتاژ و جریان رابطه‌ای مستقیم و خطی با یکدیگر خواهند داشت.

به عنوان نمونه، در مثال قبلی مدار با لامپ ۳ اهمی، جریان عبوری از مدار را با تقسیم ولتاژ بر مقاومت محاسبه کردیم. با یک باتری ۱۸ ولتی، جریان مدار ۶ آمپر شد. با دو برابر کردن ولتاژ باتری و رساندن آن به ۳۶ ولت، جریان نیز دقیقاً دو برابر شد و به ۱۲ آمپر رسید.

تمام این محاسبات کاملاً منطقی است، البته تا زمانی که لامپ دقیقاً همان مقدار اصطکاک یا مقاومت (یعنی ۳ اهم) را در برابر جریان الکتریکی از خود نشان دهد.

رابطه ولتاژ و جریان در شرایط تغییر مقاومت

با این حال، واقعیت همیشه به این سادگی نیست. یکی از پدیده‌هایی که در فصل‌های آینده بررسی می‌شود، تغییر مقاومت رسانا با تغییر دما است. در یک لامپ رشته‌ای (نوعی لامپ که بر پایه گرم شدن سیم فیلامان نازک بر اثر عبور جریان و رسیدن به حد نورافشانی سفید کار می‌کند)، مقاومت سیم فیلامان با گرم شدن از دمای اتاق تا دمای کاری، به شدت افزایش می‌یابد.

اگر ولتاژ منبع تغذیه را در یک مدار واقعی با لامپ رشته‌ای افزایش دهیم، افزایش جریان حاصل از آن باعث بالا رفتن دمای فیلامان می‌شود. این افزایش دما به نوبه خود مقاومت را بالا می‌برد و در نتیجه، بدون افزایش بیشتر ولتاژ باتری، مانع از افزایش بیشتر جریان می‌شود.

بنابراین، در این حالت ولتاژ و جریان دیگر از معادله ساده خود پیروی نمی‌کنند، زیرا مقاومت فیلامان لامپ رشته‌ای در جریان‌های مختلف ثابت نمی‌ماند.

پدیده تغییر مقاومت با تغییرات دما، ویژگی مشترک تقریباً تمام فلزاتی است که سیم‌ها از آن‌ها ساخته می‌شوند. در بیشتر کاربردها، این تغییرات مقاومت آن‌قدر ناچیز است که می‌توان از آن چشم‌پوشی کرد؛ اما در فیلامان فلزی لامپ‌ها، این تغییر بسیار بزرگ و چشمگیر است.

این موضوع تنها یک نمونه از پدیده «غیرخطی بودن» در مدارهای الکتریکی است و به هیچ وجه تنها نمونه نیست. در ریاضیات، یک تابع زمانی «خطی» نامیده می‌شود که نمودار آن روی گراف یک خط مستقیم باشد. تحلیل ساده‌شده مدار لامپ با مقاومت ثابت ۳ اهم، نموداری شبیه به این ایجاد می‌کند:

نمودار خط مستقیم جریان نسبت به ولتاژ نشان می‌دهد که مقاومت، مقداری پایدار و تغییرناپذیر در محدوده وسیعی از ولتاژها و جریان‌های مدار است. این حالت در یک وضعیت «ایده‌آل» رخ می‌دهد. مقاومت‌ها (Resistors) که دقیقاً برای ارائه یک مقدار مشخص و پایدار از مقاومت ساخته می‌شوند، رفتاری بسیار شبیه به نمودار بالا دارند. یک ریاضیدان رفتار آن‌ها را «خطی» می‌نامد.

با این حال، یک تحلیل واقعی‌تر از مدار لامپ در مقادیر مختلف ولتاژ باتری، نموداری به این شکل ایجاد خواهد کرد:

این نمودار دیگر یک خط مستقیم نیست. در سمت چپ، با افزایش ولتاژ از صفر به مقادیر کم، نمودار با شیب تندی بالا می‌رود. با حرکت به سمت راست، می‌بینیم که خط صاف‌تر می‌شود؛ به این معنی که مدار برای دستیابی به افزایش یکسان در میزان جریان، به افزایش بیشتر و بیشتری در ولتاژ نیاز دارد.

اگر بخواهیم از قانون اهم برای پیدا کردن مقاومت این مدار لامپ با توجه به مقادیر ولتاژ و جریان رسم‌شده استفاده کنیم، به چند مقدار متفاوت می‌رسیم. در اینجا می‌توان گفت که مقاومت غیرخطی (Nonlinear) است و با افزایش جریان و ولتاژ، افزایش می‌یابد. این غیرخطی بودن ناشی از تاثیرات دمای بالا بر سیم فلزی فیلامان لامپ است.

نمونه دیگری از رسانش جریان غیرخطی، عبور جریان از میان گازهایی مانند هوا است. هوا در دما و فشار استاندارد یک عایق موثر به شمار می‌رود. با این حال، اگر ولتاژ بین دو رسانا که با یک توده هوا از هم جدا شده‌اند به اندازه کافی افزایش یابد، مولکول‌های هوای میان آن‌ها یونیزه (Ionized) می‌شوند؛ یعنی نیروی ولتاژ بالا الکترون‌های آن‌ها را از مدار خود جدا می‌کند.

هوا و سایر گازها پس از یونیزه شدن به رساناهای خوبی برای الکتریسیته تبدیل می‌شوند و اجازه می‌دهند الکترون‌ها در جایی جریان یابند که پیش از یونیزاسیون امکان‌پذیر نبود. اگر جریان را نسبت به ولتاژ روی یک نمودار رسم کنیم، اثر یونیزاسیون به وضوح به صورت غیرخطی دیده می‌شود:

نمودار نشان داده شده برای یک توده هوای کوچک (کمتر از یک اینچ) تقریبی است. یک توده هوای بزرگتر به پتانسیل یونیزاسیون بالاتری نیاز دارد، اما شکل منحنی جریان/ولتاژ بسیار مشابه خواهد بود: عملاً هیچ جریانی تا زمان رسیدن به پتانسیل یونیزاسیون برقرار نمی‌شود و پس از آن، رسانش قابل توجهی رخ می‌دهد.

به هر حال، همین پدیده دلیل ایجاد صاعقه به صورت تخلیه لحظه‌ای به جای جریان مداوم الکترون‌هاست. ولتاژ ایجاد شده میان زمین و ابرها (یا میان توده‌های مختلف ابرها) باید تا حدی افزایش یابد که بر پتانسیل یونیزاسیون هوا غلبه کند؛ تنها پس از یونیزه شدن کامل هوا است که جریان عظیمی از الکترون‌ها برقرار می‌شود.

پس از وقوع این اتفاق، جریان از میان هوای یونیزه شده ادامه می‌یابد تا زمانی که بار الکتریکی ساکن میان آن دو نقطه تخلیه شود. به محض اینکه بار الکتریکی به اندازه کافی تخلیه شد و ولتاژ به زیر نقطه آستانه دیگری رسید، هوا زدوده از یون (دی‌یونیزه) شده و به حالت عادی خود با مقاومت بسیار بالا بازمی‌گردد.

بسیاری از مواد عایق جامد نیز ویژگی‌های مقاومتی مشابهی از خود نشان می‌دهند: مقاومت بسیار بالا در برابر جریان زیر یک ولتاژ آستانه بحرانی، و سپس مقاومت بسیار کمتر در ولتاژهای بالاتر از آن آستانه.

هنگامی که یک ماده عایق جامد بر اثر شکست ولتاژ بالا (Breakdown) آسیب می‌بیند، برخلاف بیشتر گازها، اغلب به حالت عایق اولیه خود بازنمی‌گردد. ممکن است در ولتاژهای پایین دوباره عایق باشد، اما ولتاژ آستانه شکست آن به سطح پایین‌تری کاهش می‌یابد که این امر باعث می‌شود شکست الکتریکی در آینده راحت‌تر رخ دهد.

این یک حالت رایج خرابی در سیم‌کشی‌های ولتاژ بالا است: آسیب دیدن عایق به دلیل شکست الکتریکی. چنین خرابی‌هایی را می‌توان با استفاده از دستگاه‌های سنجش مقاومت ویژه (میگر) که از ولتاژهای بالا (۱۰۰۰ ولت یا بیشتر) استفاده می‌کنند، شناسایی کرد.

قطعاتی با مقاومت غیرخطی

قطعاتی در مدار وجود دارند که مشخصاً برای ارائه منحنی‌های مقاومت غیرخطی طراحی شده‌اند که یکی از آن‌ها واریستور (Varistor) است. این قطعات که معمولاً از ترکیباتی مانند اکسید روی یا کاربید سیلیسیم ساخته می‌شوند، مقاومت بالایی را در پایه‌های خود حفظ می‌کنند تا زمانی که به ولتاژ «تحریک» یا «شکست» مشخصی (معادل پتانسیل یونیزاسیون در توده هوا) برسند؛ در این نقطه مقاومت آن‌ها به شدت کاهش می‌یابد.

برخلاف شکست یک عایق معمولی، شکست واریستور تکرارپذیر است؛ یعنی این قطعه به گونه‌ای طراحی شده است که بدون خرابی، در برابر شکست‌های الکتریکی مکرر مقاومت کند. تصویری از یک واریستور در اینجا نشان داده شده است:

لامپ‌های تخلیه گاز خاصی نیز وجود دارند که دقیقاً همین کار را انجام می‌دهند و از همان اصل یونیزاسیون هوا در صاعقه بهره می‌برند.

برخی دیگر از قطعات الکتریکی منحنی‌های جریان/ولتاژ حتی عجیب‌تری دارند. در بعضی از این تجهیزات، با افزایش ولتاژ اعمال شده، جریان خروجی در واقع کاهش می‌یابد! از آنجا که شیب نمودار جریان/ولتاژ برای این پدیده منفی است (با حرکت از چپ به راست به جای صعود، سقوط می‌کند)، این وضعیت به عنوان مقاومت منفی (Negative resistance) شناخته می‌شود.

به طور ویژه، لامپ‌های خلاء پرقدرت موسوم به تترود (Tetrodes) و دیودهای نیمه‌رسانایی به نام دیودهای ایساکی (Esaki) یا دیودهای تونلی (Tunnel diodes)، در محدوده‌های خاصی از ولتاژ اعمال شده، مقاومت منفی از خود نشان می‌دهند.

قانون اهم برای تحلیل رفتار قطعاتی از این دست که مقاومت آن‌ها با تغییر ولتاژ و جریان دگرگون می‌شود، چندان کارآمد نیست. حتی برخی پیشنهاد کرده‌اند که «قانون اهم» باید از جایگاه یک «قانون» تنزل یابد، زیرا یک اصل جهانی و همیشگی نیست. شاید دقیق‌تر باشد که معادله مقاومت را صرفاً به عنوان «تعریف مقاومت» بشناسیم که برای دسته خاصی از مواد و تحت شرایطی محدود صدق می‌کند.

با این حال، برای تسهیل کار دانشجویان، فرض ما بر این است که مقاومت‌های مشخص شده در مدارهای نمونه، در محدوده وسیعی از شرایط پایدار هستند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شود. هدف از این بخش صرفاً آشنایی اولیه با پیچیدگی‌های دنیای واقعی بود تا این تصور اشتباه ایجاد نشود که تمام پدیده‌های الکتریکی را می‌توان در چند معادله ساده خلاصه کرد.

سوالات متداول

مرور مطالب

• مقاومت بیشتر مواد رسانا در محدوده وسیعی از شرایط پایدار است، اما این موضوع برای همه مواد صدق نمی‌کند.
• هر تابعی که نمودار آن روی گراف به صورت یک خط مستقیم رسم شود، تابع خطی نامیده می‌شود. در مدارهایی با مقاومت پایدار، نمودار جریان نسبت به ولتاژ خطی است.
• در مدارهایی که مقاومت با تغییر ولتاژ یا جریان تغییر می‌کند، نمودار جریان نسبت به ولتاژ غیرخطی (غیر مستقیم) خواهد بود.
• واریستور قطعه‌ای است که مقاومت آن با میزان ولتاژ اعمال شده به دو سر آن تغییر می‌کند. در ولتاژهای پایین مقاومت آن بالا است و در یک ولتاژ شکست یا تحریک مشخص، مقاومت آن به شدت افت می‌کند.
• مقاومت منفی وضعیتی است که در آن با افزایش ولتاژ اعمال شده به قطعه، جریان عبوری کاهش می‌یابد. برخی از لامپ‌های الکترونی و دیودهای نیمه‌رسانا (به ویژه لامپ تترود و دیود تونلی) در محدوده خاصی از ولتاژ، مقاومت منفی نشان می‌دهند.

اگر این مقاله مقاومت غیرخطی چیست ؟ آموزش کامل رفتار غیرخطی در مدارهای الکتریکی ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته مقاومت غیرخطی چیست ؟ آموزش کامل رفتار غیرخطی در مدارهای الکتریکی اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

مقاومت چیست؟

قطعاتی خاص به نام مقاومت‌ها ساخته می‌شوند تا مقدار مشخصی از مقاومت الکتریکی را برای قرار گرفتن در یک مدار فراهم کنند. این قطعات معمولاً از سیم فلزی یا کربن ساخته می‌شوند و به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در گستره‌ی وسیعی از شرایط محیطی، مقدار مقاومت خود را ثابت نگه دارند.

بر خلاف لامپ‌ها، مقاومت‌ها نوری تولید نمی‌کنند، اما هنگامی که در یک مدار فعال، توان الکتریکی توسط آن‌ها مستهلک می‌شود، گرما تولید می‌کنند. با این حال، هدف اصلی یک مقاومت معمولاً تولید گرمای قابل‌استفاده نیست، بلکه فراهم کردن مقدار دقیقی از مقاومت الکتریکی است.

نماد مداری و مقادیر مقاومت‌ها

رایج‌ترین نماد مداری برای مقاومت، یک خط زیگزاگی است:

مقادیر مقاومت بر حسب اهم معمولاً به‌صورت عددی در کنار نماد نوشته می‌شوند، و اگر چند مقاومت در یک مدار حضور داشته باشند، هر یک با یک شناسه منحصربه‌فرد مانند R۱، R۲، R۳ و غیره برچسب‌گذاری می‌شوند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، نماد مقاومت می‌تواند هم به‌صورت افقی و هم عمودی رسم شود:

مقاومت‌های واقعی هیچ شباهتی به نماد زیگزاگی ندارند. در واقع آن‌ها به شکل لوله‌ها یا استوانه‌های کوچکی هستند که دو سیم از دو سوی آن‌ها برای اتصال به مدار بیرون زده است. در ادامه نمونه‌ای از انواع و اندازه‌های مختلف مقاومت‌ها را می‌بینید:

نمادی جایگزین که بیشتر با ظاهر فیزیکی مقاومت‌ها هم‌خوانی دارد، به شکل یک جعبه‌ی مستطیلی کوچک است:

مقاومت‌ها همچنین می‌توانند به‌جای مقدار ثابت، دارای مقدار متغیر باشند. این می‌تواند نشان‌دهنده‌ی یک قطعه‌ی فیزیکی واقعی باشد که برای ایجاد مقاومت قابل‌تنظیم طراحی شده، یا صرفاً بیانگر قطعه‌ای باشد که به‌طور طبیعی مقاومت ناپایداری دارد:

هر زمان که نماد یک قطعه را با یک فلش مورب از وسط آن رسم‌شده دیدید، بدانید که آن قطعه دارای مقدار متغیر است، نه ثابت. این «تغییردهنده‌ی نماد» (فلش مورب) یک قرارداد استاندارد در نمادهای الکترونیکی است.

مقاومت‌های متغیر

مقاومت‌های متغیر باید دارای یک وسیله‌ی فیزیکی برای تنظیم باشند، مانند یک محور چرخان یا اهرمی که برای تغییر میزان مقاومت الکتریکی جابه‌جا می‌شود. در تصویر زیر دستگاه‌هایی به نام پتانسیومتر را می‌بینید که می‌توانند به‌عنوان مقاومت‌های متغیر استفاده شوند:

توان مجاز مقاومت‌ها

از آنجا که مقاومت‌ها هنگام عبور جریان الکتریکی از آن‌ها، انرژی گرمایی را بر اثر غلبه بر «اصطکاک» مقاومت خود دفع می‌کنند، آن‌ها همچنین بر اساس میزان انرژی گرمایی که می‌توانند بدون داغ‌شدن بیش از حد و آسیب دیدن دفع کنند، رده‌بندی می‌شوند. طبیعتاً این توان مجاز بر حسب واحد فیزیکی «وات» مشخص می‌شود. بیشتر مقاومت‌های به‌کاررفته در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک، مانند رادیوهای قابل‌حمل، دارای توان مجاز ۰٫۲۵ وات یا کمتر هستند.

توان مجاز هر مقاومت تقریباً با اندازه‌ی فیزیکی آن متناسب است. در نخستین عکس از مقاومت‌ها می‌توان دید که چگونه توان مجاز با اندازه ارتباط دارد: هرچه مقاومت بزرگ‌تر باشد، توان دفعی مجاز آن نیز بیشتر است. همچنین توجه کنید که مقدار مقاومت (بر حسب اهم) هیچ ارتباطی با اندازه‌ی فیزیکی قطعه ندارد! هرچند ممکن است در نگاه اول بی‌فایده به نظر برسد که قطعه‌ای صرفاً وظیفه‌اش مقاومت در برابر جریان الکتریکی باشد، اما مقاومت‌ها در واقع از پرکاربردترین قطعات در مدارهای الکتریکی هستند.

از آنجا که این قطعات ساده هستند و در سراسر دنیای برق و الکترونیک به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، زمان قابل‌توجهی را صرف تحلیل مدارهایی خواهیم کرد که تنها از مقاومت و باتری تشکیل شده‌اند.

کاربرد مقاومت‌ها در مدارها

برای مشاهده‌ی عملی کاربرد مقاومت‌ها، به تصویر زیر توجه کنید. این تصویر یک برد مدار چاپی یا PCB را نشان می‌دهد: مجموعه‌ای متشکل از لایه‌های چسبیده‌به‌هم از فایبر عایق فنولیک و نوارهای مسی هادی، که قطعات درون آن قرار می‌گیرند و از طریق فرآیندی جوش‌مانند با دمای پایین به نام «لحیم‌کاری» ثابت می‌شوند.

قطعات گوناگون روی این برد مداری با برچسب‌های چاپی مشخص شده‌اند. مقاومت‌ها با هر برچسبی که با حرف «R» آغاز می‌شود، شناسایی می‌شوند.

این برد مداری خاص متعلق به یک لوازم جانبی رایانه به نام «مودم» است که امکان انتقال اطلاعات دیجیتال از طریق خطوط تلفن را فراهم می‌کند. حداقل دوازده مقاومت (همگی با توان مجاز ۰٫۲۵ وات) روی برد این مودم قابل مشاهده هستند. هر یک از مستطیل‌های سیاه‌رنگ (که «مدار مجتمع» یا «چیپ» نامیده می‌شوند) نیز مجموعه‌ای از مقاومت‌های داخلی خود را برای انجام عملکردهایشان دارند. نمونه‌ی دیگری از یک برد مداری، مقاومت‌هایی را نشان می‌دهد که در واحدهای حتی کوچک‌تری بسته‌بندی شده‌اند، به نام «قطعات نصب‌سطحی».

این برد مداری خاص، سطح زیرین یک هارددیسک رایانه‌ی شخصی است و در اینجا نیز مقاومت‌های لحیم‌شده روی آن با برچسب‌هایی که با حرف «R» آغاز می‌شوند، مشخص شده‌اند:

روی این برد مداری بیش از صد مقاومت نصب‌سطحی وجود دارد، و این شمارش البته تعداد مقاومت‌های داخلی «چیپ‌ها» را در بر نمی‌گیرد. این دو تصویر برای اثبات این نکته کافی‌اند که مقاومت‌ها؛ قطعاتی که «صرفاً» در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند؛ در دنیای الکترونیک از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند.

«بار» در نمودارهای مداری

در نمودارهای مداری، گاهی از نماد مقاومت برای نشان‌دادن هر نوع دستگاه کلی در یک مدار استفاده می‌شود که کاری مفید با انرژی الکتریکی انجام می‌دهد. هر وسیله‌ی الکتریکی غیراختصاصی معمولاً «بار» نامیده می‌شود؛ بنابراین اگر در یک نمودار مداری نمادی از مقاومت را دیدید که با عنوان «بار» برچسب‌گذاری شده، به‌ویژه در نمودارهای آموزشی که مفهومی جدا از مصرف واقعی توان الکتریکی را توضیح می‌دهند، بدانید که آن نماد احتمالاً نوعی نمایش خلاصه‌شده از چیزی کاربردی‌تر از یک مقاومت واقعی است.

تحلیل مدارهای مقاومتی

برای جمع‌بندی آنچه در این درس آموختیم، بیایید مدار زیر را تحلیل کنیم و هر آنچه را که از اطلاعات داده‌شده می‌توانیم استخراج کنیم، به دست آوریم:

تنها اطلاعاتی که در اینجا در اختیار داریم، ولتاژ باتری (۱۰ ولت) و جریان مدار (۲ آمپر) است. مقدار مقاومت را بر حسب اهم یا توان مستهلک‌شده توسط آن بر حسب وات نمی‌دانیم. با مرور معادلات قانون اهم، به دو معادله می‌رسیم که از روی مقادیر شناخته‌شده‌ی ولتاژ و جریان، پاسخ می‌دهند:

با قرار دادن مقادیر شناخته‌شده‌ی ولتاژ (E) و جریان (I) در این دو معادله، می‌توانیم مقاومت مدار (R) و توان مستهلک‌شده (P) را تعیین کنیم:

برای شرایط مداری با ۱۰ ولت و ۲ آمپر، مقاومت قطعه باید ۵ اهم باشد. اگر قرار بود مداری را برای کار در این شرایط طراحی کنیم، لازم بود مقاومتی با توان مجاز حداقل ۲۰ وات انتخاب کنیم، در غیر این صورت قطعه بیش از حد داغ شده و از کار می‌افتاد.

جنس و مواد سازنده‌ی مقاومت‌ها

مقاومت‌ها از مواد گوناگونی ساخته می‌شوند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. بیشتر مهندسان برق از انواع زیر استفاده می‌کنند:

مقاومت‌های سیم‌پیچی (Wirewound)

مقاومت‌های سیم‌پیچی با پیچیدن سیم مقاومتی به دور یک هسته‌ی غیرهادی به‌صورت مارپیچی ساخته می‌شوند. این نوع مقاومت‌ها معمولاً برای کاربردهایی با دقت بالا و توان زیاد تولید می‌شوند. هسته‌ی آن‌ها معمولاً از سرامیک یا فایبرگلاس ساخته شده و سیم مقاومتی از آلیاژ نیکل-کروم است. این نوع مقاومت برای کاربردهایی با فرکانس بیش از ۵۰ کیلوهرتز مناسب نیست.

نویز پایین و پایداری در برابر تغییرات دما از ویژگی‌های استاندارد مقاومت‌های سیم‌پیچی هستند. مقادیر مقاومت این نوع از ۰٫۱ تا ۱۰۰ کیلواهم در دسترس است، با دقتی بین ۰٫۱ تا ۲۰ درصد.

مقاومت‌های فیلم فلزی (Metal Film)

در مقاومت‌های فیلم فلزی معمولاً از نیکروم یا نیترید تانتالیوم استفاده می‌شود. ترکیبی از یک ماده‌ی سرامیکی و یک فلز معمولاً ماده‌ی مقاومتی را تشکیل می‌دهد. مقدار مقاومت با برش یک الگوی مارپیچی در فیلم، مشابه فیلم کربنی، توسط لیزر یا سایش تغییر می‌کند. مقاومت‌های فیلم فلزی معمولاً در برابر تغییرات دما نسبت به مقاومت‌های سیم‌پیچی پایداری کمتری دارند، اما در فرکانس‌های بالاتر عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

مقاومت‌های فیلم اکسید فلزی (Metal Oxide Film)

مقاومت‌های اکسید فلزی از اکسیدهای فلزی مانند اکسید قلع استفاده می‌کنند که آن‌ها را کمی متفاوت از مقاومت‌های فیلم فلزی می‌سازد. این مقاومت‌ها قابل‌اعتماد و پایدار هستند و در دماهای بالاتری نسبت به مقاومت‌های فیلم فلزی کار می‌کنند. به همین دلیل، مقاومت‌های فیلم اکسید فلزی در کاربردهایی که به دوام بالا نیاز دارند، استفاده می‌شوند.

مقاومت‌های فویلی (Foil)

مقاومت‌های فویلی که در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی توسعه یافتند، همچنان یکی از دقیق‌ترین و پایدارترین انواع مقاومت‌ها به‌شمار می‌روند و در کاربردهایی با نیاز به دقت بالا استفاده می‌شوند. عنصر مقاومتی آن‌ها از یک زیرلایه‌ی سرامیکی تشکیل شده که یک فویل فلزی نازک به آن چسبانده شده است. مقاومت‌های فویلی دارای ضریب دمایی مقاومت بسیار پایینی هستند.

مقاومت‌های کربن ترکیبی (Carbon Composition)

تا دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، مقاومت‌های کربن ترکیبی استاندارد رایج در بیشتر کاربردها بودند. این مقاومت‌ها قابل‌اعتماد هستند، اما دقت بالایی ندارند (تلورانس آن‌ها معمولاً بهتر از حدود ۵ درصد نیست). عنصر مقاومتی این نوع از ترکیب ذرات ریز کربن و ماده‌ی سرامیکی غیرهادی ساخته می‌شود.

این ماده به شکل یک استوانه قالب‌گیری شده و سپس پخته می‌شود. ابعاد بدنه و نسبت کربن به سرامیک، مقدار مقاومت را تعیین می‌کند؛ هرچه کربن بیشتری در فرآیند استفاده شود، مقاومت پایین‌تر خواهد بود. مقاومت‌های کربن ترکیبی همچنان برای برخی کاربردها به‌دلیل توانایی تحمل پالس‌های پرانرژی مفید هستند؛ یک نمونه‌ی خوب از این کاربرد، استفاده در منابع تغذیه است.

مقاومت‌های فیلم کربنی (Carbon Film)

مقاومت‌های فیلم کربنی دارای یک لایه‌ی نازک کربن (با برشی مارپیچی روی فیلم برای افزایش مسیر مقاومتی) روی یک هسته‌ی استوانه‌ای عایق هستند. این ساختار باعث می‌شود مقدار مقاومت دقیق‌تر باشد و همچنین مقدار مقاومت را افزایش دهد. مقاومت‌های فیلم کربنی دقت بسیار بیشتری نسبت به مقاومت‌های کربن ترکیبی دارند. نوع ویژه‌ای از مقاومت‌های فیلم کربنی در کاربردهایی که به پایداری بالا در برابر پالس نیاز دارند، استفاده می‌شود.

شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI)

در جدول زیر شاخص‌های کلیدی عملکرد برای هر یک از جنس‌های مقاومت آورده شده است:

سوالات متداول

مرور مطالب

• قطعاتی به نام مقاومت برای ایجاد مقادیر دقیقی از مقاومت در مدارهای الکتریکی ساخته می‌شوند. مقاومت‌ها هم بر اساس مقدار مقاومتشان (اهم) و هم بر اساس توانایی دفع انرژی گرمایی (وات) رده‌بندی می‌شوند.
• مقدار مقاومت یک قطعه را نمی‌توان از روی اندازه‌ی فیزیکی آن تخمین زد، هرچند توان مجاز تقریبی آن را می‌توان از این طریق حدس زد. هرچه مقاومت بزرگ‌تر باشد، توان بیشتری را می‌تواند بدون آسیب‌دیدن دفع کند.
• هر دستگاهی که کاری مفید با توان الکتریکی انجام دهد، معمولاً «بار» نامیده می‌شود. گاهی نماد مقاومت در نمودارهای مداری برای نشان‌دادن یک بار غیراختصاصی به‌کار می‌رود، نه یک مقاومت واقعی.

می‌توانید از ماشین‌ حساب کد رنگ مقاومت در بخش ابزارهای سایت استفاده کنید.

اگر این مقاله مقاومت چیست ؟ آموزش کامل مقاومت الکتریکی، انواع، کاربرد و تحلیل مدار ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته مقاومت چیست ؟ آموزش کامل مقاومت الکتریکی، انواع، کاربرد و تحلیل مدار اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

استفاده از قانون اهم برای محاسبه جریان

در مدار بالا، ولتاژ باتری ۱۸ ولت و مقاومت لامپ ۳ اهم (Ω) است. با استفاده از قانون اهم (Ohm’s Law) می‌توان مقدار جریان را محاسبه کرد.

اکنون که مقدار جریان مشخص شده است، کافی است آن را در ولتاژ ضرب کنیم تا توان مصرفی مدار به دست آید.

نتیجه نشان می‌دهد که این لامپ ۱۰۸ وات توان مصرف می‌کند. این انرژی عمدتاً به صورت نور و گرما آزاد می‌شود.

افزایش ولتاژ باتری

اکنون همان مدار را در نظر بگیرید، اما این بار ولتاژ باتری را افزایش می‌دهیم تا ببینیم چه تغییری در مدار ایجاد می‌شود. به‌طور طبیعی انتظار داریم با افزایش ولتاژ و ثابت ماندن مقاومت لامپ، جریان مدار نیز افزایش پیدا کند. در نتیجه، توان مصرفی نیز بیشتر خواهد شد.

در این حالت، ولتاژ باتری از ۱۸ ولت به ۳۶ ولت افزایش یافته است، در حالی که مقاومت الکتریکی لامپ همچنان ۳ اهم باقی مانده است. بنابراین مقدار جریان جدید برابر خواهد بود با:

این نتیجه کاملاً منطقی است. طبق رابطه I = E / R، اگر ولتاژ دو برابر شود و مقاومت تغییری نکند، جریان نیز دو برابر خواهد شد. همان‌طور که مشاهده می‌شود، جریان از ۶ آمپر به ۱۲ آمپر رسیده است.

اکنون نوبت به محاسبه توان می‌رسد.

افزایش ولتاژ باتری چه تأثیری بر توان دارد؟

همان‌طور که انتظار می‌رفت، توان نیز افزایش یافته است؛ اما نکته جالب این است که میزان افزایش توان بسیار بیشتر از افزایش جریان است.

دلیل این موضوع آن است که توان حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان است. زمانی که هم ولتاژ و هم جریان هر دو دو برابر شوند، توان به اندازه ۲ × ۲ = ۴ برابر افزایش پیدا می‌کند.

برای اطمینان می‌توانید مقدار ۴۳۲ وات را بر ۱۰۸ وات تقسیم کنید. حاصل برابر با ۴ خواهد بود که نشان می‌دهد توان واقعاً چهار برابر شده است.

با استفاده از روابط جبری نیز می‌توان فرمول اصلی توان را به شکل‌های دیگری نوشت تا در شرایطی که مقدار ولتاژ یا جریان مشخص نیست، همچنان بتوان توان را محاسبه کرد.

اگر فقط ولتاژ (E) و مقاومت (R) را بدانیم:

اگر فقط جریان (I) و مقاومت (R) را بدانیم:

قانون ژول در برابر قانون اهم

از نظر تاریخی، نخستین فردی که رابطه ریاضی بین توان تلف‌شده و جریان عبوری از یک مقاومت را کشف کرد، جیمز پرسکات ژول بود، نه گئورگ سیمون اهم.

ژول این رابطه را در سال ۱۸۴۱ منتشر کرد و آن را به صورت زیر بیان نمود:

P = I²R

این رابطه امروزه با نام قانون ژول (Joule’s Law) شناخته می‌شود.

با این حال، از آنجا که معادلات توان ارتباط مستقیمی با روابط قانون اهم میان ولتاژ، جریان و مقاومت دارند:

• E = IR
• I = E / R
• R = E / I

بسیاری از افراد این روابط توان را نیز به اشتباه به قانون اهم نسبت می‌دهند.

سوالات متداول

اگر این مقاله محاسبه توان الکتریکی با قانون اهم ، آموزش گام‌به‌گام همراه مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته محاسبه توان الکتریکی با قانون اهم ، آموزش گام‌به‌گام همراه مثال اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

توان چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

توان معیاری برای سنجش میزان کار انجام‌شده در یک بازه زمانی مشخص است. کار (Work) به‌طور کلی بر اساس بلند کردن یک وزنه در خلاف جهت نیروی جاذبه زمین تعریف می‌شود. هرچه وزنه سنگین‌تر باشد و یا به ارتفاع بالاتری برده شود، کار بیشتری انجام شده است. در این میان، توان معیاری است که نشان می‌دهد یک مقدار مشخص از کار با چه سرعتی انجام می‌گیرد.

در خودروهای آمریکایی، توان موتور با واحدی به نام «اسب بخار» (Horsepower) سنجیده می‌شود؛ اصطلاحی که در ابتدا توسط سازندگان موتورهای بخار ابداع شد تا بتوانند ظرفیت کاری ماشین‌های خود را بر اساس رایج‌ترین منبع توان آن روزگار، یعنی اسب‌ها، کمی‌سازی کنند.

یک اسب بخار در واحدهای بریتانیایی به صورت انجام ۵۵۰ فوت-پوند کار در ثانیه تعریف می‌شود. توان موتور یک خودرو نشان نمی‌دهد که آن خودرو چقدر می‌تواند از یک تپه بلند بالا برود یا چه میزان باری را می‌تواند یدک بکشد، بلکه نشان می‌دهد که با چه «سرعتی» می‌تواند از یک تپه مشخص بالا برود یا بار معینی را بکشد.

توان یک موتور مکانیکی تابعی از سرعت موتور و گشتاور (Torque) خروجی شفت آن است. سرعت شفت خروجی موتور معمولاً با واحد دور در دقیقه یا RPM اندازه‌گیری می‌شود.

گشتاور همان نیروی چرخشی تولید شده توسط موتور است و معمولاً با واحد پوند-فوت یا lb-ft سنجیده می‌شود (این واحد نباید با فوت-پوند یا ft-lbs که واحد کار است، اشتباه گرفته شود). هیچ‌یک از معیارهای سرعت یا گشتاور به تنهایی نشان‌دهنده توان موتور نیستند.

یک موتور دیزلی تراکتور با قدرت ۱۰۰ اسب بخار، با سرعت نسبتاً پایینی می‌چرخد اما گشتاور بسیار بالایی تولید می‌کند. در مقابل، یک موتور موتورسیکلت با قدرت ۱۰۰ اسب بخار، بسیار سریع می‌چرخد اما گشتاور نسبتاً کمی فراهم می‌آورد. هر دو موتور ۱۰۰ اسب بخار توان تولید می‌کنند، اما این کار را در سرعت‌ها و گشتاورهای متفاوتی انجام می‌دهند. معادله توان شفت بر حسب اسب بخار بسیار ساده است:

توجه کنید که در سمت راست معادله تنها دو متغیر S (سرعت) و T (گشتاور) وجود دارند. باقی ترم‌های این سمت همگی اعداد ثابت هستند؛ عدد ۲، عدد پی و عدد ۳۳,۰۰۰ مقادیر ثابتی دارند و هرگز تغییر نمی‌کنند. بنابراین، اسب بخار تنها با تغییرات سرعت و گشتاور تغییر می‌کند و به عامل دیگری وابسته نیست. می‌توانیم این رابطه را به شکل زیر بازنویسی کنیم:

از آنجا که واحد «اسب بخار» دقیقاً با حاصل‌ضرب سرعت (دور در دقیقه) در گشتاور (پوند-فوت) هم‌خوانی عددی ندارد، نمی‌توان گفت اسب بخار «برابر است با» حاصل‌ضرب ST. با این حال، این دو مقدار با یکدیگر «رابطه مستقیم و متناسب» دارند. با تغییر حاصل‌ضرب عددی ST، مقدار اسب بخار نیز به همان نسبت تغییر خواهد کرد.

توان به عنوان تابعی از ولتاژ و جریان

در مدارهای الکتریکی، توان تابعی از ولتاژ و جریان الکتریکی است. جای تعجب نیست که این رابطه شباهت چشمگیری به فرمول تناسبی اسب بخار در بخش قبلی دارد:

با این حال، در دنیای الکترونیک، توان (P) دقیقاً برابر است با حاصل‌ضرب جریان (I) در ولتاژ (E)، و دیگر صرفاً یک رابطه تناسبی ساده نیست. هنگام استفاده از این فرمول، واحد اندازه‌گیری توان «وات» (Watt) نام دارد که با حرف اختصاری W نمایش داده می‌شود.

باید به این نکته توجه داشت که نه ولتاژ و نه جریان، هیچ‌کدام به تنهایی به معنای توان نیستند؛ بلکه توان حاصل ترکیب هم‌زمان ولتاژ و جریان در یک مدار است. به یاد داشته باشید که ولتاژ نشان‌دهنده کار اختصاصی (یا انرژی پتانسیل) به ازای واحد بار الکتریکی است، در حالی که جریان، نرخ حرکت بارهای الکتریکی یا همان الکترون‌ها از طریق یک هادی است.

ولتاژ (کار اختصاصی) مشابه کاری است که برای بلند کردن یک وزنه در برابر گرانش انجام می‌شود. جریان (نرخ حرکت) نیز مشابه سرعتی است که وزنه با آن بالا کشیده می‌شود. از این رو، حاصل‌ضرب ولتاژ (کار) و جریان (نرخ حرکت) در کنار هم، توان را تشکیل می‌دهند.

دقیقاً مانند مثال موتور تراکتور دیزلی و موتور موتورسیکلت، مداری با ولتاژ بالا و جریان کم ممکن است همان مقدار توانی را مصرف کند که یک مدار با ولتاژ پایین و جریان بالا مصرف می‌کند. مقدار ولتاژ به تنهایی یا مقدار جریان به تنهایی، هرگز نشان‌دهنده میزان توان در یک مدار الکتریکی نیست.

توان در مدارهای باز و اتصال کوتاه

در یک مدار باز (Open Circuit)، جایی که ولتاژ در پایانه‌های منبع وجود دارد اما جریان صفر است، توان مصرفی نیز دقیقاً «صفر» خواهد بود؛ فرقی نمی‌کند که مقدار این ولتاژ چقدر بزرگ باشد. از آنجا که فرمول محاسبه توان P=IE است و در اینجا I=0 است، و هر عددی که در صفر ضرب شود حاصلش صفر می‌شود، توان مصرفی در هر مدار بازی قطعاً صفر است.

به همین ترتیب، اگر یک مدار اتصال کوتاه (Short Circuit) ساخته شده از یک حلقه سیم فوق‌رسانا (با مقاومت کاملاً صفر) داشته باشیم، می‌توان وضعیتی را تصور کرد که در آن جریان در حلقه برقرار است اما ولتاژ صفر است؛ در این حالت نیز هیچ توانی مصرف نمی‌شود. از آنجا که P=IE و در این سناریو E=0 است، حاصل‌ضرب آن‌ها صفر شده و توان تلف‌شده در یک حلقه فوق‌رسانا صفر خواهد بود.

رابطه اسب بخار با وات چیست؟

چه توان را با واحد اسب بخار اندازه‌گیری کنیم و چه با واحد وات، در هر صورت در حال صحبت از یک مفهوم فیزیکی یکسان هستیم: این که چه مقدار کار در یک بازه زمانی مشخص قابل انجام است. این دو واحد از نظر عددی با هم برابر نیستند، اما یک کمیت فیزیکی واحد را بیان می‌کنند.

در واقع، خودروسازان اروپایی معمولاً قدرت موتورهای خود را به جای اسب بخار، بر حسب کیلووات (kW) یا هزار وات تبلیغ می‌کنند. این دو واحد توان با یک فرمول تبدیل ساده به یکدیگر مرتبط می‌شوند:

بنابراین، موتورهای ۱۰۰ اسب بخاری تراکتور و موتورسیکلت ما می‌توانند به عنوان موتورهای «۷۴,۵۷۰ وات» یا به عبارت صحیح‌تر، موتورهای «۷۴.۵۷ کیلوواتی» معرفی شوند. در مشخصات مهندسی اروپایی، استفاده از این استاندارد یک قاعده معمول به شمار می‌رود.

مرور مطالب

• توان معیاری برای اندازه‌گیری مقدار کاری است که در یک بازه زمانی مشخص انجام می‌شود.
• در کاربردهای مکانیکی، توان معمولاً با واحد اسب بخار اندازه‌گیری می‌شود.
• در مدارهای الکتریکی، توان تقریباً همیشه با واحد وات بیان می‌شود.
• توان الکتریکی از رابطه P = V × I یا P = E × I محاسبه می‌شود.
• توان حاصل ترکیب هم‌زمان ولتاژ و جریان است و هیچ‌کدام به‌تنهایی نشان‌دهنده توان نیستند.
• اسب بخار و وات تنها دو واحد متفاوت برای اندازه‌گیری یک کمیت فیزیکی هستند و هر ۱ اسب بخار تقریباً برابر با ۷۴۵٫۷ وات است.

سوالات متداول

اگر این مقاله توان الکتریکی چیست ؟ آموزش کامل فرمول توان P=VI با مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته توان الکتریکی چیست ؟ آموزش کامل فرمول توان P=VI با مثال اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

با استفاده از این مدل ساده می‌توان به‌راحتی رابطه میان ولتاژ، جریان و مقاومت را درک کرد.

اگر مقاومت در برابر جریان آب ثابت بماند اما فشار پمپ افزایش پیدا کند، مقدار آب عبوری از لوله نیز بیشتر خواهد شد. به همین ترتیب، در یک مدار الکتریکی نیز زمانی که مقاومت ثابت است، افزایش ولتاژ باعث افزایش جریان الکتریکی می‌شود.

حال فرض کنید فشار پمپ ثابت باقی بماند، اما قطر لوله کمتر شود یا مانعی در مسیر جریان آب ایجاد شود. در این حالت، عبور آب دشوارتر شده و دبی جریان کاهش پیدا می‌کند.

در مدارهای الکتریکی نیز همین اتفاق رخ می‌دهد. اگر ولتاژ ثابت باشد و مقدار مقاومت افزایش پیدا کند، جریان الکتریکی کاهش خواهد یافت.

اکنون حالتی را در نظر بگیرید که بخواهیم مقدار جریان آب بدون تغییر باقی بماند، اما مقاومت مسیر کاهش پیدا کند؛ برای مثال لوله عریض‌تر شود. در چنین شرایطی دیگر نیازی به فشار زیاد از سوی پمپ نیست و فشار مورد نیاز کاهش می‌یابد.

در مدارهای الکتریکی نیز اگر جریان ثابت بماند و مقاومت کاهش پیدا کند، ولتاژ لازم برای حفظ همان جریان نیز کمتر خواهد شد.

شاید در نگاه اول این تشبیه بسیار دقیق به نظر برسد، اما واقعیت این است که روابط ریاضی میان فشار، دبی جریان و مقاومت در سیالاتی مانند آب، بسیار پیچیده‌تر از روابط میان ولتاژ، جریان و مقاومت در مدارهای الکتریکی است.

اگر در آینده فیزیک را به‌صورت تخصصی مطالعه کنید، با معادلات پیچیده مکانیک سیالات آشنا خواهید شد. اما خبر خوب برای دانشجویان و علاقه‌مندان الکترونیک این است که قانون اهم از نظر ریاضی بسیار ساده، مستقیم و کاربردی است و به همین دلیل پایه بسیاری از محاسبات مدارهای الکتریکی به شمار می‌رود.

مرور مطالب

• زمانی که مقاومت ثابت باشد، جریان الکتریکی مستقیماً از ولتاژ پیروی می‌کند؛ یعنی با افزایش ولتاژ، جریان نیز افزایش می‌یابد و با کاهش ولتاژ، جریان کاهش پیدا می‌کند.
• زمانی که ولتاژ ثابت باشد، جریان و مقاومت رابطه معکوس دارند؛ افزایش مقاومت باعث کاهش جریان می‌شود و کاهش مقاومت باعث افزایش جریان خواهد شد.
• زمانی که جریان ثابت باشد، ولتاژ متناسب با مقاومت تغییر می‌کند؛ بنابراین افزایش مقاومت به افزایش ولتاژ مورد نیاز منجر می‌شود.

سوالات متداول

شما همچنین می‌توانید از ماشین حساب قانون اهم در بخش ابزارهای ما استفاده کنید.

اگر این مقاله درک قانون اهم بدون حفظ کردن فرمول‌ ها ، جریان و مقاومت با مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته درک قانون اهم بدون حفظ کردن فرمول‌ ها اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

ولتاژ، جریان و مقاومت

یک مدار الکتریکی زمانی شکل می‌گیرد که یک مسیر رسانا برای حرکت مداوم بار الکتریکی ایجاد شود. این حرکت پیوسته بار الکتریکی از طریق رساناهای مدار، جریان الکتریکی (Current) نامیده می‌شود و غالباً مانند جریان یک مایع در لوله‌ای توخالی، از آن با واژه «شارش» یا «جریان» یاد می‌کنند.

نیرویی که حامل‌های بار را به شارش در یک مدار ترغیب می‌کند، ولتاژ (Voltage) نام دارد. ولتاژ معیاری مشخص از انرژی پتانسیل است که همواره بین دو نقطه سنجیده می‌شود. به عبارت دیگر، وقتی از وجود مقدار مشخصی ولتاژ در یک مدار سخن می‌گوییم، در واقع میزان انرژی پتانسیل موجود برای حرکت دادن حامل‌های بار از یک نقطه خاص مدار به نقطه خاص دیگر را اندازه می‌گیریم. مفهوم ولتاژ بدون در نظر گرفتن دو نقطه مشخص، کاملاً بی‌معناست.

جریان الکتریکی تمایل دارد با مقداری اصطکاک یا مخالفت در برابر حرکت، از رساناها عبور کند. این مخالفت در برابر حرکت بارها را مقاومت الکتریکی (Resistance) می‌نامند. مقدار جریان در یک مدار به میزان ولتاژ اعمال‌شده و مقدار مقاومت موجود در مدار برای مخالفت با شارش جریان بستگی دارد.

مقاومت نیز درست مانند ولتاژ، یک کمیت نسبی بین دو نقطه است. به همین دلیل، کمیت‌های ولتاژ و مقاومت معمولاً به‌صورت مقادیر «بین» یا «در عرض» دو نقطه از مدار بیان می‌شوند.

واحدهای اندازه‌گیری: ولت، آمپر و اهم

برای اینکه بتوانیم اظهارنظرهای معناداری درباره این کمیت‌ها در مدارها داشته باشیم، باید بتوانیم مقادیر آن‌ها را به همان روشی که جرم، دما، حجم، طول یا هر کمیت فیزیکی دیگری را تعیین می‌کنیم، مشخص سازیم. برای نمونه، برای جرم از واحدهای «کیلوگرم» یا «گرم» و برای دما از درجه فارنهایت یا سلسیوس استفاده می‌کنیم. واحدهای استاندارد اندازه‌گیری برای جریان، ولتاژ و مقاومت الکتریکی به شرح زیر است:

«نماد» مشخص‌شده برای هر کمیت، حرف الفبای استانداردی است که برای نشان دادن آن کمیت در معادلات جبری استفاده می‌شود. این حروف استاندارد در رشته‌های فیزیک و مهندسی رایج بوده و به رسمیت شناخته شده‌اند.

«علامت اختصاری واحد» برای هر کمیت، نشان‌دهنده نماد الفبایی است که به عنوان نویسه کوتاه‌نویسی برای آن واحد اندازه‌گیری خاص به کار می‌رود. نماد نعل‌اسبی‌شکل و منحصر‌به‌فرد مقاومت، حرف بزرگ یونانی امگا (Ω) است.

هر یک از این واحدهای اندازه‌گیری به افتخار یکی از دانشمندان نامدار حوزه الکتریسیته نام‌گذاری شده است: «آمپر» به افتخار دانشمند فرانسوی آندره ماری آمپر، «ولت» به افتخار دانشمند ایتالیایی آلساندرو ولتا و «اهم» به افتخار دانشمند آلمانی گئورگ سیمون اهم.

نماد ریاضی هر کمیت نیز معنای خاص خود را دارد. حرف R برای مقاومت و V برای ولتاژ کاملاً واضح هستند، اما انتخاب حرف I برای جریان کمی عجیب به نظر می‌رسد. اعتقاد بر این است که حرف I در ابتدا نماینده کلمه شدت (Intensity) شارش بار بوده است. همچنین نماد دیگر ولتاژ یعنی E، مخفف عبارت «نیروی محرکه الکتریکی» (Electromotive force) است.

نمادهای E و V در بیشتر موارد به جای یکدیگر استفاده می‌شوند، اگرچه برخی متون آموزشی حرف E را برای نمایش ولتاژ یک منبع (مانند باتری یا ژنراتور) و V را برای نمایش ولتاژ سایر قطعات مدار اختصاص می‌دهند.

تمام این نمادها با حروف بزرگ نوشته می‌شوند، مگر در مواردی که یک کمیت (به‌ویژه ولتاژ یا جریان) در یک بازه زمانی بسیار کوتاه توصیف شود که به آن مقدار «لحظه‌ای» می‌گویند. به عنوان مثال، ولتاژ یک باتری که در طولانی‌مدت پایدار است با حرف بزرگ E نشان داده می‌شود، در حالی که اوج ولتاژ برخورد صاعقه در دقیقاً همان لحظه اصابت به خطوط انتقال برق، به احتمال زیاد با حرف کوچک e یا v نشان داده می‌شود تا مشخص شود که این مقدار مربوط به یک لحظه خاص است. این قاعده برای جریان الکتریکی نیز صدق می‌کند و حرف کوچک i نشان‌دهنده جریان در یک لحظه از زمان است. با این حال، بیشتر اندازه‌گیری‌های جریان مستقیم (DC) به دلیل پایدار بودن در طول زمان، با حروف بزرگ نوشته می‌شوند.

کولن و بار الکتریکی

یکی از واحدهای بنیادی اندازه‌گیری الکتریکی که اغلب در ابتدای دوره‌های الکترونیک آموزش داده می‌شود اما پس از آن کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، واحد «کولن» (Coulomb) است. کولن معیاری برای سنجش بار الکتریکی و متناسب با تعداد الکترون‌ها در یک وضعیت نامتعادل است. یک کولن بار الکتریکی دقیقاً برابر با ۶,۲۵۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ الکترون است.

نماد کمیت بار الکتریکی حرف بزرگ Q و علامت اختصاری واحد کولن حرف بزرگ C است. جریان یک آمپری عبوری از مدار، معادل عبور ۱ کولن بار الکتریکی از یک نقطه مشخص در مدت زمان ۱ ثانیه است. با این تعریف، جریان در واقع نرخ حرکت بار الکتریکی در یک رسانا است.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، ولتاژ معیار انرژی پتانسیل بر واحد بار است که برای ایجاد جریان از یک نقطه به نقطه دیگر در دسترس قرار می‌گیرد. پیش از تعریف دقیق «ولت»، باید روش اندازه‌گیری انرژی پتانسیل را درک کنیم. واحد متری عمومی برای هر نوع انرژی «ژول» (Joule) است که با مقدار کار انجام‌شده توسط نیروی ۱ نیوتون در مسافت ۱ متر برابری می‌کند. در سیستم امپریال، این مقدار کمی کمتر از سه‌چهارم پوند نیرو در مسافت ۱ فوت است. به زبان ساده، حدود ۱ ژول انرژی برای بلند کردن یک وزنه سه‌چهارم پوندی به اندازه ۱ فوت از سطح زمین یا کشیدن چیزی در مسافت ۱ فوت با نیروی موازی سه‌چهارم پوند نیاز است. با این تعاریف علمی، ۱ ولت برابر است با ۱ ژول انرژی پتانسیل الکتریکی تقسیم بر ۱ کولن بار الکتریکی. از این رو، یک باتری ۹ ولتی به ازای هر کولن باری که در مدار حرکت می‌دهد، ۹ ژول انرژی آزاد می‌کند. شناخت این واحدها و نمادهای کمیت‌های الکتریکی برای بررسی روابط میان آن‌ها در مدارها بسیار حیاتی است.

معادله قانون اهم

کشف اصلی اهم این بود که مقدار جریان الکتریکی عبوری از یک رسانای فلزی در مدار، در یک دمای ثابت، به طور مستقیم با ولتاژ اعمال‌شده بر آن متناسب است. اهم کشف خود را در قالب یک معادله ساده بیان کرد که چگونگی ارتباط ولتاژ، جریان و مقاومت را نشان می‌دهد:

در این عبارت جبری، ولتاژ (E) برابر است با حاصل‌ضرب جریان (I) در مقاومت (R). با استفاده از تکنیک‌های جبری، می‌توانیم این معادله را به دو فرم دیگر برای محاسبه جریان و مقاومت تغییر دهیم:

تحلیل مدارهای ساده با قانون اهم

بیایید بررسی کنیم که این معادلات چگونه به ما در تحلیل مدارهای ساده کمک می‌کنند:

در مدار بالا، تنها یک منبع ولتاژ (باتری در سمت چپ) و تنها یک قطعه مقاومتی در برابر جریان (لامپ در سمت راست) وجود دارد. این ساختار، اعمال قانون اهم را بسیار آسان می‌کند. اگر مقدار هر دو کمیت از سه کمیت اصلی (ولتاژ، جریان و مقاومت) را در این مدار بدانیم، می‌توانیم از قانون اهم برای تعیین کمیت سوم استفاده کنیم.

در اولین مثال، مقدار جریان (I) را در مدار با داشتن مقادیر ولتاژ (E) و مقاومت (R) محاسبه می‌کنیم:

مقدار جریان در این مدار چقدر است؟

در دومین مثال، مقدار مقاومت (R) را در مدار با داشتن مقادیر ولتاژ (E) و جریان (I) محاسبه می‌کنیم:

مقدار مقاومت ایجاد شده توسط لامپ چقدر است؟

در آخرین مثال، مقدار ولتاژ تامین‌شده توسط باتری را با داشتن مقادیر جریان (I) و مقاومت (R) محاسبه می‌کنیم:

مقدار ولتاژ ارائه شده توسط باتری چقدر است؟

تکنیک مثلث قانون اهم

قانون اهم Ohm’s Law ابزاری بسیار ساده و کاربردی برای تحلیل مدارهای الکتریکی است. این قانون به قدری در مطالعه الکتریسیته و الکترونیک استفاده می‌شود که هنرجویان باید آن را به خاطر بسپارند. برای کسانی که هنوز با محاسبات جبری کاملاً راحت نیستند، ترفندی برای به یاد آوردن نحوه محاسبه هر یک از کمیت‌ها با داشتن دو کمیت دیگر وجود دارد.

ابتدا حروف E، I و R را در یک مثلث به این صورت قرار دهید:

اگر مقادیر E و I را می‌دانید و می‌خواهید R را تعیین کنید، کافی است حرف R را از تصویر بپوشانید و ببینید چه چیزی باقی می‌ماند:

اگر مقادیر E و R را می‌دانید و می‌خواهید I را تعیین کنید، حرف I را بپوشانید و بخش باقی‌مانده را مشاهده کنید:

در نهایت، اگر مقادیر I و R را می‌دانید و می‌خواهید E را پیدا کنید، حرف E را بپوشانید و فرمول حاصل را ببینید:

در نهایت برای مطالعه جدی الکتریسیته و الکترونیک باید با جبر آشنا شوید، اما این نکته کوچک می‌تواند اولین محاسبات شما را کمی ساده‌تر کند. اگر با جبر آشنایی کافی دارید، تنها کاری که باید انجام دهید این است که فرمول اصلی یعنی E=IR را حفظ کنید و در صورت نیاز، دو فرمول دیگر را از آن استخراج کنید.

مرور مطالب

• ولتاژ بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود و با حروف E یا V نشان داده می‌شود.
• جریان بر حسب آمپر اندازه‌گیری می‌شود و با حرف I نشان داده می‌شود.
• مقاومت بر حسب اهم اندازه‌گیری می‌شود و با حرف R نشان داده می‌شود.
• فرمول‌های قانون اهم: V = IR ؛ I = V/R ؛ R = V/I

سوالات متداول

شما همچنین می‌توانید از ماشین حساب قانون اهم در بخش ابزارهای ما استفاده کنید.

اگر این مقاله قانون اهم Ohm’s Law چیست ؟ آموزش کامل رابطه ولتاژ ، جریان و مقاومت با مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته قانون اهم Ohm’s Law چیست ؟ آموزش کامل رابطه ولتاژ ، جریان و مقاومت با مثال اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

تا زمانی که جهت واقعی حرکت الکترون‌ها کشف شد، نام‌گذاری «مثبت» و «منفی» آن‌چنان در جامعه علمی تثبیت شده بود که هیچ تلاشی برای تغییر آن صورت نگرفت؛ هرچند که مثبت نامیدن الکترون‌ها برای اشاره به بار «مازاد»، منطقی‌تر به نظر می‌رسید. واقعیت این است که اصطلاحات «مثبت» و «منفی» اختراعات بشر هستند و به خودی خود، معنایی فراتر از قراردادهای زبانی و توصیفات علمی ما ندارند. فرانکلین به همان سادگی می‌توانست مازاد بار را «سیاه» و کمبود آن را «سفید» بنامد؛ در آن صورت، دانشمندان امروز می‌گفتند الکترون‌ها دارای بار «سفید» هستند (با فرض همان حدس نادرست درباره موقعیت بار میان موم و پشم).

قرارداد جهت جریان قراردادی

با این حال، چون ما معمولاً واژه «مثبت» را با «مازاد» و «منفی» را با «کمبود» پیوند می‌دهیم، نام‌گذاری استاندارد برای بار الکترون معکوس به نظر می‌رسد. به همین دلیل، بسیاری از مهندسان تصمیم گرفتند همان مفهوم قدیمی الکتریسیته را حفظ کنند که در آن واژه «مثبت» به مازاد بار اشاره دارد و جریان بار (جریان الکتریکی) را بر همان اساس نشانه‌گذاری کنند. این شیوه به عنوان قرارداد جریان قراردادی (Conventional Flow) شناخته شد:

قرارداد جهت جریان الکترون

گروهی دیگر تصمیم گرفتند جهت حرکت بار را بر اساس حرکت واقعی الکترون‌ها در مدار مشخص کنند. این نوع نمادگذاری به عنوان قرارداد جریان الکترون (Electron Flow) معروف شد:

در قرارداد جریان قراردادی، ما حرکت بار را بر اساس نشانه‌های مثبت (+) و منفی (-) نشان می‌دهیم که از نظر فنی نادرست است. در این حالت، علائم معنای ذهنی درستی دارند اما جهت حرکت بار اشتباه است. در قرارداد جریان الکترون، ما حرکت واقعی الکترون‌ها را در مدار دنبال می‌کنیم، اما علائم مثبت (+) و منفی (-) معکوس به نظر می‌رسند.

اما آیا واقعاً مهم است که جریان بار را در یک مدار چگونه نشان دهیم؟ تا زمانی که در استفاده از نمادهای خود یکپارچگی و ثبات داشته باشیم، پاسخ منفی است. شما می‌توانید جهت فرضی جریان (جریان قراردادی) یا جهت واقعی آن (جریان الکترون) را دنبال کنید و در تحلیل مدار به یک اندازه موفق باشید. مفاهیم ولتاژ، جریان، مقاومت، پیوستگی و حتی محاسبات ریاضی مانند قانون اهم و قوانین کیرشخف با هر دو روش نمادگذاری کاملاً معتبر باقی می‌مانند.

جریان قراردادی در برابر جریان الکترون

قرارداد جریان قراردادی توسط بیشتر مهندسان برق دنبال می‌شود و در اکثر کتاب‌های درسی مهندسی به تصویر کشیده شده است. در مقابل، جریان الکترون بیشتر در کتاب‌های مقدماتی و در نوشته‌های دانشمندان حرفه‌ای، به‌ویژه فیزیک‌دانان حالت جامد که با حرکت واقعی الکترون‌ها در مواد سروکار دارند، دیده می‌شود. این ترجیحات ماهیت فرهنگی دارند؛ به این معنا که گروه‌های مختلفی از افراد، تصور حرکت جریان الکتریکی به شیوه‌های خاصی را برای خود سودمند یافته‌اند. از آنجا که بیشتر تحلیل‌های مدارهای الکتریکی به توصیف دقیق و فنی حرکت بار بستگی ندارند، انتخاب بین این دو قرارداد تا حد زیادی اختیاری است… البته، تقریباً اختیاری است.

قطبیت و ناپلاریزه بودن

بسیاری از قطعات الکتریکی، جریان‌های واقعی را در هر دو جهت بدون هیچ تفاوتی در عملکرد خود تحمل می‌کنند. به عنوان مثال، لامپ‌های رشته‌ای (نوعی لامپ که از یک رشته فلزی نازک استفاده می‌کند و با عبور جریان کافی به سفیدی می‌گراید و داغ می‌شود)، فارغ از جهت جریان، نور را با بازدهی یکسان تولید می‌کنند. آن‌ها حتی با جریان متناوب (AC) که جهت آن به سرعت در طول زمان تغییر می‌کند نیز به خوبی کار می‌کنند. رساناها و کلیدها نیز مستقل از جهت جریان عمل می‌کنند. اصطلاح فنی برای این بی‌اهمیت بودن جهت جریان بار، ناپلاریزه بودن (Nonpolarization) است. بنابراین می‌توان گفت لامپ‌های رشته‌ای، کلیدها و سیم‌ها، قطعاتی ناپلاریزه هستند. در مقابل، هر قطعه‌ای که با تغییر جهت جریان رفتار متفاوتی از خود نشان دهد، یک قطعه قطبیده (Polarized) یا دارای قطبیت نامیده می‌شود.

قطعات قطبیده بسیاری در مدارهای الکتریکی استفاده می‌شوند. بیشتر آن‌ها از مواد نیمه‌رسانا (Semiconductor) ساخته شده‌اند. مانند کلیدها، لامپ‌ها و باتری‌ها، هر یک از این قطعات در نمودار شماتیک با یک نماد منحصربه‌فرد نشان داده می‌شوند. همان‌طور که می‌توان حدس زد، نماد قطعات قطبیده معمولاً در جایی از خود دارای یک فلش است تا جهت ترجیحی یا انحصاری جریان را مشخص کند. این دقیقاً همان جایی است که تقابل میان جریان قراردادی و جریان الکترون اهمیت پیدا می‌کند. از آنجا که مهندسان در گذشته‌های دور، جریان قراردادی را به عنوان استاندارد فرهنگی خود پذیرفته‌اند و از آنجا که مهندسان همان افرادی هستند که قطعات الکتریکی و نمادهای آن‌ها را اختراع می‌کنند، فلش‌های استفاده شده در نماد این قطعات همگی به سمت جهت جریان قراردادی اشاره دارند، نه جریان الکترون. به عبارت دیگر، نماد تمام این قطعات دارای علامت‌های فلشی است که جهت آن‌ها برعکس جریان واقعی الکترون‌ها در مدار است.

شاید بهترین نمونه از یک قطعه قطبیده، دیود (Diode) باشد. دیود مانند یک «شیر یک‌طرفه» برای جریان الکتریکی عمل می‌کند، مشابه شیرهای خودکار یا یک‌طرفه در سیستم‌های لوله‌کشی و هیدرولیک. در حالت ایده‌آل، دیود جریان را در یک جهت بدون مانع عبور می‌دهد (مقاومت ناچیز یا صفر)، اما از عبور آن در جهت دیگر جلوگیری می‌کند (مقاومت بی‌نهایت). نماد شماتیک آن به این صورت است:

عملکرد آن در یک مدار شامل باتری و لامپ به شرح زیر است:

وقتی دیود در جهت درست برای اجازه عبور جریان قرار می‌گیرد، لامپ روشن می‌شود. در غیر این صورت، دیود جریان را مانند یک قطعی در مدار مسدود می‌کند و لامپ روشن نخواهد شد.

اگر جریان مدار را با استفاده از قرارداد جریان قراردادی نشانه‌گذاری کنیم، نماد فلش دیود کاملاً منطقی به نظر می‌رسد: نوک پیکان مثلثی به سمت جهت حرکت بار، یعنی از مثبت به منفی اشاره می‌کند:

از سوی دیگر، اگر از قرارداد جریان الکترون برای نشان دادن جهت واقعی حرکت الکترون‌ها در مدار استفاده کنیم، نماد فلش دیود معکوس به نظر می‌رسد:

تنها به همین دلیل، بسیاری از افراد ترجیح می‌دهند جریان قراردادی را به عنوان نماد انتخابی خود هنگام رسم جهت حرکت بار در مدار قرار دهند. این کار باعث می‌شود نمادهای مرتبط با قطعات نیمه‌رسانا مانند دیودها منطقی‌تر به نظر برسند. با این حال، برخی دیگر ترجیح می‌دهند جهت واقعی حرکت الکترون‌ها را نمایش دهند تا نیازی نباشد هر بار که موضوع حرکت واقعی الکترون‌ها مطرح می‌شود، به خود یادآوری کنند: «فقط به خاطر داشته باش که الکترون‌ها در واقع دارند در جهت مخالف حرکت می‌کنند».

از کدام مدل باید استفاده کرد؟ جریان قراردادی یا جریان الکترون؟

هر دو مدل در صورت استفاده یکپارچه و مداوم، نتایج دقیقی به دست می‌دهند و تا جایی که به عنوان ابزاری برای درک و تحلیل مدارهای الکتریکی به ما کمک می‌کنند، به یک اندازه «درست» هستند. با این حال، در محیط مهندسی برق، استفاده از جریان قراردادی بسیار رایج‌تر است. در این متن آموزشی نیز از جریان قراردادی استفاده می‌شود و هر کسی که قصد دارد الکترونیک را در یک محیط آکادمیک یا حرفه‌ای مطالعه کند، باید یاد بگیرد که به طور طبیعی جریان الکتریکی را به عنوان پدیده‌ای تصور کند که از ولتاژ بالاتر به سمت ولتاژ پایین‌تر جاری می‌شود.

سوالات متداول

اگر این مقاله تفاوت جهت جریان الکترونی و جریان قراردادی چیست ؟ راهنمای کامل با مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته تفاوت جهت جریان الکترونی و جریان قراردادی چیست ؟ راهنمای کامل با مثال اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.

نکته مهم این است که در یک مدار ساده، مقدار جریان الکتریکی (یعنی میزان بار الکتریکی که در هر ثانیه از یک نقطه عبور می‌کند) در تمام قسمت‌های مدار یکسان است، اما ولتاژ یا انرژی پتانسیل موجود به ازای هر واحد بار می‌تواند در نقاط مختلف مدار تفاوت قابل توجهی داشته باشد.

به مدار بالا توجه کنید. اگر چهار نقطه مختلف مدار را با اعداد 1، 2، 3 و 4 مشخص کنیم، مشاهده خواهیم کرد که مقدار جریانی که از سیم بین نقاط 1 و 2 عبور می‌کند، دقیقاً برابر با جریانی است که از لامپ، یعنی بین نقاط 2 و 3، عبور می‌کند. همین مقدار جریان نیز از سیم بین نقاط 3 و 4 و همچنین از باتری، یعنی بین نقاط 1 و 4، عبور می‌کند.

به عبارت دیگر، در یک مدار سری ساده، هیچ بخشی از مدار جریان بیشتری یا کمتری نسبت به بخش‌های دیگر ندارد و تمام بارهای الکتریکی با یک نرخ ثابت در سراسر مدار حرکت می‌کنند.

با این حال، مقدار ولتاژ بین هر دو نقطه از مدار به میزان مقاومت الکتریکی موجود در مسیر بین آن دو نقطه بستگی دارد. از آنجا که جریان در تمام قسمت‌های این مدار یکسان است، هرچه مقاومت یک بخش بیشتر باشد، افت ولتاژ در همان قسمت نیز بیشتر خواهد بود.

برای مثال، در یک مدار معمولی که شامل یک باتری، سیم و لامپ است، مقاومت رشته داخلی لامپ بسیار بیشتر از مقاومت سیم‌های اتصال است. بنابراین انتظار داریم:

• بین نقاط 2 و 3 (دو سر لامپ) افت ولتاژ قابل توجهی وجود داشته باشد.
• بین نقاط 1 و 2 و همچنین بین نقاط 3 و 4، به دلیل مقاومت بسیار کم سیم‌ها، افت ولتاژ ناچیز یا تقریباً صفر باشد.
• ولتاژ بین نقاط 1 و 4 برابر با ولتاژ کامل باتری است که تنها اندکی بیشتر از ولتاژ دو سر لامپ خواهد بود؛ زیرا مقدار بسیار کمی از ولتاژ نیز روی سیم‌های مدار افت می‌کند.

برای درک بهتر این موضوع، می‌توان از یک مثال مکانیکی شامل جریان آب استفاده کرد.

فرض کنید آب از نقطه 2 به نقطه 3 وارد یک چرخ آبی می‌شود. در این قسمت، آب بخشی از انرژی خود را به چرخ منتقل می‌کند؛ بنابراین بین دو طرف چرخ آبی اختلاف فشار وجود دارد. این اختلاف فشار نشان‌دهنده مقاومتی است که چرخ در برابر حرکت آب ایجاد می‌کند.

اما در مسیرهای بین نقاط 1 و 2 یا 3 و 4، آب تقریباً بدون هیچ مانعی در لوله‌ها و مخازن جریان دارد. از آنجا که مقاومت بسیار ناچیز است، اختلاف فشار نیز بسیار کم یا تقریباً صفر خواهد بود.

با وجود این، سرعت جریان آب در تمام قسمت‌های این سیستم پیوسته یکسان باقی می‌ماند؛ چه در داخل پمپ، چه هنگام عبور از چرخ آبی و چه در تمام لوله‌های مسیر. البته این موضوع زمانی برقرار است که سطح آب در مخزن‌ها ثابت باشد.

رفتار یک مدار الکتریکی ساده نیز دقیقاً به همین شکل است. جریان الکتریکی در تمام نقاط مدار مقدار ثابتی دارد، اما ولتاژ بین نقاط مختلف بسته به میزان مقاومت موجود در مسیر می‌تواند متفاوت باشد.

سؤالات متداول

مرور مطالب

• عبور جریان الکتریکی از مقاومت باعث ایجاد افت ولتاژ می‌شود.
• در یک مدار سری ساده، مقدار جریان در تمام نقاط مدار یکسان است.
• مقدار افت ولتاژ هر بخش متناسب با مقاومت همان بخش است.
• سیم‌های اتصال به دلیل مقاومت بسیار کم، افت ولتاژ ناچیزی دارند.
• بیشترین افت ولتاژ معمولاً در قطعه‌ای رخ می‌دهد که بیشترین مقاومت را دارد؛ مانند لامپ یا مقاومت الکتریکی.
• ولتاژ باتری برابر مجموع افت ولتاژهای تمام اجزای مدار است.

اگر این مقاله افت ولتاژ Voltage Drop چیست و چگونه در مدار ایجاد می‌شود ؟ ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.

نوشته افت ولتاژ Voltage Drop چیست و چگونه در مدار ایجاد می‌شود ؟ اولین بار در ساخت پروژه. پدیدار شد.