ولتاژ و جریان الکتریکی چیست ؟ توضیح ساده و کاربردی با مثال‌ های واقعی

ولتاژ و جریان الکتریکی چیست ؟ توضیح ساده و کاربردی با مثال‌ های واقعی ، همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، برای ایجاد یک جریان پیوسته بار الکتریکی، تنها وجود یک مسیر بسته (مدار) کافی نیست؛ بلکه به عاملی نیاز داریم که حامل‌های بار را در مدار به حرکت درآورد. درست مانند تیله‌هایی که درون یک لوله یا آب درون یک لوله جریان پیدا می‌کند، برای آغاز حرکت باید نیرویی تأثیرگذار وجود داشته باشد. در مورد الکترون‌ها، این نیرو همان نیرویی است که در الکتریسیته ساکن مشاهده می‌کنیم: نیرویی که از عدم تعادل بار الکتریکی به‌وجود می‌آید.

اگر موم و پشم را که به هم مالیده شده‌اند در نظر بگیریم، می‌بینیم که افزایش الکترون‌ها در موم (بار منفی) و کمبود الکترون‌ها در پشم (بار مثبت) باعث ایجاد عدم تعادل بار میان این دو می‌شود. این عدم تعادل به‌صورت یک نیروی جاذبه بین دو جسم ظاهر می‌شود.

اگر یک سیم رسانا بین موم و پشم باردار قرار داده شود، الکترون‌ها از طریق سیم جریان پیدا می‌کنند؛ زیرا بخشی از الکترون‌های اضافی موم از سیم عبور می‌کنند تا به پشم بازگردند و کمبود الکترون آن را جبران کنند.

عدم تعادل الکترون‌ها میان اتم‌های موم و اتم‌های پشم، نیرویی بین این دو ماده ایجاد می‌کند. وقتی مسیری برای عبور الکترون‌ها وجود نداشته باشد، این نیرو فقط باعث جذب دو جسم به یکدیگر می‌شود. اما هنگامی که یک رسانا این فاصله عایق را پل می‌زند، نیرو باعث می‌شود الکترون‌ها ـ هرچند برای مدت کوتاه ـ در یک جهت یکنواخت در سیم جریان پیدا کنند تا بار در آن ناحیه خنثی شود و نیروی جاذبه کاهش یابد. بار الکتریکی ایجادشده در اثر مالش این دو ماده، مقدار معینی انرژی را در خود ذخیره می‌کند. این انرژی شباهت زیادی به انرژی ذخیره‌شده در یک مخزن آب مرتفع دارد که آب آن از یک حوضچه پایین‌تر پمپ شده است.

نیروی گرانش وارد بر آب موجود در مخزن، تمایل دارد آب را دوباره به سطح پایین‌تر بازگرداند. اگر لوله‌ای مناسب از مخزن به حوضچه وصل شود، آب تحت تأثیر گرانش از مخزن به پایین جریان پیدا می‌کند.

برای پمپ کردن آب از حوضچه پایین به مخزن مرتفع، انرژی مصرف می‌شود و جریان دوباره آب به سطح اولیه، به‌معنای آزاد شدن همان انرژی ذخیره‌شده است. اگر آب به ارتفاع بیشتری پمپ شود، انرژی بیشتری ذخیره خواهد شد و در صورت بازگشت، انرژی بیشتری نیز آزاد می‌شود.

رفتار الکترون‌ها نیز چندان متفاوت نیست. وقتی موم و پشم را به هم می‌مالیم، در واقع الکترون‌ها را از «سطح» طبیعی خود دور می‌کنیم و شرایطی به‌وجود می‌آوریم که در آن، نیرویی میان موم و پشم شکل می‌گیرد؛ زیرا الکترون‌ها تمایل دارند دوباره به موقعیت پیشین خود بازگردند و تعادل بار برقرار شود. نیرویی که الکترون‌ها را به‌سوی هسته‌های مثبت اتم‌ها بازمی‌گرداند، مشابه نیروی گرانش است که آب را از مخزن به سطح پایین‌تر می‌کشد. همان‌طور که بالا بردن آب باعث ذخیره انرژی می‌شود، ایجاد عدم تعادل بار الکتریکی نیز به ذخیره مقدار معینی انرژی منجر می‌شود. هنگامی که حامل‌های بار در این حالت ساکن قرار دارند، انرژی ذخیره‌شده «انرژی پتانسیل» نامیده می‌شود؛ زیرا امکان آزاد شدن آن وجود دارد، اما هنوز تحقق نیافته است.

درک مفهوم ولتاژ

وقتی حامل‌های بار در چنین حالت ساکنی قرار دارند، انرژی ذخیره‌شده را انرژی پتانسیل می‌نامیم. برای نمونه، وقتی در یک روز خشک، کفش‌های لاستیکی خود را روی فرش می‌کشید، بین بدن شما و فرش عدم تعادل بار الکتریکی ایجاد می‌شود. این عمل باعث ذخیره انرژی به‌صورت الکتریسیته ساکن می‌شود. تا زمانی که این بار ساکن است، شاید متوجه ذخیره انرژی نشوید؛ اما کافی است دست خود را به یک دستگیره فلزی بزنید تا این انرژی ذخیره‌شده به‌صورت جریان ناگهانی بار آزاد شود و آن را به شکل یک شوک الکتریکی احساس کنید. این انرژی پتانسیل که ناشی از عدم تعادل بار الکتریکی است و می‌تواند حامل‌های بار را در یک رسانا به حرکت درآورد، با کمیتی به نام «ولتاژ» بیان می‌شود. از دید فیزیک، ولتاژ معیاری از انرژی پتانسیل ویژه، یعنی انرژی پتانسیل به ازای واحد بار است.

تعریف ولتاژ

در زمینه الکتریسیته ساکن، ولتاژ معیاری از کاری است که برای جابه‌جایی یک واحد بار از نقطه‌ای به نقطه دیگر، برخلاف نیرویی که تمایل به حفظ تعادل بار دارد، لازم است. در منابع توان الکتریکی، ولتاژ مقدار انرژی پتانسیل موجود به ازای هر واحد بار است که برای حرکت دادن بارها در رسانا به‌کار می‌رود.

از آنجا که ولتاژ بیانگر انرژی پتانسیل و امکان آزاد شدن آن است، همواره بین دو نقطه تعریف می‌شود. قیاس مخزن آب را در نظر بگیرید:

به دلیل اختلاف ارتفاع، امکان آزاد شدن انرژی از مخزن به محل ۲ بسیار بیشتر از محل ۱ است. این مفهوم را می‌توان با انداختن یک سنگ نیز درک کرد: سنگی که از ارتفاع یک مایل رها می‌شود، انرژی بسیار بیشتری نسبت به سنگی با ارتفاع یک فوت آزاد می‌کند. مقدار انرژی آزادشده تنها به جرم وابسته نیست، بلکه به فاصله بین نقطه شروع و پایان نیز بستگی دارد. به همین ترتیب، انرژی پتانسیل الکتریکی نیز به اختلاف بین دو نقطه وابسته است. از این رو، ولتاژ همیشه به‌صورت کمیتی «بین دو نقطه» بیان می‌شود و به همین دلیل گاهی از آن با عنوان «افت ولتاژ» یاد می‌کنند.

تولید ولتاژ

ولتاژ تنها با مالش مواد ایجاد نمی‌شود. واکنش‌های شیمیایی، انرژی تابشی و تأثیر میدان‌های مغناطیسی بر رساناها نیز می‌توانند ولتاژ تولید کنند. باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی و ژنراتورها نمونه‌هایی از این منابع هستند. در اینجا تمرکز ما بر درک نحوه استفاده از منابع ولتاژ برای ایجاد جریان در مدار است. نماد یک باتری شیمیایی را در نظر بگیرید و مدار را گام‌به‌گام بسازید:

منابع ولتاژ چگونه کار می‌کنند؟

هر منبع ولتاژ، از جمله باتری، دو نقطه تماس الکتریکی دارد. در نماد باتری، خطوط افقی با طول‌های متفاوت نشان‌دهنده جهت ولتاژ هستند. خط کوتاه‌تر قطب منفی و خط بلندتر قطب مثبت را نشان می‌دهد. قطب مثبت تمایل دارد حامل‌های بار را به بیرون براند و قطب منفی آن‌ها را جذب می‌کند. تا زمانی که این دو قطب به هم متصل نشوند، ولتاژ وجود دارد اما جریانی برقرار نمی‌شود.

همان‌گونه که مخزن آب بدون لوله بازگشت نمی‌تواند آب را جاری کند، باتری نیز بدون مسیر بسته، جریان ایجاد نمی‌کند. با اتصال یک سیم بین دو سر باتری و تشکیل یک حلقه بسته، جریان پیوسته بار در مدار برقرار می‌شود.

درک مفهوم جریان الکتریکی

تا زمانی که باتری ولتاژ تولید کند و مسیر مدار قطع نشود، حامل‌های بار در مدار جریان خواهند داشت. این جریان یکنواخت بار، «جریان الکتریکی» نام دارد. اگر جهت حرکت بار ثابت باشد، به آن جریان مستقیم (DC) گفته می‌شود. در مدارهای جریان متناوب (AC)، جهت جریان به‌طور دوره‌ای تغییر می‌کند. در یک مدار تک‌حلقه، مقدار جریان در تمام نقاط مدار یکسان است. اگر مدار در هر نقطه‌ای قطع شود، جریان در کل حلقه متوقف می‌شود و ولتاژ کامل باتری در محل قطع‌شدگی ظاهر می‌گردد.

قطبیت افت ولتاژ چیست؟

علامت‌های «+» و «−» در محل قطع مدار نشان‌دهنده جهت تمایل ولتاژ برای به حرکت درآوردن جریان هستند که به آن «قطبیت» گفته می‌شود. از آنجا که ولتاژ همواره نسبی است، قطبیت نیز تنها بین دو نقطه معنا دارد. بسته به محل مرجع، یک نقطه می‌تواند مثبت یا منفی در نظر گرفته شود و این وضعیت ثابت و مطلق نیست.

سوالات متداول

مرور مطالب

• حامل‌های بار می‌توانند تحت تأثیر همان نیروی موجود در الکتریسیته ساکن در رسانا جریان پیدا کنند.
• ولتاژ معیاری از انرژی پتانسیل ویژه یا «نیروی رانش» برای حرکت بار الکتریکی است.
• ولتاژ همواره بین دو نقطه تعریف می‌شود و گاهی افت ولتاژ نامیده می‌شود.
• اتصال منبع ولتاژ به مدار باعث ایجاد جریان یکنواخت بار می‌شود.
• در مدار تک‌حلقه، مقدار جریان در همه نقاط برابر است.
• با قطع مدار، ولتاژ کامل منبع در محل قطع ظاهر می‌شود.
• جهت‌گیری مثبت و منفی افت ولتاژ، قطبیت نام دارد و نسبی است.

اگر این مقاله ولتاژ و جریان الکتریکی چیست ؟ توضیح ساده و کاربردی با مثال‌ های واقعی برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.