ولتاژ: اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه

ولتاژ: نیروی محرکهٔ جریان برق

ولتاژ چیست؟ از تشبیه تا تعریف علمی

برای درک مفهوم ولتاژ، ابتدا یک مثال ملموس را در نظر بگیرید. دو مخزن آب را تصور کنید که با یک لوله به هم وصل شده‌اند. اگر ارتفاع آب در یکی از مخزن‌ها بیشتر باشد، آب به سمت مخزن پایین‌تر جریان می‌یابد. این اختلاف ارتفاع، عامل ایجاد جریان آب است. در دنیای برق، ولتاژ نقش همان اختلاف ارتفاع را بازی می‌کند.

به بیان علمی، ولتاژ ($V$) یعنی اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه. این اختلاف، باعث می‌شود بارهای الکتریکی (مانند الکترون‌ها) از نقطه‌ای با پتانسیل بالاتر به نقطه‌ای با پتانسیل پایین‌تر حرکت کنند. در واقع ولتاژ، نیروی محرکهٔ الکتریکی^۲ است که به بارها انرژی می‌دهد تا در مدار جریان یابند. واحد اندازه‌گیری ولتاژ، ولت^۳ است که به افتخار فیزیکدان ایتالیایی، الساندرو ولتا نام‌گذاری شده است.

ولتاژ در کنار جریان و مقاومت: مثلث طلایی الکتریسیته

ولتاژ به تنهایی معنا ندارد و مفهوم آن در کنار دو کمیت دیگر، یعنی جریان الکتریکی^۴ و مقاومت الکتریکی^۵ کامل می‌شود. این سه، رابطه‌ای تنگاتنگ دارند که توسط قانون اهم^۶ توصیف می‌شود.

رابطه این سه کمیت با قانون اهم بیان می‌شود: $ V = I \times R $ . یعنی ولتاژ اعمال‌شده به دو سر یک مقاومت، برابر است با حاصل‌ضرب جریان عبوری از آن در مقدار مقاومت. اگر برای یک لامپ کوچک با مقاومت ثابت، ولتاژ بیشتری از باتری تأمین کنید، جریان بیشتری از آن می‌گذرد و لامپ پرنورتر می‌شود.

انواع ولتاژ: جریان مستقیم و متناوب

ولتاژ می‌تواند به دو شکل اصلی وجود داشته باشد که کاربردهای متفاوتی در زندگی ما دارند.

ولتاژ مستقیم (DC): در این نوع، قطب‌های مثبت و منفی همواره ثابت هستند و جهت ولتاژ تغییر نمی‌کند. بارهای الکتریکی فقط در یک جهت حرکت می‌کنند. منبع اصلی این ولتاژ، باتری‌ها (مانند باتری قلمی، باتری ماشین) و سولارسل‌ها (صفحه‌های خورشیدی) هستند. تقریباً همه وسایل الکترونیکی کوچک مثل تلفن همراه، ساعت و لپ‌تاپ برای کار کردن به ولتاژ مستقیم نیاز دارند.

ولتاژ متناوب (AC): در این نوع، قطب‌های مثبت و منفی به طور متناوب (معمولا ۵۰ یا ۶۰ بار در ثانیه) جابجا می‌شوند. جهت ولتاژ و در نتیجه جهت جریان مرتباً برعکس می‌شود. برق شهر که از پریزهای دیواری می‌آید، ولتاژ متناوب با مقدار مؤثر حدود ۲۲۰ ولت است. این نوع ولتاژ برای انتقال انرژی الکتریکی در مسافت‌های طولانی (از نیروگاه تا خانه‌های ما) بسیار مناسب‌تر و کم‌هزینه‌تر است.

ولتاژ در عمل: از باتری تا پریز برق

حالا با چند مثال عملی، مفهوم ولتاژ را مرور می‌کنیم:

۱. باتری قلمی (AA): یک باتری معمولی، حدود 1.5 ولت اختلاف پتانسیل بین قطب مثبت و منفی خود ایجاد می‌کند. وقتی آن را در یک چراغ قوه قرار می‌دهید، این ولتاژ باعث می‌شود جریانی از رشته‌ی لامپ بگذرد و آن را گرم و روشن کند. اگر دو باتری را به صورت سری (پشت سر هم) بچینید، ولتاژها جمع می‌شوند و چراغ قوه پرنورتر می‌شود (حدود 3 ولت).

۲. پریز برق خانه: ولتاژ بین دو سوراخ پریز برق خانه‌ی ما در ایران، ۲۲۰ ولت متناوب است. این ولتاژ بالا، نیروی محرکهٔ قوی‌ای است که می‌تواند همزمان چندین وسیله مانند یخچال، تلویزیون و لامپ‌ها را به کار بیندازد. هشدار: این ولتاژ برای انسان بسیار خطرناک است و هرگز نباید با آن بازی کرد.

۳. شارژر تلفن همراه: شارژر، نقش یک مبدل را بازی می‌کند. ولتاژ متناوب ۲۲۰ ولتی پریز را گرفته و آن را به ولتاژ مستقیم کم‌تری (مثلاً ۵ ولت) تبدیل می‌کند که برای شارژ باتری گوشی شما مناسب و ایمن است.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference)
^۲ نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive Force - EMF)
^۳ ولت (Volt)
^۴ جریان الکتریکی (Electric Current)
^۵ مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)
^۶ قانون اهم (Ohm's Law)
^۷ DC: جریان مستقیم (Direct Current)
^۸ AC: جریان متناوب (Alternating Current)