ولت: واحدی برای اندازهگیری فشار الکتریکی
ولت چیست و چه چیزی را نشان میدهد؟
برای درک ولت، ابتدا باید مدار الکتریکی ساده را تصور کنیم. مدار، مانند یک مسیر بسته است که الکترونها میتوانند در آن حرکت کنند. اما این حرکت نیاز به یک نیروی محرکه دارد. این نیروی محرکه یا فشار الکتریکی، همان اختلاف پتانسیل2 یا ولتاژ است که با واحد ولت سنجیده میشود.
یک مقایسه ساده: سیستم آبکشی یک ساختمان را در نظر بگیرید. ولتاژ مانند فشار آب در لولهها است. هرچه فشار آب بیشتر باشد، آب با سرعت و نیروی بیشتری از شیر خارج میشود. جریان الکتریکی (آمپر) هم مانند میزان آبی است که در هر ثانیه از لوله عبور میکند. ولت، معیاری است برای اندازهگیری این «فشار الکتریکی» که باعث رانش الکترونها میشود.
رابطه بین ولتاژ (V)، جریان (I) و مقاومت (R) با یک فرمول ساده بیان میشود: $ V = I \times R $ یعنی ولتاژ برابر است با جریان ضربدر مقاومت. پس اگر ولتاژ باتری افزایش یابد، جریان در یک مدار ثابت بیشتر میشود.
ولتاژ از کجا میآید؟ منابع رایج ولتاژ
ولتاژ میتواند از منابع مختلفی تولید شود. در زندگی روزمره، دو منبع اصلی را زیاد میبینیم:
| منبع | ولتاژ تقریبی (ولت) | توضیح و مثال |
|---|---|---|
| باتری قلمی (AA) | 1.5 | باتری با واکنشهای شیمیایی داخلی ولتاژ تولید میکند. در کنترل تلویزیون، اسباببازی و چراغ قوه استفاده میشود. |
| باتری لیتیومی تلفن | 3.7 تا 4.2 | منبع قابل شارژی با ولتاژ نسبتا ثابت. ولتاژ آن هنگام پر بودن باتری بیشتر است. |
| پریز برق خانگی (ایران) | 220 | ولتاژ متناوب3 و بالا که از نیروگاه میآید. برای وسایل قدرتی مانند یخچال، تلویزیون و روشنایی استفاده میشود. خطر برقگرفتگی |
| سیمهای USB (پورت شارژ) | 5 | ولتاژ پایین و بیخطری که برای شارژ یا تغذیه دستگاههای کوچک الکترونیکی طراحی شده است. |
ولتاژ در عمل: از باتری تا روشنایی خانه
بیایید با یک مثال ملموس، نقش ولتاژ را در یک مدار ببینیم. یک چراغ قوه ساده را در نظر بگیرید:
مرحله ۱: شما دو عدد باتری قلمی (هر کدام 1.5 ولت) را پشت سر هم در چراغ قوه قرار میدهید. وقتی باتریها سری میشوند، ولتاژهایشان با هم جمع میشود. بنابراین ولتاژ کل منبع میشود: $ 1.5 + 1.5 = 3 $ ولت.
مرحله ۲: این 3 ولت به عنوان فشار الکتریکی بین دو سر سیمهای مدار (که به لامپ و کلید وصل است) قرار میگیرد.
مرحله ۳: وقتی کلید را فشار میدهید، مدار کامل میشود. این فشار (ولتاژ) باعث میشود الکترونها از باتری خارج شده، از رشته نازک داخل لامپ (که مقاومت بالایی دارد) عبور کنند و در اثر این عبور، رشته داغ شده و نور تولید میکند.
اگر ولتاژ باتریها کم باشد (مثلاً باتریها ضعیف شده باشند)، فشار الکتریکی کافی نیست تا الکترونها با نیروی لازم از رشته لامپ عبور کنند. در نتیجه لامپ کمنور میشود یا اصلاً روشن نمیشود.
در خانه نیز همین اتفاق با مقیاس بزرگتر رخ میدهد. پریز برق، ولتاژ 220 ولتی را به وسایل میرساند. این فشار الکتریکی بالا، امکان کارکرد وسایل قدرتمند مانند آبگرمکن برقی یا جاروبرقی را فراهم میکند.
پرسشهای مهم و باورهای نادرست
پاسخ: خطر اصلی برای بدن انسان، مقدار جریانی است که از قلب عبور میکند. اما این جریان خود به ولتاژ و مقاومت بدن بستگی دارد (طبق قانون اهم $ I = V / R $). باتری ۹ ولت مقاومت داخلی بالا و ولتاژ کمی دارد، بنابراین جریان بسیار کمی میتواند تولید کند. اما پریز 220 ولت ولتاژ بالایی دارد و اگر مقاومت پوست (مثلاً با خیسی) کم شود، جریان کشندهای میتواند ایجاد کند. پس ولتاژ بالا شرط لازم برای خطر است، اما شرط کافی نیست.
پاسخ: فاجعه بار است! ولتاژ بسیار زیاد پریز، فشار الکتریکی عظیمی به مدار کوچک لامپ وارد میکند. طبق قانون اهم، جریان بسیار زیادی به سرعت از رشته لامپ عبور خواهد کرد. این جریان بالا باعث داغ شدن فوقالعاده سریع و ذوب شدن رشته (یا حتی ترکیدن حباب لامپ) میشود. به همین دلیل همیشه باید ولتاژ منبع با ولتاژ مورد نیاز وسیله مطابقت داشته باشد.
پاسخ: ولتمتر دستگاهی است که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه را اندازه میگیرد و بر حسب ولت نمایش میدهد. برای استفاده، دو سر پراب (میلههای فلزی) آن را به دو نقطه از مدار موازی وصل میکنیم. خود ولتمتر طوری طراحی شده که مقاومت بسیار بالایی دارد، بنابراین جریان بسیار ناچیزی از آن عبور میکند و در کار مدار اصلی اختلال ایجاد نمیکند. با این کار میتوانیم مثلاً ولتاژ دو سر یک باتری را مستقیم بخوانیم.
پاورقی
1ولت (Volt): واحد اندازهگیری اختلاف پتانسیل الکتریکی در سیستم SI. نام آن از دانشمند ایتالیایی الساندرو ولتا گرفته شده است.
2اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference): میزان کار لازم برای انتقال یک واحد بار الکتریکی بین دو نقطه. تفاوت در سطح انرژی الکتریکی.
3ولتاژ متناوب (Alternating Current Voltage - AC): نوعی ولتاژ که جهت و اندازه آن به طور متناوب و دورهای تغییر میکند. برق شهری از این نوع است.
4ولتمتر (Voltmeter): وسیلهای برای اندازهگیری ولتاژ بین دو نقطه در مدار.
