حالا می‌توانیم با توجه به ارتباط انرژی پتانسیل و کار که به‌نوعی هم‌ارز هم هستند، پتانسیل الکتریکی را به‌صورت انرژی الکتریکی واحد بار تعریف کنیم:

$$V=frac{U}{Q}$$

در رابطه بالا U انرژی پتانسیل الکتریکی برحسب ژول (J)، Q بار الکتریکی برحسب کولن (C) و V پتانسیل الکتریکی برحسب ولت (V) است. علت اینکه تعریف بالا را برای پتانسیل الکتریکی داشتیم این است که اگر میدان الکتریکی به‌صورت نیرو بر بار واحد تعریف شود، می‌توانیم تعریف مشابهی هم برای پتانسیل الکتریکی ارائه دهیم. انرژی پتانسیل الکتریکی بر بار واحد مشابه تعریفی است که برای میدان الکتریکی داریم.

پس کاری که برای جابجایی این بار واحد از یک نقطه به نقطه دیگر انجام می‌شود برابر است با اختلاف انرژی پتانسیلی که در این دو نقطه وجود دارد. واحد SI پتانسیل الکتریکی، ولت است که طبق تعریف بالا برای پتانسیل الکتریکی می‌توانیم بگوییم یک ولت برابر است با یک ژول بر کولن:

$$1V=1frac{J}{C}$$

پس رابطه ولت با ژول و کولن در این قسمت به‌دست آمد.

اگر چه پتانسیل الکتریکی مفهوم مهمی در درک پدیده‌های الکتریکی است، اما کمیتی که عملا قابل اندازه‌گیری و کاربرد است، اختلاف پتانسیل الکتریکی یا همان ولتاژ است. در بخش پیش گفتیم که ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق واحد ولتاژ است و ولتاژ برابر است با پتانسیل یک نقطه (برای مثال نقطه A در شکل بالا) منهای پتاسیل نقطه دیگر (نقطه B). پس اگر واحد پتانسیل الکتریکی در یک نقطه ولت باشد، آن‌گاه واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ بین هر دو نقطه نیز ولت خواهد بود. البته در نوشتار معمولا از ΔV استفاده نمی‌شود و آن را نیز با V نشان می‌دهند.

$$triangle V=V_B-V_A$$

نیرو محرکه الکتریکی چیست؟

در بخش‌های قبل با توضیح دو کمیت مهمی که واحد آنها ولت است، یاد گرفتیم که ولت چیست و دیدیم که ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق به چه معنا است. در این بخش کمیت سوم با واحد ولت را توضیح می‌دهیم. نیرو محرکه الکتریکی که با emf یا ε نشان داده می‌شود، میزان انتقال انرژی بر واحد بار الکتریکی به یک مدار الکتریکی است و با ولت اندازه‌گیری می‌شود.

در بخش « ولتاژ چیست» اشاره کردیم که عامل حرکت الکترون‌ها در مدار، استفاده از یک منبع ولتاژ است تا اختلاف پتانسیل در مدار ایجاد کند. اختلاف پتانسیلی که در منبع ولتاژ ایجاد می‌شود، همان نیرو محرکه الکتریکی است. بنابراین منابع ولتاژ به کمک تبدیل انرژی، تولید emf دارند. برای مثال باتری‌ها که تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در آن‌ها انجام می‌شود یا ژنراتورها که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. تبدیل انرژی‌ توسط نیروهای فیزیکی با انجام کار روی بارهای الکتریکی حاصل می‌شود.

اما برای ابزارهایی با دو ترمینال یا پایانه مانند یک مقاومت الکتریکی در مدار، emf معادل به‌صورت ولتاژ مدار-باز بین دو این پایانه اندازه‌گیری خواهد شد که همان ولتاژ است. بنابراین اگر یک مدار خارجی به این دو پایانه متصل شود، چنین ابزاری به‌عنوان منبع ولتاژ در مدار عمل خواهد کرد و نیرو محرکه الکتریکی‌ باعث جاری شدن یک جریان الکتریکی در مدار خواهد شد. شکل زیر تفاوت emf و ولتاژ در مدار را کاملا نشان می‌دهد.

پس نیرو محرکه الکتریکی، خودش یک نیروی فیزیکی محسوب نمی‌شود و علت چنین نام‌گذاری برای نیرو محرکه این است که منبع ولتاژ است. اگر بخواهیم نیرو محرکه الکتریکی را به چیزی تشبیه کنیم، این کمیت دقیقا شبیه کار مکانیکی است که توسط یک پمپ روی آب انجام می‌شود. پمپ آب باعث می‌شود که یک اختلاف فشار تولید شود و این دقیقا مشابه عملکرد نیرو محرکه الکتریکی در تولید ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی است.

کمیت دیگری که مشابه نیرو محرکه الکتریکی است، نیرو محرکه القایی است. در مبحث القای الکترومغناطیسی، با فرض داشتن یک حلقه رسانای بسته در یک میدان مغناطیسی، emf القایی را می‌توانیم کار الکترومغناطیسی‌ تعریف کنیم که توسط یک بار الکتریکی مثل الکترون با یک بار چرخش دور این حلقه، انجام می‌شود.

اختلاف پتانسیل الکتریکی مشابه نیرو محرکه القایی که اغلب ولتاژ القایی هم نامیده می‌شود، نیست. اختلاف پتانسیل الکتریکی که معادل اختلاف در مقادیر اسکالر پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه A و B است، کاملا از مسیری که بین این دو نقطه انتخاب می‌شود، مستقل است. اگر یک ولت‌متر که همیشه اختلاف پتانسیل بین دو نقطه ‌A و B را اندازه‌گیری می‌کند، در نظر بگیریم، محل قرارگیری ولت‌متر تفاوتی در اندازه‌گیری ایجاد نمی‌کند. اما در شرایطی که یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان داریم، اندازه‌گیری با ولت‌متر برای ولتاژ بین دو نقطه A و B کاملا به مکان قرار دادن ولت‌متر وابسته می‌شود.

با توجه به توضیحاتی که ارائه شد، با اینکه ‌emf باعث ایجاد ولتاژ می‌شود و قابل اندازه‌گیری به‌عنوان ولتاژ است و حتی گاهی ممکن است ولتاژ هم نامیده شود، اما باید دقت کنیم که این دو مفهوم یکسانی ندارند. تفاوت‌های دو کمیت ولتاژ و نیرو محرکه الکتریکی عبارت‌اند از:

• اختلاف پتانسیل یک مفهوم کلی‌تر است و شامل مفهوم emf نیز می‌شود.
• در مداری شامل یک مقاومت و یک منبع ولتاژ، مجموع ولتاژ منبع بکار رفته و افت ولتاژ اهمی عبوری از یک مقاومت صفر است. مقاومت emf‌ ندارد و فقط منبع ولتاژ دارای ‌emf‌ به شکل زیر است:

1. برای مداری که از منبع باتری استفاده می‌کند، emf فقط ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی یا نیروهای شیمیایی داخل باتری است.
2. برای مداری که از یک ژنراتور الکتریکی استفاده می‌کند، emf فقط ناشی از نیروهای مغناطیسی متغیر با زمان درون ژنراتور است.

اما شباهتی که برای این دو وجود دارد به این شکل است که برای مثال هر دوی ۱ ولت emf و ۱ ولت اختلاف پتانسیل معادل هستند با ۱ ژول بر کولن. می‌خواهیم توضیح دهیم که داخل باتری چه اتفاقی رخ می‌دهد. با تولید میدان، بار الکتریکی که با مکانیسم تولید emf جدا شده است، یک میدان الکتریکی را ایجاد می‌کند که با این فرآیند جداسازی مخالفت کند. برای مثال، وقتی که میدان الکتریکی مخالفت‌کننده در هر الکترود به اندازه کافی قوی است، واکنش های شیمیایی داخل پیل شیمیایی متوقف می‌شوند. میدان مخالفت‌کننده قوی‌تر می‌تواند واکنش‌ها را معکوس کند که چنین پیل‌هایی پیل معکوس نامیده می‌شوند.

بار الکتریکی جدا شده ایجاد یک اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌کند که در موارد بسیاری قابل اندازه‌گیری با ولت‌متری است که بین دو پایانه ابزار قرار می‌گیرد، زمانی که هنوز به منبع باری وصل نشده است. اندازه emf یک باتری یا هر منبع دیگری، همان ولتاژ مدار باز است. وقتی که یک باتری در حال شارژ شدن یا تخلیه است، خود emf مستقیما قابل‌ اندازه‌گیری با استفاده از یک ولتاژ خارجی نیست. علت این است که برخی از مقادیر ولتاژ داخل منبع از دست می‌روند. اما می‌توان چنین ولتاژی را با اندازه‌گیری جریان I و اختلاف پتانسیل V و مقاومت داخلی R به‌دست آورد:

$$epsilon=V+IR=I(r+R)$$

ابزارهایی که نیرو محرکه الکتریکی دارند و در نتیجه، اندازه‌گیری ولت برای آن‌ها انجام خواهد، شامل موارد زیر می‌شوند:

در جدول زیر خلاصه‌ای از تفاوت‌های نیرو محرکه القایی و ولتاژ را می‌توانید ببینید:

حالا که متوجه شدیم واحد نیرو محرکه الکتریکی هم ولت است، این نکته را در این قسمت اضافه می‌کنیم که می‌توانیم قانون اهم را بر حسب نیرو محرکه الکتریکی نیز بنویسیم. در واقع نیرو محرکه الکتریکی مانند ولتاژ، منبعی برای تامین انرژی است. پس می‌توانیم بنویسیم:

$$epsilon=IR Rightarrow V=A.Omega$$

تبدیل ولت به وات

در این بخش می‌خواهیم بررسی کنیم راه تبدیل وات به ولت چیست. گفتیم یک ولت در فیزیک برابر است با آن اختلاف پتانسیلی که بین دو نقطه ایجاد می‌شود و موجب خواهد شد جریانی به اندازه یک آمپر جاری شود و به دنبال آن، توان الکتریکی به اندازه یک وات در طول این فرآیند مصرف شود. در کاربرد، مقدار الکتریسیته‌ای که یک وسیله الکترونیکی برای کار به آن نیاز دارد، معمولا با «توان الکتریکی» (Electrical Power) بیان می‌شود.

تقریبا تمام ابزارها و وسایل الکترونیکی دارای برچسب توان هستند که بیان‌کننده مقدار توان مصرف شده توسط آن‌ها است. تعریف کلی توان برابر است با نرخ انرژی انتقال داده شده یا انرژی‌ای که در واحد زمان منتقل می‌شود. پس برای توان الکتریکی چنین تعریفی معادل است با نرخ انرژی الکتریکی منتقل شده یا نرخ کاری که روی بار الکتریکی در یک مدار الکتریکی انجام می‌شود.

انرژی الکتریکی (U) همان انرژی است که در بار الکتریکی Q که تحت اثر پتانسیل الکتریکی V است، ذخیره می‌شود. بنابراین می‌توانیم توان الکتریکی را به شکل زیر بنویسیم:

$$P=frac{U}{t}=frac{VQ}{t}$$

در نوشتن رابطه بالا از این واقعیت استفاده کردیم که پتانسیل الکتریکی برابر است با انرژی الکتریکی واحد بار یا $$V=frac{U}{Q}$$

$$I=frac{Q}{t}$$

$$Rightarrow P=frac{VQ}{t}=VI$$

پس رابطه کمیت‌های اساسی الکتریسیته مانند جریان و ولتاژ با توان الکتریکی به‌صورت زیر شد:

$$P=VI$$

که با در نظر گرفتن قانون اهم، می‌توانیم این رابطه را به دو شکل زیر هم بنویسیم:

$$V=IR$$

$$Rightarrow P=(IR)I=I^2 R$$

$$Rightarrow P=V(frac{V}{R})=frac{V^2}{R}$$

بنابراین می‌توانیم بگوییم در یک مدار الکتریکی مقدار توان مصرف شده یا تولید شده در یک قطعه از مدار برابر است با حاصل‌ضرب افت ولتاژ عبوری از آن در جریانی که از داخل آن می‌گذرد. واحد اندازه‌گیری استاندارد برای توان یا P، «وات» (Watt) که با W نشان داده می‌شود. توان دارای واحدهای مختلفی بر اساس میزان بزرگی یا کوچکی است که به صورت پیشوندهایی در کنار وات قرار می‌گیرند. برای مثال میلی‌وات (mW)، کیلووات (kW) یا مگاوات (MW).

گفتیم توان الکتریکی برابر است با جریانی از انرژی در واحد زمان. پس برای وات خواهیم داشت:

$$W=frac{J}{s}$$

یعنی یک وات توان مصرف شده برابر است با یک ژول بر ثانیه و معادل است با اینکه، اگر اختلاف پتانسیلی برابر با یک ولت به دو نقطه از یک مدار اعمال شود، جریانی به میزان یک آمپر بین این دو نقطه جاری خواهد شد. حالا می‌خواهیم ببینیم رابطه ولت، وات و آمپر چگونه است. از فرمول زیر شروع می‌کنیم که توان برحسب ولتاژ و جریان است:

$$P=VI$$

$$W=V.A Rightarrow V= frac{W}{A}$$

اگر بخواهیم رابطه ولت، وات و اهم را داشته باشیم، می‌توانیم از رابطه زیر استفاده کنیم:

$$P=frac{V^2}{R}Rightarrow W=frac{V^2}{Omega}$$

تبدیل ولت به ژول

در بخش قبل دیدیم رابطه وات و ولت چیست. حالا می‌خواهیم ارتباط ولت و ژول را نیز توضیح دهیم. اگر به یاد داشته باشید، در بخش «پتانسیل الکتریکی چیست» توضیح دادیم که رابطه پتانسیل الکتریکی و انرژی الکتریکی به چه صورت است:

$$V=frac{U}{Q}$$

بنابراین می‌توانیم برای رابطه ولت، ژول و کولن بنویسیم:

$$V=frac{J}{C}$$

تبدیل ولت به وبر

تا اینجا یاد گرفتیم نحوه تبدیل وات و ژول به ولت چیست. در این بخش می‌خواهیم تبدیل وبر به ولت را بررسی کنیم. «شار مغناطیسی» (Magnetic Flux) نشان‌دهنده مولفه‌هایی از میدان مغناطیسی است که از سطحی با مساحت A عبور می‌کنند. واحد شار مغناطیسی یا Φ در سیستم SI برابر است با «وبر» (Weber) که با Wb نمایش داده می‌شود.

اگر بخواهیم رابطه ولت را با وبر پیدا کنیم، بهتر است از نیرو محرکه الکتریکی استفاده کنیم. چون با داشتن ارتباط بین نیرو محرکه الکتریکی و شار مغناطیسی طبق قوانین الکترومغناطیس، می‌توانیم تبدیل واحد ولت و وبر را نیز محاسبه کنیم. وارد مبحث القای الکترومغناطیس یا القای فارادی می‌شویم. به یاد داریم که شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه سیم رسانا می‌تواند با روش‌های مختلفی تغییر کند.

تغییر شار در چنین سیستمی باعث می‌شود نیرو محرکه‌ای در حلقه بسته سیم رسانا القا شود و به دنبال آن جریان القایی را خواهیم داشت. ارتباط بین نیرو محرکه القایی با تغییرات شار مغناطیسی توسط قانون فارادی بیان می‌شود:

$$epsilon=-frac{dphi}{dt}$$

در این رابطه نیرو محرکه القایی برحسب ولت و شار مغناطیسی برحسب وبر است. پس می‌توانیم ارتباط ولت، وبر و ثانیه را به شکل زیر داشته باشیم:

$$V=frac{Wb}{s}$$

تبدیل ولت به واحدهای اصلی

در بخش‌های قبلی آموختیم روند تبدیل واحدهای مختلف به ولت چیست. اگر به ابتدای این مطلب بازگردیم، گفتیم هر واحد فرعی مثل ولت از ترکیب چند واحد اصلی ساخته شده است. در فرمول‌های ابتدای مطلب دیدیم که ولت ترکیبی از واحدهای اصلی کیلوگرم، متر، ثانیه و آمپر به شکل زیر است:

$$V=kg.m^2.s^{-3}.A^{-1}$$

 در این قسمت می خواهیم ببینیم رابطه بالا چطور به‌دست می‌آید. می‌توانیم از رابطه توان الکتریکی و ولتاژ استفاده کنیم:

$$P=VI$$

حالا می‌خواهیم وات را باز کنیم و ببینیم برحسب واحدهای اصلی چگونه محاسبه می‌شود. طبق تعریف کلی، توان عبارت است از کار انجام شده در واحد زمان یا انرژی مصرفی در واحد زمان. می‌د‌انیم که واحد کار و انرژی یکسان و برابر با ژول است. پس تا اینجا همان‌طور که قبلا هم گفتیم وات برابر می‌شود با ژول بر ثانیه:

$$Rightarrow V= frac{J}{A.s}$$

ولی هنوز رابطه بالا برحسب واحدهای اصلی نیست. فقط ثانیه و آمپر در آن واحد اصلی محسوب می‌شوند. پس لازم است ژول را هم تبدیل کنیم. ابتدا از فرمول کار و سپس از فرمول قانون دوم نیوتن استفاده می‌کنیم. کار (W) یک نیروی F‌ برابر است با حاصل‌ضرب این نیرو در جابجایی (d) حاصل از اثر نیرو:

$$W= Fd$$

واحد جابجایی متر (m)، واحد نیرو نیوتن (N) و واحد کار ژول (J) است. پس خواهیم داشت:

$$J= N.m$$

حالا رابطه جدید برای ژول را در رابطه‌ای که برای ولت داشتیم، قرار می‌دهیم:

$$Rightarrow V= frac{N.m}{A.s}$$

همچنان در رابطه بالا واحد نیوتن، یک واحد فرعی است. برای اینکه نیوتن را هم برحسب واحدهای اصلی بنویسیم، از قوانین نیوتن کمک می‌گیریم. می‌دانیم طبق قانون دوم نیوتن، نیروی F وارد ببر یک جسم برابر است با حاصل‌ضرب جرم جسم (m) در شتاب آن (a):

$$F=ma$$

که در این رابطه واحد نیرو نیوتن (N)، واحد جرم کیلوگرم (kg) و واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه (m/s²) است. پس نیوتن می‌شود:

$$N= frac{kg.m}{s^2}$$

با جای‌گذاری نیوتن در فرمول ولت، خواهیم داشت:

$$Rightarrow V= frac{kg.m^2}{A.s^3}$$

در نهایت ولت برحسب واحدهای اصلی نوشته شد.

یک راه دیگر برای رسیدن به این رابطه، این است که از رابطه بین انرژی پتانسیل الکتریکی و پتانسیل الکتریکی شروع کنیم:

$$V=frac{U}{Q}$$

$$Rightarrow V= frac{J}{C}$$

سپس برای نوشتن فرمول بالا برحسب واحدهای اصلی لازم بود مجددا ژول را باز کنیم. طبق آنچه که محاسبه کردیم، ژول برحسب واحدهای اصلی برابر است با:

$$J=N.m=frac{kg.m^2}{s^2}$$

بنابراین ولت می‌شود:

$$Rightarrow V= frac{kg.m^2}{C.s^2}$$

ولی این رابطه هنوز برحسب واحدهای اصلی نیست، چون واحد کولن در مخرج یک واحد فرعی است. اگر از رابطه جریان و بار الکتریکی استفاده کنیم و به‌جای کولن، ثانیه و آمپر را قرار دهیم، ولت برحسب واحدهای اصلی محاسبه می‌شود:

$$I= frac{Q}{t}Rightarrow C=A.s$$

$$Rightarrow V= frac{kg.m^2}{A.s^3}$$

تبدیل ولت به الکترون‌ولت

در این بخش می‌خواهیم ببینیم الکترون‌ولت چیست و چه تفاوتی با ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق دارد. الکترون‌ولت که با نماد eV نشان داده می‌شود برابر است با مقدار انرژی جنبشی که توسط یک الکترون به‌دست می‌آید، زمانی که این الکترون در حضور اختلاف پتانسیلی به اندازه یک ولت در خلا، از حالت سکون شتاب می‌گیرد. بنابراین الکترون‌ولت واحد انرژی است و مقدار عددی ‎1 eV به ژول برابر خواهد شد با مقدار عددی بار یک الکترون به کولن. طبق استانداردهای SI، یک الکترون‌ولت به‌صورت دقیقی برابر است با $$1 eV =1.602176634 times 10^{-19}$$

از نظر تاریخی، الکترون‌ولت واحدی است که برای اندازه‌گیری انرژی در شتاب‌دهنده‌های ذرات الکتروستاتیکی استفاده می‌شد. چون در این شتاب‌دهنده‌ها ذره‌ای با بار Q پس از عبور از اختلاف پتانسیلی به اندازه V، انرژی‌ای به اندازه $$U =QV$$

گفتیم یک الکترون‌ولت برابر است با مقدار انرژی جنبشی که توسط یک تک الکترون شتاب گرفته از حالت سکون در حضور اختلاف پتانسیل الکتریکی به اندازه یک ولت در خلا، به‌دست آمده یا از دست رفته است. چون ولتاژ یک ولت است، معادل است با یک ژول بر کولن که در بار الکتریکی بنیادی با اندازه $$e =1.602176634 times 10^{-19} C$$

اما الکترون‌ولت واحد استاندارد انرژی محسوب نمی‌شود. واحد استاندارد انرژی در SI، ژول است. الکترون‌ولت یک واحد مرسوم انرژی در فیزیک بخصوص شاخه‌های فیزیک هسته‌ای، فیزیک ذرات یا فیزیک حالت جامد است. واحدهای دیگری که از الکترون‌ولت مشتق می‌شوند و کاربرد زیادی دارند عبارت‌اند از کیلو الکترون ولت (keV) یا مگا الکترون‌ولت (MeV).

$$1 eV/c^2 =frac{1.602176634 times 10^{-19} C times 1 V}{(299792458 m/s)^2}$$

اگر محاسبه عبارت بالا انجام شود، خواهیم داشت:

$$1 eV/c^2 =1.78266192 times 10^{-36} kg$$

به همین صورت تبدیل واحد کمیت‌های مختلف برحسب eV به واحدهای SI، در جدول زیر قرار داده شده است:

پس از اینکه یاد گرفتیم الکترون ولت چیست، حالا می‌خواهیم ببینیم ارتباط ولت و الکترون‌ولت چگونه است. براساس رابطه بین انرژی الکتریکی و پتانسیل الکتریکی داریم:

$$V=frac{U}{Q}$$

حالا اگر در رابطه بالا انرژی را برحسب الکترون‌ولت و بار Q را به‌صورت بار بنیادی الکترون یعنی e بنویسیم، خواهیم داشت:

$$V=frac{eV}{e}$$

محاسبه ولت

حالا که یاد گرفتیم ولت چیست و تبدیل واحدهای آن چگونه است، چند مثال حل می‌کنیم تا ببینیم ولت چگونه محاسبه می‌شود.

مثال ۱

برای جریانی با اندازه ‎۲ A که از مقاومت ‎۱۲ Ω عبور می‌کند، افت ولتاژ را به ولت محاسبه کنید:

پاسخ

با توجه به سه کمیتی که در سوال داریم، برای محاسبه افت ولتاژ از قانون اهم استفاده می‌کنیم:

$$V=IR$$

$$Rightarrow V=2times12=24 V$$

مثال ۲

ولتاژ موردنیاز را برای یک لامپ ‎۳۰ W محاسبه کنید، اگر جریان ‎۰٫۵ A از آن عبور کند:

پاسخ

در این سوال توان برحسب وات داده شده است. پس از رابطه توان و ولتاژ استفاده می‌کنیم:

$$P=VI$$

$$Rightarrow V= frac{P}{I}=frac{30}{0.5}=60 V$$

مثال ۳

ولتاژ موردنیاز برای یک لامپ LED با توان ‎۴۵ W و مقاومت ‎ ۵ Ωچقدر است؟

پاسخ

باز هم رابطه توان و ولتاژ را باید بکار ببریم. فقط در این سوال مقاومت داده شده است. پس رابطه توان، ولتاژ و مقاومت را باید با کمک قانون اهم بنویسیم:

$$P=VI$$

$$Rightarrow P=frac{V^2}{R}$$

$$Rightarrow V^2=RP=45times5=225 V^2$$

$$Rightarrow V=sqrt{225}= 15 V$$

مثال ۴

در شکل زیر، نمودار جریان – ولتاژ برای یک قطعه مقاومت در مدار نمایش داده شده است.

1. مقدار جریان عبوری از مقاومت را زمانی که ولتاژ دو سر آن ‎۱۲ V است، محاسبه کنید:
2. نتیجه‌گیری کنید که با توجه به این نمودار مقاومت برابر است با ‎.۸۰ Ω
3. اگر P برابر با توان الکتریکی مصرف شده توسط مقاومت باشد، بیشینه توان الکتریکی را با علم به اینکه بیشترین جریان عبوری از مقاومت برابر با ‎۰٫۲۵ A است، به‌دست آورید:

پاسخ

اگر به نمودار ولتاژ برحسب جریان دقت کنیم، یک نمودار خطی داریم. پس به ازای هر مقدار ولتاژ، یک جریان معادل خواهیم داشت. برای پیدا کردن جریان معادل با ولتاژ ‎،۱۲ V فقط کافی است خط افقی و موازی با محور جریان که نقطه ۱۲ در محور ولتاژ را قطع کرده است، امتداد دهیم. این خط نمودار را در یک نقطه قطع می‌کند. اگر از این نقطه خطی عمود و موازی با محور ولتاژ رسم کنیم تا محور جریان را قطع کند، محل قطع، مقدار جریان موردنظر است که دقیقا برابر با ‎۱۵۰ mA خواهد شد.

برای پاسخ به سوال شماره ۲، از قانون اهم به‌صورت زیر استفاده می‌کنیم:

$$V=IR$$

مقدار ولتاژ را داریم. گفتیم طبق نمودار، ولتاژ ‎۱۲ V با جریان ‎۱۵۰ mA مطابقت دارد. اما در قانون اهم برای اینکه ولتاژ را به ولت و مقاومت را به اهم داشته باشیم، لازم است جریان هم به آمپر تبدیل شود. پس ابتدا تغییر واحد جریان را انجام می‌دهیم:

$$1 mA = 10^{-3} A$$

$$Rightarrow 150 mA = 150times10^{-3} A =0.15 A$$

$$Rightarrow R=frac{V}{I}=frac{12}{0.15}=80 Omega$$

از آن‌جایی که نمودار خطی است، یعنی یک ماده اهمی داریم و مقدار مقاومت را با هر جریان ولتاژ معادل دیگری اگر محاسبه کنیم، همین مقدار ۸۰ اهم خواهد شد. برای مثال اگر ولتاژ ‎۴ V و جریان معادل آن یعنی ‏‏‎۵۰ mA را انتخاب کنیم، پس از تبدیل واحد جریان طبق قانون اهم خواهیم داشت:

$$R=frac{V}{I}=frac{4}{0.05}=80 Omega$$

در سوال بعدی برای محاسبه توان بیشینه از جریان بیشینه داده شده استفاده می‌کنیم:

$$P_{max}=I_{max}^2 R$$

حتی اگر جریان بیشینه باشد، باز هم چون ماده رسانا طبق نمودار خطی در صورت سوال یک ماده اهمی محسوب می‌شود، پس مقاومت همان مقدار ثابت خودش یعنی ۸۰ اهم است:

$$Rightarrow P_{max}=I_{max}^2 R= (0.25)^2times80=5 W$$

تکمیل یادگیری ولت با فرادرس

در انتهای این مطلب پس از اینکه آموختیم ولت چیست، به منظور آشنایی بیشتر با کاربردهای ولت در فیزیک یا ولت در مهندسی برق، می‌توانید فیلم‌های آموزشی زیر از فرادرس را مشاهده کنید:

1. فیلم آموزش رایگان الکتریسیته ساکن با تمرین فرادرس
2. فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته فرادرس
3. فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه فرادرس
4. فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه حل مساله فرادرس

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس یاد گرفتیم که ولت چیست و واحد چه کمیت‌هایی محسوب می‌‌شود. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و نیرو محرکه الکتریکی همگی کمیت‌هایی نرده‌ای هستند که همه با ولت اندازه‌گیری می‌شوند.

• ولتاژ برابر است با اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه یا اختلاف پتانسیل بین دو سر یک قطعه الکترونیکی مانند مقاومت در مدار که از آن جریان عبور می‌کند.
• نیرو محرکه الکتریکی برابر است با ولتاژی که داخل یک منبع ولتاژ مانند باتری، طی تبدیل انرژی‌های مختلف به انرژی الکتریکی، تولید می‌شود.
• پتانسیل الکتریکی برابر است با مقدار انرژی الکتریکی که برای جابجایی یک بار الکتریکی از نقطه مرجع با پتانسیل صفر به نقطه موردنظر خود مصرف می‌کنیم.

آزمون ولت

در انتها اگر تمایل دارید دانش خود را در مورد مبحث ولت بسنجید، می‌توانید به سوالات آزمون زیر پاسخ دهید. پس از پاسخ‌دهی به سوالات، با کلیک روی بخش «دریافت نتیجه آزمون» نمره نهایی شما قابل مشاهده است.