ولتاژ، جریان و مقاومت سه ویژگی هستند که تقریباً برای هر کاری که در مهندسی برق و الکترونیک انجام خواهید داد، مرتبط هستند. در این مقاله از آب در قیاس رودخانه برای توضیح جریان، مقاومت و ولتاژ استفاده کردیم. این روش به مبتدیان کمک می کند تا به راحتی این اصول را تصور و درک کنند.
الکتریسیته حرکت الکترون ها است. الکترون ها بار ایجاد می کنند که می توانیم آن را برای انجام کار مهار کنیم. لامپ، استریو، تلفن و غیره، همگی از حرکت الکترون ها برای انجام کار استفاده می کنند. همه آنها با استفاده از یک منبع انرژی اصلی کار می کنند: حرکت الکترون ها.
سه اصل اساسی برای آموزش
سه اصل اساسی برای این آموزش را می توان با استفاده از الکترون ها یا به طور خاص تر، باری که آنها ایجاد می کنند توضیح داد:
- ولتاژ اختلاف شارژ بین دو نقطه است.
- جریان نرخی است که بار در آن جریان دارد.
- مقاومت، تمایل یک ماده به مقاومت در برابر جریان بار (جریان) است.
بنابراین، وقتی در مورد این مقادیر صحبت می کنیم، واقعاً حرکت بار و بنابراین، رفتار الکترون ها را توصیف می کنیم. مدار یک حلقه بسته است که به شارژ اجازه می دهد از مکانی به مکان دیگر حرکت کند. اجزای موجود در مدار به ما این امکان را می دهند که این شارژ را کنترل کرده و از آن برای انجام کار استفاده کنیم.
جریان چیست؟
مشکل الکترون ها این است که شما نمی توانید آنها را ببینید، بنابراین فقط باید تصور کنید که آنها چگونه کارها را انجام می دهند. من دوست دارم الکترون ها را به صورت توپ های کوچکی در نظر بگیرم که در لوله ها جریان دارند. هر فیزیکدانی که این را بخواند احتمالاً اکنون سر خود را با انزجار در دست خواهد گرفت. اما برای من کار می کند. هر الکترون یک بار دارد و همیشه یکسان است – تعداد زیادی الکترون، بار زیاد، چند الکترون و کمی بار. جریان، به جای جریان در یک رودخانه، با شمارش میزان شارژ در هر ثانیه اندازه گیری می شود.
می‌توانیم مقدار آبی را که از داخل شیلنگ از مخزن عبور می‌کند به عنوان جریان در نظر بگیریم. هر چه فشار بیشتر باشد، جریان بیشتر است و بالعکس. با آب، حجم آب جاری در شیلنگ را در مدت زمان معینی اندازه گیری می کنیم. با الکتریسیته، مقدار باری را که در یک دوره زمانی از مدار می گذرد اندازه گیری می کنیم. جریان بر حسب آمپر اندازه گیری می شود (معمولاً به آن “آمپر” می گویند).
تعریف آمپر
آمپر به صورت 6.241*10^18 الکترون (1 کولن) در ثانیه تعریف می شود که از نقطه ای در مدار عبور می کند. آمپر در معادلات با حرف “I” نشان داده می شود. حالا فرض کنید دو تانک داریم که هر کدام یک شلنگ از پایین دارند. هر مخزن دقیقاً همان مقدار آب دارد، اما شیلنگ یک مخزن باریکتر از شیلنگ طرف دیگر است.
این دو مخزن فشارهای متفاوتی ایجاد می کنند
ما فشار یکسانی را در انتهای هر یک از شیلنگ ها اندازه گیری می کنیم، اما زمانی که آب شروع به جریان می کند، سرعت جریان آب در مخزن با شلنگ باریک تر از سرعت جریان آب در مخزن با شیلنگ کمتر خواهد بود. شلنگ پهن تر در اصطلاح الکتریکی، جریان عبوری از شیلنگ باریک تر از جریان عبوری از شیلنگ پهن تر است. اگر بخواهیم جریان از طریق هر دو شیلنگ یکسان باشد، باید مقدار آب (شارژ) مخزن را با شلنگ باریکتر افزایش دهیم.
این دو مخزن فشار یکسانی ایجاد می کنند
این باعث افزایش فشار (ولتاژ) در انتهای شیلنگ باریک تر می شود و آب بیشتری را از طریق مخزن می رانند. این مشابه افزایش ولتاژ است که باعث افزایش جریان می شود.
اکنون ما شروع به دیدن رابطه بین ولتاژ و جریان می کنیم. اما عامل سومی وجود دارد که در اینجا باید در نظر گرفته شود: عرض شیلنگ. در این قیاس، عرض شیلنگ مقاومت است. این بدان معنی است که ما باید یک عبارت دیگر را به مدل خود اضافه کنیم:
آب = شارژ (اندازه گیری شده بر حسب کولن)
فشار = ولتاژ (اندازه گیری شده بر حسب ولت)
جریان = جریان (با آمپر یا به اختصار “آمپر” اندازه گیری می شود)
عرض شلنگ = مقاومت
تعریف مقاومت
وظیفه یک مقاومت ایجاد مقاومت در برابر جریان است. بنابراین، اگر مدام به رودخانه خود فکر کنیم، مانند پیچ رودخانه است. مقاومت مقدار باری که می تواند عبور کند را یک نقطه کاهش داده است. و مهم نیست که در کدام نقطه (A، B یا C) اندازه گیری می کنید، زیرا، اگر به سمت بالادست مقاومت نگاه کنید، شارژ در اطراف منتظر حرکت در مقاومت است. بنابراین، کمتر از A در هر ثانیه حرکت می کند.
در مقاومت (B)، محدود است. قیاس “سرعت” واقعاً برای الکترون ها صادق نیست، اما یک نکته مهم این است که جریان در هر کجا که اندازه گیری کنید یکسان خواهد بود. تصور کنید چه اتفاقی می افتد زمانی که یک مقاومت جریان بیش از حد از یک LED عبور نمی کند.
ولتاژ چیست؟
ولتاژ قسمت پایانی معادله است (که در عرض یک دقیقه به آن خواهیم رسید). اگر به قیاس آب در رودخانه ادامه دهیم، آنگاه ولتاژ مانند ارتفاعی است که رودخانه در یک فاصله معین کاهش می‌یابد. همانطور که همه می‌دانند، رودخانه‌ای که به سرعت ارتفاع خود را از دست می‌دهد، سریع و خشمگین جریان می‌یابد، در حالی که رودخانه‌ای با شیب نسبتاً ملایم جریانی نسبتاً ملایم دارد. این قیاس به مفهوم نسبی بودن ولتاژ کمک می کند. یعنی فرقی نمی کند که رودخانه از ارتفاع 10000 فوتی به 5000 فوتی یا از 5000 فوتی به 0 فوتی سقوط کند.
تعریف ولتاژ
ما ولتاژ را به عنوان مقدار انرژی پتانسیل بین دو نقطه در مدار تعریف می کنیم. یک نقطه شارژ بیشتری نسبت به نقطه دیگر دارد. این اختلاف بار بین دو نقطه را ولتاژ می گویند. با ولت اندازه‌گیری می‌شود، که از نظر فنی، اختلاف انرژی پتانسیل بین دو نقطه است که به ازای هر کولن باری که از آن عبور می‌کند یک ژول انرژی می‌فرستد (اگر بی‌معنی نیست وحشت نکنید، همه چیز توضیح داده خواهد شد). واحد “ولت” به افتخار فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا نامگذاری شده است که اولین باتری شیمیایی را اختراع کرد. ولتاژ در معادلات و نمودارها با حرف “V” نشان داده می شود.
هنگام توصیف ولتاژ، جریان و مقاومت، یک قیاس رایج مخزن آب است. در این قیاس، بار با مقدار آب، ولتاژ با فشار آب و جریان با جریان آب نشان داده می شود.
پس برای این قیاس به یاد داشته باشید:
آب = شارژ
فشار = ولتاژ
جریان = جریان
مخزن آب را در ارتفاع معینی از سطح زمین در نظر بگیرید. در پایین این مخزن یک شیلنگ وجود دارد.
ولتاژ مانند فشار ایجاد شده توسط آب است. فشار در انتهای شیلنگ می تواند نشان دهنده ولتاژ باشد. آب موجود در مخزن نشان دهنده شارژ است. هرچه آب در مخزن بیشتر باشد، شارژ بیشتر باشد، فشار بیشتری در انتهای شیلنگ اندازه گیری می شود.
ما می توانیم این مخزن را به عنوان یک باتری در نظر بگیریم، مکانی که در آن مقدار مشخصی انرژی را ذخیره می کنیم و سپس آن را آزاد می کنیم. اگر مخزن خود را به مقدار مشخص تخلیه کنیم، فشار ایجاد شده در انتهای شیلنگ پایین می آید. ما می توانیم این را به عنوان کاهش ولتاژ در نظر بگیریم، مانند زمانی که چراغ قوه با اتمام باتری ها کم نور می شود. همچنین مقدار آبی که از طریق شیلنگ جریان می یابد کاهش می یابد. فشار کمتر به معنای جریان کمتر آب است که ما را به جریان می رساند.
