ولتاژ چیست ؟

امکان ندارد تا به امروز کلمه ی ولتاژ به گوشتان نخورده باشد!تعریفی که در ذهن بیشتر افراد از ولتاژ وجود دارد این است : به برق موجود در یک دستگاه ولتاژ می گویند.بگذارید با یک مثال این موضوع را باز کنیم. یک سرسره را تصور کنید زمانی که شما از بالا به سمت پایین سر میخورید دلیل آن نیروی جاذبه و اصطکاک کم سطح سرسره است که باعث میشود شما از بالا به سمت پایین کشیده شوید. همانطور که میدانید اتم ها دارای سه جزء نوترون (خنثی) ، پروتون (مثبت) و الکترون (منفی) میباشند.ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی کار لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطهٔ دیگر است .اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌تواند منجر به برقراری جریان الکتریکی شود.

تاریخچه ولتاژ :

اصطلاح ولت در واقع برگرفته شده از مکتشف آن آقای آلساندرو ولتا می باشد. این داشمند ایتالیایی در سال 1801 میلادی در مقاله ای نامبرده شد. ایشان با ساخت وسیله ای به نام پیل ولتایی که از ترکیب مس و نقره بود موفق به اندازه گیری اختلاف پتانسیل الکتریکی شد. در این دستگاه بین مس و نقره دستمال یا کاغذ خیس آغشته به آب نمک یا نمک و سرکه قرار میگرفت و با فعل و انفعالات شیمیایی  موفق به خروجی الکترسیته با جریان ثابت می شد،که این فعل و انفعالات شیمیایی در واقع همان اختلاف پتانسیل الکتریکی است که آن را را ولتاژ نامید.

تفاوت جریان با ولتاژ :

همانطور که پیش تر توضیح دادیم تعریف ولتاژ مشخص است اما به جاری شدن یا شارش بار الکتریکی جریان گفته میشود. اداره ی پست را در نظر بگیرید که یک مامور پست دارد و می تواند روزی سه نامه به خانه ی مردم ببرد. اگر پستچی سرعتش را زیاد تر کند می تواند روزی پنج نامه به خانه ها برساند این اصطلاح مشابه جریان است. اما اگر دو پستچی همزمان فعالیت کنند و نامه ها را به خانه ها برسانند این اصطلاح مشابه ولتاژ است. به زبان ساده تر اگر یک الکترون با سرعت 10 سانتی متر بر ثانیه حرکت کند و در ادامه اگر سرعتش زیاد تر شود و با سرعت 20 سانتی متر بر ثانیه حرکت کند میگوییم جریان بالا رفته است اما اگر تعداد الکترون هایی که جا به جا میشوند زیاد شود میگوییم ولتاژ بالا رفته است.

انواع ولتاژ :

ولتاژ برق در نوع خود به چند وضعیت تقسیم میشود که هر کدام از آنها به شکل های متفاوت وجود دارند و هر کدام از آنها از الگوی مخصوصی تبعیت میکنند و استفاده ی خاصی دارند، انواع ولتاژ به سه قسمت اصلی ولتاژ متناوب ، ولتاژ مستقیم و ولتاژ مؤثر تقسیم میشوند. هرکدام از آن ها کاربرد خاصی دارند و به دلیل خصوصیات آنها در جاهای مختلفی استفاده میشوند که در ادامه به آن میپردازیم. 

ولتاژ متناوب :

ولتاژ متناوب یا به اصطلاح AC Voltage که مخفف Alternating current است به ولتاژی گفته میشود که دارای طول موج مثبت و منفی است و دارای جهت و مقدار میباشد. برق شهری دارای این نوع ولتاژ است. بعد از این که الکتریسیته کشف شد به دلیل محدودیت هایی که داشت به عنوان مثال برای مسافت های طولانی به دلیل اتلاف انرژی نمیتوانستند از ولتاژ مستقیم استفاده کنند. اولین بار در سال 1881 میلادی توسط نیکولا تسلا کشف و طراحی شد. امروزه تمام برق شهری که در جهان استفاده می شود از این نوع ولتاژ است. بر خلاف ولتاژ مستقیم این نوع ولتاژ حرکات نوسانی دارد و از مثبت به منفی یا برعکس حرکت میکند.

ولتاژ مستقیم :

ولتاژ مستقیم که به انگلیسی DC Volatge که مخفف کلمه ی Direct current نامیده میشود. این نوع از ولتاژ دارای طول جریان ثابت و بدون نوسان است. این نوع ولتاژ فقط از سمت مثبت به منفی شارش دارد و از منفی به مثبت جریان صفر است به همین دلیل به این ولتاژ یکسو هم نیز گفته میشود. این ولتاژ اکثرا در باتری ها و پیل های الکتریکی وجود دارد اما راه هایی وجود دارد که با چند خازن و پل دیودی میتوان ولتاژ متناوب را به ولتاژ مستقیم تبدیل کرد که اکثر آداپتور ها به این صورت عمل میکنند. ضعف این ولتاژ این است که بر خلاف ولتاژ متناوب نمیتوان از انتقال ولتاژ مستقیم در فواصل دور استفاده کرد. البته شایان به ذکر است که بدانید ولتاژ مستقیم اگر به انسان اصابت کند خسارت کمی به انسان وارد میکند اما در ولتاژ متناوب بدلیل اینکه شدت جریان بالا ،میتواند حتی انسان را بکشد.

ولتاژ مؤثر :

این نوع ولتاژ که به اصطلاح RMS Voltage که مخفف Root mean square به معنی ولتاژ موثر است که در تعریف کلی ترکیبی از ولتاژ مستقیم و متناوب است. اما اگر بخواهیم با جزئیات بیشتر آن را توضیح دهیم به این معنی است که این ولتاژ زیر مجموعه ی ولتاژ متناوب است که فقط ولتاژ پیک تا پیک (پیک به معنی قله میباشد) حساب میشود یعنی طول موجی که این ولتاژ ایجاد میکند فقط پیک های مثبت حساب میشوند تقریبا ولتاژ مستقیم را تشکیل میدهد. برای راحت تر متوجه شدن این مسئله وقتی میگوییم ولتاژ برق شهری 220 ولت است این مقدار ولتاژ مستقیمی است که به صورت پیک تا پیک محاسبه میشود وگرنه در اصل ولتاژ برق شهری 311 ولت متناوب است. به زبان ساده تر ولتاژ مؤثر به ولتاژ متناوبی گفته میشود که فقط محدوده ای که توان کاری آن است حساب میشود. برای محاسبه ولتاژ موثر ، ولتاژ متناوب بر جذر عدد 2 تقسیم میشود.

Vrms = Vp/√2 = Vp/1.414 
برای مثال برق شهری را محسابه خواهیم کرد :

220V = Vp/√2 
Vp = 220 * 1.414 =311V ac

روش محاسبه ی ولتاژ :

همانطور که در قانون اهم گفته شده است، ولتاژ و جریان و مقاومت بر روی هم تاثیر میگذارند و در دمای ثابت ولتاژ برابر است با حاصل ضرب جریان در مقاومت که به شرح زیر است.

V = I * R

ولتاژ = جریان X مقاومت

روش اندازه گیری ولتاژ :

همانطور که قبل تر گفته شد ولتاژ به اختلاف پتانسیل الکتریکی گفته میشود پس ما باید اختلاف پتانسیل الکتریکی از یک نقطه تا نقطه ی دیگر را اندازه بگیریم. برای این کار ما میتوانیم از چند دستگاه استفاده کنیم مثل ولت متر و مولتی متر هر دو دستگاه میزان ولتاژ را نشان میدهند. روش اندازه گیری ولتاژ به این صورت است که دستگاه را به صورت موازی به مدار وصل کرده و پراب مثبت (سیم رنگ قرمز) در خط مثبت و پراب منفی (سیم رنگ مشکی) در خط منفی یا به اصطلاح زمین قرار بگیرد  عددی که نشان میدهد اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه میباشد. نکته ای که قابل ذکر است در ولت متر و مولتی متر های رنج خودکار (auto range) به صورت خودکار میزان ولتاژ اندازه گیری می شود اما عدد دقیقی را به شما نشان نمیدهد و ضریب خطا دارد. اما در دستگاه هایی که رنج خودکار نیستند باید محدوده ی رنج خود را مشخص کنید برای مثال اگر ولتاژی میخواهید اندازه بگیرید از 0 تا 20 ولت باشد باید عقربه ی دستگاه رو رنج 20V بگذارید یا اگر محدوده ولتاژ شما بین 20 تا 200 ولت است باید عقربه ی خود را روی 200V تنظیم کنید.