روش اندازه گیری ولتاژ + آموزش ساده به همراه فرمول

یکی از مهم‌ترین مفاهیم مورد استفاده در صنعت برق و الکترونیک، ولتاژ است. ولتاژ، انرژی پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه است که بر حسب ولت (V) اندازه‌گیری می‌شود. برای اینکه بتوانیم ولتاژ یک مدار را در دو طرف مقاومت موجود در آن محاسبه کنیم،‌ ابتدا باید نوع مداری که مقاومت در‌آن قرار دارد را مشخص کنیم. ما در این مقاله ضمن بررسی مدارهای مختلف، روش اندازه گیری ولتاژ را مرحله به مرحله و با توجه به نوع مدار، مورد بررسی قرار می‌دهیم. با ما همراه باشید.

درک بهتر مدار

در این قسمت می‌خواهیم اجزای تشکیل‌دهنده یک مدار را عنوان کرده و کاربری هر یک را بررسی کنیم. مدارهای الکتریکی دارای دو نوع سری و موازی هستند که نحوه محاسبه و اندازه گیری ولتاژ در هر یک، از روش خاصی پیروی می‌کند. داشتن اطلاعاتی کلی درباره این اجزا و عملکرد هر کدام، برای محاسبه ولتاژ یک مدار، امری ضروری محسوب می‌شود.

1. جریان در مدار چیست؟

بیایید به کمک یک مقایسه و تشبیه، جریان را بررسی کنیم. تصور کنید که در حال ریختن کیسه‌ای پر از ذرت در یک کاسه بزرگ هستید. هر دانه ذرت را یک الکترون در نظر گرفته و روند جاری شدن ذرت‌ها در ظرف را جریان بنامید. زمانی که در مورد جریان صحبت می‌کنیم، آن را با گفتن اینکه چند دانه ذرت در هر ثانیه در داخل ظرف جریان می‌یابد، توصیف می‌کنیم. حال به رابطه جریان و الکترون‌ها برمی‌گردیم. وقتی در مورد جریان صحبت می‌کنید، آن را بر حسب آمپر (Amp) یا تعداد معینی (بسیار زیاد) از الکترون‌ها که در هر ثانیه جریان دارند، اندازه می‌گیرید.

2. بار الکتریکی چیست؟

الکترون‌ها دارای بار منفی هستند که این موضوع به این معناست که الکترون‌ها می‌توانند اجسامی با بار مثبت را به خود جذب کنند یا به سمت آن‌ها جاری شوند. در عین حال از اجسامی با بار موافق خود، یعنی منفی، دور شده یا آن‌ها را از خود دفع می‌کنند. از آن‌جایی که الکترون‌ها همگی بار منفی دارند، همواره در حال دفع کردن یکدیگر بوده و در هر جایی که بتوانند پخش می‌شوند تا در کنار الکترون دیگری نباشند.

3. ولتاژ چیست؟

ولتاژ اختلاف بار الکتریکی بین دو نقطه را اندازه می‌گیرد. هرچه این اختلاف بزرگ‌تر باشد،‌ دو طرف با انرژی بیشتری یکدیگر را جذب می‌کنند. این موضوع را با مثال یک باتری که در زندگی روزمره آن را به کار می‌بریم، بهتر درک می‌کنیم:

• در داخل باتری، واکنش‌های شیمیایی اتفاق می‌افتد که باعث تجمع الکترون‌ها می‌شود. الکترون‌ها به سمت سر منفی یا پایانه منفی رفته و به همین دلیل سر یا پایانه مثبت باتری، خالی می‌ماند. هرچه مدت این فرایند بیشتر ادامه یابد، ولتاژ بین دو سر بیشتر می‌شود.
• زمانی که بین پایانه مثبت و منفی، سیمی وصل می‌کنید، الکترون‌های سر منفی ناگهان محلی برای رفتن پیدا می‌کنند. به همین دلیل ناگهانی به سمت پایانه مثبت می‌روند که این موضوع باعث ایجاد جریان می‌‌شود. هر چه ولتاژ باتری بزرگ‌تر باشد، الکترون‌های بیشتری در هر ثانیه به سمت پایانه مثبت باتری حرکت می‌کنند.

4. مقاومت چیست؟

مقاومت دقیقا همان چیزی‌ست که به نظر می‌رسد. هرچه مقاومت در وسیله‌ای بیشتر باشد، عبور الکترون‌ها از آن سخت‌تر خواهد بود. از آن‌جایی که به دلیل این اتفاق، الکترون‌های کم‌تری جاری می‌شوند، سرعت جریان نیز کاهش پیدا می‌کند. مقاومت در یک مدار، هر چیزی است که باعث افزایش مقاومت شود، به طور مثال سیم برق هم مقاومت دارد. شما حتی می‌توانید از فروشگاه لوازم الکترونیکی، یک مقاومت تهیه کنید.

5. قانون اهم چیست؟

یکی از قوانین مهم در فیزیک و الکترونیک،‌ رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت است به به وسیله رابطه‌ای ساده نشان داده می‌شود. برای به دست آوردن ولتاژ، بهتر است این رابطه را به خاطر بسپارید.

• جریان = مقاومت / ولتاژ (که به صورت I = V / R نیز نوشته می‌شود)

با توجه به این رابطه، هرچه ولتاژ افزایش پیدا کند، جریان نیز بیشتر می‌شود. اما با افزایش مقاومت، مقدار جریان کاهش پیدا می‌کند.

2. روش اندازه گیری ولتاژ در یک مدار سری

1. مدار سری چیست؟

مدار سری، مداری ساده است که در آن تنها یک حلقه از سیم وجود داشته و اجزای دیگر مدار به صورت متوالی و پشت سر هم چیده شده‌اند. جریان در تمام این حلقه جاری شده و به ترتیب از هر جزء یا مقاومت،‌ عبور می‌کند. درباره مدار نکاتی وجود دارد که در زیر به آن‌ها اشاره کرده‌ایم:

• جریان در تمام نقاط مدار سری، یکسان است.
• هنگام محاسبه ولتاژ در مدار سری، اینکه مقاومت در کجای مدار قرار گرفته، اهمیتی ندارد. شما می‌توانید مقاومت را بردارید و آن را در محل دیگری قرار دهید و همچنان ولتاژ ثابتی داشته باشید.

اگر طبق یک مثال، در یک مدار سری سه مقاومت R₂ ، R₁ و R₃ داریم که مقادیر 2، 3 و 5 اهم و باتری با ولتاژ 12 ولت دارند. در ادامه ولتاژ هر یک را محاسبه می‌کنیم.

2. محاسبه مقاومت کلی

برای این کار، مقدار هر یک از مقاومت‌ها را با هم جمع می‌کنیم و جواب، مقاومت کل مدار است. به عنوان مثال اگر سه مقاومت 2، 3 و 5 اهم باشند، مقاومت کل مدار 2+3+5 یعنی 10 اهم است.

3. پیدا کردن مقدار جریان

با استفاده از رابطه اهم یا همان قانون اهم، جریان کل مدار را پیدا می‌کنیم. به یاد داشته باشید که جریان در تمام نقاط مدار سری، یکسان است. هنگامی که جریان را با این روش پیدا کردیم،‌ می‌توانیم از آن برای تمام محاسباتمان نیز استفاده کنیم. با توجه به قانون اهم و با وجود مقاومت 10 اهم و ولتاژ 12 ولت، جریان 12/10 یعنی 1.2 آمپر است.

4. به دست آوردن ولتاژ با قانون اهم

حال که با رابطه اهم آشنا شدیم، به راحتی می‌توانیم مقدار ولتاژ را نیز از این رابطه به دست آوریم.

1. I = V / R
2. IR = VR / R
3. IR = V
4. V = IR

5. به دست آوردن ولتاژ هر مقاومت

حال که با مقاومت، جریان و رابطه آن‌ها آشنا شدیم، با عددگذاری در رابطه، مقدار ولتاژ هر مقاومت را به دست می‌آوریم.

• ولتاژ در مقاومت اول: 1.2A*2 Ω = 2.4 volts
• ولتاژ در مقاومت دوم: 1.2A*3 Ω = 3.6 volts
• ولتاژ در مقاومت سوم: 1.2A*5 Ω = 6.0 volts

6. چک کردن جواب‌ها

در مدار سری، مجموع ولتاژهای به دست‌آمده از هر مقاومت باید با ولتاژ کل مساوی باشد. با جمع کردن جواب‌های قسمت قبل، می‌توان دریافت که محاسبات ما درست بوده است. اگر در یک محاسبه، پاسخ شما مثلا به جای 12 ولت، 11.97 ولت به دست آمد، احتمالا در قسمتی از سوال، یکی از اعداد را رند کرده‌اید. به همین دلیل پاسخ شما همچنان درست خواهد بود.

3. روش اندازه گیری ولتاژ در مدار موازی

1. مدار موازی چیست؟

یک سیم را تصور کنید که یک سر آن به یک سر باتری متصل است و سر دیگر آن به دو قسمت مختلف تقسیم می‌شود که هر یک مسیر خود را دارند. این دو سر جدید، به صورت موازی از یکدیگر بوده و قبل از اینکه به سر دیگر باتری برگردند، به هم متصل می‌شوند. اگر بر سر راه سیم سمت راست یک مقاومت و بر سر راه سیم چپ نیز یک مقاومت قرار داشته باشد، این دو مقاومت به صورت موازی به هم وصل هستند. تعداد سیم‌ها در مدار موازی می‌تواند به تعداد دلخواه باشد. به همین دلیل موضوعاتی که گفتیم حتی برای مداری که سیم آن به 100 سیم موازی هم تقسیم شود، صدق می‌کند.

2. جریان در مدار موازی

در یک مدار موازی، جریان در هر مسیر ممکن، جاری می‌شود. جریان وارد مسیر سیم سمت چپ شده، از مقاومت عبور می‌کند و به انتهای مسیر می‌رسد. این اتفاق برای سیم سمت راست نیز می‌افتد. در این مسیر هیچ بخشی از جریان دو برابر نشده یا از دو مقاومت موازی عبور نمی‌کند.

3. به دست آوردن ولتاژ هر مقاومت با استفاده از ولتاژ کل

اگر مقدار ولتاژ کل مدار را می‌دانید، به دست آوردن ولتاژ هر مقاومت بسیار آسان خواهد بود. ولتاژ هر سیم موازی، با ولتاژ کل مدار یکسان است. بیایید تصور کنیم یک مدار موازی دارای یک باتری با ولتاژ 6 ولت است. در این صورت ولتاژ مقاومت سمت چپ و راست، هر دو 6 ولت محاسبه شده و این موضوع به مقدار مقاومت، هیچ ارتباطی ندارد. برای درک بهتر است موضوع، مقاومت سری را به یاد بیاورید:

• به یاد داشته باشید که اضافه کردن مقاومت در یک مدار موازی، همیشه مقدار ولتاژ کل را ثابت نگه می‌دارد.
• مسیرهای موازی که هر جریان آن را طی می‌کند، به عنوان یک مدار سری ببینید. اگر شما تمام مقاومت را بشمارید، در نهایت به ولتاژ کل می‌رسید. 
• از آنجایی که جریان هر دو سیم از یک مقاومت عبور می‌کند، ولتاژ دو طرف آن مقاومت نیز باید با ولتاژ کل برابر باشد.

4. محاسبه مقدار جریان مدار موازی

اگر در صورت سوال، مقدار ولتاژ کل به شما داده نشده، باید مراحلی را برای به دست آوردن مقدار ولتاژ کل، طی کنید. برای این کار باید مقدار جریانی که در مدار موازی ما جاری‌ست را پیدا کنیم. در یک مدار موازی، مقدار جریان کل برابر است با مجموع جریان‌های جاری در هر مسیر. اگر بخواهیم این موضوع را در ریاضی توصیف کنیم، به صورت زیر خواهد بود:

I_total = I₁ + I₂ + I₃…

اگر برای درک این موضوع با دشواری روبه‌رو شدید، یک لوله آن را تصور کنید که به دو مسیر تقسیم شده است. مقدار آبی که در کل لوله جاری‌ست، با مجموع آب جاری در هر لوله، برابر است.

5. محاسبه مقدار مقاومت در مدار موازی

در مدارهای موازی، مقاومت‌ها تاثیر چندانی ندارد چرا که تنها مسیر جریان را می‌بندند. در واقع،‌ هر چه تعداد سیم‌ها بیشتر باشد، حرکت در مسیر مدار برای جریان آسان‌تر خواهد بود. برای پیدا کردن مقدار مقاومت کل در مدار، از رابطه زیر پیروی می‌کنیم.

• ¹ / _Rtotal = ¹ / _R1 + ¹ / _R2 + ¹ / _R3 …

به عنوان مثال، یک مدار موازی دارای دو مقاومت 2 و 4 اهمی است. مقدار مقاومت کل به صورت زیر محاسبه می‌شود:

• 1/2 + 1/4 = 3/4 =  ¹ / _Rtotal
• R(total) = 4/3 ~ 1.33 ohms

6. به دست آوردن ولتاژ کل در مدار موازی

زمانی که مقدار ولتاژ کل را در مدار موازی به دست آوریم، مقدار ولتاژ در هر مسیر و سیم به کار رفته در مدار را داریم. چرا که همانطور که اشاره کرده بودیم، مقدار ولتاژ در مسیرهای مختلف مدار موازی، یکسان است. برای این کار از رابطه زیر استفاده می‌کنیم. 

• مدار ما دارای جریان 5 آمپر و مقاومت 1.33 اهم است.
• با توجه به قانون اهم، V = IR
• بنابراین مقدار ولتاژ برابر خواهد بود با: 5A * 1.33Ω = 6.65 volts

سخن پایانی

محاسبه ولتاژ دو سر مقاومت یک مهارت اساسی در مهندسی برق است که برای طراحی و آنالیز مدارها و عیب‌یابی مشکلات مدارهای سری یا موازی استفاده می‌شود. محاسبه این مقدار، کاری نسبتا ساده اما بسیار مهم است. با درک نحوه محاسبه ولتاژ، می‌توانید نحوه عملکرد مدارهای الکتریکی را بهتر درک کنید. از اینکه در این مقاله با ما همراه بودید، سپاسگزاریم.