الجهد: التعريف ، المعادلة ، الوحدات (ث / أمثلة)

تخيل تدفق المياه إلى أسفل من خلال نظام من الأنابيب. يجب أن يخبرك حدسك بالعوامل التي تجعل المياه تتدفق بشكل أسرع وما الذي يجعلها تتدفق بشكل أبطأ. كلما ارتفع التل ، كلما كان التيار أسرع ، وكلما زاد عدد العوائق في الأنبوب ، كان تدفقه أبطأ.

هذا كله بسبب أفرق الطاقة الكامنة​ ​بين قمة التل وأسفل، لأن الماء لديه طاقة جاذبية كامنة في أعلى التل ولا شيء عند وصوله إلى القاع.

هذا تشبيه رائع للكهرباءالجهد االكهربى. بالطريقة نفسها ، عندما يكون هناك فرق جهد كهربائي بين نقطتين في دائرة كهربائية ، يتدفق التيار الكهربائي من جزء من الدائرة إلى جزء آخر.

تمامًا كما في مثال الماء ، فإن فرق الطاقة الكامنة بين النقطتين (الناتج عن توزيع الشحنة الكهربائية) هو ما يخلق التدفق الحالي. بالطبع ، لدى الفيزيائيين تعريفات أكثر دقة من هذا ، وتعلم المعادلات مثل قانون أوم يمنحك فهمًا أفضل للجهد.

الجهد هو الاسم الذي يطلق على فرق طاقة الوضع الكهربي بين نقطتين ، ويتم تعريفه على أنه طاقة الوضع الكهربائي لكل وحدة شحنة. برغم منالجهد الكهربائيهو مصطلح أكثر دقة ، وحقيقة أن وحدة SI للجهد الكهربائي هي الفولت (V) تعني أنه يشار إليها عادةً باسم الجهد الكهربي ، خاصة عندما يتحدث الناس عن فرق الجهد بين أطراف البطارية أو أجزاء أخرى من دائرة كهربائية.

يمكن كتابة التعريف رياضيًا على النحو التالي:

أينالخامسهو فرق الجهد ،ه​_el هي طاقة الوضع الكهربائي (بالجول) وفهي الشحنة (في كولوم). من هذا ، يجب أن تكون قادرًا على رؤية أن 1 V = 1 J / C ، مما يعني أن فولت واحد يتم تعريفه على أنه جول واحد لكل كولوم (أي لكل وحدة شحنة). في بعض الأحيان ، سترىهيستخدم كرمز للجهد ، لأن المصطلح الآخر لنفس الكمية هو "القوة الدافعة الكهربائية" (EMF) ، لكن العديد من المصادر تستخدمالخامسلمطابقة الاستخدام اليومي للمصطلح.

يأخذ الفولت اسمه من الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا ، الذي اشتهر باختراعه أول بطارية كهربائية (تسمى "الكومة الفولتية").

ومع ذلك ، فإن المعادلة أعلاه ليست المعادلة الأكثر استخدامًا للجهد ، لأن معظم الوقت الذي تصادف فيه المصطلح سيشمل دائرة كهربائية ، والمعادلة الأكثر فائدة لها هذا هوقانون أوم. يرتبط هذا الجهد بالتدفق الحالي في الدائرة ومقاومة تدفق التيار من الأسلاك ومكونات الدائرة ، وله الشكل:

أينالخامسهو فرق الجهد في الفولت (V) ؛أناهو التدفق الحالي بوحدة الأمبير أو الأمبير للاختصار (أ) ؛ ورهي المقاومة بالأوم (Ω). في لمحة ، تخبرك هذه المعادلة أنه لنفس المقاومة ، تنتج الفولتية الأعلى تيارات أعلى (مماثلة لزيادة ارتفاع التل في المقدمة) وللنفس الجهد ، يتم تقليل تدفق التيار للحصول على مقاومات أعلى (مماثلة للعوائق الموجودة في الأنابيب في مثال). إذا لم يكن هناك فرق الجهد ، فلن يتدفق أي تيار.

سوف تختلف المكونات المختلفة للدائرةينخفض ​​الجهدعبرهم ، ويمكنك استخدام قانون أوم لتحديد ما سيكونون عليه. تمشيا مع قانون الجهد كيرشوف ، على الرغم منيجب أن يكون مجموع الجهد الذي ينخفض ​​حول أي حلقة كاملة في الدائرة مساويًا للصفر​.

يمكن قياس الجهد عبر عنصر في دائرة كهربائية باستخدام مقياس الفولتميتر أو متعدد ، مع احتواء الأخير على الفولتميتر ولكن أيضًا أدوات أخرى مثل مقياس التيار الكهربائي (لقياس التيار). تقوم بتوصيل الفولتميتر بالتوازي عبر العنصر الذي يتم قياسه لتحديد انخفاض الجهد بين النقطتين - لا تقم أبدًا بتوصيله في سلسلة!

تعمل مقاييس الفولتميتر التناظرية باستخدام الجلفانومتر (جهاز لقياس التيارات الكهربائية الصغيرة) في سلسلة مع مقاومة عالية أوم ، مع الجلفانومتر الذي يحتوي على ملف من الأسلاك في مجال مغناطيسي. عندما يتدفق التيار عبر السلك ، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا يتفاعل مع الموجود المجال المغناطيسي لجعل الملف يدور ، ثم يحرك المؤشر على الجهاز للإشارة إلى الجهد االكهربى.

لأن دوران الملف يتناسب مع التيار ، والتيار بدوره بما يتناسب مع الجهد (وفقًا لقانون أوم) ، فكلما زاد دوران الملف ، زاد الجهد بينهما النقطتان. يكون هذا أكثر تعقيدًا إذا كنت تقيس التيار المتردد بدلاً من التيار المباشر ، لكن التصميمات المختلفة تجعل هذا ممكنًا أيضًا.

يجب عليك توصيل الفولتميتر بالتوازي لأن عنصري دارة على التوازي لهما نفس الجهد عبرهما. يجب أن يتمتع مقياس الفولتميتر بمقاومة عالية لأن هذا يمنعه من سحب تيار كبير جدًا من الدائرة الرئيسية وبالتالي التداخل مع النتيجة. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتم إنشاء مقاييس الفولتميتر لجذب التيارات الكبيرة ، لذلك إذا قمت بتوصيل واحد في سلسلة ، يمكن بسهولة كسر أو تفجير الصمامات.

يتضمن تعلم العمل باستخدام الإمكانات الكهربائية تعلم استخدام قانون أوم وتعلم تطبيق قانون كيرشوف للجهد لتحديد انخفاض الجهد عبر عناصر مختلفة في الدائرة. أبسط شيء يمكن فعله هو تطبيق قانون أوم على دائرة كاملة.

إذا كانت الدائرة تعمل بواسطة بطارية 12 فولت ولديها مقاومة إجمالية تبلغ 70 أوم ، فما هو التيار المتدفق عبر الدائرة؟

هنا ، تحتاج ببساطة إلى إعادة ترتيب قانون أوم لإنشاء تعبير للتيار الكهربائي. ينص القانون على:

كل ما عليك فعله هو تقسيم كلا الجانبين علىروالعكس للحصول على:

يعطي إدخال القيم:

إذن ، التيار هو 0.1714 أمبير ، أو 171.4 مللي أمبير (مللي أمبير).

لكن تخيل الآن أن 70 Ω من المقاومة مقسمة على ثلاث مقاومات مختلفة على التوالي ، بقيم 20 Ω و 10 و 40. ما هو انخفاض الجهد عبر كل مكون؟

مرة أخرى ، يمكنك استخدام قانون أوم للنظر في كل مكون على حدة ، مع ملاحظة التيار الكهربائي الكلي حول الدائرة 0.1714 أ. باستخدام V = IR لكل من المقاومات الثلاثة على التوالي:

لأول:

الثاني:

والثالث:

وفقًا لقانون الجهد في Kirchhoff ، يجب أن تضيف هذه القطرات الثلاثة للجهد ما يصل إلى 12 فولت:

هذا يساوي 12 فولت إلى منزلتين عشريتين ، مع وجود تناقض طفيف بسبب أخطاء التقريب.

في مناقشة كيفية قياس الجهد أعلاه ، لوحظ أن انخفاض الجهد عبر المكونات المتوازية في دائرة ما هو نفسه. هذا ما يفسرهقانون جهد كيرشوف ، الذي ينص على أن مجموع جميع الفولتية (الجهد الموجب من مصدر الطاقة وينخفض ​​الجهد من المكونات) في حلقة مغلقة يجب أن يساوي صفرًا​.

بالنسبة للدائرة المتوازية ، ذات الفروع المتعددة ، يمكنك إنشاء مثل هذه الحلقة بما في ذلك أي فرع من الفروع المتوازية والبطارية. بغض النظر عن المكون الموجود في كل فرع ، ينخفض ​​الجهد عبر أي فرعيجبلذلك تكون مساوية للجهد الذي توفره البطارية (تجاهل إمكانية وجود مكونات أخرى في السلسلة ، من أجل البساطة). هذا صحيح بالنسبة لجميع الفروع ، وبالتالي فإن المكونات المتوازية سيكون لها دائمًا قطرات جهد متساوية عبرها.

يمكن أيضًا تمديد قانون أوم ليرتبط بالسلطة (ص) ، وهو معدل إمداد الطاقة بالجول في الثانية (واط ،دبليو) ، واتضح أن P = IV.

بالنسبة لمكون الدائرة مثل المصباح الكهربائي ، يوضح هذا أن الطاقة التي يتبددها (أي تتحول إلى ضوء) تعتمد على الجهد عبره ، مع ارتفاع الفولتية التي تؤدي إلى خرج طاقة أعلى. تماشيًا مع مناقشة المكونات المتوازية في القسم السابق ، تم ترتيب المصابيح الكهربائية المتعددة في توهج متوازي أكثر إشراقًا من نفس المصابيح مرتبة على التوالي ، لأن الجهد الكهربي الكامل للبطارية ينخفض ​​عبر كل مصباح كهربائي عند توصيله بالتوازي ، في حين أن ثلثه فقط ينخفض ​​عند توصيلهم مسلسل.