قوانین اهم، ولتاژ و آمپر

قبل از اینکه وارد دنیای الکتریسیته و الکترونیک شویم باید به مجموعه‌ای از مباحث مهم و اساسی نظیر ولتاژ، جریان و مقاومت بپردازیم تا درک درستی از مفاهیم فوق داشته باشیم.

برای اینکه بتوانیم به طور هدفمند و درست از الکتریسیته استفاده کنیم درک و تحلیل این سه مفهوم حیاتی است و از آنجایی که به طور عینی نمی‌توان این کمیت‌ها را مشاهده کرد ممکن است شناخت قوانین کمی برایتان پیچیده به نظر برسد؛ درحالی که اصلاً مفاهیم پیچیده‌ای نیستند و این حس صرفاً در نگاه اول به وجود می‌آید.

در دنیای امروزی علم به جایگاهی رسیده است که با استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری مانند مولتی‌متر (Multimeter)، اُسیلوسکوپ (Oscilloscope) و اِسپکتروم آنالایزر (Spectrum Analyzer) تقریبا می‌توان تمام کمیت‌های فیزیکی را اندازه گرفت.

برای درک بهتر این مطلب توصیه می‌کنم قوانین پایه‌ای فیزیک الکتریسیته را مطالعه کنید. به هر حال بهتر است وارد مبحث اصلی شویم و بیشتر از این منتظر نمانیم!

 

روابط حاکم بر ولتاژ و جریان

الکتریسیته چیزی نیست جز حرکت الکترون‌ها در جسم رسانا. اگر این حرکت را به طور هدفمند کنترل کنیم می‌توانیم از آن برای رسیدن به مقاصد خود استفاده کنیم. گوشی تلفن همراه، کامپیوتر، چراغ مطالعه  و تعداد بی‌شماری از تجهیزات الکتریکی فقط با مفهوم کنترل حرکت الکترون‌ها – البته با نظم و قوانین پیچیده‌تری – می توانند نیازهای شما را برطرف کنند.

هر بار الکتریکی سبب به وجود آمدن میدانی در اطراف خود می‌شود که به آن «میدان الکتریکی» گفته می‌شود. حال ممکن است در نقطه‌ای میدان قوی‌تر یا ضعیف‌تر باشد. قوی‌تر یا ضعیف‌تر بودن میدان به عامل ایجادکننده‌ی آن که «بار الکتریکی» است بستگی دارد.

به اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه «ولتاژ» می گویند. یعنی اختلاف سطح پتانسیل الکتریکی یک نقطه نسبت به نقطه دیگر.

واحد اندازه گیری ولتاژ، ژول بر کولن (J/C) است و آن را با نماد V یا E نشان می دهند.

به افتخار دانشمند ایتالیایی «Alessandro Volta» که اولین بار باتری شیمیایی را اختراع کرد نام «ولت» (Volt) به این کمیت نسبت داده شد.

 

الساندرو ولتا دانشمند ایتالیایی

مثال زیر یکی از ساده ترین راه ها برای درک مفاهیم الکتریسیته را نشان می دهد.

در شکل زیر که شامل یک تانکر و یک باریکه است، آب را معادل بار، اختلاف فشار آب را معادل ولتاژ، و جریان آب عبوری از باریکه را معادل جریان الکتریکی در نظر بگیرید.

به سادگی می‌توان نتیجه گرفت که با افزایش مقدار آب موجود در تانکر، فشار آب و در نتیجه جریان آب عبوری از باریکه افزایش می‌یابد.

یعنی جریان الکتریکی رابطه مستقیمی با بار الکتریکی دارد.

از طرفی می‌توان نتیجه گرفت که با افزایش ارتفاع تانکر (دقت کنید که فقط با افزایش ارتفاع نه افزایش مقدار آب) جریان عبوری از باریکه به علت فشار بیشتر افزایش می یابد.

یعنی جریان الکتریکی با ولتاژ الکتریکی رابطه مستقیمی دارد.

واحد اندازه گیری جریان الکتریکی کولن بر ثانیه (C/s) است و آن را با I نشان می‌دهند. نام دانشمند فرانسوی «Andre-Marie Ampere» یعنی «آمپر» را به این واحد اختصاص داده ‌اند.

 

آندره-ماری آمپر دانشمند فرانسوی

یک آمپر جریانی است که باعث می‌شود در مدت یک ثانیه، یک کولن بار از یک رسانا عبور کند.

 

I [A]  = Q[c].t[s]}

حال دو تانکر آب زیر را در نظر بگیرید که یکی از آنها باریکه ای با عرض زیاد و دیگری عرض کمتری دارد. واضح است مقدار آبی که از تانکر سمت چپ خارج می شود بیشتر خواهد بود. توجه داشته باشید که تمام شرایط جز عرض باریکه برابر است.

اکنون برای ایجاد تعادل در جریان باریکه‌ها می توان مقداری آب به تانکر سمت راست اضافه کرد.

 

مفهوم مقاومت

تا اینجا رابطه‌ی ولتاژ و جریان بررسی شد. موضوعی که در مورد عرض باریکه مطرح شد مفهوم «مقاومت» را به نوعی ساده بیان می کند. باریکه با عرض کم در مقابل جریان آب از خود مقاومت نشان می‌دهد و در مقابل باریکه سمت چپ مقاومت کمتری بروز می‌دهد. همچنین شکل زیر عملکرد مقاومت را به شکلی ملموس‌تر نشان می‌دهد.

بررسی های انجام شده نشان می‌دهد مسیری که مقاومت بیشتری دارد جریان الکتریکی کمتر و مسیری که مقاومت کمتری دارد جریان الکتریکی بیشتری عبور می‌دهد.

باز هم تاکید می‌کنم نکات بالا به شرطی درست هستند که هر دو مسیر دارای ولتاژ یکسانی باشند. به عنوان مثال در شکل زیر با وجود اینکه قطر باریکه‌ی آب در شکل سمت راست کمتر و در نتیجه مقاومت آن بیشتر است ولی همچنان جریان خروجی از دو باریکه مساوی است. علت این موضوع آن است که متناسب با بیشتر بودن مقاومت مجرای سمت راست، ارتفاع آب (ولتاژ) بالای آن نیز بیشتر است.

واحد اندازه گیری مقاومت اُهم (Ohm) است که آن را با نماد Ω (اُمگا) نشان می‌دهند.

نماد خود مقاومت نیز R است.

جورج اهم (George Ohm) دانشمند آلمانی اولین بار مفهوم مقاومت را بر اساس نسبت بین ولتاژ و جریان تعریف کرد که امروزه این قانون در مباحث الکتریسیته نقش اساسی دارد.

 

جورج اهم دانشمند آلمانی

در واقع تمام توضیحات و توصیف‌های فیزیکی بالا در رابطه ریاضی زیر خلاصه شده است:

 

I  = V.R

 

یک آزمایش ساده با قانون اهم

حال قصد داریم با آزمایشی ساده نحوه‌ی استفاده از قوانین بالا را در عمل توضیح دهیم.

می‌خواهیم یک LED  (دیود نورافشان) را با استفاده از یک باتری ۹ ولتی روشن کنیم.

LED نوعی قطعه نوری از خانواده‌ی دیودها است. در اینجا دانستن این نکته ضروری است که جریان عبوری از LED نباید از ۲۰ میلی‌آمپر یا همان ۰٫۰۲ آمپر عبور کند. چون در غیر این صورت LED خواهد سوخت.

به نظر شما اگر باتری را مستقیما به پایه های LED وصل کنیم چه اتفاقی می افتد؟

مدار زیر را در نظر بگیرید:

یک مدار نادرست برای روشن کردن LED

مدار ساده‌ای است که هیچ مقاومتی در مسیر وجود ندارد. طبق قانون اهم و صرف نظر از افت ولتاژ در LED، جریانی که در مدار جاری می‌شود طبق معادله بالا بسیار بیشتر از ۲۰ میلی‌آمپر خواهد بود و حتماً LED آسیب خواهد دید.

 

I   = V/R = 9 V/0 Ω

 

بنابراین نیاز به قطعه ای داریم که بتوانیم جریان را محدود کنیم.  این قطعه «مقاومت» نام دارد!

اگر جریان مورد نیاز ما ۲۰ میلی‌آمپر باشد داریم:

 

 R   = V/I = 9 V/0.02 A = 450  Ω

 

پس ما به یک مقاومت ۴۵۰ اهمی احتیاج داریم که جریان را محدود کند. طبق استاندارد مقاومت‌ها، مقاومت با این مقدار وجود ندارد. می‌توانیم از مقاومت‎های استانداردی که نزدیک به این مقدار هستند، مثل ۴۷۰ اهم یا ۴۳۰ اهم استفاده کنیم که ما مقاومت بزرگ‎تر یعنی مقاومت ۴۷۰ اهمی را انتخاب می‌کنیم .