ولت یا ولتاژ چیست ؟

ولت چیست ؟

ولت چیست ؟ ولت (Volt)، که با نماد V نمایان می‌شود، یکی از واحدهای مهم در سیستم استاندارد بین‌المللی اندازه‌گیری ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی است. این واحد نه تنها در زمینه‌های برق و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد، بلکه به عنوان یکی از اندازه‌گیری‌های مهم در فیزیک نیز شناخته می‌شود.

ولت به عنوان یک واحد نیروی محرک الکتریکی نیز شناخته می‌شود. این واحد، اختلاف پتانسیل بین دو نقطه را نشان می‌دهد که اگر یک کولن بار از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت کند، کار انجام شده برابر با یک ژول می‌باشد. ولت در واقع اندازه‌گیری انرژی لازم برای جابه‌جایی بار الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر را فراهم می‌کند.

که در آن

• E: نیروی محرک الکتریکی
• W: کار انجام شده
• q: بار الکتریکی بر حسب کولن

اختلاف پتانسیل به این صورت اندازه‌گیری می‌شود:

این واحد، به افتخار آلساندرو ولتا (۱۷۴۵–۱۸۲۷)، فیزیک‌دان و مخترع ایتالیایی، به نام “ولت” شناخته می‌شود.

به عنوان مثال، اگر بخواهیم اختلاف پتانسیل بین دو نقطه را با یک ولت نشان دهیم، این بدان معناست که اگر یک کولن بار از نقطه A به نقطه B حرکت کند، انرژی مورد نیاز برابر با یک ژول است. ولت به عنوان یک اندازه‌گیری دقیق و حیاتی در توصیف و تحلیل سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی اهمیت بالایی دارد.
ولت واحد مشتق شده برای اختلاف پتانسیل الکتریکی و نیروی الکتروموتور است. تفاوت پتانسیل بین دو نقطه در یک میدان الکتریکی را اندازه گیری می کند.

تعریف

• ولت به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه از هادی که جریان ثابت یک آمپر را حمل می کنند، تعریف می شود، زمانی که توان تلف شده بین آن نقاط یک وات باشد.
• نیروی محرکه الکتریکی را که باعث عبور جریان از یک هادی می شود، کمیت می کند.
• ولت از نام فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا، که اولین باتری شیمیایی را در سال 1800 اختراع کرد، نامگذاری شده است.

سطوح ولتاژی

ولتاژ برق مورد استفاده در منازل ایران به صورت رایج ۲۲۰ ولت می‌باشد، در حالی که در برخی مناطق دیگر این مقدار ممکن است ۱۱۰، ۲۲۰، ۲۳۰، ۲۴۰ یا ۲۵۰ ولت باشد. اما در بخش صنعتی، ولتاژ برق اغلب ۲۲۰ یا ۳۸۰ ولت استفاده می‌شود. در خطوط انتقال توان بزرگتر، مانند ۶۳ و ۴۰۰ کیلوولت، از ولتاژهای بیشتر استفاده می‌شود تا از افت انرژی جلوگیری شود.

باتری‌های خشک معمولاً دارای ولتاژ ۱٫۵ ولت هستند، در حالی که باتری‌های ماشین‌های سبک اغلب دارای ولتاژ ۱۲ ولت و باتری‌های ماشین‌های سنگین به میزان ۲۴ ولت عرضه می‌شوند. این مقادیر ولتاژ نشان‌دهنده قدرت و توانایی هر منبع برق می‌باشند و با توجه به نیازهای مختلف، انتخاب می‌شوند.

در اینجا اطلاعات اضافی در مورد سطوح ولتاژ استاندارد و کاربردهای متنوع آنها وجود دارد:

• ولتاژ پایین – زیر 1000 ولت، مورد استفاده در بخش های مختلف:
  • 5 ولت، 9 ولت، 12 ولت – معمولاً برای تغذیه دستگاه های الکترونیکی از طریق USB، باتری ها و منابع تغذیه DC استفاده می شود.
  • 24 ولت – در تجهیزات مخابراتی، مراکز داده‌ها و سیستم های روشنایی LED استفاده می شود.
  • 48 ولت – در وسایل نقلیه مخابراتی و الکتریکی یافت می شود.
  • 380 ولت – برق سه فاز که به طور گسترده در مراکز داده‌ها و زیرساخت شارژ وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.
• ولتاژ متوسط – از 1 کیلوولت تا 100 کیلو ولت، که عمدتاً در شبکه های توزیع برق استفاده می شود:
  • 2.4 کیلو ولت، 4 کیلو ولت – ایده آل برای موتورهای صنعتی.
  • 11 کیلو ولت، 33 کیلو ولت – در شبکه های توزیع برق بسیار مهم است.
• ولتاژ بالا – بیش از 100 کیلو ولت، عمدتاً در انتقال نیرو در فواصل زیاد استفاده می شود:
  • 115 کیلو ولت، 230 کیلو ولت، 500 کیلو ولت، 765 کیلو ولت – معمولا در خطوط انتقال هوایی دیده می شود.
  • HVDC در 800 کیلو ولت – برای انتقال کارآمد و کم تلفات در فواصل قابل توجه.
• ولتاژ فوق العاده بالا – بیش از 230 کیلو ولت، با هدف کاهش تلفات برای انتقال برق فله مقرون به صرفه:
  • 345 کیلو ولت، 500 کیلو ولت، 765 کیلو ولت – مورد استفاده در سیستم های انتقال ولتاژ فوق العاده بالا.
• ولتاژ فوق العاده بالا – بیش از 800 کیلو ولت، سطوح آزمایشی در نظر گرفته شده برای انتقال از راه دور:
  • 1100 کیلو ولت، 1200 کیلو ولت – در پروژه های UHV در چین نشان داده شده است.
  • سطح انتقال هدفمند 2000 کیلوولت برای پیشرفت های آینده.

روند فعلی در صنعت به سمت ولتاژهای انتقال بالاتر برای افزایش کارایی و ظرفیت، همسو با افزایش تقاضای جهانی برای برق متمایل است. الکترونیک قدرت پیشرفته نقشی محوری در حفظ کنترل دقیق بر روی این سطوح ولتاژ بالا ایفا می کند و اطمینان و پایداری سیستم های انتقال نیرو را تضمین می کند.

قیاس جریان آب

• ولتاژ را می توان با فشار آب در یک لوله مقایسه کرد. فشار آب بیشتر می تواند آب بیشتری را از طریق لوله عبور دهد، درست مانند ولتاژ بالاتر می تواند جریان الکتریکی بیشتری را از طریق یک سیم عبور دهد.
• سرعت جریان آب مشابه جریان الکتریکی است. همانطور که ولتاژ باعث جاری شدن جریان می شود، فشار آب نیز باعث جریان آب می شود.

ولت های رایج چیست ؟

برخی از ولتاژهای رایج و کاربرد آنها:

• 1.5 ولت – ولتاژ در باتری AA
• 5 ولت – پورت های برق USB، بردهای منطقی کامپیوتر قدیمی
• 12 ولت – سیستم های برق خودرو
• 24 ولت – کنترل گرمایش و تهویه مطبوع
• 120 ولت – پریزهای دیواری در آمریکای شمالی
• 230 ولت – پریزهای دیواری در اروپا، آسیا
• 25000 ولت – خطوط توزیع
• 500000 ولت – خطوط انتقال فشار قوی

تاریخچه ولت چیست ؟

در سال 1800، الساندرو ولتا به دنبال یک اختلاف نظر حرفه‌ای دربارهٔ پاسخ گالوانیکی و تحت حمایت لوئیجی گالوانی، یک شمع ولتایی که جریان الکتریکی ثابتی تولید می‌کرد، باتری پیشرو را ساخت. او مشخص کرد که جفت فلزات غیرمشابه روی و نقره بهترین گزینه برای تولید الکتریسیته هستند. در سال 1861، لاتیمر کلارک و سر چارلز برایت عنوان “ولت” را برای واحد مقاومت ابداع کردند. انجمن بریتانیایی برای پیشرفت علم در سال 1873 ولت، اهم و فاراد را تعریف کرد. در سال 1881، کنگره بین‌المللی برق (که اکنون کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی یا IEC است) ولت را به عنوان واحد نیروی محرکه الکتریکی تایید کرد. آنها ولت را برابر با 108 واحد cgs ولتاژ کردند، که در آن زمان، سیستم cgs متداول‌ترین سیستم واحدها در علم بود. این انتخاب به دلیل اندازه کوچک نامناسب واحد ولتاژ cgs بود، که تقریباً به emf یک سلول دانیل، یک منبع استاندارد ولتاژ در سیستم‌های تلگراف آن دوران، معادل بود. در آن زمان ولت به معنای اختلاف پتانسیل (یا همان “ولتاژ”) در یک هادی تعریف می‌شد، زمانی که جریان یک آمپر یک وات توان را تلف می‌کند.

در سال 1893، “ولت بین‌المللی” به عنوان 1/1.434 از emf سلول کلارک تعریف شد. این تعریف در سال 1908 به نفع تعریف مبتنی بر اهم بین‌المللی و آمپر بین‌المللی کنار گذاشته شد. تعریف مجدد واحدهای پایه SI در 20 مه 2019 اعمال شد، که شامل تغییر در تعریف مقدار شارژ اولیه نیز بود.

• 1745 – Ewald Georg von Kleist کوزه لیدن را اختراع کرد، یک خازن اولیه که الکتریسیته ساکن را بین دو رسانا ذخیره می کند. این نشان داد که برق می تواند “بطری” شود.
• 1800 – الساندرو ولتا شمع ولتایی را اختراع کرد، اولین باتری الکتریکی که جریان قابل اعتماد و ثابتی تولید کرد. این باعث شد که الکترون ها به طور قابل اعتمادی برای آزمایش ها جریان پیدا کنند.
• دهه 1820 – گئورگ اهم قانون اهم را فرموله می کند که ولت را تعریف می کند. او رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت را تعیین می کند.
• 1881 – کنگره بین المللی برق ولت، آمپر و اهم را به عنوان استانداردهای نیروی الکتروموتور، جریان الکتریکی و مقاومت پذیرفت.
• 1893 – کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) تأسیس شد که بعداً ولت را به عنوان یک واحد مشتق شده SI رسمیت داد.
• 1990 – استاندارد ولتاژ اتصال جوزفسون ایجاد شد که یک استاندارد فیزیکی دقیق برای ولت ارائه می کند.

آلساندرو ولتا

کاربردها و استفاده های ولتاژ در سیستم های الکتریکی

انتقال نیرو: ولتاژ بالا در سیستم های انتقال نیرو برای کاهش تلفات انرژی در طول انتقال از راه دور استفاده می شود. با افزایش ولتاژ، جریان را می توان کاهش داد، که تلفات مقاومتی را طبق قانون اهم (P = I²R) به حداقل می رساند.

ولتاژ کاربردهای زیادی در دستگاه ها و سیستم های الکتریکی و الکترونیکی دارد:

• انتقال نیرو – ولتاژهای بالا در شبکه های الکتریکی برای انتقال نیرو در فواصل طولانی برای کاهش تلفات انتقال استفاده می شود.
• موتورها – اعمال ولتاژ در سیم پیچ های موتور، گشتاوری تولید می کند که موتور را می چرخاند. تغییر ولتاژ سرعت موتور را کنترل می کند.
• عناصر گرمایشی – عبور جریان از مقاومت باعث ایجاد گرما می شود. اجاق گاز، توستر و بخاری از این اصل استفاده می کنند. ولتاژ جریان را هدایت می کند.
• شارژ باتری – اتصال منبع ولتاژ به باتری، نیروی محرکه الکتریکی برای شارژ آن اعمال می کند. ولتاژهای بالاتر باتری ها سریعتر شارژ می شوند.
• الکترولیز – اعمال ولتاژ باعث ایجاد واکنش های شیمیایی غیر خود به خودی مانند آبکاری می شود. ولتاژهای بالاتر اجازه آبکاری فلزات نجیب را می دهد.
• روشنایی – لامپ ها و ال ای دی ها انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کنند. ولتاژ شدت و دمای رنگ نور را دیکته می کند.

واحدها و ابزار اندازه گیری ولت چیست ؟

ولتاژ به واحد ولت (V) اندازه‌گیری می‌شود و واحدهای استاندارد برای اندازه‌گیری ولتاژ، جریان و مقاومت به ترتیب ولت (V)، آمپر (A) و اهم (Ω) هستند. در زیر چند ابزار برای اندازه‌گیری ولتاژ آورده شده است:

1. مولتی‌متر:
   • یک دستگاه دستی که می‌تواند خواص الکتریکی نظیر ولتاژ، جریان و مقاومت را اندازه‌گیری کند.
   • برخی مدل‌ها همچنین می‌توانند ظرفیت، فرکانس و دما را نیز اندازه‌گیری کنند.
   • برای اندازه‌گیری ولتاژ با استفاده از مولتی‌متر، اطمینان حاصل کنید که دستگاه را به درستی تنظیم کرده‌اید تا اندازه‌گیری‌های صحیح (V) را نشان دهد.
2. ولت‌متر:
   • این ابزار، که به عنوان ولتاژ‌متر نیز شناخته می‌شود، ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه در یک مدار الکترونیکی یا الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند.
   • ولت‌متر معمولاً برای مدارهای جریان متناوب (AC) یا مدارهای جریان مستقیم (DC) استفاده می‌شود.
3. آمپرمتر:
   • برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌شود.
   • آمپرمتر به صورت سری متصل می‌شود چرا که باید جریان عبوری از دستگاهی که در سری آمپرمتر قرار دارد اندازه‌گیری کند.

برخی از واحدها و ابزارهای مورد استفاده برای اندازه گیری ولتاژ:

• ولت – واحد SI استاندارد برای ولتاژ، اختلاف پتانسیل و EMF.
• میلی ولت (mV) – 1/1000 ولت. برای ولتاژهای کوچک در الکترونیک و ترموکوپل استفاده می شود.
• کیلوولت (کیلوولت) – 1000 ولت. برای خطوط انتقال و توزیع ولتاژ بالا استفاده می شود.
• ولت متر – ابزاری که ولتاژ را اندازه گیری می کند. ولت مترهای آنالوگ از گالوانومتر استفاده می کنند در حالی که ولت مترهای دیجیتال از ADC استفاده می کنند.
• مولتی متر – ابزاری همه کاره که می تواند ولتاژ، جریان و مقاومت را اندازه گیری کند. امروزه مولتی مترهای دیجیتال رایج تر از آنالوگ هستند.
• اسیلوسکوپ – نمودار ولتاژ در مقابل زمان را نمایش می دهد. برای تجسم شکل موج و اندازه گیری ولتاژ AC استفاده می شود.
• Data Logger – ثبت ولتاژ در طول زمان. برای نظارت بر نوسانات و نوسانات در سیستم های قدرت استفاده می شود.

استانداردها و مقررات ولت چیست ؟

• استانداردهای ولتاژ ایمنی، سازگاری و کیفیت را تسهیل می کند.
• کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) استانداردهای ولتاژ، فرکانس و اتصال را برای برق اصلی تعریف می کند.
• 120 ولت در 60 هرتز استاندارد در آمریکای شمالی است. 230 ولت در 50 هرتز در اروپا، آسیا و بیشتر نقاط جهان استفاده می شود.
• انواع ولتاژ مانند 110-120 ولت یا 220-240 ولت تحملی را برای سازگاری با تغییرات فراهم می کند.
• اکثر کشورها سطوح ولتاژ را تنظیم می کنند تا از تحویل مطمئن و کارآمد برق به مصرف کنندگان اطمینان حاصل کنند.
• قانون اتحادیه اروپا تغییرات ولتاژ AC را در محدوده +10٪ و -10٪ از مقدار اسمی الزام می کند.
• استانداردها برای برنامه های خاص (مانند خودرو یا هوانوردی) توسط نهادهای حاکم مانند SAE، IEEE و RTCA تنظیم می شوند.

ولت در مدارهای الکترونیکی چیست ؟

ولتاژ نقش کلیدی در سیستم ها و مدارهای الکترونیکی دارد:

• منبع تغذیه – ولتاژهای عملیاتی لازم را برای مدارهای الکترونیکی، معمولاً از ولتاژ شبکه بالاتر، فراهم می کند.
• سوئیچینگ سیگنال – ترانزیستورها زمانی روشن می شوند که ولتاژ پایه امیتر آنها از آستانه فراتر رود و منطق دیجیتال را فعال می کند.
• تقویت – تقویت کننده های ولتاژ مانند op-amp ها یک ولتاژ ورودی را ضرب می کنند تا سیگنال خروجی بزرگتری تولید کنند.
• زمان/نوسان – ولتاژ در خازن از یک فروپاشی نمایی پیروی می کند. این ویژگی برای زمان بندی و تولید موج استفاده می شود.
• حاشیه نویز – سطوح منطقی معتبر بین حداکثر و حداقل ولتاژ برای ایجاد ایمنی در برابر نویز تعریف شده است.
• کوپلینگ – کوپلینگ AC از خازن ها برای مسدود کردن ولتاژهای DC بین مراحل و در عین حال اجازه عبور سیگنال های AC استفاده می کند.
• محافظت – رگولاتورها و سرکوبگرهای ولتاژ در برابر نوسانات، جهش ها و ولتاژهای نامنظم محافظت می کنند.

ملاحظات ایمنی ولت چیست ؟

کار با برق نیازمند اقدامات ایمنی مناسب است:

• عایق – هادی های برق باید عایق بندی شوند تا از تماس تصادفی جلوگیری شود. ولتاژهای بالاتر به عایق ضخیم تری نیاز دارند.
• نگهبانی – قطعات ولتاژ بالا در معرض دید برای جلوگیری از تماس انسان محصور شده اند. اجزای زمین روکش فلزی.
• هشدارها – علائم هشدار دهنده، برچسب ها و سیم های رنگی نشان دهنده ولتاژهای خطرناک است.
• محافظت پرسنل – ابزارهایی مانند پدهای عایق، لباس های قوس دار و دستکش های عایق از کارگران محافظت می کنند.
• فیوز – فیوزها و قطع کننده های مدار به سرعت جریان های بیش از حد ناشی از اضافه ولتاژ را قطع می کنند.
• جداسازی – دور نگه داشتن سیم ها و قطعات در ولتاژهای مختلف از هم، از ایجاد قوس و اتصال کوتاه جلوگیری می کند.
• افزونگی – منابع پشتیبان برق را تضمین می کنند حتی اگر یک منبع ولتاژ خراب شود.
• ارت کردن – هادی های ارت که معمولاً به زمین متصل می شوند، مسیر امنی را برای جریان های خطا فراهم می کنند.

فناوری های نوظهور در کنترل و مدیریت ولت چیست ؟

• شبکه های هوشمند – سیستم های کنترل پیچیده، عرضه و تقاضای توزیع شده و نوسان را برای حفظ ولتاژهای پایدار مدیریت می کنند.
• ترانسفورماتورهای حالت جامد – ترانسفورماتورهای مغناطیسی حجیم را با دستگاه های سوئیچینگ حالت جامد برای تنظیم ولتاژ جایگزین کنید.
• دستگاه های برق سفارشی – سیستم های انتقال متناوب AC انعطاف پذیر (FACTS) و جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) پایداری ولتاژ را بهبود می بخشد.
• ادغام انرژی های تجدیدپذیر – تکنیک های تنظیم ولتاژ، تولید انرژی های تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ مانند مزارع خورشیدی/بادی را قادر می سازد تا با شبکه یکپارچه شوند.
• خودروهای برقی – ایستگاه های شارژ هوشمند ولتاژها را برای شارژ سریع خودروهای برقی آینده بدون بارگذاری بیش از حد شبکه کنترل می کنند.
• دستگاه‌های باندگپ گسترده – الکترونیک قدرت نسل بعدی مبتنی بر نیمه‌هادی‌های WBG مانند GaN و SiC تبدیل ولتاژ فشرده و کارآمد را ممکن می‌سازد.

نتیجه

ولت واحد اساسی اختلاف پتانسیل الکتریکی و نیروی الکتروموتور است. این امکان کمی سازی ولتاژ را فراهم می کند، که حرکت الکترون ها را در مدارها هدایت می کند و عملکرد تمام دستگاه ها و سیستم های الکتریکی را امکان پذیر می کند. سطوح ولتاژ و تنظیم صحیح برای ایمنی، پایداری و عملکرد بسیار مهم است. در حالی که اصول اولیه یکسان است، فناوری‌های نوظهور همچنان به پیشرفت تکنیک‌ها برای کنترل و مدیریت دقیق ولتاژ در زیرساخت‌های الکتریکی ما ادامه می‌دهند.

سوالات متداول

1. ولت چیست ؟

ولت واحد اندازه گیری اختلاف پتانسیل الکتریکی است که نشان دهنده نیرویی است که جریان الکتریکی را در مدار به حرکت در می آورد.

2. چگونه ولتاژ اندازه گیری می شود؟

ولتاژ با استفاده از ابزارهایی مانند مولتی متر بر حسب ولت (V) اندازه گیری می شود. پیشوندهای رایج عبارتند از میلی ولت (mV) و کیلوولت (kV).

3. چرا استانداردهای ولتاژ متفاوتی در سراسر جهان وجود دارد؟

استانداردهای ولتاژ در سطح جهانی به دلیل ملاحظات تاریخی، فنی و ایمنی متفاوت است. نهادهای نظارتی دستورالعمل هایی را برای اطمینان از سازگاری و ایمنی در سیستم های الکتریکی ایجاد می کنند.

4. چرا کنترل ولتاژ در مدارهای الکترونیکی ضروری است؟

کنترل ولتاژ در مدارهای الکترونیکی بسیار مهم است زیرا قطعاتی مانند ترانزیستورها و مدارهای مجتمع دارای ولتاژ خاصی هستند. کنترل دقیق برای جلوگیری از خرابی و آسیب ضروری است.

5. چگونه می توانم هنگام کار با ولتاژ ایمنی را تضمین کنم؟

اقدامات ایمنی شامل عایق بندی مناسب، اتصال زمین و رعایت دستورالعمل های تجهیزات ایمنی است. درک و پیروی از اقدامات احتیاطی ایمنی هنگام برخورد با سیستم های الکتریکی برای به حداقل رساندن خطر حوادث ضروری است.