ولتاژ الکتریکی که با نامهای اختلاف پتانسیل الکتریکی یا پتانسیل الکتریکی نیز شناخته می‌شود، یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم در فیزیک و مهندسی برق محسوب می‌شود. این کمیت نقش نیروی محرکه را در مدارهای الکتریکی ایفا می‌کند و عامل اصلی ایجاد جریان الکتریکی است. درک صحیح ولتاژ برای تحلیل، طراحی و عیب‌یابی هر سیستم الکتریکی یا الکترونیکی ضروری است. این مقاله به بررسی کامل تعریف ولتاژ، تاریخچه، انواع، روش‌های اندازه‌گیری، رابطه آن با دیگر کمیت‌های الکتریکی و ارزشهای متداول در کاربردهای مختلف می‌پردازد.
ولتاژ در ساده‌ترین تعریف، کار لازم برای جابه‌جا کردن واحد بار الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر است . به بیان دیگر، ولتاژ اختلاف در سطح انرژی پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه است که در صورت اتصال این دو نقطه توسط یک رسانا، موجب حرکت بارهای الکتریکی (الکترون‌ها) و برقراری جریان الکتریکی می‌شود .
برای درک شهودی ولتاژ، اغلب از قیاس سیستم آبی استفاده می‌شود :
کشف و تعریف ولتاژ مرهون تلاش‌های دانشمندان زیادی در طول تاریخ است:
اگرچه ولتاژ و جریان به هم وابسته هستند، اما مفاهیم کاملاً متفاوتی دارند. جدول زیر تفاوت‌های کلیدی این دو کمیت را نشان می‌دهد:
| ویژگی | ولتاژ (اختلاف پتانسیل) | جریان الکتریکی |
|---|---|---|
| تعریف | نیروی محرکه یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه | سرعت حرکت بارهای الکتریکی در یک نقطه |
| نقش در مدار | علت ایجاد جریان | معلول (نتیجه وجود ولتاژ) |
| نماد و واحد | V (ولت) | I (آمپر) |
| ابزار اندازه‌گیری | ولت‌متر (اتصال موازی) | آمپرمتر (اتصال سری) |
| تعبیر هیدرولیکی | اختلاف فشار آب | میزان دبی یا جریان آب |
رابطه ریاضی بین ولتاژ، جریان و مقاومت در یک مدار، توسط قانون اهم بیان می‌شود. این قانون به صورت زیر تعریف می‌شود :
V = I × R
طبق این قانون، در یک مقاومت ثابت، جریان عبوری با ولتاژ اعمال شده نسبت مستقیم دارد .
ولتاژ با میدان الکتریکی (E) نیز رابطه مستقیم دارد. برای یک میدان الکتریکی یکنواخت، این رابطه به صورت زیر است :
V = E × d
در حالت کلی‌تر، اختلاف پتانسیل بین دو نقطه A و B در یک میدان الکتریکی، با استفاده از انتگرال خطی میدان الکتریکی در مسیر بین آن دو نقطه محاسبه می‌شود .
ولتاژ را عمدتاً بر اساس رفتار زمانی به دو دسته اصلی تقسیم می‌کنند:
در این نوع، قطبیت (+ و -) و مقدار ولتاژ در طول زمان ثابت می‌ماند . منابع تولید کننده ولتاژ مستقیم معمولاً باتری‌ها (مانند باتری چراغ قوه ۱.۵ ولتی یا باتری خودرو ۱۲ ولتی) و سلول‌های خورشیدی هستند .
در ولتاژ متناوب، قطبیت و مقدار ولتاژ به صورت دوره‌ای و معمولاً به شکل موج سینوسی در طول زمان تغییر می‌کند . این نوع ولتاژ برای انتقال توان الکتریکی در مسافت‌های طولانی و تأمین برق خانه‌ها و صنایع استفاده می‌شود. برق شهری در شمال آمریکا بین ۱۱۰ تا ۱۲۰ ولت متناوب و در ایران و بیشتر کشورهای اروپایی بین ۲۲۰ تا ۲۴۰ ولت متناوب است .
اندازه‌گیری صحیح ولتاژ برای طراحی، عیب‌یابی و نگهداری سیستم‌های الکتریکی حیاتی است. ابزارها و روش‌های متداول شامل موارد زیر هستند:
ولت‌متر وسیله‌ای است که به طور خاص برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل بین دو نقطه طراحی شده است. برای اندازه‌گیری، باید دو سر ولت‌متر را به صورت موازی با المان یا دو نقطه‌ای که می‌خواهیم ولتاژ آن را اندازه بگیریم، وصل کنیم .
امروزه رایج‌ترین ابزار برای اندازه‌گیری ولتاژ، مولتی‌متر دیجیتال است . این دستگاه علاوه بر ولتاژ، قابلیت اندازه‌گیری کمیت‌های دیگری مانند جریان و مقاومت را نیز دارد. برای کار با آن، باید پراب‌های مولتی‌متر را به دو نقطه مورد نظر متصل کرده و رنج مناسب اندازه‌گیری ولتاژ (AC یا DC) را انتخاب نمود .
پتانسیومتر یک ابزار اندازه‌گیری دقیق است که بر اساس اصل تکنیک تعادل تهی کار می‌کند. در این روش، ولتاژ مجهول با یک ولتاژ مرجع معلوم مقایسه می‌شود تا مقدار آن دقیقاً مشخص شود .
ولتاژ در کاربردهای گوناگون، مقادیر بسیار متفاوتی دارد:
| کاربرد | محدوده ولتاژ متداول | نوع ولتاژ |
|---|---|---|
| باتری چراغ قوه | ۱.۵ ولت | DC |
| باتری خودرو | ۱۲ ولت | DC |
| برق شهری (ایران و اروپا) | ۲۲۰ – ۲۴۰ ولت | AC |
| برق شهری (آمریکای شمالی) | ۱۱۰ – ۱۲۰ ولت | AC |
| خطوط انتقال برق فشار قوی | ۱۱۰,۰۰۰ – ۱,۲۰۰,۰۰۰ ولت (۱۱۰ تا ۱۲۰۰ کیلوولت) | AC |
| تأمین برق قطارها | ۱۲ تا ۵۰ کیلوولت (AC) یا ۷۵۰ ولت تا ۳ کیلوولت (DC) | AC/DC |
ولتاژ الکتریکی به عنوان نیروی محرکه و علت اصلی جریان الکتریکی، نقش اساسی در تمامی پدیده‌ها و سیستم‌های الکتریکی ایفا می‌کند. از روشن کردن یک لامپ کوچک تا انتقال توان در شبکه‌های عظیم ملی، همگی مستلزم ایجاد و کنترل دقیق اختلاف پتانسیل الکتریکی هستند. درک مفاهیم پایه ولتاژ، انواع آن، رابطه آن با جریان و مقاومت (قانون اهم) و روش‌های اندازه‌گیری ایمن، نه تنها برای دانشجویان و مهندسان، بلکه برای هر فردی که با وسایل برقی سروکار دارد، ضروری و مفید است.
