ولتاژ، نیروی محرکه جریان الکتریکی است. این پدیده به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار تعریف میشود. هر چه این اختلاف پتانسیل بیشتر باشد، الکترونها با سرعت و تعداد بیشتری حرکت میکنند و در نتیجه جریان الکتریکی قویتری تولید میشود. به عبارتی، ولتاژ عامل اصلی حرکت الکترونها در یک مدار الکتریکی است و میزان آن تعیینکننده شدت جریان الکتریکی است. ولتاژ به عنوان یک واحد اندازهگیری که با حرف V نمایش داده میشود، در سیستم بینالمللی واحدها به نام ولت (v) شناخته میشود. زمانی که جریانی به مقدار یک آمپر از یک مقاومت یک اهمی عبور کند، افت ولتاژ ایجاد شده در آن مقاومت برابر با اختلاف پتانسیل در دو سر آن خواهد بود. این اختلاف پتانسیل معادل یک ولت است.
چگونه ولتاژ تولید کنیم؟
– تولید ولتاژ با استفاده از فعل و انفعالات شیمیایی
– تولید ولتاژ با استفاده از مغناطیس
– تولید ولتاژ با استفاده از فشار
– تولید ولتاژ با استفاده از نور
– تولید ولتاژ با استفاده از حرارت
تولید ولتاژ با استفاده از فعل و انفعالات شیمیایی
این روش بر پایه مفهوم یونیزاسیون (Ionization) توسعه یافته است. در یک باتری، با انجام واکنشهای شیمیایی و یونیزه شدن مواد، اختلاف پتانسیل به وجود میآید و الکترونها بین یونهای مثبت و منفی جابهجا میشوند که در نتیجه این جابهجایی، ولتاژ تولید میشود.
تولید ولتاژ با استفاده از مغناطیس
با بهرهگیری از ویژگیهای آهنرباها میتوان ولتاژ تولید کرد. زمانی که سیمپیچ در یک میدان مغناطیسی حرکت میکند، الکترونها در آن جابهجا شده و جریان الکتریکی به وجود میآید. این شیوه تولید ولتاژ، بیشترین میزان انرژی مورد نیاز در سطح جهانی را تأمین میکند. این مکانیزم در دستگاههایی مانند الکتروموتورها، توربینهای بخار و آسیابهای بادی به کار گرفته میشود.
تولید ولتاژ با استفاده از فشار
پیزوالکتریسیتی (Piezoelectricity) به معنای تولید الکتریسیته به واسطه فشار است. زمانی که فشار به برخی مواد وارد میشود، این فشار موجب جابجایی بارهای مثبت و منفی در یک جسم خنثی شده و ولتاژ ایجاد میکند.
یکی از شناختهشدهترین استفادههای این فناوری، فندکهای برقی هستند. با فشردن دکمهی فندک، چکشی که به وسیلهی فنر عمل میکند، به کریستال پیزوالکتریک ضربه میزند و این عمل موجب تولید جریان و ولتاژ الکتریکی لازم برای ایجاد یک جرقه میشود. در نتیجه، یک جرقهی کوچک در شکاف ایجاد شده و شعلهور میگردد.
بیشتر بخوانید: تفاوت AC و DC (جریان مستقیم و متناوب)
تولید ولتاژ با استفاده از نور
سلولهای فتوولتائیک (PV cells) از مواد نیمههادی مانند سیلیکون تشکیل شدهاند. زمانی که نور به این سلولها تابیده میشود، الکترونها به حرکت درمیآیند و بین دو الکترود مثبت و منفی اختلاف پتانسیل ایجاد میشود. این فرآیند باعث میشود که جریانی بین آنها برقرار گردد. تولید ولتاژ به این شیوه یکی از رایجترین کاربردهای انرژیهای تجدیدپذیر به شمار میرود.
تولید ولتاژ با استفاده از حرارت
زمانی که دو فلز با ویژگیهای متفاوت و دماهای مختلف در کنار یکدیگر قرار میگیرند، الکترونهای فلز گرمتر (منفی) به سمت فلز سردتر (مثبت) حرکت میکنند. این حرکت باعث ایجاد نیروی محرکه و اختلاف پتانسیل میشود. این پدیده به نام اثر ترموالکتریک شناخته میشود.
این اصل ترموکوپل به طور فراوانی در صنایع مختلف به کار میرود. به عنوان نمونه، ترموکوپلها برای سنجش دما در مراحل تولید و ذوب فولاد و همچنین اندازهگیری دمای توربینها و کورهها مورد استفاده قرار میگیرند.
بیشتر بخوانید: نحوه استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه است؟
تفاوت نحوه تولید جریان و ولتاژ
طبق قانون اهم و جریان الکتریسیته، ولتاژ به عنوان مهمترین پارامتر شناخته میشود. از این رو، در فرآیند تولید الکتریسیته، ولتاژ نسبت به جریان از اهمیت بیشتری برخوردار است. جریان تنها زمانی برقرار میشود که ولتاژ تأمین گردد. هنگامی که منبع انرژی در مدار ولتاژ مورد نظر را در دو سر مدار ایجاد کند، ذرات باردار یا الکترونها به حرکت درمیآیند و جریان الکتریکی شکل میگیرد. از این رو، ولتاژ در مدار به وسیله یک منبع انرژی مانند باتری ایجاد میشود، در حالی که جریان به دلیل وجود اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ بین دو نقطه از مدار تولید و به جریان درمیآید. باتری به عنوان منبعی برای ایجاد اختلاف پتانسیل یا ولتاژ عمل میکند. درون باتری، ذرات باردار منفی به واسطه واکنشهای شیمیایی از ذرات باردار مثبت تفکیک میشوند و این امر منجر به ایجاد دو قطب مثبت و منفی در داخل باتری میگردد. تولید ولتاژ میتواند بهوسیله باتری یا هر نوع منبع ولتاژ دیگری انجام شود.
انواع ولتاژ کدامند؟
– ولتاژ مستقیم
– ولتاژ متناوب
– ولتاژ موثر
در ادامه این بخش به توضیح هر کدام از انواع ولتاژ میپردازیم:
ولتاژ مستقیم
ولتاژ مستقیم میتواند تغییراتی در مقدار خود داشته باشد، اما از نظر علامت تنها به دو حالت مثبت یا منفی تقسیم میشود. به عبارت دیگر، ولتاژ DC یا همواره مثبت است یا همواره منفی، در حالی که مقدار آن ممکن است افزایش یا کاهش یابد. نکته کلیدی در اینجا ثبات علامت ولتاژ DC است.
ولتاژ متناوب
ولتاژ متناوب نوعی ولتاژ است که بهطور مداوم بین دو مقدار مثبت و منفی تغییر میکند. این تغییرات به شکل یک موج سینوسی نمایان میشود، بهطوریکه ولتاژ ابتدا از صفر به قله مثبت میرسد، سپس از قله مثبت به صفر برمیگردد، بعد از صفر به قله منفی میرود و در نهایت از قله منفی دوباره به صفر بازمیگردد.
ولتاژ موثر
با در نظر گرفتن نوسانات ولتاژ AC، در اکثر مواقع مقدار ولتاژ AC پایینتر از «قله ولتاژ» یا «ولتاژ پیک» (Peak Voltage) که با Vp نمایش داده میشود، قرار دارد و به همین خاطر به عنوان یک معیار مناسب برای اندازهگیری شناخته نمیشود. همانطور که اشاره شد، در اندازهگیریها از ولتاژ موثر استفاده میشود.
نتیجهگیری
الکتریسیته در اطراف ما وجود دارد و ما اغلب از آن بیخبریم. از فندک گاز گرفته تا میکروفون و ترموکوپل، این تنها چند نمونه از روشهایی است که الکتریسیته تولید میشود. همین روشها در نیروگاههای بزرگ نیز برای تولید برق به کار گرفته میشوند. تولید برق فرایندی پیچیده و طاقتفرسا است، بنابراین وظیفه ماست که در حفظ و مصرف بهینه برق پیشگام باشیم.