اختلاف پتانسیل الکتریکی یکی از مباحث فیزیک است. افرادی که در رشته‌های مرتبط تحصیل می‌کنند، در دبیرستان با این مبحث آشنا می‌شوند و سپس در دانشگاه نیز آن را ادامه می‌دهند. اما کاربرد این مبحث، بسیار گسترده‌تر از چیزی است که به صورت ساده در درس فیزیک می‌خوانیم. دانش آموزان تنها اختلاف پتانسیل را با توجه به فرمول‌های آن می‌شناسند و حتی ممکن است از ماهیت آن نیز اطلاعی نداشته باشند. اما این انرژی نقش حیاتی در زندگی ما دارد. در این مقاله قصد داریم توضیحات کاملی در مورد اختلاف پتانسیل الکتریکی ارائه دهیم. شما هم می‌توانید به صورت مفهومی با این مبحث آشنا شوید و هم مثال‌هایی مرتبط با درس فیزیک را مشاهده کنید. این مبحث در فیزیک دبیرستان، کنکور و برای برخی از رشته‌های دانشگاهی وجود دارد.
اختلاف پتانسیل الکتریکی چیست؟
اختلاف پتانسیل با اصطلاح انگلیسی «Potential Difference» شناخته می‌شود. اختلاف پتانسیل را می‌توان با استفاده از ولت سنج اندازه‌گیری کرد. ولت سنج جریان عبوری از رسانا را مشخص می‌کند و به کمک آن ولتاژ را به شما نشان خواهد داد.
اختلاف پتانسیل از ضرب جریان در مقاومت به دست می‌آید. بنابراین اگر بخواهیم آن را با توجه به فرمول تعریف کنیم، مطابق با آنچه در ادامه گفته‌ایم، بیان می‌شود. اگر مقاومت یک اهمی در مداری با جریان یک آمپر قرار گیرد، جریان از آن عبور می‌کند و دچار افت ولتاژ می‌شود. این افت ولتاژ همان اختلاف پتانسیل الکتریکی است که مقدار آن یک ولت است.
تعریف دیگر اختلاف پتانسیل الکتریکی
در قسمت قبلی اختلاف پتانسیل را با توجه به جریان و مقاومت تعریف کردیم. اما تعریف بنیادی‌تری نیز برای آن وجود دارد. همانطور که می‌دانید در فیزیک دو نوع بار مثبت و منفی تعریف شده است. علاوه بر آن می‌دانیم که هر نقطه از یک مدار دارای پتانسیل الکتریکی است. ماهیت این پتانسیل چیست؟
بین بارهای مثبت و منفی نیروی جاذبه یا دافعه وجود دارد. حال اگر بخواهیم یک ذره الکتریکی را برخلاف رفتار طبیعی که دارد، به نقطه‌ای دیگر منتقل کنیم، باید کار انجام دهیم. به عنوان مثال ذره‌ی مثبت تمایل دارد به سمت بار منفی جذب شود. بنابراین برای دور کردن آن باید کار انجام شود. این کار باعث افزایش پتانسیل الکتریکی ذره خواهد شد. حال تصور کنید که قصد داریم یک بار الکتریکی را بین نقطه A و B جابجا کنیم. تعریف اختلاف پتانسیل در چنین مثالی، میزان انرژی است که برای رساندن بار الکتریکی از نقطه A به B نیاز خواهیم داشت. بنابراین می‌توان گفت که هر ولت برابر با یک ژول در کولن است. بارهای الکتریکی همیشه از نقطه‌ای که پتانسیل بیشتری دارد، به نقطه‌ای که پتانسیل کم‌تری دارد، شارش پیدا می‌کنند. جریان انتقال بارهای الکتریکی تا زمانی که دو نقطه به پتانسیل یکسان برسند، ادامه پیدا می‌کند.
کاربردهای اختلاف پتانسیل الکتریکی
به طور کلی وجود تفاوت بین ولتاژهای دو نقطه در یک مدار است که باعث ایجاد جریان می‌شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که بین دو نقطه هم پتانسیل هیچ جریانی برقرار نخواهد شد. این موضوع اهمیت وجود اختلاف پتانسیل را مشخص می‌کند. تصور کنید هر جایی که جریان الکتریکی برقرار است؛ بین پتانسیل دو نقطه تفاوت وجود دارد. بنابراین می‌توان مثال‌های بی‌شماری برای کاربردهای عملی این مبحث ارائه داد. کاربردهای آن از ملموس‌ترین موارد مانند مدارهای موجود در باتری‌های تلفن همراه گرفته تا پیچیده‌ترین ساختارهای مربوط به ماشین‌های الکتریکی را شامل می‌شود.
نقش مولد در ولتاژ الکتریکی
در صورتی که مولد وجود نداشته باشد، اختلاف پتانسیلی بین دو نقطه وجود نخواهد داشت. اگر هم وجود داشته باشد، در بازه زمانی بسیار کوتاهی، دو نقطه هم پتانسیل می‌شوند و جریان قطع خواهد شد. باتری‌ها انواع مختلفی دارند. آن‌ها انرژی‌های مختلف (مانند خورشید، پیل و…) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. انرژی الکتریکی به بارها منتقل می‌شود. بنابراین پتانسیل الکتریکی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند و تمایل خواهند داشت به نقطه‌ای بروند که پتانسیل کم‌تری دارد. بنابراین در مدار جریان ایجاد می‌شود.
همانطور که می‌دانید باتری‌ها ولتاژهای مختلفی ایجاد می‌کنند. این موضوع روی آن‌ها درج شده است. آن‌ها دارای دو قطب مثبت و منفی هستند. انرژی الکتریکی از قطب مثبت به بارها منتقل می‌شود. بارها به سمت قطب منفی انتقال پیدا می‌کند.
حتما مشاهده کرده‌اید که وسیله‌های برقی نیز دارای ولتاژهای مختلف هستند. به عنوان مثال اگر روی وسیله‌ای ۲۵V درج شده باشد، یعنی برای کار کردن این وسیله به اختلاف پتانسیل الکتریکی برابر با ۲۵ ولت نیاز داریم. در صورتی که ولتاژ مدار کمتر از ۲۵ ولت باشد، یا دستگاه کار نمی‌کند یا عملکرد ضعیف‌تری خواهد داشت. در صورت کار کردن بعد از مدتی آسیب می‌بیند و احتمال سوختن آن نیز وجود دارد.
تغییر پتانسیل الکتریکی بار
زمانی که بار در مدار از مولد انرژی دریافت می‌کند، پتانسیل الکتریکی بالاتری دارد. اما برای اینکه بتواند در نقطه‌ای با پتانسیل کمتر پایدار بماند، باید انرژی خود را از دست بدهد. در واقع میزان اختلاف پتانسیل بین مبدأ و مقصد باید مصرف شود. از آنجایی که پتانسیل الکتریکی از جنس انرژی است، در طول مسیر توسط مقاومت مصرف می‌شود یا به گرما تبدیل خواهد شد. بعد از آن نیز مولد دوباره با انجام کار لازم، سطح انرژی پتانسیل بار را بالا می‌برد تا جریان الکتریکی در مدار ادامه داشته باشد.
توضیح اختلاف پتانسیل الکتریکی با مثال
اگر همچنان با مفهوم اختلاف پتانسیل آشنا نشده‌اید، در ادامه آن را با بیان مثالی دیگر توضیح داده‌ایم. یک آبشار را تصور کنید. آب همیشه از بالا به پایین می‌ریزد. همه می‌دانیم که گرانش زمین باعث ایجاد این پدیده می‌شود. در واقع آبی که در ارتفاع بالای آبشار قرار دارد، طبق فرمول پتانسیل بیشتری نسبت به آب پایین دارد. بنابراین ماده تمایل دارد به پایین که پتانسیل آن کمتر است ریزش کند. همین موضوع در مورد بارهای الکتریکی نیز وجود خواهد داشت.
حال تصور کنید که به جای رودخانه بی‌انتها، حجم مشخصی آب در اختیار داشته باشیم و بخواهیم از آن یک آبشار بسازیم. طبیعی است که بعد از اولین بار ریختن آب از بالا به پایین دیگر آبشار نخواهیم داشت. حال اگر یک پمپ آب در اختیار داشته باشیم که روی آب موجود در قسمت پایین کار انجام دهد و آن را به بالا برساند، دوباره می‌توانیم جریان آب را برقرار کنیم. کار پمپ روی آب همان کاری است که باتری روی بارهای الکتریکی انجام می‌دهد.
اختلاف پتانسیل الکتریکی در فیزیک کنکور
اکنون به طور کلی با اختلاف پتانسیل آشنا شدیم. در ادامه وارد مباحث آموزشی مربوط به آن خواهیم شد. همانطور که گفتیم، این مبحث اهمیت بسیاری دارد و در دبیرستان، کنکور و دانشگاه با شما همراه خواهد بود.
بسیاری از دانش آموزانی که رشته ریاضی را انتخاب می‌کنند، بعد از آن وارد رشته‌های مهندسی می‌شوند. این یعنی به احتمال بسیار زیاد، دوباره مباحث مربوط به اختلاف پتانسیل را در فیزیک عمومی یا تخصصی خود می‌خوانند. اما سطح اطلاعات آن‌ها در این باره به رشته‌ای که انتخاب کرده‌اند، بستگی دارد. به عنوان مثال دانشجویان رشته فیزیک به صورت تخصصی آن را مطالعه می‌کنند. یا دانش آموزان برق و کامپیوتر در درس‌هایی مانند مدارهای الکتریکی و فیزیک عمومی از آن استفاده می‌کنند. بنابراین اگر در دبیرستان به این مبحث تسلط پیدا کنید، در دانشگاه عملکرد بهتری خواهید داشت.
جمع بندی
در این مقاله از فنولوژی توضیحات جامعی در مورد اختلاف پتانسیل الکتریکی ارائه دادیم. اما به دلیل محدودیت زمانی امکان ارائه مثال‌های مختلف درباره آن وجود نداشت. با حل تست‌های متنوع درباره این مبحث به خوبی مسلط خواهید شد. این تست‌ها می‌توانند نقش مهمی در رتبه کنکور شما داشته باشند. ممکن است زمانی که وارد بازار کار می‌شوید، تنها با ولت سنج میزان اختلاف پتانسیل را اندازه بگیرید و دیگر نیازی به داشتن اطلاعات در مورد ماهیت و روش محاسبه آن نداشته باشید. اما در هر صورت شناخت درک مفهومی هر چیزی بسیار کمک کننده خواهد بود.
منبع: PYSYCSCLASSROOM
مگر الکترون از قطب منفی در طول مدار به قطب مثبت نمیره؟ خب در این جریان انرژی از دست میده به طوری که انرژی الکترون در قطب منفی از مثبت باتری بیشتر است وطبق فرمولv×q=u پتانسیل قطب منفی بیشتره!!من اصلا نمیفهمم
منظور از اینکه پتانسیل قطب منفی بیشتره یعنی اینکه اکترون انرژی بیشتری برای ترک کردن قطب منفی داره وسریعتر از اون انرژی استفاده میکنه وبه سمت قطب مثبت میره درمعنی پتانسیل بیشتر مساوی با انرژی بیشتر اون ذره
خیر اینجوری که بنده در مطالبه کتاب درسی خوندم همیشه اتم تمایل داره از سمتی که الکترون بیشتره به سمته الکترونی که کمتره بره و هیچ وقت جریان صفر نمیشه در یک مدار(و بسته به این که برق یک جهت مثبت و یک جهت منفی دارد و بطور فیزیکی بخواهیم نگاه کنیم اتم از چند الکترون ساخته شده و قطبه منفی و مثبت هم در فیزیک و ساختار اتمی پروتون جهته مثبت و نترون جهته منفی است و همیشه تماید دارد که پتانسیل داشته باشد و از الکترونی که پتانسیل بیشتر دارد به سمته الکترونی که کمتر دارد و جریان دارد در مدار اگه پتانسیل نداشته باشد مدار جریان نخواهد داشت(موفق باشید .(اگر سوالی در این موضوع باز هم داشتیت برای راهنمایی بهتر یه پیجه اینیستا بنده سر بزنید@-ariyafadayi-
سپاس وتشکر از مطلب ارائه شده شما
مرسی از لطف شما
با سلام . خیلی ممنونم از شما واقعا هیچ وقت نمی‌تونستم معنی اختلاف پتانسیل و ولتاژ رو درک کنم تا وقتی که مطلب های شما رو خوندم 👑
واقعا عالی♡♡◇}آیا پیچی و یا ایدی دارین که اگه ایا سوالی در رابطه با رشتمون داشتیم بپرسیم(؟
عالی بود.خدا قوت