فرق الجهد الكهربائي

مفهوم فرق الجهد الكهربائي:

الجهد الكهربائي هو كمية تعتمد على الموقع وتعبر عن مقدار الطاقة الكامنة لكل وحدة شحن في موقع محدد، فمثلاً عندما يمتلك كولوم الشحنة (أو أي كمية معينة من الشحنة) كمية كبيرة نسبيًا من الطاقة الكامنة في موقع معين، يُقال أن هذا الموقع هو موقع ذو جهد كهربائي مرتفع.
وبالمثل، إذا كان كولوم الشحنة (أو أي كمية معينة من الشحنة) يمتلك كمية صغيرة نسبيًا من الطاقة الكامنة في موقع معين، فإن هذا الموقع يُقال أنه موقع ذو جهد كهربائي منخفض، وعندما نبدأ في تطبيق مفاهيمنا عن الطاقة الكامنة والجهد الكهربائي على الدوائر.

عند تحريك الشحنة مقابل المجال الكهربائي من الموقع A إلى الموقع B مثلاً، فإنه يجب أن يتم العمل على الشحنة بواسطة قوة خارجية، إذ يغير العمل المنجز على الشحنة طاقتها الكامنة إلى قيمة أعلى ومقدار العمل الذي يتم إنجازه يساوي التغيير في الطاقة الكامنة.
نتيجة لهذا التغيير في الطاقة الكامنة، يوجد أيضًا اختلاف في الجهد الكهربائي بين الموقعين A و B، ويمثل هذا الاختلاف في الجهد الكهربي بالرمز V، والذي يشار إليه رسميًا باسم فرق الجهد الكهربائي، وحسب التعريف، فإن فرق الجهد الكهربائي هو الفرق في الجهد الكهربائي (V) بين الموقع النهائي والموقع الأولي عندما يتم العمل على شحنة لتغيير طاقتها الكامنة.

فرق الجهد في دارة كهربائية بسيطة:

فرق الجهد الكهربائي والدوائر الكهربائية، تدور حول حركة الشحنة بين مواقع مختلفة وما يقابلها من خسارة واكتساب الطاقة التي تصاحب هذه الحركة، حيث أنه إذا تم تطبيق مفهوم الجهد الكهربائي على دائرة كهربائية بسيطة تعمل بالبطارية، كما يجب القيام بالعمل على شحنة اختبار موجبة لنقلها عبر الخلايا من الطرف السالب إلى الطرف الموجب، حيث سيؤدي هذا العمل إلى زيادة الطاقة الكامنة للشحنة وبالتالي زيادة جهدها الكهربائي.
نظرًا لأن شحنة الاختبار الموجبة تنتقل عبر الدائرة الخارجية من الطرف الموجب إلى الطرف السالب، فإنها تقلل من طاقتها الكامنة الكهربية، وبالتالي تكون منخفضة الإمكانية بحلول الوقت الذي تعود فيه إلى الطرف السالب.
إذا تم استخدام بطارية 12 فولت في الدائرة، فإن كل كولوم من الشحن يكتسب 12 جولًا من الطاقة الكامنة أثناء تحركه عبر البطارية، وبالمثل، فإن كل كولوم شحنة يفقد 12 جولًا من الطاقة الكامنة الكهربية أثناء مروره عبر الدائرة الخارجية.
ينتج عن فقدان طاقة الوضع الكهربائي هذه في الدائرة الخارجية زيادة في الطاقة الضوئية والطاقة الحرارية وأشكال أخرى من الطاقة غير الكهربائية.

القياس الهيدروليكي:

من خلال الفهم الواضح لفرق الجهد الكهربائي، يمكن فهم دور الخلية الكهروكيميائية أو مجموعة الخلايا (أي البطارية) في دائرة بسيطة بشكل صحيح، حيث تقوم الخلايا ببساطة بتزويد الطاقة للقيام بالعمل على الشحنة لنقلها من الطرف السالب إلى الطرف الموجب.
من خلال توفير الطاقة للشحنة، تكون الخلية قادرة على الحفاظ على فرق الجهد الكهربائي عبر طرفي الدائرة الخارجية، إذ أنه وبمجرد وصول الشحنة إلى المحطة ذات الإمكانات العالية، ستتدفق بشكل طبيعي عبر الأسلاك إلى الطرف المنخفض الإمكانات.
إن حركة الشحنة عبر دائرة كهربائية مماثلة لحركة الماء في حديقة مائية أو حركة عربات قطار الملاهي، ففي كل تشبيه، يجب أن يتم العمل على الماء أو عربات الأفعوانية لنقلها من موقع منخفض الجاذبية إلى موقع ذي إمكانات جاذبية عالية، وبمجرد أن يصل الماء أو سيارات الأفعوانية إلى إمكانات جاذبية عالية، فإنها تتحرك بشكل طبيعي إلى أسفل إلى الموقع المنخفض المحتمل.
ولركوب الماء أو ركوب الأفعوانية، تتطلب مهمة رفع الماء أو سيارات الأفعوانية إمكانات عالية من الطاقة، حيث يتم توفير الطاقة عن طريق مضخة مياه تعمل بمحرك أو سلسلة تعمل بمحرك.
وفي الدائرة الكهربائية التي تعمل بالبطارية، تؤدي الخلايا دور مضخة الشحن لتزويد الشحنة بالطاقة لرفعها من موضع الجهد المنخفض عبر الخلية إلى موضع الجهد العالي.

الفولت:

الفولت يُرمز له بالرمز V، وهو الوحدة المشتقة للجهد الكهربائي وفرق الجهد الكهربي والقوة الدافعة الكهربائية، حيث يتم تسمية الفولت على شرف الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا (1745-1827)، الذي اخترع الكومة الفولتية، والتي ربما تكون أول بطارية كيميائية.

تطبيقات على فرق الجهد:

العمل على خطوط الكهرباء عالية الجهد يتطلب تحديد قياس الجهد تحديدًا صريحًا أو ضمنيًا للنقاط التي يتم قياس الجهد عبرها، حيث إنه عند استخدام الفولتميتر لقياس فرق الجهد، يجب توصيل سلك كهربائي واحد من الفولتميتر بالنقطة الأولى وواحد بالنقطة الثانية.

الاستخدام الشائع لمصطلح الجهد هو وصف الجهد الساقط عبر جهاز كهربائي (مثل المقاوم)، حيث يمكن فهم انخفاض الجهد عبر الجهاز على أنه الفرق بين القياسات في كل طرف للجهاز فيما يتعلق بنقطة مرجعية مشتركة (أو أرضية).
انخفاض الجهد هو الفرق بين القراءتين، نقطتان في الدائرة الكهربائية متصلتان بواسطة موصل مثالي بدون مقاومة وليس داخل مجال مغناطيسي متغير لهما جهد صفري، وقد يتم توصيل أي نقطتين لهما نفس الإمكانات بواسطة موصل ولن يتدفق أي تيار بينهما.

خيارات الجهد المستخدم:

الجهد الشائع لبطاريات المصباح الكهربائي هو 1.5 فولت (تيار مستمر)، الجهد الشائع لبطاريات السيارات هو 12 فولت (DC).

الفولتية الشائعة التي توفرها شركات الطاقة للمستهلكين هي 110 إلى 120 فولت (تيار متردد) و 220 إلى 240 فولت (تيار متردد)، كما يمكن أن يكون الجهد في خطوط نقل الطاقة الكهربائية المستخدمة لتوزيع الكهرباء من محطات الطاقة أكبر بمئات المرات من الفولتية الاستهلاكية، وعادةً ما يتراوح بين 110 إلى 1200 كيلو فولت (تيار متردد).

الجهد المستخدم في الخطوط العلوية لتشغيل قاطرات السكك الحديدية بين 12 كيلو فولت و50 كيلو فولت (تيار متردد) أو بين 0.75 كيلو فولت و 3 كيلو فولت (تيار مستمر).

جهد جالفاني مقابل الجهد الكهروكيميائي:

تتأثر طاقة الإلكترون داخل مادة موصلة ليس فقط بمتوسط ​​الجهد الكهربائي، ولكن أيضًا بالبيئة الحرارية والذرية المحددة الموجودة فيه، فعندما يتم توصيل الفولتميتر بين نوعين مختلفين من المعدن، فإنه لا يقيس فرق الجهد الكهروستاتيكي، ولكن بدلاً من ذلك فإن هناك مواد أخرى تتأثر بالديناميكا الحرارية.
إن الكمية التي يتم قياسها بواسطة مقياس الفولتميتر هي القيمة السالبة لفرق الجهد الكهروكيميائي للإلكترونات (مستوى فيرمي) مقسومًا على شحنة الإلكترون ويشار إليها عادةً باسم فرق الجهد، في حين أن الجهد الكهروستاتيكي النقي غير المعدل (لا يمكن قياسه باستخدام مقياس الفولتميتر) تسمى أحيانًا إمكانات جالفاني.
إن مصطلحي “الجهد” و “الجهد الكهربائي” غامضان من حيث أنهما عمليًا يمكنهما الإشارة إلى أي منهما في سياقات مختلفة.