مقياس الجهد (أداة قياس)

مقياس الجهد هو أداة لقياس الجهد ، أو "فرق الجهد"، عن طريق مقارنة جهد مجهول بجهد مرجعي معلوم . عند استخدام جهاز قياس حساس، يُسحب تيار ضئيل جدًا من مصدر الجهد المجهول. وبما أن الجهد المرجعي يُمكن توليده من مُقسِّم جهد مُعاير بدقة ، فإن مقياس الجهد يوفر دقة عالية في القياس. وصف يوهان كريستيان بوغندورف هذه الطريقة حوالي عام 1841، وأصبحت تقنية قياس معيارية في المختبرات. ^{[ 1 ]}

في هذا الترتيب، تُقارن نسبة من جهد معلوم من سلك منزلق مقاوم بجهد مجهول باستخدام جلفانومتر . يُضبط ملامس الانزلاق أو ماسح مقياس الجهد، ويُوصل الجلفانومتر لفترة وجيزة بين ملامس الانزلاق والجهد المجهول. تُلاحظ حركة الجلفانومتر، ويُضبط ملامس الانزلاق حتى يتوقف الجلفانومتر عن الانحراف عن الصفر. عند هذه النقطة، لا يسحب الجلفانومتر أي تيار من المصدر المجهول، ويمكن حساب قيمة الجهد من موضع ملامس الانزلاق.

لا تزال طريقة قياس التوازن الصفري هذه مهمة في علم القياس الكهربائي وأعمال المعايير، كما أنها تستخدم في مجالات أخرى من الإلكترونيات.

تنقسم مقاييس الجهد إلى أربع فئات رئيسية مذكورة أدناه.

يعتمد مبدأ عمل مقياس الجهد على أن فرق الجهد عبر قطعة من سلك ذي مقطع عرضي منتظم يحمل تيارًا ثابتًا يتناسب طرديًا مع طوله. مقياس الجهد جهاز بسيط يُستخدم لقياس الجهود الكهربائية (أو مقارنة القوة الدافعة الكهربائية لخلية). أحد أشكال مقياس الجهد عبارة عن سلك ذي مقاومة عالية منتظمة مثبت على دعامة عازلة، ومُدرج بمقياس خطي. عند الاستخدام، يتم توصيل مصدر جهد منظم قابل للتعديل (E)، ذي قيمة أكبر من الجهد المراد قياسه، عبر السلك لتمرير تيار ثابت فيه.

بين طرف السلك وأي نقطة على طوله، يوجد فرق جهد يتناسب مع طول السلك حتى تلك النقطة. وبمقارنة فرق الجهد عند نقاط على طول السلك بفرق جهد مجهول، يمكن تحديد مقدار فرق الجهد المجهول. يجب أن يكون الجهاز المستخدم للمقارنة حساسًا، ولكن ليس من الضروري أن يكون معايرًا أو دقيقًا للغاية طالما يمكن رصد انحرافه عن الصفر بسهولة.

_{في هذه الدائرة، يتم} توصيل طرفي سلك مقاومة منتظم R1 بمصدر تيار مستمر منظم VS لاستخدامه كمقسم جهد. تتم معايرة مقياس الجهد أولاً عن طريق _وضع الممسحة (السهم) عند النقطة على _سلك R1 التي تتوافق مع جهد خلية قياسية بحيث${\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}}}={\frac {\text{جهد الخلية}}{V_{\text{S}}}}.}$

تُستخدم خلية كهروكيميائية قياسية ، معروفة القوة الدافعة الكهربائية  لها (على سبيل المثال، 1.0183 فولت لخلية ويستون القياسية ). ^{[ 2 ] [ 3 ]}

ثم يتم ضبط جهد التغذية V _{S حتى يشير} الجلفانومتر إلى الصفر، مما يشير إلى أن الجهد على R ₂ يساوي جهد الخلية القياسي.

يُوصَّل جهد مستمر مجهول، موصول على التوالي مع الجلفانومتر، بالمنزلق عبر جزء متغير الطول R3 من سلك المقاومة. يُحرَّك المنزلق حتى ينقطع _التيار عن مصدر الجهد المجهول، كما يُشير إليه الجلفانومتر الموصول على التوالي مع الجهد المجهول. عندئذٍ، يكون الجهد عبر الجزء R3 _{المُختار} من السلك مساويًا للجهد المجهول. الخطوة الأخيرة هي حساب الجهد المجهول من نسبة طول سلك المقاومة الموصول بالجهد المجهول.

لا يحتاج الجلفانومتر إلى معايرة، إذ أن وظيفته الوحيدة هي قراءة الصفر أو عدمه. عند قياس جهد مجهول وقراءة الجلفانومتر للصفر، لا يمر تيار من الجهد المجهول، وبالتالي تكون القراءة مستقلة عن المقاومة الداخلية للمصدر، كما لو كان فولتميتر ذو مقاومة لانهائية .

نظرًا لأنه يمكن جعل سلك المقاومة موحدًا للغاية في المقطع العرضي والمقاومة، ويمكن قياس موضع الماسحة بسهولة، يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس الفولتية المستمرة غير المعروفة الأكبر من أو الأقل من جهد المعايرة الناتج عن خلية قياسية دون سحب أي تيار من الخلية القياسية.

إذا تم توصيل مقياس الجهد بمصدر تيار مستمر ذي جهد ثابت مثل بطارية الرصاص الحمضية ، فيمكن استخدام مقاومة متغيرة ثانية (غير موضحة) لمعايرة مقياس الجهد عن طريق تغيير التيار المار عبر سلك المقاومة R _{1 .}

_{إذا كان} طول سلك المقاومة R1 هو AB ، حيث A هو الطرف السالب (-) و B هو الطرف الموجب (+)، وكان الماسح المتحرك عند النقطة X على مسافة AX على الجزء R3 من سلك المقاومة عندما يُعطي الجلفانومتر قراءة صفرية لجهد مجهول، تُقاس المسافة AX أو تُقرأ من مقياس مطبوع مسبقًا بجوار سلك المقاومة. ومن ثم يُمكن حساب الجهد المجهول _.${\displaystyle V_{U}=({\text{جهد خلية المعايرة}}){\frac {AX}{AB}}.}$

مقياس الجهد ذو المقاومة الثابتة هو شكل معدل من الفكرة الأساسية التي يتم فيها تمرير تيار متغير عبر مقاومة ثابتة. وتُستخدم هذه المقاييس بشكل أساسي للقياسات في نطاق الميلي فولت والميكرو فولت.

هذا نوع من مقياس الجهد ذي المقاومة الثابتة الموصوف أعلاه، ولكنه مصمم لتقليل تأثيرات مقاومة التلامس والقوة الدافعة الكهربائية الحرارية. ويمكن استخدام هذا الجهاز بكفاءة حتى قراءات تصل إلى 1000  نانو فولت تقريبًا.

ومن التطورات الأخرى للأنواع القياسية "مقياس الجهد الحراري" المصمم خصيصًا لقياس درجة الحرارة باستخدام المزدوجات الحرارية . ^{[ 4 ]} كما تقيس مقاييس الجهد المستخدمة مع المزدوجات الحرارية درجة الحرارة التي يتم عندها توصيل أسلاك المزدوجات الحرارية، بحيث يمكن تطبيق تعويض الوصلة الباردة لتصحيح القوة الدافعة الكهربائية المقاسة الظاهرية إلى درجة حرارة الوصلة الباردة القياسية البالغة 0  درجة مئوية.

لإجراء قياس جهد كهربائي لمادة محللة في محلول، يُقاس جهد الخلية. يجب تصحيح هذا القياس وفقًا لجهد المرجع وجهد الوصلة. ويمكن استخدامه أيضًا في طرق المعايرة. بعد ذلك، يُمكن حساب تركيز المادة المحللة باستخدام معادلة نرنست . توجد العديد من الطرق المختلفة التي تعتمد على هذا المبدأ الأساسي لإجراء القياسات الكمية.

جسر المتر هو نوع بسيط من أجهزة قياس الجهد، يُستخدم في مختبرات العلوم المدرسية لتوضيح مبدأ قياس المقاومة باستخدام قياس الجهد. يُمدد سلك مقاومة على طول مسطرة مترية ، ويتم توصيله بجهاز جلفانومتر بواسطة منزلق. عندما يُشير الجلفانومتر إلى الصفر، تكون النسبة بين طولي السلك على يسار المنزلق ويمينه مساويةً للنسبة بين قيمتي مقاومة معلومة وأخرى مجهولة في دائرة كهربائية متوازية. ^{[ 5 ]}

• مقياس الجهد (مقسم الجهد)
• جسر ويتستون

• صور لمقاييس الجهد الكهربائي
• معدات معايرة كهربائية تشمل أنواعًا مختلفة من مقاييس الجهد الكهربائي