الجهد االكهربى

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Voltage" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( فبراير 2018 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

الجهد االكهربى
البطاريات هي مصدر الجهد في العديد من الدوائر الكهربائية .
الرموز الشائعة	V ، ∆ V ، U ، ∆ U
وحدة النظام الدولي للوحدات	فولت
في وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية	كجم⋅م2⋅ثانية − 3⋅أمبير −1​​
المشتقات من كميات أخرى	الجهد = الطاقة / الشحنة
البعد	${\displaystyle {\mathsf {M}}{\mathsf {L}}^{2}{\mathsf {T}}^{-3}{\mathsf {I}}^{-1}}$

Articles about
Electromagnetism
Electricity Magnetism Optics History Computational Textbooks Phenomena
Electrostatics Charge density Conductor Coulomb law Electret Electric charge Electric dipole Electric field Electric flux Electric potential Electrostatic discharge Electrostatic induction Gauss law Insulator Permittivity Polarization Potential energy Static electricity Triboelectricity
Magnetostatics Ampère law Biot–Savart law Gauss magnetic law Magnetic dipole Magnetic field Magnetic flux Magnetic scalar potential Magnetic vector potential Magnetization Permeability Right-hand rule
Electrodynamics Bremsstrahlung Cyclotron radiation Displacement current Eddy current Electromagnetic field Electromagnetic induction Electromagnetic pulse Electromagnetic radiation Faraday law Jefimenko equations Larmor formula Lenz law Liénard–Wiechert potential London equations Lorentz force Maxwell equations Maxwell tensor Poynting vector Synchrotron radiation
Electrical network Alternating current Capacitance Current density Direct current Electric current Electric power Electrolysis Electromotive force Impedance Inductance Joule heating Kirchhoff laws Network analysis Ohm law Parallel circuit Resistance Resonant cavities Series circuit Voltage Watt Waveguides
Magnetic circuit AC motor DC motor Electric machine Electric motor Gyrator–capacitor Induction motor Linear motor Magnetomotive force Permeance Reluctance (complex) Reluctance (real) Rotor Stator Transformer
Covariant formulation Electromagnetic tensor Electromagnetism and special relativity Four-current Four-potential Mathematical descriptions Maxwell equations in curved spacetime Relativistic electromagnetism Stress–energy tensor
Scientists Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Helmholtz Henry Hertz Hopkinson Jefimenko Joule Kelvin Kirchhoff Larmor Lenz Liénard Lorentz Maxwell Neumann Ohm Ørsted Poisson Poynting Ritchie Savart Singer Steinmetz Tesla Thomson Volta Weber Wiechert
v t e

الجهد الكهربي ، المعروف أيضًا باسم فرق الجهد (الكهربائي) ، أو الضغط الكهربائي ، أو التوتر الكهربائي هو الفرق في الجهد الكهربي بين نقطتين. ^{[1] [2]} في المجال الكهربائي الساكن ، يتوافق مع العمل اللازم لكل وحدة شحنة لتحريك شحنة اختبار موجبة من النقطة الأولى إلى النقطة الثانية. في النظام الدولي للوحدات (SI)، الوحدة المشتقة للجهد الكهربي هي الفولت (V) . ^{[3] [4] [5]}

يمكن أن يحدث الجهد بين النقاط بسبب تراكم الشحنة الكهربائية (على سبيل المثال، المكثف )، ومن القوة الدافعة الكهربائية (على سبيل المثال، الحث الكهرومغناطيسي في المولد ). ^{[6] [7]} على نطاق واسع، يمكن أن يحدث فرق الجهد بسبب العمليات الكهروكيميائية (على سبيل المثال، الخلايا والبطاريات)، والتأثير الكهرضغطي الناتج عن الضغط ، والتأثير الكهروحراري . نظرًا لأنه الفرق في الجهد الكهربائي، فهو كمية قياسية فيزيائية . ^[8]

يمكن استخدام الفولتميتر لقياس الجهد بين نقطتين في النظام. ^[9] غالبًا ما يتم استخدام جهد مرجعي مشترك مثل أرض النظام كواحدة من النقاط . يمكن ربط الجهد إما بمصدر للطاقة أو بفقدان الطاقة أو تبديدها أو تخزينها.

وحدة النظام الدولي للوحدات لقياس العمل لكل وحدة شحن هي الجول لكل كولومب ، حيث 1 فولت = 1 جول (عمل) لكل 1 كولومب من الشحنة. [بحاجة لمصدر] كان تعريف النظام الدولي للوحدات القديم للفولت يستخدم القدرة والتيار ^{؛ بدءًا من} عام 1990 ، تم استخدام تأثير هول وجوزيفسون الكمومي ، ^[10] وفي عام 2019 تم إعطاء الثوابت الفيزيائية قيمًا محددة لتعريف جميع وحدات النظام الدولي للوحدات.

يُشار إلى الجهد الكهربي رمزيًا بالرمز V المبسط ، ^[11] وخاصة في البلدان الناطقة باللغة الإنجليزية . وعلى المستوى الدولي، يتم توحيد الرمز U. ^[12] ويُستخدم، على سبيل المثال، في سياق قوانين دائرة أوم أو كيرشوف . ${\displaystyle \Delta V}$

الجهد الكهروكيميائي هو الجهد الذي يمكن قياسه مباشرة باستخدام الفولتميتر. ^{[13] [14]} الجهد الجلفاني الموجود في الهياكل ذات الوصلات من مواد مختلفة هو أيضًا عمل لكل شحنة ولكن لا يمكن قياسه باستخدام الفولتميتر في الدائرة الخارجية (انظر § الجهد الجلفاني مقابل الجهد الكهروكيميائي).

يتم تعريف الجهد بحيث يتم سحب الأشياء المشحونة سلبًا نحو جهد أعلى، بينما يتم سحب الأشياء المشحونة إيجابيا نحو جهد أقل. ^{[15] [16]} لذلك، يتدفق التيار التقليدي في السلك أو المقاوم دائمًا من جهد أعلى إلى جهد أقل.

تاريخيًا، كان يُشار إلى الجهد باستخدام مصطلحات مثل "الشد" و"الضغط". وحتى اليوم، لا يزال مصطلح "الشد" مستخدمًا، على سبيل المثال ضمن عبارة " الشد العالي " (HT) التي تُستخدم عادةً في الصمامات الحرارية ( الأنابيب المفرغة ) والإلكترونيات المستخدمة في السيارات.

في الكهروستاتيك ، يتم تحديد زيادة الجهد من نقطة إلى نقطة ما من خلال التغير في الجهد الكهروستاتيكي من إلى . وفقًا للتعريف، ^{[17] : 78} هذا هو: ${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$ ${\textstyle V}$${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=V(\mathbf {r} _{B})-V(\mathbf {r} _{A})\\&=-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\left(-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{A}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\right)\\&=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\end{aligned}}}$

أين شدة المجال الكهربائي؟ ${\displaystyle \mathbf {E} }$

في هذه الحالة، فإن زيادة الجهد من النقطة أ إلى النقطة ب تساوي العمل المبذول لكل وحدة شحنة، ضد المجال الكهربائي، لتحريك الشحنة من أ إلى ب دون التسبب في أي تسارع. ^{[17] : 90–91} رياضيًا، يتم التعبير عن هذا على أنه التكامل الخطي للمجال الكهربائي على طول هذا المسار. في الكهروستاتيك، يكون هذا التكامل الخطي مستقلاً عن المسار المتخذ. ^{[17] : 91}

وبموجب هذا التعريف، فإن أي دائرة بها حقول مغناطيسية متغيرة مع الزمن، مثل دوائر التيار المتردد ، لن يكون لها جهد محدد جيدًا بين العقد في الدائرة، لأن القوة الكهربائية ليست قوة محافظة في تلك الحالات. ^{[ملاحظة 1]} ومع ذلك، عند الترددات المنخفضة عندما لا تتغير المجالات الكهربائية والمغناطيسية بسرعة، يمكن إهمال ذلك (انظر التقريب الكهروستاتيكي ).

يمكن تعميم الجهد الكهربي على الديناميكا الكهربائية، بحيث يتم تحديد الاختلافات في الجهد الكهربي بين النقاط بشكل جيد حتى في وجود حقول متغيرة مع الزمن. ومع ذلك، على عكس الكهروستاتيكية، لم يعد من الممكن التعبير عن المجال الكهربي من حيث الجهد الكهربي فقط. ^{[17] : 417} وعلاوة على ذلك، لم يعد الجهد الكهربي محددًا بشكل فريد حتى ثابت، ويمكن أن يأخذ أشكالًا مختلفة بشكل كبير اعتمادًا على اختيار المقياس . ^{[ملاحظة 2] [17] : 419–422}

في هذه الحالة العامة، يستخدم بعض المؤلفين ^[18] كلمة "الجهد" للإشارة إلى التكامل الخطي للحقل الكهربائي، وليس إلى الاختلافات في الجهد الكهربائي. في هذه الحالة، يتم إعطاء ارتفاع الجهد على طول مسار ما من إلى بواسطة:${\displaystyle {\mathcal {P}}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$

${\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathcal {P}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

ومع ذلك، في هذه الحالة يعتمد "الجهد" بين نقطتين على المسار المتخذ.

في تحليل الدوائر والهندسة الكهربائية ، تُستخدم نماذج العناصر المجمعة لتمثيل وتحليل الدوائر. هذه العناصر عبارة عن عناصر دوائر مثالية ومستقلة تُستخدم لنمذجة المكونات المادية. ^[19]

عند استخدام نموذج العنصر المتجمع، يُفترض أن تأثيرات المجالات المغناطيسية المتغيرة التي تنتجها الدائرة محصورة بشكل مناسب لكل عنصر. ^[19] بموجب هذه الافتراضات، يكون المجال الكهربائي في المنطقة الخارجية لكل مكون متحفظًا، وتكون الفولتية بين العقد في الدائرة محددة جيدًا، حيث ^[19]

${\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

طالما أن مسار التكامل لا يمر عبر الجزء الداخلي لأي مكون. ما سبق هو نفس الصيغة المستخدمة في الكهروستاتيكا. هذا التكامل، مع مسار التكامل على طول أسلاك الاختبار، هو ما يقيسه الفولتميتر بالفعل. ^{[20] [ملاحظة 3]}

إذا لم تكن المجالات المغناطيسية غير المضمنة في جميع أنحاء الدائرة مهملة، فيمكن نمذجة تأثيراتها عن طريق إضافة عناصر المحاثة المتبادلة . ومع ذلك، في حالة المحث الفيزيائي، غالبًا ما يكون التمثيل المتجمع المثالي دقيقًا. وذلك لأن المجالات الخارجية للمحثات يمكن إهمالها عمومًا، وخاصة إذا كان للمحث مسار مغناطيسي مغلق . إذا كانت المجالات الخارجية مهملة، نجد أن

${\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathrm {exterior} }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=L{\frac {dI}{dt}}}$

لا يعتمد على المسار، ويوجد جهد محدد جيدًا عبر أطراف المحث. ^[21] وهذا هو السبب في أن القياسات باستخدام الفولتميتر عبر المحث غالبًا ما تكون مستقلة بشكل معقول عن وضع أسلاك الاختبار.

الفولت (الرمز: V ) هو الوحدة المشتقة للجهد الكهربي والجهد الكهربي والقوة الدافعة الكهربائية . ^{[22] [23]} سُمي الفولت تكريمًا للفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا (1745-1827)، الذي اخترع البطارية الفولتية ، والتي ربما كانت أول بطارية كيميائية .

تشبيه بسيط للدائرة الكهربائية هو تدفق الماء في دائرة مغلقة من الأنابيب ، مدفوعة بمضخة ميكانيكية . [ ^{بحاجة لمصدر ]} يمكن أن نطلق على هذا "دائرة مائية". يتوافق فرق الجهد بين نقطتين مع فرق الضغط بين نقطتين. إذا خلقت المضخة فرق ضغط بين نقطتين، فسيكون الماء المتدفق من نقطة إلى أخرى قادرًا على القيام بعمل، مثل تشغيل توربين . وبالمثل، يمكن القيام بعمل بواسطة تيار كهربائي مدفوع بفرق الجهد الذي توفره البطارية . على سبيل المثال، يمكن للجهد الذي توفره بطارية سيارة مشحونة بشكل كافٍ "دفع" تيار كبير عبر لفائف محرك بدء تشغيل السيارة . إذا لم تكن المضخة تعمل، فلن تنتج فرق ضغط، ولن يدور التوربين. وبالمثل، إذا كانت بطارية السيارة ضعيفة جدًا أو "ميتة" (أو "مسطحة")، فلن تدير محرك بدء التشغيل.

إن القياس الهيدروليكي هو وسيلة مفيدة لفهم العديد من المفاهيم الكهربائية. ففي مثل هذا النظام، يكون العمل المبذول لتحريك الماء مساويًا لـ " هبوط الضغط " (قارن pd) مضروبًا في حجم الماء المتحرك. وعلى نحو مماثل، في الدائرة الكهربائية، يكون العمل المبذول لتحريك الإلكترونات أو غيرها من حاملات الشحنة مساويًا لـ "فرق الضغط الكهربائي" مضروبًا في كمية الشحنات الكهربائية المتحركة. وفيما يتعلق بـ "التدفق"، فكلما كان "فرق الضغط" بين نقطتين (فرق الجهد أو فرق ضغط الماء) أكبر، كلما كان التدفق بينهما أكبر (التيار الكهربائي أو تدفق الماء). (انظر " القدرة الكهربائية ").

يتطلب تحديد قياس الجهد تحديدًا صريحًا أو ضمنيًا للنقاط التي يتم قياس الجهد عبرها. عند استخدام الفولتميتر لقياس الجهد، يجب توصيل أحد الأسلاك الكهربائية للفولتميتر بالنقطة الأولى، والآخر بالنقطة الثانية.

الاستخدام الشائع لمصطلح "الجهد" هو في وصف الجهد المنخفض عبر جهاز كهربائي (مثل المقاوم). يمكن فهم انخفاض الجهد عبر الجهاز على أنه الفرق بين القياسات عند كل طرف من الجهاز بالنسبة لنقطة مرجعية مشتركة (أو الأرض ). انخفاض الجهد هو الفرق بين القراءتين. نقطتان في دائرة كهربائية متصلتان بموصل مثالي بدون مقاومة وليسا داخل مجال مغناطيسي متغير لهما جهد يساوي صفرًا. يمكن توصيل أي نقطتين بنفس الإمكانات بواسطة موصل ولن يتدفق تيار بينهما.

الجهد بين A و C هو مجموع الجهد بين A و B والجهد بين B و C. يمكن حساب الجهود المختلفة في الدائرة باستخدام قوانين كيرشوف للدائرة .

عند الحديث عن التيار المتناوب (AC)، هناك فرق بين الجهد اللحظي والجهد المتوسط. يمكن إضافة الجهد اللحظي للتيار المستمر (DC) والتيار المتناوب، ولكن لا يمكن إضافة الجهد المتوسط ​​بشكل مفيد إلا عندما يتم تطبيقه على الإشارات التي لها نفس التردد والطور.

تشمل أدوات قياس الفولتية الفولتميتر ، ومقياس الجهد ، ومنظار الذبذبات . تعمل الفولتميتر التناظرية ، مثل أدوات الملف المتحرك، عن طريق قياس التيار عبر مقاومة ثابتة، والتي، وفقًا لقانون أوم ، تتناسب مع الجهد عبر المقاومة. يعمل مقياس الجهد عن طريق موازنة الجهد غير المعروف مقابل جهد معروف في دائرة جسر . يعمل منظار الذبذبات الكاثودية عن طريق تضخيم الجهد واستخدامه لحرف شعاع الإلكترون عن مسار مستقيم، بحيث يكون انحراف الشعاع متناسبًا مع الجهد.

الجهد الشائع لبطاريات المصابيح الكهربائية هو 1.5 فولت (تيار مستمر). والجهد الشائع لبطاريات السيارات هو 12 فولت (تيار مستمر).

تتراوح الفولتية الشائعة التي تزود بها شركات الطاقة المستهلكين بين 110 و120 فولت (تيار متردد) و220 و240 فولت (تيار متردد). ويمكن أن يكون الجهد في خطوط نقل الطاقة الكهربائية المستخدمة لتوزيع الكهرباء من محطات الطاقة أكبر بعدة مئات من المرات من الفولتية التي تزود بها المستهلكين، وعادة ما يتراوح بين 110 و1200 كيلو فولت (تيار متردد).

الجهد الكهربائي المستخدم في الخطوط الهوائية لتشغيل قاطرات السكك الحديدية يتراوح بين 12 كيلو فولت و 50 كيلو فولت (تيار متردد) أو بين 0.75 كيلو فولت و 3 كيلو فولت (تيار مستمر).

داخل مادة موصلة، تتأثر طاقة الإلكترون ليس فقط بالجهد الكهربي المتوسط ​​ولكن أيضًا بالبيئة الحرارية والذرية المحددة التي يتواجد فيها. عندما يتم توصيل الفولتميتر بين نوعين مختلفين من المعدن، فإنه لا يقيس فرق الجهد الكهروستاتيكي، ولكن بدلاً من ذلك يقيس شيئًا آخر يتأثر بالديناميكا الحرارية. ^[24] الكمية التي يقيسها الفولتميتر هي السالب لفرق الجهد الكهروكيميائي للإلكترونات ( مستوى فيرمي ) مقسومًا على شحنة الإلكترون ويشار إليها عادةً باسم فرق الجهد، بينما يُطلق على الجهد الكهروستاتيكي النقي غير المعدل (غير القابل للقياس باستخدام الفولتميتر) أحيانًا جهد جلفاني . مصطلحا "الجهد" و"الجهد الكهربي" غامضان في أنه في الممارسة العملية، يمكن أن يشيرا إلى أي منهما في سياقات مختلفة.

تم استخدام مصطلح القوة الدافعة الكهربائية لأول مرة بواسطة فولتا في رسالة إلى جيوفاني ألديني في عام 1798، وظهر لأول مرة في ورقة بحثية منشورة عام 1801 في Annales de chimie et de physique . ^{[25] : 408} قصد فولتا بذلك قوة ليست قوة كهروستاتيكية ، على وجه التحديد، قوة كهروكيميائية . ^{[25] : 405} تبنى مايكل فاراداي المصطلح فيما يتعلق بالحث الكهرومغناطيسي في عشرينيات القرن التاسع عشر. ومع ذلك، لم يتم تطوير تعريف واضح للجهد وطريقة قياسه في هذا الوقت. ^{[26] : 554} ميز فولتا القوة الدافعة الكهربائية (emf) عن التوتر (فرق الجهد): يجب أن يوازن فرق الجهد المرصود عند أطراف الخلية الكهروكيميائية عندما تكون دائرة مفتوحة تمامًا القوة الدافعة الكهربائية للخلية بحيث لا يتدفق أي تيار. ^{[25] : 405}

• الجهد الكهربائي V، التيار I، المقاومة R، المعاوقة Z، القدرة الكهربائية P