فولت

فولت
شريحة معيار الجهد جوزيفسون التي طورها المكتب الوطني للمعايير كمعيار للجهد
معلومات عامة
نظام الوحدة	سي
وحدة من	الجهد الكهربائي ، القوة الدافعة الكهربائية
رمز	الخامس
سميت على اسم	اليساندرو فولتا
وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية	كجم ⋅ م 2 ⋅ ث −3 ⋅ أ −1

الفولت (الرمز: V ) هو وحدة الجهد الكهربائي ، وفرق الجهد الكهربائي ( الجهد ) ، والقوة الدافعة الكهربائية في النظام الدولي للوحدات (SI) . ^[1]

يتم تعريف الفولت الواحد على أنه الجهد الكهربي بين نقطتين من سلك موصل عندما يبدد تيار كهربائي بقوة أمبير واحد واط واحد من الطاقة بين هاتين النقطتين. ^[2] ويمكن التعبير عنها من حيث وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية ( م ، كجم ، ثانية ، وأمبير ) على النحو التالي:

${\displaystyle {\text{V}}={\frac {\text{القدرة}}{\text{التيار الكهربائي}}}={\frac {\text{العرض}}{\text{السعة}}={\frac {{\text{كجم}}{\cdot }{\text{م}}^{2}{\cdot }{\text{ق}}^{-3}}{\text{أ}}}={\text{كجم}}{\cdot }{\text{م}}^{2}{\cdot }{\text{ق}}^{-3}{\cdot }{{\text{أ}}^{-1}}.}$

على نحو مكافئ، فإن الفرق المحتمل بين نقطتين هو الذي سينقل جولًا واحدًا من الطاقة لكل كولومب من الشحنة التي تمر عبره. ويمكن التعبير عنه من حيث وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية ( م ، كجم ، ثانية ، وأمبير ) على النحو التالي:

${\displaystyle {\text{V}}={\frac {\text{طاقة كامنة}}{\text{شحنة}}}={\frac {\text{جول}}{\text{ج}}}={\frac {{\text{كجم}}{\cdot }{\text{م}}^{2}{\cdot }{\text{ق}}^{-2}}{{\text{أ}}{\cdot }{\text{ق}}}}={\text{كجم}}{\cdot }{\text{م}}^{2}{\cdot }{\text{ق}}^{-3}{\cdot }{{\text{أ}}^{-1}}.}$

يمكن أيضًا التعبير عنها بالأمبير مضروبًا في الأوم (التيار مضروبًا في المقاومة، قانون أوم )، أو ويبرس في الثانية (التدفق المغناطيسي لكل زمن)، أو واط لكل أمبير (القدرة لكل تيار)، أو جول لكل كولومب (طاقة لكل شحنة)، وهو ما يعادل أيضًا إلكترون فولت لكل شحنة أولية :

${\displaystyle {\text{V}}={\text{A}}{\cdot }\Omega ={\frac {\text{Wb}}{\text{s}}}={\frac {\text{W}}{\text{A}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {\text{eV}}{e}}.}$

سُميت وحدة الفولت على اسم العالم ألساندرو فولتا . وكما هو الحال مع كل وحدة من وحدات النظام الدولي للوحدات التي تحمل اسم شخص ما، يبدأ رمزها بحرف كبير (V)، ولكن عند كتابتها كاملة، تتبع قواعد كتابة الأحرف الكبيرة للأسماء الشائعة ؛ أي أن كلمة فولت تُكتب بحرف كبير في بداية الجملة وفي العناوين، ولكنها تُكتب بأحرف صغيرة بخلاف ذلك.

تاريخيًا، تم تطبيق الفولت " التقليدي "، V ₉₀ ، الذي تم تعريفه في عام 1987 من قبل المؤتمر العام الثامن عشر للأوزان والمقاييس ^[3] والمستخدم من عام 1990 إلى عام 2019، باستخدام تأثير جوزيفسون للتحويل الدقيق من التردد إلى الجهد، جنبًا إلى جنب مع معيار تردد السيزيوم . على الرغم من أن تأثير جوزيفسون لا يزال يستخدم لتحقيق الفولت، إلا أن الثابت المستخدم قد تغير قليلاً.

بالنسبة لثابت جوزيفسون ، KJ = 2 e / h (حيث e هي الشحنة الأولية و h هو ثابت بلانك )، تم استخدام قيمة "تقليدية" KJ _-90 = 0.4835979 جيجاهرتز/μV لغرض تحديد الفولت. نتيجة لمراجعة النظام _الدولي للوحدات لعام 2019 ، اعتبارًا من عام 2019، _أصبح لثابت جوزيفسون قيمة دقيقة KJ =483 597 .848 416 98 ... جيجاهرتز/فولت ، والتي حلت محل القيمة التقليدية K _J-90 .

يتم تحقيق هذا المعيار عادةً باستخدام مجموعة متصلة على التوالي من عدة آلاف أو عشرات الآلاف من الوصلات ، والتي يتم إثارتها بواسطة إشارات الميكروويف بين 10 و80 جيجاهرتز (حسب تصميم المجموعة). ^[4] تجريبيًا، أظهرت العديد من التجارب أن الطريقة مستقلة عن تصميم الجهاز والمادة وإعداد القياس وما إلى ذلك، ولا توجد شروط تصحيح مطلوبة في التنفيذ العملي. ^[5]

في تشبيه تدفق المياه ، والذي يُستخدم أحيانًا لشرح الدوائر الكهربائية من خلال مقارنتها بالأنابيب المملوءة بالمياه، يُشبَّه الجهد (الفرق في الجهد الكهربائي) بالفرق في ضغط المياه ، بينما يتناسب التيار مع كمية المياه المتدفقة. ستكون المقاومة عبارة عن قطر مخفض في مكان ما في الأنابيب أو شيء أشبه بالمبرد الذي يوفر مقاومة للتدفق.

يتم تعريف العلاقة بين الجهد والتيار (في الأجهزة الأومية مثل المقاومات ) من خلال قانون أوم . قانون أوم مماثل لمعادلة هاجن-بوازويل ، حيث أن كلاهما عبارة عن نماذج خطية تربط بين التدفق والإمكانات في أنظمتهما الخاصة.

يتم تحديد الجهد الناتج عن كل خلية كهروكيميائية في البطارية من خلال كيمياء تلك الخلية (انظر الخلية الجلفانية § جهد الخلية ). يمكن دمج الخلايا على التوالي للحصول على مضاعفات من هذا الجهد، أو إضافة دوائر إضافية لضبط الجهد إلى مستوى مختلف. يمكن عادةً إنشاء المولدات الميكانيكية بأي جهد في نطاق قابلية التنفيذ.

الجهد الاسمي للمصادر المألوفة:

• جهد راحة الخلية العصبية : ~75 م فولت ^[6]
• بطارية NiMH أحادية الخلية وقابلة لإعادة الشحن ^[7] أو NiCd : 1.2 فولت
• خلية واحدة، غير قابلة لإعادة الشحن (على سبيل المثال، خلايا AAA وAA وC وD ): بطارية قلوية : 1.5 فولت؛ ^[8] بطارية زنك-كربون : 1.56 فولت إذا كانت جديدة وغير مستخدمة
• مستويات الجهد المنطقية : 1.2 فولت، 1.5 فولت، 1.8 فولت، 2.5 فولت، 3.3 فولت، 5.0 فولت
• بطارية LiFePO ₄ القابلة لإعادة الشحن: 3.3 فولت
• بطارية قابلة لإعادة الشحن من بوليمر الليثيوم القائمة على الكوبالت : 3.75 فولت (انظر مقارنة أنواع البطاريات التجارية )
• مصدر الطاقة لمنطق الترانزستور-الترانزستور / CMOS (TTL): 5 فولت
• يو إس بي : 5 فولت تيار مستمر
• بطارية PP3 : 9 فولت
• تبلغ قيمة أنظمة بطاريات السيارات 2.1 فولت لكل خلية؛ وتبلغ قيمة بطارية "12 فولت" 6 خلايا، أو 12.6 فولت؛ وتبلغ قيمة بطارية "24 فولت" 12 خلية، أو 25.2 فولت. وتستخدم بعض المركبات القديمة بطاريات "6 فولت" ثلاثية الخلايا، أو 6.3 فولت.
• الكهرباء المنزلية التيار المتردد: (انظر قائمة البلدان التي بها مقابس الطاقة الرئيسية والجهد والترددات )
  • 100 فولت في اليابان
  • 120 فولت في أمريكا الشمالية
  • 230 فولت في أوروبا وآسيا وأفريقيا وأستراليا
• السكك الحديدية الثالثة للنقل السريع : 600-750 فولت (انظر قائمة أنظمة كهربة السكك الحديدية )
• خطوط الطاقة الهوائية للقطارات عالية السرعة: 25 كيلو فولت عند 50 هرتز ، ولكن راجع قائمة أنظمة كهربة السكك الحديدية و 25 كيلو فولت عند 60 هرتز للاستثناءات.
• خطوط نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي : 110 كيلو فولت وما فوق (1.15 ميجا فولت هو الرقم القياسي؛ أعلى جهد نشط هو 1.10 ميجا فولت ^[9] )
• البرق : بحد أقصى حوالي 150 ميجا فولت. ^[10]

في عام 1800، نتيجة لخلاف مهني حول الاستجابة الجلفانية التي دعا إليها لويجي جالفاني ، طور أليساندرو فولتا ما يسمى بالكومة الفولتية ، وهي سلف البطارية ، والتي أنتجت تيارًا كهربائيًا ثابتًا . حدد فولتا أن الزوج الأكثر فعالية من المعادن غير المتشابهة لإنتاج الكهرباء هو الزنك والفضة . في عام 1861، صاغ لاتيمر كلارك والسير تشارلز برايت اسم "فولت" لوحدة المقاومة. ^[11] بحلول عام 1873، حددت الجمعية البريطانية لتقدم العلوم الفولت والأوم والفاراد. ^[12] في عام 1881، وافق المؤتمر الكهربائي الدولي، الذي أصبح الآن اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC)، على الفولت كوحدة للقوة الدافعة الكهربائية. ^[13] لقد جعلوا الفولت مساويًا لـ 10 ⁸ وحدات سغث من الجهد، وكان نظام سغث في ذلك الوقت هو النظام المعتاد للوحدات في العلوم. لقد اختاروا هذه النسبة لأن وحدة cgs للجهد صغيرة بشكل غير مريح والفولت الواحد في هذا التعريف يعادل تقريبًا القوة الدافعة الكهربائية لخلية دانييل ، المصدر القياسي للجهد في أنظمة التلغراف في ذلك اليوم. ^[14] في ذلك الوقت، تم تعريف الفولت على أنه فرق الجهد [أي ما يسمى في الوقت الحاضر "الجهد (الفرق)"] عبر موصل عندما يبدد تيار بقوة أمبير واحد واط واحد من الطاقة.

تم تعريف "الفولت الدولي" في عام 1893 على أنه 1 ⁄ 1.434 من القوة الدافعة الكهربائية لخلية كلارك . تم التخلي عن هذا التعريف في عام 1908 لصالح تعريف يعتمد على الأوم الدولي والأمبير الدولي حتى تم التخلي عن مجموعة "الوحدات القابلة للتكرار" بالكامل في عام 1948. ^[15]

دخلت مراجعة عام 2019 للنظام الدولي للوحدات ، بما في ذلك تحديد قيمة الرسوم الأولية ، حيز التنفيذ في 20 مايو 2019. ^[16]

• تاريخ الوحدات الكهربائية.