ولتاژ، جریان و مقاومت

هر مدار الکتریکی — از یک چراغ‌قوه ساده تا برد پیچیده یک رایانه — با سه کمیت توصیف می‌شود: ولتاژ، جریان و مقاومت. این سه، واژگان پایهٔ الکترونیک هستند؛ هر داده‌برگ قطعه‌ای که در درس‌های بعدی باز می‌کنید با همین سه کمیت حرف می‌زند.

در این درس معنای دقیق هر کمیت، یکای آن و رابطه‌ای که این سه را به هم گره می‌زند یاد می‌گیرید. اگر این درس را محکم بخوانید، بقیهٔ دوره فقط کاربرد همین چند مفهوم است.

مدار چیست؟

مدار (Circuit) مسیری بسته است که بار الکتریکی در آن گردش می‌کند. یک مدار ساده سه بخش دارد: منبع انرژی مثل باتری، مصرف‌کننده مثل لامپ، و سیم‌هایی که آن‌ها را به هم وصل می‌کنند. تا وقتی مسیر از سر تا ته پیوسته باشد جریان برقرار است؛ اگر مسیر در هر نقطه قطع شود، جریان متوقف می‌شود. کلیدها دقیقاً همین یک کار را می‌کنند: مسیر را می‌بندند یا باز می‌کنند.

ولتاژ: نیروی محرکهٔ بارها

ولتاژ (Voltage) اختلاف انرژی الکتریکی بین دو نقطه است؛ همان نیرویی که بارها را در مدار به حرکت وامی‌دارد. یکای ولتاژ ولت (V) است و نماد آن در فرمول‌ها $V$ نوشته می‌شود. نکتهٔ مهم: ولتاژ همیشه «بین دو نقطه» سنجیده می‌شود، نه در یک نقطهٔ تنها. برای ساده‌سازی، یکی از نقاط را نقطهٔ مرجع می‌گیریم و آن را زمین مدار (GND) می‌نامیم.

برای حس مقیاس: باتری قلمی ۱٫۵ ولت، پورت USB رایانه ۵ ولت و آداپتورهای رایج ۹ یا ۱۲ ولت هستند. همهٔ تمرین‌های این دوره با منبع ۵ ولت انجام می‌شوند.

جریان: شمار بارهای در حرکت

جریان (Current) مقدار باری است که در هر ثانیه از مقطع مدار می‌گذرد. یکای جریان آمپر (A) است و نمادش $I$. در الکترونیک با جریان‌های کوچک سر و کار داریم، پس بیشتر با میلی‌آمپر (mA) حرف می‌زنیم: یک میلی‌آمپر یک‌هزارم آمپر است.

برای حس مقیاس: یک LED معمولی با حدود ۲۰ میلی‌آمپر روشن و درخشان می‌شود و هر پین آردوینو حداکثر می‌تواند حدود ۲۰ میلی‌آمپر جریان پایدار بدهد. همین عدد کوچک، دلیل اصلی اهمیت محاسبه‌های جریان است.

مقاومت: سختی مسیر

مقاومت (Resistance) نشان می‌دهد یک قطعه چقدر جلوی جریان را می‌گیرد. یکای آن اهم (Ω) است و نمادش $R$. هر قطعه‌ای — حتی سیم — مقداری مقاومت دارد؛ اما قطعه‌ای که دقیقاً برای ایجاد مقاومت مشخص ساخته شده «مقاومت» (Resistor) نام دارد و پرکاربردترین قطعهٔ الکترونیک است. با آن در درس بعدی مفصل کار می‌کنیم.

قانون اهم: رابطهٔ سه کمیت

سه کمیت این درس با یک رابطهٔ ساده به هم بسته‌اند:

$V = I \times R$

یعنی ولتاژ دو سر یک قطعه برابر است در جریانِ گذرنده از آن ضربدر مقاومت آن. اگر دو کمیت را بدانید، سومی حساب می‌شود:

$I = \frac{V}{R} \qquad R = \frac{V}{I}$

مثال: اگر دو سر مقاومت ۱۰۰۰ اهمی را به ۵ ولت وصل کنید، جریان مدار برابر است با $I = \frac{5}{1000} = 0.005$ آمپر، یعنی ۵ میلی‌آمپر.

جدول زیر یکاها و نمادها را جمع‌بندی می‌کند:

تمرین‌ها

# کد خود را اینجا بنویسید

V = 9      # ولتاژ منبع
R = 900    # مقاومت مدار
I = V / R  # قانون اهم
print(I)
print(round(I * 1000, 1))  # تبدیل به میلی‌آمپر

::: :::

خلاصه

• ولتاژ اختلاف انرژی بین دو نقطه و نیروی محرکهٔ بارها است؛ یکایش ولت (V) است.
• جریان مقدار بارِ در حرکت در واحد زمان است؛ یکایش آمپر (A) و در عمل بیشتر با میلی‌آمپر سروکار داریم.
• مقاومت سختی مسیر در برابر جریان است؛ یکایش اهم (Ω) است.
• قانون اهم $V = I \times R$ این سه کمیت را به هم گره می‌زند و پایهٔ تمام محاسبه‌های مدار است.
• اتصال کوتاه یعنی مسیر بدون بار و به منبع و قطعه‌ها آسیب می‌زند.

در درس بعدی با قطعه‌ای آشنا می‌شوید که دقیقاً برای ایجاد مقاومت ساخته می‌شود و قانون اهم را در عمل برای روشن‌کردن اولین LED خود به‌کار می‌برید.