الدوائر الكهربائيه
الدرس ٢
الدوائر الكهربائية
في هذا الدرس
الأهداف
- توضح العلاقة بين الجهد والتيار الكهربائي والمقاومة الكهربائية في دائرة كهربائية.
- تستكشف الفرق بين التوصيل على التوالي والتوصيل على التوازي.
- تحسب القدرة الكهربائية المستهلكة في الدائرة.
- توضح كيفية تجنب مخاطر الصدمة الكهربائية.
الأهمية
تتحكم الدوائر الكهربائية في التيار الكهربائي من خلال الأجهزة الكهربائية جميعها.
مراجعة المفردات
الجهد الكهربائي: مقياس لكمية طاقة الوضع الكهربائية التي تسبب حركة الإلكترونات في الدائرة الكهربائية، وتقاس بوحدة الفولت.
المفردات الجديدة
- قانون أوم
- دوائر التوصيل على التوالي
- دوائر التوصيل على التوازي
- القدرة الكهربائية
التحكم في التيار الكهربائي
تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية عند وصل سلك موصل أو مصباح كهربائي بين قطبي البطارية الموجب والسالب. ويعتمد مقدار التيار الكهربائي المار على الجهد الكهربائي الناتج عن البطارية، ومقاومة المادة الموصلة.
للمساعدة في فهم هذه العلاقة، تذكر دائرة الماء الموضحة بجسمك في الدرس الماضي، كما يوضح الشكل ١٠. فإذا رفع الدلو إلى أعلى فسوف تزداد سرعة تدفق الماء عبر الخرطوم أكثر مما كانت عليه من قبل؛ فيزداد تيار الماء بزيادة الارتفاع.
الجهد والمقاومة
بالعودة إلى نموذج مضخة الماء الموضح في الشكل ١٠، نجد أن الماء الهابط من أعلى يخسر طاقة وضعه، وكلما زاد ذلك الارتفاع ازدادت طاقة الماء المتحولة. وتشبه زيادة الارتفاع في النموذج زيادة الجهد الكهربائي للبطارية في الدائرة الكهربائية. وكما أن تيار الماء يزداد بزيادة الارتفاع فإن تيار الكهرباء يزداد بزيادة الجهد الكهربائي للبطارية.
كلما كانت مساحة المقطع العرضي للأنبوب في الشكل ١٠ أقل ازدادت المقاومة، وقل تدفق الماء، وبالطريقة نفسها نستطيع القول إن التيار الكهربائي في الدائرة الكهربائية يقل بزيادة المقاومة الكهربائية.
الشكل ١٠
عند رفع الدلو إلى أعلى يزداد مقدار طاقة وضع الماء داخله، مما يسبب زيادة سرعة تدفق الماء الخارج من الخرطوم.
اسم الصورة:
01_التحكم_في_التيار_الكهربائي_والجهد_والمقاومة.png
قانون أوم
أجرى الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم في القرن التاسع عشر الميلادي تجربة لقياس أثر تغير الجهد الكهربائي في التيار المار في دائرة كهربائية، فوجد علاقة بسيطة بين الجهد والتيار والمقاومة في الدائرة الكهربائية، وتعرف هذه العلاقة حاليًا بقانون أوم Ohm’s Law. ويكتب قانون أوم كما يأتي:
قانون أوم
الجهد «فولت» = التيار «أمبير» × المقاومة «أوم»
جـ = ت × م
ووفقًا لقانون أوم، فإنه عندما يزداد الجهد الكهربائي في دائرة كهربائية يزداد التيار فيها، تمامًا كما تدفق الماء بسرعة من الدلو الذي تم رفعه إلى أعلى. بينما إذا لم تتغير قيمة الجهد في الدائرة الكهربائية فيقل التيار بزيادة المقاومة فيها.
تطبيق الرياضيات: حل معادلة بسيطة
الجهد عبر مقبس الحائط
عند وصل مصباح كهربائي مقاومته ٢٢٠ أوم بمقبس الحائط، مر فيه تيار ٠٫٥ أمبير. ما قيمة الجهد الكهربائي بالفولت «V» الذي يزوده المقبس؟
الحل
١. المعطيات:
التيار «ت» = ٠٫٥ أمبير «A»
المقاومة «م» = ٢٢٠ أوم «Ω»
٢. المطلوب:
حساب قيمة الجهد الكهربائي «جـ» بالفولت «V»
٣. طريقة الحل:
عوض المعطيات في قانون أوم:
الجهد = المقاومة × التيار
جـ = ٢٢٠ أوم × ٠٫٥ أمبير = ١١٠ فولت
٤. التحقق من الحل:
أوجد ناتج قسمة الجواب الذي حصلت عليه على المقاومة ٢٢٠ أوم؛ يجب أن يكون الناتج مساويًا لمقدار التيار المعطى في السؤال وهو ٠٫٥ أمبير.
مسائل تدريبية
- إذا وصلت مكواة كهربائية مقاومتها ٢٤ أوم بمقبس الحائط، فمر تيار كهربائي مقداره ٥ أمبير، فاحسب قيمة الجهد الكهربائي الذي يزوده المقبس.
- ما قيمة التيار الكهربائي المار في مصباح يدوي مقاومته ٣٠ أوم، إذا كان يعمل على بطارية جهدها ٣ فولت؟
- ما مقاومة مصباح كهربائي يمر فيه تيار كهربائي مقداره ١ أمبير، إذا وصل بمقبس يزود بجهد كهربائي مقداره ١١٠ فولت؟
اسم الصورة:
02_قانون_أوم_وتطبيق_الرياضيات.png
الدوائر الموصولة على التوالي وعلى التوازي
تتحكم الدائرة الكهربائية في التيار الكهربائي من خلال توفير المسارات السليمة وغير المتقطعة اللازمة لتدفق الإلكترونات فيها. هل سبق لك أن شاركت في توصيل الزينة في الاحتفالات ولاحظت أن مصابيح بعض هذه الأسلاك تضيء حتى وإن كان بعض المصابيح فيها مفقودًا أو تالفًا، في حين تتوقف مصابيح بعض الأسلاك الصغيرة عن الإضاءة إذا فقد منها أو تعطل فيها مصباح واحد؟ يعود ذلك إلى اختلاف توصيل المصابيح معًا في كلا النوعين من الأسلاك؛ فأحدهما وصلت مصابيحه على التوازي، في حين وصلت مصابيح الآخر على التوالي.
التوصيل ضمن خط واحد
يوجد في دوائر التوصيل على التوالي Series Circuit مسار واحد للتيار الكهربائي ليسري فيه، كما تبين الشكل ١١. فإذا تعطل هذا المسار فلن يسري التيار الكهربائي، وستتوقف جميع الأجهزة الكهربائية المتصلة بهذه الدائرة عن العمل. فإذا حدث هذا، وتعطلت جميع المصابيح عن الإضاءة بسبب تعطل أحدها فاعلم أن هذه المصابيح قد تم توصيلها على التوالي. فعندما يحترق المصباح ينقطع الفتيل داخله؛ لذا ينقطع مسار التيار الكهربائي.
ماذا قرأت؟
ما عدد المسارات المختلفة التي يمكن أن يسري فيها التيار الكهربائي في الدوائر الكهربائية الموصولة على التوالي؟
توصيل الأجهزة الكهربائية في دوائر التوصيل على التوالي على امتداد مسار التيار نفسه، بحيث تشكل الأجهزة جميعها ممرًا واحدًا. لذا يكون التيار المار في أي جهاز هو نفسه. وكلما أضيف جهاز جديد إلى دوائر التوصيل على التوالي قل التيار الكهربائي في الدائرة؛ وذلك لأن لكل جهاز مقاومة كهربائية. وتزداد في دوائر التوصيل على التوالي المقاومة الكلية للدائرة بإضافة أي جهاز جديد إليها. ووفقًا لقانون أوم، فإنه عند ثبات قيمة الجهد الكهربائي للبطارية يقل التيار الكهربائي عند زيادة المقاومة الكهربائية.
تجربة: تكوين دائرة كهربائية بسيطة
الخطوات
- فتيل المصباح الكهربائي ما هو إلا جزء من سلك ضمن دائرة. ولكي يضيء المصباح لا بد أن يتدفق التيار في الدائرة، ومنها الفتيل. تفحص أحد المصابيح بحذر، وتتبع طرفي الفتيل وكيفية اتصالهما بقاعدة المصباح.
- صل البطارية بالسلك النحاسي والمصباح لإضاءته. «هناك أربعة احتمالات للتوصيل».
التحليل
ارسم شكلًا تخطيطيًا، وعين عليه البيانات التي توضح حركة الإلكترونات في الدائرة التي قمت بتركيبها.
الشكل ١١
تمثل هذه الدائرة طريقة التوصيل على التوالي، حيث لا يوجد إلا مسار واحد لكي يسري التيار الكهربائي خلاله.
توقع: ماذا يحدث للتيار في هذه الدائرة إذا أزيل أحد أسلاك التوصيل؟
اسم الصورة:
03_الدوائر_الموصولة_على_التوالي.png
التوصيل المتفرع
إذا كانت الأجهزة في المنازل موصولة على التوالي فهذا يعني أنه يجب عليك تشغيل أجهزة المنزل جميعها مرة واحدة. فبمجرد أن يفصل مصباح كهربائي، أو بمجرد رغبتك في مشاهدة التلفاز مثلًا، حتى تكتمل الدائرة ويتدفق التيار. لذا توصل الأجهزة الكهربائية في المنازل والمدارس وغيرها من المباني على التوازي.
وفي دوائر التوصيل على التوازي Parallel Circuit دائرة كهربائية تحتوي على أكثر من فرع يمكن أن يسري فيه التيار الكهربائي، كما يظهر في الشكل ١٢، حيث يتفرع التيار لتتدفق الإلكترونات عبر المسارين كليهما في الدائرة. ولو تم قطع أحد المسارين فسوف تستمر الإلكترونات في التدفق عبر المسار الآخر، ولن تزول أجهزته ضمن أحد الأجهزة عن العمل. فإذا أضيء جهاز جديد بخط منفرد حدث قطع في الدائرة عبر المسارات الأخرى، ولن تتوقف الأجهزة عن العمل.
تختلف مقاومة كل مسار في دائرة التوصيل على التوازي باختلاف الأجهزة الموصولة فيه؛ كلما قلت مقاومة المسار زاد مقدار التيار المار فيه. لذا إذا قد تختلف قيمة التيار من مسار إلى آخر.
الشكل ١٢
تمثل هذه الدائرة طريقة التوصيل على التوازي التي تتضمن أكثر من مسار لتدفق التيار.
توقع: ماذا يحدث للتيار في هذه الدائرة إذا أزيل أحد أسلاك التوصيل؟
حماية الدوائر الكهربائية
يزداد التيار الذي يتدفق من البطارية أو أي مصدر قدرة آخر في دوائر التوصيل على التوازي كلما أضيفت أجهزة أخرى للدائرة؛ لذا ترتفع درجة حرارة الأسلاك. وقد يؤدي استمرار ذلك الارتفاع في درجة الحرارة إلى حدوث حريق.
ولكن فلزات تستخدم في الدائرة منصهرات أو قواطع كهربائية، كما في الشكل ١٣؛ لتضع حدًا لزيادة التيار. فإذا وصلت شدة التيار الكهربائي إلى ١٥ أمبير أو ٢٠ أمبير يحدث انصهار في سلك فلزي رفيع داخل المنصهر، أو يفتح القاطع فتصبح الدائرة الكهربائية مفتوحة. وفي كلتا الحالتين يتوقف التيار الكهربائي. ويسري التيار الكهربائي ثانية عند تغيير المنصهر أو إغلاق القاطع.
الشكل ١٣
قد يكون لديك في المنزل مثل هذه المنصهرات التي تمنع ارتفاع درجة حرارة الأسلاك الكهربائية.
يحتوي المنصهر على سلك فلزي رفيع ينصهر عندما يزيد التيار الكهربائي مقدار معين، وبذلك تنقطع الدائرة الكهربائية.
في بعض المباني توضع كل دائرة مع منصهر وتوضع جميعها في صندوق خاص.
اسم الصورة:
04_دوائر_التوصيل_على_التوازي_وحماية_الدوائر.png
القدرة الكهربائية
عند استخدام بعض الأجهزة الكهربائية - ومنها محمصة الخبز، أو مجفف الشعر، أو غيرها - فإنك تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة. وتعرف القدرة التي تتحول الطاقة بالقدرة الكهربائية Electric Power. ويمكن حساب القدرة الكهربائية المستهلكة في جهاز كهربائي أو أي دائرة كهربائية باستخدام المعادلة الآتية:
معادلة القدرة الكهربائية
القدرة «واط» = التيار «أمبير» × الجهد «فولت»
القدرة = ت × جـ
القدرة الكهربائية تساوي حاصل ضرب الجهد الواصل للجهاز الكهربائي في شدة التيار الكهربائي المار في هذا الجهاز. والواط، الوحدة الدولية لقياس القدرة هي «الواط». ويبين الجدول ١ القدرة التي تستهلكها بعض الأجهزة الكهربائية الشائعة الاستعمال.
الجدول ١: القدرة المستهلكة لبعض الأجهزة
| الجهاز | القدرة «واط» |
| ------------ | -----------: |
| الحاسوب | ٣٥٠ |
| شاشة التلفاز | ٢٠٠ |
| المسجل | ٢٥٠ |
| الثلاجة | ٤٥٠ |
| الميكروويف | ٧٠٠ - ١٥٠٠ |
| مجفف الشعر | ١٠٠٠ |
تطبيق الرياضيات: حل معادلة بسيطة
القدرة الكهربائية لمصباح كهربائي
وصل مصباح كهربائي بمصدر جهد كهربائي مقداره ١١٠ فولت. ما مقدار القدرة الكهربائية التي يستهلكها المصباح إذا كانت شدة التيار فيه تساوي ٠٫٥٥ أمبير؟
الحل
١. المعطيات:
الجهد الكهربائي: جـ = ١١٠ فولت
التيار الكهربائي: ت = ٠٫٥٥ أمبير
٢. المطلوب:
القدرة الكهربائية؟
٣. طريقة الحل:
لحساب القدرة الكهربائية نعوض القيم المعطاة في معادلة القدرة الكهربائية:
القدرة الكهربائية = جـ × ت
= ١١٠ فولت × ٠٫٥٥ أمبير
= ٦٠٫٥ واط
٤. التحقق من الحل:
اقسم الجواب على قيمة التيار، يجب أن تكون النتيجة قيمة الجهد الكهربائي.
مسائل تدريبية
- تستخدم في مشغل الأقراص المدمجة بطارية جهدها الكهربائي ٣ فولت. فإذا علمت أن شدة التيار الكهربائي المار في المشغل تساوي ٠٫٥ أمبير، فما مقدار القدرة الكهربائية التي يستهلكها هذا المشغل؟
- ما شدة التيار المار في محمصة خبز تستهلك قدرة كهربائية مقدارها ١١٠٠ واط، وتعمل على جهد كهربائي مقداره ١١٠ فولت؟
- تعمل مجففة ملابس بقدرة كهربائية مقدارها ٤٤٠٠ واط. إذا كانت شدة التيار الكهربائي المار فيها ٢٠ أمبير، ما مقدار الجهد الكهربائي الذي تعمل عليه؟
اسم الصورة:
05_القدرة_الكهربائية_وحل_معادلة_بسيطة.png
تكلفة الطاقة الكهربائية
القدرة هي معدل استهلاك الطاقة، أو هي كمية الطاقة التي تستهلك في الثانية الواحدة. فعندما تستعمل مجفف الشعر فإنك لذلك تستهلك كمية من الطاقة مقدارها ١٠٠٠ جول في الثانية الواحدة. وعندما تستعمل هذا الجهاز زمن استخدامه، فإذا استخدمته ٥ دقائق يوم أمس، و١٠ دقائق اليوم فتكون قد استهلكت اليوم طاقة كهربائية ضعف ما استهلكته أمس.
يترتب على استخدام الطاقة الكهربائية تكلفة مالية. لذلك تقوم شركات الكهرباء بتوليد الطاقة الكهربائية وتوجهها للمستهلك بوحدة كيلوواط. ساعة. والكيلوواط. الساعة الواحدة kWh هو مقدار من الطاقة الكهربائية يساوي استهلاك قدرة مقدارها ١٠٠٠ واط بشكل مستمر لمدة ساعة واحدة. ويكفي هذا المقدار من الطاقة لإضاءة عشرة مصابيح قدرة كل منها ١٠٠ واط مدة ساعة واحدة، أو إضاءة مصباح واحد قدرته ١٠٠ واط مدة ١٠ ساعات.
ماذا قرأت؟
علام يدل الرمز kWh؟ وماذا يقيس؟
ترسل شركة الكهرباء لعملائها فاتورة خاصة لتخبرهم بمقدار الطاقة الكهربائية التي استهلكوها خلال الشهر؛ ليسدد المستهلكون ما عليهم، حيث يتم قياس كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة بوحدة كيلوواط ساعة، باستخدام عداد الكهرباء الخاص بذلك، والذي يركب عادة في مكان ما خارج المبنى، كما هو موضح في الشكل ١٤.
الشكل ١٤
عداد كهرباء يقيس كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة بوحدة كيلوواط. ساعة.
تعرف عداد الكهرباء المركب في منزلك.
الكهرباء والسلامة
هل شعرت يومًا بصدمة كهربائية ناتجة عن الكهرباء الساكنة، مثل لمس مقبض الباب أو السيارة، أو بعض الملابس في يوم جاف؟ إن ذلك الشعور مشابه للوخز أو لسع الحشرات. ولكن الكهرباء، إذا انتقل عبر جسمك تيار عالٍ، فقد تحدث إصابات أو صعقات أدت في السنوات الماضية وفاة العديد من الأشخاص بسبب الصعق بالكهرباء. والجدول ٢ يلخص بعض إرشادات السلامة التي تساعد على تجنب حوادث الكهرباء.
الصدمة الكهربائية
إذا سرى تيار كهربائي في جسمك فسوف تعاني من صدمة كهربائية. إذ يشبه جسمك في بعض الأحيان سلكًا معزولًا؛ فالسوائل داخل جسمك موصلة جيدة للكهرباء، في حين أن مقاومة الجلد الجاف للتيار الكهربائي أكبر كثيرًا من مقاومة الجلد الرطب. فالغلاف البلاستيكي كما يغلف حول السلك النحاسي، وهو يمنع التيار من دخول الجسم إلا أن التيار الكهربائي يعبر جسمك عندما يصبح جسمك جزءًا من دائرة كهربائية بطريق الخطأ، وقد تكون الصدمة قاتلة عند مرور مقدار معين من التيار الكهربائي.
الجدول ٢: تجنب الصدمة الكهربائية
- لا تستخدم أية أجهزة عندما تكون وصلاتها محطمة أو تالفة.
- افصل الجهاز عن مقبس الكهرباء عند حدوث مشكلة ما.
- تجنب ملامسة وصلات الأجهزة الكهربائية أو فصلها.
- لا تلمس خطوط القدرة العارية في أية آلة كهربائية أو خطط الطائرة الورقية.
- تنفيذ إرشادات السلامة العامة والتحذيرات لتجدد وصولاتها باستمرار.
اسم الصورة:
06_تكلفة_الطاقة_الكهربائية_والكهرباء_والسلامة.png
تأثيرات التيار الكهربائي
يوضح المقياس الآتي كيف يؤثر التيار الكهربائي في جسم الإنسان، اعتمادًا على كمية التيار المتدفق إلى الجسم:
| شدة التيار | التأثير |
| ---------- | ---------------------- |
| ٠٫٠٠٠٠٥ | ارتعاش |
| ٠٫٠٠١ | وخز خفيف |
| ٠٫٠١ | عدم القدرة على الإفلات |
| ٠٫٠٢٥ | صعوبة التنفس |
| ٠٫٠٥ | توقف القلب |
| ٠٫٢٥ | حروق خطيرة |
| ١٫٠٠ | موت القلب |
| ١٫٠٠٠ | الوفاة |
الأمان من الصاعقة
البرق سبب الحوادث في البلدان المطيرة قبل أن تموت الحوادث بأكبر عدد من مسببات العواصف والأعاصير. وتحدث أغلب حالات الموت والإصابة بسبب البرق خارج المنازل. فإذا كنت خارج المنزل، ورأيت البرق، أو سمعت صوت الرعد، فعليك الدخول إلى أقرب بناء فورًا. وإذا لم تستطع ذلك فاتبع هذه النصائح: تجنب الأماكن العالية، والحقول المفتوحة، وابتعد عن الأجسام الطويلة مثل الأشجار، وسواري الأعلام وأعمدة الإنارة التي قد تنزل فيها آثار كهربائي بسبب البرق، ومنها خزانات المياه والمسطحات المائية، والهياكل الفلزية المختلفة.
مراجعة الدرس ٢
الخلاصة
الدوائر الكهربائية
- يوجد في الدائرة الكهربائية علاقة بين الجهد، والتيار، والمقاومة، وذلك وفق قانون أوم:
- تحتوي دوائر التوصيل على التوالي على مسار واحد للتيار فقط.
- تحتوي دوائر التوصيل على التوازي على عدة مسارات مختلفة للتيار.
جـ = ت × م
القدرة والطاقة الكهربائية
- القدرة الكهربائية التي يستهلكها جهاز كهربائي هي معدل تحويله للطاقة الكهربائية إلى شكل آخر من أشكال الطاقة.
- يتم حساب القدرة الكهربائية باستخدام العلاقة:
- تعتمد كمية الطاقة الكهربائية التي يستهلكها الجهاز الكهربائي على القدرة الكهربائية لذلك الجهاز وزمن تشغيله.
- أما وحدة قياسها فهي الكيلوواط. ساعة.
القدرة الكهربائية = ت × جـ
اختبر نفسك
- قارن بين تياري مصباحين كهربائيين يتصلان على التوالي في دائرة كهربائية.
- صف كيف يتغير التيار في دائرة كهربائية إذا نقصت قيمة المقاومة الكهربائية وبقي الجهد الكهربائي ثابتًا؟
- وضح سبب استخدام التوصيل على التوازي في المباني، بدلًا من التوصيل على التوالي.
- حدد ما الذي يسبب الأذى لجسم الإنسان عند جري صدمة كهربائية؟
- التفكير الناقد: ما الذي يجعل استخدام مصباح قدرته ١٠٠ واط أكثر تكلفة على المستهلك من استخدام مجفف الشعر الذي قدرته ١٢٠٠ واط؟
تطبيق الرياضيات
- حساب الطاقة المستهلكة في منزل طاقة كهربائية مقدارها ١٠٠٠ كيلوواط. ساعة كل شهر، إذا كانت شركة الكهرباء تزود ١٠٠٠ منزل بهذا المستوى، فما مقدار الطاقة اللازم إنتاجها في السنة؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.