ثانوي · الصف 3

التيار الكهربائي والدوائر الكهربائية

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

1-1 التيار الكهربائي والدوائر الكهربائية

Current and Circuits

تجربة استهلالية

هل يمكنك إنارة مصباح كهربائي؟

سؤال التجربة

إذا أُعطيت سلكًا وبطارية ومصباحًا، فهل يمكنك إنارة المصباح؟

الخطوات

  • احصل من معلمك على مصباح كهربائي وسلك وبطارية، ثم حاول إيجاد الطرائق الممكنة لإنارة المصباح.

    • تحذير: السلك حاد، وقد يجرح الجلد، كما أنه يسخن إذا وُصلت نهايتاه بقطبي بطارية.

  • أنشئ رسمًا تخطيطيًا لطريقتين يمكنك بهما إنارة المصباح. تأكد من كتابة أسماء الأجزاء: البطارية والسلك والمصباح على الرسم.
  • أنشئ رسمًا تخطيطيًا لثلاث طرائق على الأقل لا يمكنك استعمالها في إنارة المصباح.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_استهلالية_هل_يمكنك_إنارة_مصباح_كهربائي.png

التحليل

كيف يمكنك معرفة ما إذا كان التيار الكهربائي يسري في الدائرة أم لا؟ وما العلاقة المشتركة بين رسومك الخاصة والمصباح المضيء؟ وما العلاقة المشتركة بين رسومك الخاصة والمصباح غير المضيء؟ وفقًا لملاحظاتك، ما الشروط التي يجب توافرها لكي يضيء المصباح؟

التفكير الناقد

ما الذي يؤدي إلى سريان الكهرباء في المصباح؟

1-1 التيار الكهربائي والدوائر الكهربائية

Current and Circuits

لا يمكن الاستغناء عن الطاقة الكهربائية في حياتنا اليومية؛ وهي لا تفنى بل تتحول إلى أشكال أخرى بسهولة.

فهناك أمثلة كثيرة على ذلك؛ ففي منزلك تساعدك الأنوار على القراءة، كما يعتمد عمل الحواسيب على الكهرباء. أما خارج المنزل فمصابيح إنارة الشوارع والإشارات الضوئية تستخدم تدفق الشحنات الكهربائية.

وستتعلم في هذا الفصل كيف يرتبط فرق الجهد، والمقاومة، والتيار معًا، وستتعرف أيضًا القدرة الكهربائية وتحولات الطاقة.

تعلم أن للماء المتدفق من أعلى شلال طاقة وضع وطاقة حركية. ورغم توافر كمية كبيرة من طاقتي الوضع والحركية الطبيعيتين في بعض المصادر الطبيعية كما في الشلالات وموجات البحر مثلًا، وبسبب بعد هذه المصادر عن مناطق السكن والمصانع فنضطر إلى نقلها بكفاءة.

وتعد الطاقة الكهربائية الوسيلة الأمثل لنقل كميات كبيرة من الطاقة مسافات كبيرة دون فقد جزء كبير منها. وتتم عملية النقل هذه عادة عند فروق جهد كبيرة عبر أسلاك نقل القدرة.
كتلك الموضحة في الصفحة السابقة
وعندما تصل هذه الطاقة إلى المستهلك يمكن تحويلها بسهولة إلى شكل آخر، أو مجموعة أشكال أخرى، منها: الطاقة الصوتية، والطاقة الضوئية، والطاقة الحرارية، والطاقة الحركية.

الأهداف

  • تصف الشروط اللازمة لسريان تيار كهربائي في دائرة كهربائية.
  • توضح قانون أوم.
  • تصمم دوائر كهربائية مغلقة.
  • تفرق بين القدرة والطاقة في دائرة كهربائية.

المفردات

| المفردة |
| ------------------- |
| التيار الكهربائي |
| التيار الاصطلاحي |
| البطارية |
| الدائرة الكهربائية |
| حفظ الشحنة |
| الأمبير |
| المقاومة الكهربائية |
| التوصيل على التوازي |
| التوصيل على التوالي |

توليد التيار الكهربائي

Producing Electric Current

تعلمت سابقًا أنه عند تلامس كرتين موصلتين تتدفق الشحنات من الكرة ذات الجهد الأعلى إلى الكرة ذات الجهد المنخفض، ويستمر التدفق حتى يتلاشى فرق الجهد بينهما.

ويسمى المعدل الزمني لتدفق الشحنة الكهربائية التيار الكهربائي.

ويوضح الشكل 1-1a لوحين موصلين A و B، تم توصيلهما بسلك موصل C. ولأن جهد B أكبر من جهد A فإن الشحنات تتدفق من B إلى A عبر السلك C.

ويسمى تدفق الشحنات الموجبة التيار الاصطلاحي.

ويتوقف التدفق عندما يصبح فرق الجهد بين A و B و C صفرًا.

ويمكنك المحافظة أو الإبقاء على وجود فرق جهد كهربائي بين A و B عن طريق ضخ جسيمات مشحونة من اللوح A لتعود إلى اللوح B، كما هو موضح في الشكل 1-1b.

ولأن المضخة، مصدر الجهد، تعمل على زيادة طاقة الوضع الكهربائية للشحنات فإنها تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي حتى تعمل.

ولهذه الطاقة مصادر متنوعة؛ فمثلًا تعد الخلية الفولتية، أو الخلية الجلفانية، البطارية الجافة الشائعة، أحد هذه المصادر المألوفة؛ إذ تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

وعند وصل عدة خلايا جلفانية معًا يتشكل ما يسمى البطارية.

وهناك مصدر آخر للطاقة الكهربائية، وهو خلية الفولتية الضوئية أو الخلية الشمسية، حيث تعمل هذه الخلية على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.

الشكل 1-1

يعرف التيار الاصطلاحي بأنه تدفق الشحنات الموجبة من اللوح الموجب إلى اللوح السالب (a).

ويضخ المولد الشحنات الموجبة لتعود إلى اللوح الموجب، مما يؤدي إلى استمرار سريان التيار (b).

وفي أغلب الفلزات تتدفق الإلكترونات ذات الشحنة السالبة من اللوح السالب إلى اللوح الموجب، مما يجعل الشحنات الموجبة تبدو وكأنها تتحرك في الاتجاه المعاكس.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-1_توليد_التيار_الكهربائي_والتيار_الاصطلاحي.png

الدوائر الكهربائية

Electric Circuits

تتحرك الشحنات الموضحة في الشكل 1-1b في مسار مغلق، بحيث تتحرك في دورة تبدأ من البطارية، المضخة، ثم تصل إلى اللوح B من خلال الموصل C، وتصل بعد ذلك إلى اللوح A لتعود إلى المضخة مرة أخرى.

وتسمى أي حلقة مغلقة أو مسار موصل يسمح بتدفق الشحنات الكهربائية الدائرة الكهربائية.

وتحتوي الدائرة على بطارية، مضخة للشحنات، تعمل على زيادة طاقة الوضع الكهربائية للشحنات المتدفقة من A إلى B، كما تحتوي أيضًا على أداة تقلل من طاقة الوضع الكهربائية للشحنات المتدفقة من B إلى A.

وتتحول عادة طاقة الوضع التي تفقدها الشحنات المتحركة qV بهذه الأداة إلى أشكال أخرى للطاقة.

فمثلًا يعمل المحرك على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية، ويحول المصباح الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية، وتحول المدفأة الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية.

فدور البطارية هو تزويد الشحنات الكهربائية بطاقة تمكنها من التدفق في الدائرة مشكلة تيارًا كهربائيًا.

حفظ الشحنة

الشحنات لا تفنى ولا تستحدث، ولكن يمكن فصلها؛ لذا فإن الكمية الكلية للشحنة، عدد الإلكترونات السالبة والأيونات الموجبة، في الدائرة لا تتغير.

فإذا تدفق كولوم واحد من الشحنات الكهربائية خلال ثانية واحدة في جزء من الدائرة الكهربائية المغلقة فسيتدفق المقدار نفسه من الشحنات في جميع أجزاء الدائرة نفسها، لذا تكون كمية الشحنة محفوظة.

كما تكون الطاقة محفوظة أيضًا؛ حيث إن التغير في الطاقة الكهربائية:

ΔE = qV

ولأن q محفوظة فإن التغير الكلي في طاقة الوضع للشحنات التي تحركت دورة كاملة في الدائرة الكهربائية يساوي صفرًا.

وتكون الزيادة في فرق الجهد في جزء من دائرة كهربائية مساوية للنقصان في فرق الجهد خلال الأجزاء الأخرى منها.

معدل تدفق الشحنة ومعدل تحول الطاقة

Rates of Charge Flow and Energy Transfers

تمثل القدرة المعدل الزمني لتحول الطاقة، وتقاس بوحدة الواط W.

فإذا حول مولد كهربائي 1 J من الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية في كل ثانية فعندئذ يمكننا القول إن المولد يحول الطاقة بمعدل:

1 J/s

أو:

1 W

وتعتمد الطاقة التي يحملها التيار الكهربائي على كمية الشحنات المنقولة q، كما تعتمد أيضًا على فرق الجهد V بين طرفي المسار الذي يتحرك فيه التيار؛ أي أن:

E = qV

ويسمى معدل تدفق الشحنة الكهربائية:

q/t

شدة التيار الكهربائي، ويقاس بوحدة كولوم لكل ثانية؛ حيث وحدة قياس كمية الشحنة الكهربائية هي الكولوم.

ويرمز إلى التيار الكهربائي بالرمز I، لذا فإن:

I = q/t

ويسمى تدفق:

1 C/s

الأمبير، ويرمز له بالرمز A، وهي الوحدة المعيارية لشدة التيار الكهربائي في النظام الدولي للوحدات SI.

ترتبط الطاقة التي يحملها التيار الكهربائي مع الجهد الكهربائي من خلال العلاقة:

E = qV

وحيث إن التيار:

I = q/t

يمثل المعدل الزمني لتدفق الشحنة فإنه يمكن تحديد القدرة:

P = E/t

لجهاز كهربائي بضرب الجهد في التيار.

ولاشتقاق هذه الصورة المألوفة لمعادلة القدرة الكهربائية الواصلة إلى جهاز كهربائي يمكنك استخدام العلاقة:

P = E/t

ثم تعوض فيها العلاقتين الآتيتين:

E = qV

و:

q = It

القدرة

P = IV

القدرة تساوي شدة التيار مضروبًا في فرق الجهد.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
معادلة_القدرة_الكهربائية.png

إذا كان التيار المار في محرك كهربائي يساوي 3.0 A، وفرق الجهد 120 V، فإن قدرة المحرك تحسب كما يأتي:

P = (3.0 C/s)(120 J/C) = 360 J/s

والتي تساوي:

360 W

مثال 1

القدرة الكهربائية والطاقة

ولدت بطارية جهدها 6.0 V تيارًا مقداره 0.50 A في محرك كهربائي عند وصله بطرفيها. احسب مقدار:

a. القدرة الواصلة إلى المحرك.
b. الطاقة الكهربائية الواصلة إلى المحرك، إذا تم تشغيله مدة 5.0 min.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مثال_1_القدرة_الكهربائية_والطاقة_بطارية_ومحرك.png

1. تحليل المسألة ورسمها

ارسم دائرة تبين فيها الطرف الموجب لبطارية موصول بمحرك، والسلك الراجع من المحرك موصول بالطرف السالب للبطارية.

وضح اتجاه التيار الاصطلاحي.

المعلوم

V = 6.0 V
I = 0.50 A
t = 5.0 min

المجهول

P = ?
E = ?

2. إيجاد الكمية المجهولة

a. استخدم المعادلة P = IV لإيجاد القدرة

P = IV

بالتعويض عن:

I = 0.50 A
V = 6.0 V

P = (0.50 A)(6.0 V)

P = 3.0 W

b. تعلمت سابقًا أن P = E/t

حل هذه المعادلة بالنسبة إلى E لإيجاد الطاقة الكهربائية الواصلة إلى المحرك:

E = Pt

بالتعويض عن:

P = 3.0 W
t = 5.0 min

E = (3.0 J/s)(5.0 min)(60 s / 1 min)

E = 9.0 × 10² J

3. تقويم الجواب

هل الوحدات صحيحة؟

تم قياس القدرة بالواط، والطاقة بالجول.

هل الجواب منطقي؟

مقدار التيار والجهد قليلان نسبيًا، لذا يكون المقدار القليل للقدرة منطقيًا.

دليل الرياضيات

الأرقام المعنوية.

مسائل تدريبية

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_1_5_القدرة_والطاقة.png

1

إذا مر تيار كهربائي مقداره 0.50 A في مصباح كهربائي فرق الجهد بين طرفيه 125 V، فما المعدل الزمني لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية؟ افترض أن كفاءة المصباح 100%.

2

تولد تيار مقداره 2.0 A في مصباح متصل ببطارية سيارة. ما مقدار القدرة المستهلكة في المصباح إذا كان فرق الجهد عليه 12 V؟

3

ما مقدار التيار الكهربائي المار في مصباح قدرته 75 W متصل بمصدر جهد مقداره 125 V؟

4

يمر تيار كهربائي مقداره 210 A في جهاز بدء التشغيل في محرك سيارة. فإذا كان فرق الجهد بين قطبي البطارية 12 V فما مقدار الطاقة الكهربائية التي تصل إلى جهاز بدء التشغيل خلال 10.0 s؟

5

مصباح كهربائي كتب عليه 0.90 W. إذا كان فرق الجهد بين طرفيه 3.0 V فما مقدار شدة التيار المار فيه؟

المقاومة الكهربائية وقانون أوم

Resistance and Ohm’s Law

درس العالم أوم (1787-1854) العلاقة بين التيار وفرق الجهد، وتوصل إلى أن التيار الكهربائي يتناسب طرديًا مع فرق الجهد، وعرفت هذه النتيجة باسم قانون أوم.

افترض أن هناك فرق جهد كهربائي بين موصلين، فإذا وصلا بقضيب نحاسي، فسينتج عن ذلك تيار كهربائي كبير.

أما عند وضع قضيب زجاجي بينهما فغالبًا لن يسري تيار كهربائي.

وتسمى الخاصية التي تحدد مقدار التيار الذي سيمر المقاومة الكهربائية.

يحتوي الجدول 1-1 على قائمة لبعض العوامل التي تؤثر في المقاومة، حيث يتم قياس المقاومة بتطبيق فرق جهد على طرفي الموصل، ثم قسمة الجهد على التيار المتولد.

وتعرف المقاومة R بأنها نسبة فرق الجهد الكهربائي V إلى التيار الكهربائي I.

المقاومة

R = V / I

المقاومة تساوي فرق الجهد الكهربائي مقسومًا على شدة التيار.

تقاس مقاومة موصل R بوحدة الأوم، ويعرف الأوم الواحد 1 Ω بأنه مقاومة موصل يمر فيه تيار شدته 1 A عندما يكون فرق الجهد بين طرفيه 1 V.

الجدول 1-1

تغير المقاومة

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الجدول_1-1_تغير_المقاومة.png

| العامل | كيفية تغير المقاومة | مثال |
| ------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ----------------------------------------------------------- |
| الطول | تزداد المقاومة الكهربائية بزيادة الطول. | RL₁ > RL₂ |
| مساحة المقطع العرضي | تزداد المقاومة الكهربائية بنقصان مساحة المقطع العرضي. | RA₁ > RA₂ |
| درجة الحرارة | تزداد المقاومة بزيادة درجة الحرارة. | RT₁ > RT₂ |
| نوع المادة | عند تثبيت كل من الطول ومساحة المقطع العرضي ودرجة الحرارة، تتغير المقاومة الكهربائية وفق نوع المادة المستخدمة. | تزداد R: البلاتين، الحديد، الألومنيوم، الذهب، النحاس، الفضة |

الشكل 1-2

يعرف الأوم الواحد 1 Ω بأنه 1 V/A.

يمر تيار كهربائي مقداره 4 A في دائرة كهربائية تحوي مقاومة كهربائية مقدارها 3 Ω عند وصلها ببطارية فرق الجهد بين قطبيها 12 V.

العلاقة الموضحة:

R = V / I

R = 12 V / 4 A

R = 3 Ω

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-2_دائرة_بسيطة_توضح_الأوم.png

يوضح الشكل 1-2
دائرة كهربائية بســيطة تربط بن المقاومة والتيار والجهد ،وقد أكملت الدائرة الكهربائية
بتوصيل أمير بها؛ وهو جهاز يقيس شدة التيار الكهربائي.
وقد سميت وحدة المقاومة الأوم نسبة إلى العالم الألماني جورج سيمون أوم، الذي وجد أن النسبة بين فرق الجهد بين طرفي موصل وشدة التيار المار فيه ثابتة للموصل الواحد.

ولا تتغير مقاومة معظم الموصلات بتغير مقدار أو اتجاه الجهد المطبق عليها.

ويقال عن الموصل إنه يحقق قانون أوم إذا كانت مقاومته ثابتة لا تعتمد على فرق الجهد بين طرفيه.

وتحقق معظم الموصلات الفلزية قانون أوم ضمن حدود معينة لفروق الجهد، وتعتمد مقاومة تلك الموصلات على طول الموصل ومساحة مقطعه العرضي ونوع مادته إضافة إلى درجة حرارته.

إلا أن هناك العديد من الأجهزة المهمة لا تحقق قانون أوم، فالمذياع والآلة الحاسبة يحتويان عددًا من الترانزستورات والصمامات الثنائية، الدايودات، وحتى المصباح الكهربائي له أيضًا مقاومة تعتمد على درجة حرارته، كما أنه لا يحقق قانون أوم.

إن مقاومة الأسلاك المستخدمة في توصيل الأجهزة الكهربائية قليلة.

فمقاومة سلك مثالي طوله 1 m من النوع المستخدم في مختبرات الفيزياء تساوي 0.03 Ω، أما الأسلاك المستخدمة في التمديدات المنزلية فتكون مقاومتها صغيرة وتساوي 0.004 Ω تقريبًا لكل متر من طولها.

ولأن مقاومة هذه الأسلاك قليلة جدًا فإنه لا يحدث غالبًا نقصان أو هبوط للجهد خلالها.

ولإنتاج هبوط أكبر في الجهد يلزم وجود مقاومة كبيرة مركزة في حجم صغير.

ويمكن صنع المقاومات من الجرافيت أو أشباه الموصلات أو باستعمال أسلاك طويلة ورفيعة.

تطبيق الفيزياء

المقاومة الكهربائية

تبلغ مقاومة مصباح كهربائي مضاء قدرته الكهربائية 100 W حوالي 140 Ω.

أما عند إطفائه وتركه حتى تصبح درجة حرارته مساوية درجة حرارة الغرفة فتنخفض مقاومته إلى 10 Ω فقط.

ويرجع سبب هذا الاختلاف في المقاومة إلى الاختلاف الكبير بين درجة حرارة الغرفة ودرجة حرارة المصباح المضاء.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تطبيق_الفيزياء_المقاومة_الكهربائية_مصباح_100W.png

هناك طريقتان للتحكم في شدة التيار المار في دائرة كهربائية؛ حيث يمكن التحكم في شدة التيار الكهربائي I عن طريق تغيير V أو R أو كليهما؛ وذلك لأن:

I = V / R

ويوضح الشكل 1-3a دائرة بسيطة؛ فعندما تكون V تساوي 6 V، و R تساوي 30 Ω يكون مقدار التيار 0.2 A.

فكيف يمكن تقليل مقدار التيار ليصبح 0.1 A؟

بالرجوع إلى قانون أوم تلاحظ أنه كلما زاد فرق الجهد المطبق على مقاومة زادت شدة التيار الكهربائي المار فيه.

أما إذا قل فرق الجهد المطبق على المقاومة إلى النصف فسوف تقل شدة التيار المار فيه إلى النصف أيضًا.

ويوضح الشكل 1-3b أن الجهد المطبق على طرفي المقاومة قل من 6 V إلى 3 V؛ وذلك لتقليل التيار ليصبح 0.1 A.

وهناك طريقة أخرى لتقليل التيار حتى يصبح 0.1 A، وذلك بوضع مقاومة 60 Ω بدلًا من المقاومة 30 Ω، كما هو موضح في الشكل 1-3c.

الشكل 1-3

يمكن التحكم في التيار المار في الدائرة البسيطة الموضحة في الشكل (a) عن طريق إزالة بعض الخلايا الجافة (b) أو بزيادة مقاومة الدائرة (c).

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-3_التحكم_في_التيار_بتغيير_الجهد_او_المقاومة.png

وتستخدم المقاومات عادة للتحكم في التيار المار في الدائرة الكهربائية، أو في أجزاء منها.

ونحتاج أحيانًا في بعض التطبيقات إلى تغيير سلس ومستمر للتيار.

فمثلًا تسمح أدوات التحكم في السرعة في بعض المحركات الكهربائية بتغيير دوران المحرك على مدى واسع ومستمر بدلًا من تلك التغييرات التي تكون محددة في صورة خطوة-خطوة.

ولتحقيق هذا النوع من التحكم تستخدم مقاومة متغيرة.

ويوضح الشكل 1-4 دائرة كهربائية تحتوي على مقاومة متغيرة.

وتتكون بعض المقاومات المتغيرة من ملف مصنوع من سلك فلزي ونقطة اتصال منزلقة، متحركة.

وبتحريك نقطة الاتصال إلى مواقع مختلفة على الملف يتغير طول السلك الذي يصبح ضمن الدائرة الكهربائية؛ فبزيادة طول السلك في الدائرة تزداد مقاومة الدائرة، لذا يتغير التيار وفق المعادلة:

I = V / R

وبهذه الطريقة يمكن تعديل سرعة محرك من دوران سريع عندما يكون طول السلك في الدائرة قصيرًا، ليصبح دورانه بطيئًا عند زيادة طول السلك في الدائرة.

وهناك أمثلة أخرى على استخدام المقاومات المتغيرة للتحكم في مستويات الطاقة الكهربائية في التلفاز وضبطها، مثل التحكم في الصوت ودرجة سطوع الصورة وتباينها والألوان، وتعد جميع أدوات الضبط هذه مقاومات متغيرة.

الشكل 1-4

يمكن استعمال مقاومة متغيرة للتحكم في التيار المار في دائرة كهربائية.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-4_استخدام_مقاومة_متغيرة_للتحكم_في_التيار.png

جسم الإنسان

يؤثر جسم الإنسان بوصفه مقاومة متغيرة؛ حيث تكون مقاومة الجلد الجاف كبيرة بقدر كاف لجعل التيارات الناتجة عن الجهود الصغيرة والمعتدلة قليلة.

أما إذا أصبح الجلد رطبًا فستكون مقاومته أقل.

وقد يرتفع التيار الكهربائي الناتج عن هذه الجهود إلى مستويات خطرة.

ويمكن الشعور بتيار كهربائي صغير يصل مقداره إلى قيمة قريبة من 1 mA في صورة صدمة كهربائية خفيفة.

أما التيارات التي مقاديرها قريبة من 15 mA فقد تؤدي إلى فقدان السيطرة على العضلات.

في حين أن التيارات التي مقاديرها قريبة من 100 mA قد تؤدي إلى الموت.

تمثيل الدوائر الكهربائية

Diagramming Circuits

يمكن وصف دائرة كهربائية بسيطة بالكلمات، كما يمكن أيضًا تصويرها فوتوغرافيًا أو بالرسم الفني لأجزائها.

وترسم الدوائر الكهربائية غالبًا باستخدام رموز معينة لأجزاء الدائرة.

ومثل هذا الرسم يسمى الرسم التخطيطي للدائرة.

ويوضح الشكل 1-5 بعض الرموز المستخدمة في الرسوم التخطيطية للدوائر الكهربائية.

الشكل 1-5

تستخدم هذه الرموز عادة للرسم التخطيطي للدوائر الكهربائية.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-5_رموز_الدوائر_الكهربائية.png

رموز الدوائر الكهربائية الموضحة في الشكل

| الرمز / الجزء |
| ---------------------------------- |
| موصل |
| مفتاح كهربائي |
| منصهر كهربائي |
| مكثف |
| مقاومة ثابتة |
| مقاومة متغيرة |
| ملف، محث |
| تأريض |
| يوجد نقطة توصيل كهربائي |
| لا يوجد نقطة توصيل كهربائي |
| بطارية |
| مولد تيار مستمر DC أو محرك كهربائي |
| مصباح كهربائي |
| فولتمتر |
| أميتر |

مثال 2

التيار المار في مقاومة

وصلت بطارية فرق الجهد بين قطبيها 30.0 V بمقاومة مقدارها 10.0 Ω. ما مقدار التيار المار في الدائرة؟

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مثال_2_التيار_المار_في_مقاومة.png

1. تحليل المسألة ورسمها

ارسم دائرة تحتوي على بطارية وأميتر ومقاوم.

وضح اتجاه التيار الاصطلاحي.

المعلوم

V = 30.0 V
R = 10.0 Ω

المجهول

I = ?

2. إيجاد الكمية المجهولة

استخدم المعادلة:

I = V / R

لإيجاد التيار.

بالتعويض عن:

V = 30.0 V
R = 10.0 Ω

I = 30.0 V / 10.0 Ω

I = 3.00 A

3. تقويم الجواب

هل الوحدات صحيحة؟

يقاس التيار بوحدة الأمبير A.

هل الجواب منطقي؟

الجهد كبير والمقاومة قليلة، لذا يكون مقدار التيار 3.00 A منطقيًا.

دليل الرياضيات

إجراء العمليات الحسابية باستعمال الأرقام المعنوية.

مسائل تدريبية

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_6_10_قانون_أوم.png

افترض في هذه المسائل جميعها أن جهد البطارية ومقاومات المصابيح ثابتة، بغض النظر عن مقدار التيار.

6

إذا وصل محرك بمصدر جهد، وكانت مقاومة المحرك في أثناء تشغيله 33 Ω، ومقدار التيار المار في تلك الدائرة 3.8 A، فما مقدار جهد المصدر؟

7

يمر تيار مقداره 2.0 × 10⁻⁴ A في مجس عند تشغيله ببطارية جهدها 3.0 V. ما مقدار مقاومة دائرة جهاز المجس؟

8

يسحب مصباح تيارًا مقداره 0.50 A عند توصيله بمصدر جهد مقداره 120 V. احسب مقدار:

a. مقاومة المصباح.
b. القدرة الكهربائية المستهلكة في المصباح.

9

وصل مصباح كتب عليه 75 W بمصدر جهد 125 V. احسب مقدار:

a. التيار المار في المصباح.
b. مقاومة المصباح.

10

في المسألة السابقة، إذا أضيفت مقاومة للمصباح لتقليل التيار المار فيه إلى نصف قيمته الأصلية، فما مقدار:

a. فرق الجهد بين طرفي المصباح؟
b. المقاومة التي أضيفت إلى الدائرة؟
c. القدرة الكهربائية التي يستهلكها المصباح الآن؟

الشكل 1-6

تمثيل تصويري لدائرة بسيطة (a)، وتمثيل آخر تخطيطي (b).

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-6_تمثيل_تصويري_وتخطيطي_لدائرة_بسيطة.png

يوضح الشكلان 1-6a و 1-6b الدائرة نفسها بالرسم التصويري والرسم التخطيطي.

ولعلك تلاحظ أن الشحنة الكهربائية في كلا الشكلين تتدفق خارجة من القطب الموجب للبطارية.

ولإنشاء الرسوم التخطيطية للدوائر الكهربائية استخدم استراتيجية حل المسألة أدناه، وحدد دائمًا اتجاه التيار الاصطلاحي.

تعلمت أن الأميتر يقيس التيار، والفولتمتر يقيس فرق الجهد.

ولكل جهاز طرفان يميزان عادة بـ + و - لأجهزة قياس التيار المستمر.

يقيس الفولتمتر فرق الجهد على أي من أجزاء الدائرة أو عناصرها.

ولقياس فرق الجهد الكهربائي على أي عنصر في الدائرة، يوصل دائمًا طرف الفولتمتر الموجب + بطرف العنصر الأقرب إلى القطب الموجب للبطارية، ويوصل الطرف الآخر للفولتمتر بالطرف الآخر للعنصر.

تجربة

تأثيرات التيار الكهربائي

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_تأثيرات_التيار_الكهربائي.png

هل تعتقد أن التيار يقل عند مروره خلال عناصر مختلفة في الدائرة؟

اعمل كالعلماء لكي تتمكن من اختبار هذا السؤال عمليًا.

الخطوات

  • ارسم دائرة كهربائية تتضمن مصدر قدرة ومصباحين كهربائيين صغيرين.
  • ارسم الدائرة مرة أخرى، وضمن رسمك أميترًا؛ حتى تتمكن من قياس التيار بين مصدر القدرة والمصباحين.
  • ارسم رسمًا تخطيطيًا ثالثًا للدائرة الكهربائية، على أن توضح فيه الأميتر في موقع يمكنك من قياس التيار الكهربائي المار بين المصباحين.

التحليل والاستنتاج

  • توقع هل يكون التيار بين المصباحين أكبر من التيار الذي يكون قبلهما، أو أقل منه، أو يبقى ثابتًا؟ وضح إجابتك.
  • اختبر توقعك عن طريق تركيب الدوائر الكهربائية.

    • تحذير: السلك حاد، وقد يجرح الجلد.

استراتيجيات حل المسألة

إنشاء الرسوم التخطيطية

اتبع هذه الخطوات عند إعداد الرسوم التخطيطية:

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
استراتيجيات_حل_المسألة_إنشاء_الرسوم_التخطيطية.png

  • ارسم رمز البطارية أو رمز أي مصدر آخر للطاقة الكهربائية، مثل البطارية الموضحة في الجانب الأيسر من أعلى الصفحة، واجعل الطرف الموجب، وهو الخط الأكبر، في الأعلى.
  • ارسم سلكًا خارجًا من الطرف الموجب للبطارية، وعند الوصول إلى مقاومة أو أي مكون، عنصر، آخر، ارسم الرمز الخاص به.
  • عند الوصول إلى نقطة يكون عندها مساران للتيار الكهربائي، كتلك النقطة الموصول عندها الفولتمتر، نرسم الرمز في الرسم التخطيطي. اتبع أحد المسارين إلى أن يتجمع مسارا التيار مرة أخرى، ثم ارسم بعد ذلك المسار الثاني.
  • اتبع مسار التيار حتى تصل إلى الطرف السالب للبطارية، والذي يرسم على شكل خط مواز للطرف الموجب، ولكنه أقصر.
  • تحقق من صحة عملك، وأنه تضمن كل الأجزاء، وأن المسارات مكتملة ليمر التيار.

مسائل تدريبية

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_11_13_الرسم_التخطيطي_والدوائر.png

11

ارسم رسمًا تخطيطيًا لدائرة توال تحتوي على بطارية فرق الجهد بين طرفيها 60.0 V، وأميتر، ومقاومة مقدارها 12.5 Ω، وأوجد قراءة الأميتر، وحدد اتجاه التيار.

12

أضف فولتمتر إلى الرسم التخطيطي للدائرة الكهربائية في المسألة السابقة لقياس فرق الجهد بين طرفي المقاومتين، ثم أعد حلها.

13

ارسم دائرة على أن تستخدم بطارية ومصباحًا ومفتاحًا كهربائيًا ومقاومة متغيرة لتعديل سطوع المصباح.

عند توصيل فولتمتر بين طرفي عنصر في دائرة كهربائية فإن هذا التوصيل يسمى التوصيل على التوازي، كما هو موضح في الشكل 1-7a.

ويسمى أي توصيل كهربائي يتفرع فيه التيار إلى مسارين أو أكثر التوصيل على التوازي.

ويكون فرق الجهد بين طرفي الفولتمتر مساويًا لفرق الجهد بين طرفي العنصر في الدائرة، لذا يرافق حالة التوصيل على التوازي دائمًا العبارة الآتية:

الجهد متساوٍ.

يقيس الأميتر التيار المار في عنصر في الدائرة.

والتيار نفسه الذي يمر في العنصر يجب أن يمر في الأميتر، لذا يكون هناك مسار واحد فقط للتيار.

ويسمى التوصيل في حالة وجود مسار واحد فقط للتيار في الدائرة التوصيل على التوالي، كما هو موضح في الشكل 1-7b.

ولإضافة أميتر إلى دائرة كهربائية يجب فصل أحد السلكين الموصولين بعنصر الدائرة، ومن ثم يوصل ذلك السلك بالأميتر، ثم يتم توصيل سلك آخر من الطرف الثاني للأميتر بعنصر الدائرة.

ويكون هناك مسار واحد فقط للتيار في دائرة التوالي، لذا يرافق حالة التوصيل على التوالي دائمًا العبارة الآتية:

التيار متساوٍ.

الشكل 1-7

يبين هذان الرسمان التخطيطيان دائرة تواز (a) ودائرة توال (b) كهربائيتين.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_1-7_دائرة_تواز_ودائرة_توال.png

1-1 مراجعة

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مراجعة_1-1_التيار_والدوائر_الكهربائية.png

14. رسم تخطيطي

ارسم رسمًا تخطيطيًا لدائرة كهربائية تحتوي على بطارية ومصباح كهربائي، وتأكد من أن المصباح الكهربائي سيضيء في هذه الدائرة.

15. المقاومة الكهربائية

يدعي طارق أن المقاومة ستزداد بزيادة فرق الجهد؛ وذلك لأن:

R = V / I

فهل ما يدعيه طارق صحيح؟ فسر ذلك.

16. المقاومة الكهربائية

إذا أردت قياس مقاومة سلك طويل فبين كيف تركب دائرة كهربائية باستخدام بطارية وفولتمتر وأميتر والسلك الذي تريد قياس مقاومته.

حدد ما الذي ستقيسه؟ وبين كيف تحسب المقاومة؟

17. القدرة

تتصل دائرة كهربائية مقاومتها 12 Ω ببطارية جهدها 12 V.

حدد التغير في القدرة إذا قلت المقاومة إلى 9.0 Ω؟

18. الطاقة

تحول دائرة كهربائية طاقة مقدارها:

2.2 × 10³ J

عندما تشغل ثلاث دقائق.

حدد مقدار الطاقة التي ستحولها عندما تشغل مدة ساعة واحدة.

19. التفكير الناقد

نقول إن القدرة تستهلك وتستنفد في مقاومة.

والاستنفاد يعني الاستخدام، أو الضياع.

فما الاستخدام عند مرور شحنات في مقاومة كهربائية؟

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.

خبير مناهج سعودية

اختر نمط التعلم

تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.