الفصل الأول
اختبار الفصل الأول
التيار الكهربي وقانون أوم وقانونا كيرشوف
1. شدة التيار وفرق الجهد والمقاومة الكهربية
شدة التيار الكهربي ($I$)
كمية الشحنة الكهربية بالكولوم المارة عبر مقطع من موصل في زمن قدره ثانية واحدة.
$$I = \frac{Q}{t} = \frac{n \cdot e}{t} = \frac{V}{R}$$
فرق الجهد الكهربي ($V$)
مقدار الشغل المبذول لنقل شحنة كهربية مقدارها 1 كولوم بين نقطتين.
$$V = \frac{W}{Q} = I \cdot R = \frac{W}{I \cdot t}$$
المقاومة النوعية والتوصيلية
خاصيتان فيزيائيتان للمادة تتوقفان على نوع المادة ودرجة الحرارة فقط.
$$\rho_e = \frac{R \cdot A}{l}, \quad \sigma = \frac{1}{\rho_e} = \frac{l}{R \cdot A}$$
المقاومة الكهربية بدلالة الأبعاد والكتلة والحجم:
$$R = \frac{\rho_e \cdot l}{A} = \frac{\rho_e \cdot l}{\pi r^2}$$
$$R = \frac{\rho_e \cdot l^2}{\text{Vol}} = \frac{\rho_e \cdot \text{density} \cdot l^2}{m} = \frac{\rho_e \cdot m}{\text{density} \cdot A^2}$$
حيث $l$ الطول، $A$ مساحة المقطع، $r$ نصف القطر، $\text{Vol}$ الحجم، $m$ الكتلة، $\text{density}$ كثافة مادة السلك.
تكات هامة: سحب السلك وإعادة التشكيل:
عند سحب سلك أو ثنيه أو إعادة تشكيله يظل الحجم والكتلة ثابتين ($A_1 l_1 = A_2 l_2$):
• إذا قل نصف قطر سلك للنصف بالسحب $\rightarrow$ تزداد مقاومته إلى 16 مثلاً.
$$\frac{R_1}{R_2} = \left(\frac{l_1}{l_2}\right)^2 = \left(\frac{A_2}{A_1}\right)^2 = \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^4$$
• إذا زاد طول سلك للضعف بالسحب $\rightarrow$ تزداد مقاومته إلى 4 أمثالها.• إذا قل نصف قطر سلك للنصف بالسحب $\rightarrow$ تزداد مقاومته إلى 16 مثلاً.
2. توصيل المقاومات وتوزيع التيار والجهد والقدرة الكهربية
| وجه المقارنة | التوصيل على التوالي (Series) | التوصيل على التوازي (Parallel) |
|---|---|---|
| الغرض من التوصيل | الحصول على مقاومة كبيرة من عدة مقاومات صغيرة | الحصول على مقاومة صغيرة من عدة مقاومات كبيرة |
| شدة التيار | ثابتة في جميع المقاومات ($I = I_1 = I_2$) | تتجزأ عكسياً مع المقاومات ($I = I_1 + I_2$) |
| فرق الجهد | يتجزأ طردياً مع المقاومات ($V = V_1 + V_2$) | ثابت على جميع الفروع ($V = V_1 = V_2$) |
| المقاومة المكافئة ($R_{eq}$) |
$$R_{eq} = R_1 + R_2 + \dots \quad (n R)$$
|
$$\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \dots \quad \left(\frac{R}{n}\right)$$
|
| حالة مقاومتين فقط |
$$R_{eq} = R_1 + R_2$$
|
$$R_{eq} = \frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}$$
|
| تقسيم التيار / الجهد |
$$V_1 = V \cdot \frac{R_1}{R_{eq}}$$
|
$$I_1 = I \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2} = I \cdot \frac{R_{eq}}{R_1}$$
|
| القدرة الكهربية المستهلكة | $P_w = I^2 R \implies P_w \propto R$ (المقاومة الأكبر تستهلك قدرة أكبر) | $P_w = \frac{V^2}{R} \implies P_w \propto \frac{1}{R}$ (المقاومة الأصغر تستهلك قدرة أكبر) |
3. قانون أوم للدائرة المغلقة وشحن وتفريغ البطاريات
الصيغة العامة لقانون أوم للدائرة المغلقة:
$$I = \frac{V_B}{R_{eq} + r}, \quad V_B = V_{\text{out}} + V_{\text{in}} = I R_{eq} + I r$$
حيث $V_B$ القوة الدافعة للعمود، $r$ المقاومة الداخلية، $R_{eq}$ المقاومة الخارجية الكلية.
بطارية في حالة تفريغ (Discharging):
$$V = V_B - I \cdot r$$
قراءة الفولتميتر بين قطبي البطارية أقل من $V_B$ بمقدار الهبوط في الجهد ($Ir$). وتساوي $V_B$ إذا كانت الدائرة مفتوحة ($I=0$) أو $r=0$.
بطارية في حالة شحن (Charging):
$$V = V_B + I \cdot r$$
قراءة الفولتميتر بين قطبي البطارية المشحونة أكبر من قوتها الدافعة $V_B$.
| توصيل عمودين في اتجاه واحد (تعاضد / تفريغ معاً) | توصيل عمودين متعاكسين في القطبية ($V_{B1} > V_{B2}$) (شحن وتفريغ) |
|---|---|
|
$$I = \frac{V_{B1} + V_{B2}}{R + r_1 + r_2}$$
|
$$I = \frac{V_{B1} - V_{B2}}{R + r_1 + r_2}$$
|
|
$$V_1 = V_{B1} - I r_1, \quad V_2 = V_{B2} - I r_2$$
كلاهما في حالة تفريغ
|
$$V_1 = V_{B1} - I r_1 \text{ (تفريغ)}, \quad V_2 = V_{B2} + I r_2 \text{ (شحن)}$$
الأكبر تفرغ والأصغر تُشحن
|
|
$$V = V_1 + V_2 = I R$$
|
$$V = V_1 - V_2 = I R$$
|
4. قانونا كيرشوف (Kirchhoff's Laws)
القانون الأول (قانون العقدة / حفظ الشحنة)
مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة تفرع يساوي مجموع التيارات الخارجة منها.
$$\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}} \iff \sum I = 0$$
القانون الثاني (قانون العروة / حفظ الطاقة)
في أي مسار مغلق، المجموع الجبري للقوى الدافعة الكهربية يساوي المجموع الجبري لفروق الجهد.
$$\sum V_B = \sum (I \cdot R) \iff \sum \Delta V = 0$$
خطوات حل مسائل كيرشوف بالآلة الحاسبة:
1. تطبيق القانون الأول عند نقطة تفرع للحصول على معادلة التيارات: $I_1 \pm I_2 \pm I_3 = 0$.
2. اختيار مسارين مغلقين وتطبيق القانون الثاني $\sum V_B = \sum IR$.
3. قاعدة الإشارات: $+V_B$ إذا خرج المسار من القطب الموجب | $+IR$ إذا كان اتجاه التيار متفقاً مع اتجاه المسار، و$-IR$ إذا كان ضده.
4. إدخال المعاملات في نظام المعادلات الثلاثية بالآلة الحاسبة: (Mode $\rightarrow$ 5:EQN $\rightarrow$ 2).
2. اختيار مسارين مغلقين وتطبيق القانون الثاني $\sum V_B = \sum IR$.
3. قاعدة الإشارات: $+V_B$ إذا خرج المسار من القطب الموجب | $+IR$ إذا كان اتجاه التيار متفقاً مع اتجاه المسار، و$-IR$ إذا كان ضده.
4. إدخال المعاملات في نظام المعادلات الثلاثية بالآلة الحاسبة: (Mode $\rightarrow$ 5:EQN $\rightarrow$ 2).