الأربعاء، 6 مارس، 2013

وحدة الكهرباء صف 8


 
تمهيد :
عُرفت الكهرباء السكونية منذ القرن السادس قبل الميلاد (أي قبل 26 قرناً) ، فقد ذكر أحد علماء اليونان في ذلك الوقت خاصية الجذب التي يكتسبها العنبر (الكهرمان) Amber ، وهو مادة طبيعية تشبه العاج ويشبهها في هذه الأيام الأبونيت الصناعي ، عند دلكه بقطعة من الصوف . والحقيقة أن كلمة كهرباء التي نستخدمها حتى الآن أصلها من الكلمة اليونانية الدالة على العنبر وهي Elektron . وأنت تشاهد يومياً الكثير من حالات الكهرباء الساكنة ، فقلم الحبر البلاستيكي المدلوك بِكُمِ معطفك يجذب الغبار وقصاصات الورق . وأنت تسمع طقطقة أو تشاهد شرراً عندما تخلع كنزة صوفية .
 حينما نتحدث عن الكهرباء اليوم لا نفكر كثيراً بالكهرباء السكونية ، بل نفكر بالكهرباء التي تضيء منازلنا ، وتدير غسالاتنا ، وتجعل حواسيبنا تعمل ، ونُشاهد بواسطتها التلفاز ... الخ .  
كيف يمكن أن تصبح حياتنا لو اختفت الكهرباء منها ؟
فكر كيف : سنغسل ملابسنا بدون كهرباء ؟
              كيف سنضيء منازلنا ؟
              كيف سنحفظ ونبرد أطعمتنا ؟
متى ستصلنا أخبار الأحداث في الأماكن البعيدة عنا ؟ وغير ذلك من الأسئلة كثير ، لا شك أن الحياة ستصبح صعبة جداً بدون كهرباء .
الكهرباء Electricity :
بقيت الكهرباء السكونية التي عرفت منذ العصور القديمة ومكتشفاتها ومخترعاتها ، سائدة حتى القرن الثامن عشر ، وعندها تحركت الكهرباء وبقوة إذ ظهر في هذا القرن علماء أفذاذ مثل فرانكلين وكولوم وفولتا ، وأكمل فارادي وأوم وغيرهم في القرن التاسع عشر و فتحوا للكهرباء باباً جديداً هو باب الحركة والانتقال فظهرت الكهرباء التيارية أو المتحركة تمييزاً لها عن الكهرباء الساكنة ، كما تم الربط الوثيق بين الكهرباء والمغناطيسية .
 واخترع المولد الكهربائي الأولي البسيط Dynamo الذي تتحول بواسطته الطاقة الحركية إلى كهربائية ، كما اخترع المحرك الكهربائي Electric Motor وهو يعمل عكس المولد إذ يحول الطاقة الكهربائية إلى حركية .
 كل هذا حدث قبل اكتشاف الالكترون ، الذي نعرف اليوم أنه محرك التيارات الكهربائية ، بحوالي قرن من الزمان .  
التيار الاصطلاحي Conventional Current
اتفق العلماء ، قبل أن يكتشف الالكترون على اعتبار أن التيار الكهربائي ناتج عن تحرك شحنات موجبة من القطب الموجب إلى القطب السالب للبطارية ، وما يزال هذا الاتفاق معمولاً به حتى اليوم حيث عندما نرسم الدوائر الكهربائية نحدد عليها اتجاه ما يسمى بالتيار الاصطلاحي وهو اتجاه حركة الشحنات الموجبة ، أما اليوم فنعلم أن التيار الكهربائي هو سيل من الالكترونات يسري في المواد الموصلة من القطب السالب إلى القطب الموجب في الدائرة الكهربائية المغلقة .






لاحظ العلماء أن الكهرباء نوعان ومقارنة لها مع توأمها المغناطيسية حيث يوجد قطب شمالي وقطب جنوبي ، اقترح العالم فرانكلين تسمية أحد االنوعين الكهرباء الموجبة والنوع الثاني الكهرباء السالبة وهي التسمية السائدة حتى اليوم  .
نقل التيار الكهربائي :

 يُولد التيار الكهربائي عادة في محطات خاصة بعيدة عن المدن ، فكيف ننقله من المحطة إلى المدينة ؟ حتى يتحرك التيار الكهربائي لا بد له من ممر كامل ، وهذا الممر الكامل سيتكون حتماً من مصدر الطاقة الكهربائي ، والجهاز المراد تشغيله بواسطة الكهرباء ، ولكنهما بعيدان عن بعضهما ، فكيف نصل بينهما؟ نصل بينهما بواسطة أسلاك توصيل معدنية . الفلزات هي المواد التي تستخدم في نقل الكهرباء من مكان إلى آخر . ولمزيد من التوضيح لعمليات نقل الكهرباء من مكان إلى آخر إليك الأمثلة المألوفة التالية :
لِنَقل الأشخاص من منطقة (أ) إلى منطقة (ب) نستخدم وسيلة مواصلات (باص ، قطار ، طائرة ، سفينة ... الخ) .
1)



لِنَقل الماء من منطقة (ج) إلى منطقة (د) نستخدم أنابيب (معدنية أو خزفية أو بلاستيكية) .
2)



لِنَقل الكهرباء من (هـ) إلى (و) بأقل قدر ممكن من العراقيل نستخدم أسلاكاً من النحاس جيد التوصيل للكهرباء .
3)







المقاومة الكهربائية Electric Resistance:
نعرف من خبرتنا ومن حياتنا اليومية أن نَقل الكهرباء من مكان توليدها إلى منازلنا يتم بواسطة أسلاك نحاسية، وفي داخل منازلنا نستخدم الأسلاك النحاسية في توصيل الأجهزة بمصدر الكهرباء ، وأنت عندما تريد إضاءة مصباح كهربائي صغير بواسطة بطارية تصل بينهما بواسطة أسلاك نحاسية .
أسلاك النحاس التي نستخدمها تكون مغلفة بالجيلاتين أو الكاوتشوك أو النايلون ولا نشاهد إلا أطرافها المعدنية غير المغلفة (العارية) . نستعمل أيضاً مصطلحات موصل أو مادة موصلة (النحاس مادة موصلة) وعازل أو مادة عازلة (الجيلاتين مادة عازلة) ، فما هو الجزء الموصل في سلك التلفاز وما هو الجزء العازل ؟
والآن يمكن أن نعود ونسأل :
 لماذا نستخدم أسلاك النحاس لنقل الكهرباء من مكان إلى آخر ؟
 درس العلماء تجريبياً درجة توصيل الفلزات للكهرباء ، وقد تبين نتيجة التجارب أن أجود فلز في توصيل الكهرباء هو الفضة .
سؤال :
لماذا فضل الناس استخدام النحاس بدلاً من الفضة مع أنه يأتي في المرتبة الثانية بعدها ؟
ورغم توصيلها ونقلها للكهرباء تظهر الفلزات مقاومة (ممانعة) لمرور التيار فيها ، وهذه المقاومة تختلف من فلز إلى آخر ، والفضة هو أقلها ممانعة لذلك فهو أجودها  توصيلاً ، يليه النحاس الذي يقاوم التيار بدرجة أعلى قليلاً من الفضة (درجة توصيله حوالي 96% من درجة توصيل الفضة) ، أما الذهب (فدرجة توصيله حوالي 68% من درجة توصيل الفضة والألومنيوم (درجة توصيله حوالي 62%) . أما بقية الفلزات فدرجات توصيلها دون 40% بالمقارنة مع الفضة .
وماذا عن المواد العازلة ؟
 إن الجيلاتين والزجاج والخشب والهواء والغازات الأخرى هي مواد عازلة أي أن درجة توصيلها مقارنة بالفضة تكاد تكون معدومة في الظروف العادية ولكن يمكن جعلها موصلة للكهرباء تحت شروط قاسية، ولذلك يستخدم الناس الجيلاتين في عزل أسلاك النحاس الموصلة .
المواد العازلة إذن هي مواد تضع العراقيل أمام انتقال الكهرباء من منطقة إلى أخرى ونحن نستخدمها للوقاية من خطر الكهرباء وللتقليل من ضياع الطاقة الكهربائية .
 تعلمون أيضاً أنه توجد عناصر مثل السيليكون والجرمانيوم وغيرها نسميها أشباه (أنصاف) الموصلات ، وهي التي تستخدم في صنع الرقائق الالكترونية المختلفة والمستخدمة في الحاسوب والتلفاز والهاتف الخلوي وغيره. 
 والخلاصة أن كل مادة تبدي ممانعة لمرور التيار الكهربائي فيها ، وهذه الممانعة تعرف باسم المقاومة الكهربائية .
والرسم الخطي التالي يوضح بشكل قريب من الواقع درجة موصلية (عكس المقاومة) بعض المواد المألوفة :

- الفضة : أقل المواد مقاومة للتيار وأجودها توصيلاً .
- النحاس : يلي الفضة ويختلف عنها في درجة التوصيل اختلافاً ضئيلاً .
* ادرس بنفسك درجة توصيل المواد الأخرى .

التقويم :
1) رتب المواد التالية حسب درجة توصيلها للكهرباء من الأجود توصيلاً إلى الأقل توصيلاً :
             
 الخارصين ، الألومنيوم ، الزجاج ، النحاس ، السيليكون .
2) أكمل الفراغات في العبارات التالية بوضع كملة واحدة في الفراغ الواحد :
أ) الكهرباء و ------- توأمان .
ب) التيار الكهربائي الاصطلاحي هوحركة الشحنات الموجبة خارج المصدر الكهربائي من القطب ------ إلى القطب --------.
ج) الكهرباء electricity كلمة مشتقة من كلمة Electron اليونانية التي تعني ------------.
د) الجهاز الذي نحصل منه على تيار كهربائي عن طريق تحريك ملف من الأسلاك المعزولة بين قطبي مغناطيس هو ------------ .
هـ ) الجهاز الموجود في الغسالة الكهربائية الذي يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركية هو -------- .

أ. قياس القوة الدافعة الكهربائية لبطارية جافة :
خذ بطارية جافة وصل قطبها الموجب بالطرف الموجب لجهاز فولتميتر ، وقطبها السالب بالطرف السالب للجهاز. اقرأ فرق الجهد على لوحة الجهاز .
ـ كم قراءة جهاز الفولتميتر إذا كانت البطارية جديدة وصالحة ؟
ـ كم قراءة الجهاز إذا كانت البطارية مستهلكة ؟
ـ ولكن ما هي القوة الدافعة الكهربائية ؟
سنتطرق تالياً إلى الإجابة عن هذا السؤال بشيء من التفصيل .
يوجد على كل بطارية رقم يدل على القوة الدافعة الكهربائية بين قطبيها . اقرأ على البطارية الجافة الصغيرة التي نستخدمها في المذياع أو مصباح الجيب قوتها الدافعة الكهربائية تجد أنها 1.5 فولت .  


القوة الدافعة الكهربائية Electromotive Force
تمهيد : عرفنا من الدرس الأول أن علماء القرن الثامن عشر اخترعوا أجهزة لتوليد الكهرباء ثم نقلها فيما بعد عبر أسلاك من مكان إلى آخر ، أي أنهم خطوا بالكهرباء من حالة " سكنها واستقرارها على الجسم " إلى حالة متحركة أو تيارية ضعيفة ولكنها خلال فترة قصيرة أصبحت قوية ومسيطرة . هي اليوم تتحكم في معظم مجالات حياتنا الصناعية والتجارية والمنزلية .
ما الجديد الذي قدمته لنا الكهرباء المتحركة أو التيارية ؟
لقد قدمت حلاً لنقل الشحنات الكهربائية من أماكن تواجدها إلى أماكن بعيدة . فحتى تنتقل الشحنات اخترع العلماء أجهزة لنقلها ودفعها مثل البطارية ومثل المولد الكهربائي ( الدينامو ) وغيرها .
ـ مفهوم القوة الدافعة الكهربائية : ماذا يلزم لنقل الشحنات الكهربائية عبر دارة مغلقة ؟
لا شك أن الجواب البسيط هو أنه لتحقيق مثل هذا الأمر يلزم طاقة ( أو شغل ) . ومن المؤكد أن هذا الشغل يربتط ويعتمد على كمية الشحنات التي ننقلها وعلى مقدار الطاقة التي نريد إعطاءها لها حتى تستطيع القيام بالمهام المطلوبة منها ، ولأجل توضيح العلاقة بين الشغل ( أو الطاقة ) اللازمة والشحنة أدخل العلماء مفهوماً جديداً هو
" القوة الدافعة الكهربائية " وهي النسبة بين  
قبل أن نضرب مثالاً لتوضيح المفهوم أكثر ، علينا أن نجيب على السؤالين التاليين :
1. ما وحدة قياس الشغل أو الطاقة ؟
تعلم من دراستنا لموضوع القوة والطاقة في الميكانيكا أن وحدة الطاقة هي الجول وهذه الوحدة عينها تستخدم في قياس الطاقة الكهربائية .
2. ما وحدة قياس الشحنة الكهربائية ؟
اتخد العلماء وحدة لقياس الشحنة أسموها الكولوم تكريماً وحفظاً لذكرى العالم الفيزيائي الفرنسي الشهير شارل كولوم . 
مثال (1) :
 إذا استخدم 20 جولاً من الطاقة في نقل 2 كولوم من الشحنة ، فما مقدار القوة الدافعة الكهربائية ؟
الحل : القوة الدافعة الكهربائية ( سنرمز لها بالعربية قد. ك وقد تجد الرمز ق . د وبالانجليزية e.m.f.)
وقد استعاض العلماء عن الوحدة جول / كولوم بوحدة جديدة اشتقوها من اسم العالم الإيطالي الشهير أليساندرو فولتا وهي الفولت.
إذن....

مثال (2) :
 متى تكون القوة الدافعة الكهربائية 1 فولت ؟
الجواب : تكون قد . ك = 1 فولت إذا كان الطاقة الكهربائية ( أو الشغل ) = عددياً الشحنة المنقولة ، مثلاً :

= 1 جول/ كولوم = 1 فولت.
وإذا كانت الطاقة 1 جول والشحنة 1 كولوم فإن قد.ك =

مثال (3) :
إذا كانت الطاقة الكهربائية المستخدمة في نقل شحنة كهربائية مقدارها 50 كولوم عبر دارة مغلقة = 5000 جول ، فما مقدار القوة الدافعة الكهربائية ؟
الحل :
الخلاصة :
القوة الدافعة الكهربائية : هي القيمة العددية للشغل الذي يبذله المصدر الكهربائي ( مقاساً بالجول ) في نقل 1 كولوم من الشحنة عبر دارة مغلقة تحوي المصدر .
 وقد اختصرت إلى فولت تخليداً لذكرى
وحدة قياس القوة الدافعة الكهربائية هي
العالم الإيطالي  ( الفيزيائي أليساندرو فولتا ( 1745 ـ 1827 )) .

 الفولت : هو وحدة قياس القوة الدافعة الكهربائية . ويساوي 1 جول / 1 كولوم .
الجول = كولوم × فولت .
الفولتميتر Voltmeter : هو جهاز عالي المقاومة يستخدم في قياس القوة الدافعة الكهربائية ( بالفولت ).
الكولوم : هو وحدة قياس الشحنة الكهربائية ويساوي جول / فولت .
تعريف الكولوم : هو مقدار الشحنة الكهربائية التي إذا وضعت على بعد 1 م من شحنة مماثلة لها كانت قوة التنافر الكهروستاتيكية بينهما 9 × 910نيوتن .

ب. فرق الجهد الكهربائي Electric Potential Difference :
من النادر أن يكون الشغل الناتج الذي نرغب به والذي يفيدنا في أية عملية مساوياً للشغل المبذول ، بل يكون الشغل الناتج دوماً أقل من الشغل المبذول . يحدث مثل هذا الأمر مع الطاقة الكهربائية فقسم منها يضيع أثناء النقل في الأسلاك وقسم يضيع في الأجهزة ذاتها .... الخ . 
تجربة :
 تهدف هذه التجربة إلى الإجابة عن السؤال التالي :
ما الفرق بين القوة الدافعة الكهربائية وفرق الجهد الكهربائي ؟
سؤال :

2
1
ـ خذ بطارية صالحة وصل بين قطبيها والفولتميتر بأسلاك ( كما في الشكل 1) كم قراءة الفولتميتر ؟ سجلها على دفترك ؟
ـ أدخل مصباحاً في الدائرة ( كما في الشكل 2) كم قراءة الفولتميتر ؟
ـ انزع المصباح وضع عوضاً عنه مقاومة مقدارها ( 10 أوم مثلاً ) . كم قراءة الفولتميتر بوجود المقاومة ؟
ـ لماذا تختلف قراءة الفولتميتر بوجود المصباح عنها عند عدم وجوده ؟
ـ لماذا تختلف قراءة الفولتميتر بوجود المقاومة عنها عند عدم وجودها ؟
ـ نسمي مقدار الفولتية بين طرفي المصباح ( أو بين طرفي المقاومة ) بفرق الجهد وذلك تمييزاً لها عن القوة الدافعة الكهربائية التي هي فولتية مصدر الطاقة الكهربائية .
ـ كان فرق الجهد بين طرفي المصباح أقل من القوة الدافعة الكهربائية، فأين استهلك هذا الفرق في الطاقة الكهربائية ؟ حاول أن تجيب على السؤال بنفسك قبل أن تنظر الاجابة .
أكمل الفراغ في العبارة التالية :
أ. فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين : هو فرق الفولتية الذي يجعل ------- الكهربائي يسري من إحدى النقطتين إلى الأخرى .
 
ب. في الشكل (1)
 فرق الجهد بين النقطتين ك ، ل = ---- فولت.
 ج. في الشكل السابق (1) ينتقل التيار الكهربائي من --- إلى --- لأن فرق الجهد عند ك أعلى منه عند ل .  
 
د. في الشكل(2)
ينتقل التيار الكهربائي من ---- إلى ---- .

 
هـ. في الشكل (3)
إذا كان التيار الكهربائي يسري في الاتجاه الموضح بالأسهم فإن فرق الجهد عند --- أعلى منه عند --- .

و. في الشكل(4)
إذا كان التيار يسري في الاتجاه الموضح بالأسهم بفرق جهد مقداره 90 فولتاً فإن فرق الجهد عند النقطة ي = --- فولتاً  .
ز. في الشكل (5) 
   فرق الجهد = ---- فولت .
ح. في الشكل (5) اتجاه التيار الكهربائي  من ---- إلى ---- .
ج. كوِّن دارة كهربائية من بطارية ومصباح وفولتميتر وأميتر (كما في الشكل) .
ـ كم قراءة الأميتر ؟ سجلها .
ـ كم قراءة الفولتميتر ؟ سجلها .
ـ غيّر موقع الأميتر وضعه عند س أو ص أو ع ، كم قراءة الأميتر في كل حالة ؟
ـ هل اختلفت عن القراءة في المواقع الأخرى ، لماذا ؟
إن فرق الجهد بين قطبي البطارية بوجود المصباح أقل من القوة الدافعة الكهربائية للبطارية قبل توصيل المصباح ، هل تعرف لماذا ؟  
التيار الكهربائي : هو كمية الشحنات ( مقاسة بالكولوم ) المارة في دارة كهربائية في 1 ثانية .
تقاس شدة التيار بوحدة الأمبير ، وتقاس الشحنة بالكولوم والزمن بالثواني .
الأمبير : هو وحدة قياس شدة التيار .
الأميتر : هو جهاز مقاومته قليلة جداً يقيس شدة التيار المار في الدارة .
د. قياس المقاومة :
يستخدم لهذا الغرض جهاز يُسمى مقياس المقاومة Ohmmeter . ويتم ذلك بوصل طرفي الجهاز بطرفي المقاومة .  

أما إذا كانت المقاومة المراد قياس قيمتها ضمن دارة كهربائية فيمكن أن يتم ذلك باستخدام قانون أوم أي بقياس فرق الجهد (بواسطة فولتميتر) ، وقياس شدة التيار (بواسطة أميتر) . سندرس قانون أوم تالياً ونتعرف على كيفية حساب المقاومة .
 يمكن قياس المقاومة في الدائرة مباشرة بواسطة أوم ميتر ، وذلك بتحرير أحد طرفيها ووصلها بالأوم ميتر كما هو واضح في الشكل .


ـ قس مقاومة كل من التالية بوصل طرفيها بالأوم ميتر(مقياس المقاومة):
أ. مقاومة تالفة .                   
ب. سلك كهرباء نحاسي رفيع طوله حوالي 50 سم .
ج. مسطرة من البلاستيك طولها 30 سم .
د. مسمار حديد طوله 10 سم .

ولكن الطريقة المتبعة في قياس المقاومة هي طريقة الأميتر – فولتميتر وهي تعتمد على قانون أوم .
التقويم :


1. اكتب أسماء الأجهزة المشار إليها بحروف في كل دائرة من الدائرتين الكهربائيتين التاليتين .
(2)
 (1)


نقول أن المقاومات موصولة على التوالي إذا وصل طرف الواحدة منها بطرف الأخرى على الترتيب (كما في الشكل) ، وهكذا يسري فيها جميعاً تيار واحد (ت) ، أما فرق الجهد فيتوزع بينها ، لاحظ أننا إذا قطعنا السلك في نقطة ما فإن التيار يتوقف عن المرور فيها جميعاً . والآن لنطبق قانون أوم على هذه المقاومات .
وهكذا يمكن أن نكتب :
جـ = ت م
ó
جـ3 = ت م3
ó
جـ2 = ت م2
ó
جـ1 = ت م1
حيث م هي المقاومة المكافئة للمقاومات الثلاث (م1 ، م2 ، م3)
لكن  جـ = جـ1 + جـ2 + جـ3     ....... لأن المنبع الكهربائي واحد ولم يتغير
إذن ت م = ت م1 + ت م2 + ت م3
إذن    م = م1 + م2 + م3      ........ بالقسمة على (ت)
ولو زدنا عدد المقاومات ووصلناها بنفس الطريقة لوجدنا دوماً أن المقاومة الكلية = مجموع قيم المقاومات الموصولة ببعضها على التوالي .  
سؤال (1)
وصلت أربع مقاومات مع بعضها على التوالي وكانت قيمها 5 ، 9 ، 12 ، 44 W . جد مقدار المقاومة المكافئة لها
سؤال (2)
ثلاث مقاومات متساوية قيمة كل منها 10 W ، موصولة على التوالي ، ويسري فيها تيار شدته 3 أمبير ، أوجد :
أ- فرق الجهد الكهربائي بين طرفي كل مقاومة منها .
ب- فرق الجهد الكلي بين طرفي الدارة .
توصيل المقاومات على التوازي أو على التفرع  Resistors in Parallel


توصل المقاومات على التوازي عندما توضع بجانب بعضها البعض وتوصل أطرافها المتشابهة الواحد منها بالآخر (كما في الشكل) ، وفي هذه الحالة يكون فرق الجهد بين طرفي أي مقاومة منها هو نفسه ، إما الذي يتجزأ فهو التيار (ت) ، فعند دخول التيار في نقطة التفرع ( أ ) يتجزأ إلى ثلاثة تيارات هي ت1 ، ت2 ، ت3 ، وفي نقطة التفرع (ب) تعود هذه التيارات وتتوحد في تيار واحد هو (ت) كما كانت أصلاً . لاحظ أن التيار يمكن أن يمر في م1 لوحدها إذا فصلنا باقي الشعب أو في م2 لوحدها ... وهكذا . هذا ما نعمله في منازلنا عند توصيل الأجهزة حتى يمكنها أن تعمل كل لوحده أو تعمل معاً.
 وبتطبيق قانون أوم :
           فرق الجهد = ت × م                 [حيث م المقاومة المكافئة للمقاومات الثلاث]
وبالرموز            جـ = ت × م

وبالنسبة لكل مقاومة فإن :
َ
َ

....(1)
لكن
لأن ت = ت1 + ت2 + ت3 
 
ينتج
وبضرب طرفي المعادلة (1) في


ولو زيد عدد المقاومات إلى أربع أو خمس … الخ ووصلت بنفس الطريقة فإن :

حالة خاصة : إذا وصلت مقاومتان فقط على التوازي فإن:
 

مثال :
وصلت المقاومتان 5 ، 6 W أوم على التوازي . أوحد مقاومتهما المكافئة .
الحل :
إذن
لكن 30 = 5 × 6         حاصل ضرب المقاومتين
و    11 = 5 + 6            مجموع المقاومتين
وعموماً عند وصل مقاومتين م1 ، م2 على التوازي

سؤال (1)
وصلت مقاومتان مقدارهما 3 ، 7 W أوم على التوازي ، أوجد مقاومتهما المكافئة .  
سؤال (2)
وصلت أربع مقاومات مقاديرها 5 ، 6 ، 10 ، 3 W أوم على التوازي (التفرع) . أوجد المقاومة المكافئة لها .
التقويم :


1. واحد من الأعمدة التالية يعطي القيمة الصحيحة لفروق الجهد جـ1 ، جـ2 ، جـ3 مقاسة بالفولتات :
و
هـ
د
ج
ب
أ

7
3
10
0.4
2
جـ1
8
2
15
0.6
3
جـ2
9
1
20
0.8
4
جـ3

2. مقاومتان 5 ، 15 أوم موصولتان على التوالي ،وصلتا على التوازي مع مقاومة ثالثة مقدارها 20 أوم , إن المقاومة الكلية للمجموعة بالأرقام واحدة من التالية :
أ. 0.1 .                    ب. 10 .                   ج. 20 .                   د. 40.            هـ. 1.
3. في الشكل المجاور أوجد قراءة الأميتر إذا كان المفتاح:
أ. مفتوحاً .                 ب. مغلقاً .
افترض أن مقاومة البطارية مهملة ولا قيمة لها .

4. في الشكل التالي البطارية تزود المقاومتين بالتيار ، إذا كان التيار في المقاومة " هـ " = 4 أمبير ، أوجد:
أ. التيار في المقاومة (و) .                    ب. التيار عند النقطة (س) .
5. بطارية قوتها الدافعة الكهربائية 6 فولت ، تعطي تياراً شدته 2 أمبير ، وعند وضع فولتميتر عالي المقاومة بين طرفيها تكون قراءته 4.8 فولت .
المطلوب : أ. تفسير النقص في قراءة الفولتميتر ( لماذا لم تكن القراءة 6 فولت ) ؟
           ب. كم ستكون قراءة الفولتميتر لو كان التيار الصادر من البطارية 2.5 أمبير . 
6. وصلت بطارية قوتها الدافعة الكهربائية 2 فولت بمقاومتين متساويتين قيمة كل منهما 4 أوم ، وبأميتر ، كما يظهر في الأشكال التالية . أوجد قراءة الأميتر في كل حالة باهمال مقاومة البطارية وأسلاك التوصيل والأميتر .
 7. مصباحان كهربائيان متشابهان مكتوب على كل واحد منهما 0.3 أمبير ، 4.5 فولت . وصلا ببطارية قوتها الدافعة الكهربائية 4.5 فولت .
أ. مرة على التوازي .
ب. مرة أخرى على التوالي . بافتراض أن مقاومة البطارية مهملة وأن مقاومة فتيلة المصباح ثابتة . أجب عما يلي لكل حالة من الحالتين على حدى :
أ. كيف تكون إضاءة المصباحين .
ب. شدة التيار المار في كل مصباح .
ج. التيار الذي يصدر من البطارية .
ارسم رسماً توضيحياً لكل حالة من الحالتين .

8. فرق الجهد بين قطبي بطارية حينما تكون ضمن دائرة موصلة مع فولتميتر عالي المقاومة = 15 فولت ، وحينما نصل بها مقاومة مقدارها 10 أوم ونغلق الدائرة يصبح فرق الجهد بين طرفي المقاومة 10 فولت . أما إذا استبدلنا المقاومة 10 أوم بمقاومة جديدة س ، فإن فرق الجهد بين طرفي المقاومة س يصبح 5 فولت ، المطلوب :
أ. حساب المقاومة الداخلية للبطارية .
ب. حساب قيمة المقاومة س . 

9. وصلت بطارية بأميتر ( مقاومته مهملة ) ومقاومة متغيرة وكان التوصيل على التوالي فكانت قراءة الأميتر 2.2 أمبير حينما كانت المقاومة 2 أوم ، وعندما غيرت المقاومة إلى 8 أوم كانت قراءة الأميتر 1 أمبير . أوجد :
أ. المقاومة الداخلية للبطارية .
ب. القوة الدافعة الكهربائية للبطارية .
توصيل الخلايا ( الأعمدة ) الكهربائية على التوالي أو على التوازي :

نستخدم في المذياع أو المسجل عدة بطاريات جافة نصلها الواحدة بالأخرى كما هو ظاهر في الرسم حيث نصل القطب الموجب للبطارية بالقطب السالب للبطارية الأخرى وهكذا .
نسمي هذا النوع من التوصيل بالتوصيل على التوالي . فإذا كانت القوة الدافعة الكهربائية = 1.5 فولت فإن ثلاث بطاريات موصولة على التوالي تكون قوتها الدافعة الكهربائية = 1.5 + 1.5 + 1.5 = 4.5 فولت .
أما في أجهزة أخرى كبعض أنواع كاميرات التصوير ، فتوصل البطاريات الواحدة مع الأخرى خلال الأقطاب المتشابهة ونسمي هذا النوع من التوصيل ( كما في الشكل ) باسم التوصيل على التوازي .
وفي هذا التوصيل يتوزع التيار اللازم لتشغيل الجهاز على الخلايا الثلاث ، ولكن القوة الدافعة الكهربائية لها جميعاً هي القوة الدافعة لأي واحدة منها أي 1.5 فولت .

ـ البطارية الجافة The dry Cell ( Battery ):
نستخدم البطاريات كثيراً في حياتنا ، المذياع يعمل بالبطارية والمصباح اليدوي كذلك ، وفي أجهزة التحكم عن بعد( Remote Control ) ، ونستخدمها عندما نريد إجراء تجارب بسيطة لتوضيح مفاهيم الكهرباء .
فما هي البطارية ؟
إنها جهاز بسيط يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية حيث تحدث فيها تفاعلات كيميائية ( من نوع الأكسدة والاختزال )منتجة للطاقة. تتكون البطارية ( انظر الشكل ) من مجموعة من مواد كيماوية رطبة ( وليست جافة ) ومن قضيب من الخارصين يعمل على إصدار الإلكترونات التي تتجه نحو قضيب الكربون( أي القطب الموجب ) ويتم داخل البطارية انتقال الأيونات الموجبة والسالبة.

للاستفادة من الطاقة الكهربائية الموجودة في البطارية الجافة نصل قطبها الموجب
( تجد العلامة
" + " الدالة على القطب الموجب عند القبعة النحاسية التي نغطي بها قضيب الكربون ) بسلك بأحد طرفي الجهاز المراد تشغيله ، وقطبها السالب ( تجد الإشارة " ـ " عند قاعدتها المصنوعة من الخارصين في أسفلها ) . بسلك آخر في الطرف الثاني للجهاز المراد تشغيله ( انظر الشكل ) .
تحذير : بعض الأجهزة يكون طرفها الموجب محدّد ويجب مراعاته عند وصلها بمصدر الطاقة الكهربائية .

ـ تفقد البطارية الجافة فعاليتها إذا تركت بدون استعمال لفترة طويلة ، وللمحافظة عليها ووقايتها من التلف لفترة طويلة ضعها في مكان بارد لا تحدث فيه تغيرات حادة في درجة الحرارة والرطوبة . لاحظ أن لا يحدث اتصال بينها وبين أجسام معدنية أو بطاريات أخرى في أثناء فترة التخزين .
ـ لا تترك البطاريات داخل الجهاز إذا لم تكن تريد استعماله لفترة زمنية طويلة .

الخلايا الثانوية Secondary Cells
هي خلايا يمكن إعادة شحنها عدة مرات في فترة عملها أو بعد استهلاكها .
1. بطارية السيارة الرصاصية Lead Storage Battery تسمى أيضاً المراكم الرصاصية ، وهي تتكون عادة من ست خلايا تعطي فرق جهد مقداره 12 فولت . تتكون الخلية الواحدة من شبكة من الصفائح الرصاصية يعمل بعضها كمصدر للإلكترونات وبعضها الآخر كمستقبل لها  . تغمر الصفائح كلها في محلول حمض الكبريتيك المخفف الذي تركيزه حوالي 30 % وكثافته حوالي 1.25 غم / مليليتر . من أجل تخفيض المقاومة الداخلية للبطارية نجعل مساحة الصفائح الموجبة والسالبة أكبر ما يمكن والمسافة بينها أصغر ما يمكن .
أنواعها : أشهر أنواعها اثنين هما :
تشحن البطارية بواسطة مولد كهربائي خاص يوضع في مكان ما قرب محرك السيارة وهذه العملية تعيد جزءاً من حمض الكبريتيك الذي استهلك في أثناء عمل البطارية .
بعد فترة طويلة من الاستعمال تتغطى صفائح الرصاص بطبقة بيضاء من بلورات كبريتات الرصاص البيضاء وينخفض تركيز حمض الكبريتيك بشكل كبير ، فتصبح عملية شحن البطارية غير عملية مما يستوجب تبديلها بواحدة جديدة .
تعطي هذه البطاريات 20 ـ 40 أمبير من التيار تحت فرق جهد ثابت تقريباً .
عند تخزين البطارية بعد صنعها وقبل بيعها تترك فارغة أي بدون إضافة حمض الكبريتيك ، ويضاف حمض الكبريتيك وشحنها قبل بيعها بقليل . أما إذا كانت في السيارة أو خزنت وهي كاملة فيجب شحنها كل شهر على الأقل وإلا تلفت .

2. البطاريات القاعدية Alkaline Batteries أو بطاريات النيكل والكادميوم القاعدية Nickel – Cadmium alkaline Batteries تختصر ( Nicad ) .
في سنة 1900 وفي نفس الوقت اخترع أديسون ( Thomas Edison ) في أمريكا وفلاديمير يونجنر ( Valdemar Jungner ) في السويد خلايا تخزين تتكون من :
الخلية الحديثة
خلية يونجنر
خلية أديسون
المقارنة
هيدروكسيد البوتاسيوم
هيدروكسيد البوتاسيوم
هيدروكسيد البوتاسيوم
المحلول
كادميوم يضاف إليه قليل من الحديد
الكادميوم
الحديد
الصفيحة السالبة
هيدروكسيد النيكل
هيدروكسيد النيكل
هيدروكسيد النيكل
الصفيحة الموجبة
يصنع من الفولاذ المطلي بالنيكل
ـــ
ـــ
الغلاف

تتفوق البطاريات القاعدية على المراكم الرصاصية في أنها يمكن أن تعطي تيارات كهربائية أكبر ، كما يمكن تركها بدون شحن لفترات طويلة دون أن تتلف أو تحتاج إلى صيانة ، ولذلك تزود السفن الكبيرة والمستشفيات والأبنية الرسمية بمنشآت كهربائية من هذا النوع لإضاءتها في حالة الطوارئ ، وبالطبع تكون البطاريات في هذه الحالة كبيرة وذات قوة دافعة عالية حتى تتمكن من تلبية احتياجات منشآت كبيرة كهذه .

إحدى نقائصها أنها تعطي قوة دافعة كهربائية حوالي 1.25 فولت وأن هذه القوة الدافعة تنقص باستمرار أثناء التفريع ( أثناء استعمال البطارية ) القوة الدافعة لخمس خلايا قاعدية تعادل القوة الدافعة لثلاث خلايا رصاصية.
أسئلة التقويم :

1. اذكر ثلاثة فروق بين الخلية الأولية والخلية الثانوية .
 يعني عموداً بسيطاً قوته الدافعة الكهربائية 1.5 فولت فما قيمة فرق الجهد لكل بطارية
2. إذا كان الرمز
ناتجة عن التوصيل الموضح في الرسوم التالية :

 3. في الدوائر المرسومة أدناه كل المصابيح متشابهة وكذلك كل الخلايا ، إذا كان المصباح في الشكل ( أ ) مضاء إضاءة طبيعية ، فصف الإضاءة في كل دائرة من الدوائر الأخرى .
(ج)
(ب)
(أ)
(و)
(هـ)
(د)
 

نشتري الخضار والفواكه بالكيلو غرام والقماش بالمتر ، ونعد الوقت بالثانية أو الساعة ... الخ . فما وحدة ( أو وحدات ) قياس الكهرباء ؟ ما الذي نبتاعه فعلاً حينما نشتري بطارية جافة؟ ما الوحدة التي يبيعوننا بها الكهرباء المنزلية ؟
علينا أن نتذكر أن هنالك وحدات أساسية مثل المتر والكغم والثانية ، ووحدات مشتقة منها مثل وحدة المساحة م2 ،
  ، م = متر  ، كغم = كيلوغرام ، ث = ثانية .
ووحدة التسارع م / ث2 . ووحدة القوة ( نيوتن) وهي  
وعلينا أن نتذكر مفاهيم الشغل ( القوة × المسافة ) ووحدته نيوتن . م ( جول ) ، والجول هو وحدة الطاقة مهما كان شكلها ونوعها . أي أن هناك تداخلاً عضوياً بين الشغل والطاقة بحيث يمكن اعتبارهما مفهومان لشيء واحد . أما القوة فهي أصل الشغل والطاقة وإذا لم توجد القوة فلن يكون هناك شغل ولا طاقة .
الكهرباء عبارة عن طاقة إذن فقياسها بوحدة الجول أمر طبيعي وحاصل فعلاً , ولكن كيف يتم الربط بين الجول والوحدات التي نستخدمها في الكهرباء ؟ دعونا نعرف الإجابة على هذا السؤال وعلى كيف نقيس الكهرباء ؟
للإجابة على هذا السؤال يمكن لكل واحد منكم أن يقرأ بعض الأرقام ووحدات قياس الكهرباء على الأجهزة المنزلية ، وهذه أمثلة منها . اقرأ بنفسك ما هو مدون على الأجهزة الكهربائية في منزلك .

عرفنا من قانون أوم ثلاث وحدات أساسية لقياس الكهرباء هي :
1. الأمبير : وهو وحدة قياس شدة التيار . يرمز له عادة بالرمز (A) . وهذا هو تعريف الأمبير
( يمكنك أن تطلع عليه ولكن لا تزعج نفسك باستظهاره ) : هو
التيار الذي إذا كان يسري في كل من سلكين متوازيين يبعدان عن بعضهما متر واحد وطول كل منهما غير محدد وموضوعان في الفراغ فإنه ينتج في كل سلك قوة مقدارها 2 × 10-7 نيوتن / متر طولي .
2. الكولوم ( Coulomb ) : وحدة قياس الشحنة الكهربائية يرمز له عادة بالرمز (C) .
نعرف اليوم أن التيار الكهربائي ليس سوى سيل من الشحنات الكهربائية التي تتحرك في دارة كهربائية .
يرتبط الكولوم بالأمبير كما يلي : 1 كولوم = 1 أمبير × 1 ثانية
أي أن الكولوم هو مقدار الشحنة التي تمر في أي نقطة من دارة كهربائية حينما يسري تيار شدته أمبير واحد لمدة ثانية واحدة .
 سؤال :
 كم مقدار الشحنة حينما يمر تيار شدته 7 أمبير في دائرة كهربائية لمدة 10 ثوان .
الحل : كمية الشحنة = 7 أمبير × 10 ثانية
                     = 70 أمبير . ثانية
                     = 70 كولوم
3. الفولت ( Volt ) : وحدة قياس القوة الدافعة الكهربائية Electromotive Force أو وحدة قياس فرق الجهد الكهربائي ( p.d) Potential difference .
يرمز للفولت بالرمز (V) .
مفهوم فرق الجهد الكهربائي : هو مقدار الاختلاف في الطاقة الكهربائية بين نقطتين في الدائرة مما يسمح بمرور تيار كهربائي بينهما . يمكن تشبيه فرق الجهد الكهربائي بالقوة التي تجعل الماء ينتقل من قمم الجبال باتجاه الأودية ( والتشبيه لتقريب المفهوم من أذهانكم ولكن الفروق بين سلوك الكهرباء وسلوك الماء كثيرة جداً ) .
القوة الدافعة الكهربائية :
 
هي مقدار فرق الجهد بين قطبي منبع كهربائي عندما يقاس مباشرة وقبل توصيل الكهرباء بالأسلاك والأجهزة المراد تشغيلها .
مثلاً : القوة الدافعة الكهربائية للبطارية = 1.5 فولت عند توصيلها بفولتميتر.

 أما إذا وصلنا البطارية بطرفي مصباح وقسنا الفرق في الجهد بين طرفي المصباح فإننا نجد أنه = 1.25 فولت مثلاً أي أنها تختلف عن قيمة القوة الدافعة الكهربائية .
لماذا تختلف القوة الدافعة الكهربائية عن فرق الجهد الكهربائي في المثال أعلاه مع أن البطارية لم تتغير ولم يتغير الفولتميتر؟
الفولت ( V ): هو فرق الجهد بين نقطتين في دارة كهربائية إذا تحول جول واحد من الطاقة الكهربائية إلى أي شكل آخر من أشكال الطاقة ، وذلك عندما تمر شحنة مقدارها 1 كولوم من النقطة الأولى إلى النقطة الثانية.
رياضياً :
 سؤال :
 إذا تحول 10 جول من الطاقة الكهربائية عندما مرت شحنة مقدارها 2 كولوم . فما مقدار فرق الجهد؟؟
3. الفولت ( Volt ) :
يمكنك أن تستوعب أكثر من مفهوم الفولت إذا تخيلت أن التيار الكهربائي يتكون من " نقط " من الكهرباء كل نقطة منها تحمل شحنة مقدارها 1 كولوم . تغدو الكهرباء وكأنها عبارة عن حزم من هذه " النقط " تتحرك داخل الدارة الكهربائية ، وفي أثناء هذه الحركة تتحول الطاقة الكهربائية إلى شكل آخر ( أو أشكال أخرى ) للطاقة . لاحظ أن الذي يستهلك هو الطاقة الكهربائية وليس التيار أو الشحنات الكهربائية .
وعلى وجه العموم فإن الطاقة الكهربائية ( الشغل ش ) مقاسة بالجولات التي تنتقل في الدارة عندما يمر " ك " كولوم بين نقطتين فرق الجهد بينهما " ف " فولت :

= شدة التيار ( ت ) × الزمن ( ثانية )
فإذا تذكرنا أن
= ت ز



وبالضرب التبادلي
ش = ف ت ز
أي أن الشغل الذي تنجزه الكهرباء مقاساً بالجول = فولت × أمبير × الزمن بالثواني
إذن
لكن
وهذا يقودنا إلى وحدة تقرأها على الأجهزة الكهربائية المختلفة من المصابيح إلى المدافئ إلى الثلاجات ... الخ وهي وحدة الواط ( Watt ) ونرمز لها عادة بالرمز ( W ) إذن :
. الواط (Watt) : هو وحدة قياس القدرة الكهربائية وهو يعادل جول ( وحدة شغل )/ ث ( وحدة الزمن ).
لكن الشغل مقاساً بالجول = فولت × أمبير × الزمن بالثواني فإذا تحولنا إلى القدرة وهي الشغل المنجز في ثانية واحدة
= فولت × أمبير
وإذا كانت القدرة 1 واط فإنها = 1 فولت × 1 أمبير
  
مثال :
 مصباح كهربائي مطبوع عليه 100 واط ، 220 فولت . كم مقدار التيار الذي يسري فيه حينما يكون مضاءً من مصدر كهربائي فولتيته 220 فولت.
الحل : 100 واط = 220فولت × س ( شدة التيار )
 بعض الأجهزة والأدوات الكبيرة يكون قياس قدرتها بالواط غير عملي لذلك تستخدم وحدات أكبر منها مثل الكيلو واط
= 610 واط ( مليون واط ) .
( Mgw )
= 1000 واط والميجا واط
(KW)

مثال :
 مكنسة كهربائية قدرتها 1000 واط ( 1 كيلو واط ) . إذا اشتغلت لمدة ساعة واحدة ، كم مقدار الشغل الذي تنجزه؟؟؟
الحل :
الشغل ( ش ) = القدرة ( قد ) × الزمن
                    = 1 كيلو واط × 1 ساعة
                    = 1 كيلو واط × ساعة ( بالرموز Kwh )
حيث Kw كيلو واط ، h من hour ساعة .
وهذه هي الوحدة التي نشتري بها الكهرباء .
لقد حسبنا الطاقة الكهربائية مع إبقاء الزمن بالساعة ولم نحوله إلى ثوان ، وبذلك حصلنا على وحدة الكيلو واط . ساعة . وأما لمعرفة ما يعادله الكيلو واط . ساعة بالجول فنلجأ إلى حساب الطاقة الكهربائية حسب القانون
 ش = قد × ث ( الزمن بالثواني ) .
 5. العلاقة بين الكيلوواط . ساعة والجول :

وأن ضرب أي مقدار في (1) لا يغير من قيمته
لاحظ أن
 = 3600000 واط . ث
= 3600000 جول   ( لأن واط .ث = جول ) .
أي أن كيلو واط . ساعة = 3.6 ميجا جول ( حيث ميجا جول = 610 جول ) .

 سؤال :
إذا استهلكت عائلة في أحد الأشهر 350 كيلو واط . ساعة من الكهرباء ، وكان متوسط ثمن الكيلو واط . ساعة = 60 فلساً . فما ثمن الطاقة الكهربائية الذي تدفعه العائلة عن هذا الشهر ؟
الحل : ثمن الطاقة الكهربائية = الطاقة المستهلكة ( كيلو واط . ساعة ) × ثمن الكيلو واط . ساعة
                              = 350 × 60
                              = 21000 فلساً

                              = 21 دينار .

6. الأوم Ohm ( يرمز له بالرمز W أوميغا ) : وقد عرفناه عندما درسنا قانون أوم وهو :
الأوم : هو مقاومة موصل يسري فيه تيار شدته أمبير واحد حينما يكون فرق الجهد بين طرفيه = فولت واحد .
أسئلة التقويم

1. نستخدم في منازلنا كثير من الأجهزة الكهربائية لأغراض مختلفة ، ومنها المدفأة الكهربائية ، والمكواة ، والفرن الكهربائي ، وهذه الأجهزة الثلاثة مهمتها تحويل الكهرباء إلى حرارة ، وحتى نحصل على الحرارة نستخدم فيها أسلاكاً مقاومة مثل سلك النيكروم Nichrome أجب عما يلي :
مستعيناً بمواقع على الانترنت أو من أي مصدر آخر .
أ. مم يتكون سلك النيكروم .
ب. كم يمكن أن تصل درجة الحرارة في سلك النيكروم .
ج. لماذا لا يستعمل الصانعون مقاومة من الحديد مثلاً فهي رخيصة وغير مكلفة .
يمكنك استخدام محرك بحث Google حيث تجد مواقع كثيرة تبحث في موضوع Nichrome.
رسوم توضيحية للأجهزة . 
2. في الدوائر الكهربائية المنزلية نستخدم المنصهرات Fuses ابحث عنها وأجب عما يلي :
أ. أشكال المنصهرات المستخدمة حالياً .
ب. ما المبدأ الذي يعمل على أساسه المنصهر .
ج. إذا لم نضع منصهرات في المنازل والمصانع نكون عرضة للحريق ، فسر هذا القول .
د. كيف يتم استبدال المنصهر التالف ؟
هـ. اذكر أربعة أسباب يمكن لأي منها أن يجعل المنصهر ينصهر ويقطع التيار الكهربائي .
. كم مقدار الطاقة الكهربائية بالجول التي يستهلكها مصباح قدرته 100 واط إذا استخدم لمدة :
أ. ثانية واحدة .                       ب. دقيقة واحدة.           
ج. ساعة واحدة .                    د. يوم واحد ( 24 ساعة ) .
  
4. ثلاجة كهربائية قدرتها 150 واط . احسب ثمن الكهرباء التي تستهلكها خلال 30 يوماً بافتراض أنها تعمل باستمرار وأن ثمن الكيلو واط . ساعة 50 فلساً .

ساعة يومياً ، وكان ثمن الكهرباء التي
5. فرن كهربائي قدرته 8 كيلوواط ، إذا كان يشغل بمعدل  
استهلكها في شهر واحد ( 30 يوماً ) 720 فلساً فما متوسط ثمن الكيلوواط . ساعة من الكهرباء .

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق