تلخيص وحل وحدة التيار الكهربائي فيزياء ثاني عشر متقدم
الوحدة الخامسة التيار الكهربائي
أولا- التيار الكهربي
- تحرك الشحنات داخل مادة الموصل من مكان الى آخر تحت تأثير مجال كهربي داخل مادة الموصل تعطى ما يسمى بالتيار الكهربي .
- المجال الكهربي يكون متواجد داخل مادة الموصل طالما أن الشحنات في حالة حركة
لأنة إذا تعرض موصل معزول لمجال كهربي فإن ذلك يؤدي لحركة الشحنات لتستقر في النهاية على سطح الموصل وهو ما يعرف بالكهربية الساكنة electrostatic وينتج عن ذلك أن يصبح المجال الكهربي داخل مادة الموصل تساوي صفر
- في هذه فإن الدراسة الشحنات تتحرك عبر دائرة مغلقة وتستمر في الحركة طالما المجال
الكهربي موجود وتسمى هذه بالكهربية غير الساكنة
- ويعرف التيار الكهربي (1) بكمية الشحنة التي تمر خلال مقطع سلك في الثانية
الواحدة، فإذا مرت شحنة كهربية صغيرة Ag في زمن قدرة At خلال مقطع السلك فإن:
وحدته هي أمبير – كولوم/ثانية ( 1A = 1C / 1S )
- والتيار کمية قياسية (Scalar) واتجاة التيار دائما يكون عکس حركة الشحنات الكهربية السالبة في الموصلات وفي الدوائر الكهربية من الطرف الموجب الى الطرف السالب عبر الموصل الدائرة الخارجية
مقدار الشحنة الكلية المارة عبر نقطة محددة خلال زمن t
اذا تعرض سلك موصل منتظم الشكل مساحة مقطعه A لمجال كهربي E فان الشحنات السالبة سوف تتحرك بسرعة مقدارها 1 مسافة مقدارها، زمن قدره . فاذا كانت مساحة مقطع السلك A ، n عدد الاليكترونات الحره في وحدة الحجم وتسمى بكثافة الاليكترونات الحرة، فان عدد الاليكترونات التي تمر من مقطع السلك في الفترة الزمنية Ar ت. فاذا كانت تمثل شحنة الإليكترون فان الشحنة الكلية التي تمر في هذة المسافة وفي زمن قدرة A هي:
والسرعة 1 تعرف بالسرعة الجرف او الانسياق (Drift velocity) للإلكترونات
ثانيا المقاومة الكهربية (R) :
يتحرك الإلكترون داخل الموصل نتيجة تسليط مجال كهربي (E) عليه و أثناء حركته يحدث تصادمات واحتكاكات مع ذرات المادة فيزداد التذبذب وترتفع درجة حرارة السلك وتسمى هذه الحالة بالمقاومة الكهربية
العوامل المؤثرة في المقاومة الكهربية لموصل
1. طول السلك ووحداته اوم
2. مساحة مقطع السلك (A)
3- نوع مادة السلك (المقاومة النوعية p)
ثالثا قانون أوم
مما سبق المواد التي تخضع للمعادلات السابقة تحقق مايعرف بقانون أوم في الكهربية المواد التي تحقق قانون أوم يكون فيها " المجال الكهربي والتيار الكهربي يتناسبان تناسبا طرديا" تسمى مواد أومية Olunnie والمواد التي لا تحقق قانون أوم تسی مواد غير أومية .nonolinic وبالتالي قانون أوم هو قانون تجريبي وينطبق على عدد محدد من المواد
العلاقة بين فرق الجهد الكهربي V بين طرفي موصل وطولة والمجال الكهربي
لنفترض موصل طوله L ومساحة مقطعه A كما في الشكل أدناه، فإذا طبق فرق جهد كهربي على طرفي السلك فإنه سينشئ مجال كهربي E في الموصل
ملاحظات هامة
(1) تعتمد مقاومة الموصل على الأبعاد الهندسية للموصل بينما المقاومة النوعية تعتمد على التركيب الذري للموصل. وكلا من المقاومة والمقاومة النوعية يعتمدان على درجة الحرارة
(2) من المعادلة السابقة نستنتج أن مقاومة موصل تتناسب طرديا مع طوله وعكسيا مع
مساحه مقطعه، فإذا تضاعف طول الموصل مرتين تزداد مقاومته مرتين كما أنه إذا تضاعفت مساحة مقطع الموصل مرتين قلت المقاومة إلى النصف
- علل ؟
١) معامل التوصيل الكهربي للنحاس كبير ؟
يفضل استخدام أسلاك من النحاس في التوصيلات الكهربية ؟
ج : لأن المقاومة النوعية له صغيرة وحيث أن ' فتكون التوصيلية الكهربية له كبيرة .
2) يعتبر النحاس من الموصلات الجيدة بينما الخشب من العازلات الجيدة ؟
ج : لأن المقاومة النوعية للنحاس صغيرة فتكون التوصيلية الكهربية له كبيرة بينما المقاومة النوعية للخشب كبيرة فتكون التوصيلية الكهربية له صغيرة
3) تتغير المقاومة النوعية لمادة بتغير درجة حرارتها ؟
ج : لأن تغير درجة الحرارة يؤدي إلى تغير المقاومة الكهربية R وبالتالي تتغير المقاومة النوعية
تطبيق :
الرسم البياني المقابل يوضح العلاقة بين فرق الجهد وشدة التيار الكهربي الموصلين A , B من نفس المادة عند ثبوت درجة الحرارة:
ايهما اكبر مقاومة ولماذا ؟ ايهما ذو مساحة مقطع اكبر ولماذا ؟
الإجابة :
السلك (A) أكبر مقاومة لأنه أكبر ميلا
السلك (B) أكبر مساحة لأنه أقل مقاومة
تطبيق : الشكل المقابل ، يمثل العلاقة البيانية بين المقاومة الكهربية R ومقلوب مساحة المقطع A السلكين b ، a من مادتين مختلفتين ولهما نفس الطول ، وضح أي السلكين له مقاومة نوعية أكبر ؟ ولماذا ؟
الإجابة : السلك a أكبر مقاومة نوعية لأنه أكبر ميلا عند ثبوت الطول
علل ؟
١. تزداد مقاومة موصل بزيادة طوله ؟
ج : لأن زيادة طول السلك يماثل توصيل المقاومات على التوالي وفي التوصيل على التوالي تكون المقاومة المكافئة كبيرة كما أن المقاومة تتناسب طرديا مع طول السلك تبعا للعلاقة
2. في التوصيل على التوالي تكون المقاومة الكلية كبيرة ؟
ج: لأن التوصيل على التوالي يمثل الزيادة في الطول وكلما زاد الطول زادت المقاومة فتكون المقاومة المكافئة لعدة مقاومات متصلة على التوالي اكبر من أكبر مقاومة كما أنها تساوي مجموع المقاومات
3. تقل مقاومة موصل عند زيادة مساحة مقطعه ؟
ج: لأن زياة مساحة المقطع يماثل توصيل المقاومات على التوازي فتقل المقاومة المكافئة بزيادة مساحة المقطع كما أن المقاومة تتناسب عكسيا مع مساحة المقطع تبعا للعلاقة
4. في التوصيل على التوازي تكون المقاومة الكلية صغيرة ؟
للحصول على مقاومة صغيرة من مجموعة مقاومات كبيرة توصل المجموعة على التوازي
ج: لأن التوصيل على التوازي يماثل الزيادة في مساحة المقطع وكلما زادت مساحة المقطع قلت المقاومة فتكون المقاومة المكافئة لعدة مقاومات متصلة على التوازي اصغر من أصغر مقاومة كما أنها تحسب من العلاقة :
5. لا توصل الأجهزة المنزلية على التوالي ؟
ج : لأن التوصيل على التوالي يجعل المقاومة الكلية كبيرة فتضعف شدة التيار كما أنه عند فصل التيار عن أحد الأجهزة فإن باقي الأجهزة سوف تنطفئ ايضا
6. توصل الأجهزة المنزلية على التوازي ؟
ج : حتى تصبح المقاومة المكافئة لها جميعا صغيرة جدا فلا تضعف شدة التيار الكهربي كما يمكن تشغيل كل جهاز بمفرده
7. في دائرة مقاومات متصلة على التوازي تستخدم أسلاك سميكة عند طرفي البطارية بينما تستخدم أسلاك أقل سمكا عند طرفي کل مقاومة ؟
ج : لأن شدة التيار في دائرة التوازي تكون أكبر ما يمكن عند مدخل ومخرج التيار (قلب البطارية ) لذا تستخدم أسلاك سميكة حتى تكون مقاومتها صغيرة فلا تؤثر في شدة التيار بينما يتجزأ التيار في كل مقاومة على حدة فيمكن استخدام أسلاك أقل سمكا عند طرفي کل مقاومة
إيجاد المقاومة المكافئة لأشكال بسيطة؛
مثال (1) ثلاث مقاومات متساوية قيمة كل منها 30 أوم ، كيف يمكن توصيلها على التوالي مرة و على التوازي مرة أخرى بالرسم ، ثم أوجد قيمة المقاومة المكافئة في كل حالة :