ملخص العلوم تالتة إعدادي، الترم الأول الكهرباء والقوى المغناطيسية

أهداف التعلم

• يتعرف شدة التيار الكهربي وفرق الجهد والقوة الدافعة الكهربية والمقاومة وأجهزة قياسها.
• يقارن بين توصيل الأعمدة الكهربية على التوالي وعلى التوازي وبين توصيل المقاومات.
• يتحقق من قانون أوم ويحسب المقاومة المكافئة والقدرة الكهربية وتكلفة الطاقة.
• يستنتج الأثر المغناطيسي للتيار ويصف تركيب المغناطيس الكهربي والمحرك والمولد وعوامل كل منها.

المصطلحات والتعريفات العلمية

• التيار الكهربي: تدفق الشحنات الكهربية خلال موصل. يلزمه مصدر كهربي ودائرة مغلقة.
• شدة التيار (I): كمية الشحنة المارة في مقطع الموصل في الثانية الواحدة، وحدتها الأمبير (A = C/s)، ويقاس بالأميتر المتصل على التوالي.
• فرق الجهد (V): الشغل المبذول لنقل شحنة قدرها كولوم واحد بين نقطتين، وحدته الفولت (V = J/C)، ويقاس بالفولتميتر المتصل على التوازي. تتدفق الشحنات اصطلاحاً من القطب الموجب (الجهد الأعلى) إلى السالب، بينما تتحرك الإلكترونات من السالب إلى الموجب.
• القوة الدافعة الكهربية (ق.د.ك): الشغل الكلي الذي يبذله المصدر لنقل كولوم واحد خلال الدائرة كلها، ووحدتها الفولت، وهي أكبر من فرق الجهد بين طرفي المصدر بسبب المقاومة الداخلية.
• المقاومة الكهربية (R): ممانعة الموصل لمرور الشحنات، وحدتها الأوم (Ω) وتقاس بالأومميتر. تزداد بزيادة الطول ونقص مساحة المقطع وبزيادة المقاومة النوعية للمادة.
• القدرة الكهربية (P): معدل استهلاك الطاقة الكهربية، وحدتها الوات (W = J/s).

القوانين والمعادلات الفيزيائية

شدة التيار:        I = Q ÷ t
فرق الجهد:         V = W ÷ Q
قانون أوم:         V = I × R   (عند ثبوت درجة الحرارة)
توالي مقاومات متماثلة:   R_eq = n × R
توازي مقاومات متماثلة:   R_eq = R ÷ n
القدرة الكهربية:   P = E ÷ t
الطاقة المستهلكة:  E = P × t
التكلفة = (القدرة بالكيلوواط × عدد الساعات) × سعر الكيلوواط.ساعة
1 kW.h = 3.6 × 10⁶ J

• قانون أوم: شدة التيار المار في موصل تتناسب طردياً مع فرق الجهد بين طرفيه عند ثبوت درجة الحرارة؛ والرسم البياني خط مستقيم يمر بنقطة الأصل وميله = 1 ÷ R.
• توصيل الأعمدة الكهربية: على التوالي (القطب الموجب للأولى بالسالب للتالية) فتتجمع القوى الدافعة (3 أعمدة × 3 فولت = 9 فولت)، وعلى التوازي فتساوي ق.د.ك عمود واحد وتدوم أطول (كما في الباور بانك). المصباح اليدوي يستخدم التوالي.
• التوالي للمقاومات: المسار واحد، التيار متساو في الجميع، فرق الجهد يتوزع، والمقاومة المكافئة أكبر من أي مقاومة. التوازي: مسارات متفرعة، فرق الجهد متساو، التيار يتوزع، والمقاومة المكافئة أقل من أي مقاومة. الأجهزة المنزلية توصل على التوازي ليعمل كل جهاز باستقلال.

المغناطيس الكهربي والمحرك والمولد

• تجربة أورستد: مرور تيار في سلك يولد حوله مجالاً مغناطيسياً يحرف إبرة البوصلة.
• المغناطيس الكهربي: ملف من سلك نحاس معزول حول قلب من الحديد المطاوع؛ مغناطيس مؤقت يفقد مغناطيسيته بانقطاع التيار. تزداد قوته بزيادة عدد اللفات وشدة التيار واستخدام قلب من الحديد المطاوع. من تطبيقاته رفع الخردة والجرس الكهربي.
• القوة المغناطيسية على سلك يحمل تيار: يتحرك السلك العمودي على مجال مغناطيسي، وتتغير جهة الحركة بعكس التيار أو القطبين.
• المحرك الكهربي: يحول الطاقة الكهربية إلى حركية. يتكون من ملف حر الدوران بين قطبي مغناطيس قوي، وأسطوانة مشقوقة (عاكس التيار) وفرشتين من الجرافيت. يتولد على ضلعي الملف قوتان متساويتان متضادتان تكونان ازدواجاً يدير الملف. يزداد عزم الازدواج بزيادة شدة التيار المار في الملف وعدد لفاته ومساحة وجه الملف.
• المولد الكهربي: يحول الطاقة الحركية إلى كهربية؛ يدور ملف في مجال مغناطيسي فيقطع خطوط المجال فتتولد ق.د.ك. تزداد بزيادة سرعة الدوران (كدينامو الدراجة). محطات الكهرباء تنتج تياراً متردداً (AC) يمكن نقله بفقد قليل وتحويله إلى مستمر.

تطبيقات محلولة

مسألة 1: مصباحان: CFL قدرته 20 واط وLED قدرته 12 واط يعملان 12 ساعة يومياً لمدة 30 يوماً (360 ساعة) وسعر الكيلوواط.ساعة 1.55 جنيه. CFL: 0.02 × 360 = 7.2 kW.h ← التكلفة 7.2 × 1.55 ≈ 11.2 جنيهاً. LED: 0.012 × 360 = 4.32 kW.h ← التكلفة ≈ 6.7 جنيهاً. إذن LED أكثر كفاءة وتوفيراً.

مسألة 2: ثلاث مقاومات متماثلة على التوالي ببطارية 12 فولت وتيار 2 أمبير: R_eq = 12 ÷ 2 = 6 Ω وكل مقاومة = 6 ÷ 3 = 2 Ω.

مسألة 3: سلك مقاومته 2 Ω وفرق الجهد 6 فولت: I = 6 ÷ 2 = 3 أمبير.

أخطاء شائعة في الامتحان

• توصيل الأميتر على التوازي أو الفولتميتر على التوالي.
• نسيان تحويل الوات إلى كيلوواط والدقائق إلى ساعات قبل حساب التكلفة.
• القول إن قانون أوم يتحقق دائماً مهما تغيرت درجة الحرارة.
• الخلط بين المقاومة المكافئة في التوالي (تزيد) والتوازي (تقل).
• نسيان أن القلب الحديدي للمغناطيس الكهربي من الحديد المطاوع لا الصلب.

قائمة المراجعة السريعة

• [ ] أعرف شدة التيار وفرق الجهد وق.د.ك والمقاومة بوحداتها.
• [ ] أحدد طريقة توصيل الأميتر والفولتميتر.
• [ ] أقارن التوالي والتوازي للأعمدة والمقاومات.
• [ ] أطبق V = I × R وأحسب المقاومة من الرسم.
• [ ] أحسب القدرة والطاقة وتكلفة الاستهلاك.
• [ ] أذكر احتياطات الأمان الكهربي (عدم الحمل الزائد، العزل، جفاف اليدين).
• [ ] أذكر عوامل قوة المغناطيس الكهربي.
• [ ] أشرح عمل المحرك والمولد والفرق بينهما.

جميع المعادلات دفعة واحدة

I = Q ÷ t
V = W ÷ Q
V = I × R
R_eq (توالي) = n × R
R_eq (توازي) = R ÷ n
P = E ÷ t
E = P × t
التكلفة = E (kW.h) × السعر