الكهرباء
الدرس الأول
الكهرباء
تعريف
يعد المركز السعودي لكفاءة الطاقة الجهة المعنية في المملكة العربية السعودية بترشيد إنتاج واستهلاك الطاقة، بما يكفل رفع كفاءتها، وتوحيد الجهود في هذا المجال.
للاطلاع على جهود المركز وحملاته، يرجى زيارة الموقع الإلكتروني.
أنظر وأتساءل
يستطيع مولد «فان دي جراف» أن يولد حزمًا كبيرة من الإلكترونات.
كيف يمكن السيطرة على هذا الكم من الطاقة؟
أستكشف
أي المفاتيح الكهربائية يتحكم في إضاءة كل مصباح كهربائي؟
أتوقع
يضيء المصباح الكهربائي ما لم يكن هناك انقطاع في مسار التيار الكهربائي بين قطبي «طرفي» البطارية. سوف أفحص مسارات تيارات كهربائية مختلفة باستخدام مفاتيح كهربائية. ثم أتوقع أي المصابيح الكهربائية تضيء إذا فتحت أو أغلقت المفتاح الكهربائي.
أحتاج إلى:
ثلاثة مفاتيح.
ثلاثة مصابيح كهربائية 1,5 فولت مع قواعدها.
ثلاث بطاريات 1,5 فولت مع قواعدها.
أسلاك معزولة بنهايات مكشوفة.
أختبر توقعي
الخطوات:
- أركب دائرة كهربائية وفق المخطط الموضح، مع الإبقاء على جميع المفاتيح الكهربائية مفتوحة.
- أتوقع. أفحص المفتاح الأول. أتوقع أي المصابيح يصل مسار التيار الكهربائي من بطاريته إلى طرفي البطارية إلى المصباح إذا أغلقت المفتاح، أي المصابيح سيضيء عندما يكون المفتاح الأول الكهربائي مغلقًا مع بقاء المفتاحين الثاني والثالث مفتوحين؟ أسجل توقعاتي.
- أجرب. أغلق الدائرة الكهربائية باستخدام المفتاح الكهربائي الأول، وأسجل ملاحظاتي، ثم أفتح المفتاح.
- أكرر الخطوتين 2 و3 مع المفتاحين الثاني والثالث.
أستخلص النتائج
- أفسر البيانات. ألخص ملاحظاتي التي دونتها. أي توقعاتي كان صحيحًا، وأيها كان خاطئًا؟ وما مصدر الخطأ؟
أستكشف أكثر
أي المفاتيح يجب أن يكون مغلقًا للحصول على أقوى إضاءة ممكنة من مصباح واحدة؟ ماذا يحدث لو أغلقت أكثر من مفتاح؟ أصمم تجربة لاختبار أن المصابيح المعلقة يعطي إضاءة أقوى ما يمكن. أنفذ التجربة، وأسجل نتائجي.
أقرأ وأتعلم
السؤال الأساسي
ما الكهرباء، وكيف تستخدمها؟
المفردات
الكهرباء
الكهرباء الساكنة
التأريض
التيار الكهربائي
الدائرة الكهربائية
المقاومة الكهربائية
دائرة التوالي
دائرة التوازي
مهارة القراءة
التتابع
الأول
التالي
الأخير
ما الكهرباء الساكنة؟
قد يشعر بعض الناس بصدمة كهربائية عندما يلمس مقبض باب في يوم بارد جاف. لماذا؟ لقد انتقلت شرارة كهربائية إلى أجسامهم. والبرق الذي أشاهده في أثناء العواصف هو شرارة كهربائية ضخمة شبيهة بالشرارة التي تنتقل أحيانًا عندما نلمس مقبض الباب. والمثالان يرتبطان بالكهرباء، والكهرباء هي حركة الإلكترونات. فكيف تتحرك الإلكترونات، وتؤلِّف الكهرباء؟
درست سابقًا أن الذرة فيها بروتونات وإلكترونات، وأن للبروتونات شحنة موجبة (+)، وللإلكترونات شحنة سالبة (-). ومن المعلوم أن الجسيمات المتماثلة الشحنات تتنافر فيما بينها، أما عندما تملك جسمان متعاكسًا فإنها تترابط من أحدهما للآخر. والكهرباء الساكنة هي تراكم جسيمات مشحونة على سطوح الأجسام.
أثر قوة الجذب بين الإلكترونات والبروتونات كبير فإذا أزيل جسم دون أن تعادلها إلكترونات، تسمى الكهرباء الساكنة. تنتقل الإلكترونات من الجسمين خلال الهواء إلى أقرب البروتونات القريبة على سطح الجسم الآخر، وينتج عن ذلك شرارة كهربائية، ويصبح الجسمان معادلين كهربائيًّا.
الكهرباء الساكنة
الإلكترونات ذات الشحنة على الحذاء ستنتقل ثانية في السجادة التي كانت مصدر هذه الإلكترونات.
أقرأ الشكل
هل الحذاء مشحون؟ لماذا؟
إرشاد: أحسب عدد البروتونات والإلكترونات.
ويكون الجسم متعادلًا كهربائيًّا إذا كان له العدد نفسه من البروتونات والإلكترونات.
إذا فركت جسمين مختلفي الشحنة أحدهما إلى الآخر، فإنهما يلتصقان بفعل سبب التجاذب بين الشحنات الكهربائية المتعاكسة، مثل ما يحدث عندما تحتك الملابس معًا داخل آلة تجفيف الملابس.
وقد تجذب الأجسام المشحونة أجسامًا متعادلة. كيف يحدث ذلك؟ عند تقريب جسم مشحون من جسم متعادل فإنه يجذب نحو نوع واحد من الشحنات، ويدفع النوع الآخر إلى الطرف البعيد عنه. وبهذه الطريقة يسلك الطرف البعيد سلوك جسم مشحون، ويجذب أجسامًا أخرى مشحونة. عندما تكون الشحنات التي تسبب الكهرباء الساكنة على سطح فلز فإن الشحنات المتماثلة تدفع بعضها بعضًا، وتتوزع على سطح الفلز.
وعندما تكون الكهرباء الساكنة على المواد العازلة لا تستطيع الحركة بحرية، وبسبب تجمع الكهرباء الساكنة على أجسام الأجهزة والمعدات المختلفة مشكلات خطيرة.
ويمكن معالجة ذلك عن طريق السماح بانتقال الشحنات إلى جسم متعادل كبير. والكرة الأرضية موصل متعادل كبير. ويستفاد من هذه الخاصية في حماية الأجسام من تأثير الكهرباء الساكنة، ومنها البرق، عن طريق تأريض الأجسام بسلك فلزي متصل بالأرض. ومن ذلك أيضًا مانعة الصواعق، ووصل الأجهزة الكهربائية بالأرض.
والتأريض منع تراكم الشحنات الزائدة على الأجسام الموصلة عن طريق توصيلها بجسم موصل كبير، وهو الأرض. وبذلك فإن الجسم المتصل بالأرض يمرر شحنته الزائدة إلى الأرض.
المفتاح
إلكترون
بروتون
البالون المتعادل الأزرق بعيد جدًا فلا ينجذب.
هذا البالون الأصفر عليه إلكترونات إضافية.
ينجذب البالون المتعادل الأحمر إلى البالون الأصفر.
أختبر نفسي
التتابع. ماذا يحدث لبالون اكتسب إلكترونات إضافية عند تقريبها إلى جدار؟
التفكير الناقد. ماذا يحدث إذا تلامس موصلان لهما شحنتان مختلفتان؟
كيف تسري الكهرباء؟
تستخدم الأجهزة الكهربائية في كل مجالات حياتنا اليومية، وغالبًا ما نفسر عمل الأجهزة الكهربائية بسبب سريان الكهرباء فيها. ويسمى سريان الكهرباء في موصل التيار الكهربائي. يمر التيار الكهربائي في مسار مغلق من الموصلات يسمى الدائرة الكهربائية، ويكون المسار غالبًا من أسلاك فلزية تصل بين أجزاء الدائرة المختلفة. ويجب أن يتوافر في الدائرة جزء أو أداة لتحريك الإلكترونات في اتجاه واحد على طول المسار. وهذه الأداة تسمى مصدر الجهد. والبطاريات مثال جيد على مصدر الجهد.
وتستعمل الدائرة الكهربائية أيضًا مفتاحًا كهربائيًّا، وهو أداة تقوم بغلق الدائرة الكهربائية أو فتحها. وعندما يغلق المفتاح الكهربائي الدائرة الكهربائية فإن اختلاف الشحنات بين طرفي البطارية يسبب دفع الإلكترونات فيها، مما يسبب حركتها، وفي الوقت نفسه تتعرض البروتونات لقوة في الاتجاه المعاكس، ولكنها لا تنتقل؛ لأنها مقيدة الحركة في أنوية الذرات.
ولا تنتقل الكهرباء بالطريقة نفسها في كل جزء من أجزاء الدائرة الكهربائية؛ فهناك أجزاء من الدائرة الكهربائية تقاوم مرور الإلكترونات فيها تسمى المقاومة الكهربائية.
تقاس المقاومة الكهربائية بوحدة تسمى أوم (Ω)، وتفقد الإلكترونات بعض طاقتها عندما تمر في هذا الجزء من الدائرة الكهربائية، وقد تتحول هذه الطاقة إلى حرارة أو إشعاع، كما في المصباح الكهربائي الذي يمثل مقاومة كهربائية.
مصباح يدوي
مصدر الجهد
مفتاح كهربائي
المقاومة الكهربائية
المصباح اليدوي دائرة كهربائية صغيرة، وتوجد فيها البطارية والمقاومة الكهربائية في المصباح الكهربائي، وفيها مفتاح كهربائي.
حقيقة
قد لا تتحرك الإلكترونات بعيدًا في الدائرة الكهربائية.
نشاط
قياس التيار الكهربائي
- أركب دائرة كهربائية لمصباح يد باستعمال بطارية ومفتاح كهربائي ومصباح كهربائي وأسلاك كهربائية.
- ألاحظ. أغلق الدائرة الكهربائية باستخدام المفتاح الكهربائي، وأسجل نتائجي.
- أفصل الدائرة الكهربائية، وأوصل بها بطارية أخرى. أتأكد أن القطب الموجب للبطارية الثانية يلامس القطب السالب للأولى.
- أغلق الدائرة الكهربائية. هل شدة إضاءة المصباح الكهربائي كما هي في السابق؟ لماذا؟
- أستنتج. كيف أستدل على سريان كهرباء أكبر في دائرة كهربائية؟
ينتقل التيار الكهربائي في الدائرة الكهربائية بسرعة تقترب من سرعة الضوء، ومع ذلك فإن الإلكترونات تنتقل لملمترات قليلة في الثانية. لماذا تحتاج الإلكترونات أن تتحرك مسافة كافية لتدفع إلكترونات أخرى، ويقوم كل إلكترون بدفع إلكترون آخر، والإلكترون الآخر يدفع إلكترونًا آخر.. وهكذا، وتستمر العملية.
يقاس التيار الكهربائي الذي يسري في دائرة كهربائية بوحدة تسمى الأمبير. ويجب الحذر عند استعمال التيار الكهربائي، وإن كان ضعيفًا؛ فإن تيارًا مقداره 0.05 أمبير قد يسبب صعقة كهربائية ضارة جدًا.
وتقاس الطاقة الكهربائية بوحدة الجول.
أختبر نفسي
التتابع. كيف يتغير شكل الطاقة في المصباح اليدوي؟
التفكير الناقد. كيف تشبه المقاومة الكهربائية الاحتكاك؟
تسري الكهرباء في الأسلاك كما يسري الماء في الأنابيب.
ما أنواع الدوائر الكهربائية؟
تمثل الصور والمخططات في الشكل أدناه نوعين مختلفين من الدوائر الكهربائية. أحاول تحديد كل جزء من الدائرة الكهربائية على الصورة، وما يقابله على المخطط.
وإذا وجد مسار مغلق واحد في دائرة كهربائية تسمى دائرة كهربائية موصولة على التوالي. وفي هذه الحالة يسري التيار الكهربائي في جميع المقاومات المتصلة في الدائرة الواحدة تلو الأخرى. وكلما أضيفت مقاومات جديدة فإن الطاقة التي تصل إلى كل مقاومة تنقص وتزداد المقاومة الكلية في الدائرة.
وبعض أنواع حبال الزينة تمثل هذا النوع من الدوائر الكهربائية، فإذا تعطل أو أزيل أحد المصابيح الكهربائية فيه أضيئت سائر المصابيح. ولو وصلت الأجهزة الكهربائية في المنزل على هذا المنوال فإن إيقاف تشغيل أحدها يسبب مشكلة؛ حيث يؤدي إلى عدم تشغيل الأجهزة الأخرى.
وتوصل الدوائر الكهربائية في المنزل على التوازي، حيث يوجد فيها أكثر من مسار موصول بالكهرباء. وبسبب أكثر من مسار فإن المقاومة الكلية للدائرة تكون صغيرة، والتيار الذي فيها يكون أكبر.
مخططات الدوائر الكهربائية
يسري التيار الكهربائي في الدائرة الموصولة على التوالي في مسار واحد.
يسري الكهرباء في الدائرة الموصولة على التوازي في جميع المسارات في الوقت نفسه، وكلما قلت المقاومة في المسار ازداد التيار الكهربائي. ماذا يحدث إذا فصل التيار الكهربائي في أحد المسارات؟ يتوقف سريان التيار في هذا المسار، ويستمر سريانه في المسارات الأخرى.
قد يحدث تلامس بين الموصلات في الدائرة الكهربائية دون سريان التيار في المقاومة، مما يؤدي إلى مرور تيار كبير في نقطة التماس، وتلف الأجهزة الكهربائية المنزلية، أو تسبب حدوث حريق. والأسلاك المهترئة من الأسباب الشائعة في حدوث ذلك.
هذا السلك المهترئ يشكل خطورة، وقد يسبب تكوين دائرة التماس «قصر الدائرة».
أقرأ الشكل
أي المصابيح الكهربائية أكثر سطوعًا عندما تغلق الدائرة الكهربائية؟
إرشاد: أي المسارات لها أقل مقاومة؟
أختبر نفسي
التتابع. ماذا يحدث لسطوع المصابيح الكهربائية في دائرة كهربائية متصلة على التوالي في كل مرة تضيف فيها مصباحًا للدائرة؟
التفكير الناقد. كيف تقارن بين التيار الكهربائي في دائرة كهربائية موصولة على التوالي وأخرى موصولة على التوازي؟
كيف تستخدم الكهرباء بطريقة آمنة؟
يلجأ بعض الناس إلى توصيل أجهزة كهربائية منزلية في وصلة كهربائية واحدة. وفي كل مرة يوصل جهاز كهربائي فيها يضاف مسار آخر إلى دائرة التوازي. وتسبب هذا زيادة التيار الكهربائي الذي يرفع حرارة الأسلاك إلى درجة قد يهدد معها الاستعمال.
ولحماية المنازل من التيارات الكهربائية الكبيرة يركب فيها منصهرات أو قواطع كهربائية. فالمنصهر سلك يتقطع إذا مر فيه تيار كهربائي كبير. والقواطع مفاتيح كهربائية تفصل التيار الكهربائي إذا كان كثيرًا. وتستعمل في المنازل قواطع كهربائية مصممة لمواد مختلفة.
وتوصل الأجهزة الإلكترونية الحساسة - ومنها الحواسيب - بمخمدات للتيار الكهربائي؛ لتمنع حدوث التغير المفاجئ في التيار الكهربائي.
وفي الحمامات والمطابخ تزود مقبس الكهرباء بأداة تعمل على فصل التيار الكهربائي في المقبس في حال حدوث تماس كهربائي، أو سريان الكهرباء في الماء.
والأسلاك الكهربائية التي توصل الكهرباء إلى المنزل خطرة جدًا، فإذا علقت لعبة أو طائرة ورقية عليها فمن الخطر محاولة الوصول إليها، فقد يؤدي لمس سلك كهربائي ممتد من عمود كهربائي إلى الموت.
إرشادات السلامة
لا تقترب مطلقًا من أسلاك كهربائية ساقطة على الأرض.
تعمل القواطع على حماية الدوائر الكهربائية من التيارات الكبيرة.
تستخدم المقابس المؤرضة في المنازل.
أختبر نفسي
التتابع. كيف يمكن أن تؤدي التوصيلات الكهربائية إلى إشعال حريق؟
التفكير الناقد. فيم يشبه المنصهر المفتاح الكهربائي، وفيم يختلف عنه؟
مراجعة الدرس
ملخص مصور
الكهرباء الساكنة هي تراكم شحنات كهربائية.
التيار الكهربائي هو سريان الكهرباء في موصل.
تسري الكهرباء في دوائر كهربائية موصولة على التوالي أو على التوازي.
المطويات
أنظم أفكاري
أعمل مطوية ألخص فيها ما تعلمته عن كل عنوان فيها.
أفكر وأتحدث وأكتب
- المفردات. عندما يمر موصل الشحنات الكهربائية الزائدة على سطحه إلى موصل آخر كبير يسمى هذا ................
- التتابع. ماذا يحدث لأجسام عندما تلامس معًا، وتكون شرارة كهربائية؟
- التفكير الناقد. هل تصل الإلكترونات من البطارية إلى المصباح الكهربائي قبل أن يضيء؟
- أختار الإجابة الصحيحة. إضافة مصابيح أخرى إلى دائرة موصولة على التوالي:
أ. يسبب زيادة التيار
ب. يسبب نقص التيار
ج. لا يغير التيار
د. يعكس اتجاه التيار
- أختار الإجابة الصحيحة. ما الذي يحمي المنازل من التيار الكهربائي الكبيرة؟
أ. المقاييس
ب. المقاومات
ج. القواطع الكهربائية
د. مصادر الكهرباء
- السؤال الأساسي. ما الكهرباء؟ وكيف تستخدمها؟
العلوم والرياضيات
استخدام البرق في الإضاءة
في الصاعقة الكهربائية الصغيرة يوجد حوالي 50 مليون جول من الطاقة. يستخدم المصباح الكهربائي 100 جول/ثانية. كم ساعة يضيء المصباح بهذه الكمية للطاقة؟
العلوم والمجتمع
اكتشاف الكهرباء
قام بنجامين فرانكلين بالعديد من التجارب الكهربائية. أبحث عن هذه التجارب وألخصها.
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.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.