مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

دوائر التوالي والتوازي الكهربائية

يوجد في كل دائرة كهربائية علاقة بين التيار وفرق الجهد والمقاومة. سوف تستقصي في هذه التجربة العلاقة بين التيار وفرق الجهد والمقاومة في دوائر التوالي الكهربائية، وتقارنها بالعلاقة الخاصة بها في دوائر التوازي الكهربائية.

سؤال التجربة

ما العلاقة بين التيار وفرق الجهد والمقاومة في دوائر التوالي مقارنة بالعلاقة بينها في دوائر التوازي؟

الأهداف

• تصف العلاقة بين التيار وفرق الجهد والمقاومة في دائرة التوالي الكهربائية.
• تلخص العلاقة بين التيار وفرق الجهد والمقاومة في دائرة التوازي الكهربائية.
• تجمع بيانات حول التيار وفرق الجهد باستعمال أجهزة القياس الكهربائية.
• تحسب مقاومة مصباح كهربائي من خلال بيانات فرق الجهد والتيار.

احتياطات السلامة

• الخطورة الناجمة عن الصدمة الكهربائية قليلة؛ لأن التيارات الكهربائية المستخدمة في هذه التجربة صغيرة. يجب ألا تنفذ هذه التجربة باستخدام تيار متناوب؛ لأن هذا التيار قاتل.
• أمسك أطراف الأسلاك بحذر؛ لأنها قد تكون حادة، فتجرح جلدك.

المواد والأدوات

• مصدر قدرة قليل الجهد.
• قاعدتا مصباح.
• مصباحان كهربائيان صغيران.
• أميتر ذو مدى تدريج (0–500 mA).
• فولتمتر ذو مدى تدريج (0–30 V).
• عشرة أسلاك نحاسية مزودة بمشابك فم التمساح.

الخطوات

• صل قاعدتي المصباح على التوالي بالأميتر ومصدر القدرة. راع التوصيل الصحيح للأقطاب عند وصل الأميتر.

• ركب المصباحين في القاعدتين، وشغل مصدر القدرة. ثم اضبط مصدر القدرة حتى تصبح إضاءة المصباحين خافتة.

• افصل أحد المصباحين، ودون ملاحظاتك في جدول البيانات.

• ركب المصباح مرة ثانية، وأوجد فرق الجهد بين طرفي النظام المكون من المصباحين، وذلك بتوصيل الطرف الموجب للفولتمتر بالطرف الموجب للدائرة، والطرف السالب له بالطرف السالب للدائرة، ثم دون قياساتك في جدول البيانات.

• أوجد فرق الجهد بين طرفي كل مصباح بتوصيل الطرف الموجب للفولتمتر بالطرف الموجب للمصباح، والطرف السالب للفولتمتر بالطرف السالب للمصباح، ثم دون قياساتك في جدول البيانات. وكرر تجربتك لمصابيح أخرى على التوالي.

• صل الأميتر بمواقع مختلفة في دائرة التوالي، ودون قيم هذه التيارات في جدول البيانات.

• صل قاعدتي المصباحين على أن تكونا متصلتين على التوازي مع مصدر الجهد نفسه، وأن تكونا متصلتين على التوالي مع الأميتر.

• ركب المصباحين في القاعدتين، وشغل مصدر القدرة. ثم اضبط مصدر القدرة حتى تصبح إضاءة المصباحين خافتة. ودون قراءة التيار من الأميتر في جدول البيانات.

• أوجد فرق الجهد عبر الدائرة كلها، ثم عبر كل مصباح، ودون القيم في جدول البيانات.

• صل طرفي الفولتمتر بطرفي أحد المصباحين، ثم افصل أحد المصباحين، ودون ملاحظاتك حول المصباحين، ودون قراءتي الأميتر والفولتمتر في جدول البيانات.

• أعد تركيب المصباح الذي فصلته في قاعدته، وافصل المصباح الآخر، ودون ملاحظاتك حول المصباحين، ودون قراءتي الأميتر والفولتمتر في جدول البيانات.

جدول البيانات

| الخطوة | التيار الكهربائي (mA) | فرق الجهد (V) | الملاحظات |
| ------ | --------------------- | ------------- | --------- |
| 3 | | | |
| 4 | | | |
| 5 | | | |
| 6 | | | |
| 8 | | | |
| 9 | | | |
| 10 | | | |
| 11 | | | |

التحليل

• احسب المقاومة المكافئة للمصباحين في دائرة التوالي.

• احسب مقاومة كل مصباح في دائرة التوالي.

• ما العلاقة بين المقاومة المكافئة للمصباحين ومقدار مقاومة كل منهما؟

• ما العلاقة بين فرق الجهد على طرفي كل مصباح وفرق الجهد على طرفي النظام المكون منهما عندما يكونان موصولين على التوالي؟

• احسب مقاومة كل مصباح في دائرة التوازي، وقارن هذه القيمة مع المقاومة التي حصلت عليها للمصابيح في دائرة التوالي.

الاستنتاج والتطبيق

• لخص العلاقة بين التيار وفرق الجهد والمقاومة في دائرة التوالي.

• لخص العلاقة بين التيار وفرق الجهد في دائرة التوازي.

التوسع في البحث

كرر التجربة باستخدام مصابيح ذات جهود مختلفة، (1.5 V) و(3.0 V) و(6.0 V) مثلًا.

الفيزياء في الحياة

• تعمل المصابيح في معظم المنازل على جهد (120 V) بغض النظر عن عددها. كيف تتأثر مقدرتنا على استعمال أي عدد من المصابيح المتماثلة الجهد بطريقة التوصيل، تواز أو توال؟

• لماذا يخفت الضوء في المنزل عند تشغيل جهاز كهربائي يحتاج إلى تيار كبير، كالمكيف مثلًا؟

كيف تعمل؟

How it Works Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI)?

دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ؟

يحدث التفريغ الأرضي الخاطئ عندما يسلك التيار مسارًا خاطئًا نحو الأرض، كأن يمر التيار الكهربائي من خلال جسم شخص. كان شارل دالزيل أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا خبيرًا في تأثيرات الصدمات الكهربائية. وعندما أدرك أن التفريغ الأرضي الخاطئ كان سببًا لحدوث العديد من الصعقات الكهربائية اخترع جهازًا يمنع وقوع مثل هذه الحوادث. فما مبدأ عمل دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ (GFCI)؟

توضيح عمل الدائرة

• في الوضع الطبيعي يمر تياران متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه خلال السلكين؛ لذا يكون التيار المحصل المار من خلال المحول صفرًا.

• في حالة التفريغ الخاطئ يمر تيار من السلك الحي (hot conductor) نحو الأرض عن طريق جسم الشخص، وتكون التيارات في السلكين غير متساوية؛ لذا يكون هناك قيمة للمحصلة للتيار المار من خلال المحول.

• سيولد التيار المحصل المار مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا في قلب المحول، مما يولد تيارًا في حلقة المجس الإلكتروني. سيكشف المجس بدوره التيار، وينشط مغناطيسيًا كهربائيًا يسمى ملف القاطع. وبذلك تنفتح الدائرة الكهربائية. وتستغرق هذه العملية (0.025 s).

• يوصل زر الفحص في دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ مقاومة صغيرة بالدائرة الكهربائية، فينشئ مرة أخرى تيارات غير متساوية في المحول، ويفتح الدائرة الكهربائية.

تسميات الشكل

• لا يوجد تيار أرضي.
• مجس إلكتروني.
• ملف القاطع.
• إلى الحمل.
• تياران متساويان.
• محول.
• متعادل.
• تيار من جسم الحالة.
• تيار خاطئ.
• قاطع الدائرة.

التفكير الناقد

• كون فرضية: يحدث التفريغ الخاطئ عندما يقف شخص على سطح مبلل بالماء ويلمس جهازًا موصولًا بالكهرباء. كيف يكون الماء عاملًا في تكون التفريغ الأرضي الخاطئ؟

• حلل واستنتج: هل تعمل دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ على حماية شخص عندما يمسك أحد السلكين بيد ويمسك السلك الآخر باليد الأخرى؟ وضح إجابتك.

• احسب: في دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ، كان مقدار مقاومة الفحص (14.75 k\Omega). احسب التيار المار في هذه المقاومة إذا كان فرق الجهد (115 V). هل يعد هذا التيار كبيرًا؟