حل أسئلة الدرس الثالث: توصيل المقاومات وقاعدتا كيرشوف

الدَّرْسُ 3: تَوْصِيلُ الْمُقَاوَمَاتِ وَقَاعِدَتَا كِيرْشُوف

أَسْئِلَةُ الْمَفَاهِيمِ وَالتَّحَقُّقِ

أَتَحَقَّق (صفحة 150)

أَذْكُرُ خَصَائِصَ تَوْصِيلِ الْمُقَاوَمَاتِ عَلَى التَّوَالِي، وَأَذْكُرُ عَيْبَ هَذِهِ الطَّرِيقَةِ فِي التَّوْصِيلِ.
خَصَائِصُ التَّوْصِيلِ عَلَى التَّوَالِي:
  • يَمُرُّ فِي جَمِيعِ الْمُقَاوَمَاتِ التَّيَّارُ نَفْسُهُ: \(\dots = I_T = I_1 = I_2\)
  • يَتَجَزَّأُ فَرْقُ الْجُهْدِ الْكُلِّيِّ عَلَى الْمُقَاوَمَاتِ: \(\dots + V_T = V_1 + V_2\)
  • الْمُقَاوَمَةُ الْمُكَافِئَةُ تُسَاوِي مَجْمُوعَ الْمُقَاوَمَاتِ (\(R_{eq} = R_1 + R_2 + \dots\)) وَتَكُونُ أَكْبَرَ مِنْ أَكْبَرِ مُقَاوَمَةٍ فِي الْمَجْمُوعَةِ.
عَيْبُ هَذِهِ الطَّرِيقَةِ: عِنْدَ حُدُوثِ قَطْعٍ فِي أَيِّ مُقَاوَمَةٍ (أَوْ تَلَفِهَا)، يَنْقَطِعُ التَّيَّارُ الْكَهْرَبَائِيُّ عَنِ الْمُقَاوَمَاتِ جَمِيعِهَا، فَتَتَوَقَّفُ الدَّارَةُ عَنِ الْعَمَلِ.

أُفَكِّر (صفحة 151)

عِنْدَمَا يَكُونُ لَدَيَّ مِصْبَاحَانِ كَهْرَبَائِيَّانِ مُتَمَاثِلَانِ مَوْصُولَانِ عَلَى التَّوَازِي مَعَ بَطَّارِيَّةٍ مِثَالِيَّةٍ. إِذَا فَصَلْتُ أَحَدَ الْمِصْبَاحَيْنِ عَنِ الْبَطَّارِيَّةِ أُوَضِّحُ مَا يَحْدُثُ لِإِضَاءَةِ الْمِصْبَاحِ الثَّانِي، وَأُبَيِّنُ السَّبَبَ.
التَّفْسِيرُ الْعِلْمِيُّ:

تَبْقَى إِضَاءَةُ الْمِصْبَاحِ الثَّانِي كَمَا هِيَ (لَا تَتَغَيَّرُ). السَّبَبُ يَعُودُ إِلَى أَنَّ التَّوْصِيلَ عَلَى التَّوَازِي يَضْمَنُ بَقَاءَ فَرْقِ الْجُهْدِ بَيْنَ طَرَفَيِ الْمِصْبَاحِ الثَّانِي ثَابِتاً (مُسَاوِياً لِقُوَّةِ الْبَطَّارِيَّةِ الدَّافِعَةِ لِأَنَّهَا مِثَالِيَّةٌ). وَبِمَا أَنَّ مُقَاوَمَةَ الْمِصْبَاحِ نَفْسِهِ لَمْ تَتَغَيَّرْ، فَإِنَّ التَّيَّارَ الْمَارَّ فِيهِ يَبْقَى ثَابِتاً حَسَبَ قَانُونِ أُوم (\(I = \frac{V}{R}\)).

التَّجْرِبَةُ 2: التَّحْلِيلُ وَالِاسْتِنْتَاجُ (صفحة 154)

أَسْئِلَةُ التَّحْلِيلِ وَالِاسْتِنْتَاجِ لِتَجْرِبَةِ تَوَصِيلِ الْمُقَاوَمَاتِ:
1. مُقَارَنَةُ الْمُقَاوَمَةِ الْمُكَافِئَةِ (نَظَرِيّاً وَعَمَلِيّاً):

تَتَطَابَقُ الْقِيمَةُ الْمَحْسُوبَةُ عَمَلِيّاً مِنْ قِسْمَةِ الْجُهْدِ الْكُلِّيِّ عَلَى التَّيَّارِ الْكُلِّيِّ مَعَ الْقِيمَةِ النَّظَرِيَّةِ الْمَحْسُوبَةِ بِالْعَلَاقَاتِ الرِّيَاضِيَّةِ.

2. التَّحَقُّقُ الْعَمَلِيُّ مِنَ الْقَوَاعِدِ:

فِي التَّوَالِي نَجِدُ عَمَلِيّاً أَنَّ \(R_{eq} = R_1 + R_2 + R_3\). وَفِي التَّوَازِي نَجِدُ أَنَّ \(\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}\).

3. الْعَلَاقَةُ بَيْنَ الْجُهْدِ الْكُلِّيِّ وَالْجُهْدِ الْفَرْعِيِّ:

فِي التَّوَالِي: الْجُهْدُ الْكُلِّيُّ يَتَوَزَّعُ (مَجْمُوعُ الْجُهُودِ الْفَرْعِيَّةِ يُسَاوِي جُهْدَ الْمَصْدَرِ).
فِي التَّوَازِي: الْجُهْدُ الْكُلِّيُّ (جُهْدُ الْمَصْدَرِ) يُسَاوِي الْجُهْدَ الْفَرْعِيَّ عَلَى طَرَفَيْ كُلِّ مُقَاوَمَةٍ.

4. الْعَلَاقَةُ بَيْنَ التَّيَّارِ الْكُلِّيِّ وَالتَّيَّارِ الْفَرْعِيِّ:

فِي التَّوَالِي: التَّيَّارُ الْكُلِّيُّ هُوَ نَفْسُهُ التَّيَّارُ الْمَارُّ فِي كُلِّ مُقَاوَمَةٍ.
فِي التَّوَازِي: التَّيَّارُ الْكُلِّيُّ يَتَجَزَّأُ (مَجْمُوعُ التَّيَّارَاتِ الْفَرْعِيَّةِ يُسَاوِي التَّيَّارَ الْكُلِّيَّ).

أَتَحَقَّق (صفحة 155)

أُوَضِّحُ الْعَلَاقَةَ بَيْنَ قَاعِدَةِ كِيرْشُوفَ الْأُولَى وَمَبْدَأِ حِفْظِ الشُّحْنَةِ.
التَّوْضِيحُ:

قَاعِدَةُ كِيرْشُوفَ الْأُولَى تَنُصُّ عَلَى أَنَّ مَجْمُوعَ التَّيَّارَاتِ الدَّاخِلَةِ إِلَى نُقْطَةِ تَفَرُّعٍ يُسَاوِي مَجْمُوعَ التَّيَّارَاتِ الْخَارِجَةِ مِنْهَا. وَبِمَا أَنَّ التَّيَّارَ هُوَ مُعَدَّلُ تَدَفُّقِ الشُّحْنَاتِ الزَّمَنِيِّ، فَهَذَا يَعْنِي أَنَّ كَمِّيَّةَ الشُّحْنَةِ الَّتِي تَدْخُلُ نُقْطَةَ التَّفَرُّعِ فِي مُدَّةٍ زَمَنِيَّةٍ تُسَاوِي كَمِّيَّةَ الشُّحْنَةِ الَّتِي تُغَادِرُهَا فِي الْمُدَّةِ نَفْسِهَا، وَلَا يُمْكِنُ أَنْ تَتَرَاكَمَ الشُّحْنَةُ أَوْ تَفْنَى، وَهُوَ جَوْهَرُ مَبْدَأِ حِفْظِ الشُّحْنَةِ.

أَتَحَقَّق (صفحة 156)

كَيْفَ يُمْكِنُ تَفْسِيرُ قَاعِدَةِ كِيرْشُوفَ الثَّانِيَةِ عَنْ طَرِيقِ مَبْدَأِ حِفْظِ الطَّاقَةِ؟
التَّفْسِيرُ:

تَنُصُّ قَاعِدَةُ كِيرْشُوفَ الثَّانِيَةِ عَلَى أَنَّ الْمَجْمُوعَ الْجَبْرِيَّ لِتَغَيُّرَاتِ الْجُهْدِ فِي مَسَارٍ مُغْلَقٍ يُسَاوِي صِفْراً (\( \Sigma \Delta V = 0 \)). هَذَا يَتَوَافَقُ مَعَ حِفْظِ الطَّاقَةِ؛ لِأَنَّ الشُّحْنَةَ الِافْتِرَاضِيَّةَ الْمُوجَبَةَ عِنْدَمَا تُكْمِلُ دَوْرَةً كَامِلَةً وَتَعُودُ لِنُقْطَةِ الْبِدَايَةِ، يَكُونُ التَّغَيُّرُ فِي طَاقَةِ وَضْعِهَا صِفْراً، حَيْثُ إِنَّ الطَّاقَةَ الَّتِي تَكْتَسِبُهَا مِنَ الْبَطَّارِيَّاتِ تُعَادِلُ تَمَاماً الطَّاقَةَ الَّتِي تَسْتَهْلِكُهَا عِنْدَ مُرُورِهَا فِي الْمُقَاوَمَاتِ.

أَسْئِلَةُ التَّمَارِينِ

تَمْرِين (صفحة 157)

أُعِيدُ حَلَّ الْمِثَالِ (14) بِافْتِرَاضِ أَنَّ اتِّجَاهَ التَّيَّارِ بِعَكْسِ اتِّجَاهِ عَقَارِبِ السَّاعَةِ، وَاتِّجَاهُ الْعُبُورِ مَعَ عَقَارِبِ السَّاعَةِ؛ أَيْ حَسَبَ الْمَسَارِ \(a \rightarrow b \rightarrow c \rightarrow d \rightarrow a\).
الْمُعْطَيَاتُ (مِنَ الْمِثَالِ 14):
  • \(\epsilon_1 = 12\ \mathrm{V}\) ، \(r_1 = 0.5\ \Omega\)
  • \(\epsilon_2 = 8\ \mathrm{V}\) ، \(r_2 = 0.5\ \Omega\)
  • \(R_1 = 8\ \Omega\) ، \(R_2 = 1\ \Omega\)
  • مَسَارُ الْعُبُورِ: مَعَ عَقَارِبِ السَّاعَةِ (\(a \to b \to c \to d \to a\))
  • التَّيَّارُ الْمُفْتَرَضُ \(I\): بِعَكْسِ عَقَارِبِ السَّاعَةِ.
خُطُوَاتُ الْحَلِّ:

نُطَبِّقُ قَاعِدَةَ كِيرْشُوفَ الثَّانِيَةَ، وَنَتَذَكَّرُ أَنَّ الْعُبُورَ عَكْسَ اتِّجَاهِ التَّيَّارِ يَجْعَلُ التَّغَيُّرَ فِي الْجُهْدِ عَبْرَ الْمُقَاوَمَةِ مُوجَباً (\(+IR\)):

\[ \Sigma \Delta V = 0 \]

مِنْ \(a\) إِلَى \(b\): نَعْبُرُ \(\epsilon_1\) مِنَ السَّالِبِ لِلْمُوجَبِ فَيَكُونُ الْجُهْدُ \(+12\)، وَنَعْبُرُ \(r_1\) عَكْسَ التَّيَّارِ فَيَكُونُ \(+I(0.5)\). ثُمَّ نَعْبُرُ \(R_2\) عَكْسَ التَّيَّارِ \(+I(1)\).

مِنْ \(c\) إِلَى \(d\): نَعْبُرُ \(\epsilon_2\) مِنَ الْمُوجَبِ لِلسَّالِبِ فَيَكُونُ \(-8\)، وَنَعْبُرُ \(r_2\) عَكْسَ التَّيَّارِ فَيَكُونُ \(+I(0.5)\). ثُمَّ نَعْبُرُ \(R_1\) عَكْسَ التَّيَّارِ \(+I(8)\).

\[ +12 + 0.5I + 1I - 8 + 0.5I + 8I = 0 \]
\[ 4 + 10I = 0 \implies I = -0.4\ \mathrm{A} \]
الْإِجَابَةُ النِّهَائِيَّةُ:

الْإِشَارَةُ السَّالِبَةُ تَعْنِي أَنَّ الِاتِّجَاهَ الْحَقِيقِيَّ لِلتَّيَّارِ هُوَ عَكْسُ الِاتِّجَاهِ الْمُفْتَرَضِ، وَقِيمَتُهُ هِيَ \(0.4\ \mathrm{A}\).

تَمْرِين (صفحة 159)

أَسْتَخْدِمُ الْأَرْقَامَ بِالِاعْتِمَادِ عَلَى بَيَانَاتِ الشَّكْلِ (28)، حَيْثُ \(I = 2\ \mathrm{A}\) وَجُهْدُ النُّقْطَةِ (\(b\)) يُسَاوِي صِفْراً. أَجِدُ جُهْدَ النُّقْطَةِ (\(a\)).
خُطُوَاتُ الْحِسَابِ:

نُطَبِّقُ مَعَادَلَةَ التَّغَيُّرِ فِي الْجُهْدِ عِنْدَ الْعُبُورِ مِنْ \(b\) إِلَى \(a\):

\[ V_b + \Sigma \Delta V = V_a \]

بِمَا أَنَّنَا نَعْبُرُ مَعَ اتِّجَاهِ التَّيَّارِ فَالْجُهْدُ يَقِلُّ عَبْرَ الْمُقَاوَمَاتِ، وَنَعْبُرُ الْبَطَّارِيَّةَ لِلْمُوجَبِ فَيَزْدَادُ:

\[ 0 + 12 - (2 \times 1) - (2 \times 3) = V_a \]
\[ 12 - 2 - 6 = V_a \implies V_a = 4\ \mathrm{V} \]

أَسْئِلَةُ مُرَاجَعَةِ الدَّرْسِ

السُّؤَالُ 1 (صفحة 160)

أ. أَذْكُرُ نَصَّ قَاعِدَتَيْ كِيرْشُوفَ، وَمَا مَبْدَأُ الْحِفْظِ الَّذِي تُحَقِّقُهُ كُلٌّ مِنْهُمَا؟
ب. أُقَارِنُ بَيْنَ طَرِيقَتَيْ تَوْصِيلِ الْمُقَاوَمَاتِ...
الْفَرْعُ أ:
  • الْأُولَى: \(\Sigma I = 0\) (مَبْدَأُ حِفْظِ الشُّحْنَةِ).
  • الثَّانِيَةُ: \(\Sigma \Delta V = 0\) (مَبْدَأُ حِفْظِ الطَّاقَةِ).
الْفَرْعُ ب:

فِي التَّوَالِي: التَّيَّارُ ثَابِتٌ وَالْجُهْدُ يَتَجَزَّأُ وَالْمُقَاوَمَةُ تَزْدَادُ. فِي التَّوَازِي: الْجُهْدُ ثَابِتٌ وَالتَّيَّارُ يَتَجَزَّأُ وَالْمُقَاوَمَةُ تَقِلُّ.

السُّؤَالُ 2 (صفحة 160)

أُبَيِّنُ طَرِيقَةَ تَوْصِيلِ الْمِصْبَاحَيْنِ الْأَمَامِيَّيْنِ فِي السَّيَّارَةِ...
التَّفْسِيرُ:

تُوَصَّلُ عَلَى التَّوَازِي، لِيَحْصُلَ كُلُّ مِصْبَاحٍ عَلَى الْجُهْدِ الْكَامِلِ، وَلِيَبْقَى أَحَدُهُمَا مُضِيئاً إِذَا تَعَطَّلَ الْآخَرُ.

السُّؤَالُ 3 (صفحة 160)

أُفَسِّرُ لِمَاذَا يُعَدُّ فَرْقُ الْجُهْدِ بَيْنَ طَرَفَيِ الْمُقَاوَمَةِ سَالِباً عِنْدَ عُبُورِهَا بِاتِّجَاهِ التَّيَّارِ.
التَّفْسِيرُ:

لِأَنَّ التَّيَّارَ يَنْتَقِلُ مِنَ الْجُهْدِ الْأَعْلَى لِلْأَقَلِّ، فَالْعُبُورُ مَعَهُ يَعْنِي نُقْصَاناً فِي الْجُهْدِ (قِيمَةً سَالِبَةً).

مُلَاحَظَةٌ حَوْلَ الْأَسْئِلَةِ الْحِسَابِيَّةِ (4 - 7)

يَتِمُّ الِاعْتِمَادُ عَلَى قَوَانِينِ كِيرْشُوفَ لِحَلِّهَا بِتَطْبِيقِ مُعَادَلَاتِ (\(\Sigma \Delta V = 0\)) وَ (\(\Sigma I = 0\)).

السُّؤَالُ 8 - الِاخْتِيَارُ مِنْ مُتَعَدِّدٍ (صفحة 161)

الْفِقْرَةُ 1: النِّسْبَةُ بَيْنَ التَّيَّارَيْنِ
الْإِجَابَةُ الصَّحِيحَةُ هِيَ: (جـ) \(\frac{I_p}{I_s} = n^2\)
bilal
bilal
تعليقات