الدرس: 1-9 دائرة تيار مستمر تتألف من مقاومة ومتسعة

اشرح نشاطاً يوضح كيفية شحن المتسعة مع رسم الدائرة الكهربائية اللازمة لإجراء هذا النشاط؟ أو وضح بنشاط مع رسم الدائرة الكهربائية لطريقة شحن المتسعة؟ ثم وضح برسم بيان يمثل تيار الشحن؟

أدوات النشاط:

بطارية فولطيتها مناسبة، كالفانوميتر (G) صفره في وسط التدريجة متسعة (C) ذات الصفيحتين المتوازيتين (A وB)، مفتاح مزدوج (K) مقاومة (R)، مصباحان متمثلان (L₁ وL₂)، أسلاك توصيل.

خطوات النشاط:

تربط الدائرة الكهربائية كما في الشكل المجاور:

نجعل المفتاح (K) في الموقع (1) الذي يصل صفيحتي المتسعة بالبطارية لغرض شحنها:

انحراف مؤشر الكلفانوميتر لحظها على أحد جانبي صفر التدريجة (نحو اليمين مثلاً) ثم يعود بسرعة إلى الصفر.

2. نلاحظ في الوقت نفسه توهج المصباح (1) بضوء ساطع لبرهة من الزمن ثم ينطفئ وكأن البطارية مربوطة في الدائرة.

الاستنتاج:

يمكن أن نتسائل:

أولاً ما سبب رجوع مؤشر (G) إلى الصفر.

ثانياً ما سبب توهج المصباح بضوء ساطع لبرهة من الزمن ثم ينطفئ وكأن البطارية غير مربوطة في الدارة.

• والجواب على ذلك: بعد اكتمال عملية شحن المتسعة يتساوى جهد كل صفيحة مع قطب البطارية المتصل بها، أي المتسعة أصبحت مشحونة بالكامل، وعندها يكون (فرق الجهد بين صفيحتي المتسعة يساوي فرق الجهد بين البطارية) وبالتالي ينعدم فرق الجهد على طرفي المقاومة في الدائرة مما يجعل التيار في الدائرة يساوي صفر لذا فإن وجود المتسعة المشحونة في دائرة التيار المستمر بعد مفتاحاً مفتوحاً.
• وبسبب كون صفيحتي المتسعة معزولتين عن بعضهما فالإلكترونات تتراكم على الصفيحة B المتصلة بالقطب السالب للبطارية فتكون شحنتها (Q-)، بينما الصفيحة A المربوطة بالقطب الموجب تكون شحنتها (Q +) وبالمقدار نفسه بطريقة الحث.
• والمخطط البياني الموضح بالشكل المجاور يوضح تيار شحن المتسعة والزمن المستغرق لشحنها، وقد وجد عملياً أن تيار الشحن يبدأ بمقدار كبير لحظة إغلاق الدائرة ومقداره يساوي (VBattery) ويتناقص إلى الصفر بسرعة عند اكتمال شحنها.

اشرح نشاط يوضح كيفية تفريغ المتسعة مع رسم الدائرة الكهربائية اللازمة لإجراء هذا النشاط، ثم وضح برسم بياني يمثل تيار التفريغ؟

أدوات التجربة:

بطارية فولطيتها مناسبة، كلفانوميتر (G) صفره في وسط التدريجة، متسعة (C) ذات الصفيحتين المتوازيتين (A وB)، مفتاح مزدوج (k)، مقاومة (R)، مصباحان متماثلان (L₁ وL₂)، أسلاك توصيل.

خطوات النشاط:

تربط الدائرة الكهربائية كما في الشكل المجاور:

• نقوم بشحن المتسعة أولا من خلال وضع المفتاح (k) على الموقع (1).
• بعد اكتمال شحن المتسعة نجعل المفتاح (k) على الموقع (2)، وهذا يعني ربط صفيحتي المتسعة ببعضهما وبهذا تتم عملية تفريغ المتسعة من شحنتها (أي تعادل شحنة صفيحتيها) لذا نلاحظ انحراف مؤشر الكلفانوميتر إلى الجانب الآخر من صفر التدريجة ثم يعود إلى الصفر بسرعة، ونلاحظ توهج المصباح (L₂) في الوقت بسلك موصل نفسه بضوء ساطع للحظة ثم ينطفئ.

نستنتج من هذا النشاط:

إن تيار لحظي قد انساب في الدارة الكهربائية يسمى تيار التفريغ:

/ mm 12. Tall inten I CAV 2

يتوقف تيار التفريغ (يساوي صفر) عندما لا يتوافر فرق جهد بين:

• والمخطط البياني المجاور يوضح تيار تفريخ المتسعة، حيث وجد عملياً إن تيار التفريخ يبدأ بمقدار كبير لحظة إغلاق الدائرة ويهبط إلى الصفر بسرعة بعد إتمام عملية التفريغ.
• عند ربط متسعة ومقاومة وبطارية مناسبة ومفتاح وكلفانوميتر على التوالي وتغلق المفتاح تلاحظ انحراف مؤشر الكلفانوميتر ثم عودته إلى الصفر وفي نفس الوقت توهج المصباح وأنطفأ يشكل لحظي، ما سبب ذلك؟ لأن بعد اكتمال عملية شحن المتسعة يتساوى جهد كل صفيحة مع قطب البطارية المتصل بها، أي ان المتسمة أصبحت مشحونة بالكامل، وعندها يكون (فرق الجهد بين صفيحتي المتسعة يساوي فرق الجهد بين قطبي البطارية) وبالتالي ينعدم فرق الجهد على طرفي المقاومة في الدائرة مما يجعل التيار في الدائرة يساوي صفر.

ارسم مخططاً بيانياً تبين فيه العلاقة بين تيار التفريغ للمتسعة والزمن المستغرق للتفريغ؟

دائرة كهربائية متوالية الربط تحتوي على مصباح کهربائي مقاومته r=10 ومقاومة مقدارها R=20، وبطارية مقدار فرق الجهد بين قطبيها، ربطت في الدائرة متسعة ذات صفيحتين متوازيتين سعتها 5، ما مقدار الشحنة المختزنة في أي من صفيحتي المتسعة والطاقة الكهربائية المختزنة في مجالها الكهربائي لو ربطت المتسعة:

1. على التوازي مع المصباح r لاحظ الدائرة.
2. على التوالي مع المصباح والمقاومة والبطارية في الدائرة نفسها (بعد فصل المتسعة عن الدائرة الأولى وإفراغها من جميع شحنها) لاحظ الدارة b.

1. في الدائرة الأولى نحسب نسبة التيار الكلي المنساب في الدائرة من العلاقة:

2. في الدائرة b المتسعة المربوطة على التوالي مع المقاومة والمصباح والبطارية وهذا يعني عند اكتمال شحن المتسعة ستعمل على مفتاح مفتوح وبالتالي يتساوى جهدها مع جهد البطارية أي أن:

• دائرة كهربائية متوالية الربط تحتوي على مصباح كهربائي مقاومته r=5 ومقاومة مقدارها R=10، وبطارية مقدار فرق الجهـد بين قطبيها ربطت في الدائرة متسعة ذات الصفيحتين المتوازيتين سعتها (3)، ما مقدار الشحنة المختزنة في أي من صفيحتي المتسعة والطاقة الكهربائية المختزنة في مجالها الكهربائي لو ربطت المتسعة على التوازي مع المصباح.
• دائرة كهربائية متوالية الربط تحتوي على مصباح كهربائي مقاومته r=20 ومقاومة مقدارها R=40 وبطارية مقدار فرق الجهد بين قطبيها 12v ربطت في الدائرة متسعة ذات الصفيحتين المتوازيتين على التوالي مع المصباح فكان مقدار

الشحنة المختزنة في أي من صفيحتي المتسعة 20، جد مقدار:

1. سعة المتسعة.

2. الطاقة الكهربائية المختزنة في مجالها الكهربائي.

• بما أن المتسعة مربوطة على التوالي مع المصباح والمقاومة فإنها تعمل عمل مفتاح مفتوح وهذا يعني جهدها يساوي جهد البطارية، أي أن:
• دائرة كهربائية متوالية الربط تحتوي مصباح كهربائي r=6 ومقاومة مقدارها R=14، وبطارية مقدار فرق الجهد بين قطبيها 4V، ربطت في الدائرة متسعة ذات الصفيحتين المتوازيتين سعتها 2، ما مقدار الشحنة المختزنة في أي من صفيحتي المتسعة والطاقة الكهربائية المختزنة في مجالها الكهربائي لو ربطت المتسعة:

1. على التوازي مع المصباح.
2. على التوالي مع المصباح والمقاومة والبطارية في الدائرة نفسها (بعد فصل المتسعة عن الدائرة الأولى وإفراغها من جميع الشحنات).

• دائرة كهربائية متوالية الربط تحتوي على مصباح كهربائي مقاومته r=20 ومقاومة مقدارها R=40، وبطارية مقدار فرق الجهد بين قطبيها 12 ربطت في الدائرة متسعة ذات الصفيحتين المتوازيتين على التوالي مع المصباح فكان مقدار الشحنة المختزنة في أي من صفيحتي المتسعة (20)، جد مقدار:

1. سعة المتسعة.
2. الطاقة الكهربائية المختزنة في مجالها الكهربائي.

بما أن المتسعة مربوطة على التوالي مع المصباح والمقاومة فإنها تعمل عمل مفتاح مفتوح وهذا يعني جهدها يساوي جهد البطارية، أي أن:

من المعلومات الموضحة في الدائرة الكهربائية في الشكل احسب:

1. المقدار الأعظم لتيار الشحن لحظة إغلاق المفتاح.

2. مقدار فرق الجهد بين صفيحتي المتسعة بعد مدة من إغلاق المفتاح (بعد اكتمال عملية الشحن).

3. الشحنة المختزنة في أي من صفيحتي المتسعة.

4. الطاقة المختزنة في المجال الكهربائي بين صفيحتي المتسعة.

لحظة إغلاق الدائرة تكون المتسعة غير مشحونة فيكون التيار أعظم ما يمكن.