Skip to content · ⁨الانتقال إلى المحتوى⁩

Electric Circuits · ⁨الدوائر الكهربائية⁩

AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP الفيزياء C: الكهرباء والمغناطيسية⁩ · Topic 11 · ⁨الموضوع 11⁩

Video lesson for this topic · ⁨درس فيديو لهذا الموضوع⁩ Open the video page · ⁨افتح صفحة الفيديو⁩
8:44

الدوائر الكهربائية

تقوم بتشغيل مفتاح، وتضيء المصباح فوراً. هل يجب أن تكون الإلكترونات تسير بسرعة عبر السلك — صحيح؟ ليس أبداً. داخل سلك النحاس هذا، تتحرك حاملات الشحنة ببطء…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية⁩

11.1

Electric Current · ⁨التيار الكهربائي⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
Learning ObjectiveEssential Knowledge

11.1.A
Describe the movement of electric charges through a medium.

  • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
    • Equation: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i Current within a conductor consists of charge carriers traveling through the conductor with an average drift velocity.
      • Equation: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.1.A.1.iii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
  • 11.1.A.2 Current density is the flow of charge per unit area.
    • Equation: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i Current density is related to the motion of the charge carriers within a conductor.
      • Equation: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii Current density is a vector quantity.
    • 11.1.A.2.iii A potential difference across a conductor creates an electric field within the conductor that is proportional to the resistivity of the conductor and the current density.
      • Equation: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 If a function of current density is given, the total current can be determined by integrating the current density over the area.
    • Equation: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 Although current is a scalar quantity, it does have a direction. Because its direction is relative to the current carrier and not space, current does not obey the laws of vector addition and has no vector components.
    • 11.1.A.4.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
    • 11.1.A.4.ii In common circuits, the current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Electric current 电流 is the rate at which charge passes a cross-section of wire, $I=\dfrac{dq}{dt}$, measured in amperes 安培. Conventional current points the way positive charge would move. Microscopically, a current is a slow drift of many carriers:

$$I=nqv_dA,$$

with $n$ the number of carriers per volume, $q$ the charge each carries, $v_d$ the drift velocity 漂移速度, and $A$ the cross-sectional area 横截面积.

Worked example. A copper wire with $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ and $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ carries $1.7\ \text{A}$. Then $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – the carriers drift slower than a snail, even though the signal travels near light speed.

Current density 电流密度 is charge flow per unit area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, linked to the field driving it by $\vec{E}=\rho\vec{J}$. In general $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; if $J(r)$ varies across the wire, integrate it over the cross-section to get the total current. One care point: current has a direction along its wire, but it is a scalar 标量 – currents do not add as vectors, and there are no "components of current".

العربية

التيار الكهربائي هو معدل مرور الشحنة عبر مقطع سلكي $I=\dfrac{dq}{dt}$، ويُقاس بـ الأمبير. التيار التقليدي يشير بالاتجاه الذي سيتحرك فيه الشحنة الموجبة. مجرّياً، التيار هو انجراف بطيء لكثير من الحوامل:

$$I=nqv_dA,$$

حيث $n$ عدد الحوامل لكل وحدة حجم، $q$ شحنة كل حامل، $v_d$ سرعة الانجراف، و$A$ مساحة المقطع العرضي.

ناقلات الشحنة تنزلق ببطء عبر الموصل لتكوين تيار
ناقلات الشحنة تنزلق ببطء عبر الموصل لتكوين تيار

مثال محلول. سلك نحاسي مساحته $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ وقطره $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ يمر به تيار $1.7\ \text{A}$. حينها $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – الحوامل تنجرأ ببطء أكبر من السلحفاة، رغم أن الإشارة تنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

كثافة التيار هي تدفق الشحنة لكل وحدة مساحة، $\vec{J}=nq\vec{v}_d$، مرتبطة بالمجال الذي يحركها بواسطة $\vec{E}=\rho\vec{J}$. بشكل عام $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$؛ إذا كان $J(r)$ يتغير عبر السلك، قم بتكاملها على المقطع العرضي للحصول على التيار الكلي. نقطة واحدة تستحق الانتباه: التيار له اتجاه على طول سلكه، لكنه كمية قياسية – لا تُجمع التيارات كمتجهات، ولا توجد "مكونات تيار".

راسم إشارة: الجهد مقابل الزمن يكشف كيف يتطور التيار والشحنة في الدائرة
موجي: الجهد مقابل الزمن يكشف كيف يتطور التيار والشحنة في دائرة كهربائية
Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ تيار كهربائي
amperes/ˈæmpeəz/ أمبير
drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ سرعة الانجراف
cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ المقطع العرضي
Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ كثافة التيار
scalar/ˈskeɪlə/ كمية قياسية
circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ مخطط الدائرة
series/ˈsɪəriːz/ التوالي
11.2

Electric Circuits · ⁨الدوائر الكهربائية⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

  • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which can include wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, ammeters, and voltmeters.
  • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
    • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
    • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
    • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
  • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
  • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
    • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
    • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter, Inductor.)

Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

العربية

الهدف التعليمي 11.2.A: وصف سلوك الدائرة الكهربائية.

  • 11.2.A.1 تتكون الدائرة من حلقات كهربائية قد تشمل أسلاكاً، بطاريات، مقاومات، مصابيح، مكثفات، محاثات، مفاتيح، أممترات، وفولتمترات.
  • 11.2.A.2 الحلقة الكهربائية المغلقة هي مسار مغلق يمكن للشحنات أن تتدفق خلاله.
    • 11.2.A.2.i الدائرة المغلقة هي التي يمكن فيها للشحنات أن تتدفق.
    • 11.2.A.2.ii الدائرة المفتوحة هي التي لا يمكن فيها للشحنات أن تتدفق.
    • 11.2.A.2.iii الدائرة القصيرة هي التي يمكن فيها للشحنات أن تتدفق دون تغير في فرق الجهد.
  • 11.2.A.3 قد يكون عنصر دائرة واحد جزءًا من عدة حلقات كهربائية.
  • 11.2.A.4 المخططات التخطيطية للدوائر هي تمثيلات تُستخدم لوصف وتحليل الدوائر الكهربائية.
    • 11.2.A.4.i تعتمد خصائص الدائرة الكهربائية على الترتيب الفعلي لعناصرها المكونة.
    • 11.2.A.4.ii عناصر الدائرة لها رموز قياسية تُستخدم لإنشاء المخططات التوضيحية. يتم الإشارة إلى العناصر المتغيرة بسهم مائل مشطوب عبر الرمز القياسي لذلك العنصر. (الرموز: بطارية، مصباح، مفتاح، مكثف، مقاومة، أميتر، فولتميتر، ملف حثي.)

عبارة الحدود: ما لم يُذكر خلاف ذلك، سيتم رسم جميع المخططات التخطيطية للدوائر باستخدام التيار التقليدي.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

A circuit is a set of closed loops built from wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, and meters; charge can flow only around a closed path. One element can belong to several loops at once – that is what makes multi-loop problems interesting. Every analysis starts by reading the circuit diagram 电路图: trace each loop and identify which elements share the same current (series 串联) and which share the same potential difference (parallel 并联).

العربية

الدائرة هي مجموعة من الحلقات المغلقة المبنية من أسلاك، بطاريات، مقاومات، مصابيح، مكثفات، محاثات، مفاتيح، وأجهزة قياس؛ الشحنة يمكن أن تتدفق فقط حول مسار مغلق. يمكن لعنصر واحد أن ينتمي إلى عدة حلقات في نفس الوقت – وهذا ما يجعل مشاكل الحلقات المتعددة مثيرة للاهتمام. يبدأ كل تحليل بقراءة المخطط الكهربائي: تتبع كل حلقة وتحديد العناصر التي تتشارك نفس التيار (على التوالي) وتلك التي تتشارك نفس فرق الجهد (على التوازي).

Explore · ⁨استكشف⁩

Build series and parallel circuits · ⁨بني دوائر توالي وتوازي⁩

In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨في التوالي يمر نفس التيار عبر كل مصباح وينقسم الجهد؛ وفي التوازي تحصل كل فرع على الجهد الكامل. غيّر الوضع لترى تغير سطوع المصابيح.⁩

11.3

Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨المقاومة، المقاومة النوعية، وقانون أوم⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

  • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
  • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
    • Equation: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
    • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.
    • 11.3.A.2.iii The total resistance of a resistor with uniform geometry, but that is made of a material whose resistivity varies along the length of the resistor, is given by $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

  • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
    • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
    • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
    • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
    • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
العربية

الهدف التعليمي 11.3.A: وصف مقاومة جسم باستخدام الخصائص الفيزيائية لذلك الجسم.

  • 11.3.A.1 المقاومة هي مقياس لدرجة معارضة الجسم لحركة الشحنة الكهربائية.
  • 11.3.A.2 مقاومة مقاوم ذي هندسة منتظمة تتناسب طرديًا مع مقاوميته وطوله وتتناسب عكسيًا مع مساحته المقطعية.
    • المعادلة: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i المقاومة النوعية خاصية أساسية للمادة تعتمد على بنيتها الذرية والجزيئية وتحدد مدى قوة معارضة المادة لحركة الشحنة الكهربائية.
    • 11.3.A.2.ii تزداد المقاومة النوعية للموصل عادةً مع درجة الحرارة.
    • 11.3.A.2.iii المقاومة الكلية لمقاومة ذات هندسة منتظمة ولكن مصنوعة من مادة تتغير مقاوميتها النوعية على طولها تُعطى بالمعادلة $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

الهدف التعليمي 11.3.B: وصف الخصائص الكهربائية لعناصر الدائرة.

  • 11.3.B.1 يربط قانون أوم بين التيار، والمقاومة، وفرق الجهد عبر عنصر موصل في الدائرة.
    • المعادلة: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i المواد التي تخضع لقانون أوم لها مقاومة ثابتة لجميع التيارات وتُسمى مواد أومية.
    • 11.3.B.1.ii المقاومة النوعية للمادة الأومية ثابتة بغض النظر عن درجة الحرارة.
    • 11.3.B.1.iii يمكن للمقاومات أيضًا تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية، مما قد يغير درجة حرارة كل من المقاومة وبيئتها.
    • 11.3.B.1.iv يمكن تحديد مقاومة عنصر دائرة أومية من خلال ميل بياني للتيار في العنصر بدلالة فرق الجهد عبره.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Resistance 电阻 measures how strongly an object opposes charge flow. It grows with the material's resistivity 电阻率 and the conductor's length, and shrinks with its area:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

Ohm's law 欧姆定律 relates the current through an element to the potential difference across it:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$

Worked example. Stretch a wire to double its length: the volume is fixed, so the area halves, and $R=\rho\ell/A$ becomes $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – four times the resistance. An element is ohmic 欧姆性 if $R$ stays constant (a straight line through the origin on an $I$–$\Delta V$ graph); a lightbulb filament, which heats up, is not.

العربية

المقاومة تقيس مدى مقاومة الجسم لتدفق الشحنة. تزداد مع مقاومية المادة وطول الموصل، وتنقص مع مساحته:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

قانون أوم يربط التيار المار في عنصر بفرق الجهد عبره:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
موصل أطول له مقاومة أكبر؛ وعرضي له مقاومة أقل
موصل أطول له مقاومة أكبر؛ وعرضي له مقاومة أقل

مثال محلול. قم بمد سلك ليصبح طوله ضعف الطول الأصلي: الحجم ثابت، لذا تنقص المساحة للنصف، ويصبح $R=\rho\ell/A$ $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – أي أربعة أضعاف المقاومة. العنصر يكون أوميًا إذا كان $R$ ثابتًا (خط مستقيم يمر بنقطة الأصل على رسم بياني $I$–$\Delta V$)؛ أما خيط المصباح الذي يسخن فهو ليس أوميًا.

Explore · ⁨استكشف⁩

Apply Ohm's law · ⁨طبق قانون أوم⁩

Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨قانون أوم $V=IR$: لمقاومة ثابتة، التيار يتناسب طرديًا مع الجهد. ارفع المقاومة وسيدفع نفس الجهد تيارًا أقل.⁩

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ المقاومة النوعية
Ohm's law/əʊmz lɔː/ قانون أوم
ohmic/ˈəʊmɪk/ أومي
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ المقاومة المكافئة
ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ بطارية مثالية
internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ المقاومة الداخلية
terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ جهد الطرف
ammeter/ˈæmiːtə/ أميتر
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ فولتميتر
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ قانون حلقة كيرشوف
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ قانون عقدة كيرشوف
junction/ˈdʒʌŋkʃn/ العقدة
equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ السعة المكافئة
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ دائرة RC
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ الثابت الزمني
steady state/ˈstedi steɪt/ الحالة المستقرة
11.4

Electric Power · ⁨القدرة الكهربائية⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

  • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
    • Equation: $P = I\Delta V$
    • Equation: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 The brightness of a lightbulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of lightbulbs in a circuit.

Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to analyze the transfer of mechanical and electrical energy, although students should be aware that electrical energy can also be dissipated in the form of thermal energy.

العربية

الهدف التعليمي 11.4.A: وصف انتقال الطاقة إلى داخل أو خارج أو ضمن دائرة كهربائية، بدلالة القدرة.

  • 11.4.A.1 يعتمد معدل انتقال الطاقة أو تحويلها أو تبديدها بواسطة عنصر دائرة على التيار في العنصر وفرق الجهد الكهربائي عبره.
    • المعادلة: $P = I\Delta V$
    • المعادلة: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 تزداد سطوع المصباح مع زيادة القدرة، لذا يمكن استخدام القدرة للتنبؤ النوعي بسطوع المصابيح في دائرة.

بيان الحدود: اختبار AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية يتطلب من الطلاب فقط تحليل انتقال الطاقة الميكانيكية والكهربائية، على الرغم من أن الطلاب يجب أن يدركوا أن الطاقة الكهربائية يمكن أيضاً أن تتبدد على شكل طاقة حرارية.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

A charge $q$ falling through a potential difference $\Delta V$ gives up energy $q\Delta V$, so the rate of energy transfer in an element is

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

In a resistor all of it becomes heat. Use the form whose quantities you actually know – and use power to rank lightbulb brightness: brighter = more power, not necessarily more resistance. In series, the larger resistance is brighter ($P=I^2R$, same $I$); in parallel, the smaller one is ($P=\Delta V^2/R$, same $\Delta V$).

العربية

شحنة $q$ تسقط خلال فرق جهد $\Delta V$ تفقد طاقة $q\Delta V$، لذا فإن معدل انتقال الطاقة في عنصر ما هو

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

في المقاومة يتحول كل ذلك إلى حرارة. استخدم الصيغة التي تحتوي على الكميات التي تعرفها فعليًا – واستخدم القدرة لتصنيف سطوع المصابيح: السطوع الأكبر = قدرة أكبر، وليس بالضرورة مقاومة أكبر. على التوالي، تكون المقاومة الأكثر سطوعاً ($P=I^2R$، نفس $I$)؛ وعلى التوازي، تكون الأقل سطوعاً ($P=\Delta V^2/R$، نفس $\Delta V$).

Explore · ⁨استكشف⁩

Read an I-V characteristic · ⁨اقرأ خاصية I-V⁩

Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨الطاقة هي $P=IV$. خط I-V للمقاومة مستقيم، لكن المصباح منحني لأنه يسخن وتزداد مقاومته. المساحة تحت منحنى I-V ترتبط بالطاقة الموصلة.⁩

11.5

Compound Direct Current Circuits · ⁨دوائر التيار المستمر المركبة⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

  • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
    • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
    • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may pass through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
  • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
      • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
      • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

  • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
    • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
    • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
    • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
  • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
    • Equation: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

  • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
    • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
    • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
  • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
    • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
    • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have infinite resistance so that no charge flows through them.
  • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

العربية

الهدف التعليمي 11.5.A: وصف المقاومة المكافئة لمجموعة مقاومات متصلة في دائرة.

  • 11.5.A.1 يمكن توصيل عناصر الدائرة على التوالي و/أو على التوازي.
    • 11.5.A.1.i الاتصال على التوالي هو الذي يجب أن يمر خلاله أي شحنة مرورًا بعنصر دائرة واحد عبر جميع العناصر في هذا الاتصال ولا توجد طريق آخر متاح. يجب أن يكون التيار في كل عنصر على التوالي هو نفسه.
    • 11.5.A.1.ii الاتصال المتوازي هو اتصال يمكن للشحنات خلاله المرور عبر مسار واحد أو أكثر. عبر كل مسار، يكون فرق الجهد متساويًا.
  • 11.5.A.2 يمكن تحليل مجموعة من المقاومات في الدائرة وكأنها مقاومة واحدة بمقاومة مكافئة $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i المقاومة المكافئة لمجموعة من المقاومات المتصلة على التوالي تساوي مجموع المقاومات الفردية.
      • معادلة: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii مقلوب المقاومة المكافئة لمجموعة من المقاومات المتصلة على التوازي يساوي مجموع مقلوبات المقاومات الفردية.
      • معادلة: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii عند توصيل المقاومات على التوازي، يزداد عدد المسارات المتاحة للشحنات، وتتناقص المقاومة المكافئة لمجموعة المقاومات.

الهدف التعليمي 11.5.B: وصف دائرة تحتوي على أسلاك مقاومة وبطارية ذات مقاومة داخلية.

  • 11.5.B.1 البطاريات المثالية لها مقاومة داخلية مهملة. الأسلاك المثالية لها مقاومة مهملة.
    • 11.5.B.1.i يمكن عادةً إهمال مقاومة الأسلاك التي تعمل كموصلات جيدة، لأن مقاومتها أصغر بكثير من مقاومة عناصر أخرى في الدائرة.
    • 11.5.B.1.ii لا يمكن إهمال مقاومة الأسلاك إلا إذا كانت الدائرة تحتوي على عناصر أخرى تمتلك مقاومة.
    • 11.5.B.1.iii فرق الجهد الذي ستزوده البطارية لو كانت مثالية هو فرق الجهد المقاس بين طرفيها عندما لا يمر تيار في البطارية، ويُشار إليه أحيانًا باسم $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 يمكن اعتبار المقاومة الداخلية للبطارية غير المثالية على أنها مقاومة مقاومة متصلة على التوالي مع بطارية مثالية وبقية الدائرة.
  • 11.5.B.3 عندما يمر تيار في بطارية غير مثالية ذات مقاومة داخلية $r$، يقل فرق الجهد عبر طرفي البطارية مقارنة بفرق الجهد عندما لا يمر تيار في البطارية.
    • المعادلة: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

الهدف التعليمي 11.5.C: وصف قياس التيار وفرق الجهد في دائرة كهربائية.

  • 11.5.C.1 تُستخدم الأميتر لقياس التيار عند نقطة محددة في الدائرة.
    • 11.5.C.1.i يجب توصيل الأميتر على التوالي مع العنصر الذي يُقاس فيه التيار.
    • 11.5.C.1.ii الأميتر المثالي له مقاومة صفرية حتى لا يؤثر على التيار في العنصر المتصل به على التوالي.
  • 11.5.C.2 تُستخدم الفولتميتر لقياس فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين في الدائرة.
    • 11.5.C.2.i يجب توصيل الفولتميتر على التوازي مع العنصر الذي يُقاس عليه فرق الجهد.
    • 11.5.C.2.ii الفولتميترات المثالية لها مقاومة لا نهائية بحيث لا يمر تيار كهربائي خلالها.
  • 11.5.C.3 الأميتر والفولتميتر غير المثاليين سيغيران خصائص الدائرة المراد قياسها.

بيان الحدود: ما لم يُذكر خلاف ذلك، يُفترض أن جميع البطاريات والأسلاك والأجهزة القياسية مثالية. لن يتم تقييم الدوائر التي تحتوي على بطاريات ذات فروق جهد مختلفة متصلة بالتوازي.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Reduce resistor networks to an equivalent resistance 等效电阻: series resistances add ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), while parallel resistances add as reciprocals ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – always less than the smallest branch). Collapse the network step by step to find the battery current, then expand back out to find each element's current and voltage.

Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $2.0\ \Omega$ resistor in series: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, the voltages split $8.0\ \text{V}$ and $4.0\ \text{V}$, and the $4.0\ \Omega$ resistor dissipates $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Real batteries are not ideal. Model a battery as an ideal battery 理想电池 of emf $\varepsilon$ in series with its own internal resistance 内阻 $r$. When current flows, some emf is used up inside, so the terminal voltage 端电压 – what a voltmeter across the battery actually reads – drops:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Worked example. A battery with $\varepsilon=12\ \text{V}$ and $r=0.50\ \Omega$ supplies $2.0\ \text{A}$: the terminals sit at $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. With no current, a voltmeter reads the full $12\ \text{V}$.

Meters: an ammeter 电流表 goes in series at the point whose current you want (ideal ammeter: zero resistance); a voltmeter 电压表 goes in parallel across the element (ideal voltmeter: infinite resistance). Non-ideal meters disturb the circuit they measure – a real ammeter adds series resistance, a real voltmeter steals current.

العربية

قم بتبسيط شبكات المقاومات إلى مقاومة مكافئة: المقاومات على التوالي تُجمع ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$)، بينما المقاومات على التوازي تُجمع كمعكوسات ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – دائماً أقل من أصغر فرع). انقبض الشبكة خطوة بخطوة لإيجاد تيار البطارية، ثم توسع للخلف لإيجاد تيار وفولتية كل عنصر.

مثال محلول. بطارية $12\ \text{V}$ تقود مقاومتين $4.0\ \Omega$ و$2.0\ \Omega$ على التوالي: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$، $I=2.0\ \text{A}$، تنقسم الفولتيات إلى $8.0\ \text{V}$ و$4.0\ \text{V}$، وتشتت المقاومة $4.0\ \Omega$ طاقة قدرها $P=I^2R=16\ \text{W}$.

المقاومات على التوازي تتحد لتكوين مقاومة مكافئة أصغر
المقاومات على التوازي تتحد لتكوين مقاومة مكافئة أصغر

البطاريات الحقيقية ليست مثالية. نُمثل البطارية كـ بطارية مثالية ذات قوة دافعة كهربائية $\varepsilon$ متصلة على التوالي مع مقاومتها الداخلية $r$. عندما يتدفق التيار، يُستهلك جزء من القوة الدافعة داخل البطارية، لذلك ينخفض جهد الطرف – وهو ما يقرأه فولتميتر متصل عبر البطارية فعليًا:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

مثال محلول. بطارية ذات $\varepsilon=12\ \text{V}$ ومقاومة داخلية $r=0.50\ \Omega$ تزود دائرة بتيار $2.0\ \text{A}$: تكون الأقطاب عند $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. بدون تيار، يقرأ الفولتميتر القيمة الكاملة لـ$12\ \text{V}$.

الأجهزة القياسية: الأمبيرميتر يوضع على التوالي عند النقطة التي تريد قياس تيارها (أمبيرميتر مثالي: مقاومة صفر)؛ الفولتميتر يوضع على التوازي عبر العنصر (فولتميتر مثالي: مقاومة لا نهائية). الأجهزة غير المثالية تشوه الدائرة التي تقيسها – الأمبيرميتر الحقيقي يضيف مقاومة على التوالي، والفولتميتر الحقيقي يسحب بعض التيار.

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
parallel/ˈpærəlel/ التوازي
Resistance/rɪˈzɪstəns/ المقاومة
11.6

Kirchhoff's Loop Rule · ⁨قاعدة كيرشوف للحلقات⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

  • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
    • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
    • 11.6.A.2.i Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
      • Equation: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
العربية

الهدف التعليمي 11.6.A: وصف دائرة أو عناصر دائرة بتطبيق قاعدة حلقة كيرشوف.

  • 11.6.A.1 يمكن تمثيل تغيرات الطاقة في الدوائر الكهربائية البسيطة بدلالة الشحنات التي تتحرك عبر فروق الجهد الكهربائية داخل عناصر الدائرة.
    • المعادلة: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 قاعدة حلقة كيرشوف هي نتيجة لقانون حفظ الطاقة.
    • 11.6.A.2.i تنص قاعدة حلقة كيرشوف على أن مجموع فروق الجهد عبر جميع عناصر الدائرة في حلقة مغلقة واحدة يساوي صفرًا.
      • معادلة: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii يمكن تمثيل قيم الجهد الكهربائي عند نقاط في الدائرة بيانيًا بدالة للجهد الكهربائي بالنسبة للموقع داخل الحلقة.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Charges moving through potential differences exchange energy ($\Delta U_E=q\Delta V$), and energy must balance around any closed path. That is Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫回路定则:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

Sign discipline wins these problems: crossing a battery from $-$ to $+$ is $+\varepsilon$; crossing a resistor with the assumed current is $-IR$ (against it, $+IR$). Write one equation per independent loop.

العربية

الشحنات المتحركة خلال فروق الجهد تتبادل الطاقة ($\Delta U_E=q\Delta V$)، ويجب أن تتوازن الطاقة حول أي مسار مغلق. هذا هو قانون كيرشوف للحلقات:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

الالتزام بالإشارات يفوز في هذه المسائل: عبور بطارية من $-$ إلى $+$ يعتبر $+\varepsilon$؛ عبور مقاومة مع اتجاه التيار المفترض يعتبر $-IR$ (ضدها، $+IR$). اكتب معادلة واحدة لكل حلقة مستقلة.

11.7

Kirchhoff's Junction Rule · ⁨قاعدة كيرشوف للعقد⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

  • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
  • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
    • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
العربية

الهدف التعليمي 11.7.A: وصف دائرة أو عناصر دائرة بتطبيق قاعدة عقدة كيرشوف.

  • 11.7.A.1 قاعدة عقدة كيرشوف هي نتيجة لقانون حفظ الشحنة الكهربائية.
  • 11.7.A.2 تنص قاعدة عقدة كيرشوف على أن إجمالي كمية الشحنة الداخلة إلى العقدة في وحدة زمنية يجب أن يساوي إجمالي كمية الشحنة الخارجة من تلك العقدة في وحدة زمنية.
    • المعادلة: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫节点定则 is conservation of charge at a junction 节点:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$

Together the two rules solve any multi-loop circuit: assign a current to each branch, write junction equations, then loop equations, and solve. A negative answer just means that current flows opposite to your assumed direction.

Worked example. In the circuit above, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ with $R_1=1.0\ \Omega$ on the left, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ with $R_2=1.0\ \Omega$ on the right, and a shared middle resistor $R_3=2.0\ \Omega$ carrying $I_3=I_1+I_2$ (junction rule). The two loop equations are

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Solving: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, so $I_3=4.2\ \text{A}$ through the middle. Check with the second loop: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

العربية

قانون كيرشوف للعقد هو حفظ الشحنة عند العقدة:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
التيار ينقسم عند العقدة: ما يدخل يساوي ما يخرج
التيار ينقسم عند العقدة: ما يدخل يساوي ما يخرج

معًا تحل القاعدتان أي دائرة متعددة الحلقات: عين تيارًا لكل فرع، واكتب معادلات العقد، ثم معادلات الحلقات، وحلها. الإجابة السالبة تعني ببساطة أن التيار يتدفع عكس الاتجاه الذي افترضته.

معادلتان للحلقتين ومعادلة واحدة للعقدة تحلان هذه الدائرة ذات البطاريتين
معادلتان للحلقتين ومعادلة واحدة للعقدة تحلان هذه الدائرة ذات البطاريتين

مثال محلول. في الدائرة أعلاه، $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ مع $R_1=1.0\ \Omega$ على اليسار، و$\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ مع $R_2=1.0\ \Omega$ على اليمين، ومقاومة وسط مشتركة $R_3=2.0\ \Omega$ تحمل تيار $I_3=I_1+I_2$ (قانون العقدة). المعادلتان اللتان تمثلان الحلقتين هما

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

الحل: $I_1=3.6\ \text{A}$، $I_2=0.60\ \text{A}$، وبالتالي $I_3=4.2\ \text{A}$ عبر الوسط. تحقق باستخدام الحلقة الثانية: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

11.8

Resistor-Capacitor (RC) Circuits · ⁨دوائر المقاومة-المكثف (RC)⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English

Learning Objective 11.8.A: Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

  • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it was a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
      • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
    • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
      • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

Learning Objective 11.8.B: Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

  • 11.8.B.1 The charge on a capacitor or the current in a resistor in an RC circuit can be described by a fundamental differential equation derived from Kirchhoff's loop rule.
    • Equation: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 The time constant ($\tau$) is a significant feature of an RC circuit.
    • 11.8.B.2.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
    • 11.8.B.2.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
  • 11.8.B.3 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
    • 11.8.B.3.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
    • 11.8.B.3.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
    • 11.8.B.3.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
    • 11.8.B.3.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
    • 11.8.B.3.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
    • 11.8.B.3.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
    • 11.8.B.3.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.
العربية

الهدف التعليمي 11.8.A: وصف السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات.

  • 11.8.A.1 يمكن تحليل مجموعة من المكثفات في دائرة وكأنها مكثف واحد بقدرة مكافئة $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i مقلوب السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات المتصلة على التوالي يساوي مجموع مقلوبات السعات الفردية.
      • معادلة: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات المتصلة على التوالي تكون أقل من سعة أصغر مكثف.
    • 11.8.A.1.iii السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات المتصلة على التوازي تساوي مجموع السعات الفردية.
      • معادلة: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 نتيجة لحفظ الشحنة، يجب أن تمتلك كل مكثف من المكثفات المتصلة على التوالي نفس مقدار الشحنة على كل صفيحه.

الهدف التعليمي 11.8.B: وصف سلوك دائرة تحتوي على مزيج من المقاومات والمكثفات.

  • 11.8.B.1 يمكن وصف الشحنة على مكثف أو التيار في مقاومة في دائرة RC بمعادلة تفاضلية أساسية مستمدة من قاعدة كيرشوف للحلقة.
    • المعادلة: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 الثابت الزمني ($\tau$) هو سمة مميزة لدائرة RC.
    • 11.8.B.2.i ثابت الزمن لدائرة RC هو مقياس لسرعة شحن أو تفريغ المكثف، ويُعرّف بالمعادلة $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii بالنسبة لمكثف قيد الشحن، يمثل ثابت الزمن الوقت اللازم لزيادة شحنة المكثف من الصفر إلى حوالي 63% من قيمته النهائية المقاربة.
    • 11.8.B.2.iii بالنسبة لمكثف قيد التفريغ، يمثل ثابت الزمن الوقت اللازم لنقصان شحنة المكثف من الشحن الكامل إلى حوالي 37% من قيمته الأولية.
  • 11.8.B.3 يتغير فرق الجهد عبر المكثف والتيار في الفرع الذي يحتوي على المكثف بمرور الوقت أثناء شحن وتفريغ المكثف، لكن كلاهما سيصلان إلى حالة استقرار بعد فترة زمنية طويلة.
    • 11.8.B.3.i فور وضع مكثف غير مشحون في دائرة، يعمل كموصلاً، ويمكن للشحن أن يتدفق بسهولة إلى أو من ألواح المكثف.
    • 11.8.B.3.ii أثناء شحن المكثف، تؤثر التغيرات في فرق الجهد عبره على شحنة ألواح المكثف والتيار في فرع الدائرة الذي يحتوي على المكثف والطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة فيه.
    • 11.8.B.3.iii يتغير فرق الجهد عبر المكثف والتيار في فرع الدائرة الذي يحتوي عليه والطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة فيه مع مرور الوقت وتقترب asymptotically من حالات الاستقرار.
    • 11.8.B.3.iv بعد فترة طويلة، يقترب مكثف قيد الشحن من حالة الشحن الكامل، حيث يصل إلى أقصى فرق جهد يكون عنده التيار في فرع الدائرة الذي يحتوي على المكثف مساويًا للصفر.
    • 11.8.B.3.v فور بدء مكثف مشحون عملية التفريغ، تبدأ كمية الشحنة على المكثف والطاقة المخزنة فيه في النقصان.
    • 11.8.B.3.vi أثناء تفريغ المكثف، تقل كمية الشحنة على المكثف وفرق الجهد عبره والتيار في فرع الدائرة الذي يحتوي عليه حتى الوصول إلى حالة الاستقرار.
    • 11.8.B.3.vii بعد الشحن أو التفريغ لفترات أطول بكثير من ثابت الزمن، يمكن نمذجة المكثفر وعمل فرع الدرة المناسب باستخدام شروط الاستقرار.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English
Discharging a capacitor: τ = RC
Charging a capacitor (RC)

Capacitor networks reduce like resistors but with the rules swapped: parallel capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), series add as reciprocals – and capacitors in series must carry the same charge on each plate, by conservation of charge. Use the equivalent capacitance 等效电容 to analyse the network, then expand back.

In an RC circuit RC电路, Kirchhoff's loop rule gives the differential equation

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

whose solutions are exponentials with time constant 时间常数 $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

The current is largest at the first instant and decays – it never "waits" for the capacitor. Learn the two limits: at $t=0$ an uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged, no current flows in its branch, and it acts like a break. In any steady state 稳态, cover the capacitor branch with your finger, solve the resistor circuit, then read the capacitor's voltage from the element it sits across.

Worked example. With $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, and a $10\ \text{V}$ battery: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; initial current $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; after one time constant the charge is $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, about $63\%$ of full charge, and the current has fallen to $37\%$ of its initial value.

العربية
تفريغ مكثف: τ = RC
شحن مكثف (RC)

شبكات المكثفات تقل مثل المقاومات ولكن مع تبديل القواعد: سعرات التوازي تُجمع ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$)، والسعات على التوالي تُجمع كمعكوسات – والمكثفات على التوالي يجب أن تحمل نفس الشحنة على كل صفيحة، بسبب حفظ الشحنة. استخدم السعة المكافئة لتحليل الشبكة، ثم توسع للخلف.

في دائرة RC، يعطي قانون كيرشوف للحلقة المعادلة التفاضلية

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

والتي حلولها دوال أسية ذات ثابت زمني $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

يكون التيار أكبر في اللحظة الأولى ويتناقص – إنه لا "ينتظر" المكثف أبداً. احفظ الحدين الاثنين: عند $t=0$، يعمل المكثف المشحون عديم الشحنة كسلك عادي (تيار أقصى)؛ بعد وقت طويل، يكون مشحونًا بالكامل، ولا يتدفق تيار في فرعه، ويعمل كقطع للدائرة. في أي حالة مستقرة، غطِ فرع المكثف بإصبعك، وحل دائرة المقاومات، ثم اقرأ فولتية المكثف من العنصر الواقع عبره.

شحنة المكثف تتناقص أسياً أثناء التفريغ
شحنة المكثف تتناقص أسياً أثناء التفريغ

مثال محلول. مع $R=5.0\ \text{k}\Omega$، $C=200\ \mu\text{F}$، وبطارية $10\ \text{V}$: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$؛ التيار الابتدائي $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$؛ بعد ثابت زمني واحد تكون الشحنة $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$، حوالي $63\%$ من الشحنة الكاملة، وقد انخفض التيار إلى $37\%$ من قيمته الابتدائية.

دائرة إلكترونية مبنية على لوحة تجارب
دائرة حقيقية على لوحة تجريبية: مقاومة ومكثف معًا يحددان سرعة ارتفاع وانخفاض الجهد
11.8

Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

English
  • Relate current to charge flow $I=\tfrac{dQ}{dt}$ and use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ for resistance.
  • Apply Kirchhoff's laws (junction: charge; loop: energy) with consistent sign conventions.
  • Analyse RC circuits with calculus: charging/discharging give exponentials with time constant $\tau=RC$.
  • Combine resistors (series add, parallel reciprocal) and track power $P=IV=I^2R$.
  • At $t=0$ a capacitor acts like a wire; after a long time ($t\to\infty$) it acts like an open branch.
العربية
  • ربط التيار بتدفق الشحنة $I=\tfrac{dQ}{dt}$ واستخدام $J=\sigma E$، $R=\tfrac{\rho L}{A}$ للمقاومة.
  • تطبيق قوانين كيرشوف (العقدة: شحنة؛ الحلقة: طاقة) مع توافقي إشارات.
  • تحليل دوائر RC بالتفاضل والتكامل: الشحن/التفريغ يعطي دوال أسية ذات ثابت زمني $\tau=RC$.
  • دمج المقاومات (تسلسلي يُجمع، توازي يُعكس) وتتبع القدرة $P=IV=I^2R$.
  • عند $t=0$ يتصرف المكثف كسلك؛ بعد زمن طويل ($t\to\infty$) يتصرف كفرع مفتوح.

Interactive lessons on this topic · ⁨دروس تفاعلية حول هذا الموضوع⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.⁩

Past Papers · ⁨أوراق الامتحانات السابقة⁩

More topics in AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP الفيزياء C: الكهرباء والمغناطيسية⁩ · ⁨المزيد من المواضيع في AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP الفيزياء C: الكهرباء والمغناطيسية⁩⁩

Log in or create account · ⁨تسجيل الدخول أو إنشاء حساب⁩

IGCSE, A-Level & AP