الكهرباء

اضغط على مفتاح وتضيء مصباح. خلف هذه اللحظة الفورية توجد سلسلة: شحنة تُدفع بفارق جهد، عبر أسلاك ومكونات، تنقل الطاقة من محطة توليد إلى المصباح. يغطي هذا المرجع فيزياء AQA GCSE 8463، الموضوع 4.2 الكهرباء.

ابدأ بسؤال بسيط: خلية، مفتاح، ومصباح يشكلون حلقة توالي. لماذا يمنع فتح المفتاح استمرار التيار؟ عند إغلاقه، هل يستهلك المصباح الشحنة؟

يجب أن يكمل المفتاح مساراً موصلاً، وتوفر الخلية فرق جهد. في حلقة متسلسلة مستقرة، يكون التيار نفسه قبل المصباح وبعده. ينقل المصباح الطاقة؛ الشحنة لا تُستهلك. تربط الحسابات اللاحقة $Q=It$، $E=QV$، $P=VI$ و$E=Pt$.

يرجع هذا المرجع إلى رموز الدوائر القياسية وورقة معادلات الفيزياء عند إرفاقها للاختبار. استخدم الورقة الصادرة عن دورة امتحاناتك؛ وتدرب على اختيار المعادلات وإعادة ترتيبها بدلاً من افتراض أن كل ورقة مستقبلية ستقدم نفس الدعم. تستخدم AQA مصطلح "فرق الجهد" في الأسئلة وتقبل الاستخدام الصحيح لمصطلح "الجهد". الكهرباء الساكنة والمجالات الكهربائية هي محتوى خاص بالفيزياء.

تستخدم المخططات الكهربائية رموزًا قياسية. تعرفها: خلية، بطارية، مفتاح (مفتوح، مغلق)، مصباح، مقاومة، مقاومة متغيرة، أميتر، فولتميتر، ديود، LED، ثرمستور، LDR وصمام أمان. توضع الأميترات على التوالي؛ والفولتميترات على التوازي عبر العنصر.

لتدفق الشحنة، يجب أن تكون الدائرة مغلقة وتتضمن مصدراً لفارق الجهد. التيار الكهربائي هو تدفق للشحنة الكهربائية، وحجمه هو معدل التدفق:

• $Q$ تدفق الشحنة بالكولوم، C؛ $I$ التيار بالأمبير، A؛ $t$ الوقت بـ الثواني، s.
• للتيار نفس القيمة عند كل نقطة في حلقة توالي واحدة.
• التيار التقليدي يتدفق من + إلى −؛ بينما تتحرك الإلكترونات في الاتجاه المعاكس.

استنتاج محلول: الشحنة ليست تيارًا

مكتوب للمعلم: تمر شحنة مقدارها 4.0 كولوم نقطة ما في 2.0 ثانية في دائرة توالي مستقرة. التيار هو تدفق الشحنة لكل ثانية:

الأمبير الواحد يعني كولوناً واحداً في الثانية. نفس 4.0 C يمر عبر نقطة أخرى من الحلقة المستقرة في نفس 2.0 s. إذا استغرق نفس الشحنة 4.0 s بدلاً من ذلك:

تضاعف الوقت لنفس الشحنة يُقلل التيار إلى النصف.

تدريب على تدفق الشحنة: حاول قبل التحقق

مكتوب المعلم: مزود شحنة يمد تياراً ثابتاً 0.90 A لمدة 25 دقائق. أوجد الشحنة بالكولون، ثم تنبأ بتأثير مضاعفة الوقت عند نفس التيار.

تحقق: استخدم الثواني، لأن الأمبير يقيس الكولون في الثانية.

ضعف الوقت يعطي ضعف الشحنة، عند نفس التيار.

حساب فعلي للامتحان: التيار من تدفق الشحنة

يعطي امتحان AQA GCSE Physics يونيو 2024 ورقة 1H سؤال 10.3 سلك صهارة ينصهر عندما يمر 2.0 C في 400 ms. احسب التيار قبل التحقق.

تحقق: الشحنة والزمن المعنيان يعنيان استخدام $Q=It$، مع إعادة ترتيبها لحساب التيار.

هذا يتوافق مع المخطط الرسمي. تمديد المعلم: اعتبار 400 ms كـ 400 s سيجعل المقام أكبر بمقدار 1000 مرة والتيار أصغر بمقدار 1000 مرات. تحقق من وحدة الزمن قبل التعويض.

يعتمد التيار المار في مكون ما على كل من فرق الجهد عبره ومقاومته:

• $V$ فرق الجهد بالفولت، V؛ $I$ التيار بالأمبير، A؛ $R$ المقاومة بالأوم، Ω.
• كلما زادت المقاومة، قلّ التيار لفرق جهد معيّن.

مثال محلول. يحوّل فرق جهد قدره 0.45 فولت تياراً مقداره 0.0075 أمبير عبر عملة معدنية. أوجد مقاومة العملة.

• المعطيات: $V$ و$I$؛ أعد ترتيب المعادلة قبل التعويض.
  $$R = \frac{V}{I} = \frac{0.45\ \text{V}}{0.0075\ \text{A}} = 60\ \Omega$$

العملي المطلوب 3: مقاومة الأسلاك ومجموعات المقاومات

ثبت سلك مقاومة (نيكروم أو كونستانتان) على طول مسطرة مترية. قِس الطول المختار بين نقاط التلامس الفعلية لمشبك ثابت ومشبك متحرك. الأميتر متصل على التوالي مع هذا الطول؛ الفولتميتر متصل عبر نفس نقطتي التلامس.

استخدم فرق جهد منخفض وأغلق المفتاح بين القراءات لتقييد التسخين. غيّر الطول فقط: حافظ على مادة السلك ومساحة مقطعه ودرجة حرارته ثابتة. لكل طول، سجل فرق الجهد المقاس والتيار، ثم احسب $R = V/I$. كرر القراءات وادرس النتائج غير المتسقة.

على سبيل المثال، هذه البيانات المثالية المكتوبة للمعلم توضح الحساب؛ وهي ليست قياسات تجريبية:

عند درجة حرارة ثابتة، لنفس المادة ونفس مساحة المقطع، تكون المقاومة متناسبة طردياً مع طول السلك. ارسم المقاومة المحسوبة مقابل الطول؛ خط مستقيم يمر بنقطة الأصل يدعم هذه العلاقة. قد لا يكون فرق الجهد المقاس متطابقاً عند كل طول، لذا احسب كل مقاومة من قراءاتها المزدوجة الخاصة بها.

التقاطع غير الصفري يحتاج إلى تحقيق. تأكد من أن الطول قُيس بين نقاط التلامس؛ يمكن أيضاً أن تؤثر مقاومات التلامس والأسلاك على النتائج. لا تجبر الرسم البياني على المرور بنقطة الأصل أو اطرح كل تقاطع كـ خطأ صفر دون تحديد سببه.

في الجزء الثاني من هذا العملي، قم بتوصيل مقاومتين متساويتين على التوالي ثم على التوازي. باستخدام الأميتر لقياس التيار الكلي والفولتميتر عبر المجموعة بأكملها، قِس فرق الجهد الكلي والتيار واحسب المقاومة الكلية. قارنها بمقاومة واحدة: التوالي له مقاومة كلية أكبر، والتوازي له مقاومة كلية أقل. بالنسبة لمقاومتين متطابقتين قيمتهما 10 أوم، تكون القيم المثالية للتوالي 20 أوم وللتوازي 5 أوم. يمكن تفسير نتيجة التوازي من خلال مضاعفة التيار الكلي عند نفس فرق الجهد، دون الحاجة لقانون مقلوب المقاومة.

العملي المطلوب 4 يقيس التيار عبر مقاومة وصمام ضوئي وصمام ثنائي عند مجموعة متنوعة من فروق الجهد المقاسة عبر كل مكون. صل أميتر على التوالي وفولتميتر على التوازي مع المكون. غيّر فرق الجهد باستخدام مصدر تيار مستمر متغير، أو مقاومة متغيرة على التوالي. ابدأ من الصواب وابقَ ضمن تصنيفات المكون. سجل قراءات مزدوجة عبر نطاق مناسب؛ كرر وادرس القراءات غير المتسقة. أغلق المفتاح قبل عكس توصيلات المصدر للحصول على قيم سالبة، باستخدام عدادات يمكنها قراءة القطبية المعكوسة. ارسم التيار عمودياً مقابل فرق الجهد أفقياً.

بالنسبة لاستقصاء المصباح في AQA يونيو 2023 8463/1H Q06.1، يغطي الشكل 6 نطاقًا من −6 V إلى +6 V بقراءات على فترات 1 V. اجمع القيم الموجبة أولاً، ثم عكس المزود للحصول على القيم السالبة؛ هذه الإعدادات خاصة باستقصاء ذلك المصباح، وليست لكل مكونات محتملة.

بالنسبة للثنائي، استخدم مقاومة واقية مناسبة على التوالي لتقييد التيار ومقياس مللي أمبير لقياس التيار الصغير. المقاومة الواقية، وليس مللي الأمبير، هي التي تحمي الثنائي. قِس فرق الجهد عبر الثنائي وحده، مستبعداً المقاومة الواقية. حافظ على درجة حرارة المقاومة الأومية ثابتة تقريباً؛ فإن تغير درجة حرارة خيط المصباح جزء من التأثير قيد الاستقصاء.

• موصل أومي (مقاومة ثابتة عند درجة حرارة ثابتة): التيار يتناسب طردياً مع فرق الجهد؛ والمقاومة ثابتة. خط مستقيم يمر بنقطة الأصل.
• مصباح خيطي: تزداد مقاومته كلما ارتفعت درجة حرارة خيطه. يتزايد التيار بأقل من التناسب مع فرق الجهد، لذا تستوي منحنى I–V مبتعداً عن نقطة الأصل في كلا الاتجاهين.
• ثنائي: يمرر التيار في الاتجاه الأمامي؛ والتيار العكسي ضئيل جداً في هذا النموذج، لذا تكون مقاومة العكس عالية جداً. لا تفترض أن كل ثنائيات لها نفس جهد التشغيل الأمامي بالضبط.

عند نقطة تشغيل مختارة، احسب المقاومة باستخدام $R=V/I$. في الرسم البياني للتيار مقابل الجهد، المقاومة ليست هي الميل. بالنسبة لخط مستقيم يمر بنقطة الأصل، يكون الميل $I/V=1/R$؛ أما بالنسبة لخصائص منحنية، فاستخدم إحداثيات النقطة المختارة بدلاً من ميل المماس.

مثال محلل، مُعدّل من AQA يونيو 2023 8463/1H Q06.2. عند +3.0 V، يعطي الرسم البياني الرسمي للمصباح تقريباً 0.16 A:

عند 6.0 V يعطي نفس الورقة 0.21 A (Q06.3). وبصفتها توسيعاً للمعلم، قارن المقاومة:

المقاومة الأكبر تتوافق مع خيط أكثر سخونة: حيث تزيد اهتزازات الشبكة البلورية وتصبح حركة الإلكترونات أكثر صعوبة. لا يزال التيار يتزايد، ولكن بنسبة أصغر من نسبة فرق الجهد.

• مقاومة حرارية: في النوع المطلوب هنا، تنخفض مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة — تُستخدم كمستشعر درجة حرارة في جهاز تنظيم حرارة.
• مقاومة ضوئية: تنخفض مقاومتها مع زيادة شدة الضوء — تُستخدم كمستشعر ضوء في دائرة إضاءة تلقائية.

لا يحدد المستشعر بحد ذاته متى يعمل الجهاز. على سبيل المثال، سيحول المتحكم الذي تم ضبطه لتشغيل مصباح عندما تكون مقاومة LDR عالية إلى التشغيل في الظلام. يمكن ترتيب متحكم تبريد ليشتغل عندما تنخفض مقاومة الثرمستور مع ارتفاع درجة الحرارة. نص قاعدة المتحكم المعطاة وتتبع التغيير خلاله. فقط عند نفس فرق الجهد عبر المستشعر، فإن انخفاض المقاومة يشير إلى زيادة التيار حسب $I=V/R$؛ المصدر الثابت لا يضمن ثبات فرق الجهد عبر المستشعر في دائرة متسلسلة.

في المتسلسلة، تتشارك المكونات حلقة واحدة غير متفرعة. وفي التوازي، تتصل المكونات على فروع منفصلة بين نفس العقدتين. تتبع هذه المسارات في الرسم البياني قبل تطبيق قواعد التيار وفرق الجهد.

بالنسبة للمكونات في التسلسل:

• يكون التيار متساويًا عبر كل مكون؛
• يكون فرق الجهد المزود مقسمًا بين المكونات؛
• تكون المقاومة الكلية هي المجموع: $R_{total} = R_1 + R_2$.

بالنسبة للمكونات في التوازي:

• يكون فرق الجهد عبر كل مكون متساويًا؛
• يكون التيار الكلي هو مجموع تيارات الفروع؛
• تكون مقاومة التوازي لمقاومتين أقل من أصغر واحدة فردية.

يجب شرح الاتجاهين: إضافة مقاومات على التوالي تضع مقاومة إضافية في نفس مسار التوصيل غير المتفرع، لذا ترتفع المقاومة الكلية؛ وفي التوازي تفتح كل مقاومة مساراً إضافياً للشحنة، لذا يتدفق تيار أكبر لنفس فرق الجهد وتقل المقاومة الكلية.

لا يُطلب منك حساب المقاومة المكافئة لمقاومتين على التوازي — بل المقارنة والشرح فقط.

مثال محلل. بطارية 6.0 V تدفع تياراً عبر مصباح على التوالي مع مقاومة متغيرة مضبوطة على 6.0 Ω. مقاومة المصباح عند هذه نقطة التشغيل هي 12 Ω.

• معلوم: فرق جهد المزود وكلا المقاومتين عند هذه نقطة التشغيل. احتفظ بالتيار غير المقرب عند إيجاد أقسام الجهد.

تُجمّع الأقسام لتعطي 6.0 V. تتساوى الأقسام فقط لمقاومات متساوية عند نقطة التشغيل؛ ولا تتشارك مكونات المتسلسلة دائماً الجهد بالتساوي.

مقارنة كتبتها المعلمة مع المقاومات الثابتة. يتم توصيل 8.0 Ω من المقاومتين إلى مصدر مثالي 12 V. عند التوصيل على التوالي، $R_{total}=R_1+R_2=16\ \Omega$ و$I=V/R_{total}=0.75\ \text{A}$؛ كل مقاومة لها $V=IR=6.0\ \text{V}$. عند التوصيل على التوازي، كل فرع يحتوي على 12 V، لذا يكون تيار كل فرع $I=V/R=1.5\ \text{A}$ و$I_{total}=I_1+I_2=3.0\ \text{A}$. إضافة مقاومة توازي أخرى توفر مساراً تيارياً إضافياً وتزيد التيار الكلي عند نفس فرق الجهد للمصدر. لا حاجة هنا لصيغة مقلوب المقاومة.

بالنسبة للفروع المتوازية المستقلة على مصدر جهد ثابت مثالي، فإن فتح أحد الفروع يوقف التيار في ذلك الفرع فقط؛ بينما يظل للفرع الآخر نفس فرق الجهد. أما فتح المسار التوابع الوحيد فيوقف التيار عبر كلا المكونين. إذا تغير فرق جهد المصدر تحت الحمل، فلا تفترض أن تيار الفرع الآخر بقي دون تغيير.

مثال محلول مدمج، مُعدّل من AQA يونيو 2024 8463/1H Q05.5. عند 20 °C يعطي الرسم البياني لحرارة المقاومة للثرمستور في السؤال حوالي 80 Ω. وهو متصل على التوالي مع مقاومة 400 Ω عبر 12 V. أوجد فرق الجهد عبر الثرمستور.

لدي المقاومة الثابتة المتبقية 10 V. يستخدم هذا المثال قراءة الرسم البياني المقدمة أعلاه؛ لكن السؤال الامتحاني الكامل يتطلب أيضاً قراءة تلك المقاومة من الرسم البياني. عدم تغير فرق جهد المصدر لا يعني أن فرق جهد الثرمستور يساوي فرق جهد المصدر.

مصدر الكهرباء البريطاني هو متناوب (ac): يتغير فرق الجهد بشكل متكرر قطبيته. تردده هو 50 Hz، مما يعني 50 دورة كاملة في الثانية، وفرق جهده المذكور هو حوالي 230 V. تقدم البطاريات فرق جهد مباشر (dc) بقطبية واحدة. لا يجب أن يكون فرق الجهد المباشر ثابتاً تماماً في مقداره؛ فلاتجاه لا ينقلب.

استرجاع امتحان فعلي: يسأل AQA يونيو 2024 8463/1H Q05.1 عن تردد ومفرق جهد كهرباء Britain: 50 Hz و230 V على التوالي. خمسون دورة في الثانية لا تعني خمسة وعشرين تغيير اتجاه فقط في الثانية: الدورة الجيبية تتضمن نصف دورة موجبة ونصف دورة سالبة.

للمتعادل والأرضي وظائف مختلفة على الرغم من كونهما عادةً قريبين من جهد الأرض. يحمل المتعادل تيار الحمل الطبيعي؛ بينما يوفر الأرضي الواقي مساراً لتيار الخلل.

لماذا لا يجعل المفتاح المفتوح جميع الأسلاك المحمرة غير ضارة

يقف المفتاح المفتوح تيار المصباح في هذه الدائرة المثالية. تظل النقطة A متصلة بالمصدر المحمر، عند حوالي 230 V بالنسبة للأرض. يمكن للشخص الذي يقوم باتصال موصل من تلك النقطة المحمرة إلى الأرض أن يتعرض لصعقة كهربائية. لا تستنتج من جهاز غير مضاء أن كل جزء من الدائرة معزول. وهذا لا يعني بالضرورة أن النقطة B بعد مفتاح محمر مفتوح موصل بشكل صحيح يجب أن تبقى محمرة.

يعتمد الخطر على التيار المار في الجسم، ومساره، ومدة التعرض. جسم الإنسان ليس سلكاً عديم المقاومة، لكن تياراً أصغر بكثير من rating صمام الأمان الخاص بجهاز طبيعي قد يسبب إصابة خطيرة. لا يضمن صمام الأمان للجهاز الحماية عند لمس الأسلاك المحمرة.

الأرضي الواقي وصمام الأمان في حالة خلل الحالة المعدنية

لنموذج العطل في الفصل، افترض أن السلك الحي يلامس غطاء معدني مكشوف له اتصال أرضي واقٍ سليم. يوفر موصل الأرض مسار عطل منخفض المقاومة؛ مما يؤدي إلى تدفق تيار كبير يسخن ويذيب صمام أمان مناسب التقييم في السلك الحي، مما يقطع الإمداد الحي. بدون هذا الاتصال بالأرض، يمكن أن يصبح الغطاء حياً دون تيار كافٍ لتشغيل الصمام الأمان. حماية الصمام الأمان من التيار الزائد تختلف عن الادعاء بأن كل تيار صدمة محتمل سيحرقه.

تقييم عطل انقطاع المحايد

النموذج المثالي الذي كتبه المعلم: مصباح متصل بإمداد أحادي الطور حي ومحايد. ينقطع اتصال المحايد بين المصباح والإمداد. يبقى طرف المحايد التالي للمصباح متصلاً بالحي عبر المصباح؛ ولا يوجد مسار عودة آخر. لا يتدفق تيار حمل طبيعي، ولكن يمكن أن يكون هذا الطرف التالي على جهد حي.

يشرح هذا النموذج المثالي مصباحاً غير مضاء وطرفاً تالياً خطيراً. كلا طرفي المصباح عند جهد مماثل تقريباً، لذا فإن فرق الجهد عبر المصباح قريب من الصفر؛ ويمكن لكل منهما أن يمتلك فرق جهد كبير بالنسبة للأرض. من غير المتسق تخصيص 230 V عبر هذا المصباح المثالي غير المضاء ومن كل طرف من أطرافه إلى الأرض في نموذج أحادي الطور المذكور.

تنقل الأجهزة الكهربائية الطاقة من البطاريات أو الشبكة. ينقل المحرك طاقة ميكانيكية إلى الأجسام المتحركة؛ وينقل المدفأة الطاقة إلى المخزن الحراري لمحيطه. الطاقة هي معدل نقل الطاقة: 1 W تعني 1 J كل ثانية. يشير التقييم إلى هذا المعدل عند فرق الجهد التشغيلي المحدد؛ وليس إجمالي الطاقة المستخدمة.

استخدم الثواني مع الواط للحصول على الجول. استخدم الأمبير والفولت والأوم والكولوم مع هذه المعادلات. لنموذج مقاوم، عند تعويض $V=IR$ في $P=VI$ نحصل على $P=(IR)I=I^2R$. إذا كان التيار غير معروف، أعد ترتيب $I^2=P/R$ وأخذ الجذر التربيعي: $I=\sqrt{P/R}$، وليس $P/R$.

مثال محلول — AQA يونيو 2023 8463/1H Q06.3. يمر تيار 0.21 A عبر مصباح عند 6.0 V لمدة 30 دقائق. احسب الطاقة المنقولة. يعطي التيار وفرق الجهد الطاقة؛ والطاقة والزمن يعطيان الطاقة.

حول الزمن: $30\ \text{min}=30\times60\ \text{s}=1800\ \text{s}$.

مسار بديل باستخدام الشحنة. نفس التيار والزمن يعطيان الشحنة؛ كل كولوم ينقل 6.0 J عبر المصباح.

يتفق المساران ويُقبلان في المخطط الرسمي. احتفظ بالقيم الوسيطة حتى الإجابة النهائية؛ اكتب J للطاقة، وليس W.

مثال محلول — AQA يونيو 2025 8463/1H Q09.2. يعطي السؤال طاقة مضخة-محرك 4.86 W ومقاومة 6.0 Ω ويطلب تدفق الشحنة في 30 دقائق. استخدم نموذج $P=I^2R$ الموصى به في السؤال؛ هذا ليس تصريحاً عاماً بأن كل إدخال كهربائي لمحرك حقيقي يعمل هو تسخين مقاوم. تعطي الطاقة والمقاومة التيار؛ والتيار والزمن يعطيان الشحنة.

مقارنة الأوساط — مكتوبة المعلم. ينتقل جهازان نفس مقدار 120 كيلو جول من الطاقة المدخلة بأوساط ثابتة قدرها 1.0 كيلو واط و2.0 كيلو واط. حوّل 120 كيلو جول إلى 120 000 جول وكilo واط إلى واط قبل استخدام $t=E/P$.

عند نفس مدة التشغيل، تنقل الجهاز 2.0 kW ضعف الطاقة. للحصول على نفس الطاقة المدخلة المعلنة، يستغرق نصف الوقت. لا يثبت التقييم الأعلى وحده استهلاكًا إجماليًا أكبر للطاقة أو تكلفة أعلى للعمل: المدة والكفاءة (للمخرجات المفيدة) مهمتان. لنفس المادة وكمية الماء، ترفع القدرة الحرارية المفيدة الأكبر درجة الحرارة بشكل أسرع عند مقاربات الخسائر.

الشبكة الوطنية تنقل الطاقة الكهربائية من محطات التوليد إلى المستهلكين عبر الكابلات والمحولات.

يرفع المحول الرافعة الجهد قبل النقل. لنفس القدرة الداخلة إلى الخط، يعني ارتفاع جهد الطرف المرسل تيارًا أصغر: $I=P_{\text{in}}/V$. مع نفس مقاومة الكابل، تكون خسارة التسخين $P_{\text{loss}}=I^2R$ أقل. تصل كمية أكبر من الطاقة المدخلة للمستهلكين، فتزداد الكفاءة. تقل الخسارة ولا تُستبعد تمامًا.

يخفض المحول الخافض جهد النقل للمستهلكين؛ تستخدم الأجهزة المنزلية البريطانية حوالي 230 V. هذه قيمة أقل وأصلح من جهد النقل؛ ولا تزال قد تسبب صدمة كهربائية خطيرة. يتم تدريس بناء المحولات وتشغيلها في الموضوع 4.7؛ يشرح هذا القسم أدوارها على مستوى النظام.

شرح امتحان فعلي — AQA يونيو 2022 8463/1H Q06.1–06.2. يضع الورقة المحول X قبل كابلات النقل العلوية وY قبل المستهلكين. يرفع X الجهد ويقلل التيار ويقلل انتقال التسخين إلى المحيطات ويزيد كفاءة النقل. يخفض Y الجهد إلى قيمة أكثر أمانًا للمستهلكين. لا تحل محل شرح X بعبارة «إنه أكثر كفاءة» فقط: اذكر السلسلة الفيزيائية.

قارن بين جهدي نقل اثنين

مقارنة مبسطة مكتوبة من المعلم. احافظ على قدرة الإدخال عند الطرف المرسل 500 kW ومقاومة الكابل الإجمالية 2.0 Ω. قارن جهد الطرف المرسل 10 kV مع 20 kV. استخدم نموذجًا مقاومًا خطيًا واحدًا مبسطًا ومحولات مثالية؛ هذا ليس حسابًا للشبكة البريطانية ثلاثية الطور الحقيقية. حول kW وkV إلى W وV.

عند 10 kV:

عند 20 kV:

يعطي ضعف جهد المرسل نصف التيار وربع خسارة الكابل. تبقى قدرة الإدخال دون تغيير؛ تزداد القدرة الخارجة لأن الخسارة تقل. يعطي حساب التيار والمقاومة الخسارة، لكن لا يمكن بمفرده إعطاء الكفاءة: مطلوب أيضًا القدرة الكلية المدخلة أو الطاقة.

مقارنة ورقة 2.7. عند 2000 أمبير عبر 40 أوم، $P_{\text{loss}}=I^2R=(2000\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.6\times10^8\ \text{W}$. عند 500 أمبير عبر نفس المقاومة، $P_{\text{loss}}=I^2R=(500\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.0\times10^7\ \text{W}$. بما أن التيار ربع ما سبق، فإن الفقدان يساوي واحدًا وستين. بدون إدخال صريح، لا تدعي أن هذه الفواقد نسبة صغيرة من إجمالي الطاقة.

حساب كفاءة فعلي — AQA يونيو 2023 8463/1H Q01.5. الطاقة المدخلة هي 34.2 GJ والكفاءة 0.992. استخدم $\eta=E_{\text{useful}}/E_{\text{in}}$ وأعد ترتيب المعادلة قبل التعويض. كلا الطاقتين هنا بـ GJ، لذا النسبة لا تحتاج تحويلًا إلى J.

عند فرك مادتين عازلتين معاً، تنتقل الإلكترونات — وهي شحنات سالبة — من إحداهما إلى الأخرى:

• تصبح المادة المكتسبة للإلكترونات مشحونة سالباً;
• تترك المادة المفقدة للإلكترونات بشحنة موجبة مساوية لها.

تؤثر الأجسام المشحونة قوى بدون تلامس: الشحنات المتشابهة تتنافر؛ الشحنات المختلفة تتجاذب — قوة غير تلامسية. يمكن أن يولد فرق جهد كبير مجالًا كهربائيًا قويًا عبر فجوة هوائية صغيرة. إذا كان المجال قويًا بما يكفي، يصبح الهواء موصلًا (انهيار كهربائي)، ويتدفق الشحنةAGER عبر الفجوة كـ شرارة. يمكن لجسم موصل مؤرض استقبال شرارة؛ التأريض لا يزيل مصدر الجهد العالي القريب.

يخلق الجسم المشحون مجالًا كهربائيًا حوله: منطقة يشعر فيها شحنة أخرى بقوة.

الإلكترونات تتحرك؛ المجال يخبر بالقوة. يكون المجال الأقوى قرب الجسم والأضعف كلما ابتعدنا عنه.

يجب رسم نمط المجال لكرة مشحونة معزولة: خطوط شعاعية مستقيمة تتجه خارجاً من الشحنة الموجبة (أو نحو الشحنة السالبة)، وتتباعد كلما ابتعدت عن الكرة.

ربط الشرح بأسئلة الامتحان الفعلية

AQA يونيو 2022 8463/1H Q05.1: تتحرك الإلكترونات من القماش إلى القضيب؛ بما أن الإلكترونات سالبة، يبقى القماش بشحنة موجبة فائضة. لا تصف انتقال الشحنة الموجبة. Q05.4: يمكن أن يسبب فرق الجهد الكبير انكسار الهواء؛ تتدفق الإلكترونات عبر الهواء من القضيب السالب إلى الموصل المؤرض.

AQA يونيو 2024 8463/1H Q04.1–04.3: تنتقل الإلكترونات إلى الطالبة، فتكتسب شعرها نفس الشحنة السالبة، وتتنافر الشحنات المتماثلة. المجال الكهربائي هو منطقة يخضع فيها جسم مشحون آخر لقوة؛ تتناقص شدته مع المسافة.

Q04.4: ينتقل الشرارة 0.60 J مع 2.0 ميكروكولوم من الشحنة. حوّل $Q=2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C}$. اختر $E=QV$ وأعد ترتيب المعادلة:

توسيع الجسم المحايد لورقة 2.8. يمكن للقضيب المشحجذب الورق المحايد لأنه يفصل قليلاً الشحنات الموجبة والسالبة داخله. تشعر الشحنات المقابلة الأقوى بجذب أقوى من تنافر الشحنات المتماثلة البعيدة. في جدار عازل، تنزح الشحنات المرتبطة قليلاً؛ لا تفترض أن الإلكترونات تتدفق بحرية عبره. الجذب وحده لا يثبت وجود شحنات صافية متعاكسة. في سؤال القضيب بالورقة، يُذكر أن جميع القضبان مشحونة، لذا تطبق قاعدة الشحنات المختلفة.

• ارسم الرموز القياسية؛ ضع الأميتر على التوالي، والفولتميتر على التوازي.
• استخدم $Q = It$، $V = IR$، $P = VI$، $P = I^2R$، $E = Pt$، $E = QV$ — مختارة من كلمات السؤال.
• وصف RP3: $R \propto L$، الضوابط، التقاطع وفحص التسخين؛ RP4: الدوائر وأشكال I–V.
• اذكر قواعد التيار وفرق الجهد والمقاومة في التوصيل على التوالي والتوازي؛ واشرح اتجاهات تغير المقاومة.
• استذكري تيار الشبكة: 230 V، 50 Hz، تيار متردد؛ ألوان الأسلاك ومهامها؛ واشرح مخاطر السلك الحامل للشحنة.
• اشرح كفاءة الشبكة الوطنية مع $P = I^2R$.
• (الفيزياء فقط) اشرح الشحن بالاحتكاك بالإلكترونات، ورسم المجال الشعاعي لكرة مشحونة.

أخطاء شائعة

• القول بأن التيار يُستهلك بواسطة المصباح. في حلقة متسلسلة يكون التيار متساويًا في كل مكان؛ الطاقة تنتقل، وليس الشحنة.
• جمع المقاومات على التوازي وكأنها على التوالي. مقاومتان على التوازي لهما مقاومة كلية أقل من أصغر واحدة منهما.
• وضع الفولتميتر على التوالي أو الأميتر على التوازي. الأميتر في الحلقة؛ الفولتميتر عبر العنصر.
• ترك التيار بـ mA أو الزمن بالدقائق: $75\ \text{mA} = 0.075\ \text{A}$، $30\ \text{min} = 1800\ \text{s}$.
• الخلط بين القدرة والطاقة. $P = VI$ يعطي الواط؛ تحتاج إلى $E = Pt$ أو $E = QV$ لجول.
• الحصول على اتجاهات المستشعرات مقلوبة. مقاومة الثرمستور تقل مع ارتفاع درجة الحرارة؛ مقاومة LDR تقل مع زيادة شدة الضوء.
• القول بأن السلك الأرضي يحمل تيارًا طوال الوقت. إنه يحمل تيارًا فقط في حال وجود عطل يربط السلك الحي بغلاف معدني.