2 · Electricity

الطاقة التي لا تُرى

اضغط مفتاحاً وتضيء الغرفة. بين محطة الكهرباء والمصباح تقف كل ما في هذا القسم: كيف يحافظ الأسلاك المنزلية على سلامتك، وكيف يقود الجهد التيار في الدوائر، و— (P) — كيف تقوم الإلكترونات المنتقلة من سطح إلى آخر بتكوين شحنات تجذب وتتنافر وأحياناً تولد شراراً.

فيزياء Edexcel الدولية للثانوية العامة 4PH1، القسم 2 (العبارات 2.1–2.28P). الوحدات: أمبير (A)، كولوم (C)، جول (J)، أوم (Ω)، فولت (V)، واط (W). العلامات الموصولة بـ P هي امتداد الفيزياء فقط، وتُقيَّم في ورقة 2P.

الكهرباء الرئيسية

الكهرباء الرئيسية عبارة عن تيار متردد (a.c.) — يتغير اتجاهه مرات عديدة في الثانية؛ بينما تعطي الخلية تيارًا مستمرًا (d.c.) — يتدفق في اتجاه واحد فقط.

السلامة: العزل على الأسلاك؛ العزل المزدوج (غلاف بلاستيكي، لا حاجة للأرضي)؛ الأرضي (مسار منخفض المقاومة بحيث يقطع صمام الأمان عند مرور تيار عطل)؛ صواميل الأمان وقاطع الدائرة (تنصهر أو تنفصل عند زيادة التيار، مما يحمي الأسلاك والأشخاص). نقل التيار عبر مقاومة للطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية — وهو مبدأ الغلايات والمدافئ، والسبب في أهمية تصنيفات صواميل الأمان:

تحقق محلول (اختيار صمام الأمان). سخّان بقوة 230 V و1.15 kW يسحب تيارًا قدره $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — ضع صمام أمان بقوة 13 A (أعلى تصنيف قياسي فوق التيار الحالي)؛ لأن صمامًا بقوة 3 A سينصهر أثناء الاستخدام العادي.

الدوائر

التوالي مناسب للسلاسل (المفاتيح، الأميترات، أضواء الزينة) — نفس التيار في كل مكان، الجهد الكلي هو مجموع الجهود، وفشل أحد المكونات يوقف الجميع. التوازي مناسب لإضاءة المنازل — كل مصباح يحصل على جهد المصدر الكامل، يعمل بشكل مستقل، والتيارات الكلية هي مجموع التيارات عند التقاطعات (شحنة الشحنة محفوظة عند نقطة التفرع).

التيار هو تدفق إلكترونات سالبة الشحنة في المعادن. الجهد الكهربائي هو الطاقة المنقولة لكل وحدة شحنة (1 V = 1 J/C). مقاومتان متصلتان بالتوالي: $R = R_1 + R_2$؛ وفي التوازي تكون المقاومة المكافئة أقل من أي منهما على حدة.

خصائص I–V: سلك يعطي خطًا مستقيمًا يمر بالمبدأ (مقاومة ثابتة)؛ مصباح خيطي يتقوس مع ارتفاع الحرارة الذي يزيد مقاومته؛ ثنائي القطبية (دايود) يسمح بالمرور في اتجاه واحد فقط. المقاومات الضوئية (LDRs): تقل مقاومتها مع زيادة الضوء. المقاومات الحرارية (Thermistors): تقل مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة (أو تزداد معبردها — تُستخدم في مستشعرات درجة الحرارة). المصابيح والديودات الضوئية (LEDs) تشير إلى وجود تيار.

تحقق محلول. مقاومتان، قيمتهما 4 Ω و6 Ω، متصلتان بالتوالي عبر مصدر جهد قدره 10 V: المجموع 10 Ω، التيار $I = 10/10 = 1$ A؛ الجهود 4 V و6 V. في حالة التوازي عبر مصدر 10 V: يسحب كل فرع تيارًا قدره 10/4 = 2.5 A و10/6 ≈ 1.67 A — المجموع ≈ 4.17 A، والمقاومة المكافئة ≈ 2.4 Ω (أقل من أي منهما).

الشحنة الكهربائية (P)

الموصلات (المعادن) تسمح بتدفق الشحنة؛ العوازل (البلاستيك) لا تسمح بذلك.

فرك العازل ينقل الإلكترونات: الخاسر يصبح موجبًا، والناجح سالبًا — ولا تنتقل البروتونات أبدًا. الشحنات المختلفة تجذب بعضها، والشحنات المتماثلة تتنافر. يجذب قضيب مشحون قصاصات ورق غير مشحونة لأنه يحفز فصل الشحنات. المخاطر: الشرارات أثناء وقود الطائرات والشاحنات — الروابط الأرضية تصرف الشحنة بأمان. الاستخدامات: أجهزة النسخ والمطبوعات الحبرية توجه حبر التونر أو القطرات المشحونة.

تحقق من نفسك

1. اذكر الفرق بين التيار المتردد (a.c.) والتيار المستمر (d.c.) وأعطِ مصدرًا واحدًا لكل منهما.
2. اشرح كيف يعمل الأرضي وصمام الأمان معًا لحماية المستخدم.
3. غلاية بجهد 230 V وتصنيف قدرة 2.0 kW. احسب التيار وأفضل صمام أمان لها.
4. اذكر سببين لتوصيل إضاءة المنازل بنظام التوازي.
5. اذكر أشكال منحنيات التيار–الجهد (I–V) للسلك، مصباح التوهج، والدايود.
6. ماذا يحدث لمقاومة المستشعر الضوئي (LDR) في الضوء الساطع؟
7. عرّف الجهد الكهربائي بدلالة الطاقة والشحنة.
8. احسب الشحنة المارة عندما يمر تيار 2 أمبير لمدة 30 ثانية.
9. (P) اشرح كيف يجعل فرك قضيب البولي إيثيلين بالقماش سالباً.
10. (P) اذكر خطراً واحداً واستخداماً واحداً للشحنة الكهروستاتيكية.

الإجابات: 1 التيار المتردد يعكس اتجاهه بشكل متكرر — وهو تيار الشبكة؛ التيار المستمر يتدفق في اتجاه واحد — من خلية أو بطارية؛ 2 سلك الأرض يوفر مساراً منخفض المقاومة، لذلك يتدفق تيار العطل الكبير إلى الأرض ويذيب الصمام المنصهر، مما يقطع الإمداد قبل أن يلمس المستخدم الغلاف الحيوي؛ 3 $I = 2000/230 = 8.7$ أمبير — صمام منصهر بـ 13 أمبير؛ 4 كل مصباح يستقبل جهد الشبكة الكامل؛ فشل مصباح واحد يترك الآخرين يعملون (وتتحكم المفاتيح في المصابيح بشكل مستقل)؛ 5 خط مستقيم يمر بنقطة الأصل؛ منحنى على شكل S (يتناقص الميل مع ارتفاع الحرارة)؛ صفر حتى عتبة أمامية ثم حاد (في اتجاه واحد)؛ 6 ينخفض؛ 7 الجهد هو الطاقة المنتقلة لكل وحدة شحنة (1 فولت = 1 جول لكل كولوم)؛ 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ كولوم؛ 9 (P) ينتقل الاحتكاك الإلكترونات من القماش إلى القضيب — يكتسب القضيب إلكترونات ويصبح سالباً، بينما يصبح القماش موجباً؛ 10 (P) الخطر — الشرار أثناء وقود الطائرات/الناقلات؛ الاستخدام — النسخ الضوئي أو طابعة الحبر الرذاذ.