كويز تفاعلي: اختبار في الفيزياء: الدوائر الكهربائية انسباير وفق الهيكل

الوظيفة الأساسية لمجزئ الجهد هي توفير جهد أقل من جهد المصدر، مما يسمح بتوفير فرق جهد مطلوب لأجزاء معينة من الدائرة، كما هو الحال في مقياس الضوء حيث يتغير الجهد عبر المقاوم الضوئي.

المقاوم الضوئي (LDR) هو جهاز تقل مقاومته بشكل كبير عند تعرضه للضوء. هذا يسمح بمرور تيار أكبر في الدائرة.

في مقياس الضوء الذي يستخدم مجزئ جهد ومقاوم ضوئي، يتغير جهد الخرج بناءً على مقاومة المقاوم الضوئي، والتي تتأثر بكمية الضوء الساقط عليه.

لحساب الجهد عبر المقاوم R₂ في دائرة مقسم الجهد، نستخدم العلاقة: $V_{R2} = V_{source} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$. بالتعويض بالقيم المعطاة: $V_{R2} = 9.0 \text{ V} \times \frac{470 \ \Omega}{390 \ \Omega + 470 \ \Omega} = 9.0 \text{ V} \times \frac{470}{860} \approx 4.9 \text{ V}$.

في دائرة مقسم الجهد، يتناسب فرق الجهد عبر مقاوم طرديًا مع قيمة المقاومة الخاصة به بالنسبة للمقاومة الكلية للدائرة. إذا كانت قيمة المقاومة أكبر من نصف المقاومة الكلية، فإن فرق الجهد عبرها سيكون أكبر من نصف جهد البطارية.

صيغة مجزئ الجهد لحساب الجهد عبر المقاوم R₂ في دائرة توالي هي $V_2 = V_{source} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$.

باستخدام قانون مجزئ الجهد $V_{R1} = V_{source} \times \frac{R_1}{R_1 + R_x}$، حيث V_R1 = 2.2 V، V_source = 12 V، و $R_1 = 1.2 \text{ k}\Omega = 1200 \ \Omega$. $2.2 = 12 \times \frac{1200}{1200 + R_x}$. $\frac{2.2}{12} = \frac{1200}{1200 + R_x}$. $0.1833 \approx \frac{1200}{1200 + R_x}$. $1200 + R_x \approx \frac{1200}{0.1833} \approx 6546$. $R_x \approx 6546 - 1200 = 5346 \ \Omega \approx 5.3 \text{ k}\Omega$.

دائرة مجزئ الجهد تستخدم لإنتاج جهد خرج يكون أقل من جهد المصدر (البطارية) عن طريق تقسيم الجهد بين مقاومتين أو أكثر.

لحساب المقاومة المكافئة لمقاومات موصلة على التوازي، نستخدم العلاقة: $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}$. بالتعويض بالقيم المعطاة: $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{30} + \frac{1}{60} + \frac{1}{20} = \frac{2}{60} + \frac{1}{60} + \frac{3}{60} = \frac{6}{60} = \frac{1}{10}$. إذن، $R_{eq} = 10 \ \Omega$.

وفقًا لقانون أوم، التيار الكلي I_total في الدائرة يساوي الجهد الكلي V_source مقسومًا على المقاومة المكافئة R_eq. $I_{total} = \frac{V_{source}}{R_{eq}} = \frac{90 \text{ V}}{10 \ \Omega} = 9 \text{ A}$.

في الدائرة المتوازية، يكون الجهد متساوياً عبر جميع الفروع. لذلك، إذا كان لدينا مقاومة $15 \ \Omega$ في كل فرع، والجهد الكلي للبطارية هو 30 V، فإن التيار المار عبر كل فرع هو $I = \frac{V}{R} = \frac{30 \text{ V}}{15 \ \Omega} = 2 \text{ A}$.

عند إضافة مقاومة جديدة على التوازي في دائرة، فإنها توفر مسارًا إضافيًا للتيار، مما يقلل من المقاومة الكلية المكافئة للدائرة. دائمًا ما تكون المقاومة المكافئة للدائرة المتوازية أقل من قيمة أصغر مقاومة فردية فيها.

في الدوائر المتوازية، يكون فرق الجهد الكهربائي (الجهد) متساوياً عبر جميع الفروع المتصلة بالمصدر، بينما يتوزع التيار الكهربائي.

لحساب المقاومة المكافئة لمقاومات موصلة على التوازي، نستخدم العلاقة: $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}$. بالتعويض بالقيم المعطاة: $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{120} + \frac{1}{60} + \frac{1}{40} = \frac{1}{120} + \frac{2}{120} + \frac{3}{120} = \frac{6}{120} = \frac{1}{20}$. إذن، $R_{eq} = 20 \ \Omega$.

التيار الكلي I_total في الدائرة المتوازية يحسب باستخدام قانون أوم $I_{total} = \frac{V_{source}}{R_{eq}}$. بما أن V_source = 12.0 V و $R_{eq} = 20 \ \Omega$ (من السؤال السابق)، فإن $I_{total} = \frac{12.0 \text{ V}}{20 \ \Omega} = 0.6 \text{ A}$.

في الدائرة المتوازية، يكون الجهد عبر كل فرع هو نفسه (جهد المصدر). لحساب التيار في كل فرع نستخدم قانون أوم: $I = \frac{V}{R}$. للفرع الأول ($R_1 = 120 \ \Omega$): $I_1 = \frac{12.0 \text{ V}}{120 \ \Omega} = 0.100 \text{ A}$. للفرع الثاني ($R_2 = 60 \ \Omega$): $I_2 = \frac{12.0 \text{ V}}{60 \ \Omega} = 0.200 \text{ A}$. للفرع الثالث ($R_3 = 40 \ \Omega$): $I_3 = \frac{12.0 \text{ V}}{40 \ \Omega} = 0.300 \text{ A}$.

قاعدة كيرشوف للتيار (قانون العقدة) تستند إلى مبدأ حفظ الشحنة الكهربائية، حيث أن الشحنة لا تُفنى ولا تُستحدث، وبالتالي فإن مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة (عقدة) يساوي مجموع التيارات الخارجة منها.

وفقًا لقاعدة كيرشوف للتيار (قانون العقدة)، فإن مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة (عقدة) يساوي مجموع التيارات الخارجة منها. في النقطة A، التيار I₁ يدخل، والتياران I₂ و I₃ يخرجان. لذا، المعادلة الصحيحة هي I₁ = I₂ + I₃.

وفقًا لقاعدة كيرشوف للتيار، I₁ = I₂ + I₃. بالتعويض بالقيم المعطاة: 1.5 A = I₂ + 0.6 A. بحل المعادلة لـ I₂ نحصل على: I₂ = 1.5 A - 0.6 A = 0.9 A.

العقدة (Junction) في الدائرة الكهربائية هي نقطة التقاء ثلاثة أسلاك أو عناصر على الأقل، حيث تتفرع التيارات أو تتجمع.

قاعدة كيرشوف للجهد (قانون الحلقة) تستند إلى مبدأ حفظ الطاقة، حيث أن مجموع التغيرات في الجهد حول أي حلقة مغلقة في الدائرة يجب أن يكون صفرًا، لأن الشحنة التي تعود إلى نقطة البداية يجب أن تكون قد اكتسبت أو فقدت نفس القدر من الطاقة.

وفقًا لقانون كيرشوف للتيار (قانون العقدة)، فإن التيار الكلي الداخل إلى العقدة يساوي مجموع التيارات الخارجة منها. إذا دخل 1.0 A وتفرع إلى مسارين، حيث كان تيار المسار الأول 0.3 A، فإن تيار المسار الثاني سيكون: 1.0 A - 0.3 A = 0.7 A.

قاعدة كيرشوف للجهد (قانون الحلقة) مبنية على مبدأ حفظ الطاقة. هذا يعني أن التغير الكلي في طاقة الشحنة عند إكمالها لدورة كاملة والعودة إلى نقطة البداية في حلقة مغلقة يجب أن يكون صفرًا.

الفتيل (Fuse) هو جهاز أمان مصمم لحماية الدوائر الكهربائية من التيار الزائد. عندما يمر تيار كبير جدًا عبره، يذوب السلك المعدني الموجود داخله، مما يقطع الدائرة ويوقف تدفق التيار.

في قاطع الدائرة الكهربائية، ينثني الشريط ثنائي الفلز نتيجة الحرارة المتولدة عن مرور تيار كهربائي عالٍ جدًا فيه (عند حدوث حمل زائد أو قصر). هذا الانثناء يؤدي إلى فصل نقاط التلامس وفتح الدائرة، مما يحميها.

قاطع دائرة الأعطال الأرضية (GFI) هو جهاز أمان يكتشف الاختلافات الصغيرة في التيار بين السلك الحي والسلك المحايد، مما يشير إلى وجود تيار تسرب (خطأ أرضي)، ويقوم بفصل الدائرة لمنع الصدمات الكهربائية.

عندما يتجاوز التيار القيمة المسموح بها في قاطع الدائرة، تسخن الشريحة ثنائية الفلز وتنحني، مما يؤدي إلى تحرير المزلاج الذي بدوره يفتح نقاط التلامس الكهربائية ويقطع تدفق التيار لمنع الضرر.

أجهزة الأمان مثل الفيوزات وقواطع الدائرة ضرورية في الأسلاك المنزلية لأنها تحمي الدوائر من الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة، التي يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة، وتلف الأجهزة، أو نشوب حرائق.

الدائرة القصيرة هي مسار غير مقصود للتيار الكهربائي ذو مقاومة منخفضة جدًا، مما يؤدي إلى تدفق تيار كبير جدًا في الدائرة. يمكن أن يتسبب هذا في ارتفاع درجة الحرارة وتلف المكونات.

تعد الدائرة القصيرة خطيرة لأن التيار الكهربائي الكبير جدًا الذي يمر عبر الأسلاك يولد حرارة عالية جدًا. هذه الحرارة يمكن أن تذيب العزل، وتتلف الأجهزة، وتسبب حرائق.