الفصل 3

التيار الكهربائي

זרם חשמלי

الصف العاشر · 3 ساعات تعليمية

في الفصلين السابقين درسنا الشحنات وهي ساكنة، وتعرفنا على المجال وعلى فرق الجهد. عندما نربط موصلا بين قطبي مصدر جهد تبدأ الشحنات بالحركة، وهكذا ينشأ التيار الكهربائي: هو الذي يضيء المصباح، يدير المحرّك وينقل المعلومات في الحاسوب. في هذا الفصل نتعرف على التيار، على سبب نشوئه، على اتجاهه وعلى طريقة حساب شدته.

في نهاية هذا الفصل سنعرف أن:

التيار الكهربائي هو حركة منتظمة وموجَّهة لجسيمات مشحونة.
المجال الكهربائي الذي ينشئه مصدر الجهد في الموصل هو سبب نشوء التيار.
في المعادن تنقل الإلكترونات الحرّة التيار، ونميّز بين الموصل، العازل وشبه الموصل.
الاتجاه الاصطلاحي للتيار هو من القطب الموجب إلى القطب السالب، بعكس اتجاه حركة الإلكترونات.
نحسب شدة التيار حسب I = Qt ، ووحدة قياسها الأمبير.
نتعرف على استعمالات التيار الكهربائي، ونستخدم البادئات n, µ, m, k, M وننتقل بينها.

הזרם החשמלי כתנועה מסודרת ומכוונת של חלקיקים טעונים – التيار الكهربائي كحركة منتظمة وموجَّهة لجسيمات مشحونة (Electric Current)

الإلكترونات الحرّة في قطعة معدن لا تقف في مكانها أبدا: هي تتحرك طوال الوقت بسرعة كبيرة وفي جميع الاتجاهات. هذه الحركة عشوائية (אקראית)، ولذلك لا تنتقل شحنة من طرف الموصل إلى طرفه الآخر. فقط عندما تتحرك الشحنات كلها في اتجاه واحد نقول إن في الموصل تيارا كهربائيا.

بدون مصدر جهد: حركة عشوائية، لا يوجد تيار

مع مصدر جهد: حركة موجَّهة، يوجد تيار

التيار الكهربائي (זרם חשמלי): هو حركة منتظمة وموجَّهة لجسيمات مشحونة. الجسيمات المشحونة التي تتحرك وتنقل الشحنة تسمى حاملات الشحنة (נושאי מטען).

المادة	حاملات الشحنة	مثال
المعادن	الإلكترونات الحرّة	أسلاك النحاس، فتيل المصباح
المحاليل الكيميائية	الأيونات الموجبة والأيونات السالبة	المحلول داخل البطارية والمُركِّم
الغازات	الأيونات والإلكترونات	مصباح الفلورسنت، البرق

سؤال 3.1: في أي حالة يوجد تيار كهربائي؟
أ. إلكترونات حرّة تتحرك في جميع الاتجاهات داخل سلك غير موصول.
ب. أيونات موجبة تتحرك كلها نحو القطب السالب داخل محلول.

השדה החשמלי כגורם לזרם חשמלי – المجال الكهربائي كسبب للتيار الكهربائي (The Field as the Cause of Current)

ما الذي يجعل الإلكترونات تتحرك في اتجاه واحد؟ عندما نربط طرفي موصل بقطبي مصدر جهد ينشأ بين طرفيه فرق جهد V. تعلمنا في الفصل 2 أنه حيثما وُجد فرق جهد وُجد مجال كهربائي. المجال ينشأ على طول الموصل كله، ويبذل قوة على كل إلكترون حرّ فيه.

هذه القوة تدفع جميع الإلكترونات الحرّة في نفس الاتجاه، وهكذا تتحول حركتها العشوائية إلى حركة موجَّهة. السلسلة كلها: مصدر الجهد ← فرق جهد ← مجال كهربائي في الموصل ← قوة على الشحنات ← تيار.

مثال 3.1

سلك طوله 2 m موصول بين قطبي بطارية جهدها 12 V. نحسب شدة المجال الكهربائي داخل السلك.

الحل:

المجال على طول السلك منتظم، والمسافة بين الطرفين هي طول السلك:

E = Vd

E = 122 = 6 V/m

هذا المجال يدفع جميع الإلكترونات الحرّة في السلك في نفس الاتجاه.

E = 6 V/m

ملاحظة: المجال ينشأ في الموصل كله تقريبا في نفس اللحظة. لذلك يضيء المصباح فور إغلاق المفتاح، مع أن كل إلكترون يتقدم في السلك ببطء شديد: الإلكترونات موجودة في السلك كله من قبل، وكلها تبدأ بالحركة معا، مثل الماء في أنبوب مليء.

شروط مرور التيار – התנאים לזרימת זרם:

من أجل أن يمر تيار بشكل متواصل يجب أن يتحقق شرطان: أن يكون هناك مصدر جهد يحافظ على فرق الجهد، وأن يكون هناك مسار مغلق من موصلات تعود فيه الشحنات إلى المصدر.

الدائرة الكهربائية (מעגל חשמלי): هي مسار مغلق يمر فيه التيار: من أحد قطبي المصدر، عبر الموصلات والعناصر، ثم العودة إلى القطب الآخر. في بعض الكتب تسمى الدائرة «الدارة الكهربائية».

دائرة مغلقة: المفتاح مغلق، يمر تيار والمصباح يضيء

دائرة مفتوحة: المفتاح مفتوح، I = 0 والمصباح مطفأ

الدائرة المغلقة (מעגל סגור): المسار كامل، ولذلك يمر التيار في جميع عناصر الدائرة.
الدائرة المفتوحة (מעגל פתוח / נתק): المسار مقطوع في نقطة واحدة على الأقل، ولذلك لا يمر تيار في الدائرة كلها، حتى لو بقي المصدر موصولا.

سؤال 3.2: نقصّر السلك في المثال السابق إلى 0.5 m ونربطه بنفس البطارية. نحسب شدة المجال داخل السلك.

אלקטרונים חופשיים וזרם חשמלי – الإلكترونات الحرّة والتيار الكهربائي (Free Electrons)

المجال الكهربائي يستطيع أن يحرّك فقط شحنات حرّة. لذلك تتعلق قدرة المادة على توصيل التيار بعدد الإلكترونات الحرّة فيها. في النحاس، مثلا، تعطي كل ذرّة إلكترونا حرّا واحدا، ولذلك يوجد في كل قطعة نحاس عدد هائل من الإلكترونات الحرّة.

نوع المادة	بالعبرية	الإلكترونات الحرّة	أمثلة
موصل	מוליך	كثيرة جدا: التيار يمر بسهولة	النحاس، الألومنيوم، الفضة، الذهب
عازل	מבודד	تكاد لا توجد: التيار لا يمر	البلاستيك، المطاط، الزجاج، الهواء الجاف
شبه موصل	מוליך למחצה	قليلة، ويمكن التحكم بعددها	السيليكون، الجرمانيوم

الأسلاك تُصنع من موصل، غالبا النحاس، وتُغطى بعازل من البلاستيك يمنع التيار من المرور إلى خارج السلك.
أشباه الموصلات هي المادة التي تُبنى منها العناصر الإلكترونية: الدايود، الترانزستور والدوائر المتكاملة. سنتعرف عليها في مادة الإلكترونيات.

ملاحظة: عندما يمر تيار في سلك، الإلكترونات الحرّة لا «تُستهلك» ولا تتجمع في مكان معين. عدد الإلكترونات التي تدخل من أحد طرفي السلك يساوي عدد الإلكترونات التي تخرج من طرفه الآخر، والسلك يبقى متعادلا.

سؤال 3.3: لماذا يُصنع داخل السلك الكهربائي من النحاس ويُصنع غلافه من البلاستيك؟

הכיוון המוסכם של הזרם החשמלי – الاتجاه الاصطلاحي للتيار الكهربائي (Conventional Current Direction)

الإلكترونات سالبة، ولذلك يدفعها المجال من القطب السالب للمصدر، عبر الدائرة، إلى القطب الموجب. لكن العلماء حددوا اتجاه التيار قبل اكتشاف الإلكترون بسنوات طويلة، واتفقوا على أن التيار هو حركة شحنات موجبة. بقي هذا الاتفاق مستخدما حتى اليوم:

الاتجاه الاصطلاحي للتيار (הכיוון המוסכם): من القطب الموجب للمصدر إلى القطب السالب، خارج المصدر. هذا هو الاتجاه الذي نستخدمه في جميع الحسابات والمخططات، وهو نفس اتجاه المجال الكهربائي في الموصل.
اتجاه حركة الإلكترونات: بالعكس، من القطب السالب إلى القطب الموجب، لأن شحنة الإلكترون سالبة.

في المخططات نرسم اتجاه التيار بسهم على الموصل، ونكتب بجانبه الحرف I.

سؤال 3.4: في دائرة فيها بطارية ومصباح:
أ. من أي قطب للبطارية يخرج التيار الاصطلاحي؟
ب. من أي قطب تخرج الإلكترونات؟

הגדרת עוצמת הזרם: יחידת המדידה של הזרם במערכת SI – تعريف شدة التيار: وحدة قياس التيار في منظومة SI (Current Intensity)

شدة التيار (עוצמת הזרם): هي كمية الشحنة التي تمر عبر مقطع الموصل في كل ثانية. كلما مرّت شحنة أكبر في نفس الزمن كان التيار أقوى.

شدة التيار الكهربائي · עוצמת הזרם

I = Qt

الرمز	المعنى	وحدة القياس
I	شدة التيار	[A]
Q	الشحنة التي مرّت عبر مقطع الموصل	[C]
t	الزمن	[s]

ملاحظة: وحدة قياس التيار في منظومة SI هي الأمبير (אמפר)، ورمزها [A]. أمبير واحد يعني مرور كولون واحد في كل ثانية: 1 A = 1 C1 s. للتيارات الصغيرة نستخدم الميلي أمبير، 1 mA = 10⁻³ A ، والمايكرو أمبير، 1 µA = 10⁻⁶ A.

مثال 3.2

يمر في مصباح تيار شدته 0.5 A لمدة دقيقتين. نحسب الشحنة التي مرّت في المصباح.

الحل:

نحوّل الزمن إلى ثوانٍ: t = 2 min = 120 s.

نُخرج الشحنة من قانون التيار:

Q = I·t

Q = 0.5 · 120 = 60 C

Q = 60 C

سؤال 3.5: تمر في موصل شحنة مقدارها 90 C خلال نصف دقيقة. ما هي شدة التيار؟

سؤال 3.6: كم من الوقت يلزم حتى تمر شحنة مقدارها 18 C في موصل يمر به تيار شدته 20 mA؟

سعة البطارية بوحدة أمبير·ساعة – קיבול הסוללה באמפר-שעה:

كمية الشحنة التي تستطيع البطارية أو المُركِّم تزويدها حتى تفرغ تسمى سعة البطارية (קיבול הסוללה). تُقاس السعة بوحدة أمبير·ساعة [Ah] ، وهي وحدة شحنة: بما أن الساعة فيها 3600 s فإن 1 Ah = 3600 C.

مثال 3.3

مُركِّم سيارة مكتوب عليه 60 Ah. كم ساعة يستطيع أن يزوّد تيارا شدته 5 A؟

الحل:

نُخرج الزمن من قانون التيار، ونعوّض الشحنة بوحدة [Ah] فنحصل على الزمن بالساعات:

t = QI

t = 605 = 12 h

t = 12 h

قياس التيار والمخطط الكهربائي – מדידת הזרם ותיאור סכמתי של מעגל:

نقيس شدة التيار بواسطة مقياس التيار (الأمبيرمتر). من أجل أن يمر التيار كله عبر المقياس نقطع الدائرة ونربط المقياس على التوالي مع العنصر. أما مقياس الجهد (الفولتمتر) فيقيس فرق الجهد بين نقطتين، ولذلك نربطه على التوازي مع العنصر، بدون قطع الدائرة. نرسم الدائرة بواسطة مخطط (סכמה) يظهر فيه كل عنصر برمزه المتفق عليه:

العنصر	بالعبرية	وظيفته في الدائرة
مصدر جهد	מקור מתח	يزوّد الدائرة بالطاقة الكهربائية. الخط الطويل هو القطب الموجب
مقاومة	נגד	تحدّ من شدة التيار، وتحوّل الطاقة الكهربائية إلى حرارة
موصل (سلك)	מוליך	يربط بين العناصر وينقل التيار
مفتاح	מפסק	يفتح الدائرة أو يغلقها
مصباح	נורה	يحوّل الطاقة الكهربائية إلى ضوء
مقياس التيار (أمبيرمتر)	מד-זרם	يقيس شدة التيار، ويُربط على التوالي
مقياس الجهد (فولتمتر)	מד-מתח	يقيس فرق الجهد، ويُربط على التوازي
أرضي	אדמה / הארקה	النقطة المرجعية، وجهدها صفر

سؤال 3.7: ننظر إلى المخطط ونجيب:
أ. ماذا يحدث للمصباح L إذا فتحنا المفتاح S؟
ب. ماذا يقيس كل واحد من المقياسين؟
ج. ما هو اتجاه التيار في المقاومة R؟

▶تجربة حية — ما هو التيار الكهربائي؟محاكاة حيّة: نغيّر الشحنة والزمن ونرى كيف تتغير سرعة الإلكترونات وشدة التيار.

⚠

المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.

https://fahed-lab.com/circuits/electric_current_explainer

نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/circuits/electric_current_explainer

דוגמאות לשימושים בזרם החשמלי (סקירה) – أمثلة لاستعمالات التيار الكهربائي (Uses of Electric Current)

لا نستطيع رؤية التيار الكهربائي، لكننا نرى تأثيراته. كل استعمال للكهرباء يعتمد على واحد أو أكثر من هذه التأثيرات:

تأثير التيار	بالعبرية	ماذا يحدث؟	استعمالات
التأثير الحراري	השפעה תרמית	الموصل الذي يمر فيه تيار يسخن	الغلاية، المكواة، الفرن، المدفأة، المُنصهِر
التأثير الضوئي	השפעה אורית	تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء	مصباح الليد، الشاشة
التأثير المغناطيسي	השפעה מגנטית	حول كل موصل يمر فيه تيار ينشأ مجال مغناطيسي	المحرّك الكهربائي، المرحّل، مكبر الصوت
التأثير الكيميائي	השפעה כימית	التيار المار في محلول يسبب تفاعلا كيميائيا	شحن المُركِّم، الطلاء بالمعادن
نقل المعلومات	העברת מידע	تيارات صغيرة تمثل إشارات ومعطيات	الحاسوب، الهاتف، أجهزة الاتصال

شدة التيار تختلف كثيرا من استعمال إلى آخر (قيم تقريبية): بضعة مايكرو أمبيرات في ساعة يد إلكترونية، نحو 20 mA في مصباح ليد صغير، بين 1 A و 2 A في شاحن الهاتف، ونحو 10 A في الغلاية الكهربائية.

تحذير: التيار الكهربائي يؤثر أيضا على جسم الإنسان، لأن الجسم موصل للكهرباء، وتيار صغير يمر في الجسم قد يكون خطرا على الحياة. لا نلمس أي جزء مكشوف من دائرة موصولة بشبكة الكهرباء، ولا نعمل على دائرة قبل فصلها عن المصدر.

سؤال 3.8: أي تأثير للتيار نستعمل في كل جهاز؟
أ. محمصة الخبز.
ب. المروحة.
ج. شحن بطارية الهاتف.
د. مصباح الليد.

תחיליות היחידות – بادئات الوحدات (Unit Prefixes)

المقادير الكهربائية تمتد على مجال واسع جدا: من مايكرو أمبيرات في ساعة اليد حتى مئات الأمبيرات في محرّك السيارة. من أجل تمثيل القيم الصغيرة والكبيرة بدون كتابة أصفار كثيرة، يسبق الوحدةَ حرفٌ يسمى البادئة (תחילית)، يمثل قوة للعدد 10. تسمى البادئات أيضا «السوابق المترية للوحدات».

البادئة	بالعبرية	الرمز	القيمة	مثال من الكهرباء
ميغا	מגה	M	10⁶ = 1,000,000	مقاومة 2 MΩ
كيلو	קילו	k	10³ = 1,000	جهد 22 kV
— (الوحدة الأساسية)	—	—	10⁰ = 1	A ، V ، Ω
ميلي	מילי	m	10⁻³ = 0.001	تيار 30 mA
مايكرو	מיקרו	µ	10⁻⁶ = 0.000001	شحنة 5 µC
نانو	ננו	n	10⁻⁹ = 0.000000001	مكثف 100 nF

قاعدة الانتقال بين البادئات: عند الانتقال إلى بادئة أكبر يصغر العدد، وعند الانتقال إلى بادئة أصغر يكبر العدد. بين كل بادئتين متتاليتين في الجدول ثلاث منازل عشرية، أي نضرب في 1000 أو نقسم على 1000.

مثال 3.4

نحوّل كل قيمة إلى الوحدة المطلوبة:
أ. 4.7 kV إلى [V].
ب. 250 mA إلى [A].
ج. 0.000033 C إلى [µC].
د. 2.2 MΩ إلى [kΩ].

الحل:

أ. من كيلو إلى الوحدة الأساسية، نضرب في 10³:

4.7 kV = 4.7 · 10³ V = 4700 V

ب. من ميلي إلى الوحدة الأساسية، نضرب في 10⁻³:

250 mA = 250 · 10⁻³ A = 0.25 A

ج. من الوحدة الأساسية إلى مايكرو، نضرب في 10⁶:

0.000033 C = 0.000033 · 10⁶ µC = 33 µC

د. من ميغا إلى كيلو، نضرب في 10³:

2.2 MΩ = 2.2 · 10³ kΩ = 2200 kΩ

تعليمات للحل: عند حل الأسئلة نحوّل دائما جميع المعطيات إلى الوحدات الأساسية [A] ، [V] ، [C] ، [s] قبل التعويض في القانون، وفي النهاية فقط نكتب النتيجة مع بادئة مريحة.

سؤال 3.9: نحوّل:
أ. 0.05 A إلى [mA].
ب. 3300 V إلى [kV].
ج. 470 nF إلى [µF].
د. 1500 mV إلى [V].

ملخّص قوانين الفصل:

القانون	الصيغة
شدة التيار الكهربائي	I = Qt
الشحنة التي مرّت في الموصل	Q = I·t
أمبير·ساعة	1 Ah = 3600 C

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

بالعربية	بالعبرية (كما تظهر في الامتحان)	English
التيار الكهربائي	זרם חשמלי	Electric current
حاملات الشحنة	נושאי מטען	Charge carriers
حركة عشوائية / موجَّهة	תנועה אקראית / מכוונת	Random / directed motion
الإلكترونات الحرّة	אלקטרונים חופשיים	Free electrons
موصل	מוליך	Conductor
عازل	מבודד	Insulator
شبه موصل	מוליך למחצה	Semiconductor
الدائرة الكهربائية (الدارة)	מעגל חשמלי	Electric circuit
دائرة مغلقة / مفتوحة	מעגל סגור / פתוח	Closed / open circuit
الاتجاه الاصطلاحي	הכיוון המוסכם	Conventional direction
شدة التيار	עוצמת הזרם	Current intensity
سعة البطارية	קיבול הסוללה	Battery capacity
مقياس التيار (أمبيرمتر)	מד-זרם	Ammeter
مقياس الجهد (فولتمتر)	מד-מתח	Voltmeter
مخطط	סכמה	Schematic
مفتاح	מפסק	Switch
البادئة (السوابق المترية)	תחילית	Prefix

أسئلة للتمرين:

نحدد لكل جملة إذا كانت صحيحة أم خاطئة:
أ. في سلك غير موصول بمصدر جهد لا تتحرك الإلكترونات الحرّة أبدا.
ب. الإلكترونات تتحرك في الدائرة من القطب السالب إلى القطب الموجب.
ج. في دائرة مفتوحة يمر تيار صغير.

الإجابات: أ. خاطئة: تتحرك حركة عشوائية. ب. صحيحة. ج. خاطئة: التيار صفر

سلك طوله 4 m موصول بمصدر جهده 6 V. نحسب شدة المجال داخل السلك.

الإجابات: E = 1.5 V/m

تمر عبر مقطع موصل شحنة مقدارها 45 C خلال 15 s. نحسب شدة التيار.

الإجابات: I = 3 A

يمر في سخان كهربائي تيار شدته 8 A لمدة ربع ساعة.
أ. نحسب الشحنة التي مرّت في السخان.
ب. نكتب النتيجة بوحدة [Ah].

الإجابات: أ. Q = 7200 C. ب. Q = 2 Ah

يمر في مصباح ليد تيار شدته 20 mA. نحسب الشحنة التي تمر في المصباح خلال دقيقة واحدة.

الإجابات: Q = 1.2 C

تمر عبر مقطع موصل شحنة مقدارها 8 C خلال 4 s. نحسب شدة التيار.

الإجابات: I = 2 A

بطارية هاتف مكتوب عليها 4000 mAh. كم ساعة تعمل البطارية إذا كان الهاتف يستهلك تيارا شدته 250 mA؟

الإجابات: t = 16 h

مُركِّم سعته 45 Ah زوّد تيارا ثابتا لمدة 6 h حتى فرغ.
أ. نحسب شدة التيار.
ب. نحسب سعة المُركِّم بوحدة [C].

الإجابات: أ. I = 7.5 A. ب. Q = 162000 C

نرسم مخططا لدائرة كهربائية فيها: مصدر جهد، مفتاح، مصباحان على التوالي، مقياس تيار يقيس التيار في الدائرة، ومقياس جهد يقيس الجهد على المصباح الأول. نرسم على المخطط سهما يبيّن الاتجاه الاصطلاحي للتيار.

الإجابات: الأمبيرمتر على التوالي مع المصباحين، والفولتمتر على التوازي مع المصباح الأول. السهم يخرج من القطب الموجب للمصدر

10.

نكمل:
أ. 0.0025 A = … mA ·
ب. 68 kV = … V ·
ج. 0.5 MΩ = … kΩ ·
د. 2200 µC = … mC ·
ه. 15 nF = … µF.

الإجابات: أ. 2.5 mA · ب. 68,000 V · ج. 500 kΩ · د. 2.2 mC · ه. 0.015 µF

الإجابات النهائية لأسئلة الفصل

3.1 في الحالة ب فقط، لأن الحركة فيها موجَّهة في اتجاه واحد

3.2 E = 24 V/m، أي أربعة أضعاف ما في المثال

3.3 النحاس موصل وفيه إلكترونات حرّة كثيرة، فيمر التيار فيه بسهولة. البلاستيك عازل، فيمنع مرور التيار إلى خارج السلك

3.4 أ. من القطب الموجب. ب. من القطب السالب

3.5 I = 3 A

3.6 t = 900 s ، أي 15 min

3.7 أ. ينطفئ، لأن الدائرة تصبح مفتوحة. ب. الأمبيرمتر يقيس شدة التيار في الدائرة، والفولتمتر يقيس فرق الجهد على المصباح. ج. من اليمين إلى اليسار

3.8 أ. الحراري. ب. المغناطيسي (محرّك). ج. الكيميائي. د. الضوئي

3.9 أ. 50 mA · ب. 3.3 kV · ج. 0.47 µF · د. 1.5 V

שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 3

مادة هذا الفصل أساس لأسئلة البجروت في علم الكهرباء، ولا يظهر في الامتحان سؤال مستقل عنها. نتدرب على أسئلة البجروت في الفصول 7، 9 و 13.

لوحة القوانين: كل قوانين هذا الفصل مجموعة مع رسومها وجداول رموزها في الفصل 14 — لوحة القوانين الشاملة. (נוסחאון הספר)