قانون أوم
تعرّفنا حتى الآن على ثلاثة مقادير: الجهد الذي يدفع الشحنات، التيار الذي يمر في الدائرة، والمقاومة التي تعيق مروره. قانون أوم يربط بين هذه المقادير الثلاثة، وهو القانون الأكثر استعمالا في علم الكهرباء: إذا عرفنا اثنين من المقادير نستطيع أن نحسب الثالث.
- نحسب التيار، الجهد والمقاومة حسب قانون أوم I = UR.
- نميّز بين عناصر تحقق قانون أوم وعناصر لا تحققه، ونعرف حدود القانون.
- نرسم العلاقة بين الجهد والتيار في عنصر خطي وفي عنصر غير خطي، ونقرأ المقاومة من الرسم البياني.
- نصف دائرة القصر والقطع (الدائرة المفتوحة) بالحساب وبالرسم البياني.
- نربط مقياس التيار على التوالي ومقياس الجهد على التوازي.
חישובי זרם, מתח והתנגדות – الحسابات حسب قانون أوم (Ohm's Law)
نربط مقاومة بمصدر جهد ونقيس التيار. إذا ضاعفنا جهد المصدر مرتين، نجد أن التيار تضاعف مرتين أيضا. وإذا أبقينا الجهد ثابتا واستبدلنا المقاومة بمقاومة أكبر بمرتين، نجد أن التيار صغر إلى النصف. هذه العلاقة اكتشفها العالم الألماني جورج أوم، وسُمّيت على اسمه.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| I | شدة التيار المار في المقاومة | [A] |
| U | الجهد بين طرفي المقاومة | [V] |
| R | قيمة المقاومة | [Ω] |
من القانون نُخرج الجهد أو المقاومة حسب المقدار المطلوب:
الجهد U = I·R الذي ينشأ على المقاومة عند مرور التيار فيها يسمى أيضا هبوط الجهد (מפל מתח) على المقاومة.
المعطيات: U = E = 12 V ، R = 24 Ω. المطلوب: I.
ب. سخان كهربائي موصول بجهد الشبكة 230 V ويمر فيه تيار شدته 4.6 A. نحسب مقاومة السخان.
أ. نحوّل المعطيات إلى الوحدات الأساسية: I = 5·10−3 A ، R = 2.2·103 Ω.
ب. نعوّض في صيغة المقاومة:
أ. قيمة المقاومة.
ب. شدة التيار إذا رفعنا الجهد إلى 18 V.
أ. نحسب المقاومة من القيم المعطاة:
ب. المقاومة لم تتغير، ولذلك نعوّض الجهد الجديد:
الجهد كبر ثلاث مرات، ولذلك كبر التيار ثلاث مرات أيضا.
ب. ما هو الجهد على مقاومة قيمتها 15 Ω يمر فيها تيار 0.8 A؟
ج. ما هي مقاومة مصباح يمر فيه تيار 250 mA عند جهد 12 V؟
أ. صغّرنا الجهد إلى النصف؟
ب. ضاعفنا الجهد مرتين وضاعفنا المقاومة مرتين معا؟
רכיבים המצייתים לחוק אום ומגבלות החוק – مواد وعناصر تحقق قانون أوم، وحدود القانون (Ohmic Devices and Limits)
قانون أوم ليس قانونا عاما للطبيعة يصحّ في كل مادة، بل هو وصف لتصرّف مواد معيّنة. المهم في القانون هو أن المقاومة R ثابتة: لا تتغير عندما نغيّر الجهد أو التيار.
| عناصر تحقق قانون أوم | عناصر لا تحقق قانون أوم | |
|---|---|---|
| أمثلة | الموصلات المعدنية (النحاس، الألومنيوم)، المقاومات المصنوعة من سبائك أو من الكربون، عناصر التسخين | مصباح الفتيل، الثنائي (דיודה) والثنائي الباعث للضوء (LED)، الثرمستور، مصباح الفلورسنت |
| المقاومة | ثابتة | تتغير مع الجهد والتيار |
| الرسم البياني | خط مستقيم يمر من نقطة الأصل | خط منحنٍ |
حدود قانون أوم – מגבלות החוק:
- درجة حرارة ثابتة: القانون يصحّ ما دامت درجة حرارة الموصل ثابتة. إذا سخن الموصل كثيرا تتغير مقاومته، كما تعلّمنا في الفصل 2. فتيل المصباح مثلا مصنوع من معدن، لكن درجة حرارته ترتفع بآلاف الدرجات، ولذلك لا يتصرف كعنصر أومي.
- نوع المادة: القانون لا يصحّ في أشباه الموصلات، في الغازات وفي عناصر أخرى غير خطية.
- حدود العمل: لكل مقاومة جهد وتيار أقصى مسموح بهما. إذا تجاوزناهما تسخن المقاومة أكثر من اللازم وقد تحترق.
أ. سلك من النحاس في درجة حرارة الغرفة.
ب. ثنائي.
ج. مقاومة من الكونستانتان.
د. مصباح فتيل.
הקשר הגרפי בין המתח לזרם – العلاقة البيانية بين الجهد والتيار (U–I Characteristics)
نغيّر الجهد على عنصر، نقيس التيار في كل مرة، ونرسم النتائج في هيئة محاور: الجهد على المحور الأفقي والتيار على المحور العمودي. الخط الذي نحصل عليه يسمى المنحنى المميِّز (אופיין) للعنصر.
عنصر خطي – רכיב ליניארי:
- المنحنى المميِّز للمقاومة هو خط مستقيم يمر من نقطة الأصل: عند جهد صفر التيار صفر، وكل زيادة في الجهد تعطي زيادة متناسبة في التيار.
- لإيجاد المقاومة نختار نقطة مريحة على الخط، نقرأ منها U و I ونحسب R = UI. أي نقطة على الخط تعطي نفس النتيجة.
- ميل الخط يساوي IU ، أي المواصلة G. لذلك: كلما كان الخط أكثر ميلا، كانت المقاومة أصغر.
نختار الجهد U = 8 V ونقرأ التيار على كل خط: على خط R1 نقرأ I = 0.8 A ، وعلى خط R2 نقرأ I = 0.4 A.
خط R1 أكثر ميلا، ومقاومتها فعلا أصغر.
عنصر غير خطي – רכיב לא ליניארי:
المنحنى المميِّز لعنصر غير خطي ليس خطا مستقيما، لأن مقاومته تتغير من نقطة إلى أخرى:
نقرأ من الرسم البياني: في النقطة P1 الجهد 2 V والتيار 0.2 A ، وفي النقطة P2 الجهد 12 V والتيار 0.5 A.
مقاومة المصباح ليست ثابتة: عندما يعمل بجهده الكامل تكون مقاومته أكبر بكثير من مقاومته وهو بارد. المصباح عنصر غير خطي.
أ. ما هو التيار تقريبا عند جهد 0.4 V؟
ب. هل الثنائي عنصر أومي؟ نعلّل.
מקרים מיוחדים – קצר ונתק – حالتان خاصتان: دائرة القصر والقطع (Short Circuit and Open Circuit)
لقانون أوم حالتان قصويان: مقاومة تساوي صفرا، ومقاومة لا نهائية.
| دائرة قصر | قطع | |
|---|---|---|
| المقاومة | R = 0 | R = ∞ |
| الجهد | U = 0 | حسب الدائرة |
| التيار | حسب الدائرة، كبير جدا | I = 0 |
| المنحنى المميِّز | ينطبق على محور التيار | ينطبق على محور الجهد |
أ. الجهد على المقاومة R والتيار فيها.
ب. تيار القصر ISC.
أ. سلك القصر مربوط بين طرفي المقاومة، والجهد عليه صفر. لذلك الجهد على المقاومة صفر أيضا، ولا يمر فيها تيار:
ب. التيار كله يمر في سلك القصر، ولا يحدّه إلا المقاومة الصغيرة لمسار القصر:
في العمل العادي كان التيار 0.5 A. تيار القصر أكبر منه بـ 480 مرة.
أ. التيار في الدائرة.
ب. الجهد على المقاومة.
ج. الجهد بين طرفي المفتاح المفتوح.
أ. المسار مقطوع، ولذلك لا يمر تيار:
ب. حسب قانون أوم، بدون تيار لا يوجد هبوط جهد على المقاومة:
ج. لا يوجد هبوط جهد على المقاومة ولا على الأسلاك، ولذلك يظهر جهد المصدر كله بين طرفي المفتاح:
أ. ما هو التيار في العمل العادي؟
ب. ما هو تيار القصر إذا كانت مقاومة مسار القصر 0.08 Ω؟
ج. ما هو الجهد بين طرفي مُنصهِر الدائرة بعد أن ينقطع؟
חיבור מד-זרם ומד-מתח במעגל – ربط مقياس التيار ومقياس الجهد (Connecting Ammeter and Voltmeter)
طريقة ربط كل مقياس تنتج من المقدار الذي يقيسه: التيار يمر عبر العنصر، والجهد موجود بين نقطتين.
| مقياس التيار (أمبيرمتر) | مقياس الجهد (فولتمتر) | |
|---|---|---|
| يقيس | شدة التيار المار في الفرع | الجهد بين نقطتين |
| طريقة الربط | على التوالي: نقطع المسار وندخل المقياس فيه، حتى يمر فيه التيار كله | على التوازي: نربط طرفيه بطرفي العنصر دون قطع الدائرة |
| مقاومته الداخلية | صغيرة جدا، وفي المقياس المثالي صفر، حتى لا يصغّر التيار | كبيرة جدا، وفي المقياس المثالي لا نهائية، حتى لا يمر فيه تيار |
| القطبية | التيار يدخل من الطرف الموجب (+) ويخرج من الطرف السالب | الطرف الموجب (+) يُربط بالنقطة ذات الجهد الأعلى |
| مجال القياس (תחום מדידה) | أكبر من التيار المتوقع. إذا لم نعرفه نبدأ من أكبر مجال | أكبر من الجهد المتوقع. إذا لم نعرفه نبدأ من أكبر مجال |
المقياسان يعطياننا التيار المار في المقاومة والجهد بين طرفيها، ولذلك نستطيع استعمال قانون أوم:
أخطاء في الربط – טעויות בחיבור:
أ. رُبط بالخطأ مقياس تيار مقاومته الداخلية 0.1 Ω على التوازي مع المصدر. نحسب التيار في المقياس.
ب. رُبط بالخطأ مقياس جهد مقاومته الداخلية 1 MΩ على التوالي مع مقاومة صغيرة. نحسب التيار في الدائرة تقريبا.
أ. جهد المصدر كله يقع على المقياس، فينشأ تيار قصر يتلف المقياس أو يحرق المُنصهِر الذي بداخله:
ب. مقاومة المقياس أكبر بكثير من المقاومة الأخرى، ولذلك هي التي تحدد التيار. التيار صغير جدا والدائرة لا تعمل:
ب. لماذا يجب أن تكون المقاومة الداخلية لمقياس الجهد كبيرة جدا؟
ملخّص قوانين الفصل:
| القانون | الصيغة |
|---|---|
| قانون أوم: التيار | I = UR |
| قانون أوم: الجهد (هبوط الجهد) | U = I·R |
| قانون أوم: المقاومة | R = UI |
| قانون أوم بواسطة المواصلة | I = G·U |
| دائرة قصر | R = 0 , U = 0 |
| قطع (دائرة مفتوحة) | R = ∞ , I = 0 |
قاموس المصطلحات – מילון מונחים:
| بالعربية | بالعبرية (كما تظهر في الامتحان) | English |
|---|---|---|
| قانون أوم | חוק אום | Ohm's law |
| هبوط الجهد | מפל מתח | Voltage drop |
| عنصر أومي | רכיב אוהמי | Ohmic component |
| عنصر خطي | רכיב ליניארי | Linear component |
| عنصر غير خطي | רכיב לא ליניארי | Non-linear component |
| المنحنى المميِّز | אופיין | Characteristic curve |
| نقطة الأصل | ראשית הצירים | Origin |
| ميل الخط | שיפוע | Slope |
| ثنائي | דיודה | Diode |
| مصباح فتيل | נורת להט | Filament lamp |
| دائرة قصر | קצר | Short circuit |
| تيار القصر | זרם קצר | Short-circuit current |
| قطع (دائرة مفتوحة) | נתק | Open circuit |
| قاطع آلي | מפסק אוטומטי | Circuit breaker |
| مقياس التيار (أمبيرمتر) | מד-זרם | Ammeter |
| مقياس الجهد (فولتمتر) | מד-מתח | Voltmeter |
| المقاومة الداخلية | התנגדות פנימית | Internal resistance |
| مجال القياس | תחום מדידה | Measuring range |
| القطبية | קוטביות | Polarity |
أسئلة للتمرين:
أ. نحسب مقاومة المكواة.
ب. نحسب مواصلتها.
أ. U = 9 V ، R = 3 kΩ ، I = ? ·
ب. I = 2 A ، R = 115 Ω ، U = ? ·
ج. U = 5 V ، I = 25 µA ، R = ?
أ. ما هي قيمة المقاومة؟
ب. ما هو الجهد اللازم حتى يمر فيها تيار 100 mA؟
أ. نحسب مقاومة السلك.
ب. نحسب هبوط الجهد على السلك.
أ. نحسب قيمة كل مقاومة.
ب. ما هو التيار في كل مقاومة عند جهد 5 V؟
أ. هل العنصر خطي؟
ب. نحسب مقاومة العنصر عند جهد 4 V وعند جهد 10 V.
ج. هل تكبر مقاومته أم تصغر عندما يكبر الجهد؟
أ. نحسب التيار في العمل العادي.
ب. تلامس السلكان الموصولان بالمُركِّم ونشأت دائرة قصر، ومقاومة مسار القصر 0.02 Ω. نحسب تيار القصر.
ج. كم مرة تيار القصر أكبر من التيار العادي؟
أ. التيار في الدائرة.
ب. الجهد على المقاومة.
ج. الجهد بين طرفي المفتاح.
أ. نحسب قيمة المقاومة R.
ب. ماذا سيقرأ مقياس التيار إذا رفعنا جهد المصدر حتى يقرأ مقياس الجهد 10 V؟
أ. ماذا سيحدث في الدائرة؟
ب. كيف يجب تصحيح الربط؟
שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 3
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| البند أ | المقاومة المكافئة للدائرة | RT = 40 Ω |
| البند ب | مقاومة المقاوم R₁ | R₁ = 36 Ω |
| البند ج | قراءة مقياس التيّار | IA = 0.1 A |