قوانين كيرخهوف
قانون أوم يربط بين الجهد والتيار في عنصر واحد. لكن في دائرة فيها عدة عناصر وعدة مسارات نحتاج إلى قانونين آخرين: قانون يبيّن كيف تتوزع التيارات في نقاط التفرع، وقانون يبيّن كيف تتوزع الجهود حول مسار مغلق. هذان هما قانونا كيرخهوف، وعليهما مع قانون أوم يعتمد تحليل جميع الدوائر الكهربائية في الفصول القادمة.
- نعلّم التيارات الداخلة إلى العُقدة والتيارات الخارجة منها.
- نحسب تيارات حسب قانون كيرخهوف للتيار: مجموع التيارات الداخلة إلى العُقدة يساوي مجموع التيارات الخارجة منها.
- نُعرّف الفرع والحلقة في الدائرة الكهربائية.
- نعلّم قطبية هبوط الجهد على المقاومة وقطبية جهد المصدر.
- نحسب جهودا حسب قانون كيرخهوف للجهد: المجموع الجبري للجهود في حلقة مغلقة يساوي صفرا.
חוק הזרמים של קירכהוף – قانون كيرخهوف للتيار (KCL)
التيار الكهربائي هو حركة شحنات. الشحنات لا تتراكم في نقطة من الدائرة ولا تختفي منها: كل شحنة تصل إلى نقطة تفرع تخرج منها في أحد المسارات. من هذه الحقيقة البسيطة ينتج القانون الأول.
تعليم التيارات الداخلة والخارجة – סימון זרמים נכנסים ויוצאים מצומת:
- نرسم على كل موصل سهما يبيّن اتجاه التيار فيه، ونعطي كل تيار اسما: I1 ، I2 ، ...
- تيار سهمه نحو العُقدة هو تيار داخل (זרם נכנס).
- تيار سهمه مبتعد عن العُقدة هو تيار خارج (זרם יוצא).
- إذا لم نعرف اتجاه تيار معيّن نختار له اتجاها كما نشاء. إذا خرجت نتيجة الحساب سالبة فالاتجاه الحقيقي معاكس للاتجاه الذي اخترناه.
قانون كيرخهوف للتيار – חישוב זרמים באמצעות חוק הזרמים של קירכהוף:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| Σ Iin | مجموع التيارات الداخلة إلى العُقدة | [A] |
| Σ Iout | مجموع التيارات الخارجة من العُقدة | [A] |
| Σ I | المجموع الجبري: تيار داخل بإشارة (+) وتيار خارج بإشارة (−) | [A] |
للعُقدة التي في الرسم السابق نكتب القانون بإحدى الصيغتين، وهما متساويتان:
نكتب قانون كيرخهوف للتيار للعُقدة A : الداخلة في طرف والخارجة في الطرف الآخر.
نختار للتيار I4 اتجاها: نفرض أنه خارج من العُقدة، كما في الرسم. نكتب القانون:
النتيجة سالبة. معنى ذلك أن الاتجاه الحقيقي معاكس للاتجاه الذي اخترناه: التيار I4 يدخل إلى العُقدة ومقداره 2 A.
فحص: الداخلة 8 + 2 = 10 A ، والخارجة 3 + 7 = 10 A.
نحوّل: I2 = 100 mA = 0.1 A. الموصل العلوي كله نقطة كهربائية واحدة، هي العُقدة A : يدخل إليها التيار I وتخرج منها التيارات الثلاثة.
في العُقدة B تتجمع التيارات الثلاثة من جديد، ويعود إلى المصدر نفس التيار I = 0.9 A.
חוק המתחים של קירכהוף – قانون كيرخهوف للجهد (KVL)
الفرع والحلقة – הגדרת המושגים ענף וחוג במעגל חשמלי:
| العدد | التفصيل | |
|---|---|---|
| العُقد | 2 | A و B |
| الفروع | 3 | الأيسر (E1 و R1) بتيار I1 ، الأوسط (R3) بتيار I3 ، الأيمن (E2 و R2) بتيار I2 |
| الحلقات | 3 | الحلقة 1 (اليسرى)، الحلقة 2 (اليمنى)، والحلقة الخارجية التي تمر في المصدرين وفي R1 و R2 |
تعليم قطبية الجهد على المقاومة وعلى المصدر – סימון מפלי מתח על נגד ומקור מתח:
لكي نكتب قانون الجهد علينا أن نعرف، في كل عنصر، أي طرف جهده أعلى (+) وأي طرف جهده أدنى (−) :
- على المقاومة: التيار يمر من الجهد الأعلى إلى الجهد الأدنى، ولذلك الطرف الذي يدخل منه التيار هو (+) والطرف الذي يخرج منه هو (−). مقدار هبوط الجهد حسب قانون أوم: U = I·R. القطبية تتعلق باتجاه التيار: إذا انعكس التيار انعكست القطبية.
- على المصدر: القطبية ثابتة ولا تتعلق باتجاه التيار. الخط الطويل في الرمز هو القطب الموجب.
- نرسم الجهد أيضا بواسطة سهم بجانب العنصر، ورأس السهم يتجه نحو الطرف ذي الجهد الأعلى (+).
قانون كيرخهوف للجهد – חישוב מתחים באמצעות חוק המתחים של קירכהוף:
إذا تسلّقنا جبلا ثم عدنا إلى نقطة البداية، فإن مجموع ما صعدناه يساوي مجموع ما نزلناه. هكذا أيضا الجهد: إذا درنا حول حلقة وعدنا إلى نقطة البداية نعود إلى نفس الجهد.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| Σ U | المجموع الجبري لجميع الجهود في الحلقة | [V] |
| Σ E | المجموع الجبري لجهود المصادر في الحلقة | [V] |
| Σ I·R | مجموع هبوطات الجهد على مقاومات الحلقة | [V] |
- نعلّم اتجاه التيار في كل فرع، ونعلّم القطبية (+) و (−) على كل عنصر.
- نختار اتجاها للدوران حول الحلقة. في هذا الكتاب ندور دائما مع اتجاه عقارب الساعة، ونبدأ من القطب السالب للمصدر.
- نمرّ على العناصر واحدا بعد الآخر. إذا عبرنا العنصر من (−) إلى (+) فهذا ارتفاع في الجهد ونكتبه بإشارة (+). إذا عبرناه من (+) إلى (−) فهذا هبوط في الجهد ونكتبه بإشارة (−).
- نساوي المجموع بصفر.
من هذا الاتفاق ينتج: مقاومة نعبرها مع اتجاه التيار نكتبها −I·R ، ومقاومة نعبرها بعكس اتجاه التيار نكتبها +I·R. مصدر نعبره من قطبه السالب إلى قطبه الموجب نكتبه +E ، وبالعكس −E.
التيار يخرج من القطب الموجب للمصدر ويدور مع اتجاه عقارب الساعة، وحسبه عُلّمت القطبية على المقاومات. ندور مع اتجاه عقارب الساعة ونبدأ من القطب السالب للمصدر: المصدر نعبره من (−) إلى (+) ، وكل مقاومة نعبرها من (+) إلى (−).
مجموع هبوطات الجهد 6 + 10 + 8 = 24 V يساوي فعلا جهد المصدر.
أ. التيار في الحلقة.
ب. هبوط الجهد على كل مقاومة.
أ. في الحلقة فرع واحد، ولذلك يمر نفس التيار I في جميع العناصر. نكتب قانون كيرخهوف للجهد، ونعوّض هبوط الجهد على كل مقاومة حسب قانون أوم:
ب. حسب قانون أوم:
فحص: 4 + 8 = 12 V.
نفرض أن التيار يدور مع اتجاه عقارب الساعة. ندور في نفس الاتجاه: المصدر E1 نعبره من (−) إلى (+) ، المقاومتان نعبرهما مع اتجاه التيار، والمصدر E2 نعبره من (+) إلى (−).
النتيجة موجبة، ولذلك اتجاه التيار الذي فرضناه صحيح. المصدران مربوطان بعكس الاتجاه، ولذلك يُطرح جهداهما، كما تعلّمنا في الفصل 1.
استعمال القانونين معا – שימוש בשני החוקים יחד:
أ. التيار I3.
ب. التيار I2.
ج. جهد المصدر E2.
أ. قانون كيرخهوف للجهد في الحلقة 1. نبدأ من القطب السالب للمصدر E1 : نعبر المصدر من (−) إلى (+) ، ثم R1 و R3 مع اتجاه التيار:
ب. قانون كيرخهوف للتيار في العُقدة A : يدخل إليها I1 و I2 ويخرج منها I3.
ج. قانون كيرخهوف للجهد في الحلقة 2. نبدأ من العُقدة B وندور مع اتجاه عقارب الساعة: نعبر R3 من الأسفل إلى الأعلى، أي بعكس اتجاه I3 ؛ ثم نعبر R2 من اليسار إلى اليمين، أي بعكس اتجاه I2 ؛ ثم نعبر المصدر E2 من (+) إلى (−) :
فحص في الحلقة الخارجية: +E1 − I1·R1 + I2·R2 − E2 = 20 − 4 + 2 − 18 = 0.
أ. ما هو الجهد UAB بين العُقدتين؟
ب. ما هو هبوط الجهد على R1 وعلى R2؟
ملخّص قوانين الفصل:
| القانون | الصيغة |
|---|---|
| قانون كيرخهوف للتيار | Σ Iin = Σ Iout |
| قانون كيرخهوف للتيار، الصيغة الجبرية | Σ I = 0 |
| قانون كيرخهوف للجهد | Σ U = 0 |
| قانون كيرخهوف للجهد، صيغة أخرى | Σ E = Σ I·R |
| هبوط الجهد على مقاومة | U = I·R |
قاموس المصطلحات – מילון מונחים:
| بالعربية | بالعبرية (كما تظهر في الامتحان) | English |
|---|---|---|
| قوانين كيرخهوف | חוקי קירכהוף | Kirchhoff's laws |
| قانون كيرخهوف للتيار | חוק הזרמים של קירכהוף | KCL |
| قانون كيرخهوف للجهد | חוק המתחים של קירכהוף | KVL |
| عُقدة – نقطة تفرّع | צומת | Node |
| فرع | ענף | Branch |
| حلقة | חוג | Loop |
| تيار داخل | זרם נכנס | Entering current |
| تيار خارج | זרם יוצא | Leaving current |
| المجموع الجبري | סכום אלגברי | Algebraic sum |
| هبوط الجهد | מפל מתח | Voltage drop |
| ارتفاع الجهد | עליית מתח | Voltage rise |
| القطبية | קוטביות | Polarity |
| مع اتجاه عقارب الساعة | עם כיוון השעון | Clockwise |
| حلقة مغلقة | חוג סגור | Closed loop |
أسئلة للتمرين:
أ. نحسب التيار في الحلقة.
ب. نحسب هبوط الجهد على كل مقاومة ونفحص حسب قانون كيرخهوف للجهد.
أ. نحسب هبوط الجهد على R1.
ب. نحسب هبوط الجهد على R2.
ج. نحسب R2.
أ. نحسب التيار في الحلقة.
ب. نحسب هبوط الجهد على كل مقاومة.
أ. كم عُقدة، كم فرعا وكم حلقة في الدائرة؟
ب. نكتب قانون كيرخهوف للتيار للعُقدة A.
ج. نكتب قانون كيرخهوف للجهد للحلقة 1 وللحلقة 2.
أ. I3.
ب. I2.
ج. E2.
שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 4
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| البند أ | المقاومة المكافئة والتيّار | RT = 70 Ω ; I = 0.5 A |
| البند ب | القدرة على R₂ | P(R₂) = 5.75 W |
| البند ج | الجهد بين A وB | UAB = 5 V |
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| البند أ | قراءة مقياس التيّار عندما يكون المفتاح S مفتوحًا | I = 3 A |
| البند ب | الجهد بين النقطتين A وB (عندما S مفتوح) | في الحل الكامل |
| البند ج | القدرة على R₂ عند إغلاق المفتاح S | P(R₂) = 10.125 W |
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| البند أ | حساب التيّارين I₁ وI₂ | I₁ = 0.25 A ; I₂ = 0.15 A |
| البند ب | الجهد على المقاوم R₃ | UR3 = 18 V |
| البند ج | القدرة المتولّدة في المقاوم R₄ | PR4 = 1.8 W |