الدائرة الكهربائية على التوازي
في البيت نشغّل المصباح، الثلاجة والغسالة من نفس الشبكة، وكل جهاز يعمل بشكل مستقل عن الأجهزة الأخرى. هذا ممكن لأن الأجهزة مربوطة على التوازي. في هذا الفصل نتعرف على خصائص الربط على التوازي: جهد واحد مشترك، تيار يتوزع بين الفروع، ومقاومة مكافئة أصغر من كل واحدة من المقاومات. نعتمد في الفصل على قانون أوم وعلى قانون كيرخهوف للتيار اللذين تعلمناهما في الفصلين السابقين.
- الجهد على جميع المقاومات المربوطة على التوازي متساوٍ.
- التيار الكلي يساوي مجموع تيارات الفروع، ونحسب تيار كل فرع حسب قانون أوم.
- نحسب المقاومة المكافئة على التوازي حسب 1RT = 1R1 + 1R2 + 1R3 ، وهي دائما أصغر من أصغر مقاومة.
- نشرح لماذا تُربط الأحمال في البيت وفي المصنع على التوازي.
- نستخدم القوانين المختصرة للحالات الخاصة: مقاومات متساوية، ومقاومتان فقط.
- نستخدم قاعدة مُجزِّء التيار لحساب تيار كل فرع من التيار الكلي مباشرة.
מתח וזרמים במעגל, התנגדות שקולה במקביל – الجهد والتيارات والمقاومة المكافئة على التوازي (Parallel Circuit)
ما هو الربط على التوازي؟ – חיבור נגדים במקביל:
في المخطط كل مقاومة مربوطة مباشرة بين العُقدة A والعُقدة B. للتيار الخارج من المصدر عدة مسارات، وكل مسار يسمى فرعا. عدد الفروع يساوي عدد المقاومات المربوطة على التوازي.
الجهد في الدائرة على التوازي – המתח במעגל מקבילי:
جميع المقاومات مربوطة بين نفس العُقدتين، ولذلك فإن فرق الجهد عليها هو نفس فرق الجهد UAB. إذا كانت المقاومات مربوطة مباشرة بالمصدر فإن الجهد على كل واحدة منها يساوي جهد المصدر.
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| U | جهد المصدر (الجهد بين العُقدتين) | [V] |
| Un | الجهد على المقاومة Rn | [V] |
التيارات في الدائرة على التوازي – הזרמים במעגל מקבילי:
التيار الكلي IT يخرج من المصدر ويصل إلى العُقدة A ، وهناك يتوزع بين الفروع. في العُقدة B تتجمع تيارات الفروع من جديد وتعود إلى المصدر. حسب قانون كيرخهوف للتيار، مجموع التيارات الداخلة إلى العُقدة يساوي مجموع التيارات الخارجة منها:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| IT | التيار الكلي الذي يزوّده المصدر | [A] |
| I1 | تيار الفرع الأول (وهكذا لكل فرع، حسب قانون أوم) | [A] |
| U | الجهد المشترك على الفروع | [V] |
| R1 | مقاومة الفرع | [Ω] |
الجهد على كل مقاومة يساوي جهد المصدر: U1 = U2 = U3 = 12 V. نحسب تيار كل فرع حسب قانون أوم:
التيار الكلي هو مجموع تيارات الفروع:
المقاومة المكافئة على التوازي – התנגדות שקולה במקביל:
نجد قانون المقاومة المكافئة من قانون التيارات. نعوّض في كل تيار حسب قانون أوم، ثم نقسم الطرفين على U:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| RT | المقاومة المكافئة (الكلية) | [Ω] |
| Rn | كل واحدة من المقاومات المربوطة على التوازي | [Ω] |
| GT | المواصلة الكلية، GT = 1RT | [S] |
| Gn | مواصلة كل فرع، Gn = 1Rn | [S] |
نحسب المقاومة المكافئة للدائرة في المثال السابق (4 Ω ، 6 Ω ، 12 Ω). نعوّض في القانون ونوحّد المقامات:
النتيجة 2 Ω أصغر من أصغر مقاومة (4 Ω)، كما يجب. نفحص بواسطة قانون أوم للدائرة كلها: IT = URT = 122 = 6 A ، وهو نفس التيار الكلي الذي حسبناه بجمع تيارات الفروع.
أ. المقاومة المكافئة.
ب. التيار الكلي.
ج. تيار كل فرع.
أ. جميع المقاومات بالكيلو أوم، ولذلك نحسب بوحدة [kΩ] مباشرة:
ب. عندما نقسم فولت على كيلو أوم نحصل على ميلي أمبير:
ج. الجهد على كل فرع هو 24 V:
فحص: I1 + I2 + I3 = 12 + 8 + 4 = 24 mA ، وهذا يساوي IT.
أ. تيار كل فرع.
ب. التيار الكلي.
ج. المقاومة المكافئة.
لماذا نربط الأحمال على التوازي؟ – חיבור עומסים במקביל והצורך בו:
الحِمل (עומס / צרכן) هو كل جهاز يستهلك طاقة كهربائية: مصباح، سخان، محرك. في شبكة الكهرباء في البيت، في السيارة وفي المصنع تُربط الأحمال على التوازي، وذلك لعدة أسباب:
- كل حِمل يحصل على جهد المصدر كاملا. الأجهزة تُصنع لتعمل بجهد محدد، مثل 230 V في البيت أو 12 V في السيارة.
- كل حِمل يعمل بشكل مستقل. يمكن تشغيل جهاز أو إطفاؤه بمفتاح خاص به، بدون أن تتأثر الأجهزة الأخرى.
- عطل في حِمل واحد لا يوقف الأحمال الأخرى. إذا احترق مصباح واحد يصبح فرعه مفتوحا، وتستمر باقي الفروع في العمل.
- تيار كل حِمل يتعلق بمقاومته فقط، ولا يتعلق بعدد الأحمال الأخرى أو بنوعها.
أ. نحسب تيار كل حِمل والتيار الكلي. ب. ماذا يحدث إذا أضفنا على التوازي مدفأة ثانية مقاومتها 46 Ω؟
أ. كل حِمل يحصل على 230 V:
التيار الكلي أصغر من 16 A ، ولذلك لا ينقطع المُنصهِر.
ب. المدفأة الثانية تضيف فرعا رابعا، وتياره مثل تيار المدفأة الأولى. تيارات الأحمال الأخرى لا تتغير:
الآن التيار الكلي أكبر من 16 A ، ولذلك ينقطع المُنصهِر ويفصل الدائرة كلها.
أ. المفتاحان مفتوحان.
ب. S2 مغلق و S3 مفتوح.
ج. المفتاحان مغلقان.
في فرع مفتاحه مفتوح لا يمر تيار. في فرع مفتاحه مغلق يمر التيار حسب قانون أوم، بدون علاقة بالفروع الأخرى:
| الحالة | I1 | I2 | I3 | IT |
|---|---|---|---|---|
| أ. المفتاحان مفتوحان | 2 A | 0 | 0 | 2 A |
| ب. S2 مغلق فقط | 2 A | 3 A | 0 | 5 A |
| ج. المفتاحان مغلقان | 2 A | 3 A | 1 A | 6 A |
نلاحظ أن I1 لا يتغير أبدا: الجهد على R1 يبقى 24 V في جميع الحالات.
أ. ما هو التيار الكلي؟
ب. احترق أحد المصابيح. ما هو التيار الكلي الآن، وهل تغيّرت إضاءة المصابيح الأخرى؟
מקרים פרטיים של מעגלים מקביליים – حالات خاصة في الدوائر على التوازي (Special Cases)
القانون العام يصلح لكل دائرة على التوازي. في حالتين شائعتين يمكن اختصاره إلى قانون أسهل وأسرع.
أ. دائرة على التوازي فيها مقاومات متساوية – מעגל מקבילי עם נגדים שווים:
إذا رُبطت على التوازي n مقاومات، قيمة كل واحدة منها R ، نحصل من القانون العام على:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| RT | المقاومة المكافئة | [Ω] |
| R | قيمة كل واحدة من المقاومات المتساوية | [Ω] |
| n | عدد المقاومات | — |
| I1 | تيار كل فرع (التيار يتوزع بالتساوي) | [A] |
مثلا، خمس مقاومات متساوية، قيمة كل واحدة منها 60 Ω ، مربوطة على التوازي بمصدر جهده 12 V: المقاومة المكافئة RT = 605 = 12 Ω ، التيار الكلي IT = 1212 = 1 A ، وتيار كل فرع I1 = 15 = 0.2 A. فحص حسب قانون أوم: 1260 = 0.2 A.
ب. كم مقاومة قيمتها 120 Ω يجب أن نربط على التوازي من أجل الحصول على مقاومة مكافئة قيمتها 15 Ω؟
ب. دائرة على التوازي فيها مقاومتان – מעגל מקבילי עם שני נגדים:
هذه هي الحالة الأكثر انتشارا. نوحّد المقامات في القانون العام ثم نقلب الكسر:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| RT | المقاومة المكافئة للمقاومتين | [Ω] |
| R1 , R2 | المقاومتان المربوطتان على التوازي | [Ω] |
أ. 6 Ω على التوازي مع 3 Ω.
ب. 30 Ω على التوازي مع 20 Ω.
أ. نعوّض في القانون:
ب. بنفس الطريقة:
في الحالتين النتيجة أصغر من المقاومة الصغرى.
مثلا، للمقاومات 4 Ω ، 6 Ω ، 12 Ω من المثال الأول: 4 Ω ∥ 6 Ω = 2.4 Ω ، ثم 2.4 Ω ∥ 12 Ω = 2 Ω ، وهي نفس النتيجة التي حصلنا عليها بالقانون العام.
أ. 12 Ω ∥ 4 Ω.
ب. 1 kΩ ∥ 4 kΩ.
ج. 100 Ω ∥ 100 Ω.
د. 10 Ω ∥ 15 Ω ∥ 30 Ω.
قاعدة مُجزِّء التيار – כלל מחלק הזרם:
كثيرا ما نعرف التيار الكلي الداخل إلى مقاومتين على التوازي، ونريد أن نعرف كم منه يمر في كل مقاومة. يمكن حساب ذلك مباشرة، بدون حساب الجهد. نحسب الجهد المشترك بواسطة المقاومة المكافئة، ثم نقسمه على R1:
| الرمز | المعنى | وحدة القياس |
|---|---|---|
| IT | التيار الكلي الداخل إلى المقاومتين | [A] |
| I1 | التيار في المقاومة R1 | [A] |
| I2 | التيار في المقاومة R2 | [A] |
| R1 , R2 | المقاومتان المربوطتان على التوازي | [Ω] |
فحص: I1 + I2 = 3 + 2 = 5 A. وكذلك الجهد متساوٍ على المقاومتين: 3·20 = 2·30 = 60 V.
إذا كان عدد المقاومات أكبر من اثنتين نستخدم الصيغة العامة لمُجزِّء التيار، وهي تنتج من نفس الطريقة:
مثلا، إذا دخل تيار كلي 9 A إلى المقاومات 4 Ω ، 6 Ω ، 12 Ω المربوطة على التوازي (RT = 2 Ω) فإن التيار في المقاومة 6 Ω هو 9·26 = 3 A.
التيار الذي يجب أن يمر في المقاومة Rsh حسب قانون كيرخهوف للتيار:
الجهد على المقياس وعلى Rsh متساوٍ، لأنهما على التوازي:
هكذا يمر في المقياس عُشر التيار الكلي فقط، ويمر الباقي في المقاومة الموازية. بهذه الطريقة نوسّع مجال قياس الأمبيرمتر.
ملخّص قوانين الفصل:
| القانون | الصيغة |
|---|---|
| الجهد على التوازي | U = U1 = U2 = U3 |
| التيار الكلي | IT = I1 + I2 + I3 |
| المقاومة المكافئة على التوازي | 1RT = 1R1 + 1R2 + 1R3 |
| المواصلة الكلية | GT = G1 + G2 + G3 |
| n مقاومات متساوية | RT = Rn |
| مقاومتان على التوازي | RT = R1·R2R1 + R2 |
| مُجزِّء التيار | I1 = IT·R2R1 + R2 |
| مُجزِّء التيار — الصيغة العامة | In = IT·RTRn |
قاموس المصطلحات – מילון מונחים:
| بالعربية | بالعبرية (كما تظهر في الامتحان) | English |
|---|---|---|
| الربط على التوازي | חיבור במקביל | Parallel connection |
| دائرة على التوازي | מעגל מקבילי | Parallel circuit |
| عُقدة | צומת | Node |
| فرع | ענף | Branch |
| المقاومة المكافئة (الكلية) | התנגדות שקולה | Equivalent resistance |
| المواصلة | מוליכות | Conductance |
| التيار الكلي | הזרם הכללי | Total current |
| تيار الفرع | זרם הענף | Branch current |
| حِمل | עומס / צרכן | Load |
| تحميل زائد | עומס יתר | Overload |
| مقاومات متساوية | נגדים שווים | Equal resistors |
| حاصل الضرب على المجموع | מכפלה חלקי סכום | Product over sum |
| مُجزِّء التيار | מחלק זרם | Current divider |
أسئلة للتمرين:
أ. تيار كل فرع.
ب. التيار الكلي.
ج. المقاومة المكافئة.
أ. المقاومة المكافئة.
ب. التيار الكلي.
ج. تيار كل فرع.
أ. 40 Ω ∥ 60 Ω.
ب. 9 Ω ∥ 18 Ω.
ج. 2.2 kΩ ∥ 2.2 kΩ.
د. 20 Ω ∥ 30 Ω ∥ 12 Ω.
أ. ما هي قيمة كل مقاومة؟
ب. ما هو تيار كل فرع إذا كان التيار الكلي 3 A؟
أ. التيار في R1.
ب. التيار في R2.
ج. قيمة R2.
أ. المقاومة المكافئة.
ب. الجهد على المقاومتين.
ج. التيار في كل مقاومة.
أ. نحسب التيار الكلي.
ب. أطفأنا مصباحين. نحسب التيار الكلي الجديد.
ج. هل تغيّر التيار في المصباحين الباقيين؟
أ. جهد المصدر.
ب. التيار في R2.
ج. التيار في R3 وقيمة R3.
أ. نحسب التيار الكلي.
ب. هل يمكن إضافة غلّاية مقاومتها 46 Ω بدون أن ينقطع المُنصهِر؟
שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 5
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| البند أ | المقاومة المكافئة | RT = 19.2 Ω |
| البند ب | القدرة الكلّيّة | PT = 120 W |
| البند ج | قراءات مقياسَي التيّار | A₁ = 1.7 A ; A₂ = 0.5 A |
| البند | المطلوب | الإجابة النهائية |
|---|---|---|
| البند أ | جهد المصدر E | E = 220 V |
| البند ب | التيّاران I₂ وI₃ | I₂ = 5.5 A ; I₃ = 2 A |
| البند ج | مقاومة المقاوم R₃ | R₃ = 110 Ω |
| البند د | قراءة مقياس التيّار | I = 11.9 A |