الفيزياء3

‫فيـزياء ‪3‬‬

‫التعليم الثانوي (نظام املقررات)‬ ‫م�سار العلـوم الطبيعية‬

‫رقم الإيداع ‪1427 / 3778 :‬‬ ‫ردمــك ‪ 6 :‬ـ ‪ 228‬ـ ‪ 48‬ـ ‪9960‬‬

‫الطبعة الثانية ‪1431‬هـ ــ ‪1432‬هـ ‪ 2010/‬ـ ‪2011‬م‬

‫الطبعة الثانية‬ ‫‪ 1431‬ـــ ‪1432‬هــ‪ 2010/‬ـــ ‪2011‬م‬

‫فـيـزيــــاء (‪)3‬‬ ‫)‪Physics (3‬‬ ‫(الكهرومغناطيسية والفيزياء احلديثة)‬

‫التعليم الثانوي (نظام املقررات)‬ ‫مسار العلوم الطبيعية‬ ‫�أ‪.‬دالل عب ��د الق ��ادر مخل� ��ص‬ ‫�أ‪.‬لمي ��اء �أحم ��د محم ��د وزة‬

‫�أ‪.‬ربــ ��ى حــ�س� �ــن ح�س ��ونـــة‬ ‫�أ‪.‬بدري ��ة محم ��د فالت ��ة‬

‫�أ‪.‬عبد العزيز بن �إبراهيم الري�س‬ ‫د‪.‬عمر بن مرزوق الدو�س ��ري‬ ‫�أ‪.‬عبد اهلل ب ��ن فهد الحنو�ش‬

‫الطبعة الثانية‬ ‫‪1432 - 1431‬هـ‬ ‫‪ 2011 - 2010‬م‬

‫ح‬

‫وزارة التربية والتعليم‪1427 ،‬هـ‬ ‫فهرسة مكتبة امللك فهد الوطنية أثناء النشر‬ ‫وزارة التربية والتعليم‬ ‫العلوم التجريبية (التعليم الثانوي) ‪ -‬الرياض ‪1427‬هـ‬ ‫‪ 188‬ص ‪ 27 x 21‬سم‬ ‫ردمك‪9960 - 48 - 228 - 6 :‬‬ ‫‪ -1‬الفيزياء ‪ -‬كتب دراسية ‪ -2 -‬التعليم الثانوي ـ السعودية‬ ‫ كتب دراسية أ‪ .‬العنوان‬‫‪1427 /3778‬‬ ‫ديوي ‪ 530.0712‬‬ ‫رقم اإليداع ‪1427 / 3778 :‬‬ ‫ردمك ‪9960 - 48 - 228 - 6 :‬‬

‫لهذا الكتاب قيمة مهمة وفائدة كبيرة فحافظ عليه واجعل نظافته تشهد على حسن سلوكك معه‪.‬‬ ‫إذا لم حتتفظ بهذا الكتاب في مكتبتك اخلاصة في آخر العام لالستفادة فاجعل مكتبة مدرستك حتتفظ به‪.‬‬ ‫حقوق الطبع والنشر محفوظة لوزارة التربية والتعليم‪ -‬اململكة العربية السعودية‬

‫�أ�شرف على الت�أليف والتطوير‬

‫الإدارة العامة للمناهج‬

‫موقع‬

‫وزارة التربية والتعليم‬ ‫‪www.moe.gov.sa‬‬

‫موقع البوابة التعليمية للتخطيط والتطوير‬

‫‪http://www.ed.edu.sa‬‬ ‫موقع‬

‫إدارة التعليم الثانوي‬ ‫‪www.hs.gov.sa‬‬

‫البريد اإللكتروني إلدارة التعليم الثانوي‬

‫‪secondary-education@moe.gov.sa‬‬

‫إن احلمد هلل نحمده ونستعينه ونستهديه ونسترشده‪ .‬والصالة والسالم على خامت األنبياء واملرسلني محمد‬ ‫وصحبه ومن سار على نهجه إلى يوم الدين‪.‬‬ ‫أخي املعلم‪ /‬أختي املعلمة‬ ‫إن الغاية من تدريس العلوم عامة والفيزياء خاصة ليست حتصيل املعرفة العلمية فحسب‪ ،‬بل تتعدى ذلك إلى‬ ‫تطوير إمكانات املتعلم باجتاه جديد‪ ،‬ينطلق من ضرورة توظيف هذا العلم في حياة الفرد واملجتمع‪ .‬والفيزياء في‬ ‫األساس علم جتريبي يقوم على املالحظة املوجهة‪ ،‬والقياس الدقيق الستنباط القوانني والوصول إلى النظريات الشاملة‬ ‫التي تساعدنا على فهم الظواهر الطبيعية‪ ،‬ولذلك فقد وضعنا عدداً مناسب ًا من النشاطات العلمية البسيطة وبعض‬ ‫التجارب املخبرية النظامية لتكون خلفية يستمد منها الطالب* اختباراتهم الذاتية التي تنطلق منها إلى دراسة‬ ‫املوضوع دراسة نظرية متكاملة‪.‬‬ ‫فنحث املعلمني واملعلمات على االهتمام بهذا االجتاه التربوي في تعليم الفيزياء‪ ،‬وإفساح املجال أمام الطالب‬ ‫(*) معنى كلمة طالب‪ :‬البنني والبنات‪.‬‬

‫الكتساب أكبر قسط ممكن من أساليب التقومي املتنوعة التي تنمي املهارات العلمية‪ ،‬باإلضافة إلى املعرفة‬ ‫النظرية‪ .‬وفي اعتقادنا أن هذا املنهج التعليمي ُي َس ِّهل مهمة املعلمني واملعلمات إلى املدى البعيد‪ ،‬وقد مت‬ ‫متييز النشاطات والتجارب عند الطباعة عن العرض النظري‪ ،‬وذلك تسهي ً‬ ‫ال ملتابعة املادة وتدريسها كما أننا‬ ‫أدخلنا بعض األسئلة التي تثير تفكير الطالب خالل عرض املوضوعات واألنشطة لتشويقهم لفهم املوضوع‪،‬‬ ‫ومساعدتهم على االكتشاف وتنمية حب البحث واالطالع لديهم‪ ،‬وفي هذا الصدد نؤكد على اإلخوة‬ ‫املعلمني واملعلمات إفساح املجال للطالب للتفاعل داخل الصف وحل األنشطة والتمارين واالستكشاف‪،‬‬ ‫وليس حتويل املقرر إلى كم معرفي أصم‪ ،‬إذ ليس بالضرورة تقدمي كل ما في املقرر للطالب في الصف فقد‬ ‫تترك بعض املوضوعات؛ ليتعلمها الطالب بأنفسهم حتقيق ًا ملبدأ التعلم الذاتي‪ .‬وقد أخذ بعني االعتبار عند‬ ‫تعديل فصول املقرر توصيات املنظمة العربية للتربية والثقافة والعلوم واالطالع على مقررات مماثلة لبعض‬ ‫الدول العربية واألجنبية والرجوع إلى الكثير من من املصادر املتنوعة‪.‬‬ ‫ويدرس هذا الكتاب في فصل دراسي واحد بواقع خمس حصص أسبوعياً‪ .‬وهو الكتاب الثالث في‬ ‫بناء على آراء العاملني في امليدان التربوي) ضمن سلسلة كتب‬ ‫نسخته التجريبية (وهي قابلة للتعديل ً‬ ‫الفيزياء األربعة في التعليم الثانوي (نظام املقررات)‪ ،‬ويحتوي على سبعة فصول‪ ،‬وهي كاآلتي‪:‬‬ ‫ الفصل األول‪ :‬الكهرباء الساكنة‪.‬‬‫ الفصل الثاني‪ :‬املكثف الكهربائي‪.‬‬‫ الفصل الثالث‪ :‬الكهرباء املتحركة‪.‬‬‫ الفصل الرابع‪ :‬املغناطيسية‪.‬‬‫ الفصل اخلامس‪ :‬املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬‫ الفصل السادس‪ :‬الفيزياء الذرية‪.‬‬‫ الفصل السابع‪ :‬الفيزياء النووية‪.‬‬‫نأمل أن يؤدي هذا الكتاب الغرض املنشود من دراسته‪ .‬ولنا الثقة الكاملة أن يعمل املعلمون واملعلمات‬ ‫على تبصير الطلبة باحلقائق الفيزيائية الكامنة خلف التطبيقات العملية وتدريبهم على استخدام األجهزة‬ ‫العلمية استخدام ًا صحيحاً‪ ،‬مع املالحظة الدقيقة في مختلف جوانب احلياة التي تقع في متناول حواسهم؛‬ ‫إلكسابهم مهارة البحث العلمي التي تضيف في كل يوم رؤية جديدة وإدراك ًا أشمل للمعرفة البشرية‬ ‫ليلتقي كل ذاك املعنى العظيم عند الوحدة القائمة في الكون‪.‬‬ ‫وصدق اهلل عز وجل القائل‪:‬‬ ‫واهلل ولي التوفيق‪،،،‬‬ ‫أعضاء جلنة التعديل واملراجعة‬ ‫‪5‬‬

‫هذا وقد تضمن حواشي الكتاب بعض التعليقات اجلانبية الشيقة لزيادة الفضول العلمي حتت عدد من‬ ‫املوضوعات اجلانبية مثل‪:‬‬ ‫الرمز‬

‫‪6‬‬

‫الفقرة‬

‫مدلوالتها‬

‫قانون‬

‫عندما تراه ‪-‬عزيزي الطالب*‪ -‬فالبد أن تعرف أنك اآلن‬ ‫أمام إحدى قوانني مادة الفيزياء‪.‬‬

‫تعريف‬

‫عندما تراه ‪-‬عزيزي الطالب‪ -‬فالبد أن متسك قلمك ألنك‬ ‫أمام إحدى تعريفات مادة الفيزياء‪.‬‬

‫زيارة ميدانية‬

‫هنا يقوم الطالب بزيارة مكان ليثري به معرفته‪.‬‬

‫سؤال‬

‫ليتم‬ ‫أسئلة ذات عالقة مبوضوع الدرس؛ وتحُ َّل للطالب؛ َّ‬ ‫تدريبه على أمناط األسئلة املختلفة‪.‬‬

‫للتأمل‬

‫هي عبارة عن مواقف‪ ،‬و ُيترك للطالب أن يسبح بخياله‬ ‫ليتأمل بعض املواقف‪ ،‬التي قد حتدث في حياتنا اليومية‬ ‫والتي لها عالقة مبوضوع الدرس‪.‬‬

‫ِّ‬ ‫لالطالع فقط‬

‫هي عبارة عن معلومة للطالب‪ ،‬نريد من خاللها لفت نظر‬ ‫الطالب إليها لالطالع عليها‪.‬‬

‫قضية للمناقشة‬

‫هي عبارة عن موضوع معني‪ ،‬وهو ذو أهمية؛ نريد جذب‬ ‫انتباه الطالب إليها ليسلط الضوء عليها‪.‬‬

‫(*) تعني كلمة الطالب للبنني والبنات‪.‬‬

‫الرمز‬

‫الفقرة‬

‫مدلوالتها‬

‫مثال‬

‫أمثلة توضح للطالب طرق حل األسئلة‪ ،‬حيث إنها ُمجابة‪،‬‬ ‫يستطيع من خاللها أن يطلع على طرق حل األسئلة‬ ‫املطروحة‪..‬‬

‫ابحث في‬ ‫مكتبتك‬

‫نشجع هنا الطالب على عقد للصلة بني التعلم بالقراءة‬ ‫والرجوع للمكتبة في األمور الدراسية لزيادة معلوماته في‬ ‫جانب معني‪.‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫هي مفتاح ذهني الستكشاف العالقة الرياضية‪.‬‬

‫مترين‬

‫أسئلة تؤهل الطالب على جو االمتحانات‪ ،‬حيث إنها غير‬ ‫ُمجابة‪ ،‬يستطيع من خاللها أن يق ِّيم نفسه تقييم ًا ذاتياً‪.‬‬

‫تطبيق‬

‫أسئلة لها عالقة مبوضوع الدرس ويتم طرحها على الطالب‬ ‫لم ًا بكافة‬ ‫بعد دراسة جزء محدد من الدرس ليصبح ُم َّ‬ ‫نواحي الدرس‪.‬‬

‫مالحظة مهمة‬

‫نريد هنا لفت نظر الطالب ملوضوع بعينه ذي أهمية وصلة‬ ‫مبوضوع الدرس‪.‬‬

‫سؤال للتفكير‬ ‫مشاكلة حتتاج‬ ‫حلل مواقف‬ ‫تفكر فيها‬

‫وهي تلك التساؤالت التي تسهم في تنمية مهارات‬ ‫التفكير لدى املتعلمني‪ ،‬وترتبط ارتباط ًا وثيق ًا مبوضوع‬ ‫الدرس ويطالب بها في عمليات التقومي املختلفة‪.‬‬

‫ملعلوماتك‬

‫هي معلومات مرتطبة مبوضوع الدراسة؛ فالغرض منها‬ ‫توسيع مدارك الطالب وزيادة وإثراء احلصيلة العلمية له‪.‬‬ ‫‪7‬‬

‫الجزء األول ‪Part One‬‬

‫الكهرومغناطيسية ‪Electromagnetism‬‬ ‫الفصل األول‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪37 - 13‬‬

‫الفصل الثاني‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪52 - 39‬‬

‫الكهرباء الساكنة‬ ‫‪Electrostatic‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫الطاقة الكهربائية ‪14 ................................‬‬ ‫الكهرباء الساكنة ‪15 .................................‬‬ ‫أنواع التكهرب ‪15 ....................................‬‬ ‫التكهرب بالدلك ‪16 ..................................‬‬ ‫التكهرب بالتأثير ‪17 .................................‬‬ ‫التكهرب باللمس ‪18 .................................‬‬ ‫قانون كولوم ‪18 ......................................‬‬ ‫املجال الكهربائي ‪21 .................................‬‬ ‫حركة الشحنة في مجال كهربائي منتظم ‪26 ........‬‬ ‫طاقة الوضع الكهربائية ‪27 .........................‬‬ ‫فرق اجلهد الكهربائي ‪28 ............................‬‬ ‫العالقة بني فرق اجلهد وشدة املجال الكهربائي ‪31 .....‬‬ ‫اجلهد الكهربائي لنقطة ‪32 .........................‬‬ ‫تساوي اجلهد على سطح موصل ‪34 ................‬‬ ‫أسئلة الفصل األول‪35 ..............................‬‬

‫املكثف الكهربائي‬ ‫‪Capacitor‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫‪ 11-9‬حصة‬

‫‪ 8-6‬حصص‬

‫السعة الكهربائية ملوصل ‪40 ........................‬‬ ‫املكثف الكهربائي ‪42 ................................‬‬ ‫العوامل املؤثرة لسعة املكثف ‪44 ....................‬‬ ‫تصميم املكثفات ‪44 .................................‬‬ ‫أنواع املكثفات ‪45 ....................................‬‬ ‫فوائد املكثفات ‪45 ..................................‬‬ ‫توصيل املكثفات ‪46 .................................‬‬ ‫الطاقة املخزنة في مكثف مشحون ‪49 ..............‬‬ ‫أسئلة الفصل ‪51 ....................................‬‬

‫الفصل الثالث‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪89 - 53‬‬

‫الفصل الرابع‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪126 - 91‬‬

‫الكهرباء املتحركة والدوائر‬ ‫‪Electric Current and Circuts‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫الكهرباء املتحركة ‪54 ................................‬‬ ‫التيار الكهربائي ‪55 .................................‬‬ ‫آثار التيار الكهربائي ‪57 ............................‬‬ ‫توليد الطاقة الكهربائية ‪58 .........................‬‬ ‫الدوائر الكهربائية ‪61 ...............................‬‬ ‫القوة احملركة الكهربائية ‪61 .........................‬‬ ‫املقاومة الكهربائية ‪62 ...............................‬‬ ‫املقاومة النوعية ‪65 ..................................‬‬ ‫حساب التكاليف ‪72 .................................‬‬ ‫قانون حفظ الشحنة والطاقة ‪73 ...................‬‬ ‫ربط املقاومات جتاه الدوائر الكهربائية ‪75 .........‬‬ ‫ربط املولدات ‪79 ....................................‬‬ ‫تبسيط الدوائر ‪80 ..................................‬‬ ‫قانون كرشوف ‪82 ..................................‬‬ ‫أسئلة الفصل ‪85 ....................................‬‬

‫امل ـغ ـن ــاط ـي ـس ـي ــة‬ ‫‪Magnetisim‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫‪ 15-13‬حصة‬

‫‪ 15-13‬حصة‬

‫أنواع املغانط ‪.....................................‬‬ ‫خواص املغناطيس ‪..............................‬‬ ‫أنواع التمغنط ‪....................................‬‬ ‫املجال املغناطيسي ‪...............................‬‬ ‫املجال املغناطيسي لبعض أشكال التيار ‪.........‬‬ ‫تأثير املجال املغناطيسي على التيار الكهربائي ‪..‬‬ ‫قانون لورنتز ‪...............................‬‬ ‫التدفق املغناطيسي ‪..............................‬‬ ‫احلث الكهرومغناطيسي ‪.........................‬‬ ‫قاعدة لنز ‪........................................‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪93‬‬ ‫‪94‬‬ ‫‪97‬‬ ‫‪100‬‬ ‫‪105‬‬ ‫‪107‬‬ ‫‪109‬‬ ‫‪111‬‬ ‫‪113‬‬

‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫الفصل الخامس‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪137 - 127‬‬

‫ظاهر احلث الذاتي ‪..............................‬‬ ‫أجهزة تعمل بظاهرة احلث الذاتي ‪...............‬‬ ‫املولد الكهربائي ‪..................................‬‬ ‫احملرك ‪...........................................‬‬ ‫احملول ‪............................................‬‬ ‫أسئلة الفصل ‪.....................................‬‬

‫املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫‪Electromagnetic waves‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫‪115‬‬ ‫‪117‬‬ ‫‪117‬‬ ‫‪118‬‬ ‫‪119‬‬ ‫‪122‬‬

‫‪ 7-5‬حصص‬

‫املوجات الكهرومغناطيسية ‪......................‬‬ ‫توليد املوجات ‪...................................‬‬ ‫خواص املوجات ‪..................................‬‬ ‫الدائرة املهتزة ‪..................................‬‬ ‫االتصاالت الالسلكية ‪............................‬‬ ‫تطبيقات املوجات الكهرومغناطيسية ‪............‬‬ ‫أسئلة الفصل ‪....................................‬‬

‫‪128‬‬ ‫‪129‬‬ ‫‪130‬‬ ‫‪131‬‬ ‫‪135‬‬ ‫‪135‬‬ ‫‪137‬‬

‫الجزء الثاني ‪Part Two‬‬

‫الفيزياء الحديثة ‪Modern Physics‬‬ ‫الفصل السادس‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪158 - 139‬‬

‫الفيزياء الذرية‬ ‫‪Atomic Physics‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫‪ 10-8‬حصص‬

‫الفيزياء الذرية ‪140 ....................................‬‬ ‫التأثير الكهروضوئي ‪140 ..............................‬‬ ‫منوذج بور لطيف ذرة الهيدروجني ‪144 ................‬‬ ‫األشعة السينية ‪150 ...................................‬‬ ‫الليزر وتطبيقاته ‪154 ..................................‬‬ ‫أسئلة الفصل ‪157 .....................................‬‬

‫الفصل السابع‬ ‫رقم الصفحة‬ ‫‪182 - 159‬‬

‫الفيزياء النووية‬ ‫‪Nuclear Physics‬‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬ ‫<‬

‫‪ 11-9‬حصة‬

‫ظاهرة النشاط اإلشعاعي ‪......................‬‬ ‫النظائر ‪..........................................‬‬ ‫العالقة بني الكتلة والطاقة ‪......................‬‬ ‫اإلشعاعات النووية ‪...............................‬‬ ‫اكتشاف النيوترون ‪................................‬‬ ‫قوانني النشاط اإلشعاعي ‪........................‬‬ ‫االنشطار النووي ‪.................................‬‬ ‫االندماج النووي ‪..................................‬‬ ‫املفاعل النووي ‪...................................‬‬ ‫تطبيقات النظائر املشعة ‪........................‬‬ ‫أسئلة الفصل السابع ‪............................‬‬ ‫املراجع ‪...........................................‬‬ ‫قائمة الثوابت الفيزيائية ‪.........................‬‬

‫‪160‬‬ ‫‪162‬‬ ‫‪163‬‬ ‫‪167‬‬ ‫‪171‬‬ ‫‪171‬‬ ‫‪174‬‬ ‫‪176‬‬ ‫‪177‬‬ ‫‪179‬‬ ‫‪180‬‬ ‫‪183‬‬ ‫‪185‬‬

‫اجلزء الأول‬ ‫الكهرومغناطي�سية‬ ‫‪Electromagnetism‬‬

‫‪12‬‬

‫الكهرباء الساكنة‬

‫‪Electrostatic‬‬

‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يعدد أنواع الشحنات الكهربائية‪.‬‬ ‫يجري جتربة توضح خاصية التجاذب والتنافر بني الشحنات‪.‬‬ ‫يحسب القوة الكهربائية بني الشحنات‪.‬‬ ‫يعرف املجال الكهربائي‪.‬‬ ‫يرسم خطوط املجال الكهربائي‪.‬‬

‫‪13‬‬

‫الطاقة الكهربائية ‪Electric Energy‬‬ ‫أهمية الكهرباء كبيرة في حياتنا اليومية‬

‫اذكر أهم استخدامات الكهرباء في مجاالت احلياة املختلفة‪.‬‬ ‫عدد مصادر التيار الكهربائي التي تستخدمها في حياتك اليومية لتشغيل األجهزة واألدوات في املنزل وفي‬ ‫الرحالت البرية‪.‬‬

‫هل تعرف سبب حدوث ظاهرة البرق؟‬ ‫تُعدّ الطاقة الكهربائية من أهم أنواع الطاقة املستخدمة على نطاق واسع في حياتنا اليومية والتي كان الكتشافها تأثير‬ ‫كبير في تغير أسلوب احلياة على كوكب األرض‪ ،‬وميكن احلصول بطرق متعددة على نوعني من الطاقة الكهربائية‬ ‫ال ثالث لهما وهما‪:‬‬ ‫أنواع الطاقة‬ ‫الكهربائية‬ ‫الكهرباء الساكنة‬

‫الكهرباء املتحركة‬

‫(االستاتيكية)‬

‫(التيارية)‬

‫‪ -1‬الكهرباء الساكنة (االستاتيكية)‪:‬‬

‫وهي الكهرباء التي تنتج عن تراكم الشحنات الكهربائية على األجسام (املعزولة)دون سريانها‪.‬‬

‫‪ -2‬الكهرباء املتحركة (التيارية )‬

‫وهي الكهرباء الناجتة عن سريان الشحنات الكهربائية خالل املوصالت مكونة ما يسمى بالتيار‬ ‫الكهربائي‪.‬‬ ‫وسوف ندرس ك ً‬ ‫ال من هذين النوعني بشيء من التفصيل‪.‬‬ ‫‪14‬‬

‫الكهرباء الساكنة ‪Static Electricity:‬‬ ‫هناك بعض الظواهر الطبيعية التي تالحظها يومي ًا والبد أن تبحث عن تفسيرها مثل ‪:‬‬ ‫‪ -1‬ظاهرة حدوث فرقعة منخفضة الصوت عند خلع املالبس الصوفية أو املصنوعة من األلياف الصناعية في األيام‬ ‫الباردة اجلافة مع مالحظة انطالق بعض الشرارات الكهربية إذا خلعت هذه املالبس في الظالم‪0‬‬ ‫‪ - 2‬سماع هذه الفرقعات الصوتية عند متشيط الشعر اجلاف بسرعة‪.‬‬ ‫‪ - 3‬حدوث رعشة في اجلسم نتيجة للتفريغ الكهربائي عند اإلمساك باملقابض املعدنية لألدوات‬ ‫بعد السير على سجادة صوفية‪.‬‬ ‫هل تعرف ظواهر أخرى مماثلة ملا سبق ؟‬ ‫مر بك في دراستك السابقة أن ظاهرة طبيعية تنتج من دلك قضيب الزجاج بقطعة من احلرير أو دلك قضيب‬ ‫من األبونيت بقطعة من الصوف ويصبح مبقدور هذه األجسام املدلوكة جذب أجسام خفيفة نحوها مثل قصاصات‬ ‫الورق أو قطع الفلني الصغيرة وقد أطلق على هذه الظاهرة اسم (التكهرب) وهي العملية التي يشحن بها جسم‬ ‫بشحنة كهربائية‪.‬‬ ‫والشحنة الكهربائية هي إحدى خصائص املادة شأنها في ذلك شأن الكتلة‪.‬‬

‫ما أنواع الشحنات الكهربائية؟‬

‫طرق احلصول على الكهرباء الساكنة‪:‬‬ ‫أشهر طرق احلصول‬ ‫على الكهرباء الساكنة‬

‫الدلك‬

‫التأثير (احلث)‬

‫اللمس‬

‫‪15‬‬

‫أوالً‪ :‬التكهرب بالدلك‬ ‫ن�شاط (‪ )1-1‬لتو�ضيح التكهرب بالدلك‬ ‫قرص معدني‬

‫‪ -1‬خذ ساق ًا من الزجاج وقربه من كرة نخاع البيلسان املعلقة‬ ‫ساق‬ ‫في حامل ‪.‬‬ ‫معدنية‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪...................................‬‬ ‫وعاء معدني‬ ‫‪ -2‬إدلك الساق بقطعة من احلرير اجلاف ثم قربها من كرة نخاع‬ ‫له واجهتان‬ ‫من الزجاج‬ ‫البيلسان‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪...................................‬‬ ‫‪ -3‬قرب قطعة احلرير التي دلكت بها الساق من كرة نخاع‬ ‫ورقتان من‬ ‫الذهب أو‬ ‫البيلسان‪.‬‬ ‫األلومنيوم‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪...................................‬‬ ‫‪ -3‬كرر اخلطوات السابقة باستخدام قضيب األبونيت وقطعة‬ ‫مم يتركب الكشاف الكهربائي؟‬ ‫الصوف بد ًال من قضيب الزجاج وقطعة احلرير‪.‬‬ ‫شكل (‪)1-1‬‬ ‫ماذا تستنتج؟‪....................................‬‬ ‫‪ -5‬قرب كال من قضيبي األبونيت والزجاج من قرص الكشاف الكهربائي٭ كما في الشكل (‪.)1-1‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪.............................................................‬‬

‫ملاذا يتنافر ساقا الزجاج املدلوكان باحلرير وساقا األبونيت املدلوكان بالصوف؟ بينما تنجذب ساق الزجاج‬ ‫املدلوك باحلرير إلى ساق األبوينت املدلوك بالصوف؟‬ ‫في ضوء النظرية الذرية احلديثة التي سبق لك دراستها في مادة الكيمياء فسر ما يأتي؟‬ ‫‪ -1‬اكتساب قضيب األبونيت املدلوك بالصوف شحنات سالبة والصوف شحنات موجبة‪.‬‬ ‫‪ -2‬اكتساب قضيب الزجاج املدلوك باحلرير شحنات موجبة واحلرير شحنات سالبة ‪.‬‬

‫٭ يعد الكشاف الكهربائي أداة بسيطة تستخدم في الكشف عن وجود الشحنات وله عدة استخدامات سوف تتعرف عليها‬ ‫فيما بعد ‪.‬‬ ‫‪16‬‬

‫مشاهدة من احلياة اليومية‪:‬‬ ‫عند تسريح شعرك تالحظ ‪ -‬في بعض األحيان ‪ -‬أن شعرك يقف ألعلى جتاه املشط (منجذب ًا إليه)‬ ‫نتيجة لسريان اإللكترونات من شعرك إلى املشط وبذلك تكتسب بعض خصالت الشعر شحنة موجبة‬ ‫واملشط شحنة سالبة‪.‬‬

‫لذا يحدث ‪ :‬جتاذب بني الشعر واملشط متمث ً‬ ‫ال في ارتفاع الشعر‪.‬‬

‫ثانياً‪ :‬التكهرب بالتأثير‬

‫شحن جسم على هيئة كرة معدنية بالتأثير بشحنة كهربائية موجبة ‪:‬‬ ‫ن�شاط (‪)2-1‬‬

‫‪ -1‬أحضر كرة معدنية معزولة ‪ ،‬ثم قرب منها ساق ًا‬ ‫مشحون ًا بشحنة كهربائية سالبة شكل (‪( )2-1‬أ)‪.‬‬ ‫ما نوع الشحنات التي تتكون على سطح الكرة املواجه‬ ‫للساق؟ وما نوعها على سطح الكرة البعيد عن الساق؟‬ ‫‪ -2‬صل سطح الكرة املعدنية البعيد عن الساق باألرض‬ ‫شكل (‪( )2-1‬ب)‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪.................................‬‬ ‫‪ -3‬أفصل اتصال الكرة املعدنية باألرض مع استمرار تقريب‬ ‫الساق املشحون ‪ .‬شكل (‪( )2-1‬ج)‪.‬‬

‫(أ)‬

‫ــ ‪+‬‬ ‫ــــ ‪+‬‬ ‫‪+‬‬

‫يتكون على سطح الكرة القريب من الساق شحنة موجبة‬ ‫يقابلها شحنة سالبة على السطح البعيد عن الساق‬

‫(ب)‬

‫ماذا يحدث للشحنة املوجبة ؟ ‪......................‬‬ ‫‪.............................................‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬

‫اتصال‬ ‫سطح الكرة‬ ‫باألرض‬

‫ـ ــ‬ ‫ـ ـ ـ ــ‬ ‫ــ ـ‬ ‫ـ ـ ـ ــ‬ ‫ــ ـ‬ ‫ــ ــ‬ ‫ـ‬

‫ساق مشحونة‬ ‫بشحنة سالبة‬

‫تنتقل الشحنة الكهربية السالبة لألرض‬

‫(ج)‬

‫ماذا تالحظ؟ ‪.................................‬‬ ‫‪ -4‬أبعد الساق املشحون عن الكرة املعدنية‪ ،‬شكل (‪( )2-1‬د)‪.‬‬

‫ـ ــ‬ ‫ـ ـ ـ ــ‬ ‫ــ ـ‬ ‫ـ ـ ـ ــ‬ ‫ــ ـ‬ ‫ــ ــ‬ ‫ـ‬

‫ساق مشحونة‬ ‫بشحنة سالبة‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬

‫ـ ــ‬ ‫ـ ـ ـ ــ‬ ‫ــ ـ‬ ‫ـ ـ ـ ــ‬ ‫ــ ـ‬ ‫ــ ــ‬ ‫ـ‬

‫ساق مشحونة‬ ‫بشحنة سالبة‬

‫الشحنة املوجبة تظل على سطح الكرة املواجهة للساق‬

‫(د)‬

‫‪+‬‬ ‫‪+ +‬‬ ‫‪+‬‬

‫شكل (‪)2-1‬‬

‫‪17‬‬

‫ثالثاً‪ :‬التكهرب باللمس‬ ‫ن�شاط (‪ )3-1‬لتو�ضيح التكهرب باللم�س‬

‫‪ -1‬المس كرة معدنية موصلة (أ) غير مشحونة بكرة معدنية أخرى (ب) مشحونة بشحنة كهربائية سالبة‪.‬‬ ‫‪ -2‬أبعد الكرتني عن بعضهما‪.‬‬ ‫‪ -3‬أدلك ساق من األبونيت بقطعة من الصوف ثم علقه بخيط من احلرير اجلاف‪.‬‬ ‫‪ -4‬قرب كال من الكرتني على حدة من ساق األبونيت‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪.................................................................‬‬ ‫ما الدور الذي يقوم به املوصل (ب) في شحن املوصل (أ)؟‬ ‫كرر النشاط السابق باستبدال الكرة (أ) بأخرى خشبية‪.‬‬ ‫ماذا تستنتج؟ ‪..................................................................‬‬ ‫‪...............................................................................‬‬

‫ما الفرق بني الكرة املعدنية والكرة اخلشبية من حيث اكتساب الشحنات؟‬ ‫الكرة املعدنية لديها القدرة على اكتساب الشحنـات أو فقـدهـا تعـاكسها في ذلك الكرة‬ ‫خلشبية متاما في حني جند أن الكرة الزجاجية ميكنها فقد الشحنات وال ميكنها اكتسابها‪.‬‬

‫قانون كولوم‪:‬‬ ‫مما سبق تعلمنا احلقائق التالية ‪:‬‬ ‫الشحنات الكهربائية الساكنة‬ ‫< تتنافر إذا كانت متشابهة‪ .‬‬ ‫< تتجاذب إذا كانت مختلفة‬ ‫وحدوث التنافر والتجاذب يدل على أن هناك قوى متبادلة بني الشحنات الكهربية تسمى القوة‬ ‫الكهربائية (ق)‬ ‫‪18‬‬

‫وقد لوحظ جتريبي ًا أن ‪ :‬‬ ‫‪ -1‬قوى التجاذب والتنافر ( ق ) بني شحنتني ‪ :‬تتناسب طردي ًا مع كمية كل من الشحنتني (ش‪ ،1‬ش‪:)2‬‬ ‫أي أن ‪ :‬ق ‪ α‬ش‪ ، 1‬ق ‪ α‬ش‬ ‫‪2‬‬ ‫\ ق ‪ α‬ش‪ × 1‬ش‪)1( .................. 2‬‬ ‫ ‬ ‫‪ -2‬قوى التجاذب والتنافر بني الشحنتني ‪ :‬تتناسب عكسي ًا مع مربع املسافة ( ف ) بني الشحنتني‬ ‫ ‪1‬‬ ‫‪) 2 ( .......................‬‬ ‫أي أن ‪ :‬ق ‪α‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ف‬ ‫من املعادلتني ‪ ) 2 ( ، ) 1 ( :‬ميكن اشتقاق املعادلة ( ‪: ) 3‬‬ ‫ ش‪ 1‬ش‬ ‫ ‬ ‫ق‪α‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ف‬ ‫ش‪ 1‬ش‬ ‫‪2‬‬ ‫‪)3( ..................‬‬ ‫أي أن ‪ :‬ق= مقدار ثابت ×‬ ‫ ‪2‬‬ ‫ف‬ ‫وإذا قيست القوة بالنيوتن وكمية الشحنة بالكولوم واملسافة باملتر فإن قيمة الثابت تساوي ‪:‬‬ ‫‪ 910×9‬نيوتن‪.‬م‪ / 2‬كولوم‪ 2‬في حالة الهواء أو الفراغ ويرمز له بالرمز ( أ ) ويعرف بثابت كولوم‬ ‫‪2‬‬

‫ ‬

‫إذن‪:‬‬

‫ش‪ 1‬ش‬ ‫ق=أ×‬ ‫‪2‬‬ ‫ف‬

‫‪2‬‬

‫ويطلق على هذه املعادلة قانون كولوم‬

‫قانـون‬

‫و ينص قانون كولوم على أن‪:‬‬

‫“ القوة الكهربائية الناشئة بني أي شحنتني كهربائيتني نقطيتني‪ ،‬تتناسب طردي ًا مع حاصل‬ ‫ضربهما‪ ،‬وعكسي ًا مع مربع املسافة بينهما”‬ ‫وترتبط قيمة الثابت (أ) بسماحية الوسط الكهربائية (‪ )ε‬وتعطى بالعالقة ‪:‬‬ ‫وفي حالة الفراغ أو الهواء فإن قيمة ‪ε0 = ε‬‬

‫أ=‬

‫‪1‬‬

‫‪επ4‬‬

‫وتساوي ‪ 12-10× 8.8542 =0Î‬كولوم‪ / 2‬نيوتن ‪0‬م‬

‫‪2‬‬

‫وعليه تصبح قيمة أ في حالة الفراغ أو الهواء‪0‬‬ ‫أ = ‪10×9‬‬

‫‪9‬‬

‫نيوتن‪.‬م‪/ 2‬كولوم‬

‫‪2‬‬

‫‪19‬‬

‫‪2 +‬‬ ‫‪- 2‬‬

‫(أ)‬ ‫(ب)‬

‫شكل (‪)1-3‬‬

‫‪+1‬‬ ‫‪+1‬‬

‫نالحظ من الشكل (‪ )3-1‬تأثير القوة الناجتة من الشحنة (‪ )1‬على الشحنة (‪ )2‬في احلالتني (أ) و(ب) ويرمز‬ ‫لهذه القوة بالرمز ق‪ 2 1‬وهي القوة الكهربائية التي تبذلها الشحنة (‪ )1‬على الشحنة (‪ )2‬بحيث تكون‬ ‫نقطة التأثير لهذه القوة هي مركز الشحنة األخرى وخط عملها ينطبق على احملور الواصل بني مركزي الشحنتني‪.‬‬ ‫علما بأن الشحنة املؤثرة ثابتة‪.‬‬ ‫ً‬

‫مالحظة مهمة‪:‬‬ ‫الفرضيتان (‪ )1‬و (‪ )2‬مبنيتان على التجربة‪ ،‬لذا فإن قانون كولوم أساسه جتريبي وليس نظري‪ ،‬ويعد‬ ‫صحيحا في نطاق الظروف التي صاحبت التجربة‪.‬‬ ‫ً‬ ‫على سبيل املثال ال ينطبق قانون كولوم على ‪:‬‬ ‫‪ )2‬إذا كانت املسافة بني الشحنات قريبة من األبعاد الذرية‪.‬‬

‫ ‬ ‫‪ )1‬الشحنة املتحركة‪.‬‬

‫‪ )3‬إذا كانت املسافة بني الشحنات كبيرة جداً على غرار املسافة بني الكواكب‪.‬‬

‫(‪)1-1‬‬ ‫كرتان متماثلتان في كمية الشحنة كتلة كل منهما ‪ 0.003‬كجم وربطت كل منهما بخيط طوله ‪15‬سم‬ ‫ثم علقتا من نقطة واحدة في السقف فحدث بينهما تنافر واتزنتا عندما كانت الزاوية بني اخليطني ْ‪5‬‬ ‫احسب مقدار شحنة كل من الكرتني‪.‬‬

‫ش‪ 1‬ش‬ ‫ق=أ×‬ ‫‪2‬‬ ‫ف‬ ‫‪2‬‬ ‫قف‬ ‫ش‪= 2‬‬ ‫أ‬

‫‪2‬‬

‫‪20‬‬

‫‪ ،‬ش‪ = 1‬ش‪ =2‬ش‬ ‫أكمل احلل موضح ًا بالرسم‬

‫تدريب ‪1-1‬‬

‫شحنة موجبة مقدارها ‪ 9-10 × 3‬كولوم على بعد ‪0.1‬م من جسيم شحنته املوجبة ‪ 8-10 × 7‬كولوم‬ ‫احسب مقدار القوة الكهربائية التي تؤثر بها الشحنة األولى على الثانية؟ ثم وضح بالرسم اجتاه هذه القوة‪.‬‬ ‫‪...................................................................................‬‬ ‫‪...................................................................................‬‬ ‫‪...................................................................................‬‬ ‫ما مقدار القوة في حال كانت الشحنة الثانية سالبة؟‬

‫من تطبيقات الكهرباء الساكنة استخدام‬ ‫تقنية دهان السيارات حيث يشحن جسم‬ ‫السيارة بشحنة مخالفة فتكون القوة‬ ‫الكهربائية للجذب مسببة تغطية جسم‬ ‫السيارة بالدهان‪.‬‬ ‫اذكر تطبيقات تقنية أخرى للكهرباء‬ ‫الساكنة‬

‫املجال الكهربي‪:‬‬ ‫يقصد باملجال الكهربائي املنطقة احمليطة بالشحنة والتي تظهر فيها آثار هذه الشحنة‪.‬‬ ‫واملقصود بآثار الشحنة أنها تؤثر في منطقة مجالها بقوى كهروستاتيكية على أي جسم مشحون‬ ‫وموضوع داخل منطقة املجال ‪.‬‬ ‫وهذا يشبه إلى حد كبير وجود جسم ما في مجال جاذبية األرض حيث جتذبه األرض إليها طاملا‬ ‫أنه لم يخرج من نطاق أو مجال جاذبية األرض‪0‬‬ ‫* شحنة االختبار هي شحنة نقطية موجبة مقدارها واحد كولوم‬ ‫‪21‬‬

‫خطوط املجال الكهربائي‪:‬‬

‫من تعريف املجال الكهربائي نالحظ أنه إذا وضعنا شحنة اختبار في مجال شحنة موجبة فإن شحنة االختبار‬ ‫تتحرك مبتعدة عن هذه الشحنة‪ 0‬أما إذا وضعنا شحنة االختبار في مجال شحنة سالبة فإن شحنة االختبار تتحرك‬ ‫مقتربة من هذه الشحنة‪0‬‬ ‫وعلى هذا مت االصطالح على أن يكون اجتاه املجال الكهربائي للشحنة املوجبة خارج ًا منها‪ ،‬أما اجتاه املجال‬ ‫الكهربائي للشحنة السالبة فيكون داخال إليها ‪(.‬وبالتالي فهو مطابق الجتاه القوة التي تؤثر بها الشحنة الرئيسية‬ ‫على شحنة االختبار)‪.‬‬ ‫ن�شاط (‪ )4-1‬تخطيط المجال الكهربائي‬

‫انثر مسحوقًا جافًا من اجلبس أو بذور البرسيم على لوح زجاجي جاف ثم ضع األسطح املشحونة عليه‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪................................................................‬‬ ‫اطرق اللوح برفق‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪................................................................‬‬ ‫من النشاط السابق تالحظ انتظام املسحوق على شكل خطوط مرتبة في أشكال‪ ،‬وتسمى هذه اخلطوط بخطوط‬ ‫املجال الكهربائي‬ ‫وميثل اجتاه املجال الكهربائي بخطوط وهمية تسمى خطوط املجال الكهربائي كما في الشكل (‪)4– 1‬‬

‫شكل (‪ )4-1‬رسم يوضح خطوط املجال الكهربائي‬

‫وتتناسب كثافة خطوط املجال الكهربائي طردي ًا مع شدته ‪.‬‬ ‫‪22‬‬

‫تدريب ‪2-1‬‬

‫ارسم خطوط املجال الكهربائي مع حتديد اجتاه املجال في كل من احلاالت‬ ‫(أ)‪( ،‬ب)‪( ،‬ج) املوضحة في الشكل (‪.)5-1‬‬

‫(ب)‬

‫(أ)‬

‫شكل (‪)5-1‬‬

‫(ج)‬

‫مما سبق ميكن استنتاج خواص خطوط القوى الكهربية كاآلتي‪:‬‬ ‫‪ -1‬تخرج خطوط القوى الكهربائية‪ :‬من الشحنة املوجبة متجهة نحو الشحنة السالبة‪0‬‬ ‫‪ -2‬تتباعد خطوط القوى الكهربائية كلما ابتعدنا عن الشحنات الكهربائية مما يدل على أن أثر القوى‬ ‫الكهربائية الناشئة عن الشحنات يقل كلما ابتعدنا عنها‪.‬‬ ‫‪ -3‬ال تتقاطع خطوط القوى الكهربائية مهما اقتربنا أو ابتعدنا عن اجلسم املشحون‪.‬‬ ‫‪ -4‬تتباعد خطوط القوى الكهربية‪:‬في املنطقة بني الشحنتني املتماثلتني نتيجة التنافر بني هذه اخلطوط‪ 0‬وينشأ‬ ‫عن ذلك منطقة تكون فيها محصلة القوى الكهربائية مساوية للصفر تسمى (منطقة التعادل)‪.‬‬

‫شدة املجال الكهربي‪:‬‬

‫نفرض أن لدينا شحنة مقدارها (ش)‪ .‬واملطلوب قياس شدة املجال (ج) عند نقطة معينة مثل (أ) والتي تبعد‬ ‫مسافة (ف) عن مركز الشحنة (ش)‪ .‬فإذا وضعنا عند( أ) وحدة الشحنات املوجبة فإنها سوف تتأثر بقوة مساوية‬ ‫لشدة املجال (ج) عند( أ) مقداراً واجتاهاً‪ .‬ولهذا فقد اصطلح على تعريف شدة املجال عند نقطة ما‪:‬‬

‫(بأنها مقدار القوة الكهربائية املؤثرة على شحنة اختبار موضوعه في تلك النقطة )‬ ‫ج‬ ‫أ‬

‫ف‬ ‫ج‬

‫أ‬

‫‪+‬ش‬ ‫‪-‬ش‬

‫شكل (‪)6-1‬‬ ‫‪23‬‬

‫ومن التعريف السابق ميكن حساب شدة املجال الكهربائي‬ ‫رياضيا كما يلي‪:‬‬

‫ج=‬

‫ق‬ ‫ش‬

‫مالحظة‬ ‫الحظ أن ‪:‬‬ ‫ القوة كمية متجهة‬‫ والشحنة كمية قياسية‬‫وبالتالي فإن شدة املجال الكهربائي‬ ‫كمية ‪.........‬‬

‫استنتج من العالقة السابقة وحدة قياس شدة املجال الكهربائي‬ ‫وبالتعويض عن قيمة ق من قانون كولوم نستنتج أن شدة املجال الكهربائي تعطى بالعالقة التالية‪:‬‬

‫ج=أ‬

‫ش‬ ‫‪2‬‬ ‫ف‬

‫هذه العالقة تعطي شدة املجال الكهربائي (املركزي) املتولد عن شحنة نقطية (ش) في نقطة‬ ‫تبعد عن هذه الشحنة مسافة (ف)‪.‬‬ ‫ما هي العوامل املؤثرة في شدة املجال الكهربائي؟‬ ‫تدريب ‪3-1‬‬

‫وضعت شحنة موجبة مقدارها (‪ )12-10 × 8‬كولوم في مجال كهربائي شدته ‪ 0.5‬نيوتن ‪ /‬كولوم‬ ‫احسب القوة املؤثرة على الشحنة واجتاها‪.‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬

‫‪24‬‬

‫تدريب ‪4-1‬‬

‫شحنة كهربائية مقدارها ‪ 9-10 × 15‬كولوم أحسب شدة املجال الكهربائي عند نقطة تبعد عنها ‪ 6‬سم‪.‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬

‫تدريب ‪5-1‬‬

‫وضعت شحنة مقدارها ‪ 9-10 × 10‬كولوم في مجال كهربائي شدته ‪ 0.002‬نيوتن‪ /‬كولوم ‪ ،‬احسب‪:‬‬ ‫‪ -1‬القوة التي تتأثر بها ‪.‬‬ ‫‪ -2‬إذا كان املجال ناشئ عن شحنة مقدارها ‪ 9-10 × 2‬كولوم أحسب املسافة بني الشحنتني‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬

‫املجال الكهربائي املنتظم‪:‬‬

‫هو املجال الذي يكون ثابت الشدة واالجتاه ( وميكن متثيله‬ ‫بخطوط مستقيمة ومتوازية) وميكن احلصول على مثل هذا املجال‬ ‫عملي ًا عن طريق توصيل لوحني معدنيني متوازيني بقطبي بطارية‪0‬‬ ‫ويجب مالحظة أن املجال الكهربائي منتظم في وسط اللوحني أما‬ ‫ال إلى‬ ‫عند األطراف فإن خطوط املجال الكهربائي تكون منحرفة قلي ً‬ ‫اخلارج ملاذا؟‬

‫‬‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫شكل (‪)7-1‬‬

‫‪25‬‬

‫حركة شحنة في مجال كهربائي منتظم‪:‬‬

‫ج‬

‫أو ًال ‪ :‬حركة الشحنة موازية خلطوط املجال الكهربائي ‪:‬‬

‫‬‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬

‫مر بك أن القوة التي يؤثر بها املجال الكهربائي على شحنة‬ ‫(ش) تعطى بالعالقة ‪ :‬ق = ش × ج‬ ‫ولكن من قانون نيوتن ‪ :‬ق= ك × ت‬ ‫إذا‪ :‬ك × ت = ش × ج‬ ‫ومنها‪:‬‬

‫شج‬ ‫ت=‬ ‫ك‬

‫ع‬

‫ع=‪0‬‬

‫ش‬

‫ش‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬

‫شكل (‪)8-1‬‬

‫أي أن املجال الكهربائي يعمل على تسارع الشحنة في نفس اجتاه املجال إذا كانت موجبة ملاذا ؟ و مقدار التسارع‬ ‫يتناسب مع حاصل ضرب الشحنة × شدة املجال وعكسي ًا مع كتلة هذه الشحنة الشكل ( ‪) 8– 1‬‬

‫إذا كانت الشحنة سالبة فما هو اجتاه تسارعها؟‬ ‫ثانياً‪ :‬حركة الشحنة عمودي ًا على اجتاه املجال الكهربائي‪:‬‬ ‫عندما تدخل الشحنة الكهربائية مجا ًال كهربائي ًا‬

‫ل‬

‫منتظم ًا بشكل عمودي عليه فإنها تسلك مساراً منحني ًا‬

‫ص‬

‫على شكل جزء من قطع مكافـيء شكـــل (‪) 9-1‬‬ ‫وميكن حتليل سرعة الشحنة في مثل هذا الوضع إلى‬ ‫مركبتني كما سبق وأن درست في حركة املقذوفات‬ ‫الرأسية كاآلتي‪:‬‬ ‫‪ -1‬مركبة عمودية على اجتاه املجال الكهربائــي‬ ‫(ع‪0‬س = ع س) وهي متثل االجتاه األساسي للشحنة قبل‬

‫‪- - - - - -‬‬

‫س‬ ‫ع‬

‫ع‪0‬‬

‫‬‫ع‬

‫‪-‬‬

‫‪+ + + + + +‬‬

‫‪1‬‬

‫شكل (‪)9-1‬‬

‫دخولها املجال الكهربائي ‪،‬وسرعة الشحنة في هذه املركبة ثابتة وهي نفس سرعتها قبل دخولها املجال الكهربائي‬ ‫ملاذا ؟‬ ‫‪26‬‬

‫‪ -2‬مركبة موازية الجتاه املجال الكهربائي (ع‪1‬ص ) وهي عمودية على اجتاه حركة الشحنة االبتدائية ‪ ،‬وتكتسب الشحنة‬

‫في هذه املركبة تسارع ًا ثابت ًا يتناسب مقداره طردي ًا مع شدة املجال الكهربائي وعكسي ًا مع كتلة هذه الشحنة‪0‬‬ ‫حيث ع‪0‬ص = صفر‬

‫إذا ‪ :‬ع‪1‬ص = ع‪0‬ص ‪ +‬ت ص × ز‬ ‫ع‪1‬ص = ت ص × ز ( من املعادلة األولى للحركة)‬

‫ت ص‪ :‬تسارع الشحنة وميكن حسابه من قانون نيوتن الثاني‬ ‫كاآلتي‪:‬‬

‫ت=‬

‫ق‬ ‫ك‬

‫=‬

‫ش×ج‬ ‫ك‬

‫مالحظة‬ ‫ال توجد سرعة ابتدائية موازية‬ ‫للمجال‪.‬‬

‫وميكن حساب الزمن من معادلة احلركة املنتظمة للشحنة (حركة الشحنة في اجتاه املجال) حيث ‪:‬‬ ‫ق=ك×تص‬ ‫اذا ‪ :‬ت ص‬

‫ش×ج‬ ‫=‬ ‫ك‬

‫ج×ش=ك×تص‬

‫وبالتعويض في عالقة السرعة أعاله نحصل على‬ ‫(ل)= (عس)×(ز)‬ ‫ل‪ :‬املسافة املقطوعة على محور السينات‬

‫ش×ج×ز‬ ‫ع‪1‬ص =‬ ‫ك‬ ‫ع س ‪ :‬سرعة الشحنة العمودية على املجال‬

‫طاقة الوضع الكهربائية ‪: Electric Potential Energy‬‬

‫مر بك فيما سبق أن الطاقة تتحول من صورة إلى أخرى‪ .‬وأن التغير في الطاقة يساوي الشغل املبذول ‪ ،‬فمثال‬ ‫إذا رفعنا جسم ًا عن سطح األرض‪ .‬فإنه يكتسب طاقة وضع نتيجة لوجوده في مجال اجلذب األرضي‪ .‬والتغير في‬ ‫طاقة الوضع لهذا اجلسم يساوي مقدار الشغل املبذول لرفع هذا اجلسم عن سطح األرض‪.‬‬

‫‪27‬‬

‫‪-‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫حركة الشحنة املوجبة في اجتاه املجال‬ ‫يقلل من طاقة الوضع الكهربائية‬

‫‪-‬‬

‫حركة الشحنة املوجبة في عكس اجتاه‬ ‫املجال يزيد من طاقة الوضع الكهرئاية‬

‫شكل (‪)10-1‬‬

‫فإذا قارنا هذه احلالة باحلالة التي نبذل فيها شغالً‪ ،‬لكي نبعد شحنة إختبارية موجبة( ‪) +‬عن شحنة سالبة‪،‬‬ ‫ال ‪ ،‬وأن الشغل الذي نبذله حتتفظ به‬ ‫أو نقرب هذه الشحنة االختبارية من شحنة موجبة‪ ،‬جند أننا أيض ًا نبذل شغ ً‬ ‫الشحنة االختبارية على صورة طاقة وضع تسمي طاقة الوضع الكهربائية‪.‬‬ ‫وبصورة عامة فإن حتريك شحنة في مجال كهربائي يغير من طاقة الوضع الكهربائية لهذه الشحنة ‪ ،‬فإذا حركنا‬ ‫ال خارجي ًا ‪ ،‬يتحول إلى طاقة وضع فتزيد‬ ‫الشحنة املوجبة في عكس اجتاه املجال الكهربائي ‪ ،‬فإننا نبذل شغ ً‬ ‫بذلك طاقة الوضع الكهربائية لها‪ ،‬أما إذا حتركت الشحنة املوجبة في اجتاه املجال الكهربائي فإن الشحنة هي التي‬ ‫تبذل شغ ًال ويكون ذلك على حساب طاقة وضعها الكهربائية ‪ ،‬وبذلك تقل طاقة الوضع الكهربائية لها ما‬ ‫السبب؟؟ ‪............................................................................‬‬ ‫ويوضح الشكل (‪ )10 – 1‬تأثير احلركة على شحنة اختبار موجبة ‪ 0‬فإذا حتركت في اجتاه املجال تقل طاقة‬ ‫وضعها الكهربائية والعكس صحيح‬ ‫تسمى طاقة وضع وحدة الشحنة املوجبة عند نقطة ما في مجال كهربي باجلهد الكهربائي عند هذه النقطة‪.‬‬ ‫وقد اتفق على أن يكون البعد ماال نهاية هو صفر القياس مبعنى أن طاقة وضع أي شحنة في ماال نهاية ستكون صفراً‬ ‫نظراً البتعادها عن الشحنات األخرى املولدة للمجال املؤثر‪.‬‬

‫فرق اجلهد الكهربائي‪:‬‬

‫عندما يتالمس جسمان مختلفان في درجة حرارتهما فإن احلرارة تنتقل من اجلسم الساخن إلى اجلسم البارد ‪،‬‬ ‫ويستمر انتقال احلرارة بينهما حتى تتساوى درجة حرارتهما‪ ،‬كذلك عند توصيل إناءين في كل منهما سائل فإن‬ ‫السائل ينتقل من الضغط العالي إلى الضغط املنخفض ‪ 0‬فهل يشبه سريان الشحنات الكهربائية بني جسمني سريان‬ ‫احلرارة بني اجلسمني وسريان املاء بني حوضني ؟‬ ‫لإلجابة عن هذا السؤال قم بالنشاط التالي‪:‬‬ ‫‪28‬‬

‫ن�شاط عملي (‪)5-1‬‬

‫األدوات ‪ :‬كرة معدنية محمولة على عازل‪ ،‬كشاف كهربائي‪ ،‬قطعة قماش‬ ‫خطوات التجربة ‪:‬‬ ‫‪ -1‬قرب الكرة املعدنية إلى قرص الكشاف الكهربائي لتتأكد من خلوها من الشحنات الكهربائية‪.‬‬ ‫‪ -2‬اشحن الكرة املعدنية بدلكها بقطعة القماش دون أن تالمسها بيدك أو أي جسم موصل آخر‪.‬‬ ‫‪ -3‬قرب الكرة املعدنية من قرص الكشاف الكهربائي دون مالمسته‪ .‬ماذا يحدث لورقتي الكشاف؟‬ ‫‪ -4‬المس الكرة املعدنية باألرض أو بجسمك‪.‬‬ ‫‪ -5‬قرب الكرة املعدنية من قرص الكشاف مرة أخرى؟‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪ ...................................‬أعط تفسير ًا ملا حدث؟‬ ‫‪........................................................................‬‬ ‫‪........................................................................‬‬ ‫ال بد أنك الحظت من النشاط السابق أن ورقتي الكشاف الكهربائي انفرجتا في املرة األولى ولم تنفرجا في املرة‬ ‫الثانية وتفسير ذلك هو أن الشحنة الكهربائية على الكرة قد انتقلت إلى األرض فأصبحت الكرة غير مشحونة‪0‬‬ ‫إن انتقال الشحنات بني الكرة واألرض يشبه متام ًا انتقال احلرارة بني اجلسم الساخن واجلسم البارد ويشبه انتقال‬ ‫السائل من الضغط العالي إلى الضغط املنخفض‪0‬‬ ‫وكما أن درجة احلرارة هي التي حتدد اجتاه انتقال احلرارة من اجلسم أو إليه عند مالمسته جلسم آخر‪ ،‬فكذلك‬ ‫اجلهد الكهربائي للجسم هو الذي يحدد انتقال الشحنات الكهربائية منه أو إليه عند مالمسته جلسم آخر‪.‬‬

‫مالحظة‬ ‫تالحظ من النشاط السابق أن الشحنات انتقلت إلى األرض وهذا يوحي لنا أن األرض غير مشحونة‪،‬‬ ‫ولكن الواقع غير ذلك فإن الكرة األرضية مليئة بالشحنات الكهربائية ولكن لكبر سطحها ال تتأثر بأي‬ ‫كمية من الشحنات مهما كانت هذه الشحنات كبيرة ويظل جهدها مساويا للصفر‪ ،‬ويشبه ذلك‬ ‫مستوى ماء البحر حيث أنه مهما يضاف إليه من املاء فإن مستواه ال يتغير‪0‬‬

‫‪29‬‬

‫وعند انتقال الشحنات الكهربائية ( ش ) من نقطة إلى أخرى فإنها تفقد قدراً من طاقتها الكهربائية ( ط )‬ ‫يقابل الشغل املبذول‬ ‫ومباأن الشغل املبذول = التغير في طاقة الوضع الكهربائية‬ ‫شغ = ط‪ – 1‬ط‪2‬‬ ‫ونظرا ألهمية الشغل املبذول على وحدة الشحنات فإن ‪:‬‬

‫ط‪1‬‬ ‫ش‬

‫الشغل املبذول‬ ‫ش‬ ‫ط‬ ‫باجلهد الكهربائي ويرمز له بالرمز حــــ إذا‪:‬‬ ‫ويعرف املقدار ‬ ‫ش‬ ‫=‬

‫جـ =‬

‫‪-‬‬

‫ط‪2‬‬ ‫ش‬

‫ط‬ ‫ش‬

‫ومن هذه العالقة يعرف فرق اجلهد بني نقطتني بأنه ‪:‬‬ ‫الطاقة املفقودة من وحدة الشحنات الكهربائية عند انتقالها بني هاتني النقطتني‬

‫تنبيه‬ ‫الطا‬ ‫قة املفقودة‪ :‬هي الفرق بني‬ ‫الطاقة النهائية واالبتدائية‬

‫ما وحدة قياس فرق اجلهد؟ وماذا تكافئ؟ َع ِّر ْفها؟‬ ‫‪30‬‬

‫العالقة بني فرق اجلهد وشدة املجال الكهربائي املنتظم ‪ :‬‬ ‫إن الطاقة التي تفقدها شحنة ما أثناء انتقالها بني نقطتني تستهلك على شكل شغل مبذول لنقل تلك الشحنة‬ ‫بني هاتني النقطتني‪.‬‬ ‫أي أن الطاقة املفقودة = الشغل املبذول‬ ‫ ط= ق × ف ولكن ق = ج × ش‬ ‫إذاً‪ :‬ط= ج × ش × ف ولكن ‪ :‬ط = جـ × ش‬ ‫إذا‪ :‬جـ × ش = ج × ش × ف‬ ‫ومنها‪:‬‬

‫اإللكترون فولت ‪:‬‬ ‫مبا أن ط = ج × ش × ف‬ ‫إذاً ‪ :‬ط = جـ × ش‬

‫ولكن جـ = ج × ف‬

‫مفتاح العالقة‬

‫جـ = ج × ف‬

‫جـ‪ :‬فرق اجلهد الكهربائي‬ ‫ج‪ :‬شدة املجال الكهربائي‬ ‫ف‪ :‬املسافة بني اللوحني‬

‫ط = جــــ × ش‬

‫ووحدة قياس الطاقة في هذا القانون هي اجلول إذا قيست الشحنة بالكولوم‪0‬‬ ‫أما إذا قيست الشحنة باإللكترون ( ‪ ) e‬فإن وحدة قياس الطاقة هي إلكترون فولت (أ‪.‬ف ) ( ‪ ) e.v‬والذي‬ ‫ُي َع َّرف من العالقة األخيرة بأنه ‪ :‬مقدار الطاقة التي يكتسبها أو يفقدها إلكترون( أو بروتون) يتحرك بني‬ ‫نقطتني فرق اجلهد بينهما واحد فولت‪0‬‬ ‫وتستخدم وحدة اإللكترون فولت ( ‪ ) e.v‬حلساب الطاقات الصغيرة ‪.‬‬

‫‪31‬‬

‫(‪)6-1‬‬ ‫إلكترون يتحرك ضمن األشعة اإللكترونية في شاشة التلفاز تصل سرعته إلى ‪ 7 10 × 5‬م‪/‬ث‪ .‬ما هو فرق‬ ‫اجلهد املؤثر على مثل هذا اإللكترون؟‬ ‫احلل ‪:‬‬ ‫طاقة اإللكترون = جــــ × ش ولكن طاقة اإللكترون طاقة حركية‬ ‫جـــ × ش =‬

‫كع‬ ‫جـــ =‬ ‫‪2‬ش‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬

‫كع‬ ‫=‬

‫‪2‬‬

‫‪) 10 ×5( × 31 10- × 9.1‬‬

‫‪2 7‬‬

‫‪10× 1.6 × 2‬‬

‫‪-19‬‬

‫جـــ = ‪ 3 10 × 7.1‬فولت = ‪ 7.1‬كيلو فولت‬

‫اجلهد الكهربائي لنقطة في مجال شحنة‪:‬‬

‫مر بك أن جسم ًا مشحون ًا بشحنة موجبة يولد مجا ًال كهربائي ًا ‪ 0‬فإذا وضعنا شحنة اختبار عند النقطة ( أ ) والتي‬ ‫تبعد مسافة ( ف‪ ) 1‬عن الشحنة املوجبة(ش) فإن شحنة االختبار هذه تتعرض لقوة تنافر جتعلها تتحرك بعيداً عن‬ ‫الشحنة املولدة للمجال عند النقطة ب والتي تبعد مسافة فب عن الشحنة املوجبة ش‪.‬‬

‫(ج)‬

‫(ب)‬

‫(أ)‬

‫ف‬ ‫ف‬

‫ب‬

‫شكل (‪)11-1‬‬

‫‪32‬‬

‫أ‬

‫وإلعادة هذه الشحنة مرة أخرى إلى النقطة ( أ ) ال بد من بذل شغل على شحنة اإلختبار (ش‪ )0‬يساوي فرق اجلهد‬ ‫بني النقطتني ويعطى بالعالقة التالية‪،‬‬

‫أ ش‪ - .‬أ ش‬ ‫ ‬ ‫جـ أ ‪ -‬جـ ب =‬ ‫ف‬ ‫ف‬ ‫ب‬ ‫أ‬

‫‪1‬‬

‫فإذا اعتبرنا أن النقطة ب عند الالنهاية أي أن ف ب = ∞ فإن‬ ‫اجلهد عند النقطة أ يساوي ‪:‬‬

‫ش‬ ‫ف‬ ‫أ‬

‫جـأ = أ‬ ‫ ‬

‫حيث (أ)= ‪ 9 10 ×9‬نيون‪ .‬م‪ /2‬كولوم‬

‫‪2‬‬

‫مالحظة‬ ‫نظراً ألن القوة متغيرة يلزم حلساب‬ ‫الشغل استخدام التكامل‬

‫ويعرف اجلهد عند النقطة (أ) بالشغل املبذول لنقل الشحنة من الال نهاية إلى النقطة (أ) ‪.‬‬ ‫ونستخدم هذه العالقة حلساب اجلهد الكهربائي الناشئ عن شحنة كهربائية‪ ،‬أما إذا كان لدينا أكثر من شحنة‬ ‫فلحساب اجلهد الناشئ عنها في نقطة واحدة نستخدم العالقة التالية‪:‬‬

‫ش‬ ‫ش‬ ‫ ‬ ‫‪+ 1‬‬ ‫جـ = أ [‬ ‫ف‬ ‫ف‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬

‫‪S‬‬

‫‪] ........ +‬‬

‫جــ = أ‬

‫ش‬ ‫ف‬

‫‪S‬‬

‫تعني املجموع اجلبري ‪.‬‬

‫مالحظة‬ ‫الحظ أن اجلهد الكهربائي كمية قياسية لذا فهو يجمع جبري ًا (أي أننا نعتبر اجلهد‬ ‫الناشئ عن الشحنة املوجبة موجبا واجلهد الناشئ عن الشحنة السالبة سالباً)‬

‫‪33‬‬

‫تدريب ‪6-1‬‬

‫شحنتان نقطيتان مقدارهما ‪ -5‬نانو كولوم‪ 6 ،‬نانو كولوم واملسافة بينهما ‪10‬سم‪ .‬أحسب ‪:‬‬ ‫ ‬

‫أ ‪ -‬اجلهد عند النقطة د التي تقع في منتصف املسافة بينهما‪.‬‬

‫ ‬

‫ب‪ -‬جهد النقطة أ التي تبعد عن كل من الشحنتني مسافة ‪ 10‬سم‪.‬‬ ‫موضحا‬ ‫ج ‪ -‬الشغل الالزم لنقل شحنة مقدارها ‪ 9-10 × 2-‬كولوم من النقطة (أ) إلى النقطة (د)‬ ‫ً‬ ‫إجابتك بالرسم‪.‬‬

‫تساوي اجلهد على سطح موصل‪:‬‬

‫مر بك أنه عند توصيل موصلني مختلفني في اجلهد الكهربائي فإن الشحنات الكهربائية املوجبة تنتقل من‬ ‫املوصل ذي اجلهد األعلى إلى املوصل ذي اجلهد املنخفض ويستمر انتقال الشحنات حتى يتساوى جهد املوصلني‪،‬‬ ‫ومن هذا ندرك أنه ال ميكن أن توجد نقطتان مختلفتان في اجلهد الكهربائي على سطح موصل واحد أو عدة‬ ‫موصالت متصلة مع بعضها‪ ( 0‬ملاذا ؟ )‬

‫‪34‬‬

‫أسئلة وتمارين الفصل‬ ‫‪ )1‬ما املعنى الفيزيائي لكل من ‪:‬‬ ‫أ‪ -‬نقطة التعادل؟‬ ‫ب‪ -‬فرق اجلهد بني نقطتني = ‪ 7‬فولت؟‬ ‫جـ شدة املجال الكهربائي عند نقطة = ‪ 6‬نيوتن ‪ /‬كولوم؟‬ ‫د – الفولت؟‬ ‫هـ ‪ -‬املجال الكهربائي؟‬ ‫‪ )2‬ضع عالمة (‪ )4‬أو ( ‪ ) X‬أمام كل عبارة من العبارات التالية مع تصحيح اإلجابات اخلاطئة (إن‬ ‫وجدت)‪:‬‬ ‫(‬ ‫‪( -1‬م‪ /‬ث‪ (، )2‬نيوتن ‪ /‬كجم) ‪( ،‬جول ‪ /‬كجم ‪ 0‬م) وحدات متكافئة ‬ ‫(‬ ‫ ‬ ‫‪ -2‬كل من فرق اجلهد وشدة املجال كميات متجهة‬ ‫(‬ ‫ ‬ ‫‪-3‬ال تتقاطع خطوط املجال الكهربائي في نقطة‬ ‫‪ -4‬املجال الكهربائي يعمل على تسارع الشحنة في نفس اجتاه املجال إذا كانت سالبة (‬ ‫(‬ ‫ ‬ ‫‪ -5‬خطوط القوى الكهربائية تخرج من الشحنة السالبة وتدخل للموجبة‬ ‫(‬ ‫ ‬ ‫‪ -6‬تتباعد خطوط القوى الكهربائية بني الشحنتني املختلفتني‬

‫)‬ ‫)‬ ‫)‬ ‫)‬ ‫)‬ ‫)‬

‫‪ )3‬علل ملا يأتي ‪:‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪5‬‬ ‫‪6‬‬

‫تظهر شرارة كهربائية عند خلع املالبس وخاصة الصوفية منها‪0‬‬ ‫عند شحن بالون صغير بشحنة وتقريبه من احلائط يلتصق به ملدة قصيرة ثم يسقط على األرض‪.‬‬ ‫يتساوى اجلهد على سطح املوصل في جميع النقاط‪.‬‬ ‫جهد األرض= صفر‪.‬‬ ‫اخلشب من املواد العازلة للكهرباء بينما احلديد من املواد املوصلة للكهرباء‪.‬‬ ‫ال يوجد شغل ينجز في مترير شحنة اختبار بني أي نقطتني على سطح تساوي اجلهد‪.‬‬

‫‪35‬‬

‫‪ )4‬ما الدور الذي يقوم به كل من ؟‪:‬‬ ‫أ‪ -‬مقبض اخلشب عند دلك ساق من النحاس بقطعة من الصوف‪.‬‬ ‫ب‪ -‬املوصل املشحون عند تقريبه من موصل آخر غير مشحون ‪.‬‬ ‫جـ ‪ -‬الدالكة احلرير عند استخدامها في دلك ساق من الزجاج ‪.‬‬ ‫د ‪ -‬الدالكة الصوف عند استخدامها في دلك ساق من األبونيت‪.‬‬ ‫‪ ) 5‬ضع أمام كل عبارة من عبارات العمود األيسر رقم العبارة التي تناسبها من العمود األمين‪:‬‬ ‫العمود األمين‬

‫العمود األيسر‬

‫‪ -1‬نيوتن م‪ / 2‬كولوم‪0 2‬‬

‫أ ) ثابت كولوم (‬

‫‪ -2‬جول‪0‬‬

‫ب) التسارع (‬

‫‪ -3‬كولوم‪0‬‬

‫ج) شدة املجال الكهربي (‬

‫‪ -4‬نيوتن ‪ 0‬م ‪ /‬كولوم‬

‫)‬

‫)‬

‫د ) قوة اجلاذبية (‬

‫)‬

‫)‬

‫)‬

‫‪ -5‬نيوتن‪0‬‬

‫هـ) الطاقة (‬

‫‪ -6‬نيوتن ‪ /‬كجم‬

‫و ) اجلهد الكهربي (‬

‫)‬

‫‪ -7‬نيوتن‪ /‬كولوم‬

‫ز ) كمية الشحنة (‬

‫)‬

‫‪ -8‬نيوتن‪ 0‬م‪ / 2‬كجم‬

‫‪ ) 6‬إذا كان الهواء يفقد قدرته كعازل عندما تصل شدة املجال الكهربائي فيه ‪ 6 10 ×3‬فولت‪ /‬م ‪0‬‬ ‫أحسب أقصي فرق جهد ميكن أن ينشأ بني شحنتني نقطيتني تفصلهما مسافة ‪:‬‬ ‫ب – ‪2‬م‬ ‫أ‪ ,1 -‬ملم‬ ‫‪ )7‬بروتونان داخل الذرة تفصلهما مسافة ‪16 – 10 × 3.8‬متر ‪ ،‬هل ميكن استخدام قانون كولوم‬ ‫حلساب القوة الكهربائية بينهما ؟ علل إجابتك ‪.‬‬

‫‪36‬‬

‫‪ ) 8‬وضع ( إلكترون ‪ ،‬بروتون ) في مجال كهربائي منتظم ‪ 0‬قارن بني القوة الكهربائية التي يتعرض‬ ‫لها كل منهما وكذلك اجتاه حركة كل منهما‪.‬‬ ‫‪ )9‬وضع جسيم صغير شحنته ‪ 9- 10× 5-‬كولوم في مجال كهربائي منتظم فأثر عليه بقوة قدرها‬ ‫‪ 9- 10 × 20‬نيوتن باجتاه األسفل ‪ .‬أوجد‪:‬‬ ‫ أ‪ -‬شدة املجال الكهربائي واجتاهه ‪.‬‬ ‫ب‪ -‬تسارع اجلسيم إذا كانت كتلته ‪ 27-10 × 2‬كجم ( مهم ً‬ ‫ال تأثير اجلاذبية األرضية)‬ ‫‪ )10‬من أجل نقل شحنة كهربائية مقدارها ‪ 4‬كولوم بني نقطتني في مجال كهربائي نحتاج إلى بذل‬ ‫شغل قدره ‪28‬جوالً‪ ،‬احسب فرق اجلهد بني هاتني النقطتني‪.‬‬ ‫‪ ) 11‬لوحان معدنيان متوازيان انظر الشكل (‪ )12-1‬املسافة العمودية بينهما ‪ 2‬سم ومشحونان‬ ‫بشحنتني مختلفتني‪ ،‬إذا كانت شدة املجال الكهربائي بينهما منتظمة وأطلق إلكترون من‬ ‫السكون من اللوح السالب فتحرك حتى اصطدم باللوح املوجب خالل زمن قدره ‪10 × 1.5‬‬

‫‪8-‬‬

‫ثانية فأوجد‪:‬‬ ‫أ‪ -‬شدة املجال الكهربائي بني اللوحني‪.‬‬ ‫ب‪ -‬سرعة اإللكترون حلظة اصطدامه باللوح املوجب‪.‬‬ ‫‪ ) 12‬فسر ما تشاهده في الصورة مستخدم ًا مفاهيم انتقال‬ ‫الكهرباء الساكنة‪.‬‬

‫‬‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬

‫‪e‬‬ ‫ع=؟‬

‫ع‪0=0‬‬ ‫ج=؟‬

‫شكل (‪)12-1‬‬

‫شكل (‪)13-1‬‬

‫‪37‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬

....

‫المكثف الكهربائي‬

‫‪Capacitor‬‬

‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يشرح مفهوم السعة الكهربائية ملكثف‪.‬‬ ‫يصف املكثف الكهربائي‪.‬‬ ‫يوصل عدة مكثفات بطرق مختلفة‪.‬‬ ‫يوضح أنواع املكثفات الكهربائية‪.‬‬

‫املكثف الكهربائي ‪Electric Capacitor‬‬

‫هل‬

‫السعة الكهربائية ملوصل ‪:‬‬ ‫انظر إلى الشكل أمامك ‪ ،‬وقارن بني اإلناءين أ ‪ ،‬ب‬ ‫إلى ماذا توصلت ؟‬ ‫قارن بني ارتفاع املاء في اإلناءين وكميته ؟‬

‫‪+ +‬‬ ‫‪+++++‬‬

‫‪+ +‬‬ ‫‪+ +‬‬

‫باملثل قارن بني الكرتني املشحونتني‬ ‫ما العالقة بني اجلهد الكهربائي وكمية الشحنة املوجودة على موصل ؟‬

‫شكل (‪)1-2‬‬

‫مباذا اختلف املوصل ( أ ) عن املوصل ( ب ) ؟‬

‫تتحكم السعة احلجمية لألواني في الكمية التخزينية للمادة‪ ،‬كذلك تتحكم السعة الكهربائية للموصالت‬ ‫في الكمية التخزينية للشحنة فماهي السعة الكهربائية للموصل؟‬

‫السعة الكهربائية ‪:‬‬

‫من خالل العالقة بني اجلهد الكهربائي ملوصل وكمية الشحنة املوجودة عليه ميكنك التوصل إلى أن ‪:‬‬ ‫ش ‪ α‬جــ‬

‫ ‬ ‫ش = ثابت × جـ‬

‫ثابت =‬

‫ش‬ ‫جــ‬

‫يعرف املقدار الثابت في العالقة السابقة بالسعة الكهربائية ملوصل ويرمز لها‬ ‫بالرمز (سع) وبذلك تكتب العالقة السابقة على الصورة ‪:‬‬

‫سع =‬

‫وتعرف السعة الكهربائية ملوصل معزول بأنها‪ :‬النسبة بني شحنة املوصل وجهده‪.‬‬ ‫َّ‬ ‫‪40‬‬

‫ش‬ ‫جـــ‬

‫وتقاس السعة الكهربائية بالفاراد حيث‪:‬‬ ‫‪ 1‬فاراد =‪ 310‬ملي فاراد ‬

‫‪ 1‬فاراد =‪ 610‬ميكروفاراد‬

‫‪ 1‬فاراد = ‪ 910‬نانوفاراد‬

‫‪ 1‬فاراد = ‪ 1210‬بيكوفاراد‬

‫ماعالقة الفاراد بكل من الوحدات التالية‪:‬‬ ‫امليللي فاراد = ‪.......‬‬

‫فاراد ‬

‫النانوفاراد = ‪........‬‬

‫فاراد ‬

‫ ‬

‫امليكروفاراد = ‪ ..........‬فاراد‬ ‫البيكوفاراد = ‪ ..........‬فاراد‬

‫من العالقة السابقة ميكن تعريف الفاراد بأنه‪:‬‬ ‫السعة الكهربائية ملوصل إذا أعطي شحنة مقدارها ‪ 1‬كولوم تغير جهده مبقدار ‪ 1‬فولت‬

‫ماذا نقصد بقولنا ‪ :‬السعة الكهربائية ملوصل ‪ 2‬ميكروفاراد ؟‬

‫(‪)1-2‬‬ ‫احسب مقدار الشحنة الكهربائية التي يكتسبها موصل معزول سعته الكهربائية ‪ 3‬ميكروفاراد لكي‬ ‫يصبح جهده ‪ 150‬فولت‪.‬‬ ‫ش = سـع × جـ‬ ‫= ‪ 4-10 × 4.5 = 150 × 6-10 × 3‬كولوم‬

‫كيف ميكن االستفادة من مفهوم السعة الكهربائية في توظيف وتطوير أداء‬ ‫عمل الدوائر الكهربائية ؟‬ ‫‪41‬‬

‫املكثف الكهربائي ‪( :‬‬

‫)‬

‫ن�شاط (‪)1-2‬‬

‫‪ -1‬خذ لوحني معدنيني على شكــــل متــوازي أضـــالع ثم ثبـــت اللوحيــــن مبواجهــــة بعضهمـــا على‬ ‫مسافة ‪ 0.25‬سم دون أن يتالمسا كما في الشكل ‪.‬‬ ‫‪ -2‬صل أحد اللوحني بالقطب املوجب لبطارية واآلخر بالقطب السالب أو األرض ملاذا؟‬ ‫هل ميكن أن يشحن اللوحان ؟‬ ‫اشرح باختصار ما حدث‪.‬‬ ‫‪ -3‬حدد نوع الشحنات على كل من اللوحني ثم فسر السبب‪.‬‬ ‫كيف ميكنك التأكد من شحن اللوحني؟‬

‫شكل (‪ )2-2‬أ‬

‫ما أثر املسافة الفاصلة بني اللوحني على عملية التوصيل الكهربائي؟‬ ‫يسمى اجلهاز السابق الذي توصلت إليه باملكثف الكهربائي ويسمى أحيان ًا باخلازن الكهربائي‪0‬‬

‫وهو جهاز يعمل على تخزين الطاقة الكهربائية وتفريغها عند احلاجة إليها‪..‬‬ ‫ومبا أن املكثف عبارة عن موصل كهربائي إذا ميكنك كتابة الصيغة الرياضية لسعة املكثف بالعالقة التالية‪:‬‬

‫سعة املكثف =‬

‫فسر كيف أن شحن املكثف يؤدي إلى زيادة جهده الكهربائي‬

‫‪42‬‬

‫ن�شاط (‪ )2-2‬تفريغ المكثف‬

‫صل لوحي املكثف السابق بطرفي مصباح كهربائي‬ ‫ماذا حدث ؟‬

‫شكل (‪ )2-2‬ب‬

‫و هناك عوامل أخرى تؤثر بفاعلية في سعة املكثف ترتبط هذه العوامل بتقنية تصميم املكثف وملعرفة هذه‬ ‫العوامل ونوع العالقة التي تربط سعة املكثف بكل منها قم بتصميم جتربة تبني العالقة بني سعة املكثف وكل‬ ‫من مساحة لوح املكثف س واملسافة بني لوحي املكثف ف ونوع الوسط العازل ثعزل‪.‬‬ ‫استخدم طريقة (عزل املتغيرات)‪.‬‬

‫‪43‬‬

‫العوامل املؤثرة على سعة املكثف ‪:‬‬ ‫ومن نتائج التجربة ميكن كتابة العالقة بني سعة املكثف وهذه العوامل مجتمعة على النحو األتي ‪:‬‬

‫سعة املكثف =‬

‫ي‪ 0‬ث عزل × س‬ ‫ف‬

‫حيث ( ي‪ ) 0‬هي السماحية الكهربائية للهواء أو الفراغ وإذا وضع وسط عازل آخر غير الهواء بني اللوحني فإن‬ ‫السماحية الكهربائية له هي ( ي ) حيث ‪ :‬ي = ي‪ × 0‬ز‬ ‫ويسمى (ث عزل) ثابت العزل للوسط‪ .‬وعلى ذلك يكون ثابت العزل للهواء أو الفراغ هو الواحد الصحيح‬

‫ما وحدة قياس ثابت العزل؟‬

‫ابحث في فكرة عمل لوحة مفاتيح الكمبيوتر‬

‫تصميم املكثف ‪:‬‬

‫مفتاح‬ ‫عمود‬ ‫لوح معدني متحرك‬ ‫مادة عازلة‬ ‫لوح معدني ثابت‬

‫مكثف‬

‫شكل (‪)3-2‬‬

‫تعتمد عملية تصنيع املكثفات على خصائص هامه تتعلق بـ سعته ونوع الوسط العازل فمن املكثفات التى تعالج‬ ‫جانب السعة لدينا نوعان من املكثفات ‪:‬‬ ‫‪ -1‬مكثفات ثابتة السعة‬

‫‪ -2‬مكثفات متغيرة السعة‬

‫أما املكثفات التي تضيف نسبة إلى نوع الوسط العازل فنجد منها عدة أنواع ‪:‬‬ ‫‪ -1‬املكثف الهوائي‬

‫‪ -2‬املكثف الورقي‬

‫‪ -3‬املكثف املايكا‬

‫‪ -4‬املكثف البالستيكي العازل‬

‫‪ -5‬املكثف اإللكتروليتي‬ ‫‪44‬‬

‫‪ -1‬أنواع املكثفات‪:‬‬ ‫ ‬

‫‪ )1‬مكثفات ثابتة السعة ‪:‬‬

‫وسميت بهذا االسم ألن سعتها غير قابلة للتغيير ‪ ،‬وميكن‬ ‫التعرف على بعض هذه املكثفات كما في الشكل املقابل‪.‬‬

‫ ‬

‫‪ )2‬مكثفات متغيرة السعة ‪:‬‬

‫مكثفات ثابتة السعة‬ ‫شكل (‪ )4-2‬أ‬

‫وغالبا ما يكون الوسط العازل في هذه األنواع هو الهواء ‪.‬‬ ‫وميكن تغيير سعة املكثف في الدوائر الكهربائية وأثناء عملها وذلك بالتحكم بأحد العوامل مكثفات متغيرة السعة‬

‫املؤثرة في السعة ‪ ...‬حدد هذا العامل‬

‫شكل (‪ )4-2‬ب‬

‫تفحص جهاز املذياع في املنزل وتعرف على املكثف الهوائي فيه وناقش كيف ‬ ‫يتم تغيير السعة‬ ‫ما أثره على عمل اجلهاز ؟‬ ‫ارسم مكثفا كرويا وآخر اسطوانيا‬ ‫متتاز املكثفات ذات األوساط املادية املختلفة غير الهواء بسعة أكبر ملاذا؟‬

‫فوائد املكثفات‬

‫‪ -1‬تخزين الطاقة الكهربائية في املجال املوجود بني اللوحني ومن ثم إمكانية‬ ‫تفريقها في زمن قصير وبطاقة كبيرة‪.‬‬ ‫‪ -2‬يستخدم في توليد الذبذبات واحلصول على تيار متناوب في الدوائر‬ ‫نظرا لوجود خاصية املقاومة ( املعاوقة ) ملرور التيار الكهربائي‪.‬‬ ‫الكهربائية ً‬ ‫‪ -3‬إزالة تشويش األجهزة الالسلكية‪.‬‬ ‫شكل (‪)5-2‬‬ ‫الشكل املقابل ميثل مكثف متغير السعة تقوم فكرته األساسية على تغيير‬ ‫مساحة اللوحني املتقابلني الذين يفصل بينهما الهواء حدد كم عدد املكثفات التي ميثلها الشكل حاول التعرف على‬ ‫كيفية تغيير املساحة املتقابلة بإمكانك اإلستفادة من جهاز مذياع ال يعمل للتعرف على خصائص هذا املكثف‪.‬‬ ‫‪45‬‬

‫توصيل املكثفات‪:‬‬ ‫للتمكن من القيام بالتطبيقات السابقة واالستخدامات املتعددة يتم توصيل املكثفات في الدوائر الكهربائية‬ ‫بعدة طرق‪:‬‬ ‫‪ )1‬التوصيل على التوالي ( التسلسل )‬ ‫‪ )2‬التوصيل على التوازي‪0‬‬ ‫للتعرف على طريقة التوصيل املناسب والغرض الذي حتققة تابع عملية التوصيل على التوالي واستنتج خصائص‬ ‫التوصيل ‪.‬‬

‫أوالً‪ :‬التوصيل على التوالي ( التسلسل ) ‪:‬‬

‫قم بإيصال املكثفات كما في الشكل وحدد الشحنات على األقطاب‪.‬‬ ‫بتطبيق قانون حفظ الطاقة جند أن‪:‬‬ ‫جـ= جـ‪ + 1‬جـ‪+ 2‬جـ ‪............. + 3‬‬ ‫ ‬ ‫ش‬ ‫حيث ‪ :‬جــ = سع‬ ‫ش‬ ‫ش‬ ‫ش‬ ‫ش‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫=‬ ‫إذا ‪:‬‬ ‫سع‬ ‫سع‬ ‫سع‬ ‫سع‬

‫أ‬

‫حيث ‪ :‬ش = ش‪ = 1‬ش‪ = 2‬ش‪ ..................... 3‬ملاذا ؟‬ ‫وعليه تكون السعة املكافئة ‪:‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫=‬ ‫سع‬ ‫سع‬ ‫سع‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬

‫سع‬ ‫‪- +‬‬ ‫‪1‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬

‫جـ‬

‫‪1‬‬

‫‪+‬‬

‫ د ‪+‬‬‫ ‪+‬‬‫ ‪+‬‬‫ ‪+‬‬‫‪+‬‬

‫سع‬

‫‪2‬‬

‫جـ‬

‫‪-‬‬

‫‪2‬‬

‫ جـ ‪+‬‬‫‪+‬‬ ‫‬‫‪+‬‬ ‫‬‫‪+‬‬ ‫‬‫‪+‬‬

‫جـ أ ب‬

‫شكل (‪)6-2‬‬

‫‪1‬‬ ‫سع‬ ‫‪3‬‬

‫هل يؤدي توصيل املكثفات على التوالي إلى زيادة أم تقليل السعة الكلية ؟ ما أثر‬ ‫ذلك في الدائرة الكهربائية ؟ وما الفائدة التي ميكن حتقيقها ؟‬

‫‪46‬‬

‫‪+‬‬

‫سع‬

‫‪3‬‬

‫‪-‬‬

‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬

‫جـ‬

‫‪3‬‬

‫ب‬

‫ثانياً‪ :‬التوصيل على التوازي ‪:‬‬

‫ارسم شكل يوضح عدد من املكثفات موصلة على التوازي محدد ًا األقطاب‬ ‫ماذا تالحظ ؟ ما العامل الذي تغير في هذه احلالة ؟‬

‫طبق قانون حفظ الطاقة ستجد أن‬ ‫جـ = جـ‪ =1‬جـ‪ = 2‬جـ‪ ................... = 3‬ملاذا ؟‬ ‫ولكن ش = ش‪ + 1‬ش‪ + 2‬ش ‪ ................ + 3‬ملاذا ؟‬ ‫ش‬ ‫من العالقة‪ :‬سع =‬ ‫جـــ‬

‫ش = جـ × سع‬

‫\ جـ سع = جـ سع‪ + 1‬جـ سع‪ + 2‬جـ سع‪................+ 3‬‬ ‫\‬

‫سع = سع‪ + 1‬سع ‪ 2+‬سع‬

‫ارسم مكثفات موصلة على التوازي‬

‫‪3‬‬

‫وهذا يعني أن السعة الكلية للمكثفات املوصلة على التوازي‬ ‫‪.................................................‬‬ ‫‪...................................................‬‬ ‫‪.............‬‬

‫تصنع املكثفات بقيم‬ ‫محددة السعة‬

‫ما أهمية ذلك في الدوائر الكهربائية وما الفائدة التي ميكن حتقيقها من ذلك ؟‬

‫‪47‬‬

‫تدريب (‪)1-2‬‬

‫وصلت ثالث مكثفات سعاتها ‪ 6 ، 4 ، 2‬ميكروفاراد جد السعة املكافئة للمجموعة إذا ربطت تارة على‬ ‫التوالي وأخرى على التوازي‪ .‬ثم قارن بني النتيجتني؟‬ ‫‪................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................‬‬

‫معتمد ًا على ما تعلمته من توصيل المكثفات أكمل اجلدول التالي‬ ‫وجه املقارنة‬

‫التوصيل على التوالي‬

‫التوصيل على التوازي‬

‫السعة املكافئة‬ ‫الصيغة الرياضية للسعة‬ ‫فرق اجلهد الكهربائي‬ ‫الغرض من التوصيل‬ ‫كمية الشحنة الكلية‬

‫اختبار سريع‪:‬‬ ‫لديك ثالث مكثفات وبطارية‪ ،‬كيف تربط هذه املكثفات والبطارية في دائرة واحدة بحيث‬ ‫تخزن املكثفات أعظم طاقة ممكنة؟‬

‫‪48‬‬

‫ما نوع توصيل املكثفات في الشكل املقابل؟‬ ‫كم تكون السعة املكافئة في هذه احلالة ؟‬ ‫فسر عملية التوصيل هذه هل تختلف عن‬ ‫الطريقتني السابقتني ‪ .‬ملاذا ؟‬ ‫ب‬

‫أ ‬

‫تفحص مجموعة األجهزة الكهربائية واأللعاب االلكترونية في منزلك وحاول التعرف‬ ‫على أنواع املكثفات وطريقة توصيلها ‪.‬‬

‫الطاقة املخزنة في مكثف مشحون ‪:‬‬ ‫إن عملية شحن املكثف تؤدي إلى زيادة فرق اجلهد بني لوحيه من صفر ( في بداية الشحن) إلى أن يصبح جـ‬ ‫(عند نهاية الشحن ) وعلي ذلك يكون جهد املكثف متغيراً أثناء عملية الشحن أي أن‪:‬‬

‫متوسط جهد املكثف =‬

‫صفر ‪ +‬جـــ‬ ‫‪2‬‬

‫=‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬

‫جــ‬

‫‪1‬‬ ‫ ‬ ‫إذا ‪:‬‬ ‫جــ × ش‬ ‫طاقة املكثف (ط) =‬ ‫‪2‬‬ ‫ ‬ ‫وحيث أن ش = سع × جـ‬

‫ط=‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬

‫جند أن ‪:‬‬

‫جــ × سع‬ ‫‪2‬‬

‫ط=‬

‫‪1‬ش‬ ‫‪ 2‬سع‬

‫‪2‬‬

‫ومن العالقات السابقة نستطيع حساب طاقة املكثف ‪.‬‬ ‫‪49‬‬

‫سؤال للتفكير‪:‬‬ ‫ماوجه الشبه بني الزنبرك واملكثف الكهربائي ؟‬ ‫ـ خزن الطاقة ثم تفريغها بسرعة (زمن قصير)‪.‬‬ ‫ـ تكون أشكالها وسعتها (ثابت الزنبرك) مختلفة‪.‬‬ ‫ش‬ ‫جـ‬

‫سع =‬

‫سع‬

‫للهواء‬

‫ق‬ ‫ل‬

‫أ=‬

‫ي ‪ ×0‬س‬ ‫=‬ ‫ف‬

‫حيث ‪ :‬ي‪ 0‬سماحية الهواء الكهربائية‬ ‫سع‬

‫للزيت‬

‫ي ×س‬ ‫=‬ ‫ف‬

‫حيث ‪ :‬ى سماحية الوسط الكهربائية‬ ‫واجلدول التالي يعطي بعض القيم لسماحية الوسط الكهربائية ‪:‬‬ ‫املادة‬ ‫الهواء‬ ‫الورق ( اجلاف )‬ ‫شريط بوليسترين‬ ‫ميكا‬ ‫ورق مشرب‬ ‫خزف‬

‫‪50‬‬

‫السماحية‬ ‫‪1.0005‬‬ ‫‪2.5 -2‬‬ ‫‪3 -2‬‬ ‫‪7 -3‬‬ ‫‪6 -4‬‬ ‫‪100-6‬‬

‫أسئلة وتمارين الفصل‬ ‫‪ )1‬فسر ما يحدث ‪:‬‬ ‫أ‪ -‬للشحنة على لوحي املكثف إذا زاد فرق اجلهد بينها إلى الضعف ؟‬ ‫ب‪ -‬للجهد الكهربائي ملكثف وضع داخل مكثف ذي لوحني مستويني ؟‬ ‫جـ‪ -‬ملاذا يكون اجلهد الكهربائي لصفيحة من الزنك ملفوفة على بعضها أكبر من جهدها الكهربائي عند‬ ‫مستو ؟‬ ‫شكل ٍ‬ ‫فردها على ٍ‬ ‫‪ )2‬مكثف لوحاه مربعا الشكل إذا كانت سعته ‪ 1‬فاراد والبعدبني اللوحني ‪ 5- 10× 2‬م احسب طول‬ ‫ضلعي املكثف ‪.‬‬ ‫‪ )3‬إن مجموع الشحنات على لوحي املكثف = صفر دائم ًا ‪ .‬ناقش هذه العبارة‬ ‫‪ )4‬للموصالت واملكثفات عدة عوامل تؤثر على سعتها الكهربائية اذكر كيف تؤثر هذه العوامل‬ ‫على السعة؟‬ ‫‪ )5‬صفيحتان من القصدير أبعاد الواحدة منها ‪45‬سم× ‪66‬سم تفصل بينهما صفيحة من املايكا‬ ‫علما أن ثابت العزل للمايكا= ‪ 4‬وأن‬ ‫سمكها ‪ 0.3‬ملم احسب السعة الكهربائية لها ؟ ً‬

‫سماحية الهواء ‪ 12-10×8.85‬كولوم ‪ /2‬نيوتن ‪ 0‬م‬

‫‪2‬‬

‫‪ )6‬ما مقدار الشحنة املوجودة على لوحي مكثف سعتة ‪ 2.5‬ميكروفاراد وصل قطباه مع مصدر فرق‬ ‫اجلهد بني طرفيه ‪ 100‬فولت ؟ احسب الطاقة املختزنة في املكثف ‪.‬‬ ‫‪ )7‬احسب فرق اجلهد بني لوحي مكثف يختزن طاقة كهربائية مقدارها ‪ 240‬جول إذا كانت على‬ ‫لوح من ألواح املكثف شحنة مقدارها ‪ 610×2.4‬ميكروكولوم ؟‬

‫‪51‬‬

‫‪ )8‬مكثفان سعة األول ‪ 3‬بيكو فاراد وسعة الثاني ‪ 6‬بيكو فراد متصالن على التوالي واملجموعة‬ ‫متصلة بني طرفي مصدر كهربائي فرق اجلهد بني طرفية ‪ 1000‬فولت‪،‬ظ احسب ‪:‬‬ ‫ ‬

‫أ ‪ -‬مقدار الشحنة على املجموعة وعلى كل مكثف ‪.‬‬

‫ ‬

‫ب ‪ -‬فرق اجلهد الواقع على كل مكثف‪.‬‬

‫ ‬

‫جـ ‪ -‬الطاقة املخزونة في املكثفني ‪.‬‬ ‫‪ )9‬مكثفان سعة األول ‪ 200‬بيكو فاراد وسعة الثاني ‪ 600‬بيكو فاراد متصالن على التوازي ثم‬ ‫وصال مبصدر لفرق اجلهد قدره ‪ 12‬فولت ‪ .‬احسب مقدار السعة للمجموعة والشحنة على كل‬ ‫منهما‪.‬‬ ‫مساو لعرض‬ ‫‪ )10‬وضعت صفيحة من الورق عرضها ‪4‬سم بني صفيحتني معدنيتني عرض كل منهما ٍ‬ ‫صفيحة الورق‪ ،‬ف َت َك َّونَ مكثف سعته ‪ 2‬ميكروفاراد ‪ 0‬احسب طول شريط الورق املطلوب إذا‬

‫علمت أن ثابت العازلية للورق‪. 2.5‬‬ ‫‪ )11‬لوحان متوازيان فرق اجلهد بينهما ‪ 2000‬فولت ‪ ،‬احسب أصغر مسافة بينهما بحيث التتعدى‬ ‫شدة املجال ‪ 6 10 ×3‬نيوتن ‪ /‬كولوم حتى اليصير الهواء بينهما موصال ‪.‬‬

‫‪52‬‬

‫الكهرباء المتحركة ‪Electric Current‬‬ ‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يعدد أنواع املواد من حيث توصيلها للتيار‬ ‫الكهربائي‪.‬‬ ‫يعرف التيار الكهربائي‪.‬‬ ‫مييز بني االجتاه الفعلي واالجتاه االصطالحي‬ ‫للتيار الكهربائي‪.‬‬ ‫يجري جتارب توضح آثار التيار الكهربائي‪.‬‬ ‫يتعرف على وسائل تخزين الطاقة الكهربائية‪.‬‬ ‫يعرف القوة احملركة ملولد‪.‬‬ ‫يعدد العوامل التي تعتمد عليها املقاومة‬ ‫الكهربائية‪.‬‬ ‫يتحقق من صحة قانون أوم عملي ًا‪.‬‬ ‫يوجد قيمة مقاومة مجهولة بواسطة األوميتر‪.‬‬ ‫يتعرف على القدرة الكهربائية‪.‬‬

‫يحسب تكاليف تشغيل األجهزة الكهربائية‪.‬‬ ‫يشرح نص قانون حفظ الطاقة الكهربائية‪.‬‬ ‫يشرح نص قانون حفظ الشحنة الكهربائية‪.‬‬ ‫يطبق قانوني حفظ الطاقة والشحنة على دائرة‬ ‫بسيطة‪.‬‬ ‫يشرح طريقتي ربط املقاومات على التوالي وعلى‬ ‫التوازي‪.‬‬ ‫يناقش طريقتي ربط عدة مولدات على التوالي‬ ‫وعلى التوازي‪.‬‬ ‫يحول دوائر معقدة إلى دوائر بسيطة‪.‬‬ ‫يذكر نص قانوني كير شوف‪.‬‬ ‫يطبق قانوني كرشوف على بعض الدوائر‬ ‫الكهربائية املعقدة‪.‬‬

‫الكهرباء املتحركة (التيار الكهربائي)‬ ‫تتمتع املادة في حاالتها الثالث بقدرات مختلفة على توصيل التيار الكهربائي وتختلف هذه القدرات باختالف‬ ‫الظروف احمليطة ولكي تتعرف على هذه الظروف نناقش حاالت املادة‪:‬‬

‫املواد اجلامدة‬ ‫تنقسم اجلوامد كهربائي ًا إلى ‪:‬‬ ‫‪ -1‬موصالت‪.‬‬ ‫‪ -2‬عوازل ‪.‬‬ ‫‪ -3‬أشباه املوصالت وهي التي تتغير سماحيتها النتقال الشحنات الكهربية بعوامل أخرى مثل درجة احلرارة‪،‬‬ ‫والتصاميم الهندسية ‪ ،‬لذا تكون موصلة أحيانا وعازلة أحيانا أخرى ‪.‬‬ ‫متتاز املوصالت بقدرتها على التوصيل الكهربائي بسبب وفرة االلكترونات احلرة في مداراتها اخلارجية‪0‬‬ ‫أما املواد العازلة فال ميكنها التوصيل الكهربائي لعدم وجود الكترونات حرة في مداراتها اخلارجية ‪.‬‬ ‫في حني جند أن أشباه املوصالت بالرغم من عدم وجود الكترونات حرة في مداراتها اخلارجية إال أنه ميكن نقل‬ ‫اإللكترونات إليها عند ارتفاع درجة حرارة املادة ‪.‬‬

‫السوائل‬

‫ن�شاط ‪1-3‬‬ ‫األدوات ‪ :‬ماء مقطر ‪-----------+ ----------- +‬‬ ‫صل الدائرة كما في الشكل (‪)3-1‬‬

‫ أغلق القاطعة ‪ 0000‬هل ينحرف مؤشر األميتر‪ .‬على‬‫ماذا يدل ذلك؟ هل املاء املقطر موصل جيد للكهرباء؟‬

‫ أضف كمية من ملح الطعام إلى املاء بحيث يتكون‬‫محلول من امللح‪ -‬أغلق القاطعة‪ ،‬ماذا تالحظ؟‬

‫أميتر‬

‫(أكمل)‬ ‫بطارية‬

‫قاطعة‬ ‫نحاس‬

‫‪---------------------‬‬‫‪---------------------‬‬‫‪----------------‬‬‫‪---------------------‬‬‫‪-----------------‬‬‫‪---------------------‬‬‫‪------------------‬‬

‫شكل (‪)1-3‬‬ ‫‪54‬‬

‫نحاس‬ ‫ماء مطر‬

‫الحظ أورينوس أنه عند إذابة أوصهر بعض املركبات فإنها تصبح ناقلة للتيار الكهربائي ويسمى احمللول املتكون‬ ‫باإللكتروليت والذي يحوي نوعني من األيونات التي َّ‬ ‫تفكك إليها املركب ( ماهما)؟‬ ‫فإذا غمسنا قطبني من معدنني ناقلني للتيار الكهربائي في احمللول أو املصهور ومت توصيلهما بدائرة كهربائية‬ ‫نالحظ مرورتيار كهربائي خالل احمللول‪ .‬لذا نسمي القطبني بـ ‪:‬‬ ‫‪ -1‬املصعد( القطب املوجب )‬ ‫‪ -2‬املهبط ( القطب السالب )‬

‫الغازات‬ ‫هل ميكن للغاز أن يكون موصالً؟‬ ‫بتطبيق فرق جهد عالي على غاز محصور يتولد مجال كهربائي بني قطبي فرق اجلهد‪ ،‬وهذا املجال يكسب‬ ‫األيونات املوجبة الناجتة من سقوط األشعة الكونية واإلشعاع الطبيعي تسارعا باجتاه القطب السالب‪ ،‬وعند اصطدام‬ ‫هذه األيونات بالقطب السالب فإنها حترر الكترونات ضعيفة االرتباط بذراتها فتتسارع هذه اإللكترونات نحو‬ ‫القطب املوجب وتعمل على تأيني الغاز خالل مسارها ‪ .‬وبتكرار هذه العملية نحصل على تيار كهربائي خالل‬ ‫الغاز الذي أصبح موصال‪.‬‬ ‫من خالل الدراسات السابقة يتبني لنا اختالف املواد في نقلها للتيار الكهربائي وأثر ذلك على خصائصها ‪.‬‬

‫فما هو التيار الكهربائي وكيف ينتقل وهل ميكن التحكم فيه؟‬ ‫التيار الكهربائي ‪Electric Current :‬‬ ‫إلكترون‬

‫يتولد التيار الكهربائي في النواقل املعدنية‬ ‫نتيجة حلركة اإللكترونات احلرة حتت تأثير‬ ‫املجال الكهربائي الناشئ عن فرق جهد‬ ‫بني طرفي الناقل املعدني شكل (‪ 3‬ـ‪.)2‬‬

‫بعد مرور التيار‬

‫قبل مرور التيار‬

‫شكل (‪)2-3‬‬ ‫‪55‬‬

‫هل تستطيع إعطاء تعريف للتيار الكهربائي في احملاليل االلكتروليتية ؟‬ ‫أعطي تعريفا شامال للتيار الكهربائي ؟‬

‫اجتاه التيار الكهربائي ‪:‬‬ ‫اصطلح العلماء على أن يكون اجتاه التيار الكهربائي في الدوائر الكهربائية من القطب املوجب ملصدر الطاقة‬ ‫الكهربائية إلى القطب السالب ويسمى هذا االجتاه االصطالحي للتيار‪ ،‬في حني يكون اجتاه التيار داخل البطارية‬ ‫من القطب السالب إلى القطب املوجب للمصدر ويسمى باالجتاه الفعلي‪.‬‬

‫(‪ )1‬شدة التيار الكهربائي (ت)‪:‬‬ ‫(‪ )1‬مرور الشحنات الكهربائية في األسالك يشبه مرور املاء في األنابيب ‪ ،‬فكلما زادت كمية املاء املارة مبقطع‬ ‫معني من األنبوبة في الثانية الواحدة قيل إن (شدة التيار كبيرة)‪.‬‬ ‫(‪ )2‬باملثل تقدر شدة التيار الكهربي بكمية الشحنات الكهربائية املارة مبقطع معني من املوصل في الثانية الواحدة‪.‬‬ ‫تعرف شدة التيار الكهربي(ت) بأنها‪ :‬كمية الكهرباء(ش) مقدرة بالكولوم التي متر خالل مقطع معني في‬ ‫دائرة كهربية في زمن (ز ) قدره ثانية واحدة‪.‬‬ ‫ش‬ ‫ت=‬ ‫وعليه فإن ش = ت ‪.‬ز‬ ‫ ‬ ‫ز‬ ‫و تقدر شدة التيار الكهربي في النظام الدولي للوحدات بوحدة تسمى”األمبير” وهو وحدة أساسية ‪.‬‬ ‫ ‬

‫وعلى ذلك يكون‪:‬‬

‫ ‬

‫واحد كولوم‬ ‫واحد أمبير =‬ ‫واحد ثانية‬

‫ ما هي أجزاء األمبير ؟‬‫ ما اسم اجلهاز املستخدم لقياس شدة التيار؟‬‫‪ -‬ارسمه ؟ بني كيف يربط الدائرة الكهربائية؟‬

‫‪56‬‬

‫األمبير‪:‬‬

‫هوشدةالتيارالكهربائـــيعندمـــايمــــــر‬ ‫‪ 1‬كولوم من الكهرباء في ثانية واحدة‬ ‫خالل مقطع معين من الموصل‬

‫إذا مرت شحنة مقدارها ‪ 360‬كولوم في سلك خالل دقيقة احسب شدة التيار‬ ‫و هناك نوعان من التيارات الكهربائية ‪:‬‬ ‫ ‬

‫(‪ )1‬تيار مباشر أو مستمر ( ‪ )D.C‬وهو تيار ثابت الشدة واالجتاه ‪.‬‬

‫ ‬

‫(‪ )2‬تيار متردد (‪ )A.C‬وهو تيار متغير الشدة واالجتاه‪.‬‬

‫آثار التيار الكهربائي‬

‫حتمل اإللكترونات املكونة للتيار الكهربائي طاقة كهربائية َّ‬ ‫مكن اهلل سبحانه وتعالي لإلنسان االستفادة منها‬ ‫وذلك بتحويلها إلى طاقة ضوئية أو طاقة حركية أو طاقة حرارية أو طاقة كيمائية ومبا أن التيار الكهربائي الميكننا‬ ‫مشاهدته فإننا نستدل على وجوده من خالل آثاره التي ميكنك التعرف عليها بإجرائك النشاط التالي‪:‬‬

‫ن�شاط ‪2-3‬‬ ‫األدوات ‪ :‬بطارية ( يفضل ‪ 6‬فولت) سلك توصيل ‪ ،‬وعاء زجاجي ‪ 0.25 ،‬لتر من املاء املذاب به ملح‬ ‫الطعام (كلوريد الصوديوم)‪ ،‬كأس زجاجي ‪ ،‬إبرة مغناطيسية ‪ ،‬مصباح كهربي يتناسب مع املولد ‪ ،‬قاطع‪0‬‬ ‫لوحان معدنيان‬ ‫قاطعة‬

‫مصباح‬

‫بطارية‬

‫خطوات العمل‪:‬‬

‫‪ .1‬كون دائرة كما في الشكل (‪)3-3‬‬ ‫‪ .2‬أغلق القاطع الكهربائي‬ ‫‪ .3‬ماذا حدث لإلبرة املغناطيسية؟‬

‫أثر حراري‬

‫إبرة‬ ‫مغناطيسية‬

‫‪ .4‬ماذا حدث للمصباح‬ ‫‪ .5‬بعد ‪ 10‬دقائق ماذا حدث حمللول ملح الطعام؟‬ ‫‪ .6‬ماذا حدث لدرجة حرارة محلول ملح الطعام؟‬

‫وعاء حتليل كهربائي (فولتا متر)‬ ‫شكل (‪)3-3‬‬

‫‪57‬‬

‫الشك أنك الحظت إضاءة املصباح وانحراف اإلبرة املغناطيسية وارتفاع درجة حرارة املاء وحتليل محلول ملح‬ ‫الطعام وهذه كلها أثار للتيار الكهربائي تدل على وجوده ‪ ،‬ومما يجب التنبيه إليه أن آثار التيار الكهربائي هي‬ ‫أثار عكوسة ‪ 0‬فالضوء يولد التيار الكهربائي كما في اخلاليا الشمسية ‪ ،‬واحلرارة تولد التيار كما في االزدواج‬ ‫الكهروحراري والتفاعل الكيميائي يولد تياراً كهربائيا كما في البطاريات ‪ ،‬واملغناطيس يولد تياراً كهربائي ًا كما في‬ ‫مولد السيارة أو الدرجة الهوائية‪.‬‬

‫توليد الطاقة الكهربائية‬ ‫‪ -1‬مصادر التيار املستمر‬ ‫ميكن احلصول على الطاقة الكهربائية من أنواع خاصة من اخلاليا تعرف باخلاليا الكهروكيميائية حيث يتم فيها‬ ‫حتويل الطاقة الكيمائية إلى طاقة كهربائية وتنقسم إلى قسمني ‪:‬‬ ‫‪ .1‬خاليا أولية ‪ :‬وهي اخلاليا التي ال ميكن إعادة شحنها وبالتالي إذا أفرغت يجب استبدالها ومن أمثلة هذا‬ ‫النوع اخللية اجلافة وخلية أكسيد الزئبق‬ ‫‪ .2‬خاليا ثانوية‪ :‬وهي اخلاليا التي ميكن إعادة شحنها ومن أمثلة هذا النوع املركم الرصاصي‪.‬‬

‫اعط أمثلة أخرى خلاليا أولية وخاليا ثانوية من حياتك اليومية‬ ‫‪ -1‬اخللية اجلافة‬ ‫تعد من أفضل أنواع اخلاليا بسبب صغر حجمها وسهولة‬ ‫استخدامها ووجودها بأحجام وأشكال مختلفة تتناسب مع‬ ‫كافة االستخدامات‪.‬‬ ‫فبالنسبة خللية قوتها احملركة ‪ 1.5‬فولت‪ ،‬فإنها تعمل ملدة‬ ‫تصل إلى ‪ 11‬ساعة في املتوسط إذا كانت شدة التيار ‪200‬‬ ‫مللي أمبير‪.‬‬

‫مادة عازلة‬ ‫قضيب اجلرافيت‬ ‫مادة كربونية‬

‫علبة معدن‬ ‫الزنك‬

‫شكل (‪)4-3‬‬

‫تعرف على مكونات هذه اخللية بالترتيب من اخلارج إلى الداخل (‪)4-3‬‬ ‫‪58‬‬

‫كيف يتولد التيار في اخللية اجلافة؟‬

‫‪ .1‬عندما تالمس صفيحة اخلارصني اإللكتروليت تنأين ذرات اخلارصني حسب املعادلة‪ :‬‬ ‫‪ zn zn++ + 2e -‬‬‫‪ .2‬عند توصيل قطبي اخللية مبوصل تترك اإللكترونات لوح اخلارصني ( القطب السالب)‬ ‫وتتحرك عبر سلك التوصيل ِّ‬ ‫مشكل ًة تياراً كهربائي ًا متجهة إلى عمود اجلرافيت ( القطب‬ ‫املوجب)‬ ‫‪ .3‬يتأين كلوريد األمونيوم حسب املعادلة ‪:‬‬

‫ ‬

‫‪NH4+ + 2CI --‬‬

‫ ‬

‫‪2NH4CI‬‬

‫‪ .4‬تتحد اإللكترونات التي تصل إلى القطب املوجب للخلية مع أيونات األمونيوم املوجبة‬ ‫حسب املعادلة‪:‬‬ ‫‪2NH3 + H2‬‬

‫‪2NH4+ + 2e-‬‬

‫‪ .5‬ذرات الهيدروجني الناجتة تكون على هيئة فقاعات غازية تشكل طبقة عازلة على عمود‬ ‫اجلرافيت وتوقف سريان التيار الكهربائي ‪ 0‬وتسمى ظاهرة تراكم فقاعات الهيدروجني على‬ ‫عمود اجلرافيت باالستقطاب وملنع حدوثه وضعت مادة ثاني أكسيد املنجنيز حيث تتفاعل‬ ‫مع ذرات الهيدروجني حسب التفاعل التالي‪:‬‬ ‫‪H2 O + Mn2 O3‬‬

‫‪2MnO2 + H2‬‬

‫‪59‬‬

‫ن�شاط حر‬ ‫أحضر خلية جافة مستهلكة وخلية جافة جديدة وافحص مكوناتها الداخلية وتعرف عليها‬ ‫وقارن بينهما‪ .‬ماذا تالحظ ؟ ( احذر من ملسها بيدك مباشرة فهي مواد كيمائية ضارة)‪.‬‬ ‫‪ -2‬خلية أكسيد الزئبق‪:‬‬ ‫وهي كتلك املستخدمة في الساعات اليدوية وبعض احلاسبات ‪.‬انظر الشكل‬ ‫تعمل الساعة بخلية أكسيد الزئبق‪.‬‬

‫هل شدة التيار الناجتة عن هذه اخلاليا كبيرة؟‬

‫املركم الرصاصي ( املدخرة) ‪:‬‬ ‫ ابح���ث في مص���ادر المعلومات عن تركيب المرك���م الرصاصي‪ .‬وطريقة‬‫شحنه‪.‬‬ ‫‪ُ -‬يعرف هذا النوع من الخاليا بالبطاريات العاكسة لماذا؟‬

‫شكل (‪)5-3‬‬ ‫‪60‬‬

‫الدوائر الكهربائية ‪:‬‬ ‫أ‬

‫‪َ -‬ك ِّو ْن دائرة كهربائية بسيطة وحدِّ ْد أهم املكونات مع الرسم‪0‬‬

‫ ما هي القوانني التي حتكم مرور التيار الكهربائي في الدائرة الكهربائية؟‬‫‪ -‬ما األجهزة املستخدمة في الدوائر الكهربائية لقياس الكميات الفيزيائية‬

‫مضخة‬ ‫ماء‬

‫ق‬

‫(فرق اجلهد‪ -‬شدة التيار‪ -‬املقاومة)‬ ‫‪ -‬كيف يتم توصيل مكونات الدائرة الكهربائية واألجهزة؟‬

‫ب‬

‫القوة احملركة (الدافعة) الكهربائية ‪:‬‬

‫سريان‬ ‫املياه‬

‫مقاومة‬

‫ذكرنا سابق ًا أنه عند وصل قطبي بطارية مبصباح كهربائي ومفتاح كهربائي عن‬ ‫طريق أسالك توصيل فإن شحنات كهربائية سالبة تتدفق من احد قطبي البطارية‬ ‫إلى القطب اآلخر‪ 0‬وقد تسأل ما الذي يعمل على دفع الشحنات الكهربائية في‬ ‫مضخة‬ ‫الدائرة الكهربائية؟‬ ‫درست في مقرر فيزياء (‪ )1‬أن املاء ينتقل من املنطقةذات الضغط العالي إلى‬ ‫املنطقة ذات الضغط املنخفض ويستمر انتقال املاء إلى أن يتساوى ارتفاع املاء في‬ ‫املنطقتني‪0‬أما إذا أردنا للماء أن يستمر في اجلريان فينبغي استخدام”مضخة” تقوم‬ ‫بنقل املاء من املستودع ( ب) إلى املستودع (أ) بحيث حتافظ على فرق االرتفاع‬ ‫(ف) بني مستويي املاء في املستودعني وهي تبذل في ذلك شغال يكتسبه املاء‬ ‫على صورة طاقة وضع‪ 0‬وباملثل نقول في حالة الدائرة الكهربائية املبينة في الشكل‬ ‫املقابل‪ :‬إن الشحنات الكهربائية تتحرك من (أ) عبر املفتاح الكهربائي و املصباح‬ ‫الكهربائي إلى النقطة (ب) ولكي تتحرك الشحنات املكونة للتيار البد من طاقة‬ ‫تكتسبها من املولد الكهربائي وتعرف تلك الطاقة بالقوة احملركة الكهربائية للمولد‬ ‫( القوة الدافعة الكهربائية) والتي ميكن تعريفها بأنها‪:‬مقدار الطاقة الكهربائية التي‬ ‫يعطيها املولد لكل كولوم يجتازه‪ .‬وتكتب رياضي ًا على الصورة التالية‪:‬‬ ‫ ‬

‫قم=‬

‫ط‬ ‫ش‬

‫يسبب االحتكاك تباطؤ‬ ‫اجلسم إلى أن يتوقف متاما‬

‫ت‬

‫مقاومة‬

‫ت‬

‫ت‬

‫بطارية‬ ‫)أ(‬

‫ت‬

‫‪R‬‬

‫‪-‬‬

‫مالحظة‪:‬‬ ‫القوة الدافعة أو احملركة ليست قوة ميكانيكية‬ ‫ولكنها طاقة وحدة الشحنات‬

‫‪V‬‬

‫‪+‬‬

‫ت‬

‫شكل (‪)6-3‬‬

‫‪61‬‬

‫ما وحدة قياس القوة احملركة الكهربائية‪ ،‬وماذا تكافئ؟‬ ‫ما وجه الشبه واالختالف بني فرق اجلهد الكهربائي والقوة احملركة الكهربائية؟‬ ‫ما معنى قولنا أن القوة احملركة الكهربائية للبطارية اجلافة ‪ 1.5‬فولت؟‬

‫(‪)1-3‬‬ ‫مركم رصاصي قوته احملركة ‪ 24‬فولت‪ .‬أحسب الطاقة التي يعطيها املركم لكمية من الشحنة مقدارها ‪ 10‬كولوم‪.‬‬ ‫احلل ‪:‬‬ ‫ط = قم × ش = ‪ 240 = 10 × 24‬فولت ‪ .‬كولوم (جول)‬

‫تدريب (‪)1-3‬‬ ‫احسب القوة الدافعة الكهربية ملصدر إذا كان الشغل املبذول لنقل كمية من الكهرباء‬ ‫قدرها ‪ 1.5‬كولوم يساوي ‪ 30‬جول‪.‬‬

‫املقاومة الكهربائية‪:‬‬ ‫تختلف سرعة الشحنات الكهربائية داخل املوصالت بسبب املمانعة املؤثرة على حركة الشحنات والناجتة من‬ ‫تصادم هذه الشحنات بعضها ببعض أو تصادمها مع ذرات املوصل مما يؤدي ارتفاع في درجة حرارة املوصل وتختلف‬ ‫هذه املمانعة من مادة إلى أخرى‪ .‬وتسمى ممانعة املوصل حلركة الشحنات فيه بـ ‪ :‬املقاومة الكهربائية ملوصل‪.‬‬ ‫وبالرغم من أن املقاومة الكهربائية تسبب هدراً للطاقة إال أنها ضرورية حلماية أجزاء الدوائر الكهربائية أو األجهزة‬ ‫حيث تتحكم في شدة التيار املار فيها‪ 0‬وتقاس باألوم ويرمز له بالرمز ‪W‬‬ ‫‪62‬‬

‫أنواع املقاومات‪:‬‬ ‫(‪ )1‬مقاومات ثابتة ‪:‬‬ ‫شكل (‪3-7‬أ)‪.‬‬

‫وهي مقاومات ثابتة القيمة سواء كانت كبيرة أم صغيرة ‪ 0‬وتكتب عليها قيمتها‪0‬‬

‫(‪ )2‬مقاومات متغيرة (ريوستات)‬

‫شكل (‪3-7‬ب)‪ .‬‬

‫وهي مقاومات ميكن تغيير قيمتها ‪:‬‬ ‫وذلك بتحريك زالق على سلك مقاومة لتغيير طول السلك الذي‬ ‫مير به التيار وبذلك ميكن التحكم في شدة التيار املار في الدائرة ‪.‬‬

‫شكل (‪ )3-7‬أ‬

‫العوامل التي تتوقف عليها مقاومة موصل‪:‬‬ ‫بإمكانك من خالل املوضوعات السابقة التوصل إلى عدد من‬ ‫العوامل التي تؤثر على مقاومة موصل دون ما توصلت إليه وناقش‬ ‫زمالءك في الصف ‪،................. ،.............‬‬ ‫‪،................‬‬ ‫لبيان هذه العوامل جنري النشاط اآلتي‪:‬‬

‫شكل (‪ )3-7‬ب‬ ‫هل تعرف كيف تتحكم باملقاومة املتغيرة؟‬

‫ن�شاط (‪)2-3‬‬ ‫‪ -1‬احضر خلية جافة قوتها الدافعة ‪ 4.5‬فولت‬ ‫‪ -2‬صل أحد قطبيها مبصباح صغير‪.‬‬ ‫‪ -3‬وصل قطبها اآلخر بالقلب اجلرافيتي لقلم رصاص‬ ‫‪ -4‬صل الطرف اآلخر للقلب اجلرافيتي للقلم الرصاص باملصباح من اجلهة األخرى ‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪...............................................................‬‬ ‫‪ -5‬اجعل أحد السلكني املوصلني بالقلب اجلرافيتي قابال لإلنزالق ثم انقص طول القلب اجلرافيتي املوصل‬ ‫بالدائرة‪0‬‬ ‫ماذا تالحظ على قوة إضاءة املصباح ‪ ،‬ملاذا؟ ‪....................................‬‬ ‫‪ -6‬ما العالقة بني قوة إضاءة املصباح وطول القلب اجلرافيتي؟‬

‫‪63‬‬

‫‪ -7‬صل سلك ًا نحاسي ًا بد ًال من القلب اجلرافيتي للقلم الرصاص بحيث يكون له نفس الطول ومساحة املقطع‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪...............................................................‬‬ ‫‪ -8‬هل تغيرت قوة إضاءة املصباح بتغيير نوع املوصل؟‬ ‫‪ -9‬استخدم أسالك ًا من النحاس لها نفس الطول ولكنها ذات مقاطع مختلفة ‪0‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪...............................................................‬‬ ‫‪ -10‬ما العالقة بني قوة إضاءة املصباح ومساحة مقطع السلك النحاسي ؟‬ ‫‪ -11‬نستنتج مماسبق أن العوامل املؤثرة على املقاومة الكهربائية لناقل معدني هي ‪:‬‬ ‫ ‪............................................................... -1‬‬ ‫ ‪...............................................................-2‬‬ ‫ ‪...............................................................-3‬‬ ‫وميكن كتابة العالقة الرياضية بني املقاومة الكهربائية لناقل والعوامل املؤثر عليها على الصورة‬ ‫ل‬ ‫م = من‬ ‫س‬

‫‪64‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫أعد كتابة العالقة السابقة بحيث ميكنك منها حساب‬ ‫قيم املقاومة النوعية ‪ .‬ومنها اذكر وحدة قياسها‪.‬‬

‫من‪ :‬املقاومة النوعية‬ ‫ل‪ :‬طول السلك‬ ‫س‪ :‬مساحة املقطع‬ ‫م‪ :‬املقاومة الكهربائية‬

‫اللون‬ ‫توجد في معظم الدوائر الكهربائية‬ ‫مقاومات ‪ resistors‬توضع بهدف‬ ‫السيطرة على مستوى التيار في مختلف‬ ‫أجزاء الدائرة وهنالك نوعان شائعان من‬ ‫املقاومات هما ‪:‬‬ ‫ املقاومة املركبة والتي حتتوي كربون‪.‬‬‫ ومقاومة السلك امللفوف ‪ ،‬والتي تتكون‬‫من ملف لسلك‬ ‫‪ 0‬إن قيم املقاومات بوحدة األوم حتدد عادة‬ ‫بواسطة رموز من األلوان‪ 0‬كما هو مبني في‬ ‫اجلدول املقابل‬

‫األسود‬ ‫البني‬ ‫األحمر‬ ‫البرتقالي‬ ‫األصفر‬

‫األخضر‬ ‫األزرق‬ ‫البنفسجي‬

‫الرصاصي‬ ‫األبيض‬ ‫الذهبي‬ ‫الفضي‬ ‫بدون لون‬

‫اخلطأ‬ ‫الرقم املضاعف‬ ‫املسموح‬ ‫‪0‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪4‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪10‬‬

‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬

‫‪5‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪7‬‬

‫‪5‬‬

‫‪10‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪7‬‬ ‫‪10‬‬

‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬

‫‪8‬‬ ‫‪9‬‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬

‫‪8‬‬

‫‪10‬‬ ‫‪9‬‬ ‫‪10‬‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫ــ‬

‫ــ‬ ‫ــ‬ ‫‪%5‬‬ ‫‪%10‬‬ ‫‪%20‬‬

‫املقاومة النوعية للمادة‬ ‫من العالقة السابقة يتضح أن اعتماد املقاومة النوعية على طبيعة املادة وهي املقاومة الكهربائية ملوصل طوله وحدة‬ ‫األطوال‪ ،‬ومساحة مقطعه العرض وحدة املساحات‪ ،‬ومير التيار فيه باجتاه طوله‪.‬‬

‫(‪)2-3‬‬ ‫احسب مقاومة اسطوانة أملنيوم طولها ‪ 10‬سم ومساحة مقطعها العرضي‪ 4- 10×2‬م‪ 2‬مستعين ًا بجدول‬ ‫املقاومة النوعية للمواد‪.‬‬ ‫احلل‪ :‬بالتعويض في املعادلة جند أن قيمة مقاومة اسطوانة األملونيوم‪:‬‬ ‫م = من‬

‫ل‬ ‫س‬

‫= ‪ 5-10× 1.41‬أوم‬ ‫‪65‬‬

‫وإذا علمت أن املقاومة الكهربية ألسطوانة مماثلة مصنوعة من الزجاج تساوي ‪ 12 10 × 1,5‬أوم فاحسب املقاومة‬ ‫النوعية للزجاج ثم قارن القيمة التي حصلت عليها مبا هو موجود في اجلدول املقابل (ص‪ )67‬وعينِّ ْ نسبة اخلطأ‬ ‫إن وجدت‪.‬‬

‫(‪)3-3‬‬ ‫أحسب املقاومة الكهربائية لوحدة الطول لسلك من النحاس “نصف قطره ‪0, 32‬ملم”‬ ‫احلل ‪:‬‬

‫ل‬

‫ل‬

‫‪.................................... = 2‬‬ ‫= من‬ ‫م = من‬ ‫ط نق‬ ‫س‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪( ......................................................................‬أكمل)‬

‫تدريب (‪)2-3‬‬ ‫سلك من الفضة طوله ‪62,5‬سم ومقاومته الكهربائية ‪ 70‬أوم (‪ )W‬فإذا كان قطر مقطعه ‪,05‬مم ‪ .‬فأوجد‬ ‫املقاومه النوعية للفضة‪.‬‬ ‫احلل ‪:‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬

‫‪66‬‬

‫جدول يوضح قيم املقاومة النوعية لبعض املواد‬ ‫املادة‬ ‫الفضة‬ ‫النحاس‬ ‫الذهب‬ ‫األملونيوم‬ ‫التنكسنت‬ ‫احلديد‬ ‫بالتنيوم‬ ‫الرصاص‬ ‫‪b‬‬ ‫النكروم‬ ‫الكربون‬ ‫اجليرمانيوم‬ ‫السليكون‬ ‫الزجاج‬ ‫املطاط القاسي‬ ‫الكبريت‬ ‫الكوارتز (املنصهر)‬

‫املقاومة النوعية‬ ‫( ‪) W. m‬‬ ‫(أوم ‪ .‬متر)‬ ‫‪1.59 ×10-8‬‬ ‫‪1.7 × 10-8‬‬ ‫‪2.44 × 10-8‬‬ ‫‪2.82 × 10-8‬‬ ‫‪5.6 × 10-8‬‬ ‫‪10× 10-8‬‬ ‫‪11× 10-8‬‬ ‫‪22× 10-8‬‬ ‫‪1.50 × 10-6‬‬ ‫‪3.5× 10-5‬‬ ‫‪0.46‬‬ ‫‪640‬‬ ‫‪14‬‬ ‫‪10 to 1010‬‬ ‫‪≈ 1013‬‬ ‫‪1015‬‬

‫معامل درجة احلرارة‬ ‫‪(0C-1) µ‬‬ ‫‪3.8 ×10-3‬‬ ‫‪3.9 ×10-3‬‬ ‫‪3.4×10-3‬‬ ‫‪3.9 ×10-3‬‬ ‫‪4.5 ×10-3‬‬ ‫‪5.0 ×10-3‬‬ ‫‪3.92 ×10-3‬‬ ‫‪3.9 ×10-3‬‬ ‫‪0.4 ×10-3‬‬ ‫‪-0.5 ×10-3‬‬ ‫‪-48 ×10-3‬‬ ‫‪-75 ×10-3‬‬

‫‪75 ×1016‬‬

‫تجربة‬

‫قياس المقاومة ‪ -‬قانون أوم‬ ‫جتربة عملية لتحقيق قانون أوم‪:‬‬ ‫األدوات‪:‬‬ ‫مقاومة متغيرة‬ ‫بطارية (‪6‬فولت) فولتميتر‪ ،‬مللي أميتر‪ ،‬مقاومة متغيرة‪،‬‬ ‫أسالك توصيل‪ ،‬مقاومة ثابتة معلومة القيمة‪.‬‬

‫خطوات التجربة‪:‬‬

‫بطارية‬ ‫أميتر‬ ‫مقاومة ثابتة‬

‫‪ -1‬صل الدائرة كما في الشكل (‪.)8-3‬‬ ‫قاطعة‬ ‫‪V‬‬ ‫‪ -2‬أغلق القاطعة وسجل قراءة كل من امللي أميتر‬ ‫شكل (‪)8-3‬‬ ‫والفولتميتر في اجلدول املبني‪.‬‬ ‫‪ -3‬غير من شدة التيار املار في الدائرة بقيم ثابتة وذلك بتغيير قيمة املقاومة املتغيرة وسجل لقراءة‬ ‫اجلديدة لكل من امللي أميتر والفولتميتر في اجلدول‪.‬‬ ‫فولتميتر‬

‫‪67‬‬

‫‪A‬‬

‫(جـ)‬

‫‪ -4‬كرر اخلطوة السابقة عدة مرات‪.‬‬

‫(ت)‬

‫احملاولة قراءة الفولتميتر قراءة املللي أميتر‬

‫‪ -5‬ارسم العالقة البيانية بني جـ‪،‬ت ماذا تالحظ؟‬ ‫‪ -6‬احسب ميل اخلط املستقيم الذي حصلت عليه من‬ ‫الرسم‪.‬‬ ‫‪-7‬قارن قيمة امليل الذي حصلت عليه بقيمة املقاومة‬ ‫املعلومة‪.‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪5‬‬

‫ماذا تالحظ ‪......................‬‬

‫جـ‬

‫ت‬ ‫لعلك الحظت من هذه التجربة أن فرق اجلهد بني طرفي املوصل (قراءة الفولتميتر)‬ ‫يتناسب طردي ًا مع شدة التيار (قراءة املللي أميتر) املار فيه‪00‬ملاذا؟‪0000000000‬‬ ‫جـ ‪ α‬ت‬ ‫كما وجدت أن قيمة الثابت ( ميل اخلط املستقيم ) يساوي‬ ‫مقدار مقاومة املوصل‪.‬‬ ‫أي أن‬

‫قانـون‬ ‫‪68‬‬

‫جــ = م × ت‬

‫مفتاح العالقة‬

‫جـ = ثابت × ت‬

‫جـ ‪ :‬فرق الجهد بالفولت‬ ‫م ‪ :‬المقاومة باألوم‬ ‫ت‪ :‬شدة التيار باألمبير‬

‫وهذا هو قانون أوم الذي نصه‪:‬‬ ‫(عند ثبات درجة احلرارة تتناسب شدة التيار املار في موصل طردي ًا مع‬ ‫فرق اجلهد بني طرفيه)‬

‫ضع مقاومة مجهولة القيمة ثم أعد التجربة السابقة إليجاد قيمتها ‪.‬‬ ‫ثم قارن قيمتها املسجلة عليها بالنتائج التي حتصل عليها من هذه التجربة ‪.‬‬ ‫س ‪ :‬من قانون أوم عرف ك ً‬ ‫ال من ‪ :‬الفولت‪ ،‬األوم‪ ،‬األمبير‬ ‫ج ‪ :‬الفولت هو ‪.....................................................................‬‬ ‫األوم هو ‪ :‬مقاومة ناقل مير به تيار شدته ‪ 1‬أمبير عندما يكون فرق اجلهد بني طرفيه ‪ 1‬فولت‪0‬‬ ‫األمبير هو‪........................................................................ :‬‬ ‫مامعنى قولنا أن املقاومة الكهربائية ملوصل = ‪ W10‬؟‬

‫تدريب (‪)3-3‬‬ ‫مدفأة كهربائية تعمل على فرق جهد قدره ‪ 220‬فولت فإذا كانت شدة التيار املار فيها ‪5‬و‪ 5‬أمبير‬ ‫أوجد مقاومة سلك املدفأة‪.‬‬

‫استخدام األجهزة للقياس املباشر للمقاومة ( األوميتر)‬ ‫وهو جهاز مصمم حلساب قيمة املقاومة مباشرة في أي جزء من‬ ‫أجزاء الدائرة‪ ،‬ويتركب من مولد ( بطارية)‪ ،‬جلفانومتر (جهاز يقيس‬ ‫تيارات صغيرة جداً)‪ ،‬مقاومة ثابتة ‪ ،‬مقاومة متغيرة‪ ،‬فجوة لتثبيت‬ ‫املقاومة املجهولة (أ – ب)‪ .‬ويتم تدريج اجللفانومتر بوحدات املقاومة‬ ‫بد ًال من وحدات شدة التيار وبالتالي فإن قراءة اجللفانومتر تدل على قيمة‬ ‫املقاومة املجهولة مباشرة ‪..‬‬

‫ب‬

‫أ‬ ‫شكل (‪)8-3‬‬

‫حاول أن تضع مقاومة معلومة بني النقطتني أ‪،‬ب ثم قارن قيمتها املسجلة عليها بقراءة األوميتر‪.‬‬

‫‪69‬‬

‫العالقة بني شدة التيار وفرق اجلهد في قانون أوم عالقة خطية‪ .‬واخلاصية اخلطية‬ ‫ليست دائمة بل ُتفقد عند تطبيق فرق جهد عالي‪ .‬ونسعى دائما في التطبيقات لعدم‬ ‫الوصول إلى هذا املدى من اجلهد‪ ،‬بينما تظهر أهمية اخلاصية غير اخلطية بني شدة‬ ‫التيار وفرق اجلهد عند التطبيق في األجهزة اإللكترونية من خالل الترانزستورات‬ ‫(أشباه املوصالت) واملكثفات‪.‬‬ ‫جـ‬

‫جـ‬ ‫امليل‬ ‫ت‬

‫ت‬

‫(ب)‬

‫(أ)‬

‫(أ) منحنى التيار ‪ -‬فرق اجلهد ملادة أومية ‪ 0‬املنحنى خطى‪ ،‬وامليل يساوي مقاومة اجلهاز‪.‬‬ ‫شكل (‪)9-3‬‬

‫اختبار سريع‪:‬‬ ‫ما الذي ميثله املنحنى في الشكل ب؟‬ ‫املقاومة الكهربائية ودرجة احلرارة‬ ‫تقريب ًا بشكل خطي مع درجة احلرارة طبق ًا للعالقة‪:‬‬ ‫ ‬

‫م د = م ‪ + 1[ 0‬ثا (∆ د ) ]‬

‫وعليه ميكن كتابة املعادلة بداللة املقاومة النوعية كما يأتي ‪:‬‬ ‫‪70‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫عبر مدى درجة حرارة محدود فإن مقاومة املعادن تتغير‬

‫م‪ : 0‬المقاومة عند درجة حرارة صف ْرم‬ ‫مد ‪ :‬المقاومة عند درجة حرارة د‬ ‫ثا ‪ :‬هو المعامل الحراري لتغير المقاومة‬ ‫د‪-‬د‪ : 0‬الفرق في درجة الحرارة‬

‫من د = من ‪ 1+[ 0‬ثا (د‪-‬د‪])0‬‬

‫إن استعمال هذه اخلاصية متكننا من القيام بقياسات مضبوطة لدرجات احلرارة كما يوضح املثال التالي‪:‬‬

‫(‪)4-3‬‬ ‫محرار مقاومة البالتنيوم‬

‫مقياس مقاومة درجة احلرارة من خالل قياس التغير في مقاومة املوصل وهو مصنوع من البالتنيوم وله‬ ‫مقاومة قدرها ‪ Ω 50‬عند درجة حرار ‪ ْ 20‬م عندما غمر في ماء يحتوي على أنديوم ذائب ازدادت مقاومته‬ ‫إلى ‪ Ω 76,8‬احسب نقطة ذوبان االنديوم‪.‬‬ ‫(ثا = ‪ْ /3-10 × 3.92‬م)‬ ‫م = م [‪ + 1‬ثا (∆ د)]‬ ‫د‬

‫‪0‬‬

‫‪50 - 76.8‬‬ ‫م ‪-‬م‬ ‫‪0‬‬ ‫د‬ ‫∆ د = ثا م = ‪ْ 137 = 50 × 3-10 × 3.92‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪.‬‬ ‫‪157‬‬ ‫=‬ ‫‪137‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪20‬‬ ‫=‬ ‫‪137‬‬ ‫‪ ..‬د = د ‪+‬‬ ‫ْ‬ ‫‪0‬‬

‫القدرة الكهربائية ( قد) ‪:‬‬ ‫من دراستك في امليكانيكا تعلم أن القدرة هي الشغل ( الطاقة ) املبذول خالل وحدة الزمن‪.‬‬ ‫جــ × ش‬ ‫ط‬ ‫ ‬ ‫=‬ ‫إذاً ‪ :‬القدرة = ‬ ‫ز‬ ‫ز‬ ‫ ‬

‫أي أن‪:‬‬

‫جـ × ت × ز‬ ‫ ‬ ‫= ‬ ‫ز‬

‫ ‬

‫قد = جـــ × ت‬

‫وهذه العالقة تعطي القدرة الكهربائية املستهلكة في دائرة مير بها تيار شدته ( ت) وفرق اجلهد بني‬ ‫طرفيه (جـ)‪.‬‬

‫س‪ : 1‬ما هي وحدات قياس القدرة؟‬ ‫س‪ :2‬استنتج العالقة الرياضية حلساب قدرة مولد قوته احملركة قم ؟‬ ‫‪71‬‬

‫حساب التكاليف الكهربائية ‪:‬‬ ‫عندما يعمل جهاز قدرته ( قد) خالل زمن قدرة ( ز ) وكان سعر الكيلو واط‪ 0‬ساعة هو ( س ) هللة فإن‬ ‫تكاليف عمل هذا اجلهاز تعطي بالعالقة التالية‪:‬‬

‫التكاليف = قد × ز × س‬ ‫ ‬

‫حيث ‪ (:‬قد ) بالكيلو واط ‪ ( ،‬ز ) بالساعة ‪ ( ،‬س ) سعر الكيلوواط ساعة بالهلالت‪.‬‬

‫تدريب (‪)4-3‬‬ ‫على ماذا تدل األرقام املدونة على املصباحني؟‬ ‫لو أن فرق اجلهد نفسه قد مت تسليطه على املصباحني‬ ‫أي من العبارات التالية صحيح؟ معلال إجابتك‪.‬‬ ‫ٌّ‬ ‫‪ -1‬إن املصباح ذا القدرة ‪ 30‬واط يحمل تياراً أكبر وميتلك مقاومة عالية‪.‬‬ ‫‪ -2‬إن املصباح ذا القدرة ‪ 30‬واط يحمل تياراً أكبر ولكن املصباح ذا القدرة ‪ 60‬واط ميتلك مقاومة أكبر‪.‬‬ ‫‪ -3‬إن املصباح ذا القدرة ‪ 30‬واط ميتلك مقاومة أكبر ولكن مصباح ذا القدرة ‪ 60‬واط يحمل تياراً أكبر‪.‬‬ ‫‪ -4‬إن املصباح ذا القدرة ‪ 60‬واط يحمل التيار األكبر وميتلك مقاومة أكبر ‪.‬‬ ‫ص ِّو ْر عداد الكهرباء مبنزلك‬ ‫موضح ًا البيانات املوجودة عليه‬

‫من جداول األجهزة البيتية مثل دليل تشغيل مجفف الشعر أو التلفزيون أو املسجل‬ ‫أو املروحة‪ ،‬احسب متوسط الكلفة الشهرية لتشغيلها‪.‬‬

‫‪72‬‬

‫تدريب (‪)5-3‬‬ ‫< جهاز تلفزيون بياناته املدونة عليه هي ‪ 250 ( :‬فولت – ‪ 500‬واط) أحسب ‪:‬‬ ‫‪ )1‬الطاقة الكهربائية املستنفذة خالل ‪ 10‬دقائق‪.‬‬ ‫‪ )2‬شدة التيار املار باجلهاز‪.‬‬ ‫‪ )3‬تكاليف استهالك الطاقة الكهربائية ملدة ‪ 3‬ساعات علم ًا بأن ثمن (الكيلووات‪ .‬ساعة ‪ 8‬هلالت)‪0‬‬ ‫< احسب تكاليف طبخ خروف ملدة ‪ 4‬ساعات‬ ‫في فرن كهربائي يعمل بتيار ‪ 20‬أمبير وحتت فرق‬ ‫جهد‪ 240‬فولت‪0‬علما بأن التكلفة = ‪ 15‬هللة‪/‬‬ ‫كيلوواط ساعة‪.‬‬ ‫(هل تستطيع أن تقارن بني كلفة الفرن الكهربائي‬ ‫وفرن الغاز)‪.‬‬ ‫< كيف حتسب فاتورة استهالك الكهرباء في منزلك؟‬

‫قانون حفظ الشحنة والطاقة‪:‬‬ ‫سبق لك دراسة قانون حفظ الطاقة وهذا القانون ينطبق على كافة أشكال الطاقة – مبا فيها الطاقة الكهربائية‬ ‫– فالطاقة الناجتة من مولد في دائرة كهربائية تساوي الطاقة املستهلكة في أجزاء الدائرة املختلفة ‪ ،‬وميكن صياغة‬ ‫قانون حفظ الطاقة بالنسبة لدائرة كهربائية كما يلي‪:‬‬

‫الطاقة الكلية ألي دائرة كهربائية معزولة هي مقدار ثابت‬ ‫عبر أجزاء الدائرة الكهربائية ال تُفقد وإمنا تَفقد بعض طاقتها‪ ،‬وميكن إعادة صياغة القانون بالنسبة للشحنات‬ ‫الكهربائية مبا يسمى قانون حفظ الشحنة كما يلي‪:‬‬

‫كمية الشحنة الكهربائية في دائرة كهربائية معزولة هي مقدار ثابت‬ ‫‪73‬‬

‫تطبيق قانون حفظ الشحنة والطاقة على دائرة كهربائية بسيطة‪:‬‬ ‫الشكل املقابل ميثل دائرة كهربائية تتكون من مولد قوته احملركة قم‬ ‫ومقاومته الداخلية (م‪)0‬‬

‫قاطع‬

‫م‪ 0‬قم‬

‫وجهاز كهربائي مقاومته (م)‬ ‫م‬

‫واآلن لنطبق قانون حفظ الطاقة على هذه الدائرة ‪:‬‬ ‫الطاقة التي ينتجها املولد( ط ) يستهلك جزء منها في‬ ‫مقاومة املولد الداخلية (م‪ )0‬واجلزء اآلخر( ط‪ )1‬في مقاومة اجلهاز الكهربائي (م)‪.‬‬

‫شكل (‪)10-3‬‬

‫وحسب قانون حفظ الطاقة فإن ‪ :‬الطاقة الناجتة = الطاقة املستهلكة‬ ‫ ‬

‫ط = ط‪ +0‬ط‪) 1 ( 1‬‬

‫ولكن الطاقة الناجتة من املولد ( ط ) = قم × ش‬ ‫ط = قم × ت × ز‬

‫(‪)2‬‬

‫وحيث أن الطاقة املستهلكة ( ط) في أي مقاومة = ت‪ × 2‬م × ز ‬

‫(‪)3‬‬

‫وبالتعويض من ‪ 3 ، 2‬في (‪ ) 1‬جند أن ‪:‬‬ ‫قم × ت× ز= ت‪ ×2‬م‪ ×0‬ز ‪ +‬ت‪ ×2‬م× ز وبقسمة الطرفني على ت ز ‪:‬‬ ‫قم = ت× م‪ +0‬ت ×م‬ ‫وبشكل عام ‪:‬‬

‫قم = ت‬

‫م‬

‫ن‬

‫ حيث‬

‫م‬

‫ن‬

‫متثل قيمة املقاومة املكافئة جلميع املقاومات في‬

‫الدائرة (الداخلية واخلارجية)‪.‬‬ ‫ومتثل هذه العالقة املعادلة العامة للدائرة البسيطة ‪.‬‬

‫‪74‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫ ‬

‫قم = ت (م‪ + 0‬م)‬

‫قم ‪ :‬القوة المحركة الكهربائية للمولد (فولت‬ ‫ت‪ :‬شدة التيار الكلي (أمبير)‬ ‫م‪ :0‬المقاومة الداخلية (أوم)‬ ‫م‪ :‬المقاومة الخارجية (أوم)‬

‫تجربة عملية‬

‫قانون حفظ الطاقة والشحن الكهربائي‬ ‫صل املصابيح كما في الشكل‬ ‫‪V‬‬ ‫< أغلق القاطعة ‪.‬‬ ‫< هل تضاء كل املصابيح ؟‬

‫شكل (‪)11-3‬‬

‫< هل ميكن استخدام مفتاح واحد للتحكم في جميع أجزاء الدائرة؟‬ ‫< كيف تكون قوة إضاءتها؟‬ ‫< ما العدد األقصى من املصابيح الذي ميكن إضافته بحيث ال تتأثر قوة اإلضاءة ؟‬ ‫< قس شدة التيار املار في كل مصباح على حدة‪.‬‬ ‫< طبق املعادلة العامة للدائرة البسيطة على هذه الدائرة‪.‬‬ ‫< ماذا تستنتج؟‪.....................................‬‬

‫ربط املقاومات ( األجهزة ) في الدوائر الكهربية‬ ‫أحيان ًا نحتاج إلى وصل مصباحني أو أكثر‪ ،‬فما الطرق التي ميكن استخدامها للتوصيل؟ وما مميزات كل طريقة؟‬ ‫د‬

‫م‬

‫ت‬ ‫جـ‬

‫‪3‬‬

‫‪3‬‬

‫م‬

‫ت‬ ‫جـ‬

‫‪2‬‬

‫ت‬ ‫جـ‬

‫‪2‬‬

‫م‬

‫‪1‬‬

‫أ ت‬

‫‪1‬‬

‫مقاومات مربوطة على التسلسل‬

‫أو ًال ‪ :‬ربط املقاومات على التوالي‪:‬‬

‫شكل (‪)12-3‬‬

‫تأمل طريقة التوصيل في الشكل السابق وحاول‬ ‫التوصل إلى مزايا هذه الطريقة وعيوبها وقارن‬ ‫ما تتوصل إليه مع محاوالت زمالئك‬

‫‪75‬‬

‫إذا وصلنا املقاومات م‪، 1‬م‪ ، 2‬م‪ 3‬مع ًا كما هو موضح أدناه فإننا نقول أن هذه املقاومات موصولة على التوالي‪.‬‬ ‫الحظ أن الطرف الثاني للمقاومة م‪ 1‬يتصل مع الطرف األول للمقاومة م‪ 2‬والطرف الثاني للمقاومة م‪ 2‬يتصل مع‬ ‫الطرف األول للمقاومة م‬ ‫‪3‬‬ ‫م‬

‫م‬

‫‪1‬‬

‫جـ‬

‫ت‬

‫بطارية‬ ‫‪- +‬‬

‫‪2‬‬

‫جـ‬

‫‪1‬‬

‫م‬

‫‪3‬‬

‫‪2‬‬

‫جـ‬

‫‪3‬‬

‫ت‬

‫قاطعة‬

‫شكل (‪)13-3‬‬

‫نالحظ أن شدة التيار املار في املقاومات واحد ‪ 0‬ألنه يأتي من مصدر واحد ( البطارية) وهذه خاصية مميزة‬ ‫للتوصيل على التوالي‪.‬‬ ‫وحسب قانون أوم فإن فرق اجلهد بني طرفي املقاومة م‪ 1‬هو جـ‪ 1‬حيث ( جـ‪ = 1‬ت م‪ ) 1‬والشيء نفسه ينطبق على‬ ‫باقي املقاومات‪ .‬جنمع العالقات السابقة فنحصل على‪:‬‬ ‫ ‬

‫جـ‪+1‬جـ‪+2‬جـ‪ = 3‬ت ( م‪+1‬م‪ +2‬م‪) 3‬‬

‫ولكن (جـ‪+1‬جـ‪+2‬جـ‪ ) 3‬هو فرق اجلهد الكلي بني طرفي مجموعة املقاومات ( يساوي جـ) أما املقاومة الكلية‬ ‫(م) فترتبط بفرق اجلهد الكلي (جـ) حسب قانون أوم‪:‬‬ ‫جـ= ت م‬ ‫وهكذا يتضح أن املقاومة الكلية ملجموعة من املقاومات املوصولة معا على التوالي تساوي مجموع هذه املقاومات‬ ‫أي أن ‪ :‬م ( الكلية) = ( م‪ + 1‬م‪ + 2‬م‪) 3‬‬

‫م الكلية =‬

‫‪76‬‬

‫من‬

‫حيث ن = ‪........ ،4 ،3 ،2 ،1‬‬

‫ثاني ًا ‪ :‬ربط املقاومات على التوازي‬ ‫صل الدائرة كما في الشكل‬ ‫< أغلق القاطعة ‪ 3 ،2 ،1‬ماذا تالحظ؟‬ ‫< قس شدة التيار اخلارج من البطارية‬ ‫< قس شدة التيار املار في كل مصباح‬ ‫< ماعالقة شدة التيار الكلي مع شدة التيار املار في كل مصباح‬ ‫< قس فرق اجلهد الكلي بني طرفي البطارية‪ ،‬ثم قس فرق‬ ‫اجلهد بني طرفي كل مصباح ماذا تالحظ؟‬

‫تأمل طريقة التوصيل في الشكل‬ ‫السابق وقارن بني قيمة التيار الكلي في‬ ‫الدائرة وبني التيار املار في كل مصباح ما‬ ‫هي مزايا هذه الطريقة وما عيوبها وقارن‬ ‫ما تتوصل إليه مع محاوالت زمالئك‪.‬‬

‫إذا وصلت املقاومات م‪ 0 1‬م‪ 0 2‬م‪ 3‬كما هو مبني‬ ‫بالشكل فإننا نقول أن هذه املقومات موصولة مع ًا على‬ ‫التوازي الحظ أن األطراف األولى للمقاومات كلها‬ ‫موصولة مع ًا بنقطة واحدة هي(أ) بينما األطراف‬ ‫الثانية للمقاومات تكون موصولة بنقطة واحدة أخرى‬ ‫هي (ب) وبذلك فإنه إذا وصل طرفا املجموعة (أ‪0‬‬ ‫ب) بقطبي مصدر كهربائي فإن التيار الرئيسي (ت)‬ ‫التى تزود البطارية به مجموعة املقاومات‪ 0‬يتجزأ عند‬ ‫(أ) بحيث يكون التيار املار في م‪ 1‬هي (ت‪ )1‬وشدة‬ ‫التيار املار في م‪ 2‬هي (ت‪ )2‬وشدة التيار املار في م‬ ‫‪3‬‬ ‫هي (ت‪ )3‬وليكن فرق اجلهد بني طرفي املجموعة‬ ‫النقطتني (أ‪0‬ب) هو جـ‪ 0‬بتطبيق قانون أوم على التيار‬ ‫املار في كل مقاومة على حدة نحصل على‪ :‬جــ =‬ ‫م‬

‫م‪ 1‬ت‬ ‫‪1‬‬ ‫م‪ 2‬ت‬ ‫‪2‬‬ ‫ت‬ ‫ت الكلي‬ ‫‪3‬‬ ‫م‬ ‫‪3‬‬ ‫جـ ثابت‬ ‫مقاومات مربوطة على التوازي‬ ‫شكل (‪)14-3‬‬

‫مع أن املنزل ال يصله إ ّال خط واحد من‬ ‫شركة الكهرباء (عن طريق سلكني)‬ ‫إال أن هناك أسالك ًا كثيرة داخل املنزل‬ ‫خلف اجلدران‪ .‬كيف تتصل هذه األسالك‬ ‫باملصابيح؟‬ ‫‪-+‬‬

‫ت‬ ‫م‬

‫ت‬

‫‪1‬‬

‫‪1‬‬

‫م‬

‫‪ 1‬ت‬

‫‪2‬‬

‫ت‬

‫ت‬

‫ب‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪3‬‬

‫ت‬

‫م‬

‫‪3‬‬

‫ت‬

‫‪1‬‬

‫‪3‬‬

‫شكل (‪)15-3‬‬

‫جــ‬ ‫م‬ ‫‪1‬‬

‫‪ +‬جــ‬ ‫م‬ ‫‪2‬‬

‫‪+‬‬

‫جــ‬ ‫م‬ ‫‪3‬‬ ‫‪77‬‬

‫ت‬

‫وبقسمة طرفي املعادلة السابقة على جـ نحصل على قيمة املقاومة املكافئة ملجموعة مقاومات مربوطة على‬ ‫التوازي على الصورة‬ ‫م‬

‫‪= 1‬‬

‫الكلية‬

‫‪1‬‬ ‫م‬ ‫‪1‬‬

‫‪+‬‬

‫‪1‬‬ ‫م‬ ‫‪2‬‬

‫‪+‬‬

‫‪.... + 1‬‬ ‫م‬ ‫‪3‬‬

‫(‪)5-3‬‬ ‫لديك املقاومات ‪ 2‬أوم‪ 3 ،‬أوم‪ 6 ،‬أوم‪ 0‬أوجد املقاومة الكلية املكافئة لها إذا وصلت‪:‬‬

‫أ‪ -‬على التوالي‬

‫ب‪ -‬على التوازي‬

‫توالي ‪ :‬م الكلية = ‪ 6‬أوم‬ ‫‪6‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫=‬ ‫‪6‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪2‬‬ ‫توازي‪ :‬م‬ ‫الكلية‬

‫‪1‬‬ ‫= ‪ \ ،1‬م الكلية = ‪ 1 = 1‬أوم‬

‫قارن بني قيمته املقاومة املكافئة في حالة الربط على التوالي والتوازي وما أثر ذلك على شدة التيار‬ ‫املار في الدائرة؟‬

‫تدريب (‪)6-3‬‬

‫إذا كانت م ‪ =1‬م ‪ =2‬م‪ 3 = 3‬أوم ‪ ،‬أكتب قيمة املقاومة املكافئة أسفل كل شكل من األشكال التالية‪:‬‬ ‫ ‬

‫م الكلية = ‪................‬‬

‫م الكلية = ‪ ................‬‬ ‫شكل (‪)16-3‬‬

‫للحصول على قيمة مقاومة غير مصنوعة تستخدم ربط املقاومات على التوالي أو التوازي أو كليهما مع ًا‬ ‫وهو ما يسمى بالربط املختلط‪.‬‬ ‫‪78‬‬

‫ربط املولدات‬

‫نحتاج أحيان ًا إلى استخدام عدة بطاريات في داخل دائرة كهربائية‬ ‫إما لزيادة شدة التيار أو لتخفيضه ولذلك نلجأ إلى ربط املولدات‬ ‫(البطاريات) بطرق مختلفة‬ ‫أوالً‪ :‬ربط املولدات على التوالي ( التسلسل)‬

‫في هذا النوع من التوصيل يتم ربط القطب السالب ملولد مع القطب‬ ‫املوجب ملولد بآخر يليه كما في الشكل (‪...)17-3‬وهكذا‪.‬‬ ‫قم الكلية = قم‪ + 1‬قم‬

‫شكل (‪)17-3‬‬

‫‪2‬‬

‫وبشكل عام‪ :‬قم الكلية = ∑ قم‬

‫ن‬

‫س ‪ :‬ملاذا تسخن البطاريات بعد فترة من االستعمال؟‬ ‫ثانياً‪ :‬ربط املولدات على التوازي‬

‫نقول عن عدد من املولدات إنها متصلة على التوازي‬ ‫إذا وصلت األقطاب املتشابهة مع بعضهما كما في‬ ‫الشكل املقابل‪.‬‬ ‫ويشترط في توصيل املولدات على التوازي أن تكون‬ ‫متماثلة ( لها نفس القوة احملركة الكهربائية ونفس‬ ‫املقاومة الداخلية) ملاذا؟ حاول إيجاد تفسير لذلك؟‬ ‫‪........................................‬‬ ‫‪........................................‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬

‫‪-‬‬

‫‪+‬‬

‫‪-‬‬

‫‪+‬‬

‫‬‫‪-‬‬

‫شكل (‪)18-3‬‬

‫وعلى هذا فإن شدة التيار املار في كل مولد ستكون مساوية لشدة التيار املار في باقي املولدات‪0‬‬ ‫وحلساب القوة احملركة الكلية ( املكافئة) لعدد من املولدات املتصلة على التوازي نطبق قانون حفظ الطاقة‬ ‫فنحصل على قم الكلية= قم ألي مولد‬ ‫القوة احملركة الكلية = القوة احملركة ألي مولد‬

‫ ‬

‫أي أن‪:‬‬

‫ ‬

‫ومما سبق نالحظ أن ربط املولدات على التوالي يزيد من القوة احملركة ويحافظ على شدة التيار‪ ،‬ملاذا ؟‬ ‫أما ربط املولدات على التوازي فإنه يزيد من شدة التيار الكلية مع احملافظة على القوة احملركة‪ ،‬ملاذا؟‬ ‫‪79‬‬

‫سؤال للتفكير‪:‬‬ ‫ما طريقة التوصيل التي يمكننا اتباعها لنزيد القوة المحركة وشدة التيار في آن واحد؟‬ ‫لإلجابة على هذا السؤال قم بدراسة الشكل التالي‪:‬‬ ‫< حدد نوع الربط في املولدات‬ ‫< استنتج قيمة املقاومة الداخلية والقوة احملركة املكافئة‬ ‫للمجموعة؟‬ ‫‪.........................................‬‬ ‫‪............................................‬‬

‫شكل (‪)19-3‬‬

‫‪...................................................................................‬‬

‫كم تبلغ قيمة املقاومة الداخلية للمولدات في حالة الربط على التوازي ‪ ،‬والتسلسل؟‬

‫تبسيط الدوائر الكهربائية‪:‬‬

‫لعلك الحظت من املثالني السابقني أنه في حالة وجود عدد من املقاومات واملولدات في الدائرة الكهربائية فإن‬ ‫أهم عمل نقوم به هو إيجاد املقاومة املكافئة للمقاومات التي حتتويها الدائرة‪ ،‬وكذلك إيجاد القوة احملركة الكلية‬ ‫( املكافئة ) للمولدات التي حتتويها الدائرة‪ ،‬لنحصل على أبسط دائرة كهربائية حتتوي على مولد واحد‪ ،‬ومقاومة‬ ‫خارجية واحدة ‪ 0‬ويسمى مثل هذا العمل تبسيط الدائرة الكهربائية‪0‬‬ ‫لينطبق عليها القانون العام للدارات البسيطة‪:‬‬ ‫∑‬

‫‪80‬‬

‫قم = ت‬

‫∑‬

‫م‬

‫تدريب (‪)7-3‬‬ ‫من الشكل احسب قيمة التيار املار في كل مقاومة إذا كانت القوة احملركة لكل مولد هي ‪ 1,2‬فولت‬ ‫واملقاومة الداخلية مهملة‪.‬‬ ‫قم‬

‫‪1‬‬

‫قم‬

‫‪2‬‬

‫قم‬

‫‪3‬‬

‫أوم ‪3‬‬ ‫أوم ‪1‬‬ ‫أوم ‪6‬‬ ‫شكل (‪)20-3‬‬

‫(‪)6-3‬‬ ‫ميثل الشكل التالي دائرة كهربائية حتتوي‬ ‫على مجموعة من املولدات (اخلاليا) موصلة مع‬ ‫بعضها‪ ،‬إذا كان لكل مولد قوة محركة قدرها ‪1,5‬‬ ‫فولت ومقاومة داخلية قدرها ‪2‬أوم فاحسب شدة‬ ‫التيار املار في املصباح الذي مقاومته ‪6‬أوم‬ ‫احلل ‪:‬‬

‫القوة احملركة الكلية لكل صف = ‪ × 4‬قم‬

‫للمولد الواحد‬

‫قم = ‪ 1.5‬فولت‬ ‫م ‪ 2 = 0‬أوم‬

‫= ‪ 6‬فولت ‪.‬‬

‫شكل (‪)21-3‬‬

‫القوة احملركة الكلية جلميع الصفوف = ‪ 6‬فولت ‪.‬‬ ‫املقاومة الداخلية لكل صف = ‪ 8 =2 × 4‬أوم ‪.‬‬

‫املقاومة الداخلية جلميع الصفوف (أكمل) ‪...........................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪81‬‬

‫قانونا كرشوف‬

‫بعض الدوائر الميكن تبسيطها‪ ،‬لذلك البد من استخدام طرق أخرى حللها غير التي مت شرحها بالنسبة للدوائر‬ ‫الكهربائية القابلة للتبسيط ولعل من أشهر تلك الطرق القانونان اللذان وضعهما كرشوف وهما‪:‬‬ ‫القانون األول‪ ( :‬قانون التفرع)‬

‫قانـون‬

‫عند أي نقطة تفرع في دائرة كهربائية فإن‪ :‬مجموع شدات التيار الداخلة = مجموع‬ ‫شدات التيارات اخلارجية أو املجموع اجلبري حملصلة التيارات املتجهة نحو أي نقطة تفرع =‬ ‫صفر ‪ ∑ ،‬ت = ‪0‬‬

‫من خالل الشكل جد قيمة ت‬

‫الكلي‬

‫ت‬

‫ت‬

‫‪1‬‬

‫‪2‬‬

‫ت‬ ‫ت‬

‫ن‬

‫القانون الثاني( قانون احللقة) ‪:loop rule‬‬

‫شكل (‪)22-3‬‬

‫قانـون‬

‫إن املجموعة اجلبري للقوي الدافعة (احملركة) الكهربائية (‪ )emfs‬في أي حلقة يساوي‬ ‫املجمــوع اجلبـــري حلاصـــل ضرب املقاومات بالتيارات املــــارة فيها في احللقة نفســها‪.‬‬ ‫أي أن‪ ∑ :‬قم = ∑ ت م‬

‫القانون األول يعني أنه ال ميكن أن تتراكم الشحنة في نقطة التفرع‪ ،‬ولذا يطلق عليها قانون حفظ الشحنة‪ .‬أما‬ ‫القانون الثاني فهو تعميم ملعادلة الدائرة البسيطة‪ ،‬ويطلق عليها حفظ الطاقة‪.‬‬ ‫وحلل أي مسألة من مسائل الدوائر الكهربائية املعقدة باستخدام قانوني كيرشوف يجب قبل احلل مراعاة ما يلي‪:‬‬ ‫‪ -1‬تبسيط الدائرة الكهربائية ما أمكن ذلك‪0‬‬ ‫‪ -2‬نفرض اجتاهات للتيار في أفرع الدائرة املختلفة وهي اجتاهات ليست أكيدة ونتيجة احلل سيتبني إن كان‬ ‫االجتاه املفترض صحيح ًا أم ال‪.‬‬ ‫‪82‬‬

‫‪ -3‬نطبق قانون كرشوف األول على أي نقطة تفرع للحصول على العالقة بني التيارات املختلفة‪0‬‬ ‫‪ -4‬نفرض اجتاه اصطالحي موجب في أي مسار مغلق وما خالفه فهو سالب‪0‬‬ ‫‪ -5‬نطبق قانون كرشوف الثاني على أي مسار مغلق‪،‬‬ ‫فإذا وافقت االجتاه االصطالحي نعتبرها موجبة‪،‬‬

‫‪ -6‬اجتاه قم من القطب السالب إلى القطب املوجب‬ ‫وإذا عاكسته نعتبرها سالبة‪0‬‬

‫(‪)7-3‬‬ ‫احسب التيار املار في كل فرع من فروع الدائرة املبينة بالشكل التالي‪:‬‬ ‫ت‬

‫‪2‬‬

‫‪Ω5‬‬

‫‪Ω6‬‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪+‬‬

‫ت‪1‬‬ ‫‪Ω10‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪ 8‬فولت‬

‫‪Ω10‬‬

‫‪ 10‬فولت‬

‫ت‬

‫شكل (‪)23-3‬‬

‫احلل‪:‬‬

‫نطبق قانون كيرشوف األول عند أي نقطة تفرع‪:‬‬ ‫ت = ت‪ +‬ت‬

‫ ‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬

‫(‪)1‬‬

‫نطبق قانون كرشوف الثاني على احللقة ‪1‬‬ ‫∑ قم = ∑ م ت‬ ‫‪ 5 = 8‬ت‪ 10 + 1‬ت‬

‫بالتعويض من املعادلة ‪-:1‬‬ ‫‪ 5 = 8‬ت‪ (10 + 1‬ت‪ + 1‬ت‪) 2‬‬

‫ ‬ ‫‪ 5 = 8‬ت‪ (10 + 1‬ت‪ + 1‬ت‪) 2‬‬

‫(‪)2‬‬ ‫‪83‬‬

‫‪2‬‬

‫نطبق قانون كرشوف الثاني على احللقة‬ ‫‪-10= -10‬ت‪-6‬ت‬ ‫‪10=10‬ت‪+6‬ت‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫ ‬ ‫(‪)3‬‬

‫ ‬ ‫‪(10=10‬ت‪1+‬ت‪+6) 2‬ت‪2‬‬ ‫بحل املعادلتني (‪ )3( ،)2‬ينتج ‪:‬‬ ‫ت‪ 0,2 = 1‬أمبير‬

‫ت= ‪ 0,7‬أمبير‬

‫ت‪ 0,5 =2‬أمبير‬

‫‪ ...‬قيمة ت‪ ،1‬ت‪ ،2‬ت موجبه فإن اجتاهاتها املفروضة على الرسم صحيحة‪.‬‬

‫تدريب (‪)8-3‬‬ ‫دائرة كهربائية مبينة بالشكل (‪)24-3‬‬ ‫موضح ًا عليها قيم القوي احملركة للمولدات‬ ‫قم‪،1‬قم‬ ‫‪2‬‬ ‫واملقاومات م‪ ،1‬م‪،2‬م‪ 3‬أحسب ً‬ ‫كل من‪:‬‬ ‫‪ -1‬شدة التيار املار في م‬

‫م‪= 1‬‬

‫قم‪= 2‬‬ ‫م‪= 2‬‬

‫م ‪=3‬‬

‫‪2‬‬

‫‪ -2‬فرق اجلهد بني طرفي املقاومة م‬ ‫احلل ‪:‬‬

‫قم‪= 1‬‬

‫‪3‬‬

‫شكل (‪)24-3‬‬

‫‪.............................................................................‬‬ ‫‪...............................................................................‬‬ ‫‪...............................................................................‬‬ ‫‪...............................................................................‬‬

‫‪84‬‬

‫أسئلة وتمارين الفصل‬ ‫س‪ : 1‬أضع عالمة √ في املربع املقابل ألنسب إجابة‬

‫أ) تعرف خواص بطارية السيارة (باألمبير ساعة) تشير هذه الكمية إلى ‪:‬‬ ‫شدة التيار‬ ‫القدرة‬ ‫الطاقة‬ ‫الشحنة التي ميكن سحبها من البطارية‬

‫ب) عندما تزداد مقاومة مصباح كهربائي يعمل حتت فرق جهد ثابت فإن القدرة التي يستهلكه‬ ‫تصبح مساوية للصفر‬

‫ال تتغير بل تبقى ثابتة‬ ‫تزيد عما كانت عليه‬ ‫تنقص عما كانت عليه‬ ‫ج) املقاومة املكافئة ملجموعة املقاومات في الشكل‬ ‫‪Ω ,6‬‬ ‫‪Ω2‬‬

‫ ‬

‫‪2‬و‪Ω1‬‬

‫‪1‬و‪Ω2‬‬

‫‪Ω2‬‬

‫ ‬

‫‪Ω4‬‬

‫‪Ω3‬‬

‫شكل (‪)25-3‬‬

‫(د) إذا كانت شدة التيار املارة في موصل ‪ 2‬أمبير فإن مقدار الشحنة الكهربائية التي متر عبر‬ ‫مقطع عرضي منه خالل ثلث ساعة يساوي بوحدة (كولوم)‪:‬‬ ‫ ‪2400‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪85‬‬

‫(هـ) يبني الشكل ‪ 3‬مصابيح متماثلة أ‪ ،‬ب‪ ،‬ج في دائرة كهربائية فإذا أغلقنا دائرة املصباح ج بواسطة‬ ‫املفتاح يحدث التالي‪:‬‬ ‫ ‬

‫تبقى إضاءة املصباح أ كما هي وتنقص إضاءة املصباح ب‬

‫تزداد إضاءة املصباح أ وتنقص إضاءة املصباح ب‬

‫ج‬

‫تزداد إضاءة املصباح أ وتبقى إضاءة املصباح ب كما هي‬ ‫تنقص إضاءة املصباح أ وتزداد إضاءة املصباح ب‬ ‫س‪ :2‬ما املقصود بكل من العبارات التالية‪:‬‬ ‫ ‬

‫املقاومة النوعية ملادة موصل= ‪ 0 Ω 8- 10×5‬م‬

‫ ‬

‫القدرة الكهربائية جلهاز تلفزيون = ‪ 110‬وات‬

‫ ‬

‫شدة التيار في دائرة كهربائية = ‪ 4‬أمبير‬

‫ ‬

‫فرق اجلهد بني طرفي موصل = ‪ 3‬فولت‬

‫ ‬

‫القوة الدافعة الكهربائية لعمود ‪ 1,5‬فولت‬

‫ب‬

‫أ‬

‫شكل (‪)26-3‬‬

‫س‪ :3‬اذكر املصطلح العلمي الذي تدل عليه كل من العبارات التالية‪:‬‬ ‫أ‪ -‬قدرة جهاز يستهلك الطاقة مبعدل جول واحد في كل ثانية‬

‫ب‪ -‬مقاومة موصل مير به تيار شدته أمبير واحد عندما يكون فرق اجلهد بني طرفية فولت ًا واحداً‬ ‫ج‪ -‬فرق اجلهد بني نقطتني عندما يكون الشغل املبذول لنقل كولوم واحد بينهما جو ًال واحداً‬ ‫د‪ -‬كمية الشحنة الكهربائية التي متر خالل مقطع عرضي للموصل في كل ثانية عندما تكون شدة التيار أمبيراً‬ ‫واحداً‪0‬‬ ‫س‪ :4‬علل ملا يأتي‪:‬‬

‫‪ -1‬توصل األجهزة الكهربائية املنزلية على التوازي ؟‬ ‫‪ -2‬ربط مصباح إلى مصدر ‪ 120‬فولت بسلك توصيل قصير يوفر توهج ًا أكثر من املصباح نفسه لوربط‬ ‫باملصدر نفسه ولكن مع سلك توصيل طويل جداً‪.‬‬ ‫‪ -3‬قد تدعو الضرورة الستخدام مقاومة متغيرة‪.‬‬

‫س‪ : 5‬أ‪ -‬هل مصابيح السيارة األمامية مربوطة على التوالي أم على التوازي‪.‬كيف تبرر ذلك؟‬

‫‪86‬‬

‫س‪ :6‬احسب قيمة املقاومة املجهولة (م‪ )4‬في املجموعة املوضحة بالشكل‬

‫م‪Ω 6 =1‬‬

‫إذا كانت املقاومة املكافئة للمجموعة تساوي(‪ )5.6‬أوم‪.‬‬

‫م‪Ω 0 =2‬‬ ‫م‪Ω 15 =3‬‬ ‫م‪= 4‬‬

‫شكل (‪)27-3‬‬

‫س‪ : 7‬أوجد املقاومة املكافئة للمجموعة املوضحة بالشكل‪.‬‬ ‫‪Ω3‬‬

‫‪Ω4‬‬

‫‪Ω6‬‬ ‫‪Ω9‬‬

‫شكل (‪)28-3‬‬

‫س‪ : 8‬مقاومة مجهولة مير بها تيار شدته (‪ )2‬أمبير عندما يكون الفرق في اجلهد بني طرفيها (‪ )12‬فولت‪،‬‬ ‫احسب املقاومة النوعية ملادتها علم ًا بأن طولها (‪)2‬م ومساحة مقطعها (‪ )0.2‬سم‪0 2‬‬ ‫س‪ :9‬سلك طوله (‪)4‬م ومساحة مقطعة (‪)0.2‬سم‪ 2‬ربط بدائرة كهربائية لتحقيق قانون أوم‪ ،‬وسجلت‬ ‫القراءات التالية عند تغيير شدة التيار‪:‬‬ ‫جـ (فولت)‬

‫‪1‬‬

‫‪2‬‬

‫‪3‬‬

‫‪4‬‬

‫‪5‬‬

‫‪6‬‬

‫‪7‬‬

‫ت (أمبير)‬

‫‪0,5‬‬

‫‪1‬‬

‫‪٥,1‬‬

‫‪2‬‬

‫‪٥,2‬‬

‫‪3‬‬

‫‪٥,3‬‬

‫ارسم خط ًا بياني ًا للعالقة بني فرق اجلهد وشدة التيار ‪ ،‬ثم استخدمه إليجاد مقاومة السلك‪ ،‬واملقاومة النوعية ملادته‪0‬‬ ‫س‪ : 10‬ثالث مقاومات ‪ Ω 4 ،6 ،3‬متصلة على التوالي ببطارية قوتها الدافعة الكهربائية ‪ 30‬فولت‬ ‫ومقاومتها الداخلية ‪ Ω 2‬احسب‪:‬‬

‫ ‬ ‫< املقاومة املكافئة الكلية‬

‫< شدة التيار الكلي‬

‫< فرق اجلهد بني طرفي كل مقاومة‬

‫‪87‬‬

‫س‪ :11‬سلكان من مادتني مختلفتني متساويتني في املقاومة إذا كان طول األول نصف طول الثاني ونصف قطر‬ ‫األول ضعف نصف قطر الثاني ‪ 0‬أحسب النسبة بني املقاومتني النوعيتني ملادتيهما‪0‬‬ ‫س‪ :12‬لديك أربعة أعمدة القوة الدافعة لكل منها ‪ 2‬فولت َبينِّ ْ مع توضيح إجابتك بالرسم كيف ميكن‬ ‫توصيلها للحصول على‪:‬‬

‫< بطارية قوتها الدافعة ‪ 8‬فولت‪.‬‬ ‫< بطارية قوتها الدافعة ‪ 2‬فولت‪.‬‬ ‫< بطارية قوتها الدافعة ‪ 4‬فولت‪.‬‬ ‫س‪:13‬بطارية قوتها احملركة الكهربائية ‪ 20‬فولت ربطت في دائرة كما بالشكل إذا كانت شدة التيار املار في‬ ‫املقاومة ‪ 7‬أوم هي ‪ 2‬أمبير‪ 0‬أحسب ك ً‬ ‫ال مما يأتي‪:‬‬

‫ ‬

‫( أ ) فرق اجلهد بني طرفي املقاومة ‪Ω 7‬‬

‫ ‬

‫ ‬ ‫(ب) فرق اجلهد بني طرفي املقاومتني املتصلتني على التوازي‪.‬‬

‫ ‬

‫(ج )شدة التيار املار في املقاومة ‪ 12‬أوم‬

‫ ‬

‫(د ) قيمة املقاومة م (‪ 14‬فولت‪ 6 ،‬فولت‪ 0,5 ،‬أمبير‪ 4 ،‬أوم)‬

‫‪ 20‬فولت‬ ‫‪A‬‬

‫س‪:14‬مصباح كهربائي كتب عليه ‪ 200‬واط ‪ 220 ،‬فولت‪ 0‬احسب‪:‬‬

‫‪ 2‬أمبير‬

‫‪Ω 12‬‬ ‫م‬

‫‪Ω7‬‬

‫شكل (‪)29-3‬‬

‫‪ -1‬شدة التيار التي متر خالل املصباح‪)0,91( 0‬‬ ‫‪ -2‬مقاومة فتيلة املصباح‪)242( 0‬‬ ‫‪ -3‬تكلفة تشغيل هذا املصباح ملدة شهر بواقع ‪ 5‬ساعات يومي ًا علم ًا أن سعر الكيلواط ساعة ‪ 5‬هللالت‪0‬‬ ‫(‪)150‬‬ ‫‪ -4‬قارن تكلفة هذا املصباح بتكلفة مكيف هواء يعمل على نفس فرق اجلهد ومسجل عليه ‪ 2500‬واط‬ ‫ويعمالن نفس املدة من الزمن ‪12,5(0‬مرة)‬ ‫س‪ :15‬بطارية مكونة من ‪ 4‬مولدات مربوطة على التسلسل والقوة احملركة الكهربائية لكل منها ‪ 1.5‬فولت‬ ‫ومقاومته الداخلية ‪ 0.1‬أوم وصل قطباها بسلكني متصلني على التوازي مقاومة األول ‪ 3‬أوم ‪ ،‬ومقاومة‬ ‫الثاني ‪ 7‬أوم ‪ 0‬أحسب شدة التيار املار في كل سلك‪)0.72-1.68(0‬‬

‫‪88‬‬

‫س‪ : 16‬أوجد أكبر عدد من املصابيح قدرة كل منها ‪ 50‬وات التي ميكن استعمالها على التوازي مع مصدر‬ ‫كهربائي قوته الدافعة ‪ 220‬فولت ‪ 0‬بدون احتراق املنصهر املوجود في الدائرة) والذي يسمح مبرور‬ ‫تيار أقصاه ‪ 5‬أمبير‪.‬‬ ‫س‪ :17‬بطارية مكون من ‪ 5‬صفوف في كل صف ‪ 24‬مولد لكل منها قوة محركة مقدارها ‪ 2‬فولت ومقاومة‬ ‫داخلية ‪05‬و‪ Ω‬وصل قطباها بدائرة خارجية مقاومتها ‪ Ω 39.76‬أحسب شدة التيار املار في كل مولد‬ ‫وكذلك في الدائرة اخلارجية‪ 0‬موضحا إجابتك بالرسم‪.‬‬ ‫س‪ :18‬حتت أي شرط يساوي فرق اجلهد بني طرفي بطارية قوتها الدافعة الكهربائية ؟ هل ميكن أن يكون فرق‬ ‫اجلهد بني قطبي البطارية أكبر من القوة الدافعة الكهربائية؟‬

‫س ‪ : 19‬احسب شدة التيار املار في املقاوم (‪ )Ω10‬في الدائرة املبينة بالشكل‬

‫‪Ω8‬‬ ‫قم = ‪ 10‬فولت‬

‫‪Ω2‬‬

‫‪Ω 10‬‬ ‫‪Ω3‬‬

‫م‪Ω 2 = 0‬‬

‫شكل (‪)30-3‬‬

‫س‪ :20‬عدد تطبيقات طبية على فرق اجلهد الكهربائي‪ ،‬مع الشرح؟‬

‫‪89‬‬

.

‫المغـناطيسية‬

‫‪Magnetisim‬‬

‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يتعرف على أنواع املغناطيس وخواص كل نوع‪.‬‬ ‫يجري جتارب للحصول على مغناطيس‪.‬‬ ‫يعرف املجال املغناطيسي‪.‬‬ ‫يحدد عملي ًا شكل املجال املغناطيسي ملغناطيس‬ ‫بواسطة برادة حديد‪.‬‬ ‫يحسب شدة املجال املغناطيسي الناشئ عن‬ ‫تيار كهربائي‪.‬‬ ‫يستنتج عملي ًا شكل املجال املغناطيسي‬ ‫ألشكال مختلفة من التيار الكهربائي‪.‬‬ ‫يطبق قاعدة اليد اليمنى املقبوضة لتحديد‬ ‫اجتاه املجال‪.‬‬ ‫يعدد العوامل التي يتوقف عليها مقدار القوة‬ ‫املغناطيسية املؤئرة على موصل موضوع في مجال‬ ‫مغناطيسي منتظم ومير به تيار كهربائي‪.‬‬ ‫يطبق قاعدة اليد اليمنى املفتوحة لتحديد‬ ‫اجتاة القوة املغنطيسية‪.‬‬

‫يشرح قانون فارداي للتيارات التأثيرية‪.‬‬ ‫يشرح قاعدة لنز‪.‬‬ ‫يجري جتربة لتحقيق قاعدة لنز‪.‬‬ ‫يتعرف على تركيب املولد الكهربائي‪.‬‬ ‫يشرح مبدأ عمل املولد الكهربائي‪.‬‬ ‫يفرق بني أنواع املولد الكهربائي‪.‬‬ ‫يتعرف تركيب احملرك الكهربائي‪.‬‬ ‫يشرح مبدأ عمل احملرك الكهربائي‪.‬‬ ‫يتعرف تركيب احملول الكهربائي‪.‬‬ ‫يشرح مبدأ عمل احملرك الكهربائي‪.‬‬ ‫يطبق معادلة القوة احملركة الكهربائية بني‬ ‫طرفي كل من امللف االبتدائي والثانوي‪.‬‬ ‫يفرق بني أنواع احملول الكهربائي‪.‬‬

‫املغناطيسية‬ ‫سبق وأن درست في مقرر فيزياء (‪ )1‬موضوع املغناطيسية‬ ‫ < ماذا تعرف عن املغناطيسية ؟ وماهي املغانط؟‬

‫‪......................................................................‬‬ ‫‪......................................................................‬‬ ‫ < عدد أجهزة تعتمد في عملها على املغانط؟‬ ‫‪......................................................................‬‬ ‫‪......................................................................‬‬

‫أنواع املغانط‬ ‫انظر إلى الصورتني التاليتني‪ ،‬ثم بني نوع املغناطيس املستخدم‪.‬‬ ‫وكيف أمكن احلصول على كل منهما؟‬

‫شكل (‪ 1-4‬أ)‬

‫شكل (‪ 1-4‬ب)‬

‫صمم عرض تقدميي باحلاسب اآللي عن استخدام املغناطيس في اآلالت واألجهزة‬ ‫مدعما ذلك بالصور‬ ‫‪92‬‬

‫خواص املغناطيس‬ ‫راجع مقرر فيزياء (‪ )1‬ثم صمم جتارب أخرى خالف املذكورة تؤكــــد من خاللها علــى اخلـــواص التالية للمغناطيس‪:‬‬ ‫‪ .1‬خاصية جذب املواد املغناطيسية مثل احلديد‪ ،‬الكوبالت‪ ،‬النيكل‪.‬‬ ‫‪ .2‬األقطاب املتشابهة تتنافر واملختلفة تتجاذب‪0‬‬ ‫‪ .3‬ثنائية القطب للمغناطيس (كلما شطرنا املغناطيس إلى نصفني فإن القطعة الناجتة لها نفس خواص املغناطيس)‪.‬‬ ‫‪ .4‬تتركز قوة املغناطيس في األطراف وتنعدم في املنتصف‪0‬‬ ‫‪ .5‬وتصنف املواد في الطبيعة من حيث مغناطيسيتها إلى‪-:‬‬ ‫(‪ )1‬مواد فرو مغناطيسية ( شديدة التمغنط) مثل ‪..................‬‬ ‫(‪ )2‬مواد دايا مغناطيسية (غير قابلة للتمغنط) مثل ‪..................‬‬ ‫(‪ )3‬مواد بارا مغناطيسية (تتأثر باملغانط القوية جداً) مثل ‪..................‬‬

‫بالع ��ودة �إل ��ى مكتبة الو�س ��ائط �أكتب تقري ��را عن ت�أثي ��ر المغناطي�س على ذرات المواد ال�س ��ابق‬ ‫ذكرها‪.‬‬

‫ن�شاط ‪1-4‬‬ ‫أحضر بوصلة مغناطيسية وتفحصها جيداً‪ ،‬ثم اكتب وصف ًا لتركيبها‪ ،‬مبدأ‬ ‫عملها‪ ،‬كيف تستخدمها لتحديد االجتاهات؟‬ ‫< ملاذا يشترط أن تصنع علبة البوصلة من مادة‬ ‫مغناطيسية؟‬ ‫< ما هو املجال املغناطيسي الذي يؤثر على حركة‬ ‫إبرة البوصلة؟‬

‫شكل (‪ 2-4‬ب)‬ ‫شكل (‪ 2-4‬أ)‬

‫‪93‬‬

‫أنواع التمغنط‪:‬‬ ‫تنقسم املغانط إلى قسمني ‪:‬‬ ‫‪ -1‬مغانط طبيعية ‬

‫‪ -2‬مغانط صناعية‬

‫وسوف نتحدث بالتفصيل عن املغانط الصناعية فقط ‪ .‬ميكن احلصول على مغناطيس صناعي بعدة طرق عملية منها‪:‬‬

‫أ‪ -‬التمغنط بالدلك‬ ‫إن دلك قضيب حديد بواسطة مغناطيس باجتاه‬ ‫واحد عدة مرات يؤدي إلى أن يصبح قضيب احلديد‬ ‫بدوره مغناطيسا يجذب برادة احلديد أو الدبابيس‬ ‫احلديدية الصغيرة ‪ .‬وأن الطرف الذي بدأنا بدلكه‬ ‫مماثال للقطب الدالك كما في الشكل (‪)3-4‬‬

‫شكل (‪)3-4‬‬

‫ب‪ -‬التمغنط بالكهرباء‬

‫عندما تمُ رر تياراً كهربائي ًا في سلك نحاسي معزول ملفوف‬ ‫حول قطعة حديد‪ ،‬فإن قطعة احلديد تصبح مغناطيسا يسمى‬ ‫املغناطيس الكهربائي أنظر الشكل (‪.)4-4‬‬ ‫وتعتمد قوة هذا املغناطيس على عاملني هما‪:‬‬ ‫‪ -1‬شدة التيار الكهربائي املار في السلك‪.‬‬ ‫شكل (‪)4-4‬‬

‫‪ -2‬عدد لفات السلك حول قطعة احلديد‪.‬‬

‫ويالحظ هنا أنه في حالة قطع التيار تفقد قطعة احلديد قدرتها على اجلذب(اخلاصية املغناطيسية)‪.‬‬ ‫ولتفسير التمغنط بالدلك وبالتيار الكهربائي ميكن اعتبار أن املواد املغناطيسية كاحلديد تتكون من ثنائيات‬ ‫أقطاب في وضع غير منتظم عندما تكون املادة غير ممغنطة منل في الشكل (‪( )5-4‬أ) وعنما تتمغنط املادة بالدلك‬ ‫أو بالتيار الكهربائي تترتب تلك الثنائيات ترتيب ًا خاص ًا يؤدي إلى ظهور اخلصائص املغناطيسية لتلك املوادكما في‬ ‫الشكل (‪( )5 -4‬ب) ‪.‬‬ ‫(ب)‬

‫(أ)‬

‫شكل (‪)5-4‬‬ ‫‪94‬‬

‫ج ‪ -‬التمغنط بالتأثير‬ ‫إذا قربت مغناطيس ًا من طرف دبوس حديد فإنه سوف يجذبه إليه‪،‬‬ ‫ثان من طرف الدبوس األول‬ ‫وإذا حاولت بعد ذلك تقريب طرف دبوس ٍ‬ ‫فسوف يجذبه وهكذا شكل (‪ 6-4‬و ‪ ،)7-4‬حتى حتصل على سلسلة‬ ‫من الدبابيس املمغنطة‪ .‬إن كل دبوس في السلسلة قد أصبح مغناطيس ًا‬ ‫ويسمى هذا النوع من التمغنط بالتمغنط بالتأثير‪.‬‬

‫شكل (‪)6-4‬‬

‫جند الشيء نفسه يحدث إذا قربنا مغناطيس من طرف قضيب غير ممغنط‪ ،‬إذ يصبح القضيب الثاني ممغنط ًا‬ ‫بالتأثير‪ ،‬حيث تترتب الثنائيات املغناطيسية‪ w‬فيه في اجتاه واحد بفعل املغناطيس املؤثر شكل (‪.)8-4‬‬ ‫وهناك طرق أخرى ميكن بها مغنطة املواد مثل تسخني املادة املغناطيسية وتركها تبرد في مجال مغناطيسي‪،‬‬ ‫أو طرق املادة املغناطيسية بعد تثبيتها في اجتاه املجال املغناطيسي األرضي ‪.‬‬

‫شكل (‪)7-4‬‬

‫ن�شاط ‪2-4‬‬

‫شكل (‪)8-4‬‬

‫أي من املواد التالية ميكن حتويلها إلى مغناطيس‪:‬‬ ‫بني مع ذكر السبب والطريقة العملية املستخدمة‪ٌّ :‬‬ ‫نحاس‪ ،‬فضة‪ ،‬أملونيوم‪ ،‬نيكل‪ ،‬حديد‪.‬‬ ‫وميكن إزالة مغناطيسية جسم ما بالطرق التالية‪:‬‬ ‫‪ -1‬التسخني‪.‬‬

‫‪ -2‬إمرار تيار كهربائي معاكس في ملف يحيط باملغناطيس‪0‬‬ ‫‪ -3‬وضع املغناطيس في مجال مغناطيسي معاكس‪0‬‬ ‫‪ -4‬طرق املغناطيس أو إسقاطه‪0‬‬ ‫إن الطرق السابقة جميعها تعمل على بعثرة اجتاهات الثنائيات املغناطيسية‪ ،‬فال تعود مرتبة في اجتاه‬ ‫واحد‪ ،‬مما يفقد املغناطيس قوته املغناطيسية‪.‬‬ ‫‪95‬‬

‫تدريب عملي (‪)1-4‬‬ ‫أ‪ -‬استخدم أحد الطرق السابقة في صنع مغناطيس‪ ،‬وحتقق من أن املادة املستخدمة أصبح لها خواص‬ ‫املغناطيس‪.‬‬ ‫ب‪ -‬حاول إزالة املغناطيس عن القطعة التي مت مغنطتها‪ .‬بالطرق املذكورة سابقاً‪ ،‬وحتقق من زوال أثر‬ ‫املغناطيس عن القطعة‪.‬‬ ‫من التدريب السابق َو َجدْ َت أن القطعة التي يتم مغنطتها تكتسب خواص املغانط وهو قدرتها على جذب‬ ‫املواد احلديدية في حيز ( مجال ) قريب منها ‪.‬‬

‫ماذا نعني باملجال ؟‬

‫ن�شاط ‪3-4‬‬ ‫لديك األدوات التالية‪:‬‬ ‫ برادة حديد وعدد من املغانط‪.‬‬‫ سلك وبطارية وقاطعة‪.‬‬‫ لوح كرتون‪.‬‬‫استخدم األدوات السابقة في تنفيذ جتارب تتوصل من خاللها ملفهوم املجال املغناطيسي‪.‬‬ ‫يقال أن املغناطيس الوجه اآلخر للكهرباء‪.‬‬ ‫باستخدام األدوات السابقة حتقق من صحة هذه املقولة‪.‬‬

‫‪96‬‬

‫املجال املغناطيسي ‪Magnetec Filds :‬‬ ‫يعرف احليز الذي يظهر فيه أثر املغناطيس على برادة احلديد باملجال املغناطيسي ‪.‬‬ ‫َّ‬

‫ومي ّثَّل املجال املغناطيسي بخطوط وهمية‪ ،‬تسمى خطوط املجال‬ ‫املغناطيسي(‪ ) Induction lines‬يدل اجتاهها عند أية نقطة‬ ‫على اجتاه املجال في تلك النقطة‪0‬‬ ‫وميكن الكشف عن اجتاه هذه اخلطوط الوهمية عملي ًا باستخدام‬ ‫إبرة بوصلة مغناطيسية صغيرة ووضعها في النقطة‪ .‬حيث يشير اجتاه‬ ‫قطبها الشمالي(الدال على الشمال) إلى اجتاه خط املجال املؤثر على‬ ‫البوصلة‪ 0‬انظر الشكل (‪ ، )9-4‬ويكون للمجال املغناطيسي عند‬ ‫أي نقطة شدة يرمز لها بالرمز ( حم)‬ ‫‪.‬‬

‫شكل (‪)9-4‬‬

‫ن�شاط ‪4-4‬‬ ‫األدوات‪:‬‬ ‫ مغانط ‪ -‬برادة حديد ‪ -‬ورق ‪ -‬مجموعة إبر مغناطيسية‪.‬‬‫اخلطوات‪:‬‬ ‫‪ )1‬ضع البوصلة على أحد خطوط املجال املغناطيسي املتشكلة في برادة احلديد حول املغناطيس وحدد‬ ‫االجتاه الذي تستقر عليه الوصلة‪.‬‬ ‫‪ )2‬كرر اخلطوة السابقة عدة مرات ولكن في أماكن مختلفة حول املغناطيس‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ؟ ‪.................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬ ‫‪..............................................................................‬‬

‫‪97‬‬

‫إن البوصلة تأخذ دائم ًا اجتاه املماس خلطوط املجال املغناطيسي‬

‫هل اجتاه إبرة البوصلة يكون ثابت ًا عند جميع نقاط خطوط املجال حول املغناطيس ؟‬ ‫الصورالتالية تبني شكل املجال املغناطيسي ألنواع مختلفة من املغانط ‪.‬‬

‫ ‬

‫شكل (‪)10-4‬‬

‫من األنشطة واألشكال السابقة نالحظ ما يلي‪:‬‬ ‫‪ -1‬خطوط املجال ( خطوط احلث ) املغناطيسي‪ :‬تأخذ مسارات مغلقة حيث تخرج من القطب الشمالي‬ ‫للمغناطيس إلى قطبه اجلنوبي مبسارات مترخارج املغناطيس ثم تعود مرة أخرى من القطب اجلنوبي للمغناطيس‬ ‫إلى قطبه الشمالي مبسارات متر داخل املغناطيس‪ ،‬فإذا وضعت إبرة مغناطيسية صغيرة عند أي نقطة على املسار فإن‬ ‫قطبها الشمالي يشير إلى اجتاه املجال عند هذه النقطة‪.‬‬ ‫ويشير املماس خلط املجال املغناطيسي عند أي نقطة الجتاه املجال عند هذه النقطة‪.‬‬ ‫‪98‬‬

‫‪ -2‬ال تتقاطع خطوط املجال املغناطيسي ألن تقاطع خطوط املجال عند نقطة معناه أن للمجال عند هذه النقطة أكثر‬ ‫من اجتاه وهذا مستحيل ((أو أن اإلبرة املغناطيسية تتخذ عند هذه النقطة أكثر من اجتاه وهذا مستحيل أيضاً))‪.‬‬ ‫‪ -3‬تتناسب شدة املجال املغناطيسي طردياً‪ :‬مع عدد خطوط املجال التي تعبر وحدة املساحات لسطح عمودي‬ ‫على هذه اخلطوط ‪.‬‬ ‫‪ -4‬نالحظ في الشكل(‪ )5-4‬مايسمى‪ (( :‬بنقطة التعادل املغناطيسي)) وهي نقطة يكون فيها املجال‬ ‫منعدماً‪ ،‬كيف يحدث ذلك ؟‬

‫املجال املغناطيسي املنتظم‪:‬‬ ‫عندما تكون قيمة واجتاه املجال املغناطيسي‬ ‫ثابتني فإن املجال املغناطيسي في هذه احلالة يكون‬ ‫منتظم ًا ‪ ،‬ومثال ذلك املجال املغناطيسي بني قطبي‬ ‫مغناطيس على شكل حرف ‪ U‬ما عدا طرفي‬ ‫املغناطيس‪ ،‬وكذلك املجال املغناطيسي األرضي‬ ‫في مساحة محدودة مثل مساحة مدينة جدة‪،‬‬ ‫ومثل هذا املجال تكون خطوطه متوازية وقيمته‬ ‫ثابتة تقريب ًاً‪0‬‬

‫خطوط املجال املغناطيسي في الفراغ بني‬ ‫قطبي مغناطيس على شكل حدوة حذاء‬ ‫الفرس متوازية تقريب ًا وعددها مساوي لوحدة‬ ‫املساحات مما يدل على أن املجال املغناطيسي‬ ‫في هذه املنطقة ثابت تقريباً‪.‬‬ ‫القطب اجلغرافي‬ ‫الشمالي لألرض‬

‫القطب املغناطيسي‬ ‫اجلنوبي‬

‫ويستفاد من ذلك في معرفة اجلهات األصلية ‪.‬‬

‫قضية للمناقشة‬ ‫وج���د العلماء أن قيمة المجال المغناطيس���ي عند‬ ‫الكعبة المشرفة يساوي صفر‪ ،‬بالرجوع إلى مصادر‬ ‫المعلوم���ات تأك���د من صح���ة ه���ذه المعلومة‪ ،‬ثم‬ ‫حاول تفسيرها علمياً؟‬

‫محور األرض‬ ‫املجال املغناطيسي لألرض ويالحظ أن القطب اجلغرافي الشمالي لألرض‬ ‫هو قطب مغناطيسي جنوبي (الحظ اجتاه اخلطوط) كما أنه ينحرف عن‬ ‫ال‬ ‫القطب اجلغرافي قلي ً‬

‫شكل (‪)11-4‬‬

‫‪99‬‬

‫املجال املغناطيسي لبعض أشكال التيار الكهربائي‬ ‫‪magnetic filde of electric current‬‬

‫‪ -1‬التيار املستقيم‪:‬‬ ‫سبق وأن تعرفت بأن املغانط ليست املصدر الوحيد للمجاالت املغناطيسية ‪ ،‬حني الحظت بأن سريان تيار‬ ‫كهربائي في سلك فإنه ينتج عنه انحراف إبرة مغناطيسية موجودة بجوار السلك‪ ،‬مما يدل على تأثرها مبجال‬ ‫مغناطيسي مصدره التيار املار في السلك‪ ،‬أما شكل واجتاه هذا املجال املغناطيسي فيمكن معرفته من خالل التجربة‬ ‫التالية‪:‬‬

‫تجربة ‪1-4‬‬

‫ذد‬

‫حساب قيمة شدة المجال المغناطيسي لتيار خطي‬ ‫األدوات‪:‬‬ ‫سلك نحاسي سميك ومعزول ‪ ،‬بطارية سيارة ‪ ،‬ورق‬ ‫مقوى ‪ ،‬برادة حديد‪.‬‬ ‫خطوات العمل‪:‬‬

‫ت‬

‫‪ .1‬صل الدائرة كما في الشكل(‪ )12-4‬أ‬ ‫‪ .2‬أغلق الدائرة وضع برادة احلديد على الورق املقوى مع‬ ‫حتريك الورقة‪ ،‬وليكن ذلك خالل وقت قصير حتى ال يسخن‬ ‫السلك النحاسي‪0‬‬

‫حم‬ ‫شكل (‪ )12-4‬أ‬

‫< ماهو شكل برادة احلديد الذي حصلت عليه ؟‬ ‫< هل يشبه شكل(‪ )6-4‬ب؟‬ ‫‪ .3‬ضـع البوصلـة علـى الـــورق املقـوى وقـريبـ ًا مـــن‬ ‫السلك‪0‬شكل(‪ )12-4‬أ ماهو اجتاه املجال املغناطيسي ؟‬ ‫(هل هو مع أو ضد عقارب الساعة)‬ ‫‪ .4‬اعكس اجتاه التيار الكهربائي وأوجد اجتاه املجال‬ ‫املغناطيسي مرة أخرى‪ .‬ماهو اجتاه املجال املغناطيسي؟‬ ‫شكل (‪ )12-4‬ب‬ ‫‪100‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫مفتاح العالقة‬

‫لقد الحظت من التجربة السابقة أن شكل خطوط املجال‬ ‫املغناطيسي في حالة السلك املستقيم يكون على شكل دوائر‬ ‫متحدة املركز مستواها عمودي على السلك‪ ،‬ومركزها نقطة تقاطع‬ ‫السلك مع الورقة‪ .‬وتعتمد قيمة شدة املجال املغناطيسي في أي‬ ‫نقطة بجوار السلك على كل من شدة التيار املار في السلك والبعد‬ ‫العمودي للنقطة عن السلك ونوع الوسط احمليط بالسلك‪ ،‬حسب‬ ‫العالقة‬ ‫ت‬ ‫حم = ثا ×‬

‫حم‪ :‬شدة املجال املغناطيسي‬ ‫ف ‪ :‬بعد النقطة العمودي عن السلك‬ ‫ت‪ :‬شدة التيار املار في السلك‬ ‫‪ :µ‬معامل النفاذية املغناطيسية للوسط‬

‫ف‬

‫حيث ثا هو ثابت يعتمد على نوع الوسط وعلى نوع الوحدات املستخدمة‪ ،‬ويحسب بالعالقة‪:‬‬ ‫ ‬

‫ثا =‬

‫‪µ‬‬ ‫‪π2‬‬

‫وتختلف قيمته باختالف الوسط‪ ،‬وقيمته للهواء أو الفراغ هي‪:‬‬ ‫‪ 7-10 ×π 4= µ‬ويبر ‪ /‬أمبير‪ .‬متر‬ ‫وإذا قيست (ف) باملتر فإن وحدة قياس (حم) هي (ويبر‪ /‬متر‪ ) 2‬وتسمى تسال‬

‫عرف التسال‬ ‫ِّ‬

‫إذاً ميكننا أن نحسب قيمة حم الناشئة عن سلك مستقيم مير به تيار‬ ‫كهربائي ويحيط به الهواء أو الفراغ من القانون التالي‪:‬‬

‫ت‬ ‫حم = ‪× 7-10 × 2‬‬ ‫ف‬ ‫أما اجتاه املجال املغناطيسي حول السلك فيمكن حتديده باستخدام ما‬ ‫يسمي قاعدة اليد اليمني املقبوضة‪ ،‬وطريقتها هي أن تتخيل أنك قابض‬ ‫ال اإلبهام يشير إلى اجتاه التيار االصطالحي‪،‬‬ ‫على السلك بيدك اليمنى جاع ً‬ ‫فيصبح التفاف بقية أصابع اليد يشير إلى اجتاه املجال املغناطيسي‬ ‫شكل(‪)13-4‬‬

‫اجتاه التيار‬ ‫قاعدة اليد‬ ‫اليمنى‬

‫اجتاه املجال‬

‫مسار التيار‬ ‫الكهربائي‬

‫شكل (‪)13-4‬‬

‫‪101‬‬

‫وللتطبيق العملي تستخدم العديد من املصانع واملستشفيات الروبوت أو اإلنسان اآللي لنقل املواد‬ ‫ال (حزمة أسالك) حام ً‬ ‫من موقع آلخر‪ ،‬أحد أنواع هذه الروبوتات يتبع كاب ً‬ ‫ال للتيار ومدفون ًا في‬ ‫أرضية املصنع‪ ،‬شكل (‪ )8-4‬حيث يتبع الروبوت الكابل األرضي من خالل أجهزة (مجسات أو‬ ‫حساسات) ‪ sensors‬مركبة بالروبوت لديها القدرة على اإلحساس باملجال املغناطيسي الناشئ‬ ‫حول الكابل‪.‬‬

‫ابحث عن املصانع التي تستخدم هذا الكابل‬

‫‪ -2‬التيار الدائري‪:‬‬ ‫حينما يلف السلك الناقل للتيار على شكل حلقة دائرية فإن خطوط املجال املغناطيسي النهائي تكون على‬ ‫شكل منحنيات مغلقة ما عدا حزمة ضيقةشبه متوازية من خطوط املجال متر مبركز امللف الدائري (احللقة) شكل‬ ‫( ‪.)14– 4‬‬

‫شكل (‪)14-4‬‬ ‫‪102‬‬

‫حم =‬

‫‪×µ‬ت×ن‬ ‫ر‬

‫حيث الفراغ أو الهواء هو الوسط احمليط باحللقة‬

‫مفتاح العالقة‬

‫أما شدة املجال املغناطيسي عند مركز ملف دائري مكون من‬ ‫( ن ) لفة فتعطي بالقانون التالي‪:‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫صمم جتربة توضح فيها العوامل املؤثرة على شدة املجال املغناطيسي عند مركز ملف‬ ‫دائري‪.‬‬ ‫حم‪ :‬شدة املجال املغناطيسي‬ ‫ر ‪ :‬متوسط نصف قطر امللف‬ ‫ت‪ :‬شدة التيار املار في السلك‬ ‫ن‪ :‬عدد اللفات‬ ‫‪ :µ‬معامل النفاذية املغناطيسية للوسط‬

‫شكل (‪)15-4‬‬

‫‪ -3‬امللف اللولبي‪:‬‬ ‫شكل املجال املغناطيسي كما هومبني في الشكل (‪ )15-4‬وكما تالحظ فهو على شكل خطوط شبه متوازية‬ ‫داخل امللف ومتباعدة خارجه وهو يشبه املجال املغناطيسي لقضيب مغناطيسي‪ ،‬أما قيمة (حم) عند أي نقطة‬ ‫داخل امللف وعلى محوره* فتعطى بالعالقة التالية ‪:‬‬

‫* محور امللف اللولبي هو اخلط الوهمي املار مبركز امللف عمودي ًا على مستواه‬ ‫‪103‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫وألجل حتديد اجتاه املجال املغناطيسي داخل امللف ميكن‬ ‫استخدام ما يعرف مبقلوب قاعدة اليد اليمني والتي تنص على جعل‬ ‫اجتاه التفاف أصابع اليد اليمني مع االجتاه االصطالحي للتيار فيشير‬ ‫اإلبهام إلى اجتاه (حم ) داخل امللف‪ ،‬شكل(‪)16-4‬‬

‫حم‪ :‬شدة املجال املغناطيسي‬ ‫ل ‪ :‬طول املف‬ ‫ت‪ :‬شدة التيار املار في السلك‬ ‫ن‪ :‬عدد اللفات الكلية‬ ‫‪ :µ‬معامل النفاذية املغناطيسية للوسط‬ ‫نَ ‪ :‬عدد اللفات في املتر الواحد‬

‫مفتاح العالقة‬

‫حم =‬

‫‪×µ‬ت×ن‬ ‫ل‬

‫أو حم = ‪ × µ‬ت × ن‬

‫شكل (‪)16-4‬‬

‫قارن بني شكل املجال املغناطيسي الناشئ عن امللف اللولبي واملجال املغناطيسي الناشئ‬ ‫عن قضيب مغناطيسي شكل( ‪)17-4‬‬

‫‪N‬‬

‫‪S‬‬

‫شكل (‪)17-4‬‬ ‫‪104‬‬

‫(‪)1-4‬‬ ‫سلـــك مستقيــــم وطويــــل مير به تيار كهربائي ينتــــج عنـــه مجال مغناطيسي شـــدته تســاوي‬ ‫‪ 5-10 × 4.5‬تسال على بعد ‪ 16‬سم عن السلك فما هي شدة التيار في السلك؟‬ ‫حم = ثا ×‬

‫ت‬ ‫ف‬

‫ت=‬

‫ف × حم‬ ‫ثا‬

‫=‬

‫‪10 × 4.5 × 0.16‬‬

‫‪5-‬‬

‫‪10 × 2‬‬

‫‪7-‬‬

‫= ‪.........‬‬

‫تدريب (‪)2-4‬‬ ‫ملف لولبي طويل يتكون من ‪ 1400‬لفة وطوله ‪ 70‬سم احسب شدة املجال املغناطيسي بداخل‬ ‫امللف وعلى محوره إذا كان تيار امللف ‪ 4.7‬أمبير؟‬ ‫‪.......................................................................‬‬ ‫‪.......................................................................‬‬ ‫‪.......................................................................‬‬

‫تأثير مجال مغناطيسي منتظم على تيار كهربائي مستقيم‬

‫ن�شاط ‪5-4‬‬ ‫األدوات‪:‬‬ ‫مغناطيس على شكل حرف ‪ ، U‬بطارية سلك‪ ،‬قاطعة‪،‬‬ ‫حامل‪ ،‬مسمار طويل‬ ‫خطوات إجراء النشاط‪:‬‬ ‫‪ -1‬صل األدوات وضع املغناطيس بوضع أفقي متعامد مع‬ ‫السلك كما في الشكل‪.‬‬

‫شكل (‪)18-4‬‬

‫‪105‬‬

‫‪ -2‬أكمل الرسم ثم أغلق القاطعة‪ ،‬ماذا تالحظ؟‪..............................‬‬ ‫‪ -3‬اعكس التيار بتغيير توصيل األسالك بالبطارية ‪.‬‬ ‫‪ -4‬أغلق القاطع ‪ ...‬في أي اجتاه حترك السلك؟‬ ‫‪ -5‬غير وضع املغناطيس (اجعل أحد القطبني مكان اآلخر)‪.‬‬ ‫‪ -6‬أغلق القاطعة ‪ ....‬في أي اجتاه حترك السلك؟‬ ‫‪ -7‬أبعد املغناطيس وأغلق الدائرة ماذا تالحظ؟ ماذا تستنتج؟‬ ‫‪....................................................................‬‬ ‫‪......................................................................‬‬ ‫‪......................................................................‬‬ ‫‪......................................................................‬‬ ‫‪......................................................................‬‬ ‫االستنتاج‬ ‫لقد حترك السلك في كل احلاالت عدا احلالة األخيرة واجتاه حركة السلك يعتمد على كل من اجتاه التيار ت‪،‬‬ ‫واجتاه املجال املغناطيسي‪ ،‬وحركة السلك تدل على أن السلك تعرض لقوة ‪،‬وكما تالحظ فإن اجتاه حركة السلك‬ ‫عمودي على كل ممن اجتاه التيار واجتاه حم ‪.‬‬ ‫اجتاه‬ ‫التيار‬

‫ت‬ ‫اجتاه املجال املغناطيسي‬ ‫حم‬

‫اجت‬ ‫اه ال‬ ‫قوة‬

‫ومن النشاط السابق نستنتج أن أي سلك مير‬ ‫به تيار كهربائي موضوع في مجال مغناطيسي‬ ‫يتعرض لقوة ميكن حتديد اجتاهها من قاعدة اليد‬ ‫اليمني املفتوحة‪ ،‬والتي يوضحهاالشكل (‪)19 -4‬‬ ‫حيث يكون اجتاه اإلبهام مشيراً إلى اجتاه التيار‬ ‫االصطالحي‪ ،‬وبقية األصابع تشير إلى اجتاه حم ‪،‬‬ ‫أما اجتاه القوة فهو اجتاه سهم خارج من راحة اليد‬ ‫عمودي ًا عليها‪0‬‬

‫ت‬

‫حم‬ ‫ق‬

‫ق‬

‫شكل (‪)19-4‬‬

‫لعلك الحظت من تنفيذ هذه التجربة أن مصدر هذه القوة هو املجال املغناطيسي ولذلك تسمى ( قوة‬ ‫مغناطيسية)‬

‫ماهي العوامل املؤثرة على مقدار هذه القوة املغناطيسية؟‬ ‫‪106‬‬

‫أما قيمة هذه القوة فتحسب من القانون التالي املسمى قانون ال بالس‪:‬‬ ‫فقد الحظت من النشاط السابق أن ق ∝ ت ‪،‬‬

‫ق∝ حم‬

‫كما تؤثر على طول من السلك (ل)‬

‫مفتاح العالقة‬

‫ويعرف هذا القانون بقانون البالس‬

‫مفتاح العالقة‬

‫ق = ت × حم × ل× جاى‬

‫حم‪ :‬شدة املجال املغناطيسي‬ ‫ل‪ :‬طول السلك الواقع حتت تأثير املجال‬ ‫ت‪ :‬شدة التيار املار في السلك‬

‫ي‪ :‬الزاوية بني اجتاه حم واجتاه التيار‬

‫القوة املؤثرة على شحنة متحركة (قانون لورنتز)‬ ‫إن املجال املغناطيسي الناشئ عن التيار الكهربائي ليس في احلقيقة إال مجا ًال مغناطيسي ًا ناشئ ًا عن الشحنات‬ ‫املتحركة ‪ ،‬ولهذا يزول املجال املغناطيسي بتوقف الشحنات عن احلركة (انقطاع التيار)‪ ،‬كما أن القوة التي يتعرض‬ ‫لها السلك احلامل للتيار املوضوع في مجال مغناطيسي ليست إال عبارة عن القوة بني مجالني مغناطيسيني هما‬ ‫املجال املغناطيسي الناشئ عن املغناطيس واملجال املغناطيسي الناشيء عن التيار ‪ ،‬وحيث إن املجال املغناطيسي‬ ‫الناشئ عن التيار هو محصلة للمجاالت املغناطيسية الناشئة عن الشحنات الكهربائية ‪ ،‬فإن القوى املؤثرة في‬ ‫السلك هي عبارة عن محصلة القوي املؤثرة على الشحنات الكهربائية املتحركة في هذا السلك ‪ 0‬وهذا هو مضمون‬ ‫قانون لورنتز ‪ ،‬حيث استنتج ذلك رياضي ًا على النحو التالي‪:‬‬ ‫ق=ت×حم×ل×جاى‬ ‫ ‬ ‫ش‬ ‫وكذلك ع =‬ ‫وإذا علمت أن ‪ :‬ت =‬

‫ز‬

‫استنتج أن ‪:‬‬

‫ل‬

‫ز‬

‫ق = ش × ( ع × حم)‬

‫وكمــــا تالحـــــظ من العــــالقة األخيـــــرة وحســـب خصائــــص الضــرب املتجــه ملتجهيــــن فإن اجتـــاه ق يعامد‬ ‫اجتاه كل من ع و حم ‪.‬‬ ‫ومن التطبيقات على حركة شحنة في مجال مغناطيسي أجهزة املعجالت ‪. Cyclotron‬‬ ‫‪107‬‬

‫تدريب (‪)3-4‬‬ ‫أ ب سلك معدني طوله ‪ 10‬سم يحمل تياراً كهربائي ًا شدته ‪ 2‬أمبير وباجتاه من أ إلى ب إذا أثر عليه‬ ‫مجال مغناطيسي شدته ‪ 4- 10‬تسال ومتعامد على الورقة وداخ ً‬ ‫ال فيها حدد مقدار واجتاه القوة املؤثرة على‬ ‫السلك علم ًا بأنه موضوع أفقي ًا في مستوى الورقة‪.‬‬ ‫‪.............................................................................‬‬ ‫‪...............................................................................‬‬ ‫‪...............................................................................‬‬

‫نشاط حر‬ ‫القوة املتبادلة بني تيارين مستقيمني متوازيني‬ ‫األدوات‪:‬‬

‫مولدان‪ ،‬سلكان رقيقان من النحاس‪ ،‬حامالن‪،‬‬ ‫قاطعان‪ ،‬أسالك توصيل‪ ،‬حوضان من اخلز ف أو الزجاج‪،‬‬ ‫زئبق‪.‬‬

‫خطوات التجربة‪:‬‬ ‫‪ -1‬صل الدائرة كما في الشكل‪.‬‬

‫ﺕ‪٢‬‬

‫ﺕ‪١‬‬

‫‪ +‬ـ‬

‫ـ ‪+‬‬

‫شكل (‪)20-4‬‬

‫‪ -2‬أغلق القاطعني‪ ،‬ماذا تالحظ؟ ‪................................................‬‬ ‫‪ -3‬اجعل اجتاه التيار في أحد السلكني عكس اجتاه التيار في السلك اآلخر‪.‬‬ ‫‪ -4‬أغلق القاطعني‪ ،‬ماذا تالحظ؟ ‪................................................‬‬ ‫ماذا تستنتج؟‬ ‫يتجاذب السلكان إذا مر بهما تياران لهما ‪ ................‬االجتاه‪ ،‬ويتنافر السلكان إذا مر بهما‬ ‫تياران ‪ ..............‬في االجتاه‪.‬‬

‫‪108‬‬

‫التدفق املغناطيسي ‪:‬‬ ‫عندما تفتح نافذة الغرفة ويبدأ الهواء باملرور فإنك تعبر عن ذلك وتقول الهواء يتدفق عبر النافذة وكذلك التدفق‬ ‫املغناطيسي يعبر عن نفس هذا املعني حيث يعرف كالتالي‪:‬‬

‫التدفق املغناطيسي من خالل سطح ماهو عدد‬ ‫متجهات احلث املغناطيسي التي تخترق هذا السطح‬ ‫عمودي ًا عليه‬ ‫ويقاس بوحدة ويبر ويعطي بالعالقة التالية‪:‬‬

‫من القانون السابق اكتب تعريف ًا للويبر‬

‫مفتاح العالقة‬

‫تد = ن ( حم × س × جاى)‬

‫تد‪ :‬التدفق املغناطيسي‬

‫حم‪ :‬شدة املجال املغناطيسي‬ ‫س‪ :‬مساحة السطح‬

‫ن‪ :‬عدد اللفات‬

‫ي‪ :‬الزاوية بني اجتاه حم ومستوى السطح‬

‫ﺣﻢ‬

‫مفتاح العالقة‬

‫‪............................................‬‬ ‫‪..............................................‬‬ ‫‪..............................................‬‬

‫ﺣﻢ‬

‫ﺣﻢ‬

‫شكل (‪ )21-4‬تدفق خطوط احلث املغناطيسي‬ ‫‪109‬‬

‫(‪)4-4‬‬ ‫ملف مساحته ‪ 0.4‬م‪ 2‬وعدد لفاته ‪ 50‬لفة ومير به تيار شدته ‪ 3‬أمبير وضع في مجال مغناطيسي منتظم‬ ‫شدته ‪ 0.2‬تسال‪ ،‬احسب التدفق املغناطيسي من خالل هذا امللف إذا كان اجتاه حم عمودي ًا على مستوى‬ ‫امللف‪.‬‬ ‫احلل‪:‬‬ ‫تد = ن ( حم × س × جاى) = ‪ × 0.4 × 0.2 ( 50‬جا ‪ 4 = )590‬ويبر‬

‫نشاط (‪ )6-4‬توليد تيار كهربائي من مجال مغناطيسي‬ ‫األدوات‪:‬‬ ‫مغناطيس منتظم‪ ،‬سلك معدني‪ ،‬جلفانومتر‪.‬‬ ‫خطوات التجربة ‪:‬‬ ‫‪ -1‬صل السلك بطرفي اجللفانومتر ‪.‬‬ ‫‪ -2‬حرك طرف املغناطيس باجتاه عمودي على امللف‪.‬‬ ‫‪ -3‬الحظ اجتاه املؤشر ‪..................‬‬ ‫‪ -4‬حرك املغناطيس مبتعدا عن امللف‪.‬‬ ‫‪ -5‬ماذا تالحظ؟ ‬ ‫‪.......................................‬‬ ‫‪..........................................‬‬ ‫‪ -6‬كرر اخلطوتني السابقتني مستخدم ًا القطب اجلنوبي‪.‬‬

‫‪110‬‬

‫ماذا تالحظ؟‬ ‫‪.....................................‬‬ ‫‪......................................‬‬ ‫‪-7‬قم بتحريك املغناطيس في احلالتني السابقتني‬ ‫بسرعة أكبر‪.‬‬ ‫ماذا تالحظ‪............................‬؟‬ ‫‪ -8‬أوقف حركة املغناطيس‪ ،‬ماذا يحدث ملؤشر الغلفانومتر؟‬ ‫‪-9‬اجعل املغناطيس موازيا ملركز السلك وحركه في اجتاهني متعاكسني بسرعات مختلفة‬ ‫وراقب مؤشر الغلفانومتر؟ ماذا تالحظ؟ ‪................................‬‬ ‫‪ -10‬حرك املغناطيس بشكل مائل على اجتاه خطوط املجال املغناطيسي‬ ‫في اجتاهني متعاكسني ماذا تالحظ؟‪........................................‬‬ ‫سجل مالحظاتك واستنتاجك في احلاالت السابقة‬ ‫‪..................................................................‬‬ ‫‪..................................................................‬‬ ‫‪..................................................................‬‬

‫احلث الكهرومغناطيسي ‪:‬‬ ‫لقد تعرفت في مقرر فيزياء (‪ )1‬أن املغناطيسية هي الوجه اآلخر للكهرباء‪ ،‬مبعنى أنه ميكن احلصول على مجال‬ ‫مغناطيسي من التيار الكهربائي فهل العكس صحيح ؟ لإلجابة قم بالنشاط التالي‪:‬‬ ‫لم يكن في حسبان أحد قبل عام‪1831‬م أنه ميكن توليد الكهرباء من غير البطاريات الكيميائية‪ ،‬إال أنه في‬ ‫ذلك العام اكتشف فاراداي باملصادفة وبعد بحوث مضنية أنه ميكن توليد التيار الكهربائي اعتماداً على تغير التدفق‬ ‫املغناطيسي‪:‬‬

‫‪111‬‬

‫نشاط (‪ )7-4‬تجربة فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي‬ ‫‪ -1‬صل نهايتي امللف مع امللي أميتر‪.‬‬ ‫‪ -2‬حرك القضيب املغناطيسي باجتاه امللف عمودي ًا‬ ‫على مستواه كما في الشكل‪.‬‬ ‫‪ -3‬حرك القضيب املغناطيسي بعيداً عن امللف‬ ‫عمودي ًا على مستواه‪.‬‬ ‫‪ -4‬أوقف حركة املغناطيس‪.‬‬ ‫‪ -5‬الحظ مؤشر امللي أميتر في كل مرة‪.‬‬ ‫* ماذا تعلل انحراف مؤشر اجللفانومتر أثناء‬ ‫حركة املغناطيس وعدم انحرافه أثناء توقف حركة‬ ‫املغناطيس؟‬ ‫* دقق مشاهداتك في احلالتني وحاول تفسيرهما‪.‬‬

‫ﺵ‬

‫ﺝ‬

‫على ماذا يدل كل من النشاطني السابقني؟‬ ‫استنتج فاراداي أن التيار الكهربائي يتولد في ملف اجللفانومتر أثناء حترك املغناطيس‪ ،‬وأن اجتاه هذا التيار يعتمد‬ ‫على اجتاه حركة املغناطيس‪.‬‬ ‫وقد سميت هذه الظاهرة احلث الكهرومغناطيسي‪،‬ألن املغناطيس املتحرك يستحث في امللف تياراً كهربائياً‪.‬‬ ‫ويسمى هذا التيار الكهربائي التيار احلثي‪،‬ألن املجال املغناطيسي للمغناطيس حث إلكترونات السلك على احلركة‬ ‫في اجتاه معني فتولد تيار كهربائي من حركتها‪.‬‬ ‫إن ما شاهدته في هذه التجارب ليس إال منوذج ًا بسيط ًا لكيفية تولد التيار الكهربائي في املولدات الكهربائية‬ ‫التي تغذي املدن بالكهرباء‪.‬‬

‫قانـون‬ ‫‪112‬‬

‫وقد وضع فاراداي قانون ًا يصف هذه الظاهرة نصه ‪ :‬عندما يتغير التدفق‬ ‫املغناطيسي خالل دائرة كهربائية تتولد فيها قوة محركة كهربائية (قوة‬ ‫دافعة) تأثيرية يتناسب مقدارها مع معدل تغير التدفق بالنسبة للزمن‪.‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫ ∆ تد‬‫قم =‬ ‫∆ز‬

‫∆ تد‪ :‬التغير في التدفق املغناطيسي (ويبر)‬ ‫∆ ز‪ :‬الزمن الذي حصل فيه التغير (ثانية)‬

‫قم‪ :‬القوة احملركة التأثيرية (فولت)‬

‫تدريب (‪)4-4‬‬ ‫لفة من سلك مستطيل الشكل طوله ‪20‬سم وعرضه ‪10‬سم ومستواه عمودي على خطوط مجال‬ ‫مغناطيسي شدته ‪ 3-10 × 3‬تسال‪ .‬احسب التدفق الكلي الذي يخترق اللفة‪ ،‬ثم أحسب القوة‬ ‫احملركة الكهربائية املستحقة املتولدة في اللفة عندما ينعدم التدفق في زمن قدره ‪ 3- 10 × 3‬ثانية‪.‬‬ ‫‪..........................................................................‬‬ ‫‪..........................................................................‬‬

‫هل تستطيع إعطاء تفسير لوجود اإلشارة السالبة في القانون السابق ؟‬

‫قاعـدة لـنز ‪:‬‬ ‫اهتم العالم لنز بدراسة اجتاه القوة الدافعة التأثيرية وعالقتها بحركة املوصل في املجال املغناطيسي‪ ،‬وللتعرف على‬ ‫قاعدة لنز قم بالنشاط التالي ‪:‬‬

‫‪113‬‬

‫ن�شاط عملي (‪)4-4‬‬ ‫‪ -1‬أدخل مغناطيس ًا من طرفه الشمالي‬ ‫في ملف موصل بالدائرة مع جلفانومتر‬ ‫شكل (أ)‪.‬‬

‫ﺝ‬

‫ﺵ‬

‫ﺝ‬

‫ﺵ‬

‫‪ -2‬حدد اجتاه مرور التيار‪ ،‬وتعرف على‬ ‫(أ)‬ ‫نوع القطب املتكون في طرف امللف‬ ‫املواجه للمغناطيس‪.‬‬ ‫‪ -3‬اسحب املغناطيس من امللف شكل‬ ‫(ب) وتعرف كذلك على نوع القطب‬ ‫املتكون عند طرف امللف املواجه‬ ‫(ب)‬ ‫للمغناطيس‪.‬‬

‫ﺝ‬

‫ﺵ‬

‫ﺵ‬

‫ﺝ‬

‫ماذا تالحظ؟ ‪....................‬‬ ‫‪.......................................................................‬‬ ‫‪.......................................................................‬‬ ‫‪ -1‬القطب الذي تك ّون في الطرف املواجه للملف في احلالة األولى قطب شمالي ‪ ,‬أي تنافر مع املغناطيس‪،‬‬ ‫ويقاوم حركة إدخال القطب الشمالي للمغناطيس‪.‬‬ ‫في احلالة الثانية قطب جنوبي‪ ،‬أي يتجاذب مع املغناطيس ويقاوم أيض ًا حركة اإلخراج ‪.‬‬ ‫وميكن أن نستنتج من هذا النشاط أن اجتاه القوة احملركة التأثيرية املتولدة ( أو التيار التأثيري املتولد ) يكون‬ ‫بحيث يقاوم احلركة التي تسببت في تكونه ‪.‬‬ ‫‪ -2‬كرر اخلطوة السابقة في النشاط ولكن مع إدخال املغناطيس من القطب اجلنوبي وتعرف على نوع القطب‬ ‫املتكون في امللف (ب) عند زيادة التدفق وعند نقصانه‪ ،‬ماذا تستنتج ؟‬ ‫‪...................................................................................‬‬

‫(يكون اجتاه التيار التأثيري بحيث يضاد التغير في التدقيق املغناطيسي الذي يولده)‬ ‫أي أن ‪:‬‬

‫‪114‬‬

‫∆ تد‬ ‫قد=‬ ‫∆ز‬

‫وتستخدم قاعدة لنز في حتديد اجتاه التيار احلثي املتولد في دائرة كهربائية فإذا كانت هناك زيادة في التدفق خالل‬ ‫الدائرة (أي ‪ ∆ :‬تد موجب) حينئذ‪ ،‬تكون َ‬ ‫(قد)سالبة‪ ،‬فتولد تياراً حثي ًا له مجال مغناطيسي اجتاهه يعاكس اجتاه‬ ‫تدفق املجال املغناطيسي األساسي ( أي يعمل على مقاومة الزيادة في التدفق املغناطيسي عبر الدائرة) ‪.‬‬

‫ناقش ما يحدث عند تناقص تدفق املجال املغناطيسي خالل الدائرة ‪.‬‬ ‫وهكذا جند أن قاعدة لنز ( ‪ )Lenz‬نابعة باألساس من قانون حفظ الطاقة‪.‬‬

‫ ‬

‫ماهي العوامل التي تعتمد عليها قيمة القوة الدافعة الكهربائية املستحثة ؟‬

‫ظاهرة احلث الكهرومغناطيسي الذاتي‪:‬‬ ‫لعلك الحظت استمرار املؤشرات جلهاز التلفاز أو بعض األجهزة اإللكترونية األخرى لفترة زمنية قصيرة بعد‬ ‫انقطاع التيار الكهربائي عنها‪ ،‬فهل حاولت إيجاد تفسير لذلك؟‬ ‫إن سبب ذلك هو تغير التدفق املغناطيسي احمليط‬ ‫بالدوائر الكهربائية للجهاز ‪ ،‬فعند إغالق اجلهاز الكهربائي‬ ‫"قطع التيار عنه" يحدث تغيير في التدفق املغناطيسي‬ ‫احمليط بالداوائر الكهربائية نتيجة تغير شدة التيار املار‪،‬‬ ‫فينشأ عن ذلك تيار تأثيري في نفس الدائرة الكهربائية‬ ‫ويكون اجتاه التيار املتولد مطابق ًا الجتاه التيار األصلي‬ ‫فتستمر املؤشرات في اإلضاءة‪ ،‬وتسمى هذه الظاهرة‬ ‫احلث الكهرومغناطيسي الذاتي‪.‬شكل(‪)14-4‬‬

‫ﺡ‬

‫حمﻡ‬

‫شكل (‪)14-4‬‬

‫أما عند فتح اجلهاز " إيصال التيار له " فيعمل التيار‬ ‫لثوان معدودة كما هو مالحظ في بعض األجهزة‬ ‫احلثي الذاتي على تباطؤ منو التيار مما يؤدي إلى تأخر عمل اجلهاز ٍ‬ ‫اإللكترونية ‪.‬‬ ‫وحيث أن ‪ :‬تد‪ α‬ت‬ ‫∆ تد= ثا × ∆ ت‬

‫∆ تد ‪ ∆ α‬ت‬ ‫بالقسمة على∆ ز‬ ‫‪115‬‬

‫∆ تد‬

‫= ثا ×‬

‫∆ز‬

‫مفتاح العالقة‬

‫∆ز‬

‫∆ت‬ ‫∆ت‬

‫ قم = ثا ×‬‫∆ز‬ ‫حيث ثا ‪ :‬ثابت يسمى معامل احلث الذاتي‬ ‫قم = ‪ -‬ذ ×‬

‫∆ت‬ ‫∆ز‬

‫∆ ت‪ :‬التغير في شدة التيار األصلي‬ ‫∆ ز‪ :‬الزمن الذي حصل فيه التغير‬

‫قم‪ :‬القوة احملركة التأثيرية‬

‫ذ‪ :‬معامل احلث الكهرومغناطيسي الذاتي‬ ‫ويقاس بوحدة هنري‬

‫كيف تفسر وجود اإلشارة السالبة في هذا القانون ؟‬ ‫استنتج الوحدة املكافئة للهنري من القانون السابق ثم اكتب تعريف ًا له ‪.‬‬

‫ظاهرة احلث املتبادل‪:‬‬

‫احلث الذاتي ظاهرة غير مرغوب فيها في‬ ‫األجهزة اإللكترونية وذلك إلهدارها للطاقة‬ ‫خصوص ًا عند بدء عمل اجلهاز لذلك يحاول مصنعوا‬ ‫هذه األجهزة التقليل من أثر هذه الظاهرة‪.‬‬

‫وهو تولد قوة دافعة حثيه في دارة كهربائية نتيجة تغير التيار في دائرة كهربائية مجاورة‪ 0‬ويعرف احلث املتبادل‬ ‫بني ملفني بأنه هو‪:‬‬ ‫( التأثير الكهرومغناطيسي احلادث بني ملفني متجاورين ( أو متداخلني) مير بأحدهما تيار كهربائي متغير‬ ‫الشدة فيتأثر به امللف الثاني ويقاوم التغير احلادث في امللف األول وذلك بتوليد تيار حثي داخل امللف الثاني‬ ‫ينشأ عنه مجال مغناطيسي يحاول إبقاء التدفق املغناطيسي ثابت ًا )‪.‬‬ ‫ويعرف مقدار القوة الدافعة احلثية املتولدة في أحد امللفني عندما يتغير تيار امللف اآلخر مبعدل أمبير واحد ‪ /‬ث‬ ‫مبعامل احلث املتبادل بني امللفني ( ذم) ‪.‬‬ ‫وتكتب قيمته على الصورة ‪:‬‬ ‫قمَ‪ -= 2‬ذم ×‬ ‫قمَ‪ -= 1‬ذ‪1‬م ×‬ ‫الحظ أنه إذا تغير التيار في امللف األول فإن القوة الدافعة تنتج في امللف الثاني ‪.‬‬ ‫‪116‬‬

‫أجهزة كهربائية تعمل بظاهرة احلث الكهرومغناطيسي‬ ‫من أهم األجهزة التي تعمل على ظاهرة احلث الكهرومغناطيسي واملستخدمة‬ ‫في حياتنا اليومية بشكل الميكن االستغناء عنه هي ‪:‬‬

‫‪ )1‬املولد الكهربائي(الدينامو)‪:‬‬ ‫تركيبه‪:‬‬ ‫ميثل الشكل (‪ )15-4‬ملف يحتوي على عدد من امللفات قابل للحركة‬ ‫حرك ًة دوراني ًة حرة حول محور معني وموضوع في مجال مغناطيسيي بحيث‬ ‫يكون محوره متعامداً مع املجال ويتصل طرفا امللف بحلقتني فلزيتني تدوران مع‬ ‫امللف واحللقتان معزولتان عن بعضهما ويتصل بهما فرشاتان ثابتتان من الكربون‬ ‫موصولتان مع الدائرة اخلارجية‪.‬‬ ‫مبدأ عمله‪:‬‬

‫شكل (‪)15-4‬‬

‫يعمل على مبدأ حتويل الطاقة احلركية إلى طاقة كهربائية‪ .‬تستخدم محركات‬ ‫الوقود أو القوى املائية لتوفير الطاقة امليكانيكية الالزمة إلدارة امللف‪0‬حيث تتولد قوة‬ ‫دافعة حثية في امللف وبالتالي تيار حثي بفعل التدفق الذي يعبر امللف‪0‬والتيار الناجت عن املولد الكهربائي متغير املقدار‬ ‫واالجتاه ويسمى مثل هذا التيار بالتيار املتناوب ويرمز له بالرمز ‪ ac‬وللحصول على تيار ثابت االجتاه تستبدل احللقتان‬ ‫بنصفي حلقة كما في الشكل (‪ )16-4‬أ تقومان بعكس اجتاه التيار كل نصف دورة ‪.‬‬ ‫وللحصول على تيار ثابت املقدار وموحد االجتاه (تيار مستمر)‬ ‫‪ Dc‬يصمم املولد بحث يضم عدة ملفات متتالية تدور جميعها حول‬ ‫احملور نفسه وتصنع مستوياتها زوايا مختلفة متتالية مع اجتاه املجال‬ ‫املغناطيسي‪ 0‬كما في الشكل (‪ )16-4‬ب‬

‫عاكس التيار‬

‫تفحص مولد (دينامو) الدراجة‬ ‫موضح ًا كيف يعمل؟‬

‫ج‬

‫ش‬

‫فرشاة من الفحم‬

‫(أ)‬

‫شكل (‪ )16-4‬مولد التيار املستمر‬

‫(ب)‬ ‫‪117‬‬

‫قضية للبحث‪:‬‬ ‫كيف يعمل جهاز مكبر الصوت؟ مبين ًا تأثير المجال المغناطيسي؟‬ ‫‪ ) 2‬احملرك الكهربائي‪:‬‬ ‫يعتمد مبدأ عمل احملرك الكهربائي على حتويل‬ ‫الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية وأساسا فإن احملرك‬ ‫هو مولد يعمل بالعكس فبد ًال من توليد تيار بواسطة‬ ‫دوران امللف‪ 0‬يتم توصيل امللف مبولد وبطارية كما‬ ‫في الشكل (‪ )18 -4‬ويعتمد في عمله على إمرار‬ ‫تيار كهربائي في أسالك ملف موضوع في مجال‬ ‫مغناطيسي ممايولد قوة حترك امللف ‪.‬‬

‫‪S‬‬

‫‪B‬‬

‫‪N‬‬

‫‪S‬‬

‫‪B‬‬

‫‪N‬‬

‫شكل (‪)18-4‬‬

‫ومن اجلدير بالذكر أن احملركات املستخدمة في احلياة العملية ال حتتوي على ملف واحد فقط‪ ،‬وإمنا تتكون من‬ ‫عدد كبير من امللفات حتصر بني مستوياتها زوايا متساوية مما يوفر للمحرك سرعة دوران ثابته ‪.‬‬ ‫تستخدم احملركات الكهربائية في كثير من األجهزة كالغسالة واخلالط واملكنسة الكهربائية واملروحة الكهربائية‬ ‫وماكينة احلالقة الكهربائية وغيرها ‪.‬‬

‫تفحص أحد هذه األجهزة إن أمكن واكتب أجزاؤها‪.‬‬ ‫تس���تخدم القطارات المغناطيس���ية كما‬ ‫في الشكل أمامك ذات السرعات العالية‬ ‫‪ 110‬م‪/‬ث‪ ،‬أو ‪.......‬كم‪/‬ث معتمدة‬ ‫عل���ى المواد المغناطيس���ية‪ .‬ابحث ذلك‬ ‫بالتفصيل‪.‬‬

‫قضيب‬ ‫القطار‬ ‫ذراع‬ ‫قضيب‬ ‫مغناطيس‬ ‫املسار‬

‫‪118‬‬

‫املسار‬

‫‪ )3‬احملول الكهربائي‪:‬‬ ‫يعد احملول الكهربائي أهم تطبيق للحث املتبادل بني‬ ‫ملفني وهو أداة لنقل القدرة الكهربائية بني دائرتني تعمالن‬ ‫على جهدين مختلفني أي أن الغرض من استخدام احملول هو‬ ‫تغيير قيمة فرق اجلهد إما زياد ًة ( ويسمى عندها محو ًال رافع ًا‬ ‫للجهد) أو نقص ًا (ويسمى عندما محو ًال خافض ًا للجهد) دون‬ ‫زيادة مقدار الطاقة الكهربائية األساسية *‪.‬‬

‫امللف االبتدائي‬ ‫‪primary‬‬

‫مدخل التيار‬ ‫املتردد‬

‫امللف الثانوي‬ ‫‪Secondary‬‬

‫مخرج التيار‬ ‫املتردد‬

‫تركيب احملول‪:‬‬

‫شكل (‪ )19-4‬أ‬

‫يتركب احملول من ملفني يسمى أحدهما بامللف االبتدائي‬ ‫ويسمي الثاني بامللف الثانوي‪ ،‬بحيث يوصل امللف اإلبتدائي‬ ‫مخرج التيار‬ ‫مبصدر الكهرباء‪ ،‬بينما يوصل الثاني باحلمل (اجلهاز الكهربائي)‪،‬‬ ‫املتردد‬ ‫وال يوجد أي اتصال مباشر بني امللفني وإمنا يكتسب امللف الثانوي‬ ‫جهده بواسطة احلث الكهرومغناطيسي الناجت من امللف االبتدائي‬ ‫حسب قانون فاراداي‪ ،‬ويكون امللفان ملفوفني حول قلب مكون‬ ‫من شرائح من الفوالذ‪ 0‬بعدة طرق منها أن يكون امللف الثانوي في‬ ‫امللف الثانوي‬ ‫جانب وامللف االبتدائي في اجلانب اآلخر‪ 0‬شكل (‪ )19-4‬أ ‪ ،‬ب ‪Secondary‬‬ ‫طريقة عمل احملول‪:‬‬

‫مدخل التيار‬ ‫املتردد‬

‫امللف االبتدائي‬ ‫‪primary‬‬ ‫شكل (‪ )19-4‬ب‬

‫عند توصيل امللف االبتدائي مبصدر للتيار املتردد (املتناوب) ينشأ عنه قوة محركة كهربائية في امللف الثانوي‬ ‫حسب قانون فاراداي ‪:‬‬

‫قم = ‪ -‬ذ‬

‫∆ت‬ ‫∆ز‬

‫ويعتمد مقدار فرق اجلهد املتولد في امللف الثانوي (جـ‪ )2‬على مقدار فرق اجلهد املؤثر في امللف االبتدائي‬ ‫(جـ‪)1‬وعلى عدد لفات امللف الثانوي (ن‪ )2‬وعدد لفات امللف االبتدائي (ن‪ )1‬حسب العالقة‪:‬‬ ‫* يفقد جزء من الطاقة في التطبيقات العملية على شكل طاقة حرارية أو من خالل مقاومة تيارات احلث الذاتي‪.‬‬ ‫‪119‬‬

‫‪2‬‬

‫ن‬ ‫ن‬ ‫‪1‬‬

‫حيث‬

‫‪2‬‬

‫تسمى نسبة التحويل‬

‫أنواع احملوالت‬

‫مفتاح العالقة‬

‫جـ‬ ‫ن‬ ‫‪1‬‬

‫‪1‬‬

‫=‬

‫جـ‬ ‫ن‬ ‫‪2‬‬

‫جـ ‪ = 2‬جـ‬ ‫‪1‬‬

‫ن‬ ‫ن‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬

‫جــ ‪ :1‬فرق اجلهد املؤثر في امللف االبتدائي‬

‫جــ ‪ :2‬فرق اجلهد املؤثر في امللف الثانوي‬ ‫ن‪ :1‬عدد لفات امللف االبتدائي‬ ‫ن‪ :2‬عدد لفات امللف الثانوي‬

‫(‪ )1‬احملول الرافع) (‪:)Step up Transformer‬‬ ‫هو احملول الذي يقوم برفع قوة دافعة مترددة صغيرة إلى قوة دافعة‬ ‫مترددة كبيرة ألن فرق اجلهد بني طرفي امللف الثانوي أكبر من‬ ‫فرق اجلهد بني طرفي امللف االبتدائي وفيه يكون عدد لفات ملفه‬ ‫اإلبتدائي أقل‪.‬‬ ‫(‪ )2‬احملول اخلافض) ( ‪:)Step -down Transformer‬‬ ‫هو احملول الذي يقوم بتحويل قوة دافعة مترددة كبيرة إلى قوة دافعة‬ ‫مترددة صغيرة ألن فرق اجلهد بني طرفي امللف الثانوي أصغر من فرق‬ ‫اجلهد بني طرفي امللف االبتدائي كما في الشكل (‪.)20-4‬‬ ‫محول‬ ‫خافض‬

‫محول‬ ‫خافض‬

‫خطوط‬ ‫نقل‬

‫محول‬ ‫رافع‬

‫شكل (‪ 20-4‬أ)‬

‫محطة‬ ‫الطاقة‬

‫شكل (‪ 20-4‬ب)‬

‫‪, 110 V‬‬

‫مالحظة‪:‬‬ ‫في احلياة العملية ال يكتفى في احملول مبلف ثانوي واحد فقد تتعدد امللفات الثانوية‪،‬كي يفي احملول‬ ‫بأغراض كثيرة ( يعطي مقادير مختلفة للجهد ) إذا كان التيار املستخدم مستمراً فيتم رفع أو خفض اجلهد‬ ‫بواسطة جهاز يسمى مقسم اجلهد ‪.‬‬ ‫‪120‬‬

‫كفاءة احملول‪:‬‬ ‫هي النسبة بني الطاقة الكهربائية (أو القدرة الكهربائية) في امللف الثانوي والطاقة الكهربائية (أو القدرة‬ ‫الكهربائية) في امللف االبتدائي‪.‬‬ ‫كفاءة احملول =‬

‫الطاقة الكهربائية في امللف الثانوي‬ ‫الطاقة الكهربائية في امللف االبتدائي‬

‫× ‪100‬‬

‫علل ال يوجد محول مثالي ؟‬ ‫ما أهم استخدامات المحول ؟‬ ‫يصنع قلب المحول الكهربائي من ش��رائح معزولة م��ن الحديد المطاوع‪ ،‬ابحث‬ ‫عن أسباب ذلك؟‬ ‫ترتفع درجة احلرارة احملول بسبب مقاومة أسالك ملفاته وبسبب التيارات الدوامية املتولدة في القلب احلديدي‬ ‫ولهذا فإن احملوالت الضخمة تغمر في زيت خاص يدار بواسطة مضخة من أجل تبريد امللفات‪.‬‬

‫(‪)6-4‬‬ ‫محول عدد لفات ملفه االبتدائي ‪ 200‬لفة وعدد لفات ملفه الثانوي ‪ 50‬لفة‪ ،‬ومقاومة اللفة‬ ‫الواحدة في امللف االبتدائي ‪ 2‬أوم ومير به تيار شدته ‪ 0.5‬أمبير‪.‬‬ ‫< ما مقدار فرق اجلهد بني طرفي امللف الثانوي الذي يتكون من ‪ 50‬لفة؟‬ ‫< ما نوع هذا احملول؟‬ ‫< جـ = م × ت = ‪ 50 = 0.5 × 2 × 50‬فولت‬ ‫< خافض (ملاذا؟)‬

‫‪121‬‬

‫أسئلة وتمارين الفصل‬

‫‪ )1‬إذا أعطيت مغناطيسني أحدهما قطباه محددان واآلخر قطباه غير محددين ‪ ،‬فكيف نحدد‬ ‫أقطاب املغناطيس الثاني ؟‬ ‫‪ )2‬مامعني قولنا أن ‪:‬‬

‫· التدفق املغناطيسي عند نقطة = ‪2‬و‪ 0‬ويبر ؟‬ ‫· احلث الكهرومغناطيسي الذاتي مللف = ‪ 4‬هنري ؟‬ ‫· القوة احملركة التأثيرية املتولدة في ملف =‪ 4‬فولت ؟‬

‫‪ )3‬قارن بني كل من‪:‬‬

‫· احملول الرافع للجهد واحملول اخلافض للجهد ‪.‬‬

‫· املجال املغناطيسي الناجت عن مرور تيار كهربائي في سلك مستقيم وفي ملف لولبي من حيث‬ ‫الشكل وما العالقة املستخدمة حلساب شدة املجال املغناطيسي في كل حالة‪0‬‬ ‫· املولد الكهربائي واحملرك الكهربائي من حيث التركيب االستخدام ومبدأ العمل ‪.‬‬ ‫‪ )4‬حدد على الرسم اجتاه التيار احلثي املتولد في ملف‪ ،‬عند تقريب القطب اجلنوبي للمغناطيس منه‬ ‫(شكل أ)‪ ،‬ثم حدد اجتاه التيار احلثي عند ابتعاده (شكل ب) معلال السبب في كل حالة كما في‬ ‫الشكل ‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ﺵ‬

‫ﺝ‬

‫(أ)‬

‫‪ )5‬هل العبارة التالية صحيحة أم ال ؟ ناقش ذلك ‪.‬‬

‫ﺵ‬

‫ﺝ‬

‫(ب)‬

‫يعرف احلث املتبادل بأنه التأثير الكهرومغناطيسي احلادث بني موصلني متجاورين مير في أحدهما تيار متغير‪.‬‬

‫‪122‬‬

‫‪ )6‬يبني الشكل ملفان متجاوران وضح ما يحدث ملؤشر اجللفانومتر في كل من احلاالت اآلتية مع التعليل‪:‬‬ ‫· ‬

‫حلظة إغالق املفتاح‪.‬‬

‫· ‬

‫عند زيادة املقاومة‪.‬‬

‫· ‬

‫حلظة فتح املفتاح‪.‬‬

‫‪ )7‬علل‪-:‬‬

‫امللف األول‬

‫امللف الثانوي‬

‫قضيب من‬ ‫مادة موصلة‬ ‫للكهرباء‬

‫جلفانومتر حساس‬

‫· ‬

‫ال يعمل احملول الكهربائي على التيار املستمر ‪.‬‬

‫· ‬

‫تتولد قوة دافعة مستحثة بني طرفي موصل يتحرك في مجال مغناطيسي ‪.‬‬

‫‪ ) 8‬ضع عالمة (√)في الدائرة املقابلة ألنسب إجابة لكل من العبارات التالية‪:‬‬ ‫أ‪ -‬في الشكل املجاور يتولد التيار التأثيري املوضح إذا كانت أ ب ‪:‬‬ ‫ ‬

‫قطعة حديد ‪.‬‬

‫ ‬

‫مغناطيس ًا قطبه الشمالي هو الطرف (أ)‪.‬‬

‫ ‬

‫مغناطيس ًا قطبه الشمالي هو الطرف (ب)‪.‬‬

‫ ‬

‫مادة غير مغناطيسية‪.‬‬

‫ب‬

‫أ‬

‫ش‬

‫ب‪ -‬في حلظة قطع تيار الدائرة االبتدائية في الشكل‪:‬‬ ‫ ‬

‫ال يسري في الدائرة الثانوية تيار‪ .‬‬

‫ ‬

‫يسري في الدائرة الثانوية تيار متغير االجتاه‪.‬‬

‫ ‬

‫يسري تيار في الدائرة الثانوية من (ب)إلى (ج)إلى(أ)‬

‫ ‬

‫يسري بها تيار من (أ)إلى(ج)إلى(ب) ‪.‬‬

‫أ ج ب‬

‫ ‬

‫‪123‬‬

‫ج ‪ -‬يوضح الشكل املقابل سلك ًا مستقيم ًا يحمل سيال من اإللكترونات تتحرك إلى داخل الورقة‪،‬فإذا‬ ‫كان السلك يقع بني قطبي مغناطيس دائم فإن اجتاه القوة املغناطيسية املؤثرة على السلك هو‪ :‬‬

‫ج‬

‫‪x‬‬

‫ش‬

‫ِيد عدد لفات ملف إلى املثلني عن طريق لف طبقة أخري من اللفات فوق األولي فإن معامل حثه‬ ‫د‪ -‬إذا ز َ‬ ‫الذاتي(ذ)‪:‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫ال يتغير‬ ‫ ‬ ‫يقل للنصف‬ ‫يزداد للمثلني‬ ‫يزداد إلى أربعة أمثال ما كان عليه‬

‫هـ‪ -‬يتحرك ملف مستطيل عدد لفاته (‪ )10‬لفات‪ ،‬ومساحة اللفة ‪20‬سم‪2‬داخل مجال مغناطيسي‪ ،‬فإذا‬ ‫تغيرت كثافة التدفق مبعدل‪ ,25‬تسال‪ /‬ث وبقي مستوي امللف موازي ًا الجتاه املجال أثناء التغير فإن القوة‬ ‫احملركة التأثيرية املتولدة فيه تساوي بالفولت‪:‬‬ ‫ ‬

‫‪50‬‬

‫ ‬

‫‪10×50‬‬

‫ ‬

‫‪ 0.5‬‬

‫ ‬

‫صفر‬

‫‪4-‬‬

‫و ‪ -‬في السؤال السابق ‪ ،‬لوكان مستوى امللف عمودي ًا على اجتاه املجال ‪ ،‬أثناء التغير في كثافة التدفق فإن‬ ‫القوة احملركة التأثيرية املتولدة فيه تساوي بالفولت‪:‬‬

‫‪124‬‬

‫ ‬

‫‪ 50‬‬

‫ ‬

‫‪10×50‬‬

‫‪4-‬‬

‫ ‬

‫‪ 0.5‬‬

‫ ‬

‫صفر‬

‫‪ ) 9‬زيد التدفق املغناطيس الذي يخترق ملف ًا عمودي ًا عليه من ‪ 3-10×4‬فيبر إلى ‪ 3-10×24‬فيبر في فترة‬ ‫زمنية معينة‪ ،‬احسب متوسط عدد اإللكترونات احلرة التي تتحرك في امللف نتيجة لذلك ‪ ،‬علم ًا بأن‬ ‫عدد لفات امللف‪ 100‬لفة ومقاومة كل لفة ‪ 0.05‬أوم‪ ،‬وأن شحنة اإللكترون ‪19-10×1.6‬كولوم‪.‬‬ ‫‪ )10‬محول رافع للجهد عدد لفات ملفه االبتدائي ‪ 50‬لفة وفرق اجلهد بني طرفيه ‪ 100‬فولت إذا كان هذا‬ ‫احملول يستخدم لرفع اجلهد إلى ‪ 250‬فولت فاحسب عدد لفات امللف الثانوي ؟‬ ‫‪ )11‬ملف مكون من ‪ 100‬لفة متوسط مساحة كل منها ‪10‬سم‪ 2‬ومقاومته ‪ 1.5‬أوم ويتصل طرفاه‬ ‫بجلفانومتر مقاومته ‪2.5‬أوم‪ ،‬وضع امللف في مجال مغناطيسي منتظم شدته ‪ 0.1‬تسال‪،‬بحيث كانت‬ ‫خطوط املجال املغناطيسي عمودية على مستوى اللفات‪ 0‬احسب شدة التيار التأثيري املار في امللف إذا‬ ‫زادت شدة املجال املغناطيسي إلى ‪ 0.2‬تسال خالل زمن قدره ‪ 0.05‬ثانية ‪0‬‬ ‫‪ )12‬احسب التدفق املغناطيسي خالل ملف عدد لفاته ‪ 300‬لفه ‪ ،‬ومعامل حثه الذاتي يساوي ‪ 7.2‬هنري ‪،‬‬ ‫عندما تكون شدة التيار املار في تساوي ‪10‬ملي أمبير ‪.‬‬ ‫‪ ) 13‬احسب طول ملف حلزوني‪ ،‬معامل احلث الذاتي له يساوي ‪ 0.388‬ملي هنري‪ ،‬وطوله يساوي أربعة‬ ‫أضعاف قطرة‪ ،‬وعدد لفاته‪ 22‬لفة ‪.‬‬ ‫‪ )14‬احسب القوة الدافعة احلثية املتولدة في امللف الثانوي إذا كان التيار في امللف االبتدائي يتغير من الصفر‬ ‫إلى ‪ 8‬أمبير في‪0.002‬ثانية‪ ،‬علم ًا بان معامل احلث املتبادل لهما يساوي ‪2‬هنري‪.‬‬ ‫‪ )15‬أسقط ملف يتكون من ‪ 50‬لفة على شكل مستطيل‪ ،‬أبعاده ‪5‬سم×‪10‬سم‪،‬من موضع املجال املغناطيسي‬ ‫فيه يساوي صفراً‪ ،‬إلى موضع جديد حيث املجال املغناطيسي يساوي‪ 0.5‬تسال‪ ،‬فإذا كانت حركة‬ ‫امللف في اجتاه يتعامد مع املجال املغناطيسي‪ .‬احسب القوة الدافعة احلثية املتولدة في امللف إذا استغرقت‬ ‫إزاحته ‪0.25‬ثانية‪.‬‬ ‫‪125‬‬

‫‪ )16‬الشكل املقابل ميثل ملف ًا مستطي ً‬ ‫ال ضلعه أ ب قابل للحركة‪ 0‬وصل هذا امللف بجلفانومتر‪ ،‬ووضع‬ ‫في مجال مغناطيسي منتظم شدته ‪ 2-10‬تسال خطوطه‬ ‫متعامدة مع سطح امللف ‪ ,‬إذا حركنا الضلع أ ب باجتاه‬ ‫‪B‬‬ ‫السهم نالحظ تولد تيار في اجللفانومتر‪.‬‬ ‫كيف تفسر ذلك؟ وما هو اجتاه التيار إذا كانت سرعة حركة‬ ‫الضلع هي ‪20‬م‪/‬ث‪ ،‬وطول ضلع أ ب ‪20‬سم ومقاومة امللف ‪2‬أوم‬ ‫فماشدة التيار املتولد؟ (‪20‬و‪. )0‬‬

‫‪S‬‬

‫‪N‬‬

‫أذكر طريقة تستطيع بها أن تولد تيار ًا تأثيري ًا في امللف دون إخراجه من املجال ودون تغير سطحة‪.‬‬ ‫‪ ) 17‬محول كهربائي يوصل مبصدر (‪ 240‬فولت) ويستخدم لتشغيل محرك يعمل بجهد(‪ ) 12‬فولت‬ ‫ومير به تيار (‪ )4‬أمبير ‪ ،‬وكان عدد لفات امللف االبتدائي (‪ ) 200‬لفة وكانت كفاءة احملول ‪٪ 90‬‬ ‫أحسب ‪:‬‬ ‫ ‬

‫أ‪ -‬عدد لفات امللف الثانوي‪.‬‬

‫ ‬

‫ب‪ -‬التيار الذي يسحبه احملول من املصدر‪.‬‬

‫ ‬

‫ج‪ -‬الطاقة املفقودة ( الضائعة) في احملول خالل (‪ ) 30‬دقيقة عمل‪.‬‬

‫ ‬

‫د‪ -‬وضح ما أوجه فقد هذه الطاقة ‪.‬‬

‫‪ )18‬محول كهربائي عدد لفات ملفه االبتدائي ‪ 150‬لفة وعدد لفات ملفه الثانوي ‪ 300‬لفة إذا وصل‬ ‫طرفا ملفه االبتدائي بفرق جهد قدره ‪ 110‬فولت فما مقدار فرق اجلهد بني طرفي ملفه الثانوي وإذا‬ ‫وصل طرفا ملفه الثانوي بفرق جهد قدره ‪ 220‬فولت فما فرق اجلهد بني طرفي ملفه االبتدائي ؟‬ ‫‪ ) 19‬جرس كهربائي مركب على محول يعطي ‪ 9‬فولت فإذا كانت القوة الدافعة الكهربائية في املنزل‬ ‫‪ 210‬فولت فما النسبة بني عدد لفات امللف الثانوي إلى عدد لفات امللف االبتدائي في احملول؟‬ ‫‪ ) 20‬وضع سلك طوله‪ 0.4‬متر ًا بني قطبي مغناطيس وعندما دار السلك بحيث كان اجتاه سرعته عمودي ًا‬ ‫على كثافة الفيض تولدت في السلك قوة دافعة مستحثة‬ ‫مقدارها واحد فولت احسب سرعة حركته إذا كانت كثافة‬ ‫الفيض املغناطيسي ‪ 0.7‬تسال‪0‬‬ ‫‪ )21‬ناقش فكرة عمل هذا اجلهاز‬

‫ماهي التعديالت التي ميكنك القيام بها جلعل هذا اجلهاز ذا‬ ‫وظيفتني متعاكستني؟‬ ‫‪126‬‬

‫الموجات الكهرومغناطيسية‬ ‫‪Electromagnetic waves‬‬ ‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يتعرف على املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫يوضح بالرسم كيفية انتشار املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫يرسم طيف املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫يشرح كيف تتولد املوجات الكهرومغناطيسية في الدائرة املهتزة‪.‬‬ ‫يستنتج أن املوجات الكهرومغناطيسية قادرة على حمل أشكال مختلفة من الطاقة‪.‬‬ ‫يتعرف طريقة إرسال واستقبال املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬

‫تعريف املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫درست في الفصل السابق أن املوصالت املعدنية إذا تعرضت ملجال مغناطيسي متغير‬ ‫تتولد فيها قوة محركة تأثيرية تسبب مرور تيار كهربائي يسمى التيار التأثيري ( قانون‬ ‫فاراداي) فاملجال املغنطيسي املتغير يصبح مصدر ًا ملجال كهربائي متغير‪.‬‬ ‫ولكن السؤال الذي أثار العلماء في القرن التاسع عشر ‪ ،‬هل ميكن أن يؤدي املجال الكهربائي املتغير إلى‬ ‫توليد مجال مغناطيسي متغير؟‬ ‫لقد عكف العالم جيمس كالرك ماكسويل على دراسة القوانني األساسية املعروفة حينئذ عن الظواهر‬ ‫الكهرومغناطيسية وهي قوانني كولوم ‪ ،‬فاراداي ‪ ،‬وبيوسافار‪ ،‬وحاول الربط بينها رياضياً‪ ،‬ولكنه وجد أنها ال تتفق‬ ‫مع بعضها عند تطبيقها على حالة املجاالت الكهربائية املتغيرة مع الزمن ولكي يزول هذا اللبس وجد أنه البد‬ ‫أن يفترض أن املجال الكهربائي املتغير ‪ ،‬يولد هو اآلخر مجا ًال مغناطيسي ًا متغيراً ‪ .‬وفي عام ‪1864‬ميالدي وضع‬ ‫ماكسويل فرضيته التي افترض فيها أن (املجاالت الكهربائية املترددة تولد مجاالت مغناطيسية مترددة) ‪.‬‬ ‫ومع أن هذه الفرضية كانت مبنية على املعاجلة الرياضية النظرية فقط ‪ ،‬إال أنها قادت مباشرة إلى التنبؤ بإمكانية‬ ‫توليد موجات كهرومغناطيسية بواسطة الشحنات املتذبذبة ‪ ،‬وكمثال‬ ‫لذلك فإنه إذا مر تيار متردد في موصل مستقيم ‪ ،‬يتولد في املنطقة‬ ‫ت‬ ‫احمليطة به مجال مغناطيسي متردد (له نفس تردد التيار ) شكل ‪1-5‬‬ ‫وطبق ًا لقانون فاراداي فإن املجال املغناطيسي املتغير يولد مجا ًال‬ ‫كهربائي ًا متغيراً أيض ًا في املنطقة حوله‪.‬‬ ‫وتعرف املوجات الكهرومغناطيسية على أنها‪:‬‬

‫‪R.M‬‬

‫حم‬ ‫(‪)b‬‬

‫شكل (‪)1-5‬‬

‫صورة اضطراب تنتشر بها الطاقة في الفراغ على شكل مجالني‬ ‫مترددين‪ ،‬أحدهما مجال كهربائي واآلخر مجال مغناطيسي في مستويني يتعامدان على بعضهما ‪ ،‬كما‬ ‫يتعامدان على اجتاه انتشار املوجات ‪ .‬انظر الشكل (‪)2 -5‬‬ ‫ج‬ ‫ع‬

‫ض‬

‫س‬ ‫حم‬

‫شكل (‪)2-5‬‬ ‫‪128‬‬

‫توليد املوجات الكهرومغناطيسية ‪:‬‬ ‫الشكــل (‪ )3-5‬يـــوضـح إحـدى طـرق توليـد املوجـات الكهـرومغناطيسية‬ ‫أ‬ ‫والكشف عنها ‪.‬‬ ‫يتكون اجلهاز من سلكني معدنيني مستقيمني متصلني إلى طرفي مولد تيار‬ ‫متردد فرق اجلهد بني طرفيه يتغير بشكل جيبي مع الزمن (ز) والزمن الدوري‬ ‫ب‬ ‫(ن) اجلزء (أ) (‪ )p‬يوضح اللحظة ( ز = ‪ ) 0‬عندها ال يوجد أي شحنات عند‬ ‫ج‬ ‫نهاية أي سلك‪ ،‬مما يعني عدم وجود أي مجال كهربائي عند النقطة ‪ p‬مباشرة‬ ‫ج‬ ‫إلى ميني الهوائي‪ ،‬مبرور الزمن يصبح السلك العلوي من الهوائي موجب الشحنة‬ ‫ويصبح السلك السفلي سالب الشحنة وهذا ميثل الربع األول من الدورة خالل‬ ‫‪1‬‬ ‫د‬ ‫زمن ( ز= ز ) وتصل قيمة الشحنات على كل سلك إلى أقصى قيمة‪.‬‬ ‫‪4‬‬ ‫كما يوضح اجلزء (ب) املجال الكهربائي املصاحب عندالنقطة ‪ . p‬واملمثل‬ ‫باملتجهات احلمراء (الحظ الصورة) وقد ازداد إلى أقصى قيمة في االجتاه السفلي‪.‬‬ ‫هـ‬ ‫كذلك يوضح اجلزء الثاني أن املجال الكهربائي املتكون منذ اللحظات األولى‬ ‫(شاهد األسهم السوداء في الرسم) لم يختفي بعد بل حترك إلى اليمني ‪ .‬هنا يقع‬ ‫شكل (‪ )3-5‬توليد املوجات‬ ‫لب ( جوهر ) املوضوع ‪ :‬عند نقطة على مسافة معينة‪ ،‬املجال الكهربائي للشحنة‬ ‫ال يالحظ مباشرة وإمنا املجال يظهر أوال بالقرب من السلك ومن ثم – مثل ظاهرة‬ ‫إلقاء احلجر في املاء‪ -‬يتحرك نحو اخلارج كاملوجة منتشرا في كل االجتاهات ‪ .‬فقط‬ ‫مت توضيح املجال يتحرك إلى اليمني بالرسم للتسهيل‪.‬‬ ‫األجزاء املتبقية توضح تولد املجال الكهربائي عند النقطة ‪( p‬األسهم احلمراء) بعد فترة زمنية خالل تولد‬ ‫الدورة في كل جزء‪ .‬املجال املتولد سابقا وبترتيب منتظم (األسهم السوداء ) يواصل انتشاره باجتاه اليمني ‪.‬‬ ‫اجلزء (د) يوضح الشحنات على السلك عندما تنعكس قطبية املولد الكهربائي‪ ،‬لذا السلك العلوي يكون‬ ‫سالب والسلك السفلي يكون موجب ‪ .‬كنتيجة لذلك املجال الكهربائي عند ‪ p‬ينعكس اجتاهه وميثل بأسهم‬ ‫تشير إلى األعلى ‪ .‬في اجلزء (هـ) في الترتيب تكون املوجة جيبيه كاملة قد رسمت على أثر متجهات املجال‬ ‫الكهربائي لتميز أن املجال يتغير بشكل موجة جيبيه دورية بالتزامن مع املجال الكهربائي في الشكل (‪)١-5‬‬ ‫مجال مغناطيسي أيضا يتولد بسبب حركة الشحنات في الهواء مكونة تياراً كهربائي ًا والذي يولد أيضا مجا ًال‬ ‫مغناطيسياً‪ .‬الشكل (السابق) يبني اجتاه املجال املغناطيسي عند النقطة ‪ p‬في اللحظة التي يكون فيها اجتاه التيار‬ ‫في سلك الهوائي إلى أعلى‪ ،‬ومبساعدة قاعدة اليد اليمنى املفتوحة ميكن مالحظة أن اجتاه املجال املغناطيسي يشير‬ ‫إلى داخل الصفحة وعند تغير التيار املتردد يتغير املجال املغناطيسي بناء عليه‪ ،‬واملجال املغناطيسي الذي تولد‬ ‫مبكراً ينتشر إلى اخلارج كموجة متاما مثل ما فعل املجال الكهربائي ‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫ز = ‪ 4‬الزمن الدوري‬

‫‪2‬‬ ‫ز = ‪ 4‬الزمن الدوري‬

‫‪3‬‬ ‫ز = ‪ 4‬الزمن الدوري‬

‫ز = الزمن الدوري‬

‫‪129‬‬

‫الحظ أن املجال املغناطيسي في الشكل (‪ 5‬ـ ‪ )1‬يكون عمودي على الورقة بينما املجال الكهربائــي يكون في‬ ‫مستوى الورقة لذلك فإن املجال الكهربائي واملجال املغناطيسي املتولد بواسطة الهوائي يكونا متعامدين ويبقيان‬ ‫كذلك أثناء انتشارهما‪ ،‬باإلضافة إلى ذلك فإن ك ًال منهما يكون متعامداً مع اجتاه انتشار املوجة شكل (‪ 5‬ـ ‪.)2‬‬ ‫وبهذين املجالني املتعامدين أثناء انتشارهما تتكون املوجة الكهرومغناطيسية ‪.‬‬ ‫وهذه املوجة املتولدة بهذه الطريقة ال تستطيع االنتشار ملسافات بعيدة ‪ .....‬ملا ذا ؟‪.‬‬ ‫لذلك هناك طرق مختلفة تعمل على توليد موجات كهرومغناطيسية لها القدرة على االنتشار ملسافات‬ ‫بعيدة‪.‬‬

‫خواص املوجــــات الكهرومغناطيسية‬ ‫من اجلدير بالذكر أن املوجات الكهرومغناطيسية تقوم بنقل الطاقة في اجتاه انتشارها ‪ ،‬هذه الطاقة مختزنة في كل‬ ‫من املجال الكهربي واملجال املغناطيسي املكونني لهذه املوجات متتد املوجات الكهرومغناطيسية لتشغل مدي كبير‬ ‫من األطوال املوجبة يتراوح بني عدة كيلومترات إلى‪ 12-10‬من املتر‪ ،‬وتشترك املوجات املختلفة في الطول املوجي في‬ ‫كثير من اخلواص وتتباين في البعض اآلخر ويتم متييز املوجات املختلفة طبقا ألطوال موجاتها وتردداتها‪.‬‬ ‫وميكن إجمال خواص املوجات الكهرومغناطيسية فيما يلي‪:‬‬ ‫‪ -1‬تنتشر جميع املوجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات أو األطوال املوجبة املختلفة في الفراغ أو الهواء‬ ‫بنفس السرعة طبق ًا للمعادلة‪:‬‬

‫السرعة = التردد ×الطول املوجي‬ ‫ع = د × ل‬

‫وقد وجد أن سرعة املوجات(ع ) في الفراغ أو الهواء تساوي سرعة الضوء في الهواء أي ‪ 8 10× 3‬م‪/‬ث‪.‬‬ ‫وتختلف املوجات الكهرومغناطيسية في خواصها الفيزيائية باختالف الطول املوجي‪ .‬فمثال ‪ :‬تستخدم املوجات‬ ‫التي يتراوح طولها املوحي من عدة كيلومترات إلى عدة سنتميترات في الدوائر االلكترونية ومحطات اإلرسال‬ ‫واالستقبال التلفزيوني ‪.‬‬ ‫ويشغل الطيف املرئي أطواال موجية من ‪ 0.4‬ميكرون إلى ‪ 0.7‬ميكرون* *‪ ،‬أي من البنفسجي إلى األحمر‪.‬‬ ‫واألشعة حتت احلمراء طولها املوجي أكبر من ‪ 0.7‬ميكرون‪ .‬و األشعة فوق البنفسجية طول موجاتها أقل‬ ‫من‪ 0.4‬ميكرون‪.‬أما األشعة السينية وأشعة جاما فأطوال موجاتها قصيرة جداً وترددها عال ولذلك تكون طاقتها‬ ‫عالية‪ ..‬انظر الشكل (‪ )4-5‬اكتب مسمى نطاق املوجات على الرسم‪.‬‬ ‫** حيث ‪ 1 :‬ميكرون = ‪ 6-10‬متر‪.‬‬ ‫‪130‬‬

‫الشمس‬

‫جاما‬

‫األشعة‬ ‫السينية‬

‫شكل (‪)4-5‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫ع ض=‬

‫‪1‬‬ ‫ ‬ ‫‪µ × ε0‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫‪ -2‬متتلك املوجات الكهرومغناطيسية خاصيتي االنعكاس‬ ‫واالنكسار‪.‬‬ ‫‪ -3‬املوجة الكهرومغناطيسية هي موجة مستعرضة‪.‬‬ ‫‪ -4‬ترتبط السماحية الكهربائية والنفاذية املغناطيسية في الفراغ‬ ‫بسرعة الضوء حسب العالقة التالية‪:‬‬

‫ع ض‪ :‬سرعة الضوء‬ ‫ي‪ : .‬السماحية الكهربائية في الفراغ‬ ‫‪ :µ‬النفاذية املغناطيسية في الفراغ‬

‫حتقق من صحة هذه العالقة باستخدام الوحدات‪ ،‬وقيم الثوابت؟‬

‫‪ -5‬ينطبق مبدأ تراكب وتداخل املوجات على املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬

‫الدائــرة املهـتزة ‪:‬‬ ‫تعتــبــر الــدائـــرة املهتزة إحــدى طـــرق توليــد املوجــات‬ ‫الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫تتركب الدائرة املهتزة من ملف تأثيري (مهمل املقاومة‬ ‫األومية ) يتصل مع مكثف ثابت السعة كما هو موضح في‬ ‫الشكل (‪ ،)5-5‬ولفهم عمل هذه الدائرة ‪ ،‬أغلق الدائرة‬ ‫باستخدام قاطع (ق‪ ) 1‬بينما يكون قاطع ( ق‪ )2‬مفتوحا‬ ‫وعندئذ يتم شحن املكثف‪ ،‬بعد ذلك افتح ( ق‪ ) 1‬وأغلق‬ ‫ٍ‬

‫شكل (‪)5-5‬‬ ‫‪131‬‬

‫( قا‪ )2‬ماذا نتوقع أن يحدث؟‪ .........‬عند حلظة غلق الدائرة‬ ‫املهتزة ‪ ،‬يعمل املكثف الكهربائي عمل بطارية قطبها املوجب هو‬ ‫اللوح (أ) وقطبها السالب هو اللوح (ب) وبذلك مير تيار كهربائي‬ ‫في امللف التأثيري من اللوح (أ) إلى اللوح (ب) وبعد زمن معني‬ ‫‪+ + +‬‬ ‫كون قد مت تفريغ شحنة املكثف متاماً‪ ،‬ويصبح فرق اجلهد بني‬ ‫لوحيه صفراً والتيار الكهربائي املار بامللف يولد مجاال مغناطيسي ًا‬ ‫في الوسط احمليط ‪.‬‬ ‫ويكون تيار التفريغ كبيراً في أول األمر لكبر فرق اجلهد بني‬ ‫شكل (‪ )6-5‬أ‬ ‫لوحي املكثف‪ ،‬ثم تقل شدة التيار تدريجياً‪ ،‬ويترتب على ذلك‬ ‫أن يبدأ التدفق املغناطيسي في التناقص مولداً قوة محركة تأثيرية في امللف صغيرة في بداية األمر‪ ،‬وتزداد تدريجي ًا‬ ‫حتى تصل إلى قيمة عظمي في حلظة هبوط تيار التفريغ إلى أدني قيمة لها‪ ،‬فيزداد التيار التأثيري الذاتي املتولد‬ ‫في امللف ويكون نتيجة ذلك نقل شحنات كهربائية إضافية في نفس اجتاه تيار التفريغ مما يعمل على شحن املكثف‬ ‫بطريقة عكسية‪ ،‬فيصبح اللوح(أ) سالباً‪ ،‬واللوح (ب) موجب ًا كما هو موضح في الشكل (‪6-5‬أ ) وبعد ذلك‬ ‫تعيد هذه العملية نفسها ولكن باالجتاه املضاد وبإهمال فقدان الطاقة خالل أسالك الدائرة يستمر حترك اإللكترونات‬ ‫من اللوح(ب) إلى اللوح (أ) ثم من (أ) إلى(ب) خالل امللف إلى ما النهاية ‪.‬وهذا يؤدي إلى حترك اإللكترونات‬ ‫في امللف ذهاب ًا وإياباً‪.‬‬ ‫وتسمى هذه العملية باالهتزاز الكهربائي‪ ،‬ولهذا السبب سميت الدائرة باسم الدائرة املهتزة ‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫وميكن النظر إلى هذه العملية على أنها عملية حتول الطاقة الكهربائية املختزلة في املكثف ( س جـ‪ )2‬إلى‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫طاقة مغناطيسية في امللف ( ‪ 2‬ذ ت‪ )2‬ثم حتول الطاقة املغناطيسية إلى‬ ‫طاقة كهربائية‪ ،‬وهكذا مع بقاء مجموع الطاقتني ثابت ًا ‪.‬‬ ‫وهكذا فإن عملية االهتزاز الكهربائي تولد تياراً متردداً في الدائرة ‪،‬‬ ‫‪+ + +‬‬ ‫عال إال أنه سرعان ما يضمحل بسبب ضياع قسم من الطاقة‬ ‫وهو ذو تردد ٍ‬ ‫الكهربائية بصورة حرارة تظهر على شكل ارتفاع درجة حرارة السلك‬ ‫الناقل ‪ ،‬وتغيرات التيار التي تولدها الدائرة املهتزة تنتج تغيرات في كل من‬ ‫شكل (‪ )6-5‬ب‬ ‫املجالني الكهربائي واملغناطيسي‪ ،‬ومما يجدر ذكره هو أن التغير في املجال‬ ‫الكهربائي يؤدي إلى توليد املوجات الكهرومغناطيسية ‪.‬‬ ‫واملجاالن متالزمان ومتفقان في الطور أي يكونان مجا ًال كهرومغناطيسي ًا‬ ‫عال‬ ‫يعرف باملوجات الكهرومغناطيسية وهي موجات مضمحلة ذات تردد ٍ‬ ‫كما هو موضح في شكل (‪ )7-5‬وهذه املوجات تصلح لنقل اإلشارات‬ ‫الالسلكية لكنها ال تصلح في إرسال موجات معبرة عن الكلمات واحلروف‪،‬‬ ‫وفي مثل هذه احلالة تلزم موجات ثابتة السعة كما في الشكل (‪6-5‬د)‪.‬‬ ‫شكل (‪ )6-5‬جـ‬

‫‪132‬‬

‫ وللحصول على مثل هذه املوجات يستعاض عن البطارية التي تغذي‬ ‫الدائرة املهتزة مبولد كهربائي عالي التردد‪،‬بحيث يتم تعويض الفقد في‬ ‫الطاقة الكهربائية الناجت عن عمليات التفريغ لكي يصبح التفريغ اهتزازي ًا‬ ‫متساوي السعة‪ ،‬ينتج عنه موجات كهرومغناطيسية متساوية السعة وعالية‬ ‫التردد ومتتاز الدائرة املهتزة بأنها تعطي موجات كهرومغناطيسية ذات تردد‬ ‫عال وذات طاقة كبيرة(سعتها كبيرة) بسبب إمكان جتميع كمية أكبر من‬ ‫ٍ‬ ‫شكل (‪ )6-5‬د‬ ‫الشحنات على لوحي مكثف الدائرة املهتزة‪0‬‬ ‫كما أنه ميكن التحكم في تردد هذه الدائرة ومن ثم التحكم في تردد املوجات الالسلكية الصادرة عنها وذلك‬ ‫عن طريق تغيير سعة املكثف أو معامل احلث الذاتي للملف أو كليهما‬ ‫‪+ + +‬‬

‫نقل الصوت بواسطة املوجات الكهرومغناطيسية ‪:‬‬

‫يحمل كل من املجال الكهربائي واملغناطيسي املكونني‬ ‫للموجة الكهرومغناطيسية طاقة معينة تختلف باختالف تردد‬ ‫املوجة ‪ ،‬يتم نقل هذه الطاقة عبر هذه املوجات من موقع آلخر‬ ‫كما هواحلال في موجات امليكروويف التي ينقل بواسطتها‬ ‫مقدار من الطاقة الى وسط أخر ميتص هذه املوجات ممايؤدي إلى‬ ‫رفع درجة حرارته ‪.‬كما ميكن استغالل خاصية التداخل بني‬ ‫املوجات لتحميل املوجات الكهرومغناطيسية بطاقة إضافية‬ ‫(موجات محمولة) ميكن الحقا فصلها عن املوجات األساسية‬ ‫شكل (‪ )7-5‬أ‬ ‫بدوائر إليكترونية خاصة ومن ثم اإلستفادة من املوجات احملمولة‬ ‫حسب الغرض املطلوب ‪ .‬كمافي حالة البث اإلذاعي عبر احملطات‬ ‫اإلذاعة يتم حتويل الصوت إلى ذبذبة كهربائية ذات تردد يتراوح‬ ‫بني (‪ )20000-20‬هيرتز‪ ،‬ولكن مثل هذا التردد املنخفض‬ ‫الميكن بثه كموجة كهربائية من خالل الهوائي‪ ،‬ولذا يتم تضمني‬ ‫(حتميل) هـــذه املوجــــات في موجات عالية التردد ( أكثر من‬ ‫‪ 51٠‬هيرتز) وذلك حتى ميكن بثه بكفاءة‪.‬‬ ‫وفي الوقت نفسه يقوم الطرف املستقبل باستقبال املوجة‬ ‫املنقولة عن طريق الهوائي‪ ،‬ثم تتم عملية فصل التيار الصوتي‬ ‫شكل (‪ )8-5‬ب‬ ‫عن املوجة احلاملة ‪.‬‬ ‫وعند تغذية هوائي جهاز اإلرسال بتيار متردد فإن املوجات الكهرومغناطيسية تنتشر حوله ملسافات بعيدة‬ ‫(بدون اضمحالل محسوس)‪ ،‬شكل (‪7-5‬أ) وحيث أن املعلومات التي نريد أن ننقلها عن طريق املوجات‬ ‫‪133‬‬

‫الكهرومغناطيسية تقع في حيز التردد السمعي ذي التردد املنخفض‪ ،‬فإنها لن تنتشر بكفاءة الترددات العالية نفسها‬ ‫كما قلنا شكل (‪7-5‬ب) سابقاً‪ 0‬لذلك يجب أن حتمل املعلومات ذات التردد املنخفض بواسطة موجة حاملة ذات‬ ‫عال حتى تستطيع االنتشار بكفاءة وتصل إلى مسافات بعيدة‪.‬‬ ‫تردد ٍ‬ ‫ولنجعل املوجة احلاملة معبرة عن املعلومات املراد إرسالها فإنه يتم ما يعرف بعملية التشكيل (التضمني)‬ ‫للموجة احلاملة بواسطة املعلومة املراد إرسالها لينتج ما يسمى باملوجة املشكلة(املضمنة)‪.‬‬ ‫وعادة ما تكون املوجة احلاملة موجة حبيبة‪ 0‬والشكل (‪ ) 8-5‬يوضح مثل هذه املوجة والتي ميكن التعبير عنها‬ ‫رياضي ًا بالعالقة ‪:‬‬

‫س = س‪.‬جا (‪ π 2‬د ز ‪ +‬ط)‬

‫شكل (‪)8-5‬‬

‫ومن هذه العالقة نالحظ أننا ميكن أن نغير سعة املوجة (س‪)0‬أو التردد (د) أو زاوية الطور(ط)وذلك بشكل‬ ‫يتناسب مع املعلومة املراد إرسالها وبالتالي فإن هناك ثالثة أنواع من التشكيل هي‪ :‬تشكيل السعة (‪Amplitud‬‬ ‫‪ Modulation) AM‬في تشكيل االتساع فإن سعة املوجة‬ ‫احلاملة املبينة في الشكل( ‪ 9-5‬أ )تتغير حسب سعة املوجة‬ ‫احملمولة شكل(‪ 9-5‬ب)وذلك ليصبح شكل املوجة (احلاملة‬ ‫واحملمولة) كما في الشكل (‪9-5‬جـ)‪.‬‬ ‫التيار ذو السعة املعدلة‬ ‫موجات ‪AM‬‬ ‫يسمى اخلط املنقط غالف املوجة املشكلة وكما تالحظ‬ ‫أ‬ ‫فإنه يأخذ شكل املوجة احملمولة‪0‬‬ ‫‪ -2‬تشكيل التردد(‪frequency modulation) fm‬‬ ‫وفيه يتم تشكيل التردد حيث يتغير تردد املوجة احلاملة‬ ‫حسب تردد املوجة احملمولة‪ ،‬تأمل الشكل(‪ )10-5‬والحظ‬ ‫الفرق بني تشكيل االتساع وتشكيل التردد‪.‬‬ ‫التيار احلامل عالي التردد‬ ‫موجات ‪FM‬‬ ‫‪ -3‬تشكيل الطور‪ phase Modulation‬وفيه يتم‬ ‫ب‬ ‫ال يتناسب‬ ‫تشكيل زاوية الطور للموجة احلامل (ط) تشكي ً‬ ‫تيار امليكروفون املعبر‬ ‫مع املعلومة املراد إرسالها‪.‬‬ ‫عن الصوت‬

‫شكل (‪)9-5‬‬ ‫‪134‬‬

‫عرفت أن الدائرة املهتزة هي إحدى الطرق املستخدمة لتوليد املوجات الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫ابحث مع زمالئك عن الطرق األخرى‪.‬‬

‫االتصاالت الالسلكية ‪:‬‬ ‫تعتمد االتصاالت الالسلكية بجميع أنواعها (إذاعة‪ ،‬تلفزيون‪ ،‬برقيات‪ ،‬هواتف السلكية‪ ....‬وغيرها) على‬ ‫جهازين سندرس ك ً‬ ‫ال منهما بشكل مبسط ‪:‬‬

‫جهاز اإلرسال‬

‫تركيبـه ‪:‬‬ ‫يتألف جهاز اإلرسال من‪:‬‬ ‫‪ )1‬دائرة مهتزة‪ :‬وحتوي ملف ًا ومكثف ًا متغير‬ ‫السعة‪.‬‬ ‫دائرة مهتزة‬ ‫‪ )2‬هوائي‪ :‬ويحوي ملف ًا يوضع بحيث يكون‬ ‫ال مللف الدائرة املهتزة ومكثف ًا متغير السعة‬ ‫مقاب ً‬ ‫متصل بسلك معدني حر أو موصل باألرض‪0‬‬ ‫جهاز إرسال املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫طريقة عمله‪:‬‬ ‫شكل (‪)10-5‬‬ ‫‪ )1‬عندما تغذى الدائرة املهتزة بالطاقة تبدأ‬ ‫في العمل وتولد موجات كهرومغناطيسية تبثها في الهواء وميكن التحكم في ترددها د عن طريق تغيير سعة مكثف‬ ‫الدائرة املهتزة (أو معامل احلث الذاتي للملف)‪.‬‬ ‫‪ )2‬يتم تغيير سعة مكثف الهوائي حتى يصبح تردد الهوائي مساوي ًا لتردد الدائرة املهتزة وعندها يحدث‬ ‫الرنني* (الطنني)‪.‬‬ ‫‪ )3‬عندما يحدث الرنني تتسبب املوجات الكهرومغناطيسية التي تبثها الدائرة املهتزة في توليد تيار تأثيري متناوب‬ ‫في ملف الهوائي بحيث يكون تردد هذا التيار مساوي ًا لتردد املوجات الكهرومغناطيسية التي تولدها الدائرة املهتزة ‪.‬‬ ‫ينتج التيار التأثيري املتولد في ملف الهوائي موجات كهرومغناطيسية ترددها يساوي تردد التيار التأثيري في امللف‪.‬‬ ‫‪ )4‬ينتج التيار التأثيري املتولد في ملف الهوائي موجات كهرومغناطيسية ترددها يساوي تردد التيار التأثيري‬ ‫في امللف‪.‬‬ ‫هوائي‬

‫مساو لتردد اهتزاز جسم آخر دون حدوث مالمسة بينهما‪.‬‬ ‫* الرنني هو أن يهتز جسم بتردد ٍ‬ ‫‪135‬‬

‫جهاز االستقبال ‪:‬‬

‫تركيبه ‪:‬‬ ‫يتألف جهاز االستقبال من‪:‬‬ ‫‪ )1‬دائرة مهتزة‪ :‬تتكون من ملف‪ ،‬مكثف‬ ‫متغير السعة‪.‬‬ ‫سماعة‬ ‫هوائي‬ ‫‪ )2‬هوائي‪:‬يحتوي على سلك معدني ‪.‬‬ ‫طريقة عمله ‪:‬‬ ‫‪ )1‬يستقبل الهوائي املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫التي تولد فيه تياراً متردداً (متناوباً)تردده يساوي‬ ‫شكل (‪ )11-5‬جهاز استقبال املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫تردد تلك املوجات‪0‬‬ ‫‪ )2‬يولد التيار التأثيري املتردد املار في ملف الهوائي موجات كهرومغناطيسية ترددها يساوي تردد التيار‬ ‫التأثيري‪ ،‬ويعمل الهوائي على جتميعها‪.‬‬ ‫‪ )3‬يتم تغيير سعة مكثف الدائرة املهتزة حتى تصل إلى حالة الطنني‪ ،‬وعندها يتولد في ملف الدائرة املهتزة تيار‬ ‫تأثيري متردد يساوي تردده تردد التيار املار في الهوائي‪.‬‬ ‫صمام ثنائي‬ ‫َّ‬

‫يتناسب طول سلك الهوائي مع طول املوجة التي يبثها‬

‫شكل (‪ )11-5‬بعض استخدامات املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫‪136‬‬

‫أسئلة وتمارين الفصل‬ ‫‪ )1‬ماذا يقصد باملوجات الكهرومغناطيسية؟‬ ‫‪ )2‬اشرح مع الرسم طريقة توليد املوجات الكهرومغناطيسية؟‬ ‫‪ )3‬كيف تتكون املوجات الكهرومغناطيسية؟ وضح إجابتك بالرسم ‪.‬‬ ‫‪ )4‬اذكر أهم خواص املوجات الكهرومغناطيسية؟‬ ‫‪ )5‬إذا كان طول إحدى املوجات الكهرومغناطيسية ‪ 80‬متر ًا – أوجد من ذلك تردد هذه املوجات ‪.‬‬ ‫‪ )6‬علل ملا يأتي‪:‬‬

‫أ ‪ -‬يقل طول املوجة كلما زاد ترددها‪0‬‬ ‫ب – ال يتم إرسال املوجات الكهرومغناطيسية مباشرة عبر الفضاء‪.‬‬

‫‪ ) 7‬ماذا تقصد بكل من املصطلحات التالية ‪:‬‬

‫املوجة احلاملة ‪ ،‬املوجة احملمولة‪ ،‬املوجة املشكلة؟‬

‫‪ )8‬تشاهد على املذياع الرموز‪ PM- FM- AM‬فماذا يعني كل منها؟‬ ‫‪ )9‬ما أوجه الشبه واالختالف بني املوجات الكهرومغناطيسية؟‬ ‫‪ )10‬ما دور كل من‪:‬‬

‫هوائي اإلرسال ‪ ،‬مكثف متغير السعة في جهاز اإلرسال‪ ،‬في جهاز االستقبال‪ ،‬الدائرة املهتزة‪ ،‬امللف‬ ‫اللولبي والبطارية في الدائرة املهتزة ‪.‬‬

‫‪137‬‬

‫اجلزء الثاني‬ ‫الفيزياء احلديثة‬ ‫‪Modern Physics‬‬

‫الفيزياء الذرية‬

‫‪Atomic Physics‬‬

‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يتعرف على نشأة النظرية الكمية (فرض بالنك)‪.‬‬ ‫يتعرف على منوذج بور لذرة الهيدروجني‪.‬‬ ‫يعدد طرق إثارة الذرة‪.‬‬ ‫يفسر الظاهرة الكهروضوئية باالعتماد على فرض انيشاتني لطبيعة‬ ‫الضوء‪.‬‬ ‫يشرح طريقة توليد األشعة السينية‪.‬‬ ‫يسمي بعض االستخدامات البحثية والتطبيقية لألشعة السينية‪.‬‬ ‫يفسر املقصود بشعاع الليزر‪.‬‬ ‫يعدد صفات شعاع الليزر‪.‬‬ ‫يسمي بعض االستخدامات البحثية والتطبيقية لشعاع الليزر‪.‬‬ ‫يقارن بني شعاع الليزر وشعاع الضوء الصادر من مصباح اإلضاءة‪.‬‬

‫الفيزياء الذرية‬ ‫نشأة النظرية الكمية‪:‬‬

‫تختلف السمة العامة للعالم احلديث عما عهده العلماء من قبل‪،‬إذ مت اكتشاف بعض الظواهر الفيزيائية التي‬ ‫عجزت قوانني نيوتن عن تفسيرها ‪ .‬ومن تلك الظواهر ‪:‬‬ ‫‪ – 1‬اكتساب اجلسيمات املادية للصفة املوجية عند حركتها ‪.‬‬ ‫‪ – 2‬سلوك املوجات الكهرومغناطيسية سلوك ًا مشابه ًا لسلوك اجلسيمات املادية‪.‬‬ ‫‪ – 3‬قدرة اجلسيمات املادية على اختراق احلواجز ‪.‬‬ ‫‪ – 4‬حتول اجلسيمات املادية إلى طاقة ( على شكل موجات كهرومغناطيسية وكذلك حتول الطاقة إلى مادة‪.‬‬ ‫‪ – 5‬تغير الزمن اعتمادا على حركة املشاهد‪.‬‬ ‫‪ – 6‬ارتباط طاقة املوجة بترددها‪.‬‬ ‫‪ – 7‬انتقال الطاقة مبقادير مكممة‬ ‫كل ذلك وغيره أدى إلى والدة النظرية الكمية لبالنك (‪1900‬م) والنظرية النسبية ألينشتاين (‪1905‬م) وأصبحت‬ ‫هاتان النظريتان أساس ًا لتطور كبير في تفسير كثير من الظواهر في مجال الفيزياء الذرية والفيزياء النووية وفيزياء املواد الصلبة‪،‬‬ ‫ويكمن سر جناح الفيزياء احلديثة في تفسير هذه الظواهر‪ ،‬في أن العلماء توصلوا إلى أهمية التعامل مع املكونات‬ ‫الدقيقة للمادة واخلاصية االزدواجية عوض ًا عن النظرية السابقة للجسم ككتلة واحدة‪ ،‬وما ُعرف حديث ًا بتقنية النانو‪،‬‬ ‫وبذلك دخلت الفيزياء احلديثة عاملا جديدا هو عالم الذرات‪ ،‬ونوى الذرات‪ ،‬واجلسيمات عالية السرعة‪.‬‬ ‫ومن املبادئ الرئيسة للنظرية الكمية ما افترضه بالنك لشرح نتائج التجارب التي أجريت لدراسة الطاقة التي تشعها‬ ‫األجسام الساخنة غير العاكسة (اجلسم األسود) ‪ .‬وذلك أن طاقة اإلشعاع الكهرومغناطيسي تتناسب مع تردده‪،‬‬ ‫وأن تبادل الطاقة يتم بصورة مكممة (كمات)‪ ،‬ومن هنا سميت‬ ‫بالنظرية الكمية‪.‬‬

‫التأثير الكهروضوئي‪:‬‬

‫من الظواهر التي فشلت الفيزياء الكالسكية في تفسيرها‬ ‫ظاهرة التأثير الكهروضوئي‪ 0‬وتتلخص هذه الظاهرة بأنه عند‬ ‫تكوين دائرة كما في الشكل(‪ ،)1-6‬فإنه ال مير تيار في الدائرة‬ ‫إال إذا تعرض اللوح املعدني لشعاع ضوئي مناسب‪ ،‬حيث يعمل‬ ‫الشعاع الضوئي على حترير بعض اإللكترونات من سطح املعدن‪،‬‬ ‫‪140‬‬

‫شكل (‪)1-6‬‬

‫وتنطلق هذه إللكترونات إلى املصعد حتت تأثير فرق اجلهد بني املهبط واملصعد‪ 0‬ومماح ّير العلماء في وقتها انه ليس‬ ‫أي شعاع يحرر اإللكترونات‪ ،‬بل إن هناك تردداً معين ًا للضوء يبدأ عنده انطالق اإللكترونات ومن ثم سريان التيار‪.‬‬ ‫وقد الحظ العلماء أن التردد املطلوب لتحرير اإللكترونات يختلف من معدن آلخر فلكل معدن تردد مناسب لتحرير‬ ‫إلكتروناته‪ 0‬وكان تفسير النظرية الكالسيكية لهذه الظاهرة هو أن الضوء ُي َس ِّخن املعدن مما يؤدي إلى اكتساب‬ ‫اإللكترونات طاقة جتعلها تتحرر منه ‪ ،‬ولكن ارتباط ذلك بالتردد أفشل هذا التفسير ‪ ،‬إ ْذ أنه مهما زادت شدة‬ ‫(كثافة) الضوء املسلط على املعدن فال ميكن أن تتحرر اإللكترونات مادام تردد الضوء دون ترددمعني‪،‬أما عند زيادة‬ ‫التردد إلى احلد املناسب فإن عدد اإللكترونات املتحررة ومن ثم شدة التيار املار تتناسب طردي ًا مع شدة الضوء‪0‬‬ ‫ولظاهرة التاثير الكهروضوئي الكثير من التطبيقات العملية املهمة ‪.‬‬

‫تعريف ظاهرة التأثير الكهروضوئي‬

‫معدن ما بواسطة شعاع ضوئي تردده مناسب‪0‬‬ ‫هي إمكانية حترير إلكترونات من‬ ‫ٍ‬

‫فروض أينشتني لتفسير طبيعة الضوء ‪:‬‬

‫اعتماداً على فروض بالنك وضع أينشتني عدداً من الفروض فسر من خاللها سلوك الضوءوكان الداعي لهذه‬ ‫الفروض هو الوصول إلى تفسير لظاهرة التأثير الكهروضوئي‪ 0‬وهذه الفروض هي‪:‬‬ ‫‪ -1‬يتكون الشعاع الضوئي الذي تردده (د) من عددمن اجلسيمات تسمى ((فوتونات)) ويحمل كل فوتون‬ ‫طاقة محددة قدرها [ ط = هـ × د ]‪ 0‬حيث (هـ) ثابت بالنك ويساوي ‪24-10 ×6.6‬جول‪0‬ث ‪ ،‬أما طاقة‬ ‫الشعاع الكلية فهي تساوي مجموع طاقات الفوتونات التي يتكون منها‪0‬واجلديد في هذا الفرض أن طاقة‬ ‫مكماة أي مضاعفات صحيحة‬ ‫الفوتون محددة فهي تتناسب طردي ًا مع تردده (د)‪( ،‬يسميها الفيزيائيون طاقة ّ‬ ‫لقيم معينة)‪.‬‬ ‫طاقة الفوتون الواحد (ط)= ثابت بالنك (هـ) × تردد الفوتون (د)‬

‫طاقة الشعاع الكلية = طاقة الفوتون × عدد الفوتونات‬

‫‪141‬‬

‫‪ -2‬لكل إلكترون من إلكترونات ذرة سطح املعدن طاقة ارتباط محددة‪ 0‬تختلف حسب نوع العنصر‪ ،‬فإذا‬ ‫اصطدام الفوتون بأحد هذه اإللكترونات وكانت طاقة الفوتون أكبر من أو تساوي طاقة ارتباط اإللكترون‬ ‫مبعدنه‪ ،‬فإن هذا األلكترون سوف ميتص طاقة الفوتون ويتحرر‪ ،‬أما إذا كانت طاقة الفوتون أقل من طاقة ارتباط‬ ‫اإللكترون‪ ،‬فإن اإللكترون لن يتحرر ولن ميتص أي جزء من طاقة الفوتون‪،‬والميكن إللكترون أن ميتص جزء‬ ‫من طاقة الفوتون أو ميتص طاقة أكثر من فوتون‪0‬‬ ‫وبناء على هذه الفروض وضع أينشتني تفسيراً لظاهرة التأثير الكهروضوئي‪ ،‬حيث أوضح أن سبب عدم مقدرة‬ ‫ً‬ ‫بعض األشعة على حترير اإللكترونات‪ ،‬ومن ثم عدم سريان التيار في الدائرة‪ ،‬هو أن طاقة فوتونات هذا الشعاع أقل‬ ‫من الطاقة الالزمة لتحرير إلكترونات سطح املعدن‪ ،‬كما أن مقدرة بعض األشعة على حترير إلكترونات املعدن ومن ثم‬ ‫سريان التيار يعود إلى أن طاقة فوتونات هذا الشعاع أكبر من طاقة ارتباط اإللكترونات بسطح املعدن أو تساويها وعند‬ ‫ذلك تتناسب شدة التيار (الناجت عن حترر اإللكترونات)طردي ًا مع كثافة الشعاع الكهرومغناطيسي املسلط على سطح‬ ‫املعدن‪ .‬وبإهمال فرق اجلهد املؤثر بني املهبط واملصعد فإن طاقة اإللكترون املتحرر ميكن حسابها من العالقة التالية‪:‬‬

‫طاقة اإللكترون املتحرر = طاقة الفوتون ‪ -‬طاقة ارتباط اإللكترون بسطح املعدن‬ ‫طاقة الفوتون = طاقة االرتباط ‪ +‬طاقة االلكترون املتحرك‬

‫ ‬

‫معدن ما ((تردد العتبة)) ويرمز له بالرمز(د‪،)0‬‬ ‫كاف لتحرير إلكترونات‬ ‫ٍ‬ ‫ويسمى أقل تردد لشعاع ضوئي ٍ‬ ‫ولعلك تتذكر ما ذكرناه سابق ًا أن هذا التردد (تردد العتبة ) يختلف من معدن آلخر إذ إن لكل معدن تردد عتبة‬ ‫خاص به وهو من الصفات الفيزيائية املميزة لكل معدن‪.‬‬ ‫وبعد تعريف تردد العتبة ميكن كتابة العالقة السابقة كما يلي‪:‬‬

‫قانـون‬

‫طح (لإللكترون) = هـ × د (للفوتون) ‪ -‬هـ × د‪( 0‬طاقة ارتباط اإللكترون)‬ ‫أو‬ ‫هـ د (للفوتون) = ط ح (لإللكترون) ‪ +‬دالة الشغل‬

‫مالحظة‪:‬‬ ‫بعض المراجع تعالج هذا الموضوع اعتماد ًا على الطول الموجي للفوتون‪ ،‬وكما تعلم فإن‬ ‫طاقة الفوتون تتناسب طردي ًا مع التردد وعكسي ًا مع الطول الموجي ولذا عند االعتماد على‬ ‫الطول الموجي يجب مراعاة ذلك‪.‬‬ ‫‪142‬‬

‫مقارنة بني اإللكترون والفوتون‪:‬‬ ‫الفوتون‬

‫اإللكترون‬ ‫له سرعات مختلفة‪.‬‬

‫له سرعة ثابتة مساوية سرعة الضوء‪.‬‬

‫له كمية حترك‪.‬‬

‫له كمية حترك (أثناء حركته)‪.‬‬

‫جسيم له شحنه سالبة وكتلته ‪ 31-10×9.1‬كجم‬

‫عبارة عن موجات كهرومغناطيسية غير مشحونه‪.‬‬

‫ميكن تعجيل اإللكترون أو تغير سرعته‪.‬‬

‫ال ميكن تعجيل الفوتون‪.‬‬

‫يحتفظ بكتلته عند توقفه عن احلركة‪ ،‬ولكنه يفقد تفنى مادته عند توقفه عن احلركة‪ ،‬ويتحول إلى طاقة‬ ‫ميتصها اجلسم الذى أوقف حركته‪.‬‬ ‫طاقة حركته‪.‬‬

‫اكتب تقرير ًا عن ظاهرة التأثير الكهروضوئي وتطبيقاتها العملية‪ .‬مدعم ًا ذلك بالصور‪.‬‬

‫(‪)1-6‬‬ ‫شعاع من الضوء تردده ‪ 15 10 × 3‬هيرتز وطاقته ‪999‬و‪ 999‬كيلو إلكترون فولت في الثانية‬ ‫الواحدة‪ ،‬كم عدد فوتونات هذا الشعاع في الثانية الواحدة؟‬ ‫الحل ‪ :‬بما أن طاقة الفوتون = هـ × د‬ ‫= ‪ 19-10 × 19.8 = 1510 × 3 × 34- 10 × 6.6‬جول‬ ‫طاقة الشعاع = طاقة الفوتون × عدد الفوتونات‬ ‫إذا ‪ :‬عدد الفوتونات = طاقة الشعاع ÷ طاقة الفوتون‬ ‫= ‪ 80808 = 19-10 × 1.6 ÷ 3 10 × 999،999‬فوتون في الثانية‬

‫‪143‬‬

‫تدريب ‪1-6‬‬ ‫دالة الش��غل لخلية الفضة ‪ 4.73‬الكترون فولت‪ .‬أوجد أقل تردد لكي يس��تطيع‬ ‫الضوء تحرير الكترونات من السطح‪.‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬

‫منوذج بور لطيف ذرة اليدروجني‪:‬‬

‫حاول كثير من العلماء معرفة مكونات الذرة‪ ،‬وقد مر معك ذلك في مقرر الكيمياء عند دراستك لنظرية‬ ‫دالتون ‪1800‬م‪ ،‬ونظرية طمسن ‪1898‬م‪ ،‬ونظرية رذرفورد ‪1911‬م‪ ،‬ونظرية بور ‪1913‬م‪ ،‬وقد ثبت عجز جميع‬ ‫النظريات القدمية عن تقدمي تصور مقبول للذرة عدا نظرية بور ولهذا السبب سوف نقصر دراستنا عليها‪ 0‬فقد‬ ‫ثبت بالتجارب واملالحظات العملية صحة كثير من فرضياتها‪،‬حيث استفاد بور من محاوالت من سبقوه في أن‬ ‫الذرة تتكون من نواة موجبة وجسيمات ‪,‬ولقد اقتصرت فروض بور على أبسط ذرة معروفة وهي ذرة الهيدروجني‬ ‫حيث حتتوي على بروتون واحد وإلكترون واحد ‪.‬‬ ‫وضع بور الفروض التالية‪:‬‬

‫الفرض األول‪:‬‬

‫يتحرك إلكترون ذرة الهيدروجني والذي ميتلك طاقة حركية مقدارها ( ‪ 1‬ك ع‪ ) 2‬حركة دائرية حول النواة‬ ‫‪2‬‬ ‫حتت تأثير القوة الكهروستاتيكية اجلاذبة املتبادلة بينه وبني النواة‪.‬‬ ‫ومبا أن اإللكترون يتحرك في مدار دائري ثابت حول النواة‪.‬‬ ‫إذا ‪ :‬قوة اجلذب الكهروستاتيكية = قوة القصور الناجتة عن التغير في االجتاه‪.‬‬

‫نق‬

‫‪2‬‬

‫ع‪= 2‬‬

‫‪144‬‬

‫=‬

‫نق‬ ‫أ×ش‬ ‫ك نق‬

‫‪2‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫أ × ش‬

‫‪2‬‬

‫ك×ع‬

‫‪2‬‬

‫ع‪ :‬سرعة اإللكترون حول النواة‬

‫نق‪ :‬نصف قطر مدار اإللكترون‬ ‫ك‪ :‬كتلة اإللكترون‬

‫ش‪ :‬شحنة اإللكترون‬

‫الفرض الثاني‪:‬‬

‫هناك مدارات ذات أنصاف أقطار مختلفة متاح لإللكترون أن يدور فيها حول النواة ‪ ,‬وفي أي منها تكون كمية‬ ‫التحرك الزاوية لإللكترون مساوية مضاعفات صحيحة من ثابت بالنك (هـ) مقسوما على ‪π 2‬‬ ‫ن هـ‬ ‫أي أن ‪ :‬كمية احلركة الزاوية =‬ ‫‪π2‬‬ ‫ك × ع ن × نق ن =‬

‫ن هـ‬ ‫‪π2‬‬

‫حيث ن = تعبر عن رقم املدار الذي يوجد فيه اإللكترون أو العدد الكمي وتأخذ القيم الصحيحة (‪،3 ،2 ،1‬‬ ‫‪)0000‬وال تقبل الكسور‪0‬‬ ‫أثبت أن نصف القطر للمدارات التي ميكن أن يوجد بها اإللكترون ‪ -‬يأخذ قيم ًا صحيحة‬ ‫من نصف قطر مدار اإللكترون األول ‪ ،‬أي أن ‪:‬‬ ‫نصف قطر مدار اإللكترون في أي مستوى (نق ن) = ن ‪ × 2‬نق‬

‫‪1‬‬

‫ ‬ ‫حيث نق‪ 0.529 = 1‬أجنستروم ويعرف ب(نصف قطر بور) وقيمته ثابتة =‪10-10 × 0.529‬م‬ ‫((أي أن نصف قطر مدار اإللكترون كمية مكماة))‬

‫مالحظة‪:‬‬ ‫االنجستروم وحدة مسافة لقياس المسافات الصغيرة جداً ويعادل ‪ 10-10‬متر‬ ‫ومن العالقة السابقة نالحظ أنه ال ميكن أن يكون نصف قطر مدار اإللكترون حول النواة = ‪ 1.5‬نق‪ 1‬أو ‪1.7‬‬ ‫نق‪ 1‬بل قيم ًا صحيحة من نصف القطر نق‪ . 1‬وهذا يقودنا إلى وجود مناطق حول النواة تفصل بني مستويات الطاقة‬ ‫ال ميكن أن يوجد بها إلكترونات( حسب فروض بور)‪0‬‬ ‫أما طاقة اإللكترون في أي مدار وهو يدور حول النواة فتستنتج من العالقات التالية‪:‬‬ ‫‪145‬‬

‫الطاقة الكلية = الطاقة احلركية ‪ +‬طاقة الوضع‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫كع‬ ‫الطاقة احلركية =‬ ‫‪2‬‬ ‫إذن الطاقة الكلية =‬

‫‪1‬‬

‫كع‬ ‫‪1‬‬

‫إذن ‪:‬‬

‫طاقة الوضع = ‪ -‬أ‬

‫‪2‬‬

‫ش‬

‫‪2‬‬

‫نق‬ ‫=‬

‫نق‬ ‫كع‬

‫‪2‬‬

‫أش‬ ‫وبالتالي فإن الطاقة الكلية (ط) = ‪2‬نق‬ ‫وقد سبق أن أثبتنا أن نق ن = ن‪ 2‬نق‬ ‫‪1‬‬

‫‪2‬‬

‫نق‬

‫‪2‬‬

‫ك ع‪ - 2‬أ‬

‫‪2‬‬

‫ومن الفرضية األولى جند أن‪:‬‬

‫‪،‬‬

‫ش‬

‫‪2‬‬

‫=‬

‫أش‬

‫‪2‬‬

‫نق‬ ‫‪2‬‬ ‫أش‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬نق‬ ‫‪-‬‬

‫أش‬ ‫نق‬

‫‪2‬‬

‫ أش‬‫= ‪2‬نق‬

‫‪2‬‬

‫وبالتعويض عن قيم أ ‪ ،‬ش ‪ ،‬نق‪ 1‬جند أن طاقة اإللكترون في أي مدار طن‬ ‫طن =‬

‫أش‬‫‪ 2‬نق‬ ‫ن‬

‫‪2‬‬

‫=‬

‫‪-‬أش‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬ن‪2‬نق‬ ‫‪1‬‬

‫=‬

‫ ‪13.6‬‬‫ن‬

‫‪2‬‬

‫بوحدة إلكترون فولت (‪)ev‬‬

‫حيث ط‪1‬هي طاقة اإللكترون في املدار األول = ‪ 13.6-‬إلكترون فولت(‪ )ev‬أما طن فهي طاقة اإللكترون في‬ ‫أي مدار (ن) من مدارات الذرة ‪ ،‬وقد لوحظ أن طاقة اإللكترون في أي مدار تأخذ قيما سالبة‬ ‫ملاذا؟ ‪.....................‬‬

‫ما هو الإلكترون فولت (‪ )ev‬وما عالقته بالجول؟‬ ‫ال يشع اإللكترون طاقة مادام في مداره احملدد له ‪ ،‬أما إذا انتقل من مدار بعيد إلى مدار قريب من النواة فإنه‬ ‫يشع طاقة‪ ،‬بينما ميتص طاقة إذا انتقل من مدار قريب إلى مدار بعيد‪ ،‬وكمية الطاقة التي يشعها أو ميتصها أثناء‬ ‫‪146‬‬

‫انتقاله من مدار إلى آخر هي عبارة عن الفرق بني طاقتي املدارين اللذين انتقل بينهما اإللكترون‪ ،‬وميكن كتابة ذلك‬ ‫بالعالقة التالية‪:‬‬ ‫الطاقة املمتصة(أو املشعة)=طاقة اإللكترون في املدار النهائي – طاقة اإللكترون في املدار االبتدائي‬ ‫∆ ط = ط ن هـ – ط‬ ‫∆ط =‬

‫ط‬ ‫ن‬

‫‪1‬‬

‫‪2‬‬ ‫هـ‬

‫‪-‬‬

‫نب‬

‫ط‬

‫‪1‬‬

‫ن‬ ‫ب‬

‫‪2‬‬

‫∆ط = ‪× 13.6 -‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ن‬ ‫هـ‬

‫‪-‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ن‬ ‫ب‬

‫حيث ن هـ‪ :‬املدار الذي انتقل إليه اإللكترون (النهائي)‬

‫ن ب‪ :‬املدار الذي انتقل منه اإللكترون (االبتدائي)‬

‫ومبعرفة ط ميكننا حساب تردد الفوتون وطوله املوجي من‬ ‫خالل العالقتني‬ ‫(ط= هـ × د) ‪( ،‬ع=د×ل) مع مالحظة أننا عند حساب‬ ‫تردد الفوتون أو طوله املوجي فإننا نستخدم القيمة املطلقة‬ ‫للطاقة‪ 0‬كما في الشكل التالي‪:‬‬

‫(‪)2-6‬‬ ‫سقط شعاع ضوئي على ذرة الهيدروجين فانتقل إلكترونها من المدار األول إلى المدار الثالث‪ ،‬أحسب ‪:‬‬ ‫(‪ )1‬طاقة الشعاع الساقط (‪ )2‬تردد الشعاع الساقط (‪ )3‬الطول الموجي لهذا الشعاع‬ ‫الحل ‪:‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫)‬ ‫‬‫طاقة الشعاع الساقط (ط) = ‪( 13.6 -‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ن‬ ‫ن‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫)‬ ‫‬‫= ‪( × 13.6-‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪8‬‬ ‫) = ‪ 12.089‬إلكترون فولت = ‪ 19-10 × 1.6 × 12.089‬جول‬ ‫= ‪-( ×13.6-‬‬ ‫‪9‬‬ ‫‪ × 34-10 ×6.6 = 19-10 × 1.6 × 12.089‬د‬ ‫‪ -2‬تردد الشعاع من العالقة ‪ :‬ط = هـ × د‬ ‫إذا ‪ :‬د = ‪ 15-10 × 2.9‬هيرتز‪.‬‬ ‫‪ -3‬الطول الموجى للشعاع من العالقة ‪ :‬ع = د × ل ‪ × 15 10 ×2.9 = 8 10× 3‬ل‬ ‫إذا ‪ :‬ل ≈ ‪ 7-10× 1‬متر‬ ‫‪147‬‬

‫إثارة الذرة‪:‬‬

‫الذرة املستقرة هي التي توجد إلكتروناتها في مستوياتها الطبيعية‪،‬أما إذا تعرضت الذرة إلشعاع كهرومغناطيسي‬ ‫مناسب(لكل ذرة تردد مناسب قادر على إثارتها)فإن واحداً أو أكثر من إلكترونات الذرة ميتص طاقة الفوتونات‬ ‫الساقطة على الذرة وينتقل من مستواه الطبيعي إلى مستوى أبعد عن النواة (مستوى ذي طاقة أكبروطاقة ارتباط‬ ‫بالنواة أقل )‪،‬وفي هذه احلالة نقول إن الذرة مثارة‪ ،‬إال أن هذا الوضع ال يستمر طويال‪،‬حيث يعود اإللكترون إلى‬ ‫مستواه الطبيعي وتعود الذرة إلى حالة االستقرار بعد مضي زمن ال يتجاوز ‪ 8-10‬ثانية‪ 0‬ويرافق عودة اإللكترون إلى‬ ‫مستواه الطبيعي إصدار الذرة إلشعاع كهرومغناطيسي عبارة عن فوتونات يعتمد ترددها على درجة اإلثارة‪.‬‬

‫األطياف الذرية‪:‬‬

‫تأمل في مصباح النيون املوجود في منزلك ولوحات احملالت التجارية املكتوبة مبصابيح النيون هل هي ذات لون‬ ‫واحد ؟ ماسبب اختالف ألوانها من وجهة نظرك ؟‬ ‫إن األلوان الصادرة عن الغازات عند حدوث التفريغ الكهربائي لها تختلف من غاز إلى أخر ‪ ،‬ومن الناحية‬ ‫الفيزيائية فإن املوجات الضوئية الصادرة عن هذه الغازات هي ذات ترددات مختلفة‪ ،‬إذ إن لكل غاز تردداً خاص ًا‬ ‫به ‪ .‬فماهي قيم ترددات هذه املوجات الصادرة من كل غاز أثناء عملية التفريغ ؟ وما خصائصها ؟وما عالقتها‬ ‫بالتركيب الذري ؟‬ ‫ميكن قياس تردد أي شعاع ضوئي باستعمال جهاز يدعى منظار التحليل الطيفي‪ ،‬ويتألف هذا اجلهاز من محززة‬ ‫للحيود (أومنشور زجاجي) ومنظار تلسكوبي ومصدر للشعاع الضوئي املراد قياس تردده ‪.‬‬ ‫فعندما نوجه الضوء املنبعث من غاز ما نحو املطياف نستطيع بسهولة أن نقيس الترددات التي يتشكل منها هذا‬ ‫الضوء ‪ ،‬وإذا ما فعلنا ذلك ملجموعة من الغازات أو األبخرة املعدنية جندمايلي ‪:‬‬ ‫‪ .1‬يرسل كل غاز ( أو بخار معدني ) أشعة تتألف من سلسلة محددة من الترددات الضوئية تدعى الطيف‬ ‫الذري ‪ ( atomic spectrum‬شكل ‪.)2-6‬‬ ‫‪ .2‬لكل غاز أوعنصر سلسلة من الترددات اخلاصة به وتختلف كليا عن أي سلسلة لغاز آخر‪.‬‬ ‫‪ .3‬الطيف الذري (السلسلة) يحتوي على عدد من الترددات‪ ،‬ويغلب التردد األكثر كثافة على لون السلسلة‪.‬‬ ‫فمثال الطيف الذري لبخار الصوديوم يحتوي على ترددين شديدي الكثافة مييل لونهما إلى البرتقالي ويدل‬ ‫وجودهما في أي شعاع عل وجود الصوديوم في مصدر هذا الشعاع ‪.‬‬ ‫وعليه يعرف الطيف الذري لعنصر ما بأنه ‪ :‬سلسلة الترددات الضوئية الصادرة عن ذرات هذا العنصر‪.‬‬ ‫ويرتبط انبعاث هذه األطياف من الذرات بإثارتها نتيجة انتقال اإللكترونات إلى مدارات أعلى‪ ،‬ثم رجوعها إلى‬ ‫‪148‬‬

‫املدار االبتدائي باعثة أمواجا ضوئية‬

‫شكل (‪)2-6‬‬

‫الطيف اخلطي لذرة الهيدروجني ‪:‬‬

‫تكون ذرة الهيدروجني في حالة استقرار إذا وجد اإللكترون في املدار األول ن = ‪ 1‬وميكن إثارة الذرة عند‬ ‫زيادة طاقة اإللكترون بكميات تكفي لنقله ملدارات أعلى شكل (‪ 3-6‬أ)‪ ،‬ولكي تعود الذرة إلى استقرارها البد‬ ‫أن يعود اإللكترون من املدار ذي الطاقة األعلى الى املدار ذي الطاقة األقل فاقداً مقدار من الطاقة يساوي الفرق بني‬ ‫طاقتي املدارين‪ ،‬وتظهر هذه الطاقة املفقودة على هيئة إشعاعات ضوئية (فوتونات ) يعتمد ترددها على درجة‬ ‫إثارة الذرة ‪.‬‬

‫شكل (‪ 3-6‬أ )‬

‫شكل (‪ 3-6‬ب )‬ ‫‪149‬‬

‫تمرين‬ ‫علل‪ :‬يعتبرطيف ذرة الهيدروجين أبسط األطياف الذرية‬ ‫يرتبط بعودة إلكترون ذرة الهيدروجني من مدارات أعلى إلى ‪:‬‬ ‫ املدار ن = ‪ 1‬تولد سلسلة تسمى بسلسلة ليمان‬ ‫ املدار ن = ‪ 2‬تولد سلسلة باملر‬ ‫ املدار ن = ‪ 3‬تولد سلسلة باشن‬ ‫ما الفرق بني هذه السالسل وماخصائص كل سلسلة ناقش ذلك مع زمالئك ودون ما تتوصل‬ ‫إليه شكل (‪ 3-6‬ب)؟‬

‫·‬ ‫·‬ ‫·‬

‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬

‫األشعة السينية ‪( x- rayes‬الظاهرة الكهروضوئية‬ ‫العكسية)‬

‫األشعة السينية (أشعة ‪ )X‬هي عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية‬ ‫عال ومن ثم طاقتها عالية‪ 0‬وهي تنبعث نتيجة انتقال‬ ‫ترددها ٍ‬ ‫اإللكترون من أحد مستويات الطاقة اخلارجية إلى مستوي طاقة‬ ‫داخلي (قريب من النواة) مما يجعل اإللكترون يتخلص من فرق‬ ‫الطاقة بني املستويني على شكل فوتونات عالية التردد(عالية الطاقة)‬ ‫هي املسماة األشعة السينية ‪ ،‬وقد سميت بهذا االسم؛ ألنها في‬ ‫بداية اكتشافها لم تكن طبيعتها معروفة‪.‬‬

‫معدن الهدف‬

‫م�صد‬ ‫جهد عايل‬

‫�أ�شعة ـ ‪x‬‬ ‫فتيلة الت�سخني‬ ‫الكرتونات‬

‫جهد الفتيلة‬

‫شكل (‪) 4-6‬‬ ‫‪150‬‬

‫جهاز توليد األشعة السينية‬

‫يستخدم لتوليد األشعة السينية جهاز شكل (‪ )4-6‬بالتعاون مع مجموعة من زمالء في‬ ‫الصف والرجوع إلى مصادر التعلم اكتب تقرير ًا يشمل ‪:‬‬ ‫< كيفية توليد األشعة السينية‪.‬‬ ‫< استخدامات جهاز األشعة السينية‪.‬‬ ‫ ‬

‫تفسير تولد األشعة السينية‬

‫عند اصطدام اإللكترونات بذرات مادة الهدف فإن هذه اإللكترونات التي متتلك طاقة عالية تستطيع التغلب‬ ‫على قوة تنافرها مع اإللكترونات احمليطة بذرات مادة الهدف‪ ،‬ومن ثم تصطدم باإللكترونات التي في املستويات‬ ‫الداخلية لذرة الهدف مما يجعل هذه اإللكترونات تكتسب طاقة كافية لتحررها من الذرة ‪ ،‬فتترك مستوي الطاقة‬ ‫الذي كانت فيه مخلفة ثغرة ال تلبث أن ينتقل إليها إلكترون من مستويات الطاقة اخلارجية لذرة الهدف‪.‬‬ ‫يتخلص هذا اإللكترون اجلديد من كمية كبيرة من الطاقة تعادل الفرق بني طاقة املستويني اللذين انتقل‬ ‫بينهما‪،‬فتنبعث هذه الطاقة على شكل فوتونات عالية التردد هي املسماة األشعة السينية‪ ،‬وتعطي هذه الطريقة‬ ‫طيف ًا ذا تردد محدد يسمى الطيف اخلطي وذلك ألن طاقته محددة‪.‬‬ ‫ومن اجلدير بالذكر هنا أن ‪-:‬‬ ‫بعض اإللكترونات املتسارعة نحو الهدف ال تستطيع االصطدام مبادة الهدف بسبب تنافرها مع إلكترونات ذرة‬ ‫عال وطاقتها تساوي‬ ‫الهدف فتتناقص طاقتها احلركية ويتحول جزء من الطاقة احلركية لإللكترون إلى فوتونات ترددها ٍ‬ ‫التغير في طاقة اإللكترون املتباطئ ‪ ،‬وتعرف األشعة املتولدة بهذه الطريقة ب‪ :‬طيف األشعة السينية املتصل‪.‬‬ ‫الشدة اإلشعاعية‬ ‫ألشعة أكس‬

‫شكل (‪) 5-6‬‬ ‫طول املوجة‬ ‫نانو متر‬

‫‪151‬‬

‫خواص األشعة السينية‬

‫من أهم خصائص األشعة السينية مايلي‪:‬‬

‫‪ -1‬األشعة السينية هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي تتميز بترددات أعلى من تردد الطيف البنفسجي‬ ‫(‪ )Ultra-Violet‬ولها نفس سرعة الضوء‪.‬‬ ‫‪ -2‬ال تتأثر باملجال الكهربائي واملجال املغناطيسي فهي على ذلك ال حتمل شحنة كهربائية ‪.‬‬ ‫‪ -3‬ميكن حيودها بالبلورات‪.‬‬ ‫‪ -4‬لها القدرة على النفاذ خالل اجلوامد وتفوق قدرتها قدرة الضوء العادي ‪.‬‬ ‫‪ -5‬ميكن أن تسبب توهج املواد بسبب قدرتها على استثارة الذرات ‪.‬‬ ‫‪ -6‬ميكنها تأيني الغازات عند مرورها خاللها‪.‬‬ ‫‪ -7‬ميكنها حترير اإللكترونات من سطح املعدن عند سقوطها عليه‬ ‫‪ -8‬ميكن أن تسبب أضرارا في األنسجة احلية‪.‬‬

‫استخدامات األشعة السينية‬

‫‪ -1‬في الطب حيث تستخدم في الكشف عن الكسور وتسوس األسنان وحصوات الكلي واملرارة‪.‬‬ ‫‪ -2‬التصوير املقطعي ‪0‬الطبقي) جلسم اإلنسان‪.‬‬

‫من أكثر األجهزة التشخيصية تطوراً في وقتنا‬

‫م�صدر الأ�شعة ــ ‪x‬‬

‫احلاضر جهاز التصوير املقطعي وهو يعتمد‬ ‫في عمله على األشعة السينية شكل (‪ 6‬ـ ‪.)6‬‬

‫طريقة عمله‪:‬‬

‫يوضع املريض داخل اجلهاز ثم تدور أنبوبة األشعة‬

‫كا�شف‬

‫السينية والفيلم احلساس حول املريض بزاوية‬

‫مقدارها ‪ 5 180‬وتؤخذ صور مقاطع مختلفة من‬ ‫العضو وبزوايا مختلفة‪ .‬وميكن جمع املعلومات‬ ‫(كنقاط انحراف وانعكاس األشعة السينية) من ‬ ‫‪152‬‬

‫شكل (‪) 6-6‬‬

‫هذه املقاطع بواسطة حاسوب خاص ‪ ،‬وذلك لتكوين صورة مجسمة كاملة عن عضو معني من أعضاء جسم‬ ‫اإلنسان وميكن بعدها رؤية هذا اجلسم من جميع اجلهات ويستعمل هذا التصوير عادة للكشف عن أمراض ال‬ ‫ميكن الكشف عنها بالطرق العادية‪.‬‬ ‫‪ -3‬في مجال األمن كما في املطارات‪ ،‬حيث تكشف وجود مواد معدنية في احلقائب‪0‬‬ ‫‪ -4‬الكشف عن العيوب في املواد املصنعة ‪.‬‬ ‫‪ -5‬تستخدم في األغراض العلمية كدراسة التركيب البلوري ‪.‬‬

‫تمرين‬ ‫اذكر كافة االستخدامات األخرى لألشعة السينية التي لم يرد ذكرها سابقاً‪.‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬ ‫‪................................................................................................‬‬

‫األش���عة الس���ينية ليس���ت ذات تردد واح���د بل هي ذات ت���رددات مختلف���ة ويمكن‬ ‫التحكم بتردد هذه األش���عة عن طريق التحكم بفرق الجهد الذي يعمل على تسارع‬ ‫اإللكترونات بين الفتيل والهدف‪ ،‬ولهذا فإن فني األشعة في المستشفى يقوم بعملية‬ ‫تغيير في فرق الجهد بين مريض وآخر حس���ب المنطقة المطلوب تصويرها باألش���عة‬ ‫ال تصوير حصوة الكلية يحتاج إلى أش���عة ذات تردد يختلف عن التردد‬ ‫الس���ينية فمث ً‬ ‫الالزم لتصوير عظم الفخذ‪.‬‬

‫‪153‬‬

‫قضية للمناقشة‬ ‫عرفت أن األشعة السينية لها فوائد كثيرة واستخدامات متعددة في مجال الطب والصناعة‪.‬‬ ‫ماهي مضار التعرض لهذه األش���عة‪ .‬ناقش مع زمالئك هذه المضار وطريقة الوقاية ثم َأ ِعدَّ‬ ‫تقريراً عن ذلك انشره في مجلة المدرسة‬ ‫الليزر ‪Laser‬‬

‫ الضوء املرئي واألشعة السينية وأشعة الليزر كلها عبارة عن موجات كهرومغناطيسية واالختالف بينها إما في التردد‬ ‫كما هو احلال في األشعة السينية ذات التردد العالي ‪ ،‬أو في الترابط والتماثل في التردد كما في شعاع الليزر‪ ،‬واملقصود‬ ‫هنا أن الليزر عبارة عن شعاع كهرومغناطيسي يتميز بصفات خاصة نذكرها الحقاً‪ 0‬وكما أن املوجات الكهرومغناطيسية‬ ‫منها ما يثير في العني حاسة اإلبصار ويشمل هذا الطيف املرئي ‪ -‬بألوانه السبعة‪ ،-‬ومنها ماال يثير في العني حاسة اإلبصار‬ ‫كاألشعة فوق البنفسجية وحتت احلمراء فكذلك الليزر منه ما يثير في العني املجردة حاسة اإلبصار وهو بنفس تردد الطيف‬ ‫املرئي‪ ،‬ومنه ماال يثير في العني حاسة اإلبصار وهو ذو تردد أعلى أو أقل من تردد الطيف املرئي‪0‬‬ ‫كلمة ليزر ‪ Laser‬كلمة أجنبية وهي متثل احلروف األولي من كلمات اجلملة التالية‪:‬‬ ‫‪Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation‬‬

‫ومعناها (( تكبير الضوء عن طريق االنبعاث احملرض باإلشعاع))‬

‫األساس العلمي لتوليد أشعة الليزر‬

‫من املواد الغازية املستخدمة في إنتاج شعاع الليزر غاز الهيليوم وغاز األرجون وثاني أكسيد الكربون ‪ ،‬أما املواد‬ ‫الصلبة فمنها الياقوت والعاج والزجاج وهذا يعني أنه ليست جميع املواد صاحلة إلنتاج شعاع الليزر‪ ،‬بل أن بعض‬ ‫املواد التي تتصف بصفات محددة هي التي ميكن استخدامها في إنتاج شعاع الليزر ‪0‬‬ ‫فعندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة عالية إلى مستوى طاقة أقل ينبعث فوتون‪ ،‬و انبعاث الفوتونات يكون‬ ‫على نوعني‪ :‬االنبعاث التلقائي‪ ،‬االنبعاث املثار املتزامن في االنبعاث التلقائي تنبعث االلكترونات تتابع ًا وفي‬ ‫اجتاهات عشوائية ‪.‬‬ ‫أما االنبعاث املتزامن فيحدث بواسطة فوتون ساقط يعمل على حث اإللكترون لتغيير مستوى طاقته ‪.‬‬ ‫لذلك عند توليد انبعاث مثار متزامن يجب أن تكون طاقة الفوتون الساقط مساوية متام ًا للفرق بني طاقتي‬ ‫املستويني (ط ب ‪,‬ط هـ ) شكل (‪ 3-6‬أ) ‪ ،‬ويشابه االنبعاث املتزامن عملية الرنني حيث يثير الفوتون الساقط رغبة‬ ‫‪154‬‬

‫اإللكترون بواسطة تردد مناسب يتحسسه اإللكترون فيغير مستوى طاقته ومقدار هذا التردد يعطى بالعالقة‪.‬‬ ‫د=‬

‫طب – ط‬

‫هـ‬

‫هـ‬

‫وعليه فقد لوحظ أن عملية إنتاج الليزر تعتمد على االنبعاث احملرض املتزامن والذي له ثالث خواص مهمة وهي‪:‬‬ ‫‪ -1‬تكبير عدد الفوتونات (يسقط فوتون واحد فينبعث فوتونان )‬ ‫‪ -2‬الفوتون املنبعث يأخذ نفس اجتاه الفوتون الساقط ‪.‬‬ ‫‪ -3‬الفوتون املنبعث له نفس طور الفوتون الساقط متاما‪.‬‬ ‫واستمرار انبعاث أشعة الليزر يتطلب وجود مصدر طاقة يعمل على استمرارية انتقال االلكترونات من املستويات‬ ‫املنخفضة إلى املستويات العليا إلبقاء حالة ما يسمى باالنقالب لنظامي التوزيع اإللكتروني‪ ،‬في الرسم املوضح شكل‬ ‫(‪ 3-6‬ب) أدناه يتم ضخ االلكترونات من مستوى الطاقة ط‪ 1‬إلى ط‪ 3‬بواسطة مصدر طاقة خارجي ومن ثم تعود‬ ‫االلكترونات بواسطة االنتقال التلقائي ثم تستقر في املستوى ط‪ 2‬ملدة زمنية طويلة نسبيا حيث ال تعود إلى املستوى‬ ‫ط‪ 1‬تلقائي ًا بل تنتظر إلى أن مير فوتون حثي يعمل على استدراج اإللكترون لتغيير طاقته إلى املستوى ط‪ 1‬بواسطة‬ ‫االنبعاث املتزامن املثار ‪ ،‬وبالتالي ينتج فوتونني بدال من فوتون واحد ومن ثم يعمل هذا الفوتون على التأثير على‬ ‫إلكترونات أخرى لتغير مستوى طاقتها فتتضاعف أعداد الفوتونات املتزامنة وينتج شعاع الليزر شكل (‪ 3-6‬ج) ‪.‬‬ ‫طا‪3‬‬

‫إشعاع تلقائي‬ ‫سريع‬ ‫◊ ¼?‬ ‫◊»‬

‫أشعة‬ ‫الليزر‬

‫شكل (‪ 7-6‬أ)‬

‫طا‪2‬‬

‫فوتون‬ ‫محرض‬

‫طا‪1‬‬

‫شكل (‪ 7-6‬ب)‬

‫شكل (‪ 7-6‬ج)‬

‫‪155‬‬

‫خصائص أشعة الليزر‬

‫تتميز أشعة الليزر باخلصائص التالية‪:‬‬ ‫‪ .1‬شدتها عالية‪ ،‬وهذا عائد إلى استمرار الشعاع في حزمة‬ ‫توى الطاقة‬ ‫ضيقة دون أن يتفرق‪ 0‬شكل (‪.)9-6‬‬ ‫مس‬ ‫‪ .2‬تسير في اجتاه واحد واليحدث لها تشتت كما يحدث‬ ‫إلكترون‬ ‫للضوء العادي‪0‬‬ ‫شكل (‪ 8-6‬أ)‬ ‫‪ .3‬متفقة في الطور‪ ،‬أي تتطابق قمم وقيعان موجاتها املختلفة‬ ‫فيقوي بعضها بعض ًا وهذا ما يسمي بالتداخل البناء ‪.‬‬ ‫انبعاث الفوتونات (الضوء)‬ ‫الصفات السابقة جتعلها تسير ملسافات بعيدة جداً دون أن‬ ‫إلكترون مثار‬ ‫توى الطاقة‬ ‫مس‬ ‫تضعف‪.‬‬ ‫انتقال‬ ‫إلكتروني‬ ‫‪ .4‬تشبه الضوء العادي من حيث االنعكاس واالنكسار‪.‬‬ ‫فوتون‬ ‫قارن بني األشعة السينية وأشعة الليزر والطيف املرئي في‬ ‫إلكترون‬ ‫جدول‪.‬‬

‫استخدامات الليزر‬

‫انتقال‬ ‫إلكتروني‬

‫طاقة من‬ ‫مصدر‬ ‫خارجي‬

‫طاقة من‬ ‫مصدر‬ ‫خارجي‬

‫شكل (‪ 8-6‬ب)‬

‫اكتب بحثا عن استخدامات الليزر المتوفرة إلى الوقت الحاضر في المجاالت الطبية والصناعية‬ ‫والعسكرية ؟ أو قم بزيارة ألحد المنشآت العلمية والطبية التي تستخدم الليزر في مدينتك‪.‬‬

‫خطر الليزر‬

‫أغلب أشعة الليزر ذات شدة عالية ‪ ،‬وإذا سقطت على‬ ‫عضو معني حتولت طاقة هذا الشعاع إلى حرارة قد تقضي‬ ‫على بعض خاليا هذا العضو‪ ،‬وأكثر أعضاء جسم اإلنسان‬ ‫تأثراً بها هو العني بسبب حساسيتها الشديدة‪.‬‬

‫شكل (‪ )9-6‬استخدام الليزر في العمليات اجلراحية‬

‫قضية للمناقشة‬ ‫كيف يمكنك الجمع بين خطورة تأثير أش��عة الليزر على أعضاء الجس��م ومنها العين وبين‬ ‫استخداماتها في العمليات الجراحية للعين في الوقت الحاضر بكثرة؟‬ ‫‪156‬‬

‫أسئلة الفصل السادس‬

‫‪ )1‬ماهي األسباب التي أدت إلى نشأة الفيزياء احلديثة؟‬ ‫‪ )2‬اشرح بإيجاز الفروض التي وضعها بور حول ذرة الهيدروجني‪ ،‬وملاذا اختار بور ذرة الهيدروجني ‪،‬‬ ‫وهل تنطبق على ذرات العناصر األخرى؟‬ ‫‪ )3‬معدن ما إذا سقط عليه شعاع ضوئي طول موجته ‪ 3000‬أجنستروم على األكثر حتررت إلكتروناته‪0‬‬ ‫ ‬

‫أ‪ 0‬هل يستطيع شعاع طول موجته ‪ 4000‬أجنستروم أن يحرر إلكترونات نفس‬ ‫املعدن؟ملاذا؟‬ ‫ب‪ 0‬ما هي طاقة ارتباط إلكترونات هذا املعدن ؟(‪ )19-10×6.6‬جول؟‬ ‫ج‪ 0‬إذا سلطنا شعاعا طول موجته ‪ 2000‬أجنستروم على هذا املعدن فما هي طاقة احلركة‬ ‫لإللكترونات املتحررة؟ (‪)19-10×3.3‬‬

‫‪ )4‬شعاع ضوئي قدرته ‪ 1‬جول خالل الثانية الواحدة وطول موجته ‪ 4000‬أجنستروم‪0‬‬ ‫كم عدد الفوتونات في هذا الشعاع في الثانية الواحدة؟(‪)18 10 × 2.02‬‬ ‫‪ )5‬إلكترون طاقته ‪ 10‬كيلو إلكترون فولت‪ 0‬يخسرها كاملة ببث أشعة سينية ‪ 0‬ما هو الطول‬ ‫املوجي لألشعة السينية املنبعثة؟ (‪)10-10×1.24‬متر‬ ‫‪ )6‬‬

‫ما هي الطاقة الالزمة النتقال اإللكترون من املستوى الثاني إلى املستوى اخلامس في ذرة‬ ‫الهيدروجني؟ وما تردد الفوتونات التي متتصها الذرة في هذه احلالة ؟‬ ‫( ‪، 2.856‬‬

‫‪)1410×6.92‬‬

‫‪ )7‬احسب طاقة التأين لذرة الهيدروجني في وضعها الطبيعي ‪ ،‬وما تردد الفوتون الذي باستطاعته‬ ‫تأيينها؟ (‪10×2.176‬‬

‫‪18-‬‬

‫‪،‬‬

‫‪)1510×3.3‬‬

‫‪157‬‬

‫(( طاقة التأين هي الطاقة الالزمة لتحرير اإللكترون من االرتباط بالنواة ))‬ ‫‪ )8‬احسب نصف قطر مدار إلكترون يدور في املستوي الثالث لذرة الهيدروجني‪ ،‬وما مقدار طاقة‬ ‫مثل هذا اإللكترون؟ (‪10×4.761‬‬

‫‪10-‬‬

‫‪) 1.51 ،‬‬

‫‪ )9‬علل ‪:‬‬ ‫ ملاذا تسمى األشعة السينية بالظاهرة الكهروضوئية العكسية؟‬‫ ملاذا ال تستخدم األشعة السينية في االتصاالت ونقل املعلومات كما في أشعة الليزر‪.‬‬‫‪ )10‬ما الفرق بني ‪:‬‬ ‫· عمليات الليزر والليزك التي تجُ رى لتصحيح عيوب اإلبصار ؟‬ ‫· طاقة ارتباط اإللكترون بالنواة وطاقة اإللكترون في املدار ؟‬ ‫‪ )11‬فوتون طول موجته ‪ 3000‬إجنستروم‪ ،‬احسب طاقته باجلول ثم باإللكترون فولت ؟‬ ‫‪ )12‬قارن بني الطيف اخلطي والطيف املتصل لألشعة السينية ؟‬ ‫‪ )13‬متثل الصور التالية طريقة احلصول على أشعة ليزر الياقوت ‪...‬حاول ترتيبها حسب مراحل‬ ‫التكوين‪.‬‬

‫‪...........‬‬

‫‪158‬‬

‫‪...........‬‬

‫‪...........‬‬

‫‪...........‬‬

‫‪...........‬‬

‫الفيزياء النووية‬

‫‪Nuclear Physics‬‬

‫يتوقع من المتعلم في نهاية هذا الفصل أن ‪:‬‬ ‫يذكر (العالقة بني الكتلة والطاقة)‪.‬‬ ‫مييز بني مكونات النواة من حيث الكتلة‪ ،‬الشحنة‪.‬‬ ‫يسمي أنواع اإلشعاعات التي ميكن أن تصدر من النواة‪.‬‬ ‫يعرف عمر النصف‪.‬‬ ‫يحسب عمر النصف ألي عنصر مشع‪.‬‬ ‫يتعرف على الطريقة العملية للكشف عن اإلشعاعات النووية (عداد جايجر)‪.‬‬ ‫يذكر املجاالت التي تستخدم فيها النظائر املشعة‪.‬‬ ‫يعرف التفاعل النووي االندماجي‪.‬‬ ‫يفرق بني االندماج النووي واالنشطار النووي‪.‬‬ ‫يحسب الطاقة الناجتة من التفاعالت النووية‪.‬‬

‫ظاهرة النشاط اإلشعاعي‪Radio Activity :‬‬

‫متهيـــــــد ‪-:‬‬ ‫جسيمات النواة‪:‬‬

‫ متكن العالم االجنليزي رذر فورد عام ‪1907‬م من اكتشاف اإلشعاعات التي تصدر عن األنوية املشعة (الفا‪،‬‬‫بيتا‪ ،‬جاما)‪.‬‬ ‫ في العام ‪1930‬م الحظ كل من العاملني بيث وبيكر انبعاث إشعاع له نفاذية عالية عند قذف عناصر خفيفة مثل‬‫الليثيوم والبربليوم بجسيمات ألفا املنبعثة من البولونيوم والتي اخترقت الرصاص واعتقد أن اإلشعاع الناجت هو‬ ‫إشعاع جاما ولكن لم تنجح هذه الفرضية في تفسير نتائجهما ‪.‬‬ ‫ في نهاية العام ‪1933‬م أجرى العالم شادويك سلسلة من التجارب اثبت فيها أن هذا اإلشعاع املجهول ليس إشعاع‬‫جاما وإمنا هو جسيمات لها صفة مادية وغير مشحونة وكتلة كل منها تقارب كتلة البروتون وأطلق على هذه‬ ‫اجلسيمات اسم النيوترونات ‪.‬‬ ‫ كان االكتشاف السابق بداية ملعرفة تركيب كل من الذرة والنواة ‪ ،‬حيث تتكون ذرة أي عنصر من نواة حتتوي على‬‫بروتونات ( ‪ ،) Proton‬ونيوترونات ( ‪ ) Neutron‬ويدور حولها اإللكترونات ( ‪ ) Electron‬في مستويات‬ ‫طاقة مختلفة ويتساوى عدد اإللكترونات مع عدد البروتونات ‪.‬‬ ‫وجه املقارنة‬

‫اجلسيم‬ ‫الكتلة‬

‫اإللكترون (‪)e‬‬ ‫البروتون (‪)p‬‬ ‫النيوترون (‪)n‬‬

‫‪ 31- 10 ×9.11‬كجم‬ ‫‪ 27-10× 1.673‬كجم‬ ‫‪ 27-10×1.675‬كجم‬

‫الشحنة الكهربائية‬ ‫ ‪ 19- 10 ×1.602‬كولوم‬‫‪ 19- 10×1.602+‬كولوم‬ ‫متعادل كهربائي ًا (ال يحمل شحنة)‬

‫جدول ‪ 1-7‬يوضح اجلسيمات الثالثة األساسية التي تتكون منها ذرات العناصر‬ ‫ من اجلدول السابق نالحظ أن ‪ :‬الكتلة الذرية ألي عنصر تتركز في النواة ( ملاذا ؟ ) ‪،‬كما إن الذرة تكون‬‫متعادلة كهربائي ًا في الظروف االعتيادية ألن عدد الشحنات املوجبة ( البروتونات ) يساوي عدد الشحنات السالبة‬ ‫(االلكترونات) ‪.‬‬ ‫ يطلق على كل من البروتونان والنيوترونات مصطلح ( جسيم نووي ) ‪،Nucleon‬كما يطلق على عدد البروتونات‬‫‪160‬‬

‫في النواة مصطلح (( العدد الذري للعنصر )) ‪ Atomic Number‬أما عدد النيوكلونات في النواة فيطلق عليه‬ ‫مصطلح (( العدد الكتلي ))‪ ، Mass Number‬ومن ذلك يتضح أن ‪:‬‬ ‫العدد الكتلي (‪ = )A‬عدد النيوترونات في النواة (‪ + )N‬العدد الذري (‪)Z‬‬

‫ تستخدم الرموز الكيميائية للتعبير عن تركيب النواة ‪ ،‬واصطلح على أن كتابة ( العدد الذري ) أسفل الرمز جهة‬‫‪1‬‬ ‫اليسار ‪ ،‬و ( العدد الكتلي ) أعلى الرمز جهة اليسار أيضا [ مثال ‪:‬الرمز ( ‪ ) 1H‬يدل على نواة الهيدروجني املعتاد‬ ‫الذي عدده الذري ( ‪ ) 1‬وعدده الكتلي ( ‪ ،])1‬ويوضح اجلدول التالي رموز املكونات األساسية للعناصر ‪:‬‬ ‫الرمز‬

‫اجلسيم‬ ‫اإللكترون‬

‫‪e‬‬

‫البروتون‬

‫‪p‬‬

‫النيوترون‬

‫‪n‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪-1‬‬

‫جدول ‪2-7‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫ منذ اكتشاف مكونات الذرة اختار العلماء وحدة عياريه مناسبة لتقدير وقياس كتل ذرات العناصر أطلق عليها‬‫مصطلح (( وحدة الكتل الذرية ‪. ) Atomic Mass Unit)) ( a.m.u‬وقد اتفق العلماء على اعتبار كتلة ذرة‬ ‫‪12‬‬

‫الكربون ‪ C‬مساوية ( ‪ )12‬و‪.‬ك ‪ .‬ذ أي أن ‪:‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪12‬‬ ‫‪1‬‬ ‫وحدة الكتل الذرية تساوي ‪ 12‬من كتلة ذرة الكربــــون ‪ C‬ولكي نتعرف على ما تساويه وحدة الكتل الذرية‬ ‫‪6‬‬ ‫من وحدة الكتل العيارية أو الطاقة* فإنك تعلم ان الكتلة الذرية اجلرامية ألي عنصر حتتوي على عدد ثابت من الذرات‬ ‫هو ( عدد أفوجادرو =‪ 23- 10 ×6.02‬ذرة )‬ ‫‪12‬‬

‫كل ( ‪ )12‬جرام من الكربون ‪ C‬حتتوي على (‪ ) 23 10 ×6.02‬ذرة كربون ‪.‬‬ ‫‪6‬‬

‫‪12‬‬ ‫\ كتلة ذرة الكربون =‬ ‫‪10 ×6.02‬‬ ‫‪12‬‬ ‫‪1‬‬ ‫×‬ ‫‪26‬‬ ‫‪10 ×6.02‬‬ ‫\ و‪ .‬ك ‪ .‬ذ = ‪12‬‬

‫‪23‬‬

‫‪12‬‬ ‫جم =‬ ‫‪10 ×6.02‬‬ ‫= ‪ -27 10×1.666‬كجم تقريب ًا‬ ‫‪26‬‬

‫كجم‬

‫أي ان و‪ .‬ك ‪.‬ذ = ‪ 27- 10 ×1.666‬كجم تقريب ًا ‪.‬‬ ‫* تستخدم معادلة أينشتاين حلساب الطاقة‬ ‫‪161‬‬

‫النظـــائر ( ‪-: ) Isotopes‬‬

‫النظائر ‪ :‬هي ذرات العنصر الواحد التي تتساوى في العدد الذري ( ‪ ) Z‬وتختلف في العدد الكتلي ( ‪. )A‬أي‬ ‫انها تتساوى في عدد البروتونات وتختلف في عدد النيوترونات ‪ ،‬لها نفس اخلواص الكيميائية ولكن تختلف في‬ ‫اخلواص الفيزيائية ‪.‬فالهيدروجني له ثالث نظائر ‪ ،‬والكلور له نظيران وهكذا ‪.‬‬ ‫وقد أثبتت البحوث التي أجريت باستخدام مطياف الكتلة أنه يوجد في الطبيعة ما يقرب من ‪280‬نظيراً مختلف ًا ‪،‬‬ ‫مت تقدير كتلها ‪ ،‬وأن نظائر العنصر الواحد ال تتواجد في الطبيعة في أي عينة من العنصر بنسب متساوية ‪ ،‬فالكلور‬ ‫‪37‬‬

‫‪35‬‬

‫مثال يتواجد نظيراه ‪، Cl‬‬

‫‪Cl‬‬

‫‪17‬‬

‫‪17‬‬

‫على الترتيب بنسبة ( ‪ )1 : 3‬في أي عينة منه ‪.‬‬

‫وحلساب الكتلة الذرية ألي عنصر البد من األخذ في االعتبار نسبة وفرة النظير في العينة وبالتالي فان ‪:‬‬ ‫الكتلة الذرية لعنصر هي متوسط كتل نظائر العنصر بحسب نسب وجودها في الطبيعة أي ان ‪:‬‬ ‫مج ( كتلة النظير × نسبة وجوده في العينة )‬ ‫الكتلة الذرية للعنصر =‬ ‫مجموع النسب‬

‫(‪)1-7‬‬ ‫احلديد الطبيعي مؤلف من النظائر اآلتية املوجودة باجلدول التالي ‪:‬‬ ‫النظير‬

‫وفرته ‪%‬‬

‫كتلته الذرية ( و ‪ .‬ك ‪.‬ذ)‬

‫‪Fe - 54‬‬

‫‪5,82‬‬

‫‪53,9396‬‬

‫‪Fe - 56‬‬

‫‪91,66‬‬

‫‪55,9349‬‬

‫‪Fe -57‬‬

‫‪2,19‬‬ ‫‪0,33‬‬

‫‪56,9354‬‬ ‫‪57,9333‬‬

‫‪Fe - 58‬‬

‫احسب الكتلة الذرية للحديد الطبيعي ‪.‬‬

‫جدول ‪3-7‬‬

‫حلساب الكتلة الذرية (كذ) نستعمل العالقة التي تربط الكتلة الذرية بوفرة النظائر (و) وكتلتها ‪:‬‬ ‫الكتلة الذرية (كذ) =‬

‫و‪ 1‬كذ ‪ 1+‬و‪ 2‬كذ‪ + 2‬و‪3‬كذ‪...... + 3‬‬ ‫و ‪ + 1‬و‪ + 2‬و‪......+ 3‬‬

‫وبالتعويض في العالقة نحصل على كذ = ‪ 55.1473‬و‪ .‬ك‪ .‬ذ (تأكد من ذلك)‬ ‫‪162‬‬

‫ابحث عن استخدام النظائر المشعة في الصناعة والطب‪.‬‬

‫ ‬

‫‪p‬‬

‫شكل (‪ )1-7‬نظائر الهيدروجني‬

‫اكتب قيمة ‪ Z ، A‬؟‬

‫العالقة بني الكتلة والطاقة (االستقرار النووي) ‪:‬‬

‫حتتوي نواة الذرة على النيوترونات والبروتونات والسؤال الذي رمبا ورد إلى ذهنك أثناء دراستك للكهرباء الساكنة‬ ‫هو ‪ :‬ما الذي يجعل البروتونات املوجبة الشحنة داخل النواة (حيز صغير) ال تتنافر؟‬ ‫إن هذا السؤال يعد من األسئلة التي حيرت العلماء لفترة طويلة‪ ،‬ولوضع إجابة لهذا السؤال افترض العلماء‬ ‫وجود طاقة ربط نووية حتفظ البروتونات داخل النواة دون أن تتنافر‪.‬‬ ‫وبتعبير آخر هناك قوى نووية داخل النواة ‪ ،‬وقد أثبتت التجارب العديدة أن القوى النووية التي تعمل على‬ ‫متاسك النواة أكبر بحوالي أربعني مرة من القوى الكهربائية التي تعمل على تنافر البروتونات داخل النواة(حسب‬ ‫قانون كولوم) وذلك عندما تكون املسافة بني بروتونني ‪ 15-10‬متر تقريب ًا أو أقل‪ ،‬أي أن القوى النووية قصيرة املدى‬ ‫مبعنى أن فعلها يقتصر على مسافات قصيرة جداً ال تتعدي قطر النواة ‪ ،‬وإليها ُيعزى متاسك نواة الذرة‪.‬‬ ‫وميكننا أن نقارن بني القوي النووية والقوي الكهربائية على الشكل التالي‪:‬‬ ‫‪ .1‬إذا كانت املسافة بني بروتونني <‪ 15-10‬متر فإن قوي التماسك النووية أكبر بكثير من قوى التنافر الكهربائية‪.‬‬ ‫‪ .2‬إذا كانت املسافة بني بروتونني >‪ 15-10‬متر فإن قوي التماسك النووية تساوي صفراً ‪.‬‬ ‫ولعل هذا يفسر عدم وجود نواة ألي عنصر قطرها أكبر من ‪ 15-10‬متر حيث في حالة وجود مثل هذه النواة‬ ‫فإنها تنشطر كما في بعض العناصر الصناعية التي التلبث أن تتفكك في زمن قصير جداً‪ ،‬ومما جتدر اإلشارة إليه أن‬ ‫قوى التماسك داخل النواة التعتمد على ماهية اجلسيم داخل النواة بل حتدث بني بروتونني أو نيوترونني أو بروتون‬ ‫ونيوترون‪.‬‬

‫‪163‬‬

‫اآلن وبعد معرفتنا للطاقة النووية ( طاقة الربط النووي ) وطبيعة عملها يأتي السؤال املهم من أين تأتي هذه‬ ‫الطاقة؟‬ ‫لقد أتت إجابة هذا السؤال أيضا من خالل مطياف الكتلة حيث وجد العلماء أن كتلة نواة أي عنصر بطريقة‬ ‫حسابية هي دائم ًا أكبر من كتلة نواة العنصر باستخدام مطياف الكتلة‪ ،‬فقد استخدم مطياف الكتلة لقياس كتلة‬ ‫‪2‬‬ ‫الديترون* (‪ )H‬فوجد أنها ‪ 014102‬و‪ ( 2‬و‪ 0‬ك ‪ 0‬ذ)‬ ‫‪1‬‬

‫أمــــا كتـــلة نواة الديتــــرون بطريقــــة حسابيــــة ‪ ،‬فهـــي عبارة عن مجموع كتلتي البروتون والنيوترون تساوي‬ ‫‪( 2.016‬و ‪ .‬ك‪ .‬ذ)‪.‬‬ ‫‪2‬‬

‫وكما تالحظ فإن هناك فرق ًا بني كتلتي الديترون (‪ )H‬في احلالتني مقداره ‪( 0.0019‬و‪.‬ك‪.‬ذ)‬ ‫‪1‬‬

‫والسؤال أين ذهبت الكتلة (الفرق في الكتلة) وهل ميكن أن تهدر؟‬ ‫لقد أتى اجلواب عن هذا السؤال مع النظرية النسبية آلينشتاين التي تنص على أن الكتلة والطاقة هما شكالن‬ ‫ملفهوم واحد‪ ،‬وأن الكتلة ميكن أن تتحول إلى طاقة وكذلك الطاقة ميكن أن تتحول إلى كتلة‪0‬‬

‫مفتاح العالقة‬

‫الطاقة = ك × ع‬

‫مفتاح العالقة‬

‫وحتدد قيمة الطاقة الناجتة عن حتول الكتلة بالعالقة‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ض‬

‫وعلى ذلك تكون كمية الطاقة الناجتة عن‬

‫ع ض‪ :‬سرعة الضوء‬ ‫ك‪ : .‬الكتلة املتحولة إلى طاقة‬ ‫طاقة‬

‫حتول كتلة تساوي وحدة الكتل الذرية‬ ‫هي‪ :‬ط= ك × ع‬

‫ض‬

‫هيليوم‬

‫‪2‬‬

‫الطاقة = ‪10×1.6604×1‬‬ ‫م‪/‬ث= ‪ 10-10×1.494‬جول‬

‫‪27-‬‬

‫كجم ×(‪10×3‬‬

‫‪8‬‬

‫)‬

‫‪2‬‬

‫الطاقة = [‪×1.6÷ ]2)810×3(×27-10×1.6604‬‬ ‫‪ 610 ×931=19-10‬إلكترون فولت‬ ‫ ‬

‫ديوثيرم‬

‫نيوترون‬

‫شكل (‪ )2-7‬حتول الكتلة إلى طاقة‬

‫= ‪(931‬م‪ 0‬أ‪0‬ف ) أو (‪) mev‬‬ ‫‪ 1‬و‪0‬ك‪ 0‬ذ = ‪10×1.6604‬‬

‫‪27-‬‬

‫‪2‬‬

‫* الديترون ( ‪) 1H‬‬ ‫‪164‬‬

‫كجم = ‪( 931‬م ‪ 0‬أ ‪ 0‬ف) أو ‪) mev( 931‬‬

‫هو احد النظائر لذرة الهيدروجني‪.‬‬

‫تريثيوم‬

‫وسوف نستعمل وحدة ‪ Mega Electron Volt‬في حسابات الطاقة النووية وسنرمز لها باألحرف ( م‪0‬أ‪0‬ف ) أي أن‪:‬‬ ‫‪( 931‬م‪.‬أ‪.‬ف) (‪)mev‬‬

‫‪( 1‬و‪.‬ك‪.‬ذ)‬

‫بناء ً على ماسبق ميكننا في مثالنا السابق أن نقول إن الفرق بني كتلتي نواة الديترون (باستخدام مطياف الكتلة‪،‬‬ ‫وكتلة نواة الديترون حسابي ًا ) قد حتول وفق نظرية أينشتاين إلى طاقة ربط نووية (ط) عملت على ربط مكونات‬ ‫النواة‪ ،‬وميكن حساب مقدار طاقة الربط في أي نواة من العالقة التالية‪:‬‬ ‫طاقة الربط النووية = (كتلة مكونات النواة حسابي ًا ‪ -‬الكتلة الذرية املقاسة للنواة) × ‪931‬‬ ‫حيث‪:‬‬ ‫كتلة النواة حسابي ًا = (عدد البروتونات × كتلة البروتون) ‪ ( +‬عدد النيوترونات×كتلة النيوترون)‪.‬‬ ‫علم ًا أن املقصود بالكتلة الذرية للنواة‪ :‬الكتلة التي يقيسها مطياف الكتلة‪.‬‬

‫(‪)2-7‬‬ ‫‪238‬‬

‫احسب طاقة الربط لنواة نظير اليورانيوم ‪ U‬علم ًا أن الكتلة الذرية له ‪( 238.131‬و‪.‬ك‪.‬ذ) وكتلة‬ ‫‪92‬‬

‫البروتون الحر ‪ 1.3700‬و ‪.‬ك‪.‬ذ وكتلة النيوترون الحر ‪( 1.0087‬و‪.‬ك‪.‬ذ)‬ ‫الحل ‪:‬‬ ‫عدد البروتونات في نواة النظير هو ‪ 92 :‬بروتون‬ ‫عدد النيوترونات في نواة النظير هو ‪ 146 = 92 - 238 :‬نيوترون‬ ‫طاقة الربط النووية = (كتلة النواة حسابي ًا ‪ -‬الكتلة الذرية للنواة) × ‪931‬‬ ‫= { (‪931 × }238.131 - )1.0087 × 146 + 1.0073 × 92‬‬ ‫= ‪ 1685.8548 = 931 × 1.8108‬م‪.‬أ‪.‬ف‬ ‫‪165‬‬

‫طاقة الربط‬ ‫النووي‬

‫شكل (‪ )3-7‬يبني طاقة الربط النووي لذرة الهيليوم‬

‫بالرجوع إلى مصادر التعلم المتوفرة اكتب تقرير ًا مفص ً‬ ‫ال مدعم ًا بالصور عن ‪:‬‬ ‫‪ - 1‬طاقة الربط النووي‪.‬‬ ‫‪ -2‬جهاز مطياف الكتل‪.‬‬

‫(‪)3-7‬‬ ‫‪16‬‬

‫احسب طاقة الربط الكلية وكذلك معدل (متوسط) طاقة الربط لكل نيو كلون* في نواة األوكسجين ‪،O‬‬ ‫‪8‬‬ ‫معتبراً وبالتقريب الكتلة الذرية لألوكسجين ‪( 16‬و‪.‬ك‪.‬ذ)‬ ‫الحل ‪:‬‬ ‫عدد البروتونات في نواة األوكسجين = ‪ 8‬بروتون‬ ‫عدد النيوترونات في نواة األوكسجين = ‪ 8‬نيوترون‬ ‫إذاً ‪ :‬طاقة الربط النووية = (كتلة النواة حسابي ًا ‪ -‬الكتلة الذرية للنواة) × ‪931‬‬ ‫= [ (‪ 119.168 = 931× ]16 - )1.0087 × 8 + 1.0073 × 8‬م‪.‬أ‪.‬ف‬ ‫متوسطة طاقة الربط لكل نيوكلون = طاقة الربط الكلية للنواة ÷ عدد الكتلة للنواة‬ ‫= ‪ 7.448 = 16 ÷ 119.168‬م‪.‬أ‪.‬ف‬ ‫*يقصد بطاقة الربط لكل نيوكليون‪ :‬طاقة الربط الكلية على عدد النيوكليونات‪.‬‬ ‫‪166‬‬

‫اإلشعاعات النووية‬

‫تعتبر نظرية أينشتاين أن الكتلة ميكن أن تتحول إلى طاقة والعكس‪ ،‬فما هي التحوالت‬ ‫التي ميكن أن حتدث للنواة وما هي الظروف التي جتعل مثل هذه التحوالت تتم؟‬ ‫تتعرض النواة إلى عدد من التحوالت الطبيعية مثل‪:‬‬ ‫شكل (‪)4-7‬‬

‫‪ -1‬حتلل ألفا (إشعاع ألفا) وينتج عنه جسيمات ألفا ( ‪)α‬‬ ‫‪ -2‬حتول نيوترون إلى بروتون وينتج عنه (إشعاع بيتا السالب) (‪)β-‬‬ ‫‪ -3‬حتول بروتون إلى نيوترون وينتج عنه (إشعاع بيتا املوجب) (‪)β+‬‬ ‫‪ -4‬التقاط النواة لإللكترون القريب منها ونتج عنه (إشعاع سيني)‬ ‫‪ -5‬إصدار النواة املثارة ألشعة جاما( ‪) γ‬‬

‫و الشك أنك تسأل متى يحدث أي من هذه التحوالت أو التغيرات داخل النواة؟ فإليك نبذة مختصرة عن كل‬ ‫منها‪:‬‬ ‫‪4‬‬

‫أوالً‪ :‬إشعاع ألفا ‪( 2He++) α‬‬ ‫إشعاع ألفا(‪ )µ‬وهو إشعاع استطاع رذرفورد أن يحرفه عن مساره باستخدام مجال مغناطيسي ‪ ،‬وهو عبارة‬ ‫عن تيار من جسيمات موجبة الشحنة ( أثقل من اإللكترون بحوالي ‪ 7000‬مرة تقريباً) وتبني من التجارب أن‬ ‫قدرة إشعاع ألفا على االختراق ( النفاذ) من خالل املواد ضعيفة‪ ،‬فمثال ميكن إيقاف إشعاع ألفا وامتصاصه بسهولة‬ ‫باستخدام صفيحة رقيقة من األملنيوم ال تزيد سماكتها على ‪ 0.05‬ملم‪ 0‬كما تبني أن إشعاع ألفا يؤين ذرات الهواء‬ ‫عند مروره فيه‪0‬‬ ‫‪4‬‬

‫ومتكن رذرفورد وتالميذه أن يثبتوا أن إشعاع ألفا عبارة عن أيونات غاز الهليوم ( ‪ ) He++‬أي أنه يحتوي‬ ‫‪2‬‬ ‫على بروتونني ونيوترونني ‪.‬‬ ‫وقد لوحظ انبعاث جسيمات ألفا غالبا من النويات ذات العدد الكتلي الكبير ‪ 0‬كما يحدث لنواة اليورانيوم‬ ‫‪ 238‬وكذلك نواة الراديوم‪0‬‬ ‫ما مقدار التغير الذي يحدث لكل من عدد الكتلة والعدد الذري بالنسبة لنواة تشع جسيم ألفا؟‬ ‫ماذا يحدث لجسيمات ألفا ( ‪ )α‬عند دخولها المجال الكهربائي أو المغناطيسي؟‬

‫‪167‬‬

‫‪0‬‬ ‫‬‫) ‪e(β‬‬

‫ثانياً‪ :‬إشعاع بيتا‬

‫‬‫إشعاع بيتا وتسمى أحيان ًا جسيمات بيتا السالبة( ‪)β‬‬ ‫‪1‬‬

‫وهي عبارة عن شحنات سالبة(إلكترونات) وقدرة نفاذ جسيمات بيتا أكبر (‪100‬مرة ) من قدرة نفاذ‬ ‫جسيمات ألفا حيث يلزم صفيحة من األملنيوم سماكتها ‪ 5‬ملم إليقاف معظم إشعاع جسيمات بيتا‪ ،‬ملاذا؟ وقد‬ ‫‬‫لوحظ أن النويات غير املستقرة تكون باعثة جلسيمات بيتا( ‪ )β‬نظراً ألن نسبة النيوترونات إلى البروتونات كبيرة‬ ‫‬‫حيث يتحول نيوترون إلى بروتون وإلكترون ( اإللكترون ميثل جسيم ( ‪ )β‬الصادر من النواة)ويؤدي هذا التحول‬ ‫إلى زيادة عدد البروتونات( العدد الذري) مبقدار واحد وثبات عدد الكتلة وهذا يعـني أن إشــــعاع النـــواة جلســيم‬ ‫‬‫بيتا( ‪ )β‬يجعلها تتحول من عنصر إلى عنصر آخر‪ ،‬ومن ذلك ما يحدث لنواة الثوريوم ‪ 234‬حيث يتحول إلى‬ ‫عنصر البروتاكتينيوم نتيجة حتول نيوترون إلى بروتون حسب املعادلة النووية التالية‪:‬‬ ‫‪234‬‬

‫‪234‬‬

‫‪91‬‬

‫‪-1‬‬

‫‪pa‬‬ ‫‪234‬‬

‫‪e +‬‬

‫‪234‬‬

‫‪Th‬‬ ‫‪90‬‬

‫أو ما يحدث للبروتاكتينوم ( ‪ ) pa‬حيث يتحول إلى نظير اليورانيوم‬ ‫‪91‬‬

‫‪234‬‬

‫‪0‬‬

‫‪234‬‬

‫‪92‬‬

‫‪-1‬‬

‫‪91‬‬

‫‪U‬‬

‫ثالثاً‪ :‬إشعاع بيتا‬

‫‪e +‬‬

‫‪Pa‬‬

‫‪0‬‬

‫)‪e ( β+‬‬

‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫إشعاع بيتا ( ‪ ) β‬ويسمى أحيان ًا جسيمات بيتا املوجبة ( ‪ ) β‬وهي عبارة عن شحنات موجبة‬ ‫‬‫(بوزترونات)‪ 0‬حيث البوزترون جسيم له كتلة اإللكترون وشحنة البروتون ‪ ،‬وما ذكر عن جسيمات ( ‪) β‬‬ ‫‬‫‪+‬‬ ‫ينطبق على جسيمات ( ‪ ) β‬اال في تأثرها باملجالني الكهربائي واملغناطيسي حيث تنحرف جسيمات ( ‪) β‬‬ ‫‪+‬‬ ‫في اجتاه مضاد الجتاه انحراف جسيمات ( ‪. ) β‬‬ ‫جسيم‬

‫‪+1‬‬

‫‪-‬‬

‫‪β-‬‬

‫‪0‬‬

‫‪e‬‬

‫‪-1‬‬

‫‪+‬‬

‫‪143‬‬ ‫‪+‬‬

‫‪pa‬‬

‫‪91‬‬ ‫‪234‬‬ ‫‪91‬‬

‫‪144‬‬ ‫‪+‬‬

‫‪90‬‬

‫شكل (‪)5-7‬‬

‫‪234‬‬ ‫‪90‬‬

‫‪+‬‬ ‫وقد لوحظ أن النويات التي تكون باعثة جلسيمات ( ‪ ) β‬هي تلك التي يكون فيها عدد البروتونات كبيراً‬ ‫بالنسبة لعدد النيوترونات مما يجعلها غير مستقرة فيؤدي ذلك إلى حتول بروتون أو أكثر إلى نيوترون* مما يجعل عدد‬ ‫‪168‬‬

‫البروتونات يقل ( العدد الذري) مع بقاء عدد الكتلة ثابت ًا ‪ ،‬وهذا يعني أن العنصــــر الذي يشع جســـــيمات بيتا‬ ‫‪+‬‬ ‫‪+‬‬ ‫( ‪ ) β‬يتحول إلى عنصر آخر‪ ،‬ويصاحب حتول البروتون إلى نيوترون إشعاع النواة جلسيم ( ‪ ) β‬وهو عبارة‬ ‫‪14‬‬ ‫عن جسيم يحمل شحنة البروتون الذي حتول إلى نيوترون‪ ،‬ومن أمثلة ذلك ما يحدث لنواة النيتروجني( ‪ ) N‬وفق‬ ‫‪7‬‬ ‫املعادلة التالية‪:‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪14‬‬

‫‪1‬‬

‫‪6‬‬

‫‪14‬‬

‫‪C + e‬‬

‫‪N‬‬ ‫‪7‬‬

‫وجدير بالذكر أن األنوية التي يكون فيها عدد البروتونات كبيراً بالنسبة إلى عدد النيوترونات هي عناصر قليلة‬ ‫جداً‪0‬‬ ‫بماذا تعلل كون انحراف جس��يمات ألفا(‪ )µ‬بواس��طة المجال الكهربائي أو المغناطيسي‬ ‫أصغر من انحراف جسيمات بيتا(‪ )µ‬؟‬ ‫‪γ‬‬ ‫‪µ+‬‬

‫‪β-‬‬

‫شكل (‪ )6-7‬تأثير املجال‬ ‫املغناطيسي على اإلشعاعات النووية‬ ‫‪12‬‬

‫‪13‬‬

‫‪11‬‬

‫‪11‬‬

‫‪ C‬غير مس����تقر ألن ع����دد البروتونات كبير‬ ‫ل����ذرة الكرب����ون ‪ C‬نظي����ران هما ‪ ، 6C ، 6C‬النظير‬ ‫‪6‬‬ ‫‪6‬‬ ‫بالنسبة لعدد النيوترونات وفي هذه الحال االحتمال األكبر أن يتحول بروتون إلى نيوترون لكي‬ ‫‪11‬‬ ‫يحدث استقرار للنواة ‪ ،‬أما النظير ‪ C‬فهو غير مستقر ألن عدد النيوترونات كبير بالنسبة لعدد‬ ‫‪6‬‬ ‫البروتونات واالحتمال األكبر أن يتحول نيوترون إلى بروتون لكي يحدث استقرار للنواة‪.‬‬

‫‪169‬‬

‫رابعاً‪ :‬االلتقاط اإللكتروني ( األسر اإللكتروني )‬

‫االلتقاط اإللكتروني هو أن تقوم النواة بأسر ( التقاط ) إلكترون من مجال داخلي للذرة ويرافق هذه العملية‬ ‫انتقال إلكترون من مستوي الطاقة اخلارجي إلى مستوي الطاقة الداخلي للذرة ‪ ،‬وهو املستوي الذي أسرت منه النواة‬ ‫إلكترون ويؤدي هذا إلى تخلص اإللكترون من طاقة تساوي الفرق بني طاقتي املستويني الذين انتقل بينهما ‪ ،‬وغالب ًا ما‬ ‫تكون كبيرة ( ألن اإللكترون انتقل من مستوي خارجي إلى مستوى داخلي ) وتنبعث هذه الطاقة على هيئة إشعاع‬ ‫‪e +1p‬‬ ‫سيني‪0‬أما اإللكترون الذي التقتطة النواة فإنه يتحد مع بروتون فيتحول إلى نيوترون ‪n‬‬ ‫‪-1‬‬ ‫‪0‬‬ ‫أي أن العدد الذري للنواة ينقص مبقدار واحد بينما يظل عدد الكتلة ثابت ًا ‪ ،‬وهذا يعني أن نواة العنصر التي يحدث‬ ‫‪40‬‬ ‫لها أسر إلكتروني تتحول إلى نواة عنصر آخر كما يحدث لنواة البوتاسيوم ( ‪) K‬‬ ‫‪19‬‬

‫‪40‬‬

‫‪0‬‬

‫‪40‬‬

‫‪18‬‬

‫‪-1‬‬

‫‪19‬‬

‫‪K + e‬‬

‫)‪Ar + (x‬‬ ‫حيث ( ‪ ) x‬تعني األشعة السينية ‪.‬‬

‫خامس ًا ‪ :‬أشعة جاما( ‪) γ‬‬

‫إشعاع جاما( ‪)γ‬عبارة عن أمواج كهرومغناطيسية ( ال تتأثر باملجالني الكهربائي واملغناطيسي وتسير بسرعة‬ ‫الضوء) طاقتها عالية جداً ‪ ،‬مما يجعل لها قدرة نفاذ أكبر بكثير من قدرة نفاذ كلم من جسيمات ألفا وجسيمات‬ ‫بيتا‪ ،‬ولذلك فهي تشكل خطرا على أنسجة املخلوقات احلية‪ ،‬إذ يستطيع إشعاع جاما اختراق جدار من اخلرسانة‬ ‫سمكه ‪ 10‬سم ‪ .‬وقدرة أشعة جاما على تأيني الذرات التي تنفذ منها ضعيفة جداً* ‪ ،‬و تصدر أشعة جاما( ‪) γ‬من‬ ‫األنوية املثارة دون حدوث أي تغير في عدد البروتونات أو النيوترونات وكمثال على ذلك نواة التكتينيوم املثارة‪:‬‬ ‫‪99‬‬

‫‪Tc + γ‬‬

‫‪43‬‬

‫‪99‬‬

‫*‪Tc‬‬ ‫‪43‬‬

‫كما أن أذن اإلنس����ان ال تس����مع إال مدى محدداً من الترددات وال يمكن أن تسمع‬ ‫الت����رددات األعل����ى أو األقل من هذا المدى وكذلك عين اإلنس����ان ترى مدى معين ًا من‬ ‫الموج����ات الكهرومغناطيس����ية وال يمكن أن ترى الترددات خارج ه����ذا المدى كذلك الذرات‬ ‫يوج����د مدى محدد من الت����رددات قادر على تأيينها وال يمكن لت����رددات أعلى أو أقل من هذه‬ ‫الترددات أن تؤينها ومن الترددات العالية التي ال تؤين الذرات أشعة جاما‪.‬‬

‫‪170‬‬

‫ويرمز عادة للنواة املثارة بالرمز (* ‪ )Tc‬وهو يعني أن النواة في حالة خاصة من الطاقة ‪.‬‬

‫اكتشاف النيوترون ‪:‬‬

‫إن اكتشاف النيوترون غ ّير مفاهيم العلماء حول تركيب النواة‪ ،‬حيث كان يعتقد أن نواة الذرة حتتوي على‬ ‫عدد‬

‫من البروتونات كتلتها تساوي الكتلة الذرية للعنصر ‪ ،‬وعدد كاف من اإللكترونات حتيط بها وتعادل شحنتها‬ ‫شحنة البروتونات‪ ،‬إال إن مطياف الكتلة وضع أكثر من عالمة استفهام حول ذلك االعتقاد‪ ،‬حيث الحظ العلماء‬ ‫أن مقدار الكتلة الذي يسجله مطياف الكتلة ألنويه العناصر يصل إلى ضعف كتلة هذه األنوية (أو أكثر) التي‬ ‫نحصل عليها بطريقة حسابية (على أساس أن كتلة مكونات النواة حسابي ًا = كتلة البروتون الواحد× العدد الذري‬ ‫للعنصر) ولثقتهم بدقة حساباتهم وكذلك بدقة مطياف الكتلة فقد افترض العلماء وجود جسيمات متعادلة‬ ‫داخل النواة ‪ ،‬باإلضافة إلى البروتونات‪ 0‬ومتكن بعد ذلك شادويك من إثبات وجودها عملياً‪ 0‬وقد أجرى جتربته‬ ‫عام (‪1932‬م) واكتشف من خاللها النيوترون ومنح على ذلك جائزة نوبل للفيزياء ‪.‬‬ ‫وتتلخص جتربة شادويك أنه قام بقذف هدف من البيريليوم (‪ )Be‬بجسيمات ألفا (‪ )µ‬ونتج عن ذلك‬ ‫جسيمات لها قدرة نفاذ عالية ‪ ،‬إذا سلكت هذه اجلسيمات بحيث تسقط على لوح من البرافني فإنها تتسبب في‬ ‫جعله يطلق بروتونات بسرعة عالية‪ ،‬واستطاع شادويك أن يثبت أن اجلسيمات املنطلقة عن البيريليوم هي عبارة‬ ‫عن جسيمات غير مشحونة ( ال تتأثر باملجال الكهربائي أو املغناطيسي)‪ ،‬كتلتها تساوي كتلة البروتون تقريبا‬ ‫وسماها ( النيوترونات)‪0‬‬ ‫وجدير بالذكر أن استخدام لوح البرافني ( مادة شمعية) في جتربة شادويك كان لتبطئة سرعة النيوترونات‬ ‫املتحررة‪ ،‬حيث يتم تصادم النيوترون بذرة الهيدروجني (بروتون ) املساوية له في الكتلة فيسكن النيوترون ويتحرر‬ ‫البروتون ( تصادم مرن بني جسمني متساويني في الكتلة أحدهما ساكن)‪0‬‬

‫قوانني النشاط اإلشعاعي‪:‬‬

‫تع ّرف النشاطية اإلشعاعية أو ( سرعة االنحالل اإلشعاعي) للعنصر املشع بأنها‪:‬‬

‫عدد النوى املنحلة من هذا العنصر في الثانية الواحدة‪.‬‬

‫وهي تتناسب طردي ًا مع عدد ذرات (أنويه) هذا العنصر (ن) ‪ ،‬أي أنها تتغير مع الزمن‪.‬‬

‫‪171‬‬

‫أي أن‪ :‬النشاطية اإلشعاعية ‪ α‬ن ∴النشاطية اإلشعاعية = ثابت× ن‬

‫إذا ‪ ∆ - :‬ن = ل × ن‬ ‫∆ز‬

‫(اإلشارة السالبة تعني أن عدد النوبات يتناقص مع الزمن)‪ ∆ .‬ن تعني التغير في عدد الذرات (األنوية)‬ ‫∆ز‬ ‫بالنسبة للزمن الذي حدث فيه التغير (حتلل‪/‬ثانية) ‪ ،‬وهو ما يسمي بالنشاطية اإلشعاعية‪ ،‬وتقاس بوحدة (انحــالل‬ ‫‪/‬ثانية) وهنـــاك وحدة أخرى هي (كوري) حيث ‪1 :‬كــوري = ‪ 10 10 ×3,7‬انحالل‪/‬ثانية‪.‬‬

‫ن = ن‪ ×.‬و‬

‫‪-‬ل × ز‬

‫أو‬

‫مفتاح العالقة‬

‫ك=ك‪ × .‬و‬

‫‪-‬ل × ز‬

‫مفتاح العالقة‬

‫وبإجراء عملية التكامل لطرفي العالقة السابقة نحصل على عالقة ميكن من خاللها معرفة عدد نويات العنصر أو‬ ‫(كتلة العنصر) املتبقية بعد مضي زمن قدره(ز) وهذه العالقة هي‪:‬‬ ‫ل ‪ :‬ثابت يسمى ثابت االنحالل للعنصر وهو‬ ‫يختلف من عنصر آلخر‬ ‫ن‪ :0‬عدد النويات األصلية‬ ‫ن‪ :‬عدد ذرات (نوبات) العنصر املشع‬ ‫ك‪ :0‬الكتلة األصلية‬ ‫ك‪ :‬الكتلة املتبقية بعد زمن ز‬ ‫ز ‪ :‬الزمن الذي مر على العنصر ويقاس بـ ثانية أو‬ ‫دقيقة و ساعة أويوم أو سنة‪.‬‬

‫مالحظة‪:‬‬ ‫‪( l‬و) في القانون السابق تعني الدالة الرياضية األسية (‪)e‬‬ ‫اخلط املستقيم املنقط يسمى خط االستقرار حيث ‪N= P‬‬ ‫وكلما زاد الفرق بينهما قل استقرار النواة‬

‫شكل (‪)7-7‬‬

‫عمر النصف ( ز½ ) ‪:‬‬

‫ومعكوسها الدالة ‪e‬لو أو (‪ .)ln‬حيث ‪e = 2.7‬‬

‫‪ 1 l‬كيوري = ‪ 10 x 3.7‬بيكرل (تحلل في الثانية)‬ ‫‪10‬‬

‫هو الزمن الالزم حتى ينحل نصف نويات عنصر مشع ‪ .‬أي أن‬ ‫‪ ،،‬وهكذا‬ ‫عند ز = ز‬ ‫‪ 1‬ك‪.‬‬ ‫عند ز=‪0‬‬ ‫ك‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ويستخدم عمر النصف للمقارنة بني سرعة االنحالل (النشاطية اإلشعاعية) للعناصر شكل (‪ .)8-7‬وميكن‬

‫‪172‬‬

‫استنتاج العالقة الالزمة حلساب عمر النصف من العالقة السابقة كما يلي‪:‬‬ ‫ ‬

‫ن = ن‪ × 0‬و‬

‫‪-‬ل×ز‬

‫وعندما ‪ :‬ز = ز فإن ن = ‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫جند ‬ ‫بالتعويض عن ن ‪ ،‬ز‬ ‫لو‪2e‬‬

‫ز =‬ ‫ل‬ ‫حيث لو‪0.693 =2e‬‬

‫ز =‬

‫ن‪0‬‬

‫‪0.693‬‬ ‫ل‬

‫شكل (‪)7-8‬‬

‫ما العالقة بني وحدتي ل ‪ ،‬ز‬

‫(‪)3-7‬‬ ‫‪90‬‬

‫احسب النشاطية اإلشعاعية (سرعة االنحالل) لعينة كتلتها ‪ 1‬جرام من نظير السترنشيوم ‪Sr‬‬ ‫الذي عمر النصف له ‪ 28‬سنة‬

‫‪38‬‬

‫احلل‪ :‬‬ ‫=‬

‫مبا أن ل =‬

‫‪0.693‬‬

‫ز‬ ‫‪0.693‬‬

‫‪3600 × 24 × 25.365 × 28‬‬

‫= ‪ 1- 10 × 7.84‬ثانية‬

‫‪1-‬‬

‫عدد ذرات العنصر = عدد املوالت × عدد أبو جادرو‬ ‫‪1‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪23‬‬ ‫× ‪ 10 × 6.69 = 10 × 6.025‬ذرة (نواة)‬ ‫=‬ ‫‪90‬‬ ‫إذا ‪ :‬النشاطية اإلشعاعية = ل × ن =‪ 10 10 × 5.2 = 2110 × 6.69 × 10-10 × 7.84‬انحالل‪/‬ثانية‬ ‫= ‪ 141.8‬كيوري‬ ‫‪173‬‬

‫تمرين‬

‫‪1-7‬‬

‫‪83‬‬

‫(‪ ) 26 Bi‬مقدارها واحد جرام وبعد مضي زمن قدره عشرة أيام وجد أن الكمية الباقية ‪0.25‬‬ ‫جرام‪ .‬احسب‪:‬‬ ‫‪ -1‬ثابت االنحالل لهذا النظير‪.‬‬ ‫‪ -2‬الكمية الباقية بعد يوم واحد من بداية االنحالل‪.‬‬ ‫‪ -3‬عمر النصف لهذا العنصر‪.‬‬ ‫اإلشعاعات النووية هي جزء من التفاعالت النووية ‪ ،‬فاإلشعاعات النووية هي نتيجة لعدم استقرار النواة ‪ ،‬واستقرار‬ ‫النواة ليس أمراً مطلق ًا ‪ ،‬فهناك نواة مستقرة قد تتحول إلى نواة غير مستقرة نتيجة المتصاصها طاقة أو ارتطامها‬ ‫بجسيم‪ ،‬فتتفكك النواة لتعطي إشعاعات كهرومغناطيسية أو جسيميه إال أن هناك نوعني رئيسني من التفاعالت‬ ‫النووية وهما ‪:‬‬ ‫‪ -1‬االنشطار‪ :‬تنشطر النوى الثقيلة جد ًا عند قذفها بجسيم مثل النيوترون‬ ‫لتعطي نوى متوسطة أكثر ثبات ًا وتسمي العملية باالنشطار النووي‪.‬‬ ‫‪ -2‬االندماج (االلتحام)‪ :‬تندمج نوى خفيفة لتولد نواة أثقل‪.‬‬ ‫وهذه نبذة تفصيلية عن كل منهما‪:‬‬

‫االنشطار النووي ‪:‬‬ ‫تعتبر مصادر الطاقة النووية أحد اخليارات املهمة املطروحة أمام العالم اليوم وذلك بسبب كمية الطاقة الهائلة التي‬ ‫ميكن أن نحصل عليها من الوقود النووي القليل الذي يستهلك ‪ ،‬إال أن اخلطر الذي يرافق إنتاج مثل هذه الطاقة‬ ‫وإجراءات السالمة التي ال تستطيع كثير من الدول توفيرها ق ّلال من انتشار استخدام مثل هذه الطاقة‪ .‬ولعلك‬ ‫سمعت أو قرأت عن التسرب النووي الذي حدث من املفاعل النووي(تشير نوبل) كما في الصورة في روسيا عام‬ ‫‪1406‬هـ والذي خلف تلوث ًا للبيئة باإلشعاعات النووية ونتج عن ذلك إصابة الكثير من السكان بأمراض مختلفة‪.‬‬ ‫والتفاعل النووي الذي يحدث في مثل هذه احلالة هو االنشطار النووي حيث تُقذف ذرات العنصر املستخدم كوقود‬ ‫‪235‬‬ ‫نووي مثل نظير اليورانيوم ‪ 92U‬بقذائف من النيوترونات فتنشطر النواة إلى نواتني أو أكثر ويرافق هذا االنشطار‬ ‫انبعاث قدر كبير من الطاقة وعدد من النيوترونات احلرة‪0‬‬ ‫وهذه النيوترونات التي حتررت تصطدم بذرات أخرى من ذرات الوقود النووي فتنشطر هي األخرى فيستمر التفاعل‬ ‫(االنشطار) وبشكل متزايد ‪ ،‬ولهذا يسمى مثل هذا التفاعل بالتفاعل املتسلسل شكل (‪ )9-7‬وعملية التسلسل‬ ‫‪174‬‬

‫اكتب املعادلة النووية لهذا االنشطار‬ ‫شكل (‪ )9-7‬االنشطار النووي‬

‫في التفاعل جتعل مقدار الطاقة الناجتة عن التفاعل تصل حلد هائل ال ميكن السيطرة عليه مما يؤدي إلى انفجار املفاعل‬ ‫النووي وهذا مايحدث في القنبلة النووية‪ ،‬أما في املفاعالت النووية املستخدمة لتوليد الكهرباء أو حتريك السفن‬ ‫الضخمة أو غيرها فإنه البد أن يحتوي املفاعل النووي على وسائل للسيطرة على سرعة التفاعل‪ ،‬وذلك جلعل االنشطار‬ ‫يحدث مبعدل ثابت عندما يصل مقدار الطاقة إلى حد معني‪ ،‬والوسيلة املستخدمة في الغالب هي امتصاص جزء من‬ ‫النيوترونات الناجتة من االنشطار ومنعها من االصطدام بذرات اليورانيوم وبهذا جنعل عملية االنشطار تتم بشكل منتظم‬ ‫وليست متزايدة‪ ،‬ومن أجل امتصاص النيوترونات تستخدم عدة طرق من أهمها وضع قضبان ماصة للنيوترونات من‬ ‫مواد مناسبة مثل الكادميوم وهذه القضبان تتحرك تلقيائي ًا إلى داخل املفاعل النووي مبجرد وصول درجة احلرارة داخله‬ ‫إلى حد معني وتقوم بامتصاص كمية من النيوترونات مما يؤدي إلى توقف منو التفاعل‪.‬‬ ‫يعد الوقود النووي أغنى أنواع الوقود بالطاقة‪ ،‬فالطاقة احلرارية املتولدة عن انشطار‬ ‫جرام واحد من الوقود االنشطاري أو القابل لالنشطار تبلغ ‪ 82‬ألف مليون جول‪ ،‬وهذا يكافئ كمية‬ ‫الطاقة املتولدة عن ‪ 2.77‬طن من الفحم احلجري اجليد‪ ،‬كما تعادل الطاقة املتولدة عن عشرين طن‬ ‫من مادة (تي إن تي) شديدة االنفجار‪ .‬ينبغي اإلشارة إلى أن كفاءة حتويل تلك الطاقة احلرارية إلى‬ ‫طاقة كهربائية ‪ -‬تبلغ ‪ ،٪33‬بالنسبة لغالبية املفاعالت النووية املستخدمة لتوليد الطاقة الكهربائية‪،‬‬ ‫وقد تصل إلى حوالي ‪ ٪40‬في قليل من هذا املفاعالت‪.‬‬ ‫يتضح من ذلك أن جرام واحد من املواد االنشطارية أو القابلة لالنشطار يولد طاقة كهربائية مقدارها‬ ‫‪ 27‬ألف مليون جول‪ .‬والتي تكفي لتشغيل مصباح كهربائي قدرته ‪ 60‬واط فترة تزيد على ‪ 14‬سنة‬ ‫املصدر‪ :‬مجلة العلوم والتقنية‪ ،‬العدد ‪ ،79‬رجب ‪1427‬هـ‪.‬‬ ‫بشكل متواصل (أي لي ًال ونهاراً)‪ .‬‬ ‫‪175‬‬

‫وجدير بالذكر أن الطاقة الناجتة ميكن حسابها مبقارنة طاقة الربط النووية‬ ‫للنواة قبل انشطارها ومجموع طاقة الربط النووية للنواتني الناجتتني‪ ،‬حيث‬ ‫نالحظ أن هناك فرق ًا بني الطاقتني هو الطاقة التي نحصل عليها من عملية‬ ‫االنشطار‪ ،‬أو مبعنى آخر إن الطاقة لكل نيوكلون في النواة الثقيلة هي أكبر‬ ‫كثيراً من الطاقة لكل نيوكلون في النواة اخلفيفة‪0‬‬

‫االندماج (االنصهار) النووي ‪:‬‬

‫االندماج النووي عملية معاكسة لالنشطار النووي متاماً‪ ،‬حيث أنه في‬ ‫عملية االندماج النووي تتحد نواتان خفيفتان لتك ِّونا نواة جديدة‪ 0‬إال‬ ‫أن عملية االندماج ليست ممكنة في جميع العناصر ‪ ،‬حيث حتدث في‬ ‫العناصر التي يكون فيها مجموع طاقة الربط للنواتني قبل االندماج أكبر‬ ‫من طاقة الربط للنواة الناجتة من االندماج فيتم بذلك االستفادة من الفرق‬ ‫في الطاقة‪0‬‬ ‫ويعتبر االندماج النووي أقل خطراً من االنشطار النووي بسبب عدم‬ ‫وجود اإلشعاعات النووية في هذا التفاعل ‪ ،‬إال أن إرادة اهلل جعلت االندماج‬ ‫النووي أكثر صعوبة حيث تعمل الشحنة التي حتملها كل نواة على منع‬ ‫االندماج عكس ما يحدث في عملية االنشطار‪0‬‬ ‫ومن أجل حدوث االندماج النووي البد من توفر طاقة كبيرة من أجل‬ ‫التغلب على قوة التنافر الكهربائية بني النواتني وتقريبهما من بعضهما ليتاح‬ ‫لقوى الترابط النووية أن تعمل‪ ،‬وهذه الطاقة الالزمة لبدء التفاعل الميكن‬ ‫احلصول عليها بطريقة تقليدية حيث يلزم أن تتم حتت ضغط عال ودرجة‬ ‫حرارة في حدود ‪ 710‬درجة مئوية‪ ،‬ولذلك يستعان بالتفاعل االنشطاري‬ ‫لكي يحدث التفاعل االندماجي كما في القنبلة الهيدروجينية‪ ،‬حيث‬ ‫يوضع بها قنبلة صغيرة انشطارية تكفي الطاقة الناجتة عن اندماج نواتني‬ ‫هي أكبر كثيراً من الطاقة الالزمة إلحداث هذا االندماج‪.‬‬

‫شكل (‪)10-7‬‬

‫وحتى الوقت احلاضر ال توجد استفادة من التفاعل االندماجي لألغراض السلمية للسبب الذي ذكرناه سابقا‪ ،‬إال أن‬ ‫األبحاث جتري بشكل جاد في إيجاد السبل املناسبة إلنتاج الطاقة والتحكم بها بواسطة التفاعل االندماجي‪ 0‬ولعلك‬ ‫قد قرأت سابق ًا أن مثل هذا النوع من التفاعل هو الذي ميد سطح األرض مبا حتتاج إليه من الطاقة حيث يحدث مثل‬ ‫‪2‬‬ ‫هذا التفاعل على سطح الشمس بني ذرات نظير الهيدروجني ‪1H‬‬

‫‪176‬‬

‫(الديتيريوم) ‪ 0‬على الشكل التالي‪:‬‬

‫ ‬

‫* طاقة ‪+‬‬

‫‪2‬‬ ‫‪1H‬‬

‫‪4‬‬ ‫‪2 He‬‬

‫‪+‬‬

‫‪2‬‬ ‫‪1H‬‬

‫حساب طاقة التفاعل النووي‬

‫سواء كان التفاعل من النوع االنشطاري أو النوع االندماجي فإننا نستطيع حساب الطاقة الناجتة عن التفاعل مبقارنة‬ ‫الكتلة الذرية للمواد الداخلة بالكتلة الذرية للمواد الناجتة من التفاعل‪ ،‬حيث يالحظ دائم ًا أن هناك كتلة مفقودة هي‬ ‫التي حتولت إلى طاقة ‪ ،‬وبشكل عام ميكن استخدام القانون التالي حلساب الطاقة الناجتة عن التفاعل النووي‪:‬‬ ‫الطاقة الناجتة عن التفاعل النووي=[الكتلة الذرية للمواد الداخلة في التفاعل – الكتلة الذرية للمواد الناجتة من‬ ‫*‬ ‫التفاعل] × ‪931‬‬

‫تمرين‬

‫‪2-7‬‬

‫احسب الطاقة املتحررة من االندماج التالي‪:‬‬ ‫طاقة ‪+‬‬

‫‪4‬‬ ‫‪He‬‬ ‫‪2‬‬

‫‪2‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪1‬‬

‫‪+‬‬

‫‪2‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪1‬‬

‫علم ًا أن الكتلة الذرية لـ ‪ H = 2.0141‬و‪.‬ك‪.‬ذ‬ ‫وكذلك ‪ He = 4.0026‬و‪.‬ك‪.‬ذ‬

‫املفاعل النووي ‪: Reactor‬‬

‫هو اآللة التي يتم بداخلها التفاعل النووي شكل (‪11-7‬أ)‬ ‫وحتدث داخل املفاعل النووي العمليات التالية‪:‬‬ ‫‪ -1‬عملية االنشطار النووي‪.‬‬

‫شكل (‪ 11-7‬أ)‬

‫‪ -2‬عملية تهدئة النيوترونات الناجتة عن االنشطار (التحكم في التفاعل)‪.‬‬ ‫‪ -3‬عملية تركيز النيوترونات في قلب املفاعل‪.‬‬ ‫‪ -4‬عملية نقل احلرارة الناجتة عن االنشطار إلى خارج املفاعل لالستفادة منها‪.‬‬ ‫تأمل الشكل (‪11-7‬ب) وتتبع حدوث هذه العمليات‪.‬‬ ‫* أهملنا في هذه املعادلة التغير في الطاقة احلركية للمواد املتفاعلة وذلك بغرض التبسيط‪.‬‬ ‫‪177‬‬

‫املاء‬ ‫املضغوط‬

‫بخار حار داخل‬

‫مولد طاقة‬

‫توربني‬

‫بخار بارد خارج‬

‫ماء‬ ‫ضاغط‬ ‫مضخة‬ ‫مضخة‬

‫املفاعل‬

‫مبادل‬ ‫حراري‬

‫شكل (‪11-7‬ب) توليد الطاقة الكهربائية من املفاعل النووي‬

‫الكشف عن اإلشعاعات النووية ‪:‬‬

‫تشكل اإلشعاعات النووية كابوس ًا مزعج ًا لسكان الكرة األرضية ملا‬ ‫تسببه من أمراض وتلوث للبيئة ‪ ،‬ولهذا صنعت أجهزة خاصة للكشف‬ ‫عنها سواء مايأتي منها من الكون أو من األرض أوما يوجد في األغذية‬ ‫أو غيرها ‪ ،‬ومن األجهزة املشهورة للكشف عن اإلشعاعات النووية‬ ‫مايسمى عداد جايجر و الغرفة السحابية وغيرها‪.‬‬

‫شكل (‪ 12-7‬أ) عداد جيجر‬

‫استعماالت اإلشعاعات النووية والنظائر املشعة‬ ‫واألضرار الناجمة عنها‪:‬‬

‫اإلشعاعات النووية (جسيمات أو فوتونات ) حتمل طاقة عالية‪،‬‬ ‫لذلك إذا تعرض أي جسم لهذه اإلشعاعات تتأين ذراته ومن ثم‬ ‫تتفكك بعض مركباته الكيميائية وشدة التفكك والتأين تكون‬ ‫بحسب قيمة الطاقة املنتقلة إلى اجلسم فكلما زادت كثافة اإلشعاع‬ ‫وكميتة زادت إمكانية التأين والتفكك‪ ،‬وإذا كان هذا اجلسم مركب ًا‬ ‫حيوي ًا فانه قد يتعرض للتلف(تتلف خالياه)‪0‬‬ ‫وقد يكون هذا التلف جسيم ًا ال تراكمي‪ ،‬إذا تعرضت األجسام‬ ‫إلشعاع كثيف وملدة طويلة‪ ،‬أما إذا كان اإلشعاع محدوداً (وهذا‬ ‫مانتعرض له جميع ًا سواء من األشعة فوق البنفسجية أو غيرها من‬ ‫اإلشعاعات الصادرة من الشمس والتي تصل إلى األرض) فإن اجلسم‬ ‫يخسر بعض خالياه والضرر في ذلك – إن شاء اهلل‪.-‬‬ ‫‪178‬‬

‫شكل (‪ 12-7‬ب) تركيب عداد جيجر‬

‫وقد ينتج عن تعرض اخلاليا لإلشعاع تغير أساس في تركيبها يؤدي إلى انقسام سريع للخاليا بصورة غير طبيعية‬ ‫وهذا مايسمى باألورام اخلبيثة (السرطانية) والتي تؤدي إلى تلف العضو كامال‪ 0‬لذا ينبغي على اإلنسان أخذ أقصى‬ ‫درجات احلذر لدى استخدام املواد املشعة‪.‬‬

‫تطبيقات النظائر املشعة‬

‫أدى التطور الكبير للتقنية النووية إلى إنتاج عدد كبير من النظائر املشعة التي لها تطبيقات هامة نذكر منها‪:‬‬ ‫‪ -1‬استخدام النظائر املشعة في الطب ‪:‬‬

‫يستند استخدام النظائر املشعة في التشخيص الطبي إلى حقيقة أن النظير املشع يتمتع باخلصائص الكيمائية ذاتها‬ ‫للعنصر املستقر األساسي‪،‬وهو بذلك يتبع املسار نفسه في اجلسم ويتركز في عضو محدد من اجلسم‪ 0‬فعنصر اليود‬ ‫مث ًال ‪ ،‬يتجمع في الغدة الدرقية وبقياس اإلشعاعات املنبعثة منه في هذا العضو ودراسة طريقة توزيعه في نسيج الغدة‬ ‫يستطيع املتخصصون معرفة الكثير عن احلالة الصحية للغدة الدرقية ‪ 0‬وهكذا يحدث مع نظائر مشعة لعناصر أخرى‬ ‫حيث عند حقن اجلسم مبادة مشعة ما فإنها تسري في الدم وتتركز في املوضع الذي يلجأ إلى التجمع فيه عادة العنصر‬ ‫األساسي حيث تقوم أنسجة اجلسم املتنوعة وأعضاؤه العديدة باجتذاب عناصر معينة إليه دون األخرى وهذه من‬ ‫املعجزات املدهشة التي يتميز بها جسم الكائن احلي والتي ّ‬ ‫مكنت من تشخيص أجزاء جسمه بهذه الوسيلة‪.‬‬ ‫‪ -2‬األمراض التي تشخص بالنظائر املشعة ‪:‬‬ ‫يلجأ األطباء إلى استعمال النظائر املشعة في تشخيص األمراض التي تصيب أنسجة اجلسم وأعضائه املختلفة‪،‬‬ ‫فاليود ‪ 131‬املشع يستعمل في الكشف عن العلل التي تلحق بالغدة الدرقية والكربون ‪ 14‬يستعمل في فحص‬ ‫وحتديد مشاكل األيض والتمثيل الغذائي (‪ )Metabolism‬والتي يترتب عليها أمراض كثيرة مثل مرض السكر‬ ‫والنقرس وفقر الدم وغيرها ومن جملة األمراض التي تشخص بالنظائر املشعة مايلي‪:‬‬ ‫ ‬ ‫‪ -‬أمراض العظام‪.‬‬

‫‪ -‬أمراض الدماغ‪.‬‬

‫ ‬ ‫‪ -‬تصوير عضلة القلب‪ .‬املرارة والكبد‬

‫‪ -‬أمراض الكلي‪.‬‬

‫كا�شف ا�ستجابة‬

‫ سرطان الرئتني‪.‬‬‫نسأل اهلل السالمة والعافية‬

‫كا�شف ا�ستجابة‬

‫شكل (‪ )13-7‬استخدام النظائر املشعة‬ ‫في الكشف الطبي‬

‫تقريرا عن استخدامات الفيزياء النووية في الطب‪.‬‬ ‫قم بزيارة ألحد املستشفيات املتخصصة واكتب ً‬

‫‪179‬‬

‫ ‬

‫أسئلة الفصل السابع‬ ‫‪A‬‬

‫س‪ :1‬ما التغير الذي يحدث ي عدد الكتلة والعدد الذري لنواة العنصر ( ‪ ) z X‬في احلاالت التالية‪،‬‬ ‫واكتب املعادلة املناسبة لكل حالة‪.‬‬ ‫أ ‪ -‬عند إصدار جسيم ألفا‪.‬‬ ‫ب‪ -‬عند إصدار جسيم بيتا السالبة‪.‬‬ ‫جـ‪ -‬عند إصدار جسيم بيتا املوجبة‪.‬‬ ‫د‪ -‬عند إصدار أشعة جاما‪.‬‬ ‫هـ ‪ -‬عند أسر النواة اإللكترون‪.‬‬ ‫س‪(2‬أ)‪ -‬عمر النصف لعنصر مشع ‪ 20‬يوم ًا فإذا كانت كتلة عينة نقية من هذا العنصر في حلظة ما‬ ‫‪ 8‬جرام احسب كتلة مايتبقي من هذا العنصر بعد ‪ 80‬يوماً‪)0.5(0‬‬ ‫(ب)‪ -‬عينة من مادة مشعة كتلتها ‪ 80‬جرام ًا وجد أنه تبقي منها ‪ 5‬جرام بعد ‪ 60‬يوم ًا احسب عمر‬ ‫النصف لهذه املادة‪)15(0‬‬ ‫س‪ -3‬الشكل املوضح يبني العالقة بني الكتلة املتبقية من ‪1‬جرام من عنصر مشع والزمن‪ ،‬فإذا كان‬ ‫عمر النصف لهذا العنصر‪ 100‬يوم أوجد قيم كل من أ‪،‬ب‪،‬ج (‪)300-200-100‬‬ ‫الكتلة ‪ 1‬جم‬

‫الزمن‬ ‫ج‬ ‫‪180‬‬

‫ب‬

‫أ‬

‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪8‬‬

‫‪3‬‬

‫س‪ -4‬ينحل التريتيوم ( ‪ ) 1 H‬بإشعاع جسيمات بيتا‪ .‬ما نسبة التريتيوم املتبقية في عينة منه بعد‬ ‫‪ 25‬سنة علم ًا أن عمرالنصف له ‪ 12.5‬سنة ؟ (‪)0.25‬‬

‫‪206‬‬ ‫‪238‬‬ ‫‪Pb‬‬ ‫(‬ ‫الرصاص‬ ‫نظير‬ ‫إلى‬ ‫اإلشعاعات‬ ‫من‬ ‫سلسلة‬ ‫بعد‬ ‫‪82‬‬ ‫س‪ -5‬يتحول اليورانيوم (‪92 U‬‬

‫احسب عدد إشعاعات ألفا ‪ ،‬بيتا حتى يتم هذا التحول ‪)6-8( .‬‬

‫س‪ -6‬إذا كان الوزن الذري للراديوم (‪ )226‬وعمر النصف له ‪ 1600‬سنة احسب سرعة االنحالل‬ ‫جلرام واحد منه‪)10 10×3.7(0‬‬ ‫س‪ -7‬متثل املعادلة التالية آخر انحالل في سلسلة االنحالل اإلشعاعي لليورانيوم‬

‫‪206‬‬ ‫‪82 pb + α‬‬

‫‪A‬‬ ‫‪z Po‬‬

‫احسب‪:‬‬ ‫أ‪ -‬مقدار( ‪ ) A ، Z‬في املعادلة ‪)84-210(0‬‬ ‫ب‪ -‬إذا تبقى ‪ 0.25‬من كتلة عنصر ‪ pb‬بعد ‪ 276‬يوم ًا فما عمر النصف له؟ (‪)138‬‬ ‫س‪ -8‬مستخدم ًا جدو ًال قارن بني إشعاعات (‪ ) α ، β ، γ‬واألشعة السينية من حيث (كتلتها ‪،‬‬ ‫شحنتها‪ ،‬تأثرها باملجال الكهربائي ‪ ،‬تأثرها باملجال املغناطيسي‪ ،‬القدرة على التأيني‪ ،‬النفاذية)‪.‬‬ ‫س‪ -9‬احسب مقدار التغير في كتلة نواة عنصر ما عندما تصدر إشعاع جاما طاقته ‪2‬م‪0‬أ‪.‬ف‬ ‫(‪) 3-10×2.148‬‬ ‫س‪ -10‬عنصر مشع كتلته في زمن معني ‪8‬ملجم وجد أن كتلته بعد مضي ‪ 420‬يوم ًا تساوي‬ ‫‪1‬ملجم‪ .‬احسب عمر النصف لهذا العنصر وكذلك ثابت االنحالل له‪)140(.‬‬ ‫س‪ -11‬احسب طاقة الربط في نواة نظير البورون ‪ B‬إذا علمت أن كتلتة الذرية‬ ‫‪(12.0143‬و‪0‬ك‪0‬ذ) (‪)77.3661‬‬

‫‪181‬‬

‫س‪-12‬احسب متوسط طاقة الربط لكل نيوكلون في نواة الكربون ‪ C‬رعلم ًا أن كتلته الذرية ‪12‬‬ ‫وحدة كتل ذرية‪ 0‬ما مقدار أقل طاقة الزمة لتفكيك هذا النواة؟(‪)89.376 – 7.4481‬؟‬ ‫س‪ -13‬احسب الطاقة املتولدة من التفاعل االنشطاري التالي‪:‬‬ ‫طاقة‪n +pu + 3 n +‬‬

‫‪MO + Te‬‬

‫علما أن الكتلة الذرية ل‪:‬‬ ‫‪ 239.0522= pu‬و‪0‬ك‪0‬ذ‬ ‫‪ 137= Te‬و‪0‬ك‪0‬ذ‬ ‫‪ 1.0087= n‬و‪0‬ك ‪0‬ذ‬ ‫‪ 99.9076=Mo‬و‪0‬ك‪0‬ذ(‪)118.4232‬‬ ‫س‪ -14‬قارن بني تفاعالت اإلندماج النووي واالنشطار النووي‪.‬‬ ‫س‪ -15‬ما الفرق بني اإلشعاعات املؤينة وغير املؤينة؟ فيم تصنف اإلشعاعات النووية؟ ما هو‬ ‫الفرقة في اآلثار الصحية بينهما؟ مع أمثلة ‪.‬‬

‫‪182‬‬

‫املـ ــراج ـ ـ ـ ـ ــع‬ ‫املراجع العربية‬ ‫‪ -1‬سالمة‪ ،‬ميرفانا‪ ،‬الفيزياء الكهربائية واملغناطيسية‪ ،‬األردن‪ ،‬عمان‪ ،‬دار صفاء‪ ،‬الطبعة األولى‬ ‫‪1423 – 2003‬هـ‬ ‫‪ -2‬حسن‪ ،‬خلود علي‪ ،‬الفيزياء اخلصائص املغناطيسية للمادة‪ ،‬األردن‪ ،‬عمان دار صفاء الطبعة‬ ‫األولى ‪1424– 2004‬هـ‬ ‫‪ -3‬حسن‪ ،‬خلود علي‪ ،‬الفيزياء اخلصائص الكهربائية للمادة‪ ،‬األردن‪ ،‬عمان دار صفاء الطبعة‬ ‫األولى ‪1424– 2004‬هـ‬ ‫‪ -4‬حسن‪ ،‬د ‪ .‬مناف عبد ‪ ,‬النظرية الكهرومغناطيسية‪ ،‬األردن‪ ،‬عمان‪ ،‬دار صفاء‪ ،‬الطبعة األولى‬ ‫‪1425– 2005‬هـ‬ ‫‪ -5‬اخلطيب‪ ،‬د ‪ .‬محمود‪ ،‬الفيزياء الكهربية واملغناطيسية‪ ،‬الطبعة الثانية‪ 1392 ،‬هـ ـ ‪1972‬م‬ ‫‪ -6‬قدورة‪ ،‬ليلى‪ ،‬مدخل إلى العلوم الطبيعية‪ ،‬الطبعة األولى‪ ،‬األردن‪ ،‬عمان‪ ،‬دار احلامد للنشر‬ ‫والتوزيع ‪ 2004‬م‬ ‫‪ -7‬سامي طه صالح ‪ ,‬املثالي في الفيزياء‪ ،‬مصر‪ ،‬القاهرة‪ ،‬مكتبة مصر ‪ 2001‬م‬ ‫‪ -8‬آل عيسى‪ ،‬أ‪.‬د محمد بن علي أحمد‪ ,‬الفيزياء العامة‪ ،‬اململكة العربية السعودية‪ ،‬جامعة امللك‬ ‫سعود‪ ،‬دار اخلريجي للنشر ‪ 1417‬هـ ‪ 1997 /‬م‬ ‫‪ -9‬الفهاد‪ ،‬مروان أحمد‪ ،‬الفيزياء النظرية األساسية‪ ،‬اململكة العربية السعودية‪ ،‬الرياض‪ ،‬العبيكان‪،‬‬ ‫الطبعة األولى ‪1420‬هـ ‪ 1999 /‬م‬

‫‪183‬‬

‫‪ – 10‬الدسوقي‪ ،‬ترجمة أسامة إبراهيم‪ ،‬نظرية أنظمة الطاقة الكهربائية‪ ،‬مصر‪ ،‬القاهرة‪،‬‬ ‫ماكجروهيل ‪. 1971‬‬ ‫‪ -11‬حسن‪ ،‬فخري إسماعيل‪ ،‬مقدمة في الفيزياء احلديثة‪ ،‬اململكة العربية السعودية‪ ،‬الرياض‪ ،‬دار‬ ‫املريخ للنشر ‪ 1977‬م‬ ‫‪ -12‬واصف‪ ،‬رأفت كامل‪ ،‬أساسيات الفيزياء الكالسيكية واملعاصرة‪ ،‬مصر‪ ،‬القاهرة‪ ،‬دار النشر‬ ‫للجامعات ‪ 1418‬هـ ‪ 1997 /‬م ‪.‬‬ ‫‪ – 13‬حسب النبي‪ ،‬منصور محمد‪ ،‬الكهربية واملغناطيسية‪ ،‬مصر‪ ،‬القاهرة‪ ،‬مكتبة النهضة املصرية‬ ‫الطبعة الرابعة ‪ 1986‬م ‪.‬‬ ‫‪ – 14‬القيسي‪ ،‬غازي ياسني‪ ،‬الكهربائية واملغناطيسية‪ ،‬األردن‪ ،‬عمان‪ ،‬دار املسيرة‪ ،‬الطبعة األولى‬ ‫‪ 2004‬م‪.‬‬ ‫‪ -15‬العثمان‪ ،‬وآخرون‪ ،‬فيزياء الصف الثالث ثانوي‪ ،‬وزارة التربية والتعليم‪ ،‬ط ‪1428‬هـ ‪.‬‬ ‫‪ -16‬النجار‪ ،‬حسني وآخرون‪ ،‬الفيزياء للصف الثاني عشر‪ ،‬جـ ‪ ،1‬مكتب التربية العربي لدول‬ ‫اخلليج العربية‪1997 ،‬م ‪.‬‬ ‫‪ -17‬العقيل‪ ،‬د‪ .‬إبراهيم‪ ،‬الفيزياء التجريبية‪ ،‬جامعة امللك سعود الطبعة الرابعة ‪1420‬هـ‪.‬‬ ‫املراجع األجنبية ‪:‬‬ ‫‪1-Serway physics fro scientists and Engineers,Third Edition,1992G.‬‬ ‫‪2- Cutunell , Physics , John Wily, 1997G.‬‬

‫‪184‬‬

‫‪Physical Constants‬‬ ‫الئحة ببعض الثوابت الفيزيائية الرئيسة‬ ‫اسم الثابت‬

‫القيمة‬

‫سرعة الضوء ‪e‬‬

‫‪10 X 2.997925‬‬

‫شحنة اإللكترون ‪e‬‬

‫‪10 X 1.60210‬‬

‫ثابت بالنك ‪( h‬هـ)‬

‫‪10 X 6.62559‬‬

‫عدد أفوغادرو ‪Az‬‬

‫‪10 X 6.02252‬‬

‫ثابت فارادي ‪F‬‬

‫‪10 X 9.64870‬‬

‫ثابت ريدبرغ ‪Rd‬‬

‫‪10 X 1.0973731‬‬

‫‪8‬‬

‫م‪/‬ث‬

‫‪19-‬‬

‫كولوم‬

‫‪34-‬‬

‫جول ثانية‬

‫‪23‬‬

‫جزئ ‪ /‬مول‬

‫‪4‬‬

‫كولوم ‪ /‬مول‬ ‫‪7‬‬

‫‪31-‬‬

‫‪54-‬‬

‫و‪.‬ك‪.‬ذ‪.‬‬

‫‪1-‬‬

‫ميغا الكترون فولت‬

‫‪27-‬‬

‫كجم‬

‫‪10 X 5.48597‬‬ ‫‪10 X 5.11006‬‬ ‫‪10 X 1.67252‬‬

‫كتلة البروتون ‪Mp‬‬

‫و‪.‬ك‪.‬ذ‪.‬‬

‫‪1.00727663‬‬ ‫‪2-‬‬

‫م‪.‬أ‪.‬ف‪.‬‬

‫‪27-‬‬

‫كجم‬

‫‪10 X 9.39256‬‬ ‫‪10 X 1.67482‬‬ ‫كتلة النيوترون ‪Mn‬‬

‫م‬

‫‪-1‬‬

‫كجم‬

‫‪10 X 9.10908‬‬ ‫كتلة اإللكترون ‪Me‬‬

‫الوحدة‬

‫و‪.‬ك‪.‬ذ‪.‬‬

‫‪1.0086654‬‬ ‫‪20 X 9.39550‬‬

‫‪2-‬‬

‫نسبة شحنة اإللكترون لكتلته ‪em‬‬

‫‪10 X 1.758796‬‬

‫ثابت تسارع اجلاذبية األرضية ‪g‬‬

‫‪9.80665‬‬

‫الثابت الكهربائي (كولوم) ‪K‬‬

‫‪10 X 9.0‬‬

‫الضغط اجلوي املعياري‬

‫‪10 X 1.013250‬‬

‫النفاذية املغناطيسية في الفراغ ‪m0‬‬

‫‪7-‬‬

‫‪10 X p 4‬‬

‫السماحية الكهربائية في الفراغ ‪e0‬‬

‫‪10 X 8.854‬‬

‫‪11‬‬

‫م‪.‬أ‪.‬ف‪.‬‬ ‫كولوم ‪ /‬كجم‬ ‫م‪/‬ث‬

‫‪2‬‬

‫نيوتن ‪ .‬م‪ / 2‬كولوم‬

‫‪9‬‬

‫‪12-‬‬

‫‪5‬‬

‫نيوتن ‪ /‬م‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫تسال ‪ .‬م ‪ /‬أمبير‬ ‫كولوم‪( / 2‬ن ‪ .‬م‪)2‬‬

‫‪185‬‬

‫تـم بحمد ّ‬ ‫اهلل‬

.