فيديو الدرس: حساب شدة التيار الكهربي المار في سلك العلوم • الصف الثالث الإعدادي

نسخة الفيديو النصية

شدة التيار هي مقدار شيء ما يتحرك في اتجاه معين. في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحسب شدة التيار الكهربي المار في السلك، التي تقيس مقدار الشحنة التي تتحرك عبر السلك. دعونا نبدأ بوصف نوع مختلف من التيار، وهو الماء المتدفق في النهر أو الجدول. رسمنا هنا تيارًا يتدفق في قاع النهر. ولنفترض أن اتجاه تدفق الماء، أي اتجاه التيار، من اليسار إلى اليمين. فإن القيمة الفعلية لشدة التيار هي معدل تدفق الماء.

ولقياس التيار فعليًّا، نقيس مقدار الماء الذي يمر بهذا الخط عبر مجرى النهر كل ثانية. ولنقل إن نتيجة قياسنا خمسة لترات تمر بالخط كل ثانية واحدة. من الناحية الفيزيائية، هذا يعني أننا إذا وضعنا وعاء فارغًا سعته خمسة لترات عبر مجرى النهر، فإنه سيمتلئ في ثانية واحدة. وبالمثل، سيستغرق ملء وعاء سعته ١٠ لترات ثانيتين. ويستغرق ملء وعاء سعته ١٥ لترًا ثلاث ثوان، وهكذا. هذه الكمية، التي تساوي خمسة لترات كل ثانية، هي بالضبط شدة التيار في الجدول؛ لأنها تخبرنا بمعدل تدفق الماء. لقد قسنا هنا كمية الماء بدلالة حجمها بوحدة اللترات. ومن ثم، فإن شدة التيار في هذا الجدول هي كمية الماء لكل ثانية.

لننظر الآن إلى التيار الكهربي المار في سلك. ستكون الفكرة مشابهة تمامًا للتيار في مجرى النهر. ولكن بدلًا من التفكير في كمية الماء المارة بنقطة ما في مجرى النهر كل ثانية، سنفكر في مقدار الشحنة الكهربية التي تمر بنقطة ما في السلك كل ثانية. رسمنا هنا دائرة كهربية بسيطة بها بطارية متصلة بمصباح عن طريق سلكين. عند التوصيل بهذا الشكل، سيضيء المصباح نظرًا لوجود تيار كهربي في الدائرة. تذكر أن اتجاه التيار الكهربي سيكون من طرف البطارية الموجب إلى طرف البطارية السالب.

لنتذكر أن شدة التيار الكهربي مقياس لكمية الشحنة التي تتحرك عبر الدائرة الكهربية. لذا، مثلما فعلنا مع الماء الذي يتحرك في مجرى النهر، دعونا نختر نقطة في السلك، هنا على سبيل المثال، ونلاحظ مقدار الشحنة التي تتحرك في هذا السلك كل ثانية. لكن كي نفعل ذلك، علينا أن نعرف كيفية وصف كمية من الشحنة. وصفنا من قبل كمية الماء بدلالة حجمها باستخدام وحدة اللتر. وكان بإمكاننا أيضًا وصف كمية الماء بدلالة كتلتها باستخدام وحدة الكيلوجرام. لكن، التيار الكهربي متعلق بكمية الشحنة التي تتحرك، وليس بكمية الحجم أو كمية الكتلة التي تتحرك. ومن ثم، ما نريده هو وحدة لقياس الشحنة يمكننا استخدامها لوصف كمية الشحنة التي لدينا. الوحدة التي نستخدمها للشحنة تسمى الكولوم.

وكما نعرف أن خمسة لترات هي مقدار الحجم وأن خمسة كيلوجرامات هي مقدار الكتلة، فإن خمسة كولوم هي مقدار الشحنة. لذا، عندما نعود إلى النقطة التي كنا ننظر إليها في السلك، ستكون شدة التيار كمية مقيسة بالكولوم تمر بهذه النقطة كل ثانية. إذن، بإجمالي شحنة مقدارها خمسة كولوم تمر بهذه النقطة كل ثانية، تبلغ شدة التيار في السلك خمسة كولوم لكل ثانية. دعونا نفكر في وحدات شدة التيار هذه بمزيد من التفصيل. أولًا، نلاحظ أن شدة التيار تساوي الشحنة مقسومة على الزمن. بالنسبة إلى الشحنة، فإن وحدتها هي الكولوم. وبالنسبة إلى الزمن، فإن وحدته هي الثانية. إذن، تكون وحدة شدة التيار هي وحدة الشحنة مقسومة على وحدة الزمن.

من ذلك، نجد أن وحدة شدة التيار هي الكولوم مقسومًا على الثانية. ومع أنه يمكننا التعبير عن شدة التيار بوحدتي الشحنة والزمن، لا نزال نريد وحدة واحدة تصف شدة التيار بحيث إنه بدلًا من الحديث عن خمسة كولوم تمر كل ثانية للتيار المار في الدائرة الكهربية، يمكننا فقط القول إن شدة التيار في الدائرة تبلغ خمس وحدات من التيار. ونسمي وحدة شدة التيار هذه بالأمبير. يعرف الأمبير على أنه شدة تيار تبلغ كولوم واحدًا لكل ثانية. إذن، شدة التيار في الدائرة الكهربية، التي مقدارها خمسة كولوم والمارة كل ثانية، هي شدة تيار تبلغ خمسة أمبير.

وهناك طريقة رياضية أخرى لتعريف الأمبير. واحد أمبير يساوي واحد كولوم لكل ثانية. كلمة «لكل» هي كلمة نستخدمها عادة عندما نفكر في القسمة. لذا، يمكننا كتابة واحد كولوم لكل ثانية على صورة الكولوم مقسومًا على الثانية. ونقرؤها بالطريقة نفسها: كولوم لكل ثانية. بعبارة أخرى، تعريف الأمبير هو أن واحد أمبير يساوي واحد كولوم لكل ثانية. إذن، شدة التيار التي مقدارها خمسة كولوم، والتي تمر بنقطة في السلك كل ثانية واحدة، هي شدة تيار كهربي تبلغ خمسة كولوم لكل ثانية، وهي بالتعريف تساوي خمسة أمبير.

والآن بعد أن عرفنا الوحدتين المناسبتين للشحنة والتيار، يمكننا استخدام العلاقة بين الأمبير والكولوم لحساب شدة التيار المار في سلك. نبدأ بتعريف أن الأمبير يساوي واحد كولوم لكل ثانية. فالأمبير هو وحدة شدة التيار، والكولوم هو وحدة الشحنة، والثانية هي وحدة الزمن. تذكر أن الخط المائل يمثل القسمة. وهكذا تبدو هذه المعادلة على صورة أن شدة التيار تساوي الشحنة مقسومة على الزمن. وفي الحقيقة، هذا صحيح. التيار الكهربي المار في سلك يساوي بالضبط الشحنة الكلية المارة بنقطة في السلك مقسومة على الزمن الكلي الذي استغرقته هذه الشحنة للمرور بهذه النقطة. باستخدام الرموز، نكتب أن ﺕ يساوي ﻙ مقسومًا على ﺯ، حيث ﺕ شدة التيار، وﻙ الشحنة الكلية، وﺯ الزمن الكلي.

دعونا نوضح كيفية استخدام هذه الصيغة في بعض العمليات الحسابية. إذا مرت شحنة مقدارها اثنان كولوم بنقطة في سلك خلال ثانية واحدة، فما شدة التيار؟ لإجراء هذه العملية الحسابية، نعوض باثنين كولوم عن ﻙ، وثانية واحدة عن ﺯ في الصيغة لدينا. إذن، لدينا اثنان كولوم مقسومًا على ثانية واحدة. ولإجراء هذه العملية الحسابية، علينا أولًا قسمة العددين ثم تجميع الوحدتين. اثنان مقسومًا على واحد يساوي اثنين، إذن اثنان كولوم مقسومًا على ثانية واحدة يساوي اثنين. ولدينا كولوم في البسط وثانية في المقام، لذا نحصل على اثنين كولوم لكل ثانية. لكن، تذكر أن واحد كولوم لكل ثانية يساوي واحد أمبير، إذن شدة التيار تساوي اثنين أمبير.

لنجر عملية حسابية أخرى. تمر شحنة مقدارها أربعة كولوم بنقطة في سلك خلال ثانيتين. مرة أخرى، نعوض في الصيغة التي لدينا: أربعة كولوم عن ﻙ، وثانيتان عن ﺯ. إذن، شدة التيار تساوي أربعة كولوم مقسومًا على ثانيتين. مرة أخرى، نلاحظ أن وحدة الكولوم في البسط ووحدة الثانية في المقام، لذا نعرف أن الإجابة ستتضمن وحدة الكولوم لكل ثانية. بالنسبة إلى العدد، نأخذ أربعة مقسومًا على اثنين. أربعة مقسومًا على اثنين يساوي اثنين. إذن، شدة التيار تبلغ اثنين كولوم لكل ثانية، وكما نعلم، هذا يساوي اثنين أمبير.

لكن، دعونا الآن نقارن بين النتيجتين. في الحالة الأولى، وجدنا مع اثنين كولوم لكل ثانية، أن شدة التيار هي اثنان أمبير. وفي الحالة الثانية، مع أربعة كولوم لكل ثانيتين، بلغت شدة التيار أيضًا اثنين أمبير. وهذا يوضح لماذا من المفيد تمثيل شدة التيار بوحدة الأمبير الخاصة به. فمع معرفة أن شحنة مقدارها اثنان كولوم لكل ثانية كافية لمعرفة شدة التيار في الدائرة، لا يتضح على الفور أن هذه هي شدة التيار نفسها الناتجة عن أربعة كولوم لكل ثانيتين. ولكن، عند مقارنة قيمتي شدة التيار بوحدة الأمبير، يمكننا على الفور ملاحظة أنهما متساويتان.

ومع أننا لن نجري هذه العمليات الحسابية، فجدير بالذكر أن طريقتين أخريين توضحان فائدة استخدام هذه الصيغة، ﺕ يساوي ﻙ على ﺯ. تخبرنا هذه الصيغة كما كتبناها كيف نحسب شدة التيار المار في سلك، بمعرفة الشحنة الكلية التي تمر في السلك خلال فترة زمنية معينة. لكن، يمكننا استخدام الصيغة نفسها لحساب الشحنة الكلية، التي تتحرك في سلك، إذا عرفنا شدة التيار المار في السلك، وعرفنا أيضًا مقدار الزمن. بالمثل، يمكننا حساب مقدار الزمن الذي استغرقته الشحنة لتتحرك في السلك إذا عرفنا الشحنة الكلية وعرفنا أيضًا شدة التيار. حسنًا، بعد أن تعلمنا كيف نحسب شدة التيار، فلنطبق بعض الأمثلة.

يوضح الشكل دائرة كهربية تحتوي على بطارية ومصباح. تبلغ شدة التيار في الدائرة اثنين أمبير. ما مقدار الشحنة التي تتدفق عبر النقطة ﺃ في الدائرة خلال ثانية واحدة؟

يوضح الشكل البطارية، والمصباح، وكذلك الأسلاك التي تصل بين هذين المكونين. تقع النقطة ﺃ هنا، ويوضح لنا السهم اتجاه التيار. ونعلم من المعطيات أن شدة التيار تساوي اثنين أمبير. نعلم أيضًا أن الزمن الذي تتدفق الشحنة خلاله يساوي ثانية واحدة. والآن، المطلوب منا في السؤال هو تحديد مقدار الشحنة التي تتدفق عبر النقطة ﺃ في الدائرة الكهربية خلال ثانية واحدة إذا كانت شدة التيار في الدائرة اثنين أمبير. ولفعل ذلك، علينا أن نتذكر العلاقة بين شدة التيار والشحنة والزمن. واحد أمبير، وهو وحدة شدة التيار، يعرف بأنه واحد كولوم من الشحنة التي تتحرك عبر نقطة خلال ثانية واحدة.

في هذا السؤال، ما يعنينا أيضًا هو زمن قدره ثانية واحدة. ولكن، بدلًا من شدة تيار تبلغ واحد أمبير، لدينا شدة تيار تبلغ اثنين أمبير. ولحسن الحظ، التحويل سهل. إذا كان واحد أمبير يساوي واحد كولوم لكل ثانية، فإن اثنين أمبير يساوي اثنين كولوم لكل ثانية. وهذه هي الإجابة. اثنان أمبير يساوي اثنين كولوم من شحنة تمر بنقطة كل ثانية. إذن، الإجابة هي اثنان كولوم.

يجب أن ننتبه جيدًا إلى العبارتين اللتين كتبناهما. على الطرف الأيمن، حددنا واحد أمبير بزمن قدره ثانية واحدة، واثنين أمبير أيضًا بزمن قدره ثانية واحدة. ويرجع ذلك إلى أن شدة التيار تعرف دائمًا بكمية الشحنة التي تتحرك عبر نقطة خلال ثانية واحدة بالضبط. ومن ثم، مع تغير شدة التيار، تتغير كمية الشحنة، لكن لا يتغير مقدار الزمن الذي تستغرقه هذا الشحنة للتحرك.

حسنًا، لنر الآن مثالًا آخر حيث سنحسب شدة التيار ونقارنها في عدة دوائر كهربية.

يركب رامي ثلاث دوائر كهربية. يقيس كمية الشحنة المتدفقة في كل دائرة خلال نفس الفترة الزمنية. يوضح الجدول الآتي النتائج التي توصل إليها. في أي دائرة تكون شدة التيار أكبر؟

علينا تحديد أي الدوائر الكهربية أرقام واحد، واثنين، وثلاثة تكون فيها شدة التيار هي الأكبر، استنادًا إلى المعلومات الواردة في هذا الجدول. لكي نتدرب على حساب شدة التيار في دائرة كهربية، سنحسب شدة التيار في كل دائرة من الشحنة والزمن الموضحين في الجدول، ثم نقارن بين النتائج. تذكر أنه يمكننا حساب شدة التيار من المعادلة ﺕ يساوي ﻙ مقسومًا على ﺯ، حيث ﺕ شدة التيار المقيسة بالأمبير، وﻙ الشحنة المقيسة بالكولوم، وﺯ الزمن المقيس بالثواني. كل ما علينا فعله الآن هو التعويض بالقيم من كل دائرة في هذه المعادلة.

في الدائرة رقم واحد، الشحنة ٢٠ كولوم، والزمن خمس ثوان. ومن ثم، باستخدام ﺕ يساوي ﻙ مقسومًا على ﺯ، يكون لدينا ٢٠ مقسومًا على خمسة، يساوي أربعة. وبما أن وحدة الشحنة هي الكولوم، ووحدة الزمن هي الثانية، فإن وحدة شدة التيار هذه هي كولوم لكل ثانية، أو الأمبير. ومن ثم، فإن شدة التيار في الدائرة الكهربية رقم واحد هي أربعة أمبير. في الدائرة رقم اثنين، تبلغ الشحنة ٢٥ كولوم، والزمن خمس ثوان. ومرة أخرى، بما أن وحدتي الشحنة والزمن هما الكولوم والثانية، فإن شدة التيار ستقاس مرة أخرى بوحدة الأمبير، وقيمتها العددية تبلغ ٢٥ على خمسة. ‏٢٥ مقسومًا على خمسة يساوي خمسة. إذن، شدة التيار في الدائرة رقم اثنين هي خمسة أمبير.

وأخيرًا، في الدائرة رقم ثلاثة، تبلغ الشحنة ١٢ كولوم، والزمن خمس ثوان أيضًا. ووحدتا الشحنة والزمن هما الكولوم والثانية، ومن ثم فإن وحدة شدة التيار هي الأمبير. وهذه المرة، القيمة العددية تبلغ ١٢ على خمسة. وبما أن ١٢ مقسومًا على خمسة يساوي ٢٫٤، فإن شدة التيار في الدائرة رقم ثلاثة تبلغ ٢٫٤ أمبير. والآن، بعد أن حسبنا شدة التيار في كل دائرة كهربية، يمكننا على الفور ملاحظة أن شدة التيار الأكبر هي خمسة أمبير في الدائرة رقم اثنين. إذن، الدائرة ذات شدة التيار الأكبر هي الدائرة رقم اثنين.

والآن بعد أن حسبنا بعض قيم شدة التيار، دعونا نراجع ما تعلمناه في هذا الدرس. في هذا الدرس، تعلمنا أن شدة التيار الكهربي هي مقدار الشحنة التي تتحرك عبر نقطة معينة، عادة في دائرة كهربية، خلال فترة زمنية معينة. وللتفكير في قيم محددة لشدة التيار، علينا معرفة كمية الشحنة وكذلك الفترة الزمنية. يقاس الزمن بالثواني. ولكن، لقياس مقدار الشحنة، احتجنا إلى وحدة جديدة، لذا عرفنا الكولوم باعتباره وحدة الشحنة. لقد عرفنا وحدتي الشحنة والزمن لأنهما الكميتان الداخلتان في حساب شدة التيار. والآن، بعد أن أصبح لدينا وحدة للشحنة، نريد أيضًا وحدة لشدة التيار. وهذه الوحدة هي الأمبير. إن معرفة وحدات الكميات أمر بالغ الأهمية، فلا تغفل عن ذلك.

أيضًا، عرفنا الأمبير بدلالة الكولوم والثواني على أن واحد أمبير يساوي واحد كولوم لكل ثانية. هذه هي العلاقة بين هذه الوحدات الثلاث. تعكس هذه العلاقة الصيغة التي عرفنا بها شدة التيار. فقد كتبنا صيغة شدة التيار كالآتي: ﺕ يساوي ﻙ مقسومًا على ﺯ، حيث ﺕ التيار في الدائرة الكهربية، وﻙ الشحنة الكلية التي تتحرك عبر نقطة في الدائرة الكهربية، وﺯ الفترة الزمنية التي تستغرقها هذه الشحنة في التدفق. وأخيرًا، تجدر الإشارة إلى أن هذه الصيغة تتوافق تمامًا مع تعريف شدة التيار.