فيديو الدرس: توصيل البطاريات على التوالي العلوم • الصف الثالث الإعدادي

نسخة الفيديو النصية

الخلايا هي أحد مصادر فرق الجهد اللازم لتشغيل الدوائر الكهربية. في هذا الدرس، سوف نتعرف على فرق الجهد الناتج عن توصيل عدة خلايا على التوالي.

لدينا هنا واحدة من أبسط الدوائر الكهربية التي يمكننا صنعها. وهي عبارة عن مصباح متوهج متصل بسلك. ورغم أنه من السهل صنع هذه الدائرة، فإنها تكاد تكون عديمة الجدوى تمامًا. فلا يوجد مصدر لفرق الجهد، ومن ثم لا يمر تيار في الدائرة، ولن يضاء المصباح أبدًا. ومع ذلك، إذا استخدمنا السلك لتوصيل المصباح بخلية، فإن فرق الجهد الناتج عن الخلية يؤدي إلى تحريك الشحنة في الدائرة، وهو ما يضيء المصباح.

عندما نوصل هذه الخلية التي توفر تسعة فولت في الدائرة، يضيء المصباح. وهذا بسبب وجود تيار يمر الآن في الدائرة. هذا يعني أن الشحنات تتحرك من الخلية إلى المصباح ثم تعود مرة أخرى إلى الخلية. ونظرًا إلى أن فرق جهد الخلية يولد تيارًا كهربيًّا، والتيار يحرك الشحنات، فإننا كثيرًا ما نسمي فرق جهد الخلية القوة الدافعة الكهربية. لكن في المعتاد، بدلًا من استخدام عبارة القوة الدافعة الكهربية الطويلة، فإننا نختصر مصطلح القوة الدافعة الكهربية إلى ق.د.ك. لذلك، يمكننا القول إن الخلية في الدائرة توفر قوة دافعة كهربية، أو ق.د.ك. مقدارها تسعة فولت.

والآن، تذكر أن هدفنا الأساسي هو أن نتعرف على الدوائر الكهربية التي تحتوي على عدة خلايا. ولكي نتصور مثل هذه الدوائر، سنحتاج إلى طريقة لتمثيل هذه الدوائر الكهربية بصورة أعم من الشكل الواقعي الذي رسمناه بالفعل. وهذا لأنه يوجد الكثير من الحالات الواقعية الأخرى، مثل الكشاف أو ضوء السيارة؛ حيث يتولد الضوء بواسطة مصباح متصل بخلية عبر سلكين. الأمثلة التي ذكرناها للتو تبدو مختلفة للغاية، ولكن فيزياء الدوائر الكهربية واحدة.

ولكي نتمكن من التركيز فقط على البنية الكهربية لهذه الدوائر بدلًا من التركيز على أحجامها أو أشكالها، سوف نستخدم رموزًا معيارية لتمثيل كل مكون. هذا الرمز؛ وهو دائرة تحتوي على الحرف ‪X‬‏، يمثل مصباحًا. وتمثل الأسلاك في الدائرة الكهربية بخطوط. وعلى سبيل التنظيم، غالبًا ما سنرسم هذه الخطوط مستقيمة أو منعطفة بزوايا قائمة. أخيرًا، رمز الخلية هو خط طويل وآخر قصير تفصل بينهما مسافة صغيرة.

يمثل الخط الطويل الطرف الموجب للخلية، ويمثل الخط القصير الطرف السالب. عادة ما نكتب على الخلايا في مخططات الدوائر مقدار القوة الدافعة الكهربية التي توفرها. لذلك، إذا كتبنا على هذه الخلية تسعة فولت، فهذا يعني أن الخلية تمد الدائرة بقوة دافعة كهربية مقدارها تسعة فولت. ولكن لاحظ أن اتجاه الخلية في رسمتنا الأصلية، واتجاه الخلية في مخطط الدائرة الكهربية متعاكسان. في رسمتنا الأصلية، يقع الطرف الموجب على اليمين. أما في مخطط الدائرة الكهربية، يقع الطرف الموجب على اليسار.

لكن في هذه الحالة تحديدًا، تكون الفيزياء واحدة، لأن الخلية هي المكون الوحيد في الدائرة الذي له طرف موجب وطرف سالب. سوف نحتاج لأن ننتبه جيدًا إلى اتجاه الخلايا بعد قليل، عندما ندرس عدة خلايا متصلة معًا. لنقل إن لدينا مكبرًا صوتيًّا جديدًا يحتاج إلى ١٠ فولت كي يعمل. لكن ليس لدينا خلية توفر ١٠ فولت. كل ما لدينا هو خليتان توفر كل منهما خمسة فولت. لذلك، نحتاج إلى معرفة كيفية استخدام هاتين الخليتين لتشغيل المكبر الصوتي والاستماع إلى نغماتنا المفضلة. بإمكاننا أن نتوصل لفكرة عما ينبغي علينا فعله من خلال رسم مخطط دائرة كهربية بسيطة يوضح خلية متصلة بمكون وحيد، ولنفترض أنه جرس؛ وهو جهاز آخر يصدر ضوضاء.

نحن نعرف أن اتجاه التيار في هذه الدائرة سوف يمر في الأسلاك من الطرف الموجب للخلية إلى الطرف السالب. هذه دائرة بسيطة، لأنه لا يوجد سوى خلية واحدة. والتيار يمر في مسار وحيد من الطرف الموجب إلى الطرف السالب. إلا أنه في الدوائر الأكثر تعقيدًا، قد يوجد العديد من الخلايا والعديد من المسارات التي يمر فيها التيار من الأطراف الموجبة للخلايا إلى أطرافها السالبة.

إذن، كيف يمكننا معرفة مقدار القوة الدافعة الكهربية التي تدفع التيار على امتداد مسار معين؟ سنبدأ ببساطة عند نقطة ما في الدائرة، ونرسم مسار التيار على امتداد السلك حتى نعود إلى حيث بدأنا. بعد ذلك، كي نوجد القوة الدافعة الكهربية التي تدفع التيار في هذا المسار، سنلقي نظرة على جميع مصادر القوة الدافعة الكهربية على امتداد هذا المسار. لدينا هنا خلية واحدة فقط. ولذلك، فإن القوة الدافعة الكهربية الكلية التي تدفع التيار عبر هذا المسار هي القوة الدافعة الكهربية لهذه الخلية فقط. ولكن تذكر أننا بحاجة إلى قوة دافعة كهربية تدفع التيار عبر المسار في الدائرة أكبر من تلك التي توفرها خلية واحدة. لذلك، لنرسم دائرتنا بحيث تحتوي على خليتين ونلاحظ ما سيحدث.

وصلنا خليتين بالجرس الموجود لدينا هنا، واحدة تلو الأخرى. عندما نتتبع الآن التيار عبر الدائرة، نلاحظ أنه يمر عبر الخليتين قبل أن يعود إلى حيث بدأ. وهذا يعني أن هناك خليتين توفران قوة دافعة كهربية لدفع التيار في هذه الدائرة. ونظرًا لأن هاتين الخليتين تظهران في المسار نفسه، واحدة تلو الأخرى، وتحديدًا بحيث يكون الطرف الموجب لإحداهما مجاورًا للطرف السالب للأخرى، فإننا نقول إنهما متصلتان على التوالي.

جميع الخلايا المتصلة على التوالي تدفع التيار في الاتجاه نفسه. لذا فإن التيار الناتج يكون أكبر من ذلك الذي تنتجه كل بطارية على حدة بواسطة قوتها الدافعة الكهربية. ومن ثم، فإن الخلايا المتصلة على التوالي تعمل كما لو كانت وحدة أكبر توفر قوة دافعة كهربية أكبر من تلك التي توفرها الخلايا المنفردة. هذه القوة الدافعة الكهربية الناتجة تساوي مجموع القوى الدافعة الكهربية لكل خلية منفردة. وباستخدام ذلك، يمكننا تشغيل مكبر الصوت. نحتاج إلى ١٠ فولت، ولدينا خليتان القوة الدافعة الكهربية لكل منهما خمسة فولت. لذلك، إذا وصلنا هذه الخلايا على التوالي، فإن القوة الدافعة الكهربية الناتجة ستساوي خمسة فولت زائد خمسة فولت؛ أي الـ ١٠ فولت التي نحتاجها. لاحظ أيضًا أننا حرصنا جيدًا على توصيل الطرف الموجب لإحدى الخليتين بالطرف السالب للخلية الأخرى. حيث إن توجيه الخلايا بالطريقة نفسها يضمن جمع القوة الدافعة الكهربية لكل منها للوصول إلى القيمة المطلوبة.

حتى الآن، تحدثنا فقط عن توصيل خليتين على التوالي. ولكن في الواقع، يمكننا توصيل أي عدد من الخلايا على التوالي، وتنطبق القواعد نفسها. في هذا الشكل، لدينا خلية ذات ثلاثة فولت، وخلية ذات خمسة فولت، وخلية ذات واحد فولت، وخلية ذات ستة فولت. إذا تتبعنا مسار السلك، فإننا نرى أنه يمر عبر كل خلية من الخلايا الأربع؛ واحدة تلو الأخرى. نجد أيضًا الخلايا جميعًا موجهة بالطريقة نفسها؛ حيث يقع الطرف الموجب على اليمين، والطرف السالب على اليسار.

وبما أن هذه الخلايا توجد جميعًا على المسار نفسه، واحدة تلو الأخرى، وموجهة بالطريقة نفسها، فإنها قطعًا أربع خلايا متصلة على التوالي. والقوة الدافعة الكهربية الكلية لهذه الخلايا الأربع تساوي مجموع القوة الدافعة الكهربية لكل خلية على حدة؛ أي ثلاثة فولت زائد خمسة فولت زائد واحد فولت زائد ستة فولت. ثلاثة زائد خمسة يساوي ثمانية، وثمانية زائد واحد يساوي تسعة، وتسعة زائد ستة يساوي ١٥. إذن، القوة الدافعة الكهربية الكلية لهذه الخلايا الأربع المتصلة على التوالي تساوي ١٥ فولت.

في الواقع، لدينا اسم خاص للخلايا المتصلة على التوالي. حيث يطلق على عدة خلايا متصلة على التوالي اسم البطارية. في الواقع، البطاريات التي نستخدمها في الأجهزة الإلكترونية في الحياة اليومية تسمى بطاريات لأنها تحتوي داخلها على مجموعة من عدة خلايا. في الواقع، تلعب البطاريات الدور نفسه الذي تلعبه الخلايا في الدوائر الكهربية الموجودة في الأجهزة الإلكترونية. فكل منهما مصدر للقوة الدافعة الكهربية. عند توصيلها بدائرة كهربية، تعمل البطارية المثالية بمثابة خلية واحدة لها القوة الدافعة الكهربية نفسها التي توفرها البطارية. نعني بهذا أن فيزياء الدائرة الكهربية المتصلة بهذه البطارية ذات الـ ١٥ فولت ستكون نفسها إذا كانت الدائرة متصلة بهذه الخلية ذات الـ ١٥ فولت.

في الواقع، يكمن السبب الرئيسي وراء استخدامنا للبطاريات بدلًا من الخلايا المنفردة في الكيمياء المستخدمة لتوليد القوة الدافعة الكهربية في الخلية الواحدة. توجد العديد من التفاعلات الكيميائية المختلفة التي تولد القوة الدافعة الكهربية في الخلايا المنفردة. ولكن كل تفاعل كيميائي يولد قيمة واحدة للقوة الدافعة الكهربية، وهي ثابتة لجميع الخلايا التي تستخدم هذا النوع نفسه من التفاعلات. لذا، لا يمكننا صنع خلايا منفردة بأي قيمة نريدها للقوة الدافعة الكهربية. ولكن ما يمكننا عمله هو توصيل هذه الخلايا المنفردة على التوالي لإنتاج بطارية توفر القوة الدافعة الكهربية التي نحتاجها. الآن، بعد أن تعلمنا القليل عن الخلايا المتصلة على التوالي، لنستعرض بعض الأمثلة.

أي الأشكال الآتية يوضح ثلاث خلايا متصلة على التوالي؟

تذكر أن التوصيل على التوالي يعني أن الخلايا متصلة واحدة تلو الأخرى. لذلك، إذا رسمنا مسارًا عبر دائرة كهربية تحتوي على ثلاث خلايا متصلة على التوالي، فستقع الخلايا الثلاث جميعًا على هذا المسار الواحد. لاحظ أن هذه الأشكال لا توضح دوائر كاملة، بل مجرد أجزاء من دوائر. ولكن لا مشكلة في ذلك. فالفكرة واحدة. سوف نرسم مسارًا من أحد طرفي الشكل إلى الطرف الآخر. في الشكل الموجود على اليمين، توجد ثلاثة مسارات محتملة من اليسار إلى اليمين. أحد المسارات يتجه لأعلى ثم أفقيًّا ثم إلى الأسفل ثم إلى الخارج. المسار الثاني يتجه أفقيًّا عبر منتصف الرسم. والمسار الأخير يتجه لأسفل ثم أفقيًّا ثم إلى الأعلى ثم إلى الخارج.

نستطيع أن نرى أن هناك خلية واحدة بالضبط في كل مسار من هذه المسارات الثلاثة المحتملة. ونظرًا لأن كل مسار يحتوي على خلية واحدة فقط، فإننا نعرف أن هذا الشكل لا يوضح ثلاث خلايا متصلة على التوالي. لأنه إذا كانت هناك ثلاث خلايا متصلة على التوالي، فستقع جميع الخلايا الثلاث على المسار نفسه. في الشكل الموجود على اليسار، يوجد مسار واحد فقط، وهذا المسار يمر عبر الخلايا الثلاث جميعًا. وجود الخلايا الثلاث على مسار واحد هو بالضبط ما نتوقعه بالنسبة إلى ثلاث خلايا متصلة على التوالي. إذن فالشكل الذي يوضح ثلاث خلايا متصلة على التوالي هو الشكل الموجود على اليسار. أحيانًا ما يشار إلى عدة خلايا متصلة على التوالي بأنها بطارية.

في مثالنا التالي، سوف نحدد الرمز الذي يمثل البطارية في الدائرة الكهربية.

أي من الآتي يمثل الرمز الصحيح للبطارية في الدوائر الكهربية؟

تذكر أن البطارية عبارة عن عدة خلايا متصلة على التوالي. بالنظر إلى الرموز المعطاة، يوضح الرمز الموجود على أقصى اليمين خلية واحدة. هذه الخلية الواحدة ليست بطارية لأن البطارية، بحكم تعريفها، تتكون من عدة خلايا. ولكننا نتوقع أن رمز البطارية في الدائرة سيكون مشابهًا لرمز البطارية المفردة في الدائرة. باستعراض الرموز الثلاثة الأخرى، يوضح الرمز الثاني من اليمين خليتين بينهما خط متقطع. وهذا الخط المتقطع يمثل احتمالية وجود خلايا أخرى متصلة بين هاتين الخليتين.

لكن على أي حال، جميع الخلايا الممثلة بهذا الرمز متصلة واحدة تلو الأخرى. أي إنها متصلة على التوالي. وبالفعل، هذا هو رمز البطارية في دائرة كهربية؛ مجموعة من الخلايا الموصلة على التوالي. يجدر بنا أن نذكر أسماء الرموز الأخرى التي نراها هنا. على يسار البطارية توجد مقاومة، وعلى أقصى اليسار يوجد مصباح. من المهم معرفة هذين الرمزين، لأننا إذا تعرفنا على هذين الرمزين وعلمنا أنهما رمزا المصباح والمقاومة، يمكننا على الفور معرفة أنهما خياران غير صحيحين.

الآن، بعد أن استعرضنا مثالين يتناولان تحديد الخلايا المتصلة على التوالي، لنوجد القوة الدافعة الكهربية الكلية لمجموعة من ثلاث خلايا متصلة على التوالي.

يوضح الشكل ثلاث خلايا متصلة على التوالي. ما مقدار القوة الدافعة الكهربية الكلية التي تنتجها الخلايا؟

أولًا، لنتذكر أن القوة الدافعة الكهربية هي اسم آخر لفرق الجهد. وهي معطاة بالفولت، وتحديدًا الجهد المكتوب بجوار كل خلية. إذن القوة الدافعة الكهربية التي تنتجها الخلية الأولى ثلاثة فولت، والخلية الثانية ستة فولت، والخلية الثالثة اثنين فولت. ونريد أن نعرف القوة الدافعة الكهربية الكلية، وهي مجموع القوى الدافعة الكهربية الناتجة عن الخلايا المتصلة على التوالي. يمكننا إيجاد ذلك بتذكر أن القوة الدافعة الكهربية الكلية التي تنتجها مجموعة من الخلايا الموصلة على التوالي تساوي ببساطة مجموع القوة الدافعة الكهربية لكل خلية على حدة. وهكذا فإن القوة الدافعة الكهربية الكلية في الشكل المعطى تساوي ثلاثة فولت زائد ستة فولت زائد اثنين فولت.

تذكر أننا عندما نجمع كميات ذات وحدات متماثلة، فإننا نجمع الأرقام ونبقي الوحدات كما هي. إذن، ثلاثة فولت زائد ستة فولت يساوي ثلاثة زائد ستة أي تسعة فولت. وبالطريقة نفسها، تسعة فولت زائد اثنين فولت كلاهما وحدته الفولت. إذن يصبح الرقم تسعة زائد اثنين، أي ١١. وهكذا فإن الخلايا المتصلة على التوالي الموضحة في الشكل تنتج قوة دافعة كهربية كلية مقدارها ١١ فولت.

الآن وقد استعرضنا عددًا من الأمثلة، لنراجع ما تعلمناه في هذا الدرس.

في هذا الدرس، تعلمنا أنه عند توصيل عدة خلايا؛ واحدة تلو الأخرى في دائرة كهربية وجميعها في الاتجاه نفسه، فإنها تكون متصلة على التوالي. وتعلمنا أيضًا أن بإمكاننا تسمية عدة خلايا متصلة على التوالي بطارية. وهذه هي الكلمة نفسها التي نطلقها على بطاريات الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها في الحياة اليومية لأن البطاريات الموجودة في الأجهزة الإلكترونية هي في الواقع عدة خلايا متصلة على التوالي. في النهاية، رسمنا مخططات تمثل خلايا متصلة على التوالي، وتعلمنا أن القوة الدافعة الكهربية الكلية لمجموعة الخلايا الموصلة على التوالي تساوي مجموع القوى الدافعة الكهربية التي توفرها كل خلية منفردة.