فيديو الدرس: فرق الجهد الكهربي العلوم

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على فرق الجهد الكهربي، وكيف يمر تيار ناتج عن وجود فرق جهد كهربي عبر مكون في دائرة كهربية.

٢٠:٠٢

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على فرق الجهد الكهربي، وكيف يمر تيار ناتج عن وجود فرق جهد كهربي عبر مكون في دائرة كهربية. نلاحظ أن فرق الجهد الكهربي يتضمن بذل شغل على الشحنات الكهربية.

لنفترض أننا بدأنا بهذين الجسمين. يمكن أن يكون الجسمان أي شيء. يمكن أن يكونا بليتين أو كرتي تنس طاولة أو بالونين. لكن الأمر المهم بشأن هذين الجسمين هو أن لكل منهما شحنة كهربية. تذكر أن هناك نوعين من الشحنة الكهربية. هناك شحنة موجبة وشحنة سالبة. وما سنفترضه هو أن هذا الجسم الموجود على اليسار له شحنة موجبة، والجسم الموجود على اليمين له شحنة كهربية سالبة.

في أي وقت يكون فيه لجسم ما شحنة كهربية، فهذا يعني أن هذا الجسم يؤثر بقوة ما على أي جسم آخر له شحنة كهربية أيضًا. وهذا يعني أن كل جسم من الجسمين سيؤثر على الجسم الآخر بقوة ما. يمكننا معرفة اتجاه تأثير القوة لأن هذين الجسمين لهما شحنتان كهربيتان مختلفتان أو متعاكستان. تنجذب الأجسام ذات الشحنات الكهربية المتعاكسة معًا. سينجذب الجسم الأحمر إلى اليمين، وينجذب الجسم الأزرق إلى اليسار. ومن ثم، يقترب الجسمان كل منهما نحو الآخر. وفي الحقيقة، سيستمر الجسمان في التحرك كل منهما في اتجاه الآخر حتى يتقابلا. ولكي نمنع حدوث ذلك، بغرض الحفاظ على الشحنتين في موضعهما أو حتى لتحريك كل منهما بعيدًا عن الأخرى، فعلينا التأثير بقوة ما على هاتين الشحنتين. ولا بد أن تكون هذه القوة مؤثرة على الأقل بنفس مقدار القوة التي تجذب كلًّا من الشحنتين إلى الأخرى.

والآن، لنفترض أننا فعلنا ذلك، ولنفترض أننا دفعنا كل جسم من هذين الجسمين بقوة ما — سنسميها ﻕ — قوية بما يكفي لتحريك كل جسم بعيدًا عن الآخر. وبفعل ذلك، نكون قد بذلنا ما يسمى بالشغل على هذين الجسمين. لكلمة «الشغل» هذه في الفيزياء معنى محدد للغاية. إذ تساوي القوة التي نؤثر بها على جسم ما مضروبة في إزاحة هذا الجسم الذي تحركه. ونظرًا لأننا أثرنا بقوة ما على كل من الجسم الموجب الشحنة والجسم السالب الشحنة، وجعلنا هذين الجسمين يتحركان نتيجة لهذه القوة، فإننا بذلنا شغلًا عليهما. ويرتبط هذا كله ارتباطًا وثيقًا بفرق الجهد الكهربي. في أي وقت نبذل فيه شغلًا، بحيث يبذل هذا الشغل على كمية معينة من الشحنة الكهربية، نكون قد أنشأنا فرق جهد كهربي.

يعد فرق الجهد الكهربي عبارة طويلة، لكننا نعرف الآن المعنى الفيزيائي للعبارة. بوجود مجموعة من الأجسام التي لها شحنة كهربية، مثل هذين الجسمين الموجودين هنا، فإننا ننشئ فرق جهد كهربي عندما نبذل شغلًا على هاتين الشحنتين. وتوضح لنا هذه المعادلة كيف يمكننا الحصول على فرق جهد كهربي أكثر أو أقل. وعند بذل شغل على هذين الجسمين، يمكننا زيادة فرق الجهد الكهربي لهما ببذل المزيد من الشغل عليهما. وهذا قد يعني تطبيق هذه القوة ﻕ لفترة زمنية أطول لكي تتحرك الشحنتان كل منهما أبعد من الأخرى. وهذا يعني أننا إذا أردنا تقليل فرق الجهد الكهربي لهاتين الشحنتين، يمكننا بالطبع بذل شغل أقل عليهما. وفي هذه الحالة، سينتهي بهما المطاف بأن يقترب كل منهما من الآخر أكثر بدلًا من أن يبتعدا.

لكننا نلاحظ أن هناك شيئًا آخر يؤثر على فرق الجهد الكهربي، وهو مقدار الشحنة المعنية. إذا قمنا، على سبيل المثال، بزيادة مقدار الشحنة الموجودة في كل جسم من هذين الجسمين مع بقاء الشغل المبذول على الشحنتين كما كان من قبل، فإننا في المجمل سنقلل فرق الجهد الكهربي لهما. إن فكرة إبعاد الشحنات الكهربية ببذل شغل هي في الواقع التي تتسبب في تدفق الشحنات في الدائرة الكهربية.

تخيل أن لدينا قطعة معدنية موضوعة على المكتب. إذا نظرنا عن كثب إلى هذه القطعة المعدنية، فسنجد الذرات التي تكونها. هنا تمثل كل نقطة حمراء نواة ذرة. وتحمل هذه النواة شحنة كلية موجبة، وتمثل كل نقطة زرقاء صغيرة إلكترونًا. وهذه الإلكترونات شحنتها الكهربية سالبة. إذن، في جميع أجزاء هذه القطعة المعدنية، يكون لدينا مجموعة من الأجسام ذات الشحنات الكهربية الموجبة والسالبة. ومثلما سبق تمامًا، فعندما يكون لدينا جسمان فقط لهما شحنة، يمكننا بذل شغل على هاتين الشحنتين. الآن، توجد حالة خاصة هنا. نظرًا لأننا نتعامل مع قطعة معدنية، فهذا يعني أن النوى موجبة الشحنة تكون ثابتة في موضعها. إذ لا يمكن أن تتحرك. وعلى الجانب الآخر، يمكن للإلكترونات أن تتحرك. إذ إن لها حرية الحركة في جميع أجزاء هذه القطعة من المادة.

لذا إذا بدأنا في بذل شغل على هذه الشحنات لإبعاد كل منها عن الأخرى، أي أبعد عما تكون عليه في الحالة الطبيعية، فستظل النقاط الحمراء، أي النوى، ثابتة في موضعها. لكن النقاط الزرقاء، أي الإلكترونات، ستبدأ في التحرك باتجاه أحد طرفي هذه القطعة المعدنية. وستبدأ الشحنات الموجودة في المعدن في الظهور بهذا الشكل. لاحظ أنه يوجد الآن المزيد من الإلكترونات بالقرب من هذا الطرف للقطعة المعدنية، وإلكترونات أقل بكثير هنا. ومرة أخرى، لقد حدث هذا لأننا بذلنا شغلًا على هذه الشحنات. ونظرًا لأننا بذلنا شغلًا على مجموعة الشحنات هذه، فهذا يعني أن هناك فرقًا في الجهد الكهربي من أحد طرفي هذه القطعة إلى الطرف الآخر. والطريقة التي حصلنا بها على هذا الفصل للشحنات حيث أصبحت معظم الشحنة السالبة هنا ومعظم الشحنة الموجبة هنا هي التأثير بقوة ما على هذه الشحنات.

وإذا توقفنا عن التأثير بهذه القوة، فستعود جميع هذه الشحنات السالبة إلى ما كانت عليه من قبل، موزعة بالتساوي في جميع أجزاء هذه القطعة. لكن لنفترض بدلًا من ذلك أننا حافظنا على فرق الجهد الكهربي هذا. وهذا يعني أننا سنواصل دفع الشحنات السالبة باتجاه الجانب الأيمن من القطعة. وعلى الرغم من أنها تنجذب إلى الجانب الموجب إجمالًا الموجود على اليسار، فإننا لا ندعها تتحرك في هذا الاتجاه بسبب القوى التي نؤثر بها. وبإعداد هذه القطعة من المادة بهذه الطريقة، فإنها تصبح مثل الخلية أو البطارية. يتمثل الغرض من وجود بطارية في دائرة كهربية في إيجاد فرق الجهد الكهربي. ذكرنا أن الشحنات السالبة الموجودة في هذا الطرف من البطارية تنجذب عادة إلى الشحنات الموجبة الموجودة في هذا الطرف، لكنها لا يمكن أن تتحرك في هذا الاتجاه طالما أننا نحافظ على فرق الجهد الكهربي هذا.

الآن لنفترض أننا أخذنا جزءًا من سلك موصل بمصباح كهربي، ووصلنا طرفي السلك بطرفي البطارية كما بالشكل. فالشحنات السالبة الموجودة في هذا الطرف من البطارية، التي تتنافر كل منها من الأخرى، لها الآن مسار للتحرك باتجاه الطرف الموجب للبطارية. وسوف تتدفق الإلكترونات السالبة في هذا الاتجاه. والسلك نفسه يحتوي بالفعل على إلكترونات. وستدفعها حركة إلكترونات البطارية عبر السلك، وهو ما يتسبب في إضاءة المصباح وتدفق الشحنة عبر الدائرة أثناء تحركها باتجاه الطرف الموجب للبطارية. يسمى هذا التدفق للإلكترونات بالتيار الكهربي.

في أي وقت يحدث فيه فرق جهد كهربي عبر دائرة كهربية ستتدفق شحنة. وسيكون هناك تيار. وتعتمد شدة التيار بشكل جزئي على مقدار فرق الجهد الكهربي. ويقاس فرق الجهد الكهربي بوحدة تسمى الفولت. قد توفر الخلية أو البطارية الصغيرة، على سبيل المثال، فرق جهد مقداره ١٫٥ فولت. وبالطريقة التي أعدت بها البطارية هنا، لاحظنا أن طرف البطارية ذا الشحنة الكلية السالبة يقع هنا. وهذا ما يسمى بالطرف السالب للبطارية. وبالمثل يسمى هذا الطرف الموجود هنا، الذي يحتوي على معظم الشحنات الموجبة، بالطرف الموجب.

يمكننا تمثيل البطارية باستخدام ما يسمى برمزها في الدائرة الكهربية. سيرمز للبطارية، بما تحتويه من طرف موجب على اليسار وطرف سالب على اليمين، بهذه الطريقة. لاحظ أن الخط الأقصر يناظر هذا الطرف السالب. وبالمثل، يوجد رمز للمصباح في الدائرة الكهربية. وهو يبدو بهذا الشكل. دائرة بها قطران متقاطعان. عندما نوصل رموز الدائرة هذه باستخدام خطوط مستقيمة، نقول إنها موصلة جميعًا في دائرة واحدة متصلة. إذن، توجد هنا البطارية بطرفها الموجب على اليسار، وهنا المصباح، وهنا السلك الذي يوصل البطارية والمصباح. ونظرًا لأن البطارية تنتج فرق جهد كهربي عبر المصباح، تتدفق الشحنة الكهربية خلاله.

وبعد أن عرفنا كل ذلك، لنلق نظرة الآن على بعض الأمثلة.

توضح الصورة إلكترونًا قريبًا من نواة ذرية. هل تتجاذب أم تتنافر النواة الذرية والإلكترون؟

في هذه الصورة، لدينا جسمان: نواة ذرية وإلكترون. يطلب منا السؤال تحديد ما إذا كانت النواة والإلكترون يتجاذبان أو يتنافران. وهذا يشير إلى أن هناك قوة ما بينهما. ستوجد قوة بين هذين الجسمين إذا كان لكل منهما شحنة كهربية. وبالفعل، فهذا هو الحال. فالإلكترون له شحنة كهربية سالبة، بينما النواة الذرية لها شحنة كهربية كلية موجبة. ونظرًا لأن كلا الجسمين له شحنة، فستكون هناك قوة بينهما. وعلاوة على ذلك، نعلم أن هذين الجسمين لهما شحنتان كهربيتان متعاكستان. وعندما يكون لجسمين شحنتان كهربيتان متعاكستان، فإن كلًّا منهما يجذب الآخر. وستكون هناك قوة تؤثر على النواة في اتجاه الإلكترون، وقوة تؤثر على الإلكترون في اتجاه النواة. إذن، للإجابة عن هذا السؤال، نكتب أن النواة والإلكترون يتجاذبان.

لنتناول الآن الجزء الثاني من هذا المثال.

أي العبارتين الآتيتين صواب؟ (أ) يمكن إبعاد الإلكترون عن النواة دون بذل أي شغل. (ب) لإبعاد الإلكترون عن النواة، يجب بذل شغل على الإلكترون.

لقد عرفنا من الجزء الأول لهذا السؤال أنه توجد قوة تجاذب بين النواة والإلكترون. هذه القوة ستجعل الإلكترون والنواة يتقاربان. في هذا الجزء من السؤال، نتخيل تحرك الإلكترون بعيدًا عن النواة. ولفعل ذلك، علينا التأثير بقوة ما للتغلب على قوة التجاذب هذه، التي تجذب الإلكترون والنواة معًا. لذا علينا التأثير بقوة ما على الإلكترون، وهذه القوة هي التي تجعله يتحرك بعيدًا. وبما أننا نؤثر بقوة ما على الإلكترون خلال مسافة ما؛ فهذا يعني أننا نبذل شغلًا عليه. وإذا لم نبذل أي شغل على الإلكترون، فلن توجد طريقة تحركه بعيدًا عن النواة. لذا نختار خيار الإجابة (ب). لإبعاد الإلكترون عن النواة، يجب بذل شغل على الإلكترون.

لنتناول الآن مثالًا آخر.

تبذل بطارية شغلًا على الشحنات بداخلها لإبعاد الشحنات إلى طرفيها. أكمل العبارة الآتية: فرق الجهد الناتج عن البطارية يساوي فراغًا مقسومًا على فراغ. (أ) كمية الشحنة التي أبعدت إلى الطرفين، كمية الشغل المبذول. (ب) كمية الشحنة التي أبعدت إلى الطرفين، المسافة بين الطرفين. (ج) كمية الشغل المبذول، كمية الشحنة التي أبعدت إلى الطرفين. (د) كمية الشغل المبذول، المسافة بين الطرفين.

بعد أن علمنا أننا نتعامل هنا مع بطارية، لنفرغ بعض المساحة في أعلى الشاشة ونفكر فيما يحدث في هذه البطارية. تحتوي هذه البطارية على شحنات كهربية. إذ تحتوي على شحنات موجبة، أوضحناها هنا باللون الأحمر، مرتبة في شبكة منظمة. وتحتوي أيضًا على شحنات سالبة هنا باللون الأزرق. يمكن لهذه الشحنات أن تتحرك في جميع أجزاء البطارية. علمنا أن البطارية تبذل شغلًا على هذه الشحنات لإبعادها إلى الطرفين. وهذا يعني أنها ستؤثر بقوى على هذه الشحنات وتؤدي إلى تحركها. لقد ذكرنا أن الشحنات الحمراء، أي الشحنات الموجبة، ثابتة في موضعها، لكن الشحنات السالبة الزرقاء يمكن أن تتحرك. ومن ثم فإن هذه القوة ستجعل الشحنات السالبة الزرقاء تتركز عند أحد طرفي البطارية.

ولهذا السبب يسمى هذا الطرف من البطارية طرفها السالب. وهذا يعني أن الطرف الآخر، الذي توجد فيه شحنات موجبة أكثر من الشحنات السالبة، هو الطرف الموجب. لذا بذلت البطارية شغلًا على الشحنات الموجودة بداخلها لتفريق الشحنات. وتفريق الشحنات هذا يعني أن هناك فرق جهد عبر البطارية الآن.

نحن نريد أن نعرف أي خيارات الإجابة الأربعة يصف بشكل أفضل فرق الجهد هذا من خلال ملء الفراغين الموجودين في العبارة. أول ما يمكننا قوله عن فرق الجهد هذا هو أنه يعتمد على كمية الشغل المبذول لفصل الشحنات في البطارية. فكلما زادت كمية الشغل، زادت الشحنات السالبة المتجهة إلى الطرف السالب؛ ومن ثم يزيد فرق الجهد. والآن لاحظ أن العبارة تصف كسرًا. ما يكمل الفراغ الأول أيًّا كان مقسوم على ما يكمل الفراغ الثاني أيًّا كان. في الحقيقة يمكننا التفكير في هذه العبارة على أنها مماثلة للمعادلة الرياضية لفرق الجهد.

بإفراغ مساحة إضافية صغيرة، يمكننا كتابة أن هذه المعادلة ستكون بهذا الشكل. إن فرق الجهد الناتج عن البطارية، الذي سنسميه ﺟ، يساوي ما يكمل الفراغ الأول من العبارة أيًّا كان مقسومًا على ما يكمل الفراغ الثاني أيًّا كان. لاحظنا منذ لحظات أنه كلما كان الشغل المبذول على الشحنات في البطارية أكبر، كان فرق الجهد عبر البطارية أكبر. وهذا يخبرنا بما يجب علينا وضعه في الفراغ الأول من العبارة. يجب أن تكون كمية الشغل التي تبذلها البطارية في بسط هذا الكسر. وبالنظر إلى خيارات الإجابة، نجد أن الخيارين (ج) و(د) فقط هما من لديهما كمية الشغل المبذول في هذا الفراغ الأول.

إذن يمكننا استبعاد الخيارين (أ) و(ب) مباشرة من الحسبان. يختلف الخياران (ج) و(د) فيما يقترحانه لإكمال الفراغ الثاني. يعطي الاختيار (ج) كمية الشحنة التي أبعدت إلى الطرفين. وعلى الجانب الآخر، يصف الخيار (د) المسافة بين الطرفين، أي المسافة بين طرفي البطارية الموجب والسالب.

لنفكر الآن قليلًا في الشغل عندما يطبق في حالاته الفيزيائية. الشغل المبذول على جسم ما، مثل إحدى هذه الشحنات الموجودة في البطارية، يساوي القوة المؤثرة على هذه الشحنة مضروبة في المسافة التي تقطعها الشحنة. بعبارة أخرى، تتضمن بالفعل فكرة الشغل هذه المسافة التي تقطعها هذه الشحنات. ولسنا بحاجة إلى أخذ هذه المسافة في الاعتبار مرة أخرى، كما يقترح الخيار (د). وإذا وضعنا الشحنة في مقام هذا الكسر، بدلًا من المسافة، فسنجد أنه بالنسبة إلى كمية ثابتة من الشغل المبذول على الشحنات، فالتفريق بين كمية أكبر من الشحنة لا يؤدي إلى التفريق بينها بمسافة كبيرة. وهذا يعني أن فرق الجهد ليس كبيرًا.

وعلى الجانب الآخر، بالنسبة إلى كمية أصغر من الشحنة، يمكن أن تدفع الكمية الثابتة من الشغل هذه الشحنات بعيدًا عن بعضها نسبيًّا. ومن ثم، يعني تفريق مقدار أقل من الشحنات فرق جهد أكبر مرة أخرى عند بذل كمية معينة من الشغل. إذن من المنطقي وجود الشغل في بسط هذا الكسر ووجود الشحنة في المقام. إذن، للإجابة، نختار الخيار (ج). فرق الجهد الناتج عن البطارية يساوي كمية الشغل المبذول مقسومًا على كمية الشحنة المفصولة.

لنختتم هذا الدرس بمراجعة بعض النقاط الرئيسية. في هذا الفيديو، عرفنا أن فرق الجهد الكهربي، الذي يسمى أحيانًا فرق الجهد للاختصار، يساوي الشغل المبذول للتفريق بين الشحنات الكهربية مقسومًا على كمية الشحنة التي فرقت. ولاحظنا أيضًا أن فرق الجهد الكهربي عبر مكون في دائرة ينتج تيارًا كهربيًّا في هذا المكون. وأخيرًا، عرفنا أن فرق الجهد الكهربي يقاس بوحدة الفولت. وهذا هو ملخص فرق الجهد الكهربي.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.