نسخة الفيديو النصية
أي العبارات الآتية تمثل الوصف الصحيح للجهد الطرفي لبطارية؟ (أ) الجهد الطرفي لبطارية هو الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الموصلة بها. (ب) الجهد الطرفي لبطارية هو جهد البطارية عندما تفرغ تمامًا. (ج) الجهد الطرفي لبطارية هو الجهد اللازم للتغلب على المقاومة الداخلية للبطارية. (د) الجهد الطرفي لبطارية هو فرق الجهد بين طرفي البطارية عندما لا تنتج أي تيار.
نريد معرفة أي هذه العبارات الأربع تصف الجهد الطرفي لبطارية. دعونا نبدأ بتذكر أن البطارية جهاز يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية. ونحن نستخدم البطاريات لتوفير فرق جهد أو جهد للدائرة الكهربية. عندما نتحدث عن الدوائر الكهربية في الفيزياء، فإننا نميل إلى استخدام الخلايا المثالية بدلًا من البطاريات. والخلية المثالية، التي تمثل بهذا الرمز، غير موجودة بالفعل. فهي مكون نظري يمكنه توفير جهد ثابت، ولكن ليس لهذا المكون أي مقاومة.
تستخدم البطاريات في الدوائر الكهربية الحقيقية لتؤدي نفس الوظيفة التي تؤديها الخلية المثالية بشكل أساسي. ومع ذلك، لا تعمل البطارية والخلية المثالية بالطريقة نفسها بالضبط. وهذا لأن البطارية لها مقاومة كهربية، نسميها المقاومة الداخلية. وهذا يعني أن البطارية تعمل بالفعل كخلية مثالية موصل بها مقاومة على التوالي. المقاومة الداخلية للبطارية، التي يمكننا أن نرمز إليها بحرف 𝑟 صغير، لها بعض التأثيرات التي علينا وضعها في الاعتبار عند الحديث عن البطاريات. على وجه التحديد، تقلل المقاومة الداخلية للبطارية فرق الجهد الذي يمكن أن توفره البطارية لدائرة كهربية. دعونا نفرغ بعض المساحة في الجزء العلوي من الشاشة ونر كيف يحدث ذلك.
لنبدأ بتناول البطارية بمفردها، عندما تكون غير موصلة بدائرة كهربية ولا توجد شحنة تتدفق عبرها. في ظل هذه الظروف، إذا قسنا فرق الجهد بين طرفي البطارية الموجب والسالب، باستخدام فولتميتر، على سبيل المثال، فإننا سنقيس القوة الدافعة الكهربية، emf، للبطارية. إذن، القوة الدافعة الكهربية للبطارية، التي يمكننا أن نرمز إليها أيضًا بالرمز 𝜀، هي فرق الجهد عبر طرفي البطارية عندما لا تنتج أي تيار.
يتغير الوضع عندما نوصل البطارية بدائرة كهربية. فبمجرد أن نفعل ذلك، تبدأ الشحنة في التدفق. وتحديدًا، تتدفق شحنة سالبة في صورة إلكترونات من الطرف السالب للبطارية وتتحرك، في اتجاه عقارب الساعة، في الدائرة الكهربية التي رسمناها قبل العودة إلى الطرف الموجب للبطارية.
نجد أنه بمجرد أن تبدأ الشحنة في التدفق، يؤدي ذلك إلى تغير فرق الجهد المقيس بين طرفي البطارية. ويتضح السبب في ذلك بمجرد أن نتذكر أن البطارية لها مقاومة داخلية وأنها تعمل كخلية مثالية موصلة بمقاومة على التوالي. تمثل المقاومة التي رسمناها هنا المقاومة الداخلية للبطارية. دعونا نرمز إلى هذه المقاومة الداخلية بحرف 𝑟 صغير. وتمثل هذه الخلية المثالية التي رسمناها داخل البطارية القوة الدافعة الكهربية التي تنتجها البطارية. لذا يمكننا القول إن الخلية بها فرق جهد يساوي 𝜀. نعلم أنه عند توصيل هذه البطارية بدائرة كهربية، فإنه ينتج عن ذلك تيار يمر في الدائرة الكهربية يمكننا أن نسميه 𝐼.
من المهم ملاحظة أن هذا التيار 𝐼 يمر أيضًا خلال البطارية نفسها. إذن، لدينا بالفعل داخل البطارية شحنة تتدفق عبر مقاومة. عندما تتدفق شحنة عبر مقاومة، يمكننا النظر إلى المقاومة على أنها تستهلك بعض الجهد. أو بعبارة أخرى، أي مقاومة في دائرة كهربية سيحدث عبرها انخفاض في فرق الجهد. وهذا يعني أنه بمجرد توصيل بطارية بدائرة كهربية، ستتسبب المقاومة الداخلية للبطارية في انخفاض فرق الجهد. بعبارة أخرى، سيكون فرق الجهد الذي توفره البطارية عند توصيلها بدائرة كهربية أقل من القوة الدافعة الكهربية للبطارية، أي فرق الجهد عبر طرفيها عندما تكون غير موصلة بدائرة كهربية.
يستخدم مصطلح «الجهد الطرفي» للإشارة إلى فرق الجهد عبر طرفي البطارية أثناء استخدامها. بعبارة أخرى، الجهد الطرفي هو الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الكهربية الموصلة بها. وعادة ما يرمز لهذا الجهد الطرفي بالرمز 𝑉. ودائمًا ما يكون الجهد الطرفي للبطارية أقل من القوة الدافعة الكهربية للبطارية؛ لأن المقاومة الداخلية للبطارية تقلل فرق الجهد الذي يمكن أن توفره البطارية. والفرق بين القوة الدافعة الكهربية والجهد الطرفي للبطارية يساوي مقدار الانخفاض في فرق الجهد الناتج عن المقاومة الداخلية للبطارية. ومقدار هذا الانخفاض في الجهد يساوي شدة التيار 𝐼 المار في الدائرة الكهربية مضروبة في المقاومة الداخلية للبطارية، 𝑟.
تعرف هذه الكمية، المقيسة بالفولت، بالجهد المفقود. بعبارة أخرى، هذه الكمية هي مقدار فرق الجهد المفقود بسبب المقاومة الداخلية للبطارية. بالنظر إلى خيارات الإجابة الموجودة لدينا، يمكننا ملاحظة أن الخيار (أ) يطابق وصف الجهد الطرفي الذي ذكرناه منذ قليل. فهو الجهد أو فرق الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الموصلة بها. إذن، يبدو أن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة. لكن دعونا نلق نظرة على الخيارات الأخرى أيضًا.
ينص الخيار (ب) على أن الجهد الطرفي لبطارية هو جهد البطارية عندما تفرغ تمامًا. عندما تكون البطارية مفرغة تمامًا، يكون جهدها صفر فولت. وهذا يعني أن البطارية المفرغة تمامًا لا يمكنها إنتاج أي تيار عند توصيلها بدائرة كهربية. لكننا نعلم أن الجهد الطرفي لبطارية يشير إلى فرق الجهد عبر البطارية عندما تنتج بالفعل تيارًا داخل الدائرة الكهربية. إذن، نعلم أن الخيار (ب) ليس الإجابة الصحيحة.
ينص الخيار (ج) على أن الجهد الطرفي لبطارية هو الجهد اللازم للتغلب على المقاومة الداخلية للبطارية، لكننا نعلم أن هذا ليس التعريف الصحيح أيضًا. في الواقع، هذا هو تعريف الجهد المفقود للبطارية في الدائرة الكهربية. وأخيرًا، ينص الخيار (د) على أن الجهد الطرفي لبطارية هو فرق الجهد بين طرفي البطارية عندما لا تنتج أي تيار. لكننا نعلم أن هذا التعريف يطابق بالفعل تعريف القوة الدافعة الكهربية، emf، للبطارية. إذن، نظرًا لأن الخيارين (ج) و(د) غير صحيحين أيضًا، فإننا نعلم أن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة في النهاية. فالجهد الطرفي لبطارية هو الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الموصلة بها.
