فيديو الدرس: الفولتميتر العلوم

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نستخدم الفولتميتر في الدوائر الكهربية لقياس فرق الجهد عبر أحد مكونات الدائرة.

الفولتميتر هو جهاز يستخدم لقياس فرق الجهد عبر مكونات الدائرة الكهربية. في كثير من الأحيان، يأخذ الفولتميتر شكل صندوق مكون من تدريج في الأمام وطرفين يمكننا توصيلهما بسلك لتوصيل الفولتميتر بالدائرة الكهربية. وفي أحيان أخرى، قد نجد فولتميترات رقمية، وهي تشبه الفولتميترات التقليدية. فكل منهما يتضمن صندوقًا وطرفين أيضًا. ولكن بدلًا من التدريج، يحتوي الفولتميتر الرقمي على شاشة لعرض قراءاته. في كلتا الحالتين، يشير حرف ‪V‬‏ الكبير إلى جهاز الفولتميتر وليس إلى أي جهاز آخر.

لاستخدام الفولتميتر، علينا توصيله بدائرة كهربية. لدينا هنا مثال على دائرة كهربية تحتوي على بطارية، ومصباح، وفولتميتر. ويمكننا ملاحظة أن التدريج قد تحرك إلى موضع جديد. يخبرنا التدريج أن فرق الجهد عبر البطارية في الدائرة الكهربية التي لدينا يساوي خمسة فولت. لذا، إذا كنا نجري تجربة باستخدام الفولتميتر، فيمكننا القول إن فرق الجهد عبر البطارية، كما يقيسه الفولتميتر، يساوي خمسة فولت. تذكر أن وحدة قياس فرق الجهد هي الفولت.

من المهم جدًّا التأكد من أن الفولتميتر موصل على التوازي بالمكونات التي نحاول قياس فرق الجهد عبرها. ولكي نفهم معنى هذا، دعونا ننظر إلى المسار الذي يسلكه التيار خلال الدائرة الكهربية. بداية من الطرف الموجب للبطارية، يمكن أن تتدفق الشحنات عبر الدائرة الكهربية في اتجاه عقارب الساعة، ثم تتدفق عبر المصباح، متسببة في إضاءته، ثم إلى الجانب الآخر، قبل أن تتدفق إلى الطرف السالب للبطارية. ولكن هناك مسار آخر يمكن أن يسلكه التيار. مرة أخرى، بداية من الطرف الموجب للبطارية، يمكن أن تتدفق الشحنات عكس اتجاه عقارب الساعة حتى تصل إلى الفولتميتر، وتتدفق عبره ثم تخرج من الجانب الآخر، ثم تعود إلى الخلف للطرف السالب للبطارية.

في هذه الدائرة الكهربية، الفولتميتر موصل على التوازي بالمكون الذي نحاول قياس فرق الجهد عبره، وهو البطارية. ونعرف ذلك لأن التيار يمكن أن يتحرك في اتجاه عقارب الساعة أو في عكس اتجاه عقارب الساعة عبر الدائرة الكهربية، وهو ما يعني أن الفولتميتر موصل على فرع منفصل من الدائرة الكهربية. لكي نفهم هذا بشكل أوضح، دعونا نتناول بعض أشكال الدائرة الكهربية. دعونا نبدأ بتذكر أن هذا هو رمز البطارية في الدائرة الكهربية. وهو يشبه عدة خلايا متصلة معًا بنقاط مرسومة في المنتصف. بعد ذلك يمكننا رسم السلك الذي يصل الطرف الموجب من البطارية بالمصباح. ويتصل المصباح بهذا السلك. تذكر أن رمز المصباح داخل الدائرة الكهربية هو دائرة في منتصفها حرف ‪X‬‏. لدينا بعد ذلك السلك الذي يصل بين المصباح والطرف السالب للبطارية.

والآن، نفكر في المسار الآخر الذي يمكن أن تسلكه الشحنات أثناء تدفقها عبر الدائرة الكهربية. أولًا، نرسم السلك الذي يصل الطرف الموجب للبطارية بالفولتميتر. ثم نرسم الفولتميتر نفسه، ونلاحظ أننا نرمز له داخل الدائرة الكهربية بدائرة في منتصفها حرف ‪V‬‏ كبيرًا. بعد ذلك، نرسم السلك الذي يمتد من الفولتميتر إلى الطرف السالب للبطارية. مرة أخرى، يمكننا التفكير في المسار الذي يسلكه التيار عبر الدائرة الكهربية. بداية من الطرف الموجب للبطارية، نرى أن الشحنات يمكن أن تتدفق في اتجاه عقارب الساعة عبر المصباح، لكي تضيئه، ثم تعود إلى الطرف السالب للبطارية. أو بدلًا من ذلك، يمكن أن تتدفق الشحنات أيضًا في عكس اتجاه عقارب الساعة متجهة إلى الفولتميتر ثم تعود إلى الطرف السالب للبطارية. ويوضح لنا هذا أن الفولتميتر موصل على فرع مختلف من الدائرة الكهربية والمكون الذي يقيس فرق الجهد عبره، وهو البطارية. ويرجع ذلك إلى أن الشحنات التي تتدفق عبر البطارية لا تتدفق كلها عبر الفولتميتر؛ لأن جزءًا منها يتدفق بدلًا من ذلك في اتجاه عقارب الساعة عبر المصباح. وبذلك، نتأكد من أن الفولتميتر موصل على التوازي بالبطارية.

ولكن، إذا أردنا توصيل الفولتميتر بالدائرة بهذا الشكل، فسنلاحظ أنه لا يوجد إلا مسار واحد للتيار عبر الدائرة، وهو ما يعني أن كل الشحنات التي تتدفق عبر البطارية تتدفق كلها أيضًا عبر الفولتميتر. وهذا يعني أن الفولتميتر موصل بالبطارية على التوالي، وفي هذه الحالة لن يعمل الفولتميتر، لأنه ليس موصلًا بالبطارية بصورة صحيحة. إذن، لكي يعمل الفولتميتر بصورة صحيحة، يجب أن يكون موصلًا على التوازي.

هناك أمر آخر مهم علينا ملاحظته، وهو أن الفولتميتر يمكن أن يتشابه مع بعض الأجهزة الأخرى. وأكثر هذه الأجهزة شيوعًا هو الأميتر. قد يبدو الأميتر مطابقًا تقريبًا للفولتميتر. ففي العموم يأخذ الأميتر أيضًا شكل صندوق، مكون من تدريج، وله أيضًا طرفان لتوصيله بالدائرة. في بعض الأحيان تكون الطريقة الوحيدة لمعرفة الفرق بين الأميتر والفولتميتر هي حرف ‪A‬‏ الكبير الموجود على الأميتر، بينما يتميز الفولتميتر بحرف ‪V‬‏ كبيرًا.

من المهم للغاية ألا نخلط بين الأميتر والفولتميتر. وهذا لأن لكل منهما وظيفته التي تختلف تمامًا عن الآخر. فالفولتميتر يقيس فرق الجهد عبر أحد مكونات الدائرة الكهربية، بينما الأميتر يقيس شدة التيار عبر أحد مكونات الدائرة الكهربية. وكما نعلم، لا بد أن يكون الفولتميتر موصلًا على التوازي بالمكون الذي يقيس فرق الجهد عبره، بينما لا بد أن يكون الأميتر موصلًا على التوالي بالمكون الذي يقيس شدة التيار عبره. لذا إذا أردنا استخدام الفولتميتر، فمن المهم للغاية أن نبحث عن حرف ‪V‬‏ الكبير الموجود على الجزء الأمامي منه.

والآن بعد أن عرفنا بعض المعلومات عن الفولتميتر، دعونا نلق نظرة على سؤالين يساعداننا في فهم الموضوع بشكل أفضل.

يوضح الشكل دائرة كهربية. ما عدد الفولتميترات الموجودة في الدائرة؟

لدينا شكل لدائرة كهربية تحتوي على عدة مكونات. فهي تحتوي على واحد، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية مكونات، وهذا عدد كبير للغاية. والمطلوب هو إيجاد عدد الفولتميترات الموجودة في الدائرة. للإجابة عن هذا السؤال، نبدأ بتذكر رمز الفولتميتر داخل الدائرة الكهربية، وهو دائرة في منتصفها حرف ‪V‬‏ كبيرًا. إذن، بالنظر إلى الدائرة الكهربية الموجودة لدينا، يمكننا أن نرى واحدًا، اثنين من الفولتميترات. والمكونات الأخرى هي خلية، وأميتر، وثلاثة مصابيح، ومفتاح مفتوح. رمز الأميتر داخل الدائرة الكهربية يشبه إلى حد ما رمز الفولتميتر، ولكنه عبارة عن دائرة في منتصفها حرف ‪A‬‏ كبيرًا. إذن، إجابة هذا السؤال هي فولتميتران. يوجد فولتميتران في الدائرة.

دعونا نتناول الآن مثالًا آخر.

يوضح كل شكل من الأشكال الآتية دائرة كهربية تحتوي على خلية، ومصباح، وجرس، وفولتميتر. ما الشكل الذي يوضح كيف يجب توصيل الفولتميتر بالدائرة لقياس فرق الجهد عبر المصباح فقط؟

للإجابة عن هذا السؤال، نبدأ بالنظر إلى رموز مكونات كل دائرة من هذه الدوائر الكهربية. لدينا خلية، ويرمز لها داخل الدائرة الكهربية بهذا الشكل، وهو عبارة عن خط طويل يمثل الطرف الموجب، وخط قصير يمثل الطرف السالب. كما أن لدينا مصباحًا، ويرمز له داخل الدائرة الكهربية بهذا الرمز، وهو دائرة في منتصفها حرف ‪X‬‏. ولدينا أيضًا جرس، ويرمز له داخل الدائرة الكهربية بنصف دائرة يخرج منها خطان. كما أن لدينا فولتميترًا، ويرمز له داخل الدائرة الكهربية بدائرة في منتصفها حرف ‪V‬‏ كبيرًا.

المطلوب منا في السؤال تحديد طريقة توصيل الفولتميتر لقياس فرق الجهد عبر المصباح فقط. لعلنا نتذكر أنه لكي يقيس الفولتميتر فرق الجهد عبر أحد المكونات، يجب أن يكون موصلًا على التوازي بهذا المكون. إذن، في هذه الحالة، يجب توصيل الفولتميتر على التوازي بالمصباح فقط. والآن، علينا تحديد أي من الدوائر (أ) و(ب) و(ج) و(د) و(هـ) تحتوي فولتميتر موصل على التوازي بالمصباح فقط.

ولمعرفة ذلك، يمكننا أن نتتبع المسار الذي يسلكه التيار عبر كل دائرة. دعونا نبدأ بالدائرة (أ). تتدفق الشحنات من الطرف الموجب للخلية ثم إلى المصباح وتمر عبره. ثم تصل إلى هذا الطرف، وعنده يتفرع التيار، حيث يتدفق جزء من التيار للأسفل باتجاه الفولتميتر ويتدفق الجزء الآخر لليسار باتجاه الجرس. تتدفق الشحنات عبر الفولتميتر ثم للأعلى مرة أخرى، حيث تنضم مرة أخرى إلى الشحنات التي تتدفق عبر الجرس عند هذه الوصلة. بعد ذلك تعود الشحنات إلى الطرف السالب للخلية. بتتبع مسار التيار عبر الدائرة الكهربية، نلاحظ أن الفولتميتر موصل على التوازي بأحد المكونات الأخرى؛ حيث تتدفق الشحنات ويتجه جزء منها إلى الفولتميتر، وجزء آخر إلى الجرس. وهذا يعني أن الفولتميتر موصل على التوازي بأحد المكونات، ولكن هذا المكون هو الجرس، وليس المصباح. إذن، يمكننا القول إن مخطط الدائرة (أ) ليس هو الطريقة الصحيحة لتوصيل الفولتميتر على التوازي مع المصباح فقط.

دعونا نلق نظرة على مخطط الدائرة (ب). تتدفق الشحنات السالبة من الطرف الموجب للخلية حتى تصل إلى هذه الوصلة هنا، وتتفرع عندها. ويتدفق جزء من الشحنات باتجاه الفولتميتر ويمر عبره، ثم يخرج من الطرف الآخر حتى يصل إلى هذه الوصلة الثانية هنا. يتدفق الجزء الآخر من الشحنات إلى اليسار، عبر المصباح، ثم عبر الجرس، قبل أن ينضم مرة أخرى إلى الشحنات المتدفقة عبر الفولتميتر عند هذه الوصلة. ثم يستمر تدفق الشحنات مرة أخرى حتى تصل إلى الطرف السالب للخلية. نلاحظ هنا أن الفولتميتر موصل على التوازي بالمصباح؛ وذلك بسبب تفرع تيار الشحنات، حيث يتجه جزء منه إلى الفولتميتر، ويتجه الجزء الآخر إلى المصباح. إلا أن الشحنات التي تتدفق عبر المصباح تتدفق أيضًا عبر الجرس، وهو ما يعني أن الفولتميتر موصل على التوازي بكل من الجرس والمصباح. ولكننا نريد أن يكون الفولتميتر موصلًا على التوازي بالمصباح فقط. إذن يمكننا القول إن هذه ليست الطريقة الصحيحة لتوصيل الفولتميتر بالدائرة الكهربية.

دعونا نلق نظرة على الخيار (ج). بتتبع مسار تيار الشحنات مرة أخرى، نلاحظ أنه يتفرع عند هذه الوصلة نفسها، ويتجه جزء منه إلى الفولتميتر، ثم يمر عبره، في حين يتجه الجزء الآخر إلى المصباح، قبل أن يلتقي الجزءان عند هذه الوصلة هنا. ثم تتدفق الشحنات إلى باقي الدائرة. نلاحظ هنا أن الفولتميتر موصل على التوازي بالمصباح. حيث يتدفق جزء من الشحنات إلى أسفل باتجاه الفولتميتر ويمر عبره، بينما يتدفق الجزء الآخر من الشحنات عبر المصباح. وتلتقي الشحنات مرة أخرى عند هذه الوصلة هنا، أي إن الفولتميتر موصل على التوازي بالمصباح فقط. وهذا يعني أن مخطط الدائرة الكهربية (ج) هو خيار صحيح لطريقة توصيل الفولتميتر بالدائرة الكهربية.

دعونا ننتقل إلى الخيار (د)، باتباع المسار الذي يسلكه التيار المتدفق عبر الدائرة، نرى على الفور أنه يتفرع عند هذه الوصلة. ويتدفق جزء من الشحنات لأعلى باتجاه الفولتميتر، ثم يمر عبره، ويعود إلى هذه الوصلة هنا، في حين يتدفق الجزء الآخر من الشحنات لأسفل باتجاه المصباح، ثم عبر الجرس، قبل أن يلتقي الشحنات الأخرى. وبناء على ذلك، يتضح أن الفولتميتر موصل على التوازي بكل من المصباح والجرس، أي مثل الخيار (ب). لذا يمكننا استبعاد الخيار (د).

وأخيرًا، يمكننا النظر إلى مخطط الدائرة (هـ). كما فعلنا من قبل، نتتبع المسار الذي يسلكه التيار عبر الدائرة. نرى أن تيار الشحنات يتفرع عند هذه الوصلة هنا، حيث يتدفق جزء من الشحنات عبر الفولتميتر إلى هذه الوصلة على اليسار، بينما يتدفق الجزء الآخر من الشحنات لأسفل باتجاه المصباح ثم عبر الجرس، قبل أن يلتقي الجزءان عند هذه الوصلة. نلاحظ أنه بينما يتدفق جزء من الشحنات عبر الفولتميتر، فإن الشحنات المتبقية تتدفق عبر كل من المصباح والجرس. إذن، الفولتميتر موصل على التوازي بكل من المصباح والجرس. وهذا يطابق مخططي الدائرتين (د) و(ب). إذن نعرف أن هذه طريقة غير صحيحة لتوصيل الفولتميتر بالدائرة. ويمكننا استبعاد هذا الخيار.

وبذلك نكون قد حددنا (ج) بأنه الخيار الصحيح لطريقة توصيل الفولتميتر بالدائرة. واستبعدنا الخيارات الأخرى. يوضح لنا الخيار (ج) طريقة توصيل الفولتميتر بالدائرة لقياس فرق الجهد عبر المصباح فقط.

بعد أن تناولنا هذين السؤالين، دعونا نلخص ما تعلمناه في هذا الفيديو. في هذا الفيديو، عرفنا أولًا أن الفولتميترات هي أجهزة تستخدم لقياس فرق الجهد عبر أحد المكونات في دائرة كهربية. ورأينا أن الفولتميتر يرمز له داخل الدائرة الكهربية بدائرة في منتصفها حرف ‪V‬‏ كبيرًا. كما رأينا أنه لكي يعمل الفولتميتر بشكل صحيح، لا بد أن يكون موصلًا على التوازي بالمكون الذي يقيس فرق الجهد عبره. وأخيرًا، رأينا أن الفولتميترات قد تتشابه مع غيرها من الأجهزة، مثل الأميتر. ولكن يمكن تمييزها بسهولة بحرف ‪V‬‏ الكبير الموجود على الجزء الأمامي منها. وهذه بعض النقاط الملخصة عن الفولتميترات.