فيديو الدرس: أنواع التيار الكهربي العلوم

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على الأنواع الأساسية للتيار الكهربي، ومصادر توليدها. سنرى أنه يوجد نوعان أساسيان من التيار الكهربي، وكل منهما يولد بطرق مختلفة.

لكي نبدأ، تخيل أن لدينا بطارية بالإضافة إلى مصباح كهربي. البطارية والمصباح متصلان بأسلاك بحيث يكونان دائرة كهربية كاملة. عندما يحدث ذلك، تتدفق الشحنة الكهربية، وهي الإلكترونات، عبر السلك. وعندما تتدفق هذه الشحنات الكهربية عبر المصباح، تجعله يضيء ثم تستمر في التدفق عبر بقية الدائرة الكهربية. وما دامت هذه البطارية لم تستنفد، تستمر الشحنة في التدفق في الدائرة. وتتحرك دائمًا في نفس اتجاه عقارب الساعة، وتظل شدة التيار أو مقداره كما هو. التيار الذي تولده هذه البطارية هو أحد نوعي التيار الكهربي.

لكي نفهم ذلك بشكل أفضل، دعونا نفترض أننا وصلنا أميترًا، وهو جهاز لقياس شدة التيار، بالدائرة الكهربية. يمكننا فعل ذلك عن طريق فتح الدائرة الكهربية ثم إغلاقها بوضع الأميتر فيها. الآن، يجب أن يمر كل التيار في الدائرة عبر جهاز قياس شدة التيار. إذا راقبنا الأميتر وانتظرنا، فسنرى أن هذه الإبرة لا تتحرك. يوضح لنا ذلك أمرين بشأن التيار الكهربي. أولًا، يوضح أنه يحتوي على شحنة تتدفق باستمرار في نفس الاتجاه في الدائرة الكهربية. وإذا تغير اتجاه التيار، فستشير الإبرة أحيانًا إلى هذا الجانب من الصفر وفي أحيان أخرى إلى هذا الجانب. لذا فإن حقيقة أن الإبرة تشير دائمًا إلى نفس الجانب من الصفر تعني أن الشحنة تنتقل دائمًا في نفس الاتجاه في الدائرة، في هذه الحالة في اتجاه عقارب الساعة.

الشيء الثاني الذي يمكننا معرفته من بقاء هذه الإبرة ثابتة هو أن التيار يكون له دائمًا نفس الشدة أو المقدار، كما ذكرنا. ولا تتدفق الشحنة في اتجاه عقارب الساعة فحسب في الدائرة الكهربية، وإنما نفس القدر من الشحنة يمر بأي نقطة في الدائرة في أي ثانية. يمكننا استخدام قياسات الأميتر لرسم تمثيل بياني للتيار مقابل الزمن. وسنقول إنه عندما تتدفق الشحنة في اتجاه عقارب الساعة — أي عندما تكون إبرة الأميتر على يمين الصفر — يكون ذلك هو التيار الموجب. في اللحظة الأولى من الزمن، يكون للتيار قيمة موجبة ما. لنفترض أن هذه القيمة هنا على المحور الرأسي. تقاس شدة التيار بوحدة الأمبير، لذلك ستساوي هذه القيمة عددًا معينًا من الأمبيرات لشدة التيار.

لكن ما يهمنا هنا هو الشكل الذي سيتخذه هذا التمثيل البياني. نظرًا لأن الإبرة الموجودة على الأميتر لا تتحرك بمرور الزمن، فهذا يعني أنه عند أي لحظة أخرى في الزمن، سيكون للتيار في الدائرة الكهربية نفس المقدار. يعني ذلك أنه يمكننا مد هذه النقطة بحيث تصبح خطًّا أفقيًّا. التيار الذي يشير دائمًا إلى نفس الاتجاه، وله دائمًا نفس الشدة، يطلق عليه التيار المستمر.

التيار المستمر هو أحد نوعين رئيسيين من التيار الكهربي. ويولد التيار المستمر بواسطة الخلايا والبطاريات. لنفترض أننا فككنا الدائرة الكهربية عن طريق إزالة البطارية. ستعود القراءة على الأميتر إلى الصفر، وتتوقف الشحنة عن التدفق. لنفترض بعد ذلك أننا حصلنا على معدة ما تسمى الدينامو. وهو نوع من المولدات الكهربية. بتوصيل أسلاك الدائرة الكهربية بالدينامو، يصبح لدينا مرة أخرى دائرة كهربية مغلقة. ستتدفق الشحنة في الدائرة الكهربية، ولكن ليس مثلما فعلت من قبل، كما سنرى.

من خلال مراقبة إبرة الأميتر، نرى أنه في اللحظة التي نوصل فيها الأسلاك بالدينامو، تظل القراءة عند الصفر. ولكن بعد ذلك، وبسبب الشغل الذي يبذله الدينامو، تتدفق الشحنة وتتأرجح الإبرة إلى اليمين. ولكنها لا تبقى في ذلك الموضع. فبعد وقت قصير، تعود الإبرة إلى الصفر. وبعد ذلك تتجاوز الصفر، وتتأرجح ناحية اليسار. عندما تشير الإبرة إلى يسار الصفر على الأميتر، يعني ذلك أن الشحنة الكهربية في الدائرة تتدفق الآن عكس اتجاه عقارب الساعة. وبعد لحظة من الزمن، تعود الإبرة إلى الصفر ثم تتحرك متجاوزة إياه ناحية اليمين بحيث تشير إلى تدفق التيار مرة أخرى في اتجاه عقارب الساعة.

في كل مرة تكون فيها إبرة الأميتر على يمين الصفر، وهو ما نعتبره التيار الموجب، تتدفق الشحنة عبر الدائرة في اتجاه عقارب الساعة. وعندما تشير الإبرة إلى الجانب الآخر من الصفر، وهو ما يمكن أن نطلق عليه التيار السالب، تتدفق الشحنة عبر الدائرة عكس اتجاه عقارب الساعة. عندما يزود الدينامو دائرة كهربية بالتيار، يغير هذا التيار اتجاهه مرارًا وتكرارًا.

لرسم التيار المقيس بواسطة الأميتر الآن، سنحتاج إلى مد المحور الرأسي إلى ما تحت الصفر. هذا لأنه، كما قلنا، عندما تشير إبرة الأميتر إلى يسار الصفر، نطلق على ذلك التيار السالب. مع هذا الدينامو إذن، ينتقل التيار ذهابًا وإيابًا من الموجب إلى السالب إلى الموجب وهكذا. إذا بدأنا التمثيل البياني عندما يكون التيار المقيس صفرًا هنا، ثم تتبعنا التيار من هذه اللحظة حتى تصبح الإبرة في أقصى يمين الأميتر، فمنحنى التيار مقابل الزمن لهذه الفترة الزمنية سيبدو هكذا. ولكن عند هذه النقطة، تبدأ الإبرة في التأرجح مرة أخرى إلى الصفر. وعندما تعود إلى الصفر، سيبدو المنحنى بهذا الشكل. وبعد ذلك تتأرجح الإبرة إلى اليسار متجاوزة الصفر، وهي الحالة التي يكون فيها التيار سالبًا. لذا سيبدو هذا الجزء من المنحنى بهذا الشكل.

تذكر أنه في حالة هذه الدائرة، التيار السالب هو التيار عكس اتجاه عقارب الساعة. أما التيار الموجب، فهو في اتجاه عقارب الساعة. بمجرد أن تصل إبرة الأميتر إلى أقصى يسار الصفر، تتأرجح مجددًا إلى الصفر. ويبدو المنحنى بهذا الشكل. والآن تبدأ هذه الدورة في التكرار. تتأرجح إبرة الأميتر إلى اليمين مرة أخرى، ثم تعود إلى الصفر، ثم إلى اليسار، وتعود مرة أخرى إلى الصفر. هذا النوع من التيار الذي نراه على التمثيل البياني يطلق عليه التيار المتردد. يمكننا فهم لماذا يسمى هكذا. فهو يغير اتجاهه أو يتردد فيه باستمرار. في كل لحظة يكون لهذا التيار قيمة موجبة، نعلم أنه يتحرك في اتجاه عقارب الساعة. من ناحية أخرى، عندما تكون قيمة التيار سالبة، يكون اتجاهه عكس اتجاه عقارب الساعة.

ثمة بعض الأمور التي يجب ملاحظتها بشأن منحنى التيار المتردد هذا. أولًا، القيمة القصوى لمقدار التيار الموجب هنا مساوية للقيمة القصوى لمقدار التيار السالب. في كل لحظة من هاتين اللحظتين، يكون مقدار هذا التيار هو نفسه. الشيء الثاني الذي يجب ملاحظته هنا هو أن الفترة الزمنية التي يستغرقها التيار لتغيير الاتجاه هي نفسها دائمًا. هذا يعني أن الفترة الزمنية هنا، حيث يكون التيار دائمًا موجبًا وفي اتجاه عقارب الساعة، تساوي هذه الفترة الزمنية هنا. وهذه تساوي الفترة الزمنية هنا، وهذه الفترة هنا، وهكذا. ونظرًا لأن هذه الفترات الزمنية متساوية، نقول إن التيار المتردد يغير اتجاهه دوريًّا. هذا يعني أنه يفعل ذلك بمعدل ثابت منتظم. بعد معرفة كل هذا عن التيار المتردد والتيار المستمر، دعونا نلق نظرة الآن على بعض الأمثلة.

أي العبارات الآتية تصف التيار المستمر وصفًا صحيحًا؟ (أ) التيار المستمر له مقدار متغير، وله نفس الاتجاه دائمًا. (ب) التيار المستمر له مقدار متغير، ويمكن أن يعكس اتجاهه. (ج) التيار المستمر له مقدار ثابت، ويمكن أن يعكس اتجاهه. (د) التيار المستمر له مقدار ثابت، وله نفس الاتجاه دائمًا.

لنفترض أن لدينا تمثيلًا بيانيًّا للتيار في مقابل الزمن. رسمنا هذا التمثيل البياني بحيث يمكن أن يكون للتيار قيم موجبة وسالبة. هذا يعني أن التيار يمكنه تغيير اتجاهه. بعبارة أخرى، ستتدفق الشحنة في اتجاهين مختلفين في الدائرة الكهربية. إذا رسمنا التيار الموصوف في خيار الإجابة (أ) على التمثيل البياني، فقد يبدو هكذا. لنفترض أنه يبدأ في الاتجاه الموجب ثم تتغير قيمته، أي مقداره. ولكن نظرًا لأن التيار يكون دائمًا بنفس الإشارة، وهي الموجبة، فإنه يشير دائمًا في نفس الاتجاه.

بعد ذلك، دعونا نرسم التيار الموضح في الخيار (ب). التيار ذو المقدار المتغير الذي يمكن أن يعكس اتجاهه قد يبدو هكذا. أحيانًا يكون هذا التيار موجبًا، وفي أحيان أخرى يكون سالبًا. هذا يدل على أنه يغير اتجاهه. نرى أيضًا أن شدة أو مقدار هذا التيار يتغير بمرور الزمن؛ فهو متغير.

إذا رسمنا منحنى للتيار الذي يصفه الخيار (ج)، فقد يبدو هكذا. شدة أو مقدار هذا التيار هو نفسه دائمًا، أي إنه ثابت، لكن اتجاهه ينعكس. وأخيرًا، سنرسم منحنى للتيار الموضح في الخيار (د). التيار الذي له مقدار ثابت ونفس الاتجاه دائمًا قد يبدو بهذا الشكل. فيظهر كخط أفقي، وهذا يدل على أن هذا التيار تيار مستمر.

الشرطان اللازم تحققهما ليكون التيار تيارًا مستمرًّا هما أن يكون مقداره ثابتًا، وله دائمًا نفس الاتجاه. إذن نختار الإجابة (د).

دعونا نلق نظرة الآن على مثال آخر.

أي العبارات الآتية تصف التيار المتردد وصفًا صحيحًا؟ (أ) التيار المتردد هو تيار لا يعكس اتجاهه أبدًا. (ب) التيار المتردد هو تيار يعكس اتجاهه دوريًّا. (ج) التيار المتردد هو تيار يمكن أن يعكس اتجاهه أحيانًا. (د) التيار المتردد له مقدار ثابت، وله دائمًا نفس الاتجاه.

أول شيء يمكننا قوله عن التيار المتردد هو أن اسمه قائم على حقيقة أنه يغير اتجاهه بالفعل. بالنظر إلى ملف مغلق من السلك، إذا كان التيار المتردد موجودًا في هذا السلك، فستتدفق الشحنة أحيانًا في هذا الاتجاه، وأحيانًا في الاتجاه المعاكس. هذا ما يعنيه أن يغير التيار اتجاهه.

عند مراجعة خيارات الإجابة الأربعة، نجد أن الخيار (أ) يذكر أن التيار المتردد لا يعكس اتجاهه أبدًا، والخيار (د) يذكر أن التيار المتردد له دائمًا نفس الاتجاه، أي إنه لا يعكس اتجاهه. كلا هذين الخيارين غير صحيح. فالتيار المتردد يغير اتجاهه؛ ومن هنا يحصل على اسمه.

يصف الخياران المتبقيان تيارًا إما يغير اتجاهه وإما يمكن أن يغيره. والتيار المتردد لا يغير اتجاهه فحسب، وإنما يفعل ذلك على فترات زمنية متساوية. هذا يعني أنه إذا قضى التيار المتردد، على سبيل المثال، خمس ثوان في المرور في اتجاه عقارب الساعة، فسيقضي الثواني الخمس التالية في المرور عكس اتجاه عقارب الساعة، ثم خمس ثوان أخرى في اتجاه عقارب الساعة، ثم خمسًا أخرى عكس اتجاه عقارب الساعة. فهو ينتقل ذهابًا وإيابًا بهذا الشكل، ويفعل ذلك دوريًّا. هذا يعني أن هذا التيار يغير اتجاهه على فترات زمنية متساوية. ولذا، نختار الإجابة (ب). التيار المتردد هو تيار يعكس اتجاهه دوريًّا.

دعونا نلق نظرة الآن على مثال أخير.

يوضح التمثيل البياني بالأسفل التيار الكهربي مقابل الزمن لدائرتين كهربيتين مختلفتين. أي جملة من الجمل الآتية صواب؟ (أ) يمثل الخط واحد تيارًا مترددًا، ويمثل الخط اثنان تيارًا مستمرًّا. (ب) يمثل الخط واحد تيارًا مستمرًّا، ويمثل الخط اثنان تيارًا مترددًا. (ج) لا توجد معلومات كافية لمعرفة أي الخطين يمثل أي نوع تيار.

بالنظر إلى التمثيل البياني المعطى، نرى أن الخط واحدًا هو الخط الأحمر، والخط اثنين هو الخط الأزرق. بالتركيز أولًا على الخط واحد، نرى أن هذا الخط يحتوي على قيم موجبة للتيار، وكذلك قيم سالبة. وهذا يوضح لنا أن التيار الذي يمثله الخط واحد يغير اتجاهه. بالإضافة إلى ذلك، إذا بدأنا عند زمن يساوي صفر ثانية، فسنرى أن الفترة الزمنية التي يكون فيها التيار في الاتجاه الموجب — هذه الفترة الزمنية هنا — تساوي الفترة الزمنية التي ينتقل فيها التيار إلى الاتجاه السالب. ويتكرر هذا النمط مع بقية التغيرات التي تحدث لاتجاه التيار الممثل بالخط واحد. يمكننا القول إذن إن هذا التيار يعكس اتجاهه دوريًّا. يوضح لنا ذلك أن الخط واحدًا يمثل تيارًا مترددًا.

بعد ذلك، ننظر إلى الخط اثنين، وهو الخط الأزرق على التمثيل البياني. إذا تتبعنا هذا الخط، فسنرى أن له دائمًا نفس القيمة الموجبة للتيار. هذا يعني أن التيار يشير دائمًا في نفس الاتجاه، وله دائمًا نفس الشدة. يوضح لنا ذلك أن التيار الذي يمثله الخط اثنان تيار مستمر. وهكذا سنختار الإجابة (أ). يمثل الخط واحد في هذا الرسم البياني تيارًا مترددًا ويمثل الخط اثنان تيارًا مستمرًّا.

لنختتم الآن الدرس بمراجعة بعض النقاط الرئيسية. في هذا الفيديو، رأينا أن النوعين الرئيسيين من التيار هما التيار المستمر والتيار المتردد. التيار المستمر هو تيار له اتجاه ومقدار ثابتان، ويولد بواسطة الخلايا والبطاريات. التيار المتردد هو تيار يعكس اتجاهه دوريًّا، ويولد بواسطة جهاز يسمى الدينامو. هذا ملخص درس أنواع التيار الكهربي.