التوترات والتيارات الكهربائية المتناوبة. الاجابة عن أهم الأسئلة

التوترات والتيارات الكهربائية المتناوبة، هي نوع من الكهرباء التي تتغير شدتها، واتجاهها بشكل دوري على مدار الزمن. بخلاف التيار الكهربائي المستمر، الذي يبقى ثابتًا في اتجاهه وشدته، يتميز التيار المتناوب بتغيره الدوري، مما يجعله الخيار الأكثر استخدامًا في شبكات الكهرباء المنزلية والصناعية.

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال.

هذا الدرس خاص بشعبتي الرياضيات و التقني رياضي.

1 ـ مشاهدات أولية:

اـ تعريف التوتر الكهربائي:

ـ عرف التوتر الكهربائي ؟

هو فرق الكمون بين نقطتين من دارة كهربائية.

ـ ما هو رمزه وما وحدته ؟

رمزه U وهو مقدرا جبري وحدته Volt رمزها V

ـ بماذا يقاس التوتر الكهربائي ؟

يقاس بواسطة جهاز فولط متر، الذي يوصل دائما على التفرع في الدارة الكهربائية.

نشاط :

الأدوات المستعملة

راسم اهتزاز مهبطي: 

الذي يبين على الشاشة إشارة تمثل تغيرات التوتر الكهربائي المطبق في أحد مدخليه، بدلالة الزمن.

معلومات حول راسم الاهتزاز المهبطي:

 راسم الاهتزاز المهبطي، أو الأوسيلوسكوب المهبطي، هو جهاز إلكتروني يُستخدم لقياس وعرض الإشارات الكهربائية المتغيرة مع الزمن. يتميز بقدرته على عرض الموجات الكهربائية بشكل رسومي على شاشة، مما يتيح للمستخدم تحليل شكل الإشارة، ترددها، سعتها، وزمنها.

مكونات راسم الاهتزاز المهبطي:

1.أنبوب الأشعة المهبطية  :(CRT)يحتوي على شاشة عرض يتم فيها رسم الإشارة.

2.لوحات الانحراف الأفقي والرأسي: مسؤولة عن تحريك النقطة المضيئة على الشاشة لتمثيل الإشارة.

3.مولد الزمن: يحدد السرعة التي يتم بها عرض الإشارة على الشاشة.

4.دوائر التكبير: تستخدم لتكبير الإشارات الكهربائية لتظهر بوضوح.

5.وحدات التحكم: مثل التحكم في السطوع، التركيز، والمقياس.

استخدامات راسم الاهتزاز المهبطي:

• تحليل الإشارات الكهربائية: مثل الإشارات الصوتية أو الترددات الراديوية.
• قياس الزمن: لحساب الفترات الزمنية بين الأحداث.
• فحص الدوائر الكهربائية والإلكترونية: لمعرفة أداء الدوائر أو اكتشاف الأعطال.
• التعليم والبحث: في مجالات الفيزياء والإلكترونيات.

مولد توترات منخفضة GBF: 

الذي يولد إشارة كهربائية يمكن اختيار نوعها.

معلومات حول مولد التوترات المنخفضة GBF

مولد التوترات المنخفضة (GBF)، اختصارًا لـ "Générateur de Basses Fréquences"، هو جهاز يُستخدم في الإلكترونيات لتوليد إشارات كهربائية منخفضة التردد. يتميز بإمكانية إنتاج موجات مختلفة (مثل الموجات الجيبية، المربعة، والمثلثية) ذات ترددات وسعات متنوعة، وهو أداة أساسية في قياس وتحليل الإشارات الكهربائية.

مكونات مولد التوترات المنخفضة:

1. واجهة التحكم:
• أزرار أو مقابض لضبط التردد (بالهرتز).
• أزرار لتحديد نوع الموجة (جيبية، مربعة، مثلثية ...).
• أدوات ضبط السعة (Amplitude) أو الجهد الناتج.
2. منافذ الخرج:
• تُستخدم لتوصيل الإشارة الناتجة بالأجهزة الأخرى مثل راسم الاهتزاز (الأوسيلوسكوب).
3. مصدر تغذية:
• يمكن أن يكون كهربائيًا (AC) أو يعمل بالبطاريات.

الخصائص الرئيسية:

• الترددات: عادةً من 1 هرتز إلى مئات الكيلوهرتز (حسب النوع).
• التوتر الناتج: يتراوح من بضع ميلي فولط إلى عدة فولطات.
• نوع الإشارة: موجة جيبية، مربعة، أو مثلثية.
• إمكانية التعديل: يمكن ضبط السعة أو إضافة انحياز (Offset) للإشارة.

استخدامات مولد التوترات المنخفضة:

1. اختبار الدوائر الكهربائية:
• يستخدم لتزويد الدوائر بإشارات محددة لتحليل استجابتها.
2. المختبرات التعليمية:
• يُستعمل لتوضيح المفاهيم المرتبطة بالموجات الكهربائية في المدارس، والجامعات.
3. تطوير الإلكترونيات:
• في تصميم واختبار الأجهزة الإلكترونية، مثل مكبرات الصوت، أو المرشحات.
4. التطبيقات الصوتية:

يمكن استخدامه لتوليد نغمات أو إشارات صوتية منخفضة التردد.

بطارية مسطحة 4,5 V:

معلومات حول البطارية المسطحة 4,5V

البطارية المسطحة4.5  فولط هي نوع شائع من البطاريات التي، تُستخدم في تشغيل الأجهزة الكهربائية، والإلكترونية الصغيرة. تمتاز بتصميمها المدمج، والمسطح الذي يسهّل وضعها في الأجهزة ذات المساحة الضيقة.

مواصفات البطارية المسطحة 4.5 فولط:

1. الشكل:
• مسطحة ومستطيلة مع ثلاث نقاط توصيل في الأعلى.
• عادة ما تكون مغطاة بغلاف معدني للحماية.
2. الفولتية:
• الجهد الاسمي لها هو4.5  فولط.
• تتكون من ثلاث خلايا متصلة على التوالي، حيث توفر كل خلية 1.5 فولت.
3. السعة:
• تتراوح بين2  أمبير-ساعة إلى 4  أمبير-ساعة، حسب النوع والاستخدام.
4. الأبعاد:
• الطول والعرض يختلفان حسب الشركة المصنعة، لكن الحجم قياسي ومناسب للأجهزة التي تعتمد عليها.

استخدامات البطارية المسطحة 4.5 فولط:

1. المصابيح اليدوية: تستخدم كثيرًا في المصابيح القديمة أو الكبيرة.
2. أجهزة الاختبار: مثل أجهزة القياس الكهربائية المحمولة.
3. الألعاب الإلكترونية: بعض الألعاب القديمة التي تتطلب توترًا مستمرًا.
4. أنظمة التصفير في الدوائر: تستخدم في التجارب التعليمية والتطبيقات الهندسية.

مزايا البطارية:

• كفاءة الطاقة: توفر جهدًا مستقرًا لفترة طويلة.
• سهولة الاستبدال: متوفرة في الأسواق وبأسعار معقولة.
• التصميم العملي: سهل التوصيل والاستخدام.

نصائح عند استخدامها:

• تحقق من قطبية البطارية عند التركيب (القطب الموجب والسالب).
• تجنب تفريغ البطارية بالكامل لتطيل عمرها الافتراضي.
• خزّنها في مكان جاف وبعيد عن الرطوبة.

ب ـ مشاهدة توتر مستمر:

ـ شغل جهاز راسم الاهتزاز المهبطي، ثم اضبط الإشارة على الخط الأفقي المنصف للشاشة، المختار مرجعا لقياس التوترات (أنظر الصورة التالية):

ـ اضبط حساسية المدخل المستعمل في الوضع 2V/div (سلم التوترات 2V لكل تدريجة).

ـ أوصل قطبي البطارية بالمدخل المستعمل لراسم الاهتزاز المهبطي.

ـ لاحظ شكل الإشارة على الشاشة واستنتج قيمة التوتر؟

نلاحظ على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي الإشارة التالية:

ومنه قيمة التوتر الكهربائي هي: U = 2,25.2 = 4,5 V

ـ أقلب قطبي البطارية ماذا تلاحظ على الشاشة ؟ ماذا تستنتج؟

عند قلب قطبي البطارية نلاحظ على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي الإشارة التالية:

ومنه نستنتج أن قلب قطبي البطارية يؤدي الى تغيير جهة التوتر.

جـ ـ مشاهدة توتر متناوب:

توليد توتر متناوب

نحقق التركيب الموضح في الشكل:

ـ نقوم بتدور المغناطيس أمام الوشيعة بسرعة زاوية ثابتة.

ـ نوصل أقطاب الوشيعة إلى جهاز راسم الاهتزاز المهبطي ـ ماذا نلاحظ على الشاشة ؟

نشاهد على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي البيان الموضح في الصورة التالية:

مشاهدة توتر متناوب جيبي

ـ نشغل راسم الاهتزاز ثم نضبط الإشارة على الخط الأفقي المنصف للشاشة.

ـ نختر في المولد GBF إشارة متناوب جيبي (~)، ثم نضبط زر التوتر في منتصف المجال، زر التواترات 50 Hz مثلا تم ضبطه براسم الاهتزاز.

ـ نضبط زر حساسية المدخل المستعمل (سلم التوترات) حتى نحصل على أكبر إشارة ممكنة محصورة في حدود الشاشة، ثم نسجل قيمة المعيار المناسب لذلك (مثلا 2V/div).

ـ نضبط زر قاعدة الزمن لنحصل على إشارة تتكرر بنفس الكيفية مرتين، أو ثلاثة على الشاشة، ثم نسجل قيمة السلم الموافق لذلك (مثلا 5 ms/div).

ـ ما هو شكل الإشارة التي تظهر على الشاشة ؟

شكل الإشارة التي تظهر على الشاشة هي إشارة جيبية

ـ هل يحافظ التوتر على قيمة ثابتة خلال الزمن؟ وهل يحافظ على إشارة ثابتة ؟

لا يحافظ التوتر لا على قيمة ثابتة ولا على إشارة ثابتة

2 ـ خصائص التوتر) التيار(المتناوب الجيبي:

2 ـ 1 ـ سعة التوتر:

هي القيمة المطلقة لأعظم قيمة يبلغها التوتر خلال الزمن، رمزها U_m وحدتها فولط (V)

2 ـ 2 ـ  القيمة المنتجة:

نشاط:

نحقق الدارتين الكهربائيتين:

المصباحان متماثلان.

الدارة (1) مغذاة بمولد تيار مستمر.

الدارة (2) مغذاة بمولد تيار متناوب جيبي.

    نغير في توتر المولد المتناوب حتى نلاحظ تماثل في توهج المصباحين.

ـ ماهي قيمة التوتر التي يعطيها الفولطمتر في كلا الدارتين ؟ قارنهما ؟ ماذا تلاحظ.

قيمة التوتر التي يعطيها الفولط متر في كلا الدارتين هي نفسها 4,5 V

ـ قارن كيفيا الطاقة المصروفة في المصباحين. ماذا تستنتج ؟

خلال نفس المدة الزمنية وبنفس التوهج، أي نفس شدة التيار تكون الطاقة المصروفة في المصباحين متساوية.

    نصل طرفي مصباح الدارة (2) الى مدخل راسم الاهتزاز المهبطي، نضبط الجهاز للحصول على إشارة واضحة على الشاشة، ثم نعين القيمة الأعظمية U_m لهذه الإشارة.  

ـ كم تكون القيمة المقروءة ؟

تكون القيمة المقروءة U_m = 6,34 V

- قارنها مع القيمة المقروءة على الفولطمتر ثم عين النسبة بينهما ؟

$$\frac{U_m}{4.5}=1.41=\sqrt{2}$$

نتيجة:

قيمة التوتر المتناوب الجيبي المقاسة بواسطة فولطمتر مضبوط في وضع المتناوب، تسمى القيمة المنتجة للتوتر المتناوب الجيبي و رمزها  U_eff

تعريف:

القيمة المنتجة لتوتر متناوب جيبي، تساوي قيمة التوتر المستمر، الذي يصرف نفس الطاقة بفعل حراري في ناقل أومي مقاومته R، التي يصرفها التوتر المتناوب الجيبي في نفس الناقل خلال نفس المدة الزمنية:

$$\frac{U_m}{U_{\text{eff}}}=\sqrt{2}$$

ـ استنتج العلاقة التي تربط الشدة الأعظمية لتيار متناوب جيبي بشدته المنتجة (الفعالة) ؟

العلاقة التي تربط الشدة الأعظمية لتيار متناوب جيبي بشدته المنتجة (الفعالة) هي

$$\frac{I_m}{I_{\text{eff}}}=\sqrt{2}$$

2 ـ 3 ـ الدور:

هو الزمن الذي يستغرقه التوتر (أو شدة التيار) ليبلغ نفس القيمة، ونفس الإشارة أو الجهة، رمزه T ووحدته الثانية (s)

تواتر التوتر:

هو عدد الدورات خلال وحدة الزمن، رمزه f ووحدته الهرتز Hz حيث: f = 1/T

3 ـ كيف نميز بين تيار كهربائي متناوب وتيار كهربائي مستمر:

3 ـ 1 ـ مقارنة آثار التيار المستمر والمتناوب:

نعلم أن للتيار الكهربائي المستمر ثلاثة أثار هي: أثر حراري، أثر مغناطيسي و أثر كيميائي.

ـ هل للتيار المتناوب نفس الأثار؟

الأثر الحـراري:

نشاط:

نحقق التجربة التالية:

ـ عند غلق القاطعة ماذا نلاحظ ؟

عند غلق القاطعة نلاحظ توهج المصباح وانتشار حرارة.

ـ ماذا تستنتج ؟

نستنتج أن للتيار المتناوب أثر حراري.

الأثر المغـناطيسي:

نشاط:

نحقق تجربة أورستد باستعمال التيار المتناوب.

ـ ماذا نلاحظ ؟

نلاحظ أن الإبرة لا تنحرف.

ـ ماذا تستنتج ؟

نستنتج أن التيار المتناوب ليس له أثر مغناطيسي.

الأثر الكيميائي:

نشاط:

نقوم بعملية التحليل الكهربائي للماء باستعمال التيار المتناوب.

ـ ماذا نلاحظ ؟

نلاحظ أننا لا نستطيع فصل غازي الهيدروجين والأكسجين عن بعضهم البعض.

ـ ماذا نستنتج ؟

نستنتج أن التيار المتناوب ليس له أثر كيميائي، فهو لا يستعمل في عمليات التحليل الكهربائي.

3 ـ 2 ـ قانون أوم:

نعلم أنه في تيار المستمر

$$\frac{U}{I}=R$$

حيث R: مقاومة الناقل الأومي وتقدر بـالأوم (Ω)

ـ هل يبقى قانون أوم ساري المفعول في التيار المتناوب ؟

نعم في التيار المتناوب يبقى قانون أوم ساري المفعول في كل لحظة حيث:

$\frac{U}{I}=Z$

Z: تدعى ممانعة العنصر الكهربائي المعتبر، و تقدر بوحدة الأوم (Ω) حيث في حالة وشيعة نرمز لها بـ Z_L ، وفي حالة مكثفة نرمز لها بـ Z_C

4 ـ مقاربة مبسطة للمحول:

أ ـ مقدمة:

 إن التوترات المستعملة في الأجهزة ليست دائما نفسها، وحتى نغير قيمتها نستعمل محول.

ب ـ تعريف المحول:

هو جهاز يسمح بتغير القيمة المنتجة للتوتر المتناوب، حيث يستطيع رفعها أو خفضها، يتكون من وشيعتين مصنوعتان من سلك نحاسي، للمحول أربعة أقطاب.

جـ ـ المحول المخفض و المحول الرافع للتوتر الكهربائي: 

لدينا النسبة:

$$K=\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$$

حيث: K يسمى معامل التحويل. 

إذا كان K<1 نجد U₁<U₂ ومنه المحول رافع للتوتر.

إذا كان K>1 نجد U₁>U₂ ومنه المحول خافض للتوتر.

5 ـ تقويم تيار متناوب:

ـ ماذا نعني بعبارة تقويم تيار متناوب ؟

إن تقويم تيار متناوب هو جعله يحافظ على نفس الإشارة.

ـ كيف يتم تقويم التيار المتناوب ؟

يتم تقويم التيار المتناوب باستعمال عنصر كهربائي يدعى الصمام الثنائي  .(Diode)

ـ ما هو الصمام الثنائي ؟

الصمام الثنائي هو ثنائي قطب يسمح للتيار الكهربائي أن يعبره في اتجاه واحد.

ـ ما هو رمز الصمام الثنائي في الدارة الكهربائية ؟

رمزه في الدارة الكهربائية، صور الصمام الثنائي:

ـ ما هو مبدأ عمل الصمام الثنائي ؟

ـ إذا كان u_PN > 0 الصمام الثنائي يلعب دور قاطعة مغلقة، فهو يسمح بمرور التيار الكهربائي.

ـ إذا كان u_PN < 0 الصمام الثنائي يلعب دور قاطعة مفتوحة، فهو لا يسمح بمرور التيار الكهربائي.

5 ـ 1 ـ تقويم أحادي النوبة:

نحقق الدارة الكهربائية الأتية:

إضافة صمام ثنائي للدارة: 

الصمام حذف النوبات السالبة (تقويم أحادي النوبة)

5 ـ 2 ـ تقويم ثنائي النوبة:

نحقق الدارة الكهربائية الأتية (جسر الصمام الثنائي)

يسمح بمرور للنوبات الموجبة، ويقوم النوبات السالبة.

التوتر يتغير دوريا دون أن ينعدم.

6 ـ كيف نمر من تيار متناوب جيبي إلى تيار مستمر:

ـ ماذا تسمى عملية تحويل توتر كهربائي متناوب إلى توتر كهربائي مستمر؟

تسمى عملية تحويل توتر كهربائي متناوب إلى توتر كهربائي مستمر، تمليس التوتر بعد تقويمه عبر الدارة باستعمال مكثفة ملائمة.

ـ ماهي المكثفة ؟

المكثفة هي ثنائي قطب مكون من سطحين ناقلين متوازيين، يسمى كل منهما لبوس المكثفة يفصلهما عازل.

ـ ماهي أنواع المكثفات ؟

تنقسم المكثفات الى قسمين:

مستقطبة: لها قطبان أحدهما موجب، والأخر سالب حيث تدرج في الدارة باحترام قطبيتها، رمزها:

غير مستقطبة: لا يوجد فرق بين قطبيها، تدرج في الدارة مثل المقاومات.

ـ ما هو دور المكثفة في التيار المستمر؟

يختصر دور المكثفة في التيار المستمر، في تخزين الطاقة على شكلها الكهربائي، ويتم هذا التخزين ٳثر عملية شحنها، حيث يظهر بين لبوسيها فرق كمون U يتناسب طردا مع قيمة الشحنة Q المخزنة في أحد اللبوسين: Q/U = C

ـ تتميز كل مكثفة بثابت خاص بها يسمى سعة المكثفة ـ عرف هذا الثابت ؟

سعة المكثفة مقدار فيزيائي موجب، نرمز له بالرمز C، يتعلق بالخصائص الهندسية للمكثفة، والعازل، ووحدتها الفاراد F

ـ ماهي أجزاء الفاراد ؟

الفاراد وحدة كبيرة، ولذلك نستعمل أجزاء الفاراد ومنها: ميكرو فاراد µF أو نانو فاراد nF حيث:

1µF = 10^-6 F ، 1nF = 10^-9 F

6 ـ 1 ـ شحن وتفريغ مكثفة:

شحن مكثفة:

نحقق التركيب التجريبي التالي:

نضع القاطعة في الوضع (1)

ـ ماذا تلاحظ ؟

من خلال مؤشر الفولطمتر، نلاحظ ٳزدياد قيمة التوتر u_C بين طرفي المكثفة تدرجيا مع مرور الزمن، الى أن يصل قيمة معينة يثبت عندها، دليل على انتهاء عملية الشحن.

ـ كيف يكون شكل بيان الدالة u_C = f(t) ؟

من أجل قيم مختلفة للتوتر u_C  نرسم البيان u_C = f(t) نحصل على الشكل التالي:

التفسير المجهري: 

q_A = - q_B (شحنة المكثفة)

المولد يعمل على نقل الشحنات السالبة (الكترونات) من لبوس إلى أخر.

تفريغ مكثفة:

نضع القاطعة في الوضع (2).

ـ ماذا تلاحظ ؟

- من خلال مؤشر الفولطمتر، نلاحظ تناقص قيمة التوتر  u_Cبين طرفي المكثفة تدريجيا مع مرور الزمن، إلى أن ينعدم  دليل على تفريغها.

ـ كيف يكون شكل بيان الدالة u_C = f(t) ؟

- من أجل قيم مختلفة لـ u_C نرسم المنحنى u_C = f(t) نحصل على الشكل التالي:

التفسير المجهري:

عزل المولد يجعل الالكترونات الموجودة على اللبوس السالب تنتقل نحو اللبوس الموجب، ليظهر تيار في الدارة تتناقص قيمته حتى تنعدم عند تفريغ المكثفة.

6 ـ 2 ـ تأثير R و C على التفريغ:

الزمن المميز τ:

نسمي مدة شحن أو تفريغ مكثفة سعتها C بنسبة 63% تقريبا بالزمن المميز، رمزه τ

و وحدته ثانية (s)

نشاط:

 نحقق الدارة الكهربائية المبينة بالشكل:

ثم نجري القياسات الآتية:

تجربة (4)	تجربة (3)	تجربة (2)	تجربة (1)
20	10	20	20	R(kΩ)
12,5	31	31	31	C(µF)
4,25	4,25	5,00	4,25	E(V)
0,25	0,31	0,62	0,62	τ(s)

* من التجربتين (1) و(3) نستنتج أن τ تتناسب طردا مع R

* من التجربتين (1) و(4) نستنتج أن τ تتناسب طردا مع C

* من التجربتين (1) و(2) نستنتج أن τ مستقل عن توتر المولد E

* من نتائج القياسات السابقة نستنتج أن τ = RC

* الزمن المميز τ يتعلق بقيمتي سعة المكثفة C ومقاومة الناقل الأومي R حيث: τ = RC

ـ وضح التحليل البعدي للزمن المميزτ ؟

التحليل البعدي للزمن المميزτ

لدينا:

$$[\tau ]=[R][C]=[R][C]$$

حيث:

$$[R]=\frac{[U]}{[I]},[C]=\frac{[q]}{[U]}$$

إذن:

$$[R][C]=\frac{[U]}{[I]}\cdot \frac{[q]}{[U]}=\frac{[q]}{[I]}$$

وبما أن:

$$\frac{[q]}{[I]}=\frac{[I][t]}{[I]}=[t]$$

فإن:

$$[\tau ]=[t]$$

τ يجانس الزمن.

ـ كيف يمكن تحديد الزمن المميز τ بيانيا ؟

يمكن تحديد الزمن المميز τ بيانيا كما يلي:

أثناء الشحن:

τ فاصلة نقطة تقاطع مماس المنحنى عند اللحظة t = 0 مع الخط المقارب u_C = E

 τ زمن بلوغ التوتر u_C بين طرفي المكثفة 63% من القيمة الأعظمية E (وهو في تزايد).

أي أن المكثفة شحنت بنسبة 63%

أثناء التفريغ:

τ فاصلة نقطة تقاطع مماس المنحنى عند اللحظة t = 0 مع محور الأزمنة.

τ زمن بلوغ التوتر u_C بين طرفي المكثفة 37% من القيمة الأعظمية E (وهو في تناقص).

أي أن المكثفة أفرغت بنسبة 63%

6 ـ 3 ـ تمليس توتر كهربائي مقوم:

نحقق الدارة الكهربائية الآتية:

ـ ما هو عمل جسر الصمامات الثنائية ؟

يسمح جسر الصمامات المرفق بالدارة بتقويم نوبتين.

ـ ما العمل الذي تقوم به المكثفة ؟

وجود المكثفة يسمح بعملية التفريغ السريع في المقاومة، وشحنها خلال فترات زمنية قصيرة، تجعل التوتر المحصل عليه تقريبا ثابت، نظرا لسرعة العملية.

ـ متى يكون التمليس أكثر فعالية ؟

يكون التمليس أكثر فعالية كلما زادت قيمة RC أي سعة المكثفة.

نتيجة:

إضافة المكثفة أثناء تقويم التيار المتناوب، يمكننا أثناء الشحن والتفريغ السريع لها من الحصول على توتر كهربائي مملس، يكون تقريبا مستمر.

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF