Die Druckversion wird nicht mehr unterstützt und kann Darstellungsfehler aufweisen. Bitte aktualisiere deine Browser-Lesezeichen und verwende stattdessen die Standard-Druckfunktion des Browsers.

الكهرباء والدوائر الكهربائية

مقدمة

الكهرباء جزء من حياتك اليومية: تشغّل المصابيح والأجهزة وتسمح للهواتف والحواسيب بالعمل. لكن فهم الكهرباء لا يبدأ من المقبس المنزلي، بل من دوائر صغيرة وآمنة تعمل ببطاريات منخفضة الجهد. في هذا المساق ستتعلم كيف تصف الدائرة الكهربائية، وكيف يرتبط التيار الكهربائي وفرق الجهد والمقاومة الكهربائية بعضها ببعض، وكيف تتصرف المكونات عند التوصيل على التوالي أو على التوازي، وكيف تحسب القدرة الكهربائية.

ستستخدم الرسوم التخطيطية والمحاكاة والقياس والحساب والتجارب الصفية الآمنة. تذكّر دائمًا أن التجارب التعليمية هنا تُجرى ببطاريات منخفضة الجهد فقط، ولا يجوز تطبيقها على مقابس الكهرباء المنزلية أو أسلاك الشبكة الكهربائية.

أهداف التعلم

بعد إكمال هذا المساق، يُتوقع أن تكون قادرًا على:

تمييز عناصر الدائرة الكهربائية وشرح الفرق بين الدائرة المفتوحة والمغلقة.
شرح معنى التيار الكهربائي وذكر وحدة قياسه.
شرح معنى فرق الجهد وربطه بالطاقة التي تنقلها الشحنات.
شرح دور المقاومة في الحد من شدة التيار.
استخدام قانون أوم في مسائل عددية بسيطة.
تحليل دائرة توالٍ من حيث التيار والجهد والمقاومة المكافئة.
تحليل دائرة توازٍ من حيث التيار والجهد والمقاومة المكافئة.
حساب القدرة الكهربائية في أمثلة مناسبة لمستواك.
استخدام الأميتر والفولتميتر بطريقة صحيحة في دائرة منخفضة الجهد.
تطبيق ممارسات سلامة قوية عند بناء الدوائر أو فحصها.

أساسيات قبل البدء

لفهم هذا المساق تحتاج إلى معرفة بسيطة بالطاقة والشحنة والعمليات الحسابية الأساسية مثل الضرب والقسمة والكسور. الفكرة المركزية هي أن الدائرة تحتاج إلى مصدر للطاقة الكهربائية ومسار موصل وحِمل مثل مصباح أو مقاومة. عندما يكتمل المسار يمكن للتيار أن يمر، وعندما ينقطع المسار يتوقف التيار.

يمكن أن تستخدم الدائرة المدرسية بطارية وحامل بطاريات وأسلاكًا معزولة ومفتاحًا ومصباحًا صغيرًا أو مقاومة مناسبة. قبل لمس أي توصيل، افصل البطارية. لا تستخدم الكهرباء المنزلية في أي نشاط من أنشطة هذا المساق.

كيف تعمل الدائرة الكهربائية؟

الدائرة الكهربائية مسار يسمح بانتقال الشحنات خلال مكونات موصلة. البطارية تحافظ على فرق جهد بين قطبيها، وهذا الفرق يمكن أن يدفع الشحنات عبر دائرة مغلقة. المصباح أو المقاومة يمثل الحِمل الذي تتحول عنده طاقة كهربائية إلى ضوء أو حرارة أو شكل آخر من أشكال الطاقة.

إذا كان المفتاح مفتوحًا فالمسار غير مكتمل، لذلك لا يمر تيار مستمر في الدائرة. وإذا أُغلق المفتاح اكتمل المسار وبدأ التيار. أما توصيل قطبي البطارية مباشرة بسلك منخفض المقاومة فيسمى قصرًا كهربائيًا، وقد يسبب تيارًا كبيرًا وارتفاعًا في الحرارة؛ لذلك يجب تجنبه دائمًا.

فيديو تمهيدي بالعربية

شاهد الفيديو التالي لتثبيت المفاهيم الأساسية للجهد والتيار والمقاومة وقانون أوم، ثم دوّن مثالًا واحدًا من حياتك اليومية لكل مفهوم.

التيار والجهد والمقاومة

هذه الكميات الثلاث تصف سلوك الدائرة من زوايا مختلفة. يمكنك التفكير في التيار على أنه مقدار مرور الشحنة، وفرق الجهد على أنه مقدار الدفع الكهربائي المرتبط بالطاقة لكل شحنة، والمقاومة على أنها مقدار ممانعة المكوّن لمرور التيار.

التيار الكهربائي

التيار الكهربائي هو معدل مرور الشحنة عبر مقطع من موصل. يقاس التيار بوحدة الأمبير. كلما مر مقدار أكبر من الشحنة في الزمن نفسه كانت شدة التيار أكبر.

في الأسلاك المعدنية تتحرك الإلكترونات، بينما يُعرَّف اتجاه التيار الاصطلاحي تاريخيًا في الاتجاه الذي تتحرك فيه الشحنة الموجبة. لذلك قد يكون اتجاه حركة الإلكترونات معاكسًا لاتجاه التيار الاصطلاحي. في هذا المستوى يكفي أن تتبع سهم التيار الاصطلاحي في الرسوم ما لم يُطلب منك غير ذلك.

فرق الجهد الكهربائي

فرق الجهد بين نقطتين يعبّر عن مقدار الاختلاف في الطاقة الكهربائية لكل وحدة شحنة بين هاتين النقطتين. يقاس فرق الجهد بوحدة الفولت. البطارية مثلًا تحافظ على فرق جهد بين قطبيها، وهذا ما يسمح بنقل الطاقة إلى مكونات الدائرة عندما تكون الدائرة مغلقة.

لا تقل إن "الجهد يجري" في السلك؛ الذي نصفه بالجريان هو التيار. الجهد فرق بين نقطتين، لذلك يقاس الفولتميتر بين نقطتين في الدائرة.

المقاومة الكهربائية

المقاومة الكهربائية خاصية تعبّر عن ممانعة المكوّن لمرور التيار. تقاس بوحدة الأوم. عند ثبات فرق الجهد، تؤدي مقاومة أكبر عادةً إلى تيار أصغر في مكوّن أومي.

تختلف المقاومة باختلاف المادة والأبعاد ودرجة الحرارة. لذلك فإن مقاومة سلك رفيع وطويل قد تكون أكبر من مقاومة سلك سميك وقصير مصنوع من المادة نفسها.

قانون أوم

بالنسبة إلى مقاومة أومية وفي ظروف مناسبة، يربط قانون أوم بين فرق الجهد والتيار والمقاومة بالعلاقة:

فرق الجهد = شدة التيار × المقاومة

ومنها يمكنك إعادة الترتيب:

شدة التيار = فرق الجهد ÷ المقاومة

المقاومة = فرق الجهد ÷ شدة التيار

مثال: إذا كان فرق الجهد عبر مقاومة يساوي 6 فولت ومقدار المقاومة 3 أوم، فإن شدة التيار تساوي 6 ÷ 3 = 2 أمبير.

من الأخطاء الشائعة الاعتقاد أن قانون أوم ينطبق بالطريقة نفسها على كل جهاز وفي جميع الظروف. بعض المكونات لا تكون أومية، كما أن تغيّر درجة الحرارة قد يغيّر المقاومة.

القياس بالأميتر والفولتميتر

لقياس التيار في فرع من الدائرة يوصل الأميتر على التوالي مع ذلك الفرع حتى يمر التيار المراد قياسه عبر الجهاز. أما الفولتميتر فيوصل على التوازي بين طرفي المكوّن لقياس فرق الجهد عبره.

قاعدة سلامة مهمة: لا توصل الأميتر مباشرة بين قطبي البطارية؛ لأن مقاومته الداخلية منخفضة وقد يؤدي ذلك إلى تيار كبير. استخدم نطاق القياس الصحيح، وتأكد من منفذ جهاز القياس وتعليمات المعلم قبل التوصيل.

دوائر التوالي

في دائرة التوالي تتصل المكونات واحدًا بعد الآخر في مسار واحد. لذلك يمر التيار نفسه عبر جميع المكونات في المسار الواحد. أما فرق الجهد الكلي للمصدر فيتوزع على مكونات الدائرة.

إذا كانت المقاومات على التوالي، فإن المقاومة المكافئة تساوي مجموع المقاومات:

المقاومة المكافئة = المقاومة الأولى + المقاومة الثانية + بقية المقاومات

مثال: بطارية 6 فولت موصولة بمقاومتين 2 أوم و4 أوم على التوالي. المقاومة المكافئة = 6 أوم، والتيار = 6 ÷ 6 = 1 أمبير. فرق الجهد على المقاومة 2 أوم يساوي 2 فولت، وعلى المقاومة 4 أوم يساوي 4 فولت، ومجموعهما 6 فولت.

إذا انقطع مسار واحد في دائرة توال بسيطة، انقطع التيار في الدائرة كلها. لهذا لا تكون دوائر التوالي مناسبة عادةً عندما نريد أن تعمل عدة أجهزة بصورة مستقلة.

دوائر التوازي

في دائرة التوازي توجد فروع متعددة تتصل بالنقطتين نفسيهما. يكون فرق الجهد نفسه عبر كل فرع مثاليًا، بينما يتوزع التيار بين الفروع. التيار الكلي الذي يخرج من المصدر يساوي مجموع تيارات الفروع.

للمقاومات على التوازي، نحسب المقاومة المكافئة باستخدام مقلوبات المقاومات. وفي حالة مقاومتين متساويتين تكون المقاومة المكافئة نصف مقاومة إحداهما. مثلًا إذا وُصلت مقاومتان مقدار كل منهما 6 أوم على التوازي، فالمقاومة المكافئة تساوي 3 أوم.

إذا وصلنا هاتين المقاومتين المتساويتين بمصدر 6 فولت، يكون التيار في كل فرع 1 أمبير، والتيار الكلي 2 أمبير. لاحظ أن إضافة فروع متوازية يمكن أن تقلل المقاومة المكافئة وتزيد التيار المطلوب من المصدر.

رسم دائرة تواز تحتوي مقاومات وأجهزة قياس — مثال تخطيطي لقياس التيار والجهد في دائرة تواز.

فيديو عن التوالي والتوازي بالعربية

شاهد هذا الفيديو التعليمي المناسب لمرحلة قريبة من عمرك، ثم قارن ما يحدث لفرق الجهد والتيار عند تغيير طريقة التوصيل.

القدرة الكهربائية وتحول الطاقة

القدرة الكهربائية هي معدل تحويل الطاقة الكهربائية أو نقلها، وتقاس بوحدة الواط. في دائرة تيار مستمر بسيطة يمكن حسابها من العلاقة:

القدرة = فرق الجهد × شدة التيار

مثال: إذا عمل مصباح صغير عند فرق جهد 6 فولت وكان التيار المار فيه 0.5 أمبير، فإن القدرة = 6 × 0.5 = 3 واط.

يمكن ربط القدرة أيضًا بالحرارة. عندما يمر تيار كبير في مقاومة أو سلك، قد تزداد القدرة المتحولة إلى حرارة. لهذا تستخدم الأسلاك والمصاهر ووسائل الحماية المناسبة في الدوائر الحقيقية، ولهذا يجب تجنب القصر الكهربائي.

رسم متحرك يوضح انتقال القدرة من الدائرة إلى حمل كهربائي — رسم متحرك يوضح انتقال الطاقة الكهربائية إلى حِمل كهربائي.

مختبر رقمي آمن

يمكنك بناء دوائر افتراضية وقياس التيار والجهد دون مخاطر المعدات الحقيقية باستخدام محاكاة جامعة كولورادو التفاعلية باللغة العربية:

افتح محاكاة بناء الدوائر الكهربائية للتيار المستمر باللغة العربية

جرّب التسلسل الآتي داخل المحاكاة:

ابن دائرة بسيطة من بطارية ومفتاح ومصباح، ثم افتح المفتاح وأغلقه ولاحظ التيار.
أضف مقاومة وغيّر قيمتها، ثم راقب كيف تتغير شدة التيار عند ثبات جهد البطارية.
ابن مقاومتين على التوالي وقِس التيار في مواضع مختلفة، ثم قارن القراءات.
ابن مقاومتين على التوازي وقِس فرق الجهد عبر كل فرع، ثم قارن القراءات.
قبل كل تغيير، اكتب توقعك أولًا، ثم اختبره وسجل ما إذا كان التوقع صحيحًا أم يحتاج إلى تعديل.

تجارب صفية آمنة

لا تُنفَّذ التجارب الآتية إلا ببطاريات منخفضة الجهد، مثل حامل بطاريتين جافتين، وبإشراف المعلم أو شخص بالغ مسؤول. لا تستخدم أي مقبس منزلي ولا سلكًا متصلًا بالشبكة الكهربائية.

تجربة دائرة مصباح بسيطة

استخدم حامل بطاريات منخفض الجهد ومفتاحًا ومصباحًا صغيرًا مناسبًا للجهد وأسلاك توصيل معزولة. ابن دائرة مغلقة وشاهد المصباح، ثم افتح المفتاح ولاحظ توقف التيار. افصل البطارية قبل تغيير أي توصيل.

تجربة قانون أوم منخفضة الجهد

يمكن استخدام مصدر 3 فولت ومقاومة 220 أوم مناسبة مع جهاز قياس بإشراف المعلم. احسب التيار المتوقع أولًا: 3 ÷ 220 يقارب 0.014 أمبير. ثم قِس التيار بطريقة صحيحة وقارن القراءة بالحساب. لا توصل جهاز القياس على وضع قياس التيار مباشرة بين قطبي البطارية.

تجربة مقارنة التوالي والتوازي

استخدم مصباحين صغيرين متماثلين ومصدرًا منخفض الجهد مناسبًا. قارن سطوعهما عند التوصيل على التوالي ثم على التوازي، مع المحافظة على حدود الجهد المسموح بها للمصابيح. لا تعتمد على السطوع وحده لاستنتاج القيم؛ استخدم القياس والحساب عند توفر الأدوات.

السلامة الكهربائية القوية

السلامة ليست إضافة جانبية، بل جزء أساسي من التفكير العلمي. اتبع الممارسات الآتية في كل نشاط:

الموقف	الممارسة الآمنة
بناء دائرة مدرسية	استخدم بطاريات منخفضة الجهد ومكونات مخصصة للتعليم فقط.
تغيير التوصيلات	افصل مصدر الطاقة أولًا ثم عدّل الدائرة.
سلك أو بطارية ساخنة	افصل المصدر فورًا ولا تلمس الجزء الساخن حتى يبرد وأخبر المعلم.
احتمال وجود قصر كهربائي	لا تغلق الدائرة قبل فحص المسار والتأكد من وجود حمل مناسب.
استخدام جهاز القياس	اختر المنفذ والمدى الصحيحين واتبع تعليمات الجهاز والمعلم.
الكهرباء المنزلية	لا تفتح المقابس ولا تدخل أسلاكًا أو أدوات فيها ولا تنفذ عليها أي تجربة.
اليدان أو المكان رطبان	ابتعد عن المعدات الكهربائية ولا تستخدمها حتى تصبح الظروف آمنة وجافة.
سلك أو جهاز تالف	لا تستخدمه، واعزل مصدر الطاقة وأبلغ شخصًا بالغًا مسؤولًا.

من أهم الأخطاء التي يجب تجنبها: توصيل قطبي البطارية مباشرة، وضع أجسام معدنية على أقطاب البطاريات، تجربة دوائر مجهولة على الكهرباء المنزلية، أو تغيير الأسلاك بينما المصدر موصول.

أفكار شائعة تحتاج إلى تصحيح

التيار لا يُستهلك داخل المقاومة. في دائرة توال مستقرة يكون التيار نفسه قبل المقاومة وبعدها، بينما تتحول طاقة كهربائية في المقاومة إلى حرارة أو شكل آخر من الطاقة.

البطارية لا تفرض تيارًا ثابتًا في كل دائرة. قيمة التيار تعتمد على فرق الجهد وخصائص الدائرة ومقاومتها.

فرق الجهد ليس شيئًا يجري في السلك. إنه فرق في الطاقة الكهربائية لكل شحنة بين نقطتين.

إضافة فرع متوازٍ لا تعني دائمًا تيارًا كليًا أصغر. بل قد تقل المقاومة المكافئة ويزداد التيار المطلوب من المصدر.

القصر الكهربائي ليس طريقة لاختبار البطارية. إنه حالة قد تسبب تيارًا كبيرًا وحرارة خطرة.

مهام تفاعلية

اختبار: اختبر معرفتك

ما الوصف الأفضل للتيار الكهربائي؟ (معدل مرور الشحنة الكهربائية) (!فرق الطاقة بين نقطتين) (!مقدار ممانعة المكوّن) (!معدل تحويل الطاقة)

ما وحدة قياس فرق الجهد؟ (الفولت) (!الأمبير) (!الأوم) (!الواط)

إذا كان فرق الجهد 6 فولت والمقاومة 3 أوم، فما شدة التيار؟ (2 أمبير) (!3 أمبير) (!6 أمبير) (!18 أمبير)

ماذا يحدث للتيار في دائرة توال بسيطة؟ (يمر التيار نفسه عبر جميع المكونات) (!يصبح التيار صفرًا بعد أول مقاومة) (!يزداد التيار تلقائيًا بعد كل مقاومة) (!يتوزع التيار بين فروع متعددة)

ما المقاومة المكافئة لمقاومتين 2 أوم و3 أوم موصولتين على التوالي؟ (5 أوم) (!1 أوم) (!6 أوم) (!0.5 أوم)

ما الكمية التي تكون متساوية عبر الفروع في دائرة تواز مثالية؟ (فرق الجهد) (!المقاومة في كل فرع) (!القدرة في كل فرع) (!عدد المكونات في كل فرع)

ما المقاومة المكافئة لمقاومتين متساويتين مقدار كل منهما 6 أوم على التوازي؟ (3 أوم) (!6 أوم) (!12 أوم) (!18 أوم)

إذا كان فرق الجهد 6 فولت والتيار 0.5 أمبير، فما القدرة؟ (3 واط) (!0.083 واط) (!6.5 واط) (!12 واط)

كيف يوصل الأميتر لقياس تيار فرع؟ (على التوالي مع الفرع) (!على التوازي بين طرفي البطارية) (!خارج الدائرة دون توصيل) (!مباشرة بين قطبي البطارية)

أي ممارسة هي الأكثر أمانًا في تجربة مدرسية؟ (استخدام بطارية منخفضة الجهد وفصلها قبل تغيير الأسلاك) (!إدخال سلك في مقبس منزلي لاختبار التوصيل) (!لمس سلك ساخن لمعرفة درجة حرارته) (!توصيل قطبي البطارية مباشرة بسلك)

لعبة الذاكرة

التيار	معدل مرور الشحنة الكهربائية عبر مقطع من موصل
فرق الجهد	فرق الطاقة الكهربائية لكل شحنة بين نقطتين
المقاومة	ممانعة المكوّن لمرور التيار
التوالي	توصيل المكونات في مسار واحد متتابع
التوازي	توصيل المكونات في فروع تشترك في نقطتي اتصال
القدرة	معدل تحويل الطاقة الكهربائية أو نقلها

السحب والإفلات

طابق المصطلح مع الوصف الصحيح.	الدوائر الكهربائية
الأميتر	يوصل على التوالي لقياس شدة التيار
الفولتميتر	يوصل على التوازي لقياس فرق الجهد
الدائرة المغلقة	مسار مكتمل يسمح بمرور التيار
الدائرة المفتوحة	مسار منقطع يمنع استمرار التيار
القصر الكهربائي	مسار شديد الانخفاض في المقاومة قد يسبب تيارًا كبيرًا

كلمات متقاطعة

مقاومة	خاصية تعبّر عن ممانعة مرور التيار الكهربائي
أميتر	جهاز يستخدم لقياس شدة التيار
فولتميتر	جهاز يقيس فرق الجهد بين نقطتين
توالي	نوع توصيل تسير فيه المكونات في مسار واحد
توازي	نوع توصيل توجد فيه فروع متعددة بين نقطتين
قدرة	معدل تحويل الطاقة الكهربائية أو نقلها

مهام مفتوحة

سهل

رسم دائرة بسيطة: ارسم بطارية ومفتاحًا ومصباحًا وأسلاكًا في دائرة مغلقة، ثم ارسم الحالة المفتوحة وحدد سبب انطفاء المصباح.
بطاقات الرموز الكهربائية: أنشئ مجموعة بطاقات عربية لرموز البطارية والمقاومة والمصباح والمفتاح والأميتر والفولتميتر، واكتب وظيفة كل عنصر في جملة واحدة.
توقع وقياس افتراضي: استخدم محاكاة الدوائر العربية، غيّر مقاومة واحدة مع ثبات الجهد، وسجل ثلاثة توقعات وثلاث قراءات ثم فسّر النمط.
ملصق السلامة الكهربائية: صمم ملصقًا بصريًا يضم ست قواعد سلامة للدوائر المدرسية منخفضة الجهد مع رمز تحذير واضح لكل قاعدة.

متوسط

مقارنة التوالي والتوازي: ابن دائرتين في المحاكاة بالمكونات نفسها، واحدة على التوالي وأخرى على التوازي، ثم أنشئ جدولًا يقارن التيار والجهد والمقاومة المكافئة.
تجربة مصباحين آمنة: تحت إشراف المعلم وبمصدر منخفض الجهد مناسب، قارن مصباحين متماثلين في التوالي والتوازي وسجل الملاحظات دون استخدام كهرباء منزلية.
تحليل بيانات قانون أوم: أنشئ خمس مجموعات من قيم الجهد والمقاومة، احسب التيار لكل مجموعة، ثم ارسم علاقة مناسبة وفسر أثر تغيير كل متغير.
فيديو شرح قصير: أنشئ فيديو تعليميًا مدته دقيقتان أو ثلاث يشرح الفرق بين التيار والجهد والمقاومة باستخدام رسوم من صنعك دون إظهار أي بيانات شخصية.

متقدم

تصميم إنارة نموذجية: صمم في المحاكاة نظام إنارة صغيرًا بثلاثة فروع متوازية يتيح استمرار فرعين إذا فُتح الثالث، واشرح سبب اختيار التوازي.
تحقيق القدرة الكهربائية: اختر أربع حالات آمنة بقيم مختلفة للجهد والتيار، احسب القدرة لكل حالة، ثم فسر أي حالة تحول الطاقة بمعدل أكبر ولماذا.
مقابلة حول السلامة: أجر مقابلة بإذن المعلم مع فني كهرباء أو مسؤول مختبر حول أخطاء السلامة الشائعة، ثم لخص خمس ممارسات وقائية دون نشر أسماء أو بيانات شخصية.
تشخيص أعطال دائرة: أنشئ في المحاكاة ثلاث دوائر بها أعطال مختلفة مثل مفتاح مفتوح أو فرع منقطع أو قصر مقصود داخل بيئة المحاكاة فقط، ثم اكتب طريقة منطقية لاكتشاف كل عطل.

مجالات تعلم مرتبطة

الكهرباء والدوائر الكهربائية

مسرد

الدائرة الكهربائية: مسار من مكونات موصلة ومصدر وحمل يسمح بانتقال الطاقة والشحنات عندما يكون مغلقًا.
التيار الكهربائي: معدل مرور الشحنة الكهربائية، ووحدته الأمبير.
فرق الجهد: فرق الطاقة الكهربائية لكل وحدة شحنة بين نقطتين، ووحدته الفولت.
المقاومة الكهربائية: مقدار ممانعة المكوّن لمرور التيار، ووحدتها الأوم.
قانون أوم: علاقة تربط فرق الجهد وشدة التيار والمقاومة في مكوّن أومي ضمن ظروف مناسبة.
التوالي: توصيل مكونات في مسار واحد يمر فيه التيار نفسه.
التوازي: توصيل مكونات في فروع متعددة يكون بينها فرق الجهد نفسه في الحالة المثالية.
المقاومة المكافئة: مقاومة واحدة افتراضية تمثل أثر مجموعة مقاومات في الدائرة.
الأميتر: جهاز قياس شدة التيار ويُوصل على التوالي مع الفرع المقاس.
الفولتميتر: جهاز قياس فرق الجهد ويُوصل على التوازي بين نقطتين.
القدرة الكهربائية: معدل تحويل الطاقة الكهربائية أو نقلها، ووحدتها الواط.
القصر الكهربائي: مسار منخفض المقاومة جدًا قد يسمح بتيار كبير ويسبب سخونة أو تلفًا.