الدرس الأول: الكهرباء

أنظر وأتساءل

يستطيع مولد (فان دي جراف) أن يولد حزماً كبيرة من الإلكترونات. كيف يمكن السيطرة على هذا الكم من الطاقة؟

عن طريق توفير مسار تنتقل من خلاله.

أستكشف

أختبر توقعي

أتوقع. أفحص المفتاح الأول، أتوقع أي المصابيح يصل مسار التيار الكهربائي من أحد قطبي البطارية إلى القطب الآخر عند إغلاق المفتاح؟ أي المصابيح سيضيء عندما يكون المفتاح الأول الكهربائي مغلقاً مع بقاء المفتاحين الثاني والثالث مفتوحين؟ أسجل توقعاتي.

يكون مسار التيار الكهربائي في جميع المصابيح مستمراً وغير مفصول عند إغلاق المفتاح الأول، والمصابيح في كامل المسار أو الدائرة الكهربائية ستضيء.

أجرب. أغلق الدائرة الكهربائية باستخدام المفتاح الكهربائي الأول، وأسجل ملاحظاتي، ثم أفتح المفتاح.

المفتاح الأول سيضيئ المصابيح الثلاثة بضوء خافت والمفتاح الثاني يضيء المصباح الأيمن، والمفتاح الثالث يضيء المصابيح في الوسط وجهة اليسار.

أستكشف أكثر

أي المفاتيح يجب أن يكون مغلقاً للحصول على أقوى إضاءة ممكنة من مصباح واحد؟ ماذا يحدث لو أغلقت أكثر من مفتاح. أصمم تجربة لاختبار أي المفاتيح المغلقة يعطي إضاءة أقوى ما يمكن. أنفذ التجربة، وأسجل نتائجي.

الذي سيوفر مساراً أقصر للتيار من خلال مصباح واحد، ويوفر أيضاً أكبر إضاءة ممكنة للمصباح هو المفتاح الثاني في الدائرة الكهربائية.

أقرأ الشكل

هل الحذاء مشحون؟ لماذا؟ إرشاد: أحسب عدد البروتونات والإلكترونات.

نعم، فالحذاء مشحون بشحنة سالبة، لأن عدد الإلكترونات فيه أكثر من عدد البروتونات.

نشاط

أغلق الدائرة الكهربائية، هل شدة إضاءة المصباح الكهربائي كما هي في السابق؟ لماذا؟

ستكون الإضاءة أكثر وأشد، لأن البطارية الإضافية أدت إلى زيادة التيار الكهربائي.

أستنتج. كيف أستدل على سريان كهرباء أكبر في دائرة كهربائية؟

الكهرباء ستكون أكثر عند توصيل بطاريات أكثر، ويمكن أن أعرف ذلك لأن سطوع المصباح يزداد.

أقرأ الشكل

أي المصابيح الكهربائية أكثر سطوعاً عندما تغلق الدائرة الكهربائية؟ إرشاد: أي المسارات لها أقل مقاومة؟

المصابيح الموصولة على التوازي إضاءتها عند اتصالها معاً على التوالي، يوجد في كل مسار في دائرة موصلة على التوازي مقاومة كهربائية واحدة (مصباح) فقط.

التتابع. ماذا يحدث لبالون اكتسب إلكترونات إضافية عند تقريبه إلى جداً؟

• الإلكترونات الإضافية في البالون تتنافر مع الإلكترونات التي في الجزء الأقرب من الجدار.
• بوجود إلكترونات قلقة يصبح جزء الجدار القريب من البالون موجب الشحنة جزئياً.
• يجذب جزء الجدار موجب الشحنة البالون سالب الشحنة.

التفكير الناقد. ماذا يحدث إذا تلامس موصلان لهما شحنات مختلفة؟

سيحدث تجاذب بين الشحنات المختلفة وستنتقل الإلكترونات باتجاه البروتونات على طول الموصلين وبذلك تتساوى الشحنات ويصبح الموصلان متعادلين.

التتابع. كيف يتغير شكل الطاقة في المصباح اليدوي؟

تتحول الطاقة الكيميائية في البطارية إلى طاقة كهربائية ثم تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وحرارية بواسطة المقاومة الكهربائية التي في المصباح.

التفكير الناقد. كيف تشبه المقاومة الكهربائية الاحتكاك؟

كلاهما يبطئ الحركة ويفقد النظام الطاقة وكلاهما يحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية أو طاقة ضوئية.

التتابع. ماذا يحدث لسطوع المصابيح الكهربائية في دائرة كهربائية متصلة على التوالي في كل مرة تضيف فيها مصباحاً للدائرة؟

يقل سطوع المصابيح فكل مقاومة تستهلك طاقة من الدائرة وكلما زادت المقاومات تنقص طاقة إضاءة كل مصباح.

التفكير الناقد. كيف تقارن بين التيار الكهربائي في دائرة كهربائية موصولة على التوالي وأخرى موصولة على التوازي؟

يسري التيار الكهربائي نفسه في الدائرة الكهربية الموصولة على التوالي في مسار واحد في جميع المصابيح بينما يتفرع التيار الكهربائي المار في الدائرة الكهربائية الموصولة على التوازي ويسري في أكثر من مسار وفي كل مصباح تيار منفصل عن التيارات المارة بالمصابيح الأخرى.

التتابع. كيف يمكن أن تؤدي التوصيلات الكهربائية إلى إشعال حريق؟

1. أما ماس كهربائي أو دوائر كهربائية عديدة موصلة على التوازي تزيد التيار الكهربائي.

2. سيسخن التيار الكهربائي الأسلاك.

3. ستؤدي الحرارة إلى اشتعال الأجسام المجاورة.

التفكير الناقد. فيم يشبه المنصهر المفتاح الكهربائي وفيم يختلف عنه؟

يشبه المنصهر المفتاح لأنه يمكن أن يوقف تدفق التيار الكهربائي ويوصل المنصهر في الدائرة الكهربية على التوالي.

أفكر وأتحدث وأكتب.

1. المفردات. عندما يمرر موصل الشحنات الكهربائية الزائدة على سطحه إلى موصل آخر كبير يسمى هذا التأريض.

2. التتابع. ماذا يحدث لأجسام عندما تدلك معاً. وتكوين شرارة كهربائية؟

• يدلك جسم بجسم آخر.
• تنتقل الإلكترونات من جسم إلى آخر.
• تتراكم الشحنات الكهربائية ويحدث تجاذب بين الإلكترونات وبروتونات الجسم الآخر.
• تفرغ الإلكترونات في الهواء مكونة شرارة كهربائية.

3. التفكير الناقد. هل تصل الإلكترونات من بطارية إلى المصباح الكهربائي قبل أن يضيء؟

لا، تدفع الإلكترونات التي في البطارية بعضها بعض وتدفع هذه الإلكترونات إلكترونات أخرى وهكذا تستمر العملية حتى يضيء المصباح.

4. أختار الإجابة الصحيحة. إضافة مصابيح أخرى إلى دائرة موصولة على التوالي:

أ- يسبب زيادة التيار.

ب- يسبب نقص التيار.

ج- لا يتغير التيار.

د- يعكس اتجاه التيار.

5. أختار الإجابة الصحيحة. ما الذي يحمي المنازل من التيار الكهربائي الكبير؟

أ- المقابس.

ب- المقاومات.

ج- القواطع الكهربائية.

د- مصادر الكهرباء.

6. السؤال الأساسي. ما الكهرباء؟ وكيف نستخدمها؟

• الكهرباء هي حركة الإلكترونات وهي شكل من أشكال الطاقة.
• تستخدم الكهرباء في تشغيل الأجهزة الكهربائية المختلفة كالمكواة والمدفأة والتلفاز والحاسوب وغيرها.
• غالباً ما نفسر عمل الأجهزة الكهربائية بسبب سريان الكهرباء فيها ويُسمى سريان الكهرباء فيِ موصل التيار الكهربائي ويمر التيار الكهربائي في مسار مغلق من الموصلات يُسمى الدائرة الكهربائية.
• ويتكون المسار غالباً من أسلاك فلزية تصل بين أجزاء الدائرة المختلفة ويجب أن يتوافر في الدائرة جزء أو أداة لتحريك الإلكترونات في اتجاه واحد على طول المسار وهذه الأداة تسمى مصدر الجهد والبطاريات مثال جيد على مصدر الجهد.
• وتشتمل الدائرة الكهربائية على مفتاح كهربائي وهو أداة تقوم بغلق الدائرة الكهربائية أو فتحها وعندما يُغلق المفتاح الكهربائي الدائرة الكهربائية فإن اختلاف الشحنات بين طرفي البطارية يُسبب دفع الإلكترونات فيها مما يُسبب حركتها ولا تنتقل الكهرباء بالطريقة نفسها في كل جزء من أجزاء الدائرة الكهربائية فهناك أجزاء من الدائرة الكهربائية تقاوم مرور الإلكترونات فيها تُسمى المقاومة الكهربائية.
• تفقد الإلكترونات بعض طاقتها عندما تمر في هذا الجزء من الدائرة الكهربائية وقد تتحول هذه الطاقة إلى حرارة أو إشعاع كما في المصباح الكهربائي الذي يُمثل مقاومة كهربائية.

العلوم والرياضيات

استخدام البرق في الإضاءة

في الصاعقة الكهربائية الصغيرة يوجد حوالي 500 مليون جول مـن الطاقة. يستخدم المصباح الكهربائي 100 جول/ثانية، كم ساعة يضيء المصباح بهذه الكمية للطاقة؟

500000000 جول ÷ 100 جول/الثانية = 5000000 ثانية، الساعة فيها 3600 ثانية، إذن 5000000 ÷ 3600 = 1388.88 ساعة.