تجاوز إلى المحتوى الرئيسي

الوحدة الثالثة من فيزياء البكالوريا تدرس الأنظمة الكهربائية التي تتغير فيها المقادير مع الزمن: ثنائي القطب RC (مكثفة وناقل أومي) وثنائي القطب RL (وشيعة وناقل أومي). وهي وحدة تعتمد على القوانين أكثر من الحفظ، فإذا فهم التلميذ المعادلة التفاضلية وحلها وثابت الزمن حل كل أسئلتها. تلخص الصفحة القوانين والخطوات، وتنتهي بنصائح.

أولا: ثنائي القطب RC

المكثفة

  • المكثفة تخزن الشحنة والطاقة الكهربائية.
  • سعتها ⁦C⁩ تقاس بـالفاراد (F).
  • العلاقة: ⁦q = C × u_C⁩ (الشحنة جداء السعة في التوتر).
  • التيار: ⁦i = dq/dt = C × du_C/dt⁩.

شحن المكثفة

نربط مكثفة غير مشحونة بمولد توتره ⁦E⁩ عبر ناقل أومي ⁦R⁩.

المعادلة التفاضلية بدلالة ⁦u_C⁩:

⁦RC (du_C/dt) + u_C = E⁩

الحل:

⁦u_C(t) = E (1 - e^(-t/τ))⁩ حيث ⁦τ = R C⁩

  • ⁦τ⁩ هو ثابت الزمن ويقاس بالثانية.
  • عند ⁦t = τ⁩ يبلغ التوتر نحو ⁦63 %⁩ من ⁦E⁩.
  • بعد ⁦5 τ⁩ يعتبر الشحن منتهيا (نحو ⁦99 %⁩).

تفريغ المكثفة

نفرغ المكثفة المشحونة في الناقل الأومي.

المعادلة التفاضلية:

⁦RC (du_C/dt) + u_C = 0⁩

الحل:

⁦u_C(t) = E e^(-t/τ)⁩

  • عند ⁦t = τ⁩ يتبقى نحو ⁦37 %⁩ من ⁦E⁩.

الطاقة المخزنة في المكثفة

⁦E_C = (1/2) C u_C²⁩

ثانيا: ثنائي القطب RL

الوشيعة

  • الوشيعة تخزن الطاقة المغناطيسية.
  • ذاتيتها ⁦L⁩ تقاس بـالهنري (H).
  • التوتر بين طرفيها: ⁦u_L = L (di/dt) + r i⁩ حيث ⁦r⁩ مقاومتها الداخلية.

إقامة التيار في دارة RL

نربط الوشيعة (مع ناقل أومي ⁦R⁩) بمولد توتره ⁦E⁩.

المعادلة التفاضلية بدلالة ⁦i⁩:

⁦(L/R) (di/dt) + i = E/R⁩

الحل:

⁦i(t) = (E/R) (1 - e^(-t/τ))⁩ حيث ⁦τ = L / R⁩

  • في النظام الدائم (⁦t⁩ كبير) يصير ⁦i = E/R⁩ ويكون ⁦u_L = 0⁩ للوشيعة المثالية.

انقطاع التيار

⁦i(t) = I₀ e^(-t/τ)⁩.

الطاقة المخزنة في الوشيعة

⁦E_L = (1/2) L i²⁩

ثالثا: تعيين ثابت الزمن

الطريقة الشرح
المماس عند المبدأ نرسم مماس المنحنى عند ⁦t = 0⁩ فيقطع المستقيم الأفقي للنظام الدائم عند ⁦t = τ⁩
بقيمة 63 % نقرأ الزمن الموافق لـ⁦0.63 E⁩ في الشحن
بقيمة 37 % نقرأ الزمن الموافق لـ⁦0.37 E⁩ في التفريغ
بالحساب ⁦τ = RC⁩ أو ⁦τ = L/R⁩

مقارنة

وجه المقارنة RC RL
ثابت الزمن ⁦τ = RC⁩ ⁦τ = L/R⁩
المقدار المستمر التوتر ⁦u_C⁩ شدة التيار ⁦i⁩
الطاقة ⁦(1/2) C u²⁩ ⁦(1/2) L i²⁩

تحليل أبعادي

  • ⁦RC⁩: جداء الأوم في الفاراد يعطي ثانية.
  • ⁦L/R⁩: خارج قسمة الهنري على الأوم يعطي ثانية.

مثال

دارة RC: ⁦R = 1 kΩ⁩ و⁦C = 100 μF⁩. ثابت الزمن ⁦τ = 1000 × 100×10⁻⁶ = 0.1 s⁩.

نصائح

  • اكتب المعادلة التفاضلية بدلالة المقدار المناسب (u للمكثفة، i للوشيعة).
  • تحقق من وحدة ثابت الزمن.
  • استعمل خاصية 63 بالمئة لقراءة τ من البيان.

أخطاء شائعة

  • الخلط بين حل الشحن وحل التفريغ.
  • نسيان أن توتر المكثفة مستمر (لا يقفز).
  • القول إن شدة التيار في وشيعة تقفز عند غلق القاطعة.

الشرح المصوّر

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ حلفاوي فارس في فيديو «ملخص شامل للوحدة الثالثة، فيزياء بكالوريا 2026: RC وRL» هذا الملخص في نحو ستين دقيقة.

آخر تعديل: 2026.10.25 - 02:11