أول ميدان في برنامج الفيزياء للسنة الأولى متوسط هو الظواهر الكهربائية، وأول درس فيه هو الدارة الكهربائية. وكلمة «كهرباء» تذكرك بمصباح وبطارية وأسلاك، وهي أمور رأيتها في الابتدائي خصوصًا في السنة الخامسة، فهذا الدرس بناء على ما تعرفه. تعرض هذه الصفحة عناصر الدارة، ثم شروط اشتغالها، ثم الرموز النظامية وطريقة رسم المخطط، ثم النواقل والعوازل وجهة التيار، ثم الدارة المقصرة وكيف نتجنبها، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين محلولة.
عناصر الدارة الكهربائية
الدارة الكهربائية البسيطة تحتوي على عناصر أساسية:
- المولد: يوفر الطاقة الكهربائية. مثل العمود أو البطارية أو المأخذ الكهربائي في البيت.
- المستقبل: يستعمل الطاقة الكهربائية، مثل المصباح والمحرك والجرس.
- القاطعة: تفتح الدارة أو تغلقها.
- أسلاك التوصيل: تربط العناصر ببعضها وتنقل التيار.
الدارة المغلقة والدارة المفتوحة
لكي يشتغل المصباح يجب أن تكون الدارة مغلقة، أي أن تشكل العناصر حلقة متصلة لا انقطاع فيها: من أحد قطبي المولد إلى المستقبل فالقاطعة ثم إلى القطب الآخر. ويسمى هذا النوع من الدارات دارة ذهاب وإياب لأن التيار يذهب من المولد ويعود إليه. وإذا انقطعت الحلقة في أي نقطة صارت الدارة مفتوحة ولا يمر التيار ولا يتوهج المصباح، وهذا ما تفعله القاطعة حين نفتحها.
الرموز النظامية والمخطط
لنرسم الدارة نستعمل رموزًا متفقًا عليها دوليًا نسميها الرموز النظامية، فلا يحتاج أحد إلى رسم العناصر بأشكالها الحقيقية:
- المولد (العمود): خطان متوازيان أحدهما طويل (القطب الموجب) والآخر قصير غليظ (القطب السالب).
- المصباح: دائرة بداخلها علامة ضرب.
- القاطعة: خط ينفصل عن الدارة (مفتوحة) أو يتصل بها (مغلقة).
- السلك: خط مستقيم.
- المحرك: دائرة بداخلها حرف
M، والجرس رمز خاص به.
ولرسم مخطط جيد: استعمل المسطرة، واجعل الأسلاك مستقيمة بزوايا قائمة، واستعمل الرموز النظامية فقط، وارسم مستطيلًا مغلقًا تتوزع عليه العناصر.
جهة التيار الكهربائي
اتفق على اعتبار جهة التيار الكهربائي في الدارة خارج المولد من القطب الموجب إلى القطب السالب مرورًا بالمستقبل. ونرسم عليها سهمًا. وهذه جهة اصطلاحية، أما حركة الإلكترونات فتكون في الاتجاه المعاكس.
النواقل والعوازل
لنعرف إن كانت مادة ناقلة نضعها في دارة بدل قطعة منها: إن توهج المصباح فهي ناقلة، وإلا فهي عازلة.
- النواقل: المعادن (النحاس والحديد والألمنيوم) والكربون (الغرافيت) والمحاليل المائية الملحية.
- العوازل: البلاستيك والخشب الجاف والزجاج والمطاط والهواء.
ولهذا تُصنع أسلاك التوصيل من النحاس وتُغلف بالبلاستيك، فالنحاس ينقل والغلاف يعزل ويحمينا.
الدارة المقصّرة
الدارة المقصرة (أو القصر في الدارة) تحدث عندما نصل بين قطبي المولد بسلك فقط دون أي مستقبل في الطريق. فيمر في السلك تيار كبير جدًا يسخنه بشدة، ويستنزف المولد بسرعة وقد يسبب حريقًا. ولتفاديها نوصل دائمًا مستقبلًا (مصباحًا مثلًا) في الدارة، ولا نصل بين قطبي المولد مباشرة، ونتأكد من عدم تلامس سلكين عاريين.
أخطاء شائعة
- القول إن المصباح يتوهج في دارة مفتوحة، أو الاكتفاء بتوصيل سلك واحد بين المولد والمصباح.
- رسم المخطط بأشكال العناصر الحقيقية بدل الرموز النظامية، أو برسم الأسلاك منحنية.
- تحديد جهة التيار من القطب السالب إلى الموجب. الجهة الاصطلاحية من الموجب إلى السالب.
- الاعتقاد أن المصباح لا يضيء بسبب عطله فقط. قد يكون السبب القاطعة المفتوحة أو العمود المستهلك أو سوء التوصيل أو سلك مقطوع.
- القول إن الماء كله ناقل. الماء المقطر لا ينقل، أما الماء المالح فينقل.
- اعتبار الدارة المقصرة دارة آمنة لأنها تضم سلكًا فقط.
تمارين للتدرب
- اذكر العناصر الأربعة لدارة بسيطة ودور كل منها.
- المصباح لا يتوهج في دارة بسيطة. اذكر ثلاثة أسباب محتملة.
- ارسم (بالكلمات) مخطط دارة فيها عمود وقاطعة ومصباح، وحدد جهة التيار.
- صنف إلى ناقل وعازل: النحاس، البلاستيك، الخشب الجاف، الحديد، الزجاج.
- ما خطر الدارة المقصرة؟
الحلول:
- المولد (يوفر الطاقة)، والمستقبل (يستعملها)، والقاطعة (تفتح الدارة وتغلقها)، وأسلاك التوصيل (تنقل التيار).
- القاطعة مفتوحة، أو العمود مستهلك، أو سلك مقطوع أو سوء في التوصيل، أو خيط المصباح محترق.
- مستطيل فيه العمود (القطب الموجب إلى جهة المصباح) والقاطعة والمصباح موصولة على التسلسل. يخرج التيار من القطب الموجب فيمر بالمصباح فالقاطعة ثم يعود إلى القطب السالب.
- نواقل: النحاس والحديد. عوازل: البلاستيك والخشب الجاف والزجاج.
- يمر تيار كبير جدًا يسخن الأسلاك ويستنزف المولد وقد يسبب حريقًا.
الشرح المصوّر وملفات التمارين
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ حمياني في فيديو «الدرس الأول في الفيزياء للسنة الأولى متوسط: الدارة الكهربائية» الدرس في نحو ست وعشرين دقيقة، مبتدئًا بتقديم ميدان الظواهر الكهربائية وربطه بمكتسبات السنة الخامسة ابتدائي، ثم بعناصر كهربائية موضوعة أمام التلاميذ للتعرف على مكونات الدارة.
وللتدرب على تمارين حقيقية، اطلع على هذه الملفات في الموقع: