Fislab
الرئيسية / الدروس / قوانين كيرشوف وقنطرة وتستون

⚡ قوانين كيرشوف وقنطرة وتستون

Kirchhoff's Laws & Wheatstone Bridge
⏱️ 35 دقيقة 📂 الكهرباء والدوائر 🎯 مستوى متقدم

🎯 نواتج التعلم

بعد دراسة هذا الدرس ستكون قادراً على أن:

  1. تذكر نص قانون كيرشوف الأول (قانون التيار) وتفسّره بحفظ الشحنة الكهربائية.
  2. تطبّق قانون التيار لحساب تيار مجهول عند عقدة، وتحدد اتجاهه.
  3. تذكر نص قانون كيرشوف الثاني (قانون الجهد) وتفسّره بحفظ الطاقة.
  4. تطبّق قانون الجهد على حلقة مغلقة لإيجاد جهد أو تيار مجهول.
  5. تحل دائرة بحلقتين باستخدام القانونين معاً وتتحقق من النتيجة.
  6. تفسّر الإشارة السالبة للتيار المحسوب.
  7. تصف مبدأ عمل قنطرة وتستون وتكتب معادلة اتزانها.
  8. تحسب مقاومة مجهولة باستخدام قنطرة وتستون.
  9. تذكر العوامل المؤثرة في دقة القنطرة وبعض تطبيقاتها العملية.

1) مقدمة

وضع العالم غوستاف كيرشوف في القرن التاسع عشر قانونين أساسيين لتحليل الدوائر الكهربائية، وهما أساس فهم سلوك التيار والجهد في الدوائر الكهربائية والإلكترونية. وتظهر أهميتهما في الهندسة الكهربائية والإلكترونية، وأنظمة التحكم الآلي، وتصميم أنظمة الطاقة المتجددة.

2) القانون الأول: قانون التيار (KCL)

النص: مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة تفرّع يساوي مجموع التيارات الخارجة منها.

\[ \sum I_{in} = \sum I_{out} \]

شرح إضافي: لماذا؟ القانون نتيجة حفظ الشحنة: الشحنات لا تتراكم عند نقطة التفرّع، لذلك ما يدخلها من تيار يجب أن يخرج منها. وإذا خرجت قيمة تيار بإشارة سالبة فهذا يعني أن اتجاهه الحقيقي عكس الاتجاه الذي افترضته.

🧪 تجربة 1: مجموع التيارات الداخلة يساوي مجموع التيارات الخارجة

هذه التجربة تطبّق قانون التيار على عقدة واحدة N: تدخل إليها تياران، ويخرج منها تياران. غيّر القيم وتأمل المجموعين، ثم حاول أن تجعلهما متساويين.

🧪 تجربة 1

مجموع التيارات الداخلة = مجموع الخارجة

الهدف: التحقق من أن مجموع التيارات الداخلة إلى العقدة يساوي مجموع الخارجة منها.

  1. حرّك I₁ وI₂ (الداخلان) وI₃ (الخارج) وراقب المجموعين.
  2. أعد الضبط بحيث يكون I₄ = I₁ + I₂ − I₃، ثم تحقق.
  3. جرّب قيماً تخالف ذلك، ولاحظ الفرق الظاهر في الشريط.
ماذا تلاحظ؟ المجموعان يتساويان دائماً عندما تكون العقدة متوازنة، لأن الشحنات لا تتراكم فيها.

3) القانون الثاني: قانون الجهد (KVL)

النص: مجموع الجهود في أي حلقة مغلقة يساوي صفراً.

\[ \sum V = 0 \quad\Rightarrow\quad \sum \varepsilon = \sum I R \]

شرح إضافي: لماذا يكون المجموع صفراً؟ البطارية ترفع الجهد بمقدار ε، والمقاومات تُنقص الجهد بمقدار IR. وعند الرجوع إلى نقطة البداية يعود الجهد إلى قيمته الأصلية، فيكون المجموع صفراً. وهذا تعبير عن حفظ الطاقة.

🧪 تجربة 2: مجموع الجهود في حلقة مغلقة يساوي صفراً

نسير حول حلقة مغلقة واحدة تحتوي بطاريتين ومقاومات ثلاث، ونجمع التغيّرات في الجهد عند كل عنصر. البطارية ترفع الجهد بمقدار ε، والمقاومة تُنقصه بمقدار IR.

🧪 تجربة 2

مجموع الجهود في حلقة مغلقة معدوم

الهدف: التحقق من أن المجموع الجبري للجهود حول الحلقة المغلقة يساوي صفراً.

  1. غيّر قيمة ε₁ وε₂ (اجعل ε₂ سالبة لعكس البطارية) وراقب التيار.
  2. غيّر R₁ وR₂ وR₃ وراقب الهبوط الجهدي عند كل مقاومة.
  3. تحقق من أن مجموع الجهود حول الحلقة يساوي صفراً في كل حالة.
ماذا تلاحظ؟ مهما تغيّرت القيم، المجموع الجبري لارتفاعات البطاريات وهبوطات المقاومات يساوي صفراً، وهذا حفظ للطاقة في الحلقة.

4) خطوات حل مسائل كيرشوف

  1. حدّد جميع العُقد في الدائرة.
  2. افترض اتجاهات التيارات.
  3. طبّق قانون التيار على العُقد.
  4. حدّد الحلقات المستقلة.
  5. طبّق قانون الجهد على كل حلقة.
  6. حلّ نظام المعادلات الناتج، وتحقق من النتيجة.

مثال محلول: بطارية 24 V مع مقاومتين R₁ = 4 Ω وR₂ = 8 Ω على التوالي. أوجد جهد R₂.

\[ R_{eq} = 4 + 8 = 12\ \Omega \quad\Rightarrow\quad I = \frac{24}{12} = 2\ \text{A} \]
\[ V_2 = I R_2 = 2 \times 8 = 16\ \text{V} \]

التحقق بقانون الجهد: \(24 - (2 \times 4) - 16 = 0\) ✓

5) تجربة 3: قانونا كيرشوف في دائرة بحلقتين

الدائرة المدروسة فيها عقدتان P وQ، وحلقتان: اليسرى فيها البطارية ε₁ والمقاومة R₁، واليمنى فيها البطارية ε₂ والمقاومة R₂، والوسطى فيها R₃ تصل بين P وQ. التيارات الثلاثة مجهولة، لذلك نستخدم القانونين معاً.

🧪 تجربة 3

قانونا كيرشوف في دائرة بحلقتين

الهدف: تطبيق قانون التيار وقانون الجهد لإيجاد التيارات الثلاثة، والتحقق من النتائج.

  1. غيّر ε₁ وε₂ وR₁ وR₂ وR₃ بالمنزلقات.
  2. لاحظ اتجاه كل تيار: الموجب يسير في اتجاه السهم، والسالب عكسه.
  3. تحقق من أن I₁ + I₂ = I₃ عند P، ومن قانون الجهد في كل حلقة.
ماذا تلاحظ؟ التيار I₂ قد يكون سالباً، أي أن البطارية اليمنى تُجبر التيار على الخروج من P نحو اليمين. وقانون الجهد يتحقق في الحلقتين دائماً.

اشتقاق الحل بالقانونين

\[ I_3 = \frac{\varepsilon_1/R_1 + \varepsilon_2/R_2}{1 + R_3/R_1 + R_3/R_2} \]
\[ I_1 = \frac{\varepsilon_1 - I_3 R_3}{R_1}, \qquad I_2 = \frac{\varepsilon_2 - I_3 R_3}{R_2} \]

مثال بالقيم الافتراضية (ε₁ = 12 V، ε₂ = 6 V، R₁ = 4 Ω، R₂ = 2 Ω، R₃ = 6 Ω):

\(I_3 = \dfrac{3 + 3}{1 + 1.5 + 3} = \dfrac{6}{5.5} \approx 1.09\) A، \(I_1 = \dfrac{12 - 6.54}{4} \approx 1.36\) A، \(I_2 = \dfrac{6 - 6.54}{2} \approx -0.27\) A.

تحقق: \(I_1 + I_2 = I_3\)، و\(12 = 4(1.36) + 6(1.09)\)، و\(6 = 2(-0.27) + 6(1.09)\).

تجربة 4: التحقق من القانونين في شبكة ثلاثية الفروع

هذه الشبكة أعمق من الدائرة السابقة: ثلاثة فروع بين العقدتين N₁ وN₂، كل فرع فيه بطارية ومقاومة، ويمكن قطع أي فرع. الفرق الكامل بين العقدتين ΔV مجهول، لذلك نجد ΔV أولاً بقانون كيرشوف الأول، ثم نجد التيارات، ثم نتحقق من قانون الجهد في كل حلقة.

🧪 تجربة 4

التحقق من قانوني كيرشوف في شبكة ثلاثية الفروع

الهدف: حساب فرق الجهد ΔV والتيارات الثلاثة، ثم التحقق من قانون التيار عند N₁ وقانون الجهد في كل حلقة.

  1. غيّر البطاريات والمقاومات وراقب تغيّر ΔV والتيارات.
  2. افتح فرعاً بتحديد المربع، ولاحظ كيف يُعاد توزيع التيارات.
  3. جرّب قيمة ΔV بالمنزلق، ثم اضغط «اضبط ΔV تلقائياً» وقارن.
ماذا تلاحظ؟ عندما يكون ΔV هو القيمة الصحيحة يتحقق قانون التيار عند N₁ تماماً، وتتحقق معادلات الجهد في كل حلقة. وعند فتح فرع يصبح تياره صفراً.

6) قنطرة وتستون

قنطرة وتستون دائرة تُستخدم لقياس مقاومة مجهولة بدقة. تحتوي على أربع مقاومات وجلفانومتر، وإحدى المقاومات متغيّرة القيمة.

مبدأ العمل: تُغيَّر المقاومة المتغيّرة حتى يقرأ الجلفانومتر صفراً، وعندها نحسب المقاومة المجهولة من معادلة الاتزان:

\[ \frac{R_1}{R_2} = \frac{R_3}{R_x} \quad\Rightarrow\quad R_x = \frac{R_2 R_3}{R_1} \]

شرح إضافي: لماذا يقرأ الجلفانومتر صفراً عند الاتزان؟ عند الاتزان يتساوى الجهد عند النقطتين B وD، فلا يمر تيار في الجلفانومتر. وهذا يعني أن نسبة الجهد على R₁ إلى الجهد على R₂ تساوي نسبة الجهد على R₃ إلى الجهد على Rₓ، وهو ما تعبّر عنه المعادلة.

العوامل المؤثرة في الدقة

  • دقة المقاومات المعروفة.
  • استقرار مصدر الجهد.
  • حساسية الجلفانومتر.
  • درجة الحرارة، لأنها تغيّر قيم المقاومات.

7) تجربة 5: قنطرة وتستون

🧪 تجربة 5

قنطرة وتستون

الهدف: إيجاد المقاومة المجهولة Rₓ بتعديل R₃ حتى يصبح الجلفانومتر صفراً.

  1. حرّك R₃ ببطء وراقب مؤشر الجلفانومتر.
  2. عندما يصبح المؤشر صفراً تكون القنطرة متزنة.
  3. احسب Rₓ = R₂R₃/R₁ وقارنها بالقيمة التي تظهر عند الاتزان.
ماذا تلاحظ؟ انحراف المؤشر يدل على فرق الجهد بين B وD، ويتجه نحو الجهة التي تحدد اتجاه تغيير R₃ الصحيح.

8) مسألة محلولة

المعطيات: R₁ = 6 Ω وR₂ = 12 Ω على التوالي، والجهد V = 18 V. أوجد التيار وجهد كل مقاومة.

\[ R_{eq} = 6 + 12 = 18\ \Omega \quad\Rightarrow\quad I = \frac{18}{18} = 1\ \text{A} \]
\[ V_1 = 1 \times 6 = 6\ \text{V}, \qquad V_2 = 1 \times 12 = 12\ \text{V} \]

التحقق: \(18 - 6 - 12 = 0\) ✓

9) تطبيقات عملية

  • قياس الانفعال بالمقاييس الانفعالية (Strain Gauges)، فيُعبَّر عن التشوه بتغيّر صغير في المقاومة.
  • كشف التغيّرات في درجة الحرارة بالمقاومات الحرارية (Thermistors).
  • أنظمة الإنذار بالأبواب والنوافذ.
  • قياس الضغط بالمستشعرات الطبية.

مثال عملي: في موازين الحمولة يتشوه المقياس الانفعالي عند وضع وزن، فتتغيّر مقاومته، ويُظهر تغيّر قراءة القنطرة قيمة الوزن.

ملخص الدرس

• قانون التيار (KCL): مجموع التيارات الداخلة إلى عقدة يساوي مجموع الخارجة منها.

• قانون الجهد (KVL): مجموع الجهود حول أي حلقة مغلقة يساوي صفراً.

• الإشارة السالبة للتيار المحسوب تعني أن اتجاهه الحقيقي عكس المفترض.

• قنطرة وتستون متزنة عندما يقرأ الجلفانومتر صفراً، ومعادلتها: R₁/R₂ = R₃/Rₓ.

⚙️🧪

اختبار قوانين كيرشوف وقنطرة وتستون Kirchhoff’s Laws and Wheatstone Bridge Quiz

20 سؤالاً - قانون التيار، قانون الجهد، المقاومات على التوالي والتوازي، وقنطرة وتستون 20 Questions - Current law, voltage law, series and parallel resistors, and the Wheatstone bridge

المعلوماتInfo
الأسئلةQuestions
النتائجResults
📌 تعليمات مهمة:
• عدد الأسئلة: 20 سؤالاً
• مدة الاختبار: 30 دقيقة
• لا يمكنك تغيير إجاباتك أو إعادة الاختبار إلا بعد 24 ساعة من التسليم.
• تأكد من إجاباتك قبل التسليم!
📌 Important Instructions:
• Number of questions: 20 questions
• Quiz duration: 30 minutes
• You cannot change your answers or retake the quiz for 24 hours after submission.
• Make sure of your answers before submitting!
لاحظت خطأ؟ أو عندك سؤال عن الدرس؟ اكتبه بالتعليقات وحدد مكانه بالضبط. Noticed an error, or have a question about the lesson? Write it in the comments and specify exactly where.