Search

التيار الكهربائي

⚡ التيار الكهربائي

هو عبارة عن تدفق من الشحنات الكهربائية في موصل كهربائي، والشحنة الكهربية قد تكون إما إلكترونات أو أيونات.
طبقًا للنظام الدولي للوحدات، تقاس شدة التيار الكهربي بـ وحدة الأمبير (A).
بينما يقاس التيار الكهربي بجهاز يدعى الأميتر، ويوصل في الدائرة على التوالي.
التيار الكهربائي هو كمية فيزيائية قياسية، واتجاهه هو اتجاه حركة الشحنات الموجبة (عكس اتجاه حركة الإلكترونات).

⚡ في هذه المحاكاة: أغلق الدائرة ولاحظ حركة الشحنات الكهربائية وكيفية فقدانها الطاقة في المقاوم.

في هذه المحاكاة تمثل حركة الإلكترونات في دائرة بسيطة من الجهد الأدنى إلى الأعلى، مع العلم أن كلمة "تيار كهربائي" تعني حركة شحنات موجبة من الجهد الأعلى إلى الجهد الأدنى.

📐 كثافة التيار الكهربائي

هو عبارة عن التيار المتدفق خلال وحدة المساحة في سلك موصل عند نقطة معينة.
يرمز لكثافة التيار بالرمز
j
وهو كمية متجهة اتجاهه باتجاه حركة الشحنات الموجبة (عكس حركة الإلكترونات).

\[j = \frac{i}{A}\] وتقدر بوحدة قياس \[\frac{A}{m^2}\]

سرعة الانسياق (Drift Velocity): وهي سرعة الإلكترونات الموجهة في الدائرة الكهربائية.
أي سلك موصل يحتوي على إلكترونات تتحرك بشكل عشوائي وبسرعة عالية، عند تطبيق فرق في الجهد بين طرفي السلك تصبح حركة الإلكترونات سرعة عشوائية موجهة تدعى سرعة الانسياق، وتكون السرعة بطيئة جدًا من رتبة \[𝜗_d = 10^{-4} \frac{m}{s}\]

لدينا موصل مساحة مقطعه (A) وطبق عليه مجال كهربائي، تتحرك الإلكترونات عكس المجال بسرعة انسياق (𝜗𝑑). خلال فترة زمنية قدرها (dt) تقطع مسافة قدرها \(𝜗𝑑 \cdot dt\).
وبالتالي حجم الإلكترونات التي تمر عبر المقطع تعادل \(A \cdot 𝜗𝑑 \cdot dt\)، فيكون عدد الإلكترونات في هذا الحجم \(n \cdot A \cdot 𝜗𝑑 \cdot dt\).
وكل إلكترون مشحون بشحنة مقدارها (-e)، إذا الشحنة المتدفقة عبر هذه المساحة هي: \[dq = - e \cdot n \cdot A \cdot 𝜗𝑑 \cdot dt\]

فنحصل على شدة التيار: \[i = \frac{dq}{dt} = - e \cdot n \cdot A \cdot 𝜗𝑑\]
وكثافة التيار: \[j = \frac{i}{A} = - e \cdot n \cdot 𝜗𝑑\]

⭐ 1 ⭐
سلك مساحة مقطعه \(A = 5.2 \times 10^{-6} m^2\) ويمر به تيار شدته \(i = 2 A\) ومصنوع من النحاس كتلته المولية \(M = 63.5 g\) وكثافته \(\rho = 8960 \frac{kg}{m^3}\). ويوجد إلكترون حر واحد في كل ذرة. فإن سرعة الانسياق للإلكترونات تعادل (علماً بأن \(q = 1.6 \times 10^{-19} C\) وعدد أفوجادرو \(N_A = 6.022 \times 10^{23}\))
\(v_d = 6 \times 10^{-5} m/s\)
A
\(v_d = 2.8 \times 10^{-4} m/s\)
B
\(v_d = 5.6 \times 10^{-4} m/s\)
C
\(v_d = 4.3 \times 10^{-5} m/s\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور طريقة الحل

⚡ قانون أوم

قانون أوم هو مبدأ أساسي في الكهرباء، أطلق عليه هذا الاسم نسبة إلى واضعه الفيزيائي الألماني "جورج سيمون أوم".
وينص على أن فرق الجهد الكهربائي بين طرفي ناقل معدني يتناسب طردياً مع شدة التيار الكهربائي المار فيه، وذلك عند ثبات درجة الحرارة.

يتم تعريف النسبة الثابتة بين فرق الجهد وشدة التيار بـ المقاومة الكهربائية، ويلاحظ أن المقاومة لناقل ما هي قيمة ثابتة ولا تتغير بتغير فرق الجهد بين طرفيه.
يمكن التعبير عن المعادلة بالصيغة التالية: \[V = I \cdot R\]

المقاومة الكهربائية: هي ممانعة المادة لمرور التيار الكهربائي. \[R = \frac{V}{I}\]

📌 في هذه المحاكاة: درس العالم أوم العلاقة بين شدة التيار وفرق الجهد بين طرفي مقاوم أومي. اختر قيمة لمقاومة أومية وقم بتغير فرق الجهد في كل مرة، لاحظ ماذا يحدث لشدة التيار، كرر التجربة مع مقاومة أخرى.

📊 تجربة قانون أوم: أكمل بيانات الجدول التالي

رقم التجربةفرق الجهد (V)شدة التيار (A)المقاومة (Ω)
1---
2---
3---
4---
5---

🔬 المقاومة النوعية والمقاومة

المقاومة الكهربائية: وهي مدى ممانعة المادة لمرور التيار الكهربائي.
عند تطبيق فرق جهد بين طرفي سلك \(\Delta V\) ويمر به تيار شدته \(i\)، فإن ممانعة السلك لمرور التيار تعطى بالعلاقة حسب قانون أوم: \[R = \frac{\Delta V}{i}\] وحدة قياس المقاومة الكهربائية هي الأوم (\(\Omega\)) وهي تعادل \(\Omega = \frac{V}{A}\).

الموصلية الكهربائية: توصف بعض الأجهزة من حيث مقدرتها على التوصيل وليس بمقدرتها على ممانعة التيار. \[G = \frac{i}{\Delta V} = \frac{1}{R}\] وتقدر بوحدة السيمنس (\(S = \frac{A}{V} = \frac{1}{\Omega}\)).

أن ممانعة أي سلك لمرور التيار تعتمد على المادة المصنوع منها السلك والشكل الهندسي له ودرجة الحرارة.
ولكل سلك مقاومة خاصة به تدعى المقاومة النوعية (\(\rho\)) وهي عبارة عن النسبة بين شدة المجال الكهربائي إلى كثافة التيار. \[\rho = \frac{E}{J} \quad,\quad \rho = \frac{\frac{V}{m}}{\frac{A}{m^2}} = \frac{V \cdot m}{A} = \Omega \cdot m\]

📋 المقاومة النوعية ومعامل درجة الحرارة للمقاومة النوعية لبعض الموصلات (عند 20°C)

\(\alpha\) معامل درجة الحرارة \((×10^{-3} K^{-1})\)\(\rho\) المقاومة النوعية \((×10^{-8} \Omega·m)\)اسم المادة
3.81.6الفضة
3.91.72النحاس
3.42.44الذهب
3.92.82الألمنيوم
23.9النحاس الأصفر
4.55.51التنجستن
59.7الحديد

نحن نعلم أن: \[E = \frac{\Delta V}{L} \quad,\quad J = \frac{i}{A}\] \[\rho = \frac{E}{J} = \frac{\frac{\Delta V}{L}}{\frac{i}{A}} = \frac{\Delta V \cdot A}{i \cdot L} = \frac{iR \cdot A}{i \cdot L} = \frac{R \cdot A}{L}\] \[\boxed{R = \rho \cdot \frac{L}{A}}\]

تأثير درجة الحرارة: هناك عامل آخر وهو درجة الحرارة، نلاحظ أثر ارتفاع درجة الحرارة على المقاومة النوعية. \[\rho_T = \rho_0 [1 + \alpha (T - T_0)] \quad,\quad R_T = R_0 [1 + \alpha (T - T_0)]\]

🔧 العوامل المؤثرة على المقاومة الأومية

في هذه المحاكاة نلاحظ قيمة المقاومة تتغير بتغير طول المقاوم ومساحة المقطع ونوع المادة المصنوع منها المقاوم.

⭐ 2 ⭐
أربع أسلاك من نفس النوع وبنفس درجة الحرارة، أي من الأسلاك التالية لها أقل مقاومة؟
سلك 1
A
سلك 2
B
سلك 3
C
سلك 4
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 3 ⭐
سلكان من نفس المادة وبنفس درجة الحرارة فإذا كانت \(\frac{R_1}{R_2} = \frac{2}{3}\) فإن أحد الإجابات التالية تحقق ذلك
\(L_1 = \frac{3}{4}L_2 , A_1 = \frac{1}{2}A_2\)
A
\(L_1 = \frac{4}{3}L_2 , A_1 = 2A_2\)
B
\(L_1 = \frac{1}{2}L_2 , A_1 = \frac{1}{3}A_2\)
C
\(L_1 = 3L_2 , A_1 = 2A_2\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 4 ⭐
سلك من النحاس مقاومته النوعية \(1.7 \times 10^{-8} \Omega·m\) عند \(20^\circ C\) تم رفع درجة الحرارة بمقدار \(15^\circ C\) فأصبحت مقاومته النوعية \(1.82 \times 10^{-8} \Omega·m\) فإن معامل التغير في درجة الحرارة (\(\alpha\)) يعادل
\(21.7 \times 10^{-3} K^{-1}\)
A
\(2.6 \times 10^{-3} K^{-1}\)
B
\(5.6 \times 10^{-3} K^{-1}\)
C
\(4.7 \times 10^{-3} K^{-1}\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل

🎨 رموز ومفتاح خطوط المقاومات

( أربع خطوط ) قراءة المقاومات من خلال الخطوط الملونة
يمكن أن يحتوي المقاوم المكون من الكربون على 4 إلى 6 خطوط. يمثل الخط الأول هو العشرات والخط الثاني هو الآحاد لقيمة المقاومة، أما الخط الثالث يمثل قوة مرفوع إلى الرقم 10 (المضاعف)، أما الخط الرابع يمثل نسبة الخطأ في القراءة (التسامح).

🔋 القوة الدافعة الكهربائية (EMF) والمقاومة الداخلية

البطارية تبذل شغلًا على الشحنات الكهربائية في الدائرة وتعطيها طاقة كهربائية، وتدفعها في الدائرة. لذلك تدعى القوة الدافعة الكهربائية (ε).
عند قياس فرق الجهد بين طرفي البطارية والدائرة مفتوحة، فإن القراءة تساوي القوة الدافعة الكهربائية (emf).
عند إغلاق الدائرة، يقل فرق الجهد بسبب وجود مقاومة داخلية (r) للبطارية.
\[V_{terminal} = \varepsilon - I \cdot r\]

في الدائرة المفتوحة: يكون التيار \(I = 0\)، وبالتالي \(V_{terminal} = \varepsilon\).
في الدائرة المغلقة: يكون التيار \(I = \frac{\varepsilon}{R + r}\)، وبالتالي \(V_{terminal} = \varepsilon - I \cdot r = \frac{\varepsilon \cdot R}{R + r}\).

في هذه المحاكاة: قارن بين قراءة جهاز الفولتميتر للدائرتين (المفتوحة والمغلقة). الدائرة المغلقة حدث بها ضياع في جهد المصدر. السبب في ذلك وجود مقاومة داخلية داخل البطارية (r) تقدر بوحدة الأوم (Ω).

⭐ 5 ⭐⭐
دائرة متصلة بمقاوم \(4\Omega\) ومفتاح. الفولتميتر يقرأ \(12V\) عند فتح المفتاح و \(10V\) عند إغلاقه. المقاومة الداخلية للبطارية هي:
\(0.5 \Omega\)
A
\(1 \Omega\)
B
\(0.8 \Omega\)
C
\(1.2 \Omega\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل

🔗 توصيل المقاومات على التوالي

التوصيل على التوالي: يسير التيار الكهربائي في مسار واحد ويمر بجميع مكونات الدائرة.
التوصيل على التوالي: يكون مقدار التيار المار في كل مكون من مكونات الدائرة متساوياً، والجهد للمصدر يتوزع على المقاومات، وترتفع قيمة المقاومة المكافئة.

\[I_{total} = I_1 = I_2 = I_3\]
\[V_{total} = V_1 + V_2 + V_3\]
\[R_{eq} = R_1 + R_2 + R_3 = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

في هذه المحاكاة: وصل ثلاث مقاومات على التوالي. قم بقياس شدة التيار الكلي وشدة التيار المار في كل مقاوم، وأيضاً قم بقياس فرق الجهد الكلي وفرق الجهد بين طرفي كل مقاوم. سجل النتائج في الجدول.

🧪 تجربة: دائرة المقاومات على التوالي

\(R_{eq}\)\(R_3\)\(R_2\)\(R_1\)
? Ω Ω Ω Ω
--- A--- A--- A--- A
V--- V--- V--- V

التيار ثابت في جميع المقاومات ويعادل التيار الكلي

\[I_{total} = I_1 = I_2 = I_3\]

الجهد يتوزع على المقاومات والمقاوم الأكبر يأخذ الجهد الأكبر

\[V_{total} = V_1 + V_2 + V_3\]

المقاومة المكافئة تساوي حاصل مجموع المقاومات

\[R_{eq} = R_1 + R_2 + R_3 = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

⭐ 6 ⭐
ثلاث مقاومات على التوالي: \(R_1 = 10\Omega\)، \(R_2 = 5\Omega\)، \(R_3 = ?\) متصلة ببطارية فرق جهدها \(V = 20V\) ويمر تيار شدته \(I = 0.5A\)، فإن قيمة \(R_3\) هي:
\(12 \Omega\)
A
\(25 \Omega\)
B
\(15 \Omega\)
C
\(20 \Omega\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل

🔗 توصيل المقاومات على التوازي

التوصيل على التوازي: يسير التيار الكهربائي بأكثر من مسار واحد حتى يكمل دورته.
في حالة التوصيل على التوازي: يتوزع التيار المار في مكونات الدائرة كلاً حسب مقاومته، والجهد للمصدر يعادل الجهد لكل فرع من فروع التوازي.

\[V_{total} = V_1 = V_2 = V_3\]
\[I_{total} = I_1 + I_2 + I_3\]
\[\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}\]
\[R_{eq} = \left(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}\right)^{-1} = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

في هذه المحاكاة: وصل ثلاث مقاومات على التوازي. قم بقياس شدة التيار الكلي وشدة التيار المار في كل مقاوم، وأيضاً قم بقياس فرق الجهد الكلي وفرق الجهد بين طرفي كل مقاوم. سجل النتائج في الجدول.

🧪 تجربة: دائرة المقاومات على التوازي

\(R_{eq}\)\(R_3\)\(R_2\)\(R_1\)
? Ω Ω Ω Ω
--- A--- A--- A--- A
V--- V--- V--- V

التيار يتوزع على المقاومات: المقاوم الأكبر يمر به تيار أقل

\[I_{total} = I_1 + I_2 + I_3\]

الجهد متساوٍ ويعادل جهد المصدر

\[V_{total} = V_1 = V_2 = V_3\]

مقلوب المقاومة المكافئة يساوي مجموع مقلوب المقاومات

\[R_{eq} = \left(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}\right)^{-1} = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

⭐ 7 ⭐
في الدائرة أدناه، قراءة الأميتر تعادل:
\(1.11 A\)
A
\(2.22 A\)
B
\(3.33 A\)
C
\(4.44 A\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 8 ⭐
ثلاث مقاومات على التوازي: \(R_1 = 3\Omega\)، \(R_2 = 9\Omega\)، \(R_3 = ?\) متصلة ببطارية فرق جهدها \(V = 10V\) ويمر تيار كلي شدته \(I = 5A\)، فإن قيمة \(R_3\) هي:
\(10 \Omega\)
A
\(18 \Omega\)
B
\(12 \Omega\)
C
\(20 \Omega\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل

🔧 الدوائر الكهربائية المركبة (Mixed Circuits)

تحتوي الدوائر المركبة على مجموعات من المقاومات بعضها موصول على التوالي وأخرى على التوازي.
خطوات حساب المقاومة المكافئة لدائرة مركبة: نحدد من هي المقاومات على التوالي ومن على التوازي، ثم نحسب المقاومة المكافئة خطوة بخطوة.

📝 مثال 1: دائرة مركبة

مجموعة من المقاومات متصلة كما في الشكل والبطارية تحتوي على مقاومة داخلية. أوجد المقاومة المكافئة.

📝 مثال 2: دائرة مركبة

مجموعة من المقاومات متصلة كما في الشكل، احسب شدة التيار المار في المقاوم R₁.

⭐ 9 ⭐
في الدائرة المجاورة، قراءة الأميتر للتيار الكلي تعادل:
\(3 A\)
A
\(6 A\)
B
\(9 A\)
C
\(2 A\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 10 ⭐
مقاومان الأول \(R_1 = 50\Omega\) والثاني مجهول، تم توصيلهما فكانت المقاومة المكافئة \(R_{eq} = 80\Omega\)، فالتوصيل كان:
على التوالي
A
على التوازي
B
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 11 ⭐
مقاومان متساويان، لوحظ أن فرق الجهد لكل منهما يساوي نصف جهد المصدر، فالتوصيل كان:
على التوالي
A
على التوازي
B
🔍 اضغط هنا لظهور الحل

🔋 الطاقة والقدرة الكهربائية

عند تطبيق فرق جهد في دائرة، فإن القوة المحركة الكهربائية للبطارية تعمل على بذل شغل على الشحنات وتعطيها طاقة كهربائية. \[dU = dq \cdot \Delta V = I \cdot dt \cdot \Delta V\]
القدرة الكهربائية: هي معدل الطاقة المصروفة، ويرمز لها بالرمز \(P\). \[P = \frac{dU}{dt} = I \cdot \Delta V\]
وتقدر بوحدة الوات (W) في النظام الدولي.
حسب قانون أوم \(R = \frac{\Delta V}{I}\)، يمكن كتابة القدرة أيضاً: \[P = I^2 \cdot R = \frac{\Delta V^2}{R}\]

ملاحظة مهمة: الطاقة الكهربائية المستهلكة تُعطى بالعلاقة \(E = P \cdot t\)، وتقاس بوحدة الجول (J) أو الكيلووات ساعة (kWh).

⭐ 12 ⭐⭐
بطارية \(9V\) بدون مقاومة داخلية وثلاث مقاومات، القدرة الكلية المستهلكة في الدائرة هي:
\(13.75 W\)
A
\(20.25 W\)
B
\(25.45 W\)
C
\(17.85 W\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل

💡 سطوع المصابيح الكهربائية

عندما نتكلم عن سطوع المصابيح، علينا أن نبحث عن القدرة الكهربائية. كلما كانت قدرة المصباح أكبر، كان سطوعه أكبر. \[P = V \cdot I = I^2 \cdot R = \frac{V^2}{R}\]
سطوع المصباح يعتمد على القدرة المستهلكة فيه: فالمصباح الذي يستهلك قدرة أكبر يضيء أكثر.
قاعدة هامة: في دائرة التوالي، التيار ثابت، لذلك المصباح ذو المقاومة الأكبر يستهلك قدرة أكبر (\(P = I^2 R\)) ويكون أشد سطوعاً.
في دائرة التوازي، الجهد ثابت، لذلك المصباح ذو المقاومة الأصغر يستهلك قدرة أكبر (\(P = V^2 / R\)) ويكون أشد سطوعاً.

🎬 محاكاة 1: سطوع المصابيح في دوائر مختلفة

🎬 محاكاة 2: دائرة مركبة مع 4 مصابيح ومفاتيح

هذه محاكاة لدائرة مركبة مع مصدر طاقة وأربعة مصابيح كهربائية متطابقة وثلاثة مفاتيح. افتح المفاتيح وأغلقها وقم بعمل تنبؤات حول كميات الجهد عبر المصابيح، والتيارات عبر المصابيح، وسطوع المصابيح (التي ترتبط بالطاقة التي يتبدد كل منها كحرارة وضوء).

🧪 تجربة تفاعلية: سطوع المصابيح

المصباح A

R = 10 Ω

المصباح B

R = 20 Ω

المصباح C

R = 30 Ω

🔍 ملاحظة: في حالة التوالي، المصباح الأكبر مقاومة (C) يكون أشد سطوعاً. في حالة التوازي، المصباح الأصغر مقاومة (A) يكون أشد سطوعاً.

⭐ 13 ⭐
في الدائرة المجاورة تم وصل 4 مصابيح كما في الشكل، أي من الإجابات التالية تحقق انخفاضاً في قراءة الأميتر الموجود في الدائرة؟
وصل سلك بين طرفي المصباح A
A
احترق فتيل المصباح B
B
وصل سلك بين طرفي المصباح C
C
وصل سلك بين طرفي المصباح D
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 14 ⭐
في الشكل المجاور 4 مصابيح متماثلة في المقاومة وصلت ببطارية، أي المصابيح التالية لها أشد سطوع؟
المصباح A
A
المصباح B
B
المصباح C
C
المصباح D
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 15 ⭐
في الشكل، القدرة المبددة في الدائرة تساوي:
\(54 W\)
A
\(97 W\)
B
\(69 W\)
C
\(88 W\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
⭐ 16 ⭐
مصباح مكتوب عليه \((60W, 220V)\)، فإن مقاومة المصباح والطاقة المستهلكة خلال 10 دقائق هي:
\(504.6 \Omega, 25000 J\)
A
\(807.6 \Omega, 36000 J\)
B
\(954.4 \Omega, 13244 J\)
C
\(650.8 \Omega, 16860 J\)
D
🔍 اضغط هنا لظهور الحل
✨ تم إعداد هذا الدرس لشرح التيار الكهربائي، المقاومة، قانون أوم، EMF، التوالي، التوازي، سطوع المصابيح، والدوائر المركبة ✨

Electric Current

⚡ Electric Current

It is a flow of electric charges in an electrical conductor. The electric charge can be either electrons or ions.
According to the International System of Units, electric current intensity is measured in Amperes (A).
Current is measured by a device called an Ammeter, connected in series in the circuit.
Electric current is a scalar physical quantity, and its direction is the direction of positive charge movement (opposite to electron movement).

⚡ In this simulation: Close the circuit and observe the movement of electric charges and how they lose energy in the resistor.

This simulation shows electron movement in a simple circuit from lower to higher potential. Note that the term "electric current" means the movement of positive charges from higher to lower potential.

📐 Current Density

It is the current flowing per unit area in a conducting wire at a given point.
Current density is denoted by the symbol
j
It is a vector quantity pointing in the direction of positive charge movement (opposite to electron movement).

\[j = \frac{i}{A}\] measured in \[\frac{A}{m^2}\]

Drift Velocity: It is the directed velocity of electrons in an electrical circuit.
Any conducting wire contains electrons moving randomly at high speed. When a potential difference is applied, the electron motion becomes a directed random velocity called drift velocity, which is very slow on the order of \[𝜗_d = 10^{-4} \frac{m}{s}\]

We have a conductor with cross-sectional area (A) and an electric field is applied. Electrons move opposite the field with drift velocity (𝜗𝑑). During time (dt), they travel a distance \(𝜗𝑑 \cdot dt\).
Thus, the volume of electrons passing through the cross-section is \(A \cdot 𝜗𝑑 \cdot dt\), so the number of electrons in this volume is \(n \cdot A \cdot 𝜗𝑑 \cdot dt\).
Each electron has a charge (-e), so the charge flowing through this area is: \[dq = - e \cdot n \cdot A \cdot 𝜗𝑑 \cdot dt\]

Thus we obtain the current: \[i = \frac{dq}{dt} = - e \cdot n \cdot A \cdot 𝜗𝑑\]
And current density: \[j = \frac{i}{A} = - e \cdot n \cdot 𝜗𝑑\]

⭐ 1 ⭐
A wire with cross-sectional area \(A = 5.2 \times 10^{-6} m^2\) carries a current of \(i = 2 A\) and is made of copper with molar mass \(M = 63.5 g\) and density \(\rho = 8960 \frac{kg}{m^3}\). There is one free electron per atom. The drift velocity of electrons is (given \(q = 1.6 \times 10^{-19} C\) and Avogadro's number \(N_A = 6.022 \times 10^{23}\))
\(v_d = 6 \times 10^{-5} m/s\)
A
\(v_d = 2.8 \times 10^{-4} m/s\)
B
\(v_d = 5.6 \times 10^{-4} m/s\)
C
\(v_d = 4.3 \times 10^{-5} m/s\)
D
🔍 Click here for solution

⚡ Ohm's Law

Ohm's Law is a fundamental principle in electricity, named after the German physicist "Georg Simon Ohm".
It states that the potential difference across a metallic conductor is directly proportional to the current flowing through it, at constant temperature.

The constant ratio between voltage and current is called electrical resistance. The resistance of a conductor is constant and does not change with voltage.
The equation can be expressed as: \[V = I \cdot R\]

Electrical Resistance: The opposition of a material to the flow of electric current. \[R = \frac{V}{I}\]

📌 In this simulation: Ohm studied the relationship between current intensity and potential difference across an ohmic resistor. Choose an ohmic resistor value and change the potential difference each time, observe what happens to the current, repeat the experiment with another resistor.

📊 Ohm's Law Experiment: Complete the table below

#Voltage (V)Current (A)Resistance (Ω)
1---
2---
3---
4---
5---

🔬 Resistivity and Resistance

Electrical Resistance: The opposition of a material to the flow of electric current.
\[R = \frac{\Delta V}{i}\] Unit: Ohm (Ω) = V/A.

Electrical Conductance: \[G = \frac{i}{\Delta V} = \frac{1}{R}\] Unit: Siemens (S = A/V = 1/Ω).

Resistivity (\(\rho\)): \[\rho = \frac{E}{J}\] Unit: Ω·m.
\[R = \rho \cdot \frac{L}{A}\]

📋 Resistivity and Temperature Coefficient of some conductors (at 20°C)

\(\alpha\) Temperature Coefficient (×10⁻³ K⁻¹)\(\rho\) Resistivity (×10⁻⁸ Ω·m)Material
3.81.6Silver
3.91.72Copper
3.42.44Gold
3.92.82Aluminum
23.9Brass
4.55.51Tungsten
59.7Iron

We know that: \[E = \frac{\Delta V}{L} \quad,\quad J = \frac{i}{A}\] \[\rho = \frac{E}{J} = \frac{\frac{\Delta V}{L}}{\frac{i}{A}} = \frac{\Delta V \cdot A}{i \cdot L} = \frac{R \cdot A}{L}\] \[\boxed{R = \rho \cdot \frac{L}{A}}\]

Temperature Effect: \[\rho_T = \rho_0 [1 + \alpha (T - T_0)] \quad,\quad R_T = R_0 [1 + \alpha (T - T_0)]\]

🔧 Factors Affecting Ohmic Resistance

In this simulation, we notice that the resistance changes with the length, cross-sectional area, and the type of material of the resistor.

⭐ 2 ⭐
Four wires of the same material and same temperature. Which wire has the least resistance?
Wire 1
Wire 2
Wire 3
Wire 4
🔍 Click here for solution
⭐ 3 ⭐
Two wires of the same material and same temperature. If \(\frac{R_1}{R_2} = \frac{2}{3}\), which of the following satisfies this?
\(L_1 = \frac{3}{4}L_2 , A_1 = \frac{1}{2}A_2\)
\(L_1 = \frac{4}{3}L_2 , A_1 = 2A_2\)
\(L_1 = \frac{1}{2}L_2 , A_1 = \frac{1}{3}A_2\)
\(L_1 = 3L_2 , A_1 = 2A_2\)
🔍 Click here for solution
⭐ 4 ⭐
A copper wire has resistivity \(1.7 \times 10^{-8} \Omega·m\) at 20°C. The temperature is increased by 15°C, and the resistivity becomes \(1.82 \times 10^{-8} \Omega·m\). The temperature coefficient \(\alpha\) is:
\(21.7 \times 10^{-3} K^{-1}\)
\(2.6 \times 10^{-3} K^{-1}\)
\(5.6 \times 10^{-3} K^{-1}\)
\(4.7 \times 10^{-3} K^{-1}\)
🔍 Click here for solution

🎨 Resistor Color Code

(4 bands) Reading resistors through color codes
Carbon resistors can have 4 to 6 bands. The first band represents tens, the second band represents units, the third band is the multiplier (power of 10), and the fourth band represents tolerance.

🔋 Electromotive Force (EMF) and Internal Resistance

A battery does work on electric charges, giving them electrical energy and pushing them through the circuit, hence called Electromotive Force (ε).
When measuring the potential difference across the battery terminals with an open circuit, the reading equals the emf.
When the circuit is closed, the terminal voltage decreases due to the battery's internal resistance (r).
\[V_{terminal} = \varepsilon - I \cdot r\]

In an open circuit: current \(I = 0\), so \(V_{terminal} = \varepsilon\).
In a closed circuit: current \(I = \frac{\varepsilon}{R + r}\), so \(V_{terminal} = \varepsilon - I \cdot r = \frac{\varepsilon \cdot R}{R + r}\).

In this simulation: Compare the voltmeter readings for the two circuits (open and closed). The closed circuit has a loss in the source voltage. The reason is the internal resistance (r) inside the battery, measured in ohms (Ω).

⭐ 5 ⭐⭐
A circuit is connected to a resistor \(4\Omega\) and a switch. The voltmeter reads \(12V\) when the switch is open and \(10V\) when closed. The internal resistance of the battery is:
0.5Ω
0.8Ω
1.2Ω
🔍 Click here for solution

🔗 Series Connection

In series connection, the current flows in a single path and passes through all components of the circuit.
In series connection: the current is the same through all components, the source voltage divides across the resistors, and the equivalent resistance increases.

\[I_{total} = I_1 = I_2 = I_3\]
\[V_{total} = V_1 + V_2 + V_3\]
\[R_{eq} = R_1 + R_2 + R_3 = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

In this simulation: Three resistors in series. Measure the total current and the current through each resistor, and measure the total voltage and the voltage across each resistor. Record the results in the table.

🧪 Experiment: Series Circuit

\(R_{eq}\)\(R_3\)\(R_2\)\(R_1\)
? Ω Ω Ω Ω
--- A--- A--- A--- A
V--- V--- V--- V

Current is constant in all resistors and equals the total current

\[I_{total} = I_1 = I_2 = I_3\]

Voltage divides across resistors; the larger resistor takes the larger voltage

\[V_{total} = V_1 + V_2 + V_3\]

Equivalent resistance equals the sum of resistances

\[R_{eq} = R_1 + R_2 + R_3 = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

⭐ 6 ⭐
Three resistors in series: \(R_1 = 10\Omega\), \(R_2 = 5\Omega\), \(R_3 = ?\) connected to a 20V battery with current 0.5A. Find \(R_3\).
12Ω
25Ω
15Ω
20Ω
🔍 Click here for solution

🔗 Parallel Connection

In parallel connection, the current flows through multiple paths to complete its circuit.
In parallel connection: the current divides among the components according to their resistance, and the source voltage equals the voltage across each branch.

\[V_{total} = V_1 = V_2 = V_3\]
\[I_{total} = I_1 + I_2 + I_3\]
\[\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}\]
\[R_{eq} = \left(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}\right)^{-1} = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

In this simulation: Three resistors in parallel. Measure the total current and the current through each resistor, and measure the total voltage and the voltage across each resistor. Record the results in the table.

🧪 Experiment: Parallel Circuit

\(R_{eq}\)\(R_3\)\(R_2\)\(R_1\)
? Ω Ω Ω Ω
--- A--- A--- A--- A
V--- V--- V--- V

Current divides among resistors; the larger resistor has less current

\[I_{total} = I_1 + I_2 + I_3\]

Voltage is equal across all resistors and equals the source voltage

\[V_{total} = V_1 = V_2 = V_3\]

The reciprocal of equivalent resistance equals the sum of reciprocals of resistances

\[R_{eq} = \left(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}\right)^{-1} = \frac{V_{total}}{I_{total}}\]

⭐ 7 ⭐
In the circuit below, the ammeter reading is:
1.11A
2.22A
3.33A
4.44A
🔍 Click here for solution
⭐ 8 ⭐
Three resistors in parallel: \(R_1 = 3\Omega\), \(R_2 = 9\Omega\), \(R_3 = ?\) connected to a 10V battery with total current 5A. Find \(R_3\).
10Ω
18Ω
12Ω
20Ω
🔍 Click here for solution

🔧 Mixed (Compound) Circuits

Mixed circuits contain groups of resistors, some connected in series and others in parallel.
Steps to calculate the equivalent resistance of a mixed circuit: Identify which resistors are in series and which are in parallel, then calculate the equivalent resistance step by step.

📝 Example 1: Mixed Circuit

A group of resistors connected as shown in the figure with a battery that has internal resistance. Find the equivalent resistance.

📝 Example 2: Mixed Circuit

A group of resistors connected as shown in the figure, calculate the current through resistor R₁.

⭐ 9 ⭐
In the circuit, the ammeter reading for total current is:
3A
6A
9A
2A
🔍 Click here for solution
⭐ 10 ⭐
Two resistors: \(R_1=50\Omega\) and unknown \(R_2\), connected giving \(R_{eq}=80\Omega\). The connection was:
Series
Parallel
🔍 Click here for solution
⭐ 11 ⭐
Two equal resistors, the voltage across each equals half the source voltage. The connection was:
Series
Parallel
🔍 Click here for solution

🔋 Electric Power and Energy

When a potential difference is applied in a circuit, the electromotive force of the battery does work on the charges and gives them electrical energy. \[dU = dq \cdot \Delta V = I \cdot dt \cdot \Delta V\]
Electric power: It is the rate of energy dissipation, denoted by \(P\). \[P = \frac{dU}{dt} = I \cdot \Delta V\]
It is measured in Watts (W) in the SI system.
According to Ohm's Law \(R = \frac{\Delta V}{I}\), power can also be written as: \[P = I^2 \cdot R = \frac{\Delta V^2}{R}\]

Important Note: Electrical energy consumed is given by \(E = P \cdot t\), measured in Joules (J) or kilowatt-hours (kWh).

⭐ 12 ⭐⭐
A 9V battery with no internal resistance and three resistors. The total power dissipated in the circuit is:
13.75W
20.25W
25.45W
17.85W
🔍 Click here for solution

💡 Bulb Brightness

When we talk about bulb brightness, we need to look for electrical power. The greater the bulb's power, the brighter it shines. \[P = V \cdot I = I^2 \cdot R = \frac{V^2}{R}\]
Bulb brightness depends on the power consumed: the bulb that consumes more power shines brighter.
Important Rule: In a series circuit, current is constant, so the bulb with higher resistance consumes more power (\(P = I^2 R\)) and is brighter.
In a parallel circuit, voltage is constant, so the bulb with lower resistance consumes more power (\(P = V^2 / R\)) and is brighter.

🎬 Simulation 1: Bulb Brightness in Different Circuits

🎬 Simulation 2: Mixed Circuit with 4 Bulbs and Switches

This is a simulation of a mixed circuit with a power supply, four identical bulbs, and three switches. Open and close the switches to make predictions about voltages, currents, and bulb brightness (related to power dissipated as heat and light).

🧪 Interactive Experiment: Bulb Brightness

Bulb A

R = 10 Ω

Bulb B

R = 20 Ω

Bulb C

R = 30 Ω

🔍 Note: In series, the bulb with the highest resistance (C) is brightest. In parallel, the bulb with the lowest resistance (A) is brightest.

⭐ 13 ⭐
Four identical bulbs connected to a battery. Which of the following causes a decrease in the ammeter reading?
A wire connected across bulb A
Bulb B filament burns out
A wire connected across bulb C
A wire connected across bulb D
🔍 Click here for solution
⭐ 14 ⭐
Which bulb has the highest brightness?
Bulb A
Bulb B
Bulb C
Bulb D
🔍 Click here for solution
⭐ 15 ⭐
The power dissipated in the circuit is:
54W
97W
69W
88W
🔍 Click here for solution
⭐ 16 ⭐
A bulb marked (60W, 220V). The bulb's resistance and energy consumed in 10 minutes are:
504.6Ω, 25000J
807.6Ω, 36000J
954.4Ω, 13244J
650.8Ω, 16860J
🔍 Click here for solution
✨ Complete Lesson: Current, Resistance, Ohm's Law, EMF, Series, Parallel, Mixed Circuits, and Bulb Brightness ✨

No comments:

Post a Comment

🧮 Calculator
🗑️
✏️ قلم