دائرة مقاومات خطية تحتوي على ثلاثة مصادر مستقلة: V1 و V2 و Is. يُقاس التيار I في حِمل ثلاث مرات. مع كل المصادر بقيمها العادية، I = 18 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 28,5 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 7 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.
عادي: I = 18 mA2·V1: I = 28,5 mA−Is: I = 7 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.
V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
أوجد تيار نورتن IN: التيار الذي يسري من a إلى b إذا قُصر الطرفان.
V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.
Vin = −0,1 VR1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
مرحلتا مكبّر عمليات مثاليتان موصولتان على التتالي: مكبّر عاكس (R1، Rf1) يليه مكبّر غير عاكس (R2 إلى الأرضي، Rf2 في التغذية الراجعة). كلتاهما تعملان من مصدرَي تغذية ±15 V. الدخل Vin = −0,9 V. أوجد جهد الخرج Vout.
يحمل الملف تيارًا مستقرًا 2,5 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد التيار i عند t = 5 ms.
i(0) = 2,5 AR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.الحالات العابرة RC و RLصعبة
قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 20 V بالقطبية الموضّحة. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 150 ms.
Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 20 Vt = 150 ms
vC = V
3المحاليل
1.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: IR1 = 2 A
المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.
اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد
ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.
R3 + R4 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 5 + 4 = 9 Ω
التيار من المصدر
لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.
IR1 = V1/Req = 18/9 = 2 A
الإجابة
IR1 = 2 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: IR1 = 0,4598 A
المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.
اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد
ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.
R5 + R6 = 15 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 6,774 Ω
R3 + 6,774 = 26,77 Ω
R2 ∥ 26,77 = 14,15 Ω
Req = R1 + 14,15 = 25 + 14,15 = 39,15 Ω
التيار من المصدر
لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.
IR1 = V1/Req = 18/39,15 = 0,4598 A
الإجابة
IR1 = 0,4598 A
3.تحليل العقد
الإجابة: VB = 14,4 V
تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.
حدّد العقد
الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 24 V). المجاهيل: VA, VB.
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A
التيارات الخارجة من A عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/15 = 0
0,2583·VA − 0,06667·VB = 1,6
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B
التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.
تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A
VA معلوم، لذا تعطي هذه المعادلة VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(10,5 − 12)/20 + 10,5/3 = (VB − 10,5)/5
3,425 = (VB − 10,5)/5 → VB = 27,63 V
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B
التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (27,63 − 10,5)/5 + 27,63/8 = 6,878 A
الإجابة
Is = 6,878 A
5.تحليل الحلقات
الإجابة: I1 = 1,667 A
تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.
عيّن تيارات الحلقات
ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.
قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1
عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 12(I1 − I2) = 30
22·I1 − 12·I2 = 30
قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2
عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 12(I2 − I1) = (−10)
−12·I1 + 18·I2 = −10
الحل
Δ = (22)(18) − (−12)(−12) = 252
I1 = Δ1/Δ = 420/252 = 1,667 A
I2 = Δ2/Δ = 140/252 = 0,5556 A
الإجابة
I1 = 1,667 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
6.تحليل الحلقات
الإجابة: IR5 = 0,2883 A
تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.
عيّن تيارات الحلقات
ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2, I3. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.
قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1
عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 30(I1 − I2) = 12
36·I1 − 30·I2 = 12
قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2
عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 30(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 57·I2 − 25·I3 = 0
قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 3
عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
20·I3 + 25(I3 − I2) = (−5)
−25·I2 + 45·I3 = −5
الحل
Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 29340
I1 = Δ1/Δ = 19530/29340 = 0,6656 A
I2 = Δ2/Δ = 11700/29340 = 0,3988 A
I3 = Δ3/Δ = 3240/29340 = 0,1104 A
الإجابة
IR5 = I2 − I3 = 0,2883 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
7.التراكب
الإجابة: IR2 = 0,2717 A
التراكب: في الدائرة الخطية، أي جهد أو تيار هو مجموع الاستجابات لكل مصدر مستقل يعمل وحده. لإطفاء مصدر، استبدل مصدر الجهد المثالي بـقصر ومصدر التيار المثالي بـدائرة مفتوحة. تبقى المقاومات في مكانها.
الحالة 1 · V1 يعمل وحده
يصبح Iₛ دائرة مفتوحة، فيشكّل R₃ و R₄ فرعًا واحدًا على التوالي من A إلى الأرضي، على التوازي مع R₂.
R3+R4 = 15+2 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω
VA = 9·9,189/(12+9,189) = 3,903 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,903·2/17 = 0,4592 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (3,903 − 0)/20 = 0,1952 A
الحالة 2 · Is يعمل وحده
يصبح V₁ قصرًا، فيكون R₁ على التوازي مع R₂. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ والمسار عبر R₃.
R1 ∥ R2 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 22,5 = 1,837 Ω
VB = Is·Req = 2,5·1,837 = 4,592 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,592·7,5/22,5 = 1,531 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1,531 − 0)/20 = 0,07653 A
اجمع المساهمات
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,1952 + 0,07653 = 0,2717 A
النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.
8.التراكب
الإجابة: I = 16 mA
التراكب: في الدائرة الخطية، أي جهد أو تيار هو مجموع الاستجابات لكل مصدر مستقل يعمل وحده. لإطفاء مصدر، استبدل مصدر الجهد المثالي بـقصر ومصدر التيار المثالي بـدائرة مفتوحة. تبقى المقاومات في مكانها.
اكتب القياسات بدلالة الإسهامات
كل إسهام يتناسب مع مصدره.
I₁ + I₂ + I₃ = 18
2·I₁ + I₂ + I₃ = 28,5
I₁ + I₂ − I₃ = 7
حلّ لإيجاد الإسهامات
I₁ = 28,5 − 18 = 10,5 mA
I₃ = (18 − 7)/2 = 5,5 mA
I₂ = 18 − 10,5 − 5,5 = 2 mA
أطفئ V₂
I = I₁ + I₃ = 10,5 + 5,5 = 16 mA
الإجابة
I = 16 mA
9.ثيفنن ونورتن
الإجابة: Rth = 7,222 Ω
نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.
أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر
استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.
R1 ∥ R2 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 5 = 7,222 Ω
10.ثيفنن ونورتن
الإجابة: IN = −1,868 A
نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.
أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر
استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.
R1 ∥ R2 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,143 + 8 = 15,14 Ω
أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة
عندما يكون a–b مفتوحًا، المسار الوحيد لـ Iₛ هو عبر R₃ إلى العقدة A. أوجد V_A بتراكب V₁ و Iₛ، ثم أضف الهبوط على R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 17,14 + (−3)·7,143 = −4,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4,286 + (−3)·8 = −28,29 V
مكافئ نورتن
مصدر نورتن هو الدائرة نفسها منظورًا إليها كمصدر تيار على التوازي مع R_th. تياره هو تيار القصر بين a–b.
IN = Vth/Rth = −28,29/15,14 = −1,868 A
11.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = −2,228 V
قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.
قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.
كسب كل مرحلة
A1 = −Rf1/R1 = −22/22 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1,1
مرحلةً مرحلة
V1 = −1·(−0,9) = 0,9 V
Vout = 1,1·0,9 = 0,99 V
الإجابة
Vout = 0,99 V
13.الحالات العابرة RC و RL
الإجابة: i = 0,5218 A
الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.
الثابت الزمني
τ = L/R = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
تناقص التيار
i(t) = 2,5·e−5/3,191 = 0,5218 A
الإجابة
i = 0,5218 A
14.الحالات العابرة RC و RL
الإجابة: vC = 12,34 V
الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.
القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني
لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز، لذا يبدأ من قيمته المخزّنة ويتّجه نحو جهد المصدر.