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 = 5 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = −5,5 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = −15 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.
عادي: I = 5 mA2·V1: I = −5,5 mA−Is: I = −15 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
وُصل حِمل RL = 4 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.
V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
وُصل حِمل RL = 3 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة PL المسلَّمة إلى الحِمل.
لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. بعد كم من الوقت من إغلاق المفتاح يبلغ التيار 80% من قيمته النهائية؟ أوجد t.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 33 mH
t = ms
14.الحالات العابرة RC و RLصعبة
المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد التيار i2 في R2 عند t = 300 ms.
Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 33 µFt = 300 ms
i2 = mA
3المحاليل
1.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: IR1 = 1,829 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 6·14/(6+14) = 4,2 Ω
Req = R1 + 4,2 = 4 + 4,2 = 8,2 Ω
التيار من المصدر
لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.
IR1 = V1/Req = 15/8,2 = 1,829 A
الإجابة
IR1 = 1,829 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: Req = 36,11 Ω
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 = 4 + 2 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 5 Ω
R3 + 5 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 11,11 Ω
Req = R1 + 11,11 = 25 + 11,11 = 36,11 Ω
الإجابة
Req = 36,11 Ω
3.تحليل العقد
الإجابة: VA = 0,5455 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.
كوّن عقدة فائقة
مصدر الجهد بين A و B يحمل تيارًا مجهولًا، لذا لا يمكن كتابة قانون كيرشوف للتيار عند A أو B منفصلتين. احصر A و B والمصدر في عقدة فائقة واحدة: التيار الداخل إليها يساوي التيار الخارج منها.
VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is
الحل
VA/3 + (VA + 10)/8 = 1,5
VA = (1,5 − 10/8)/(1/3 + 1/8) = 0,5455 V
VB = 0,5455 + 10 = 10,55 V
الإجابة
VA = 0,5455 V
4.تحليل العقد
الإجابة: VA = 2,488 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.
كوّن عقدة فائقة
مصدر الجهد بين A و B يحمل تيارًا مجهولًا، لذا لا يمكن كتابة قانون كيرشوف للتيار عند A أو B منفصلتين. احصر A و B والمصدر في عقدة فائقة واحدة: التيار الداخل إليها يساوي التيار الخارج منها.
VB = VA + 6
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
الحل
(VA − 12)/10 + VA/2 + (VA + 6)/12 = 1
VA·(1/10 + 1/2 + 1/12) = 1 + 12/10 − 6/12 = 1,7
VA = 1,7/0,6833 = 2,488 V
VB = 8,488 V
الإجابة
VA = 2,488 V
5.تحليل الحلقات
الإجابة: I2 = −0,3125 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 9
16·I1 − 8·I2 = 9
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
20·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 28·I2 = −12
الحل
Δ = (16)(28) − (−8)(−8) = 384
I1 = Δ1/Δ = 156/384 = 0,4063 A
I2 = Δ2/Δ = −120/384 = −0,3125 A
الإجابة
I2 = −0,3125 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
6.تحليل الحلقات
الإجابة: VR4 = 5,504 V
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
12·I1 + 6(I1 − I2) = 18
18·I1 − 6·I2 = 18
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
5·I2 + 6(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 41·I2 − 30·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
3·I3 + 30(I3 − I2) = (−5)
−30·I2 + 33·I3 = −5
الحل
Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 6966
I1 = Δ1/Δ = 7254/6966 = 1,041 A
I2 = Δ2/Δ = 864/6966 = 0,124 A
I3 = Δ3/Δ = −270/6966 = −0,03876 A
الإجابة
IR4 = I1 − I2 = 0,9173 A
VR4 = IR4·R4 = 0,9173·6 = 5,504 V
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
7.التراكب
الإجابة: VR4 = 8,944 V
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 = 12+5 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·17/(10+17) = 6,296 Ω
VA = 15·6,296/(20+6,296) = 3,592 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,592·5/17 = 1,056 V
VR4′ = VB − 0 = 1,056 − 0 = 1,056 V
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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 18,67 = 3,944 Ω
VB = Is·Req = 2·3,944 = 7,887 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,887·6,667/18,67 = 2,817 V
VR4″ = VB − 0 = 7,887 − 0 = 7,887 V
اجمع المساهمات
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1,056 + 7,887 = 8,944 V
النتيجة السالبة تعني أن القطبية معاكسة للمعلَّمة في الواقع.
8.التراكب
الإجابة: I = −0,5 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 = 5
2·I₁ + I₂ + I₃ = −5,5
I₁ + I₂ − I₃ = −15
حلّ لإيجاد الإسهامات
I₁ = −5,5 − 5 = −10,5 mA
I₃ = (5 − (−15))/2 = 10 mA
I₂ = 5 − (−10,5) − 10 = 5,5 mA
أطفئ V₂
I = I₁ + I₃ = (−10,5) + 10 = −0,5 mA
الإجابة
I = −0,5 mA
9.ثيفنن ونورتن
الإجابة: IL = 0,3258 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 3 = 5,609 Ω
أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة
عندما يكون a–b مفتوحًا لا يمرّ تيار في R₃، فلا هبوط عليه و V_b = V_A. يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·3/(20+3) = 3,13 V
صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن
يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.
IL = Vth/(Rth + RL) = 3,13/(5,609 + 4) = 0,3258 A
10.ثيفنن ونورتن
الإجابة: PL = 26,77 W
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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 10 = 14,44 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) = 16 + 2,5·4,444 = 27,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,11 + 2,5·10 = 52,11 V
صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن
يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.
IL = Vth/(Rth + RL) = 52,11/(14,44 + 3) = 2,987 A
PL = IL²·RL = 2,987²·3 = 26,77 W
11.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = −7,8 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.
الدخل العاكس يتبع الدخل
V₋ = V₊ = −1,3 V
I = V₋/R1 = −1,3/2 = −0,65 mA
جهد الخرج
التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,3 + (−0,65)·10 = −7,8 V
الإجابة
Vout = −7,8 V
12.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = −7,506 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.
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 والتيار النهائي
بعد إغلاق المفتاح بوقت طويل يتصرّف الملف كقصر، لذا يحدّد R وحده التيار النهائي.
τ = L/R = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A
حلّ لإيجاد الزمن
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −3,3·ln(0,2) = 5,311 ms
الإجابة
t = 5,311 ms
14.الحالات العابرة RC و RL
الإجابة: i2 = 1,099 mA
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.
جهد المكثّف الابتدائي
في الحالة المستقرة يكون المكثّف دائرة مفتوحة، لذا يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد. لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز عند فتح المفتاح.