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 = −7,5 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = −14 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 10,5 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.
عادي: I = −7,5 mA2·V1: I = −14 mA−Is: I = 10,5 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.
V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.
V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
11.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.
Vin = −2 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
يستخدم المكبّر الجامع مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.
V1 = 1 VV2 = 1,5 VR1 = 10 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد التيار i عند t = 1 ms.
Vs = 9 VR = 100 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
14.الحالات العابرة RC و RLصعبة
المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 200 ms.
Vs = 9 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µFt = 200 ms
vC = V
3المحاليل
1.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: IR2 = 0,7619 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 = 6 + 2 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Req = R1 + 2,182 = 15 + 2,182 = 17,18 Ω
التيار من المصدر
لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.
IR1 = V1/Req = 18/17,18 = 1,048 A
التيار عبر R₂
اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,048·15 = 2,286 V
IR2 = VA/R2 = 2,286/3 = 0,7619 A
الإجابة
IR2 = 0,7619 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: Req = 32,07 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 9,079 Ω
R3 + 9,079 = 24,08 Ω
R2 ∥ 24,08 = 7,066 Ω
Req = R1 + 7,066 = 25 + 7,066 = 32,07 Ω
الإجابة
Req = 32,07 Ω
3.تحليل العقد
الإجابة: I2 = 0,25 A
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
اعتبر السلك السفلي هو الأرضي. كل فرع يحمل (VA − Vk)/Rk خارجًا من A، حيث Vk جهد مصدره (صفر للمقاومة وحدها). مجموع التيارات الخارجة من A يساوي صفرًا.
(VA − 15)/5 + (VA − 15)/8 + VA/20 = 0
حلّ لإيجاد VA
VA = (15/5 + 15/8 + 0/20) / (1/5 + 1/8 + 1/20) = 4,875/0,375 = 13 V
تيار الفرع
يشير السهم إلى الأعلى عبر الفرع، داخلًا إلى العقدة A.
I2 = (15 − VA)/R2 = (15 − 13)/8 = 0,25 A
الإجابة
I2 = 0,25 A
النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.
4.تحليل العقد
الإجابة: Is = 4,625 A
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
(23,5 − 24)/10 + 23,5/20 = (VB − 23,5)/4
1,125 = (VB − 23,5)/4 → VB = 28 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 = (28 − 23,5)/4 + 28/8 = 4,625 A
الإجابة
Is = 4,625 A
5.تحليل الحلقات
الإجابة: IR2 = −4,444 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 12
18·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 15(I2 − I1) = (−30)
−15·I1 + 17·I2 = −30
الحل
Δ = (18)(17) − (−15)(−15) = 81
I1 = Δ1/Δ = −246/81 = −3,037 A
I2 = Δ2/Δ = −360/81 = −4,444 A
الإجابة
IR2 = I2 = −4,444 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
6.تحليل الحلقات
الإجابة: IR1 = 1,874 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
2·I1 + 10(I1 − I2) = 15
12·I1 − 10·I2 = 15
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
12·I2 + 10(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 24·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−10)
−2·I2 + 22·I3 = −10
الحل
Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 4088
I1 = Δ1/Δ = 7660/4088 = 1,874 A
I2 = Δ2/Δ = 3060/4088 = 0,7485 A
I3 = Δ3/Δ = −1580/4088 = −0,3865 A
الإجابة
IR1 = I1 = 1,874 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
7.التراكب
الإجابة: PR2 = 9,374 W
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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·28/(15+28) = 9,767 Ω
VA = 10·9,767/(2+9,767) = 8,3 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,3·20/28 = 5,929 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (8,3 − 0)/15 = 0,5534 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9,765 = 6,561 Ω
VB = Is·Req = 3·6,561 = 19,68 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 19,68·1,765/9,765 = 3,557 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,557 − 0)/15 = 0,2372 A
اجمع إسهامات التيار
IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,5534 + 0,2372 = 0,7905 A
القدرة في المقاومة
تعتمد القدرة على مربّع التيار، لذا لا تخضع لمبدأ التراكب: اجمع التيارات أولًا، ثم ربّع.
PR2 = IR2²·R2 = 0,7905²·15 = 9,374 W
الإجابة
PR2 = 9,374 W
جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 5,437 W، وهذا خطأ.
8.التراكب
الإجابة: I = −15,5 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 = −7,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = −14
I₁ + I₂ − I₃ = 10,5
حلّ لإيجاد الإسهامات
I₁ = −14 − (−7,5) = −6,5 mA
I₃ = (−7,5 − 10,5)/2 = −9 mA
I₂ = −7,5 − (−6,5) − (−9) = 8 mA
أطفئ V₂
I = I₁ + I₃ = (−6,5) + (−9) = −15,5 mA
الإجابة
I = −15,5 mA
9.ثيفنن ونورتن
الإجابة: Rth = 8 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 2 = 8 Ω
10.ثيفنن ونورتن
الإجابة: Vth = 75,83 V
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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 25 = 28,33 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) = 5 + 2,5·3,333 = 13,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,33 + 2,5·25 = 75,83 V
11.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = −6,255 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₊ = −2 V
I = V₋/R1 = −2/47 = −0,04255 mA
جهد الخرج
التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −2 + (−0,04255)·100 = −6,255 V
الإجابة
Vout = −6,255 V
12.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = −7,905 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.
تيارات الدخل
V₋ = 0، لذا يقع على كل مقاومة دخل كامل جهد دخلها.
I1 = V1/R1 = 1/10 = 0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,5/22 = 0,06818 mA
If = I1 + I2 = 0,1682 mA
جهد الخرج
Vout = −Rf·If = −47·0,1682 = −7,905 V
الإجابة
Vout = −7,905 V
13.الحالات العابرة RC و RL
الإجابة: i = 0,07928 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 والتيار النهائي
بعد إغلاق المفتاح بوقت طويل يتصرّف الملف كقصر، لذا يحدّد R وحده التيار النهائي.
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.