الفيزياء 2: الكهرباء والمغناطيسية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و10 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

قانون كولوم والمجالات الكهربائية

قانون كولوم: F = k·|q₁q₂|/r²
مجال شحنة نقطية: E = k·|q|/r²
الثابت: k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
القوة على شحنة: F = q·E

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي: R_eq = R₁ + R₂ + …
مقاومات على التوازي: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
مقاومتان على التوازي: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
قانون أوم: V = I·R
القدرة: P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

الحالات العابرة RC و RL

الثابت الزمني: τ = RC | τ = L/R
الاستجابة: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
المكثّف في التيار المستمر: دائرة مفتوحة؛ لا يمكن أن يقفز v_C
الملف في التيار المستمر: قصر؛ لا يمكن أن يقفز i_L
الحالة المستقرة: t ≈ 5τ

الطريقة

أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
استخدم x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

المجالات المغناطيسية والحث

سلك مستقيم طويل: B = μ₀I/(2πr)
مركز ملف مسطح: B = μ₀NI/(2R)
ملف لولبي طويل: B = μ₀nI, n = N/L
الثابت: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
القوة على سلك: F = BIL·sin θ
القوة على شحنة: F = |q|vB·sin θ
الحركة الدائرية: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
أسلاك متوازية: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
التدفق: Φ = BA·cos θ
قانون فاراداي: ε = −N·ΔΦ/Δt
قضيب متحرك: ε = BLv
مولّد: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
المحاثّة: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
الحث التبادلي: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
منتقي السرعة والمطياف: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

الطريقة

حوّل كل كمية إلى وحدات SI: cm إلى m، و cm² إلى m²، و mT و µT إلى T.
اختر الصيغة الصحيحة: B = μ₀I/(2πr) لسلك، و μ₀NI/(2R) لمركز ملف، و μ₀nI داخل ملف لولبي؛ و F = BIL·sin θ أو |q|vB·sin θ للقوى.
للحث، جد تغير التدفق ΔΦ = Δ(BA·cos θ) واستخدم ε = N·ΔΦ/Δt، أو ε = BLv لقضيب متحرك و NBAω لملف دوّار.
جد الاتجاهات على حدة بقواعد اليد اليمنى، وبقانون لنز للتيارات المحثوثة.

معاوقة التيار المتردد والطوريات

المعاوقات: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
التردد الزاوي: ω = 2πf
المقدار والزاوية: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
قانون أوم بالطوريات: V = I·Z

الطريقة

حوّل التردد: ω = 2πf.
أوجد كل ممانعة مفاعلة: X_L = ωL و X_C = 1/(ωC).
اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
أوجد المقدار |Z| = √(R² + X²) والزاوية φ = atan(X/R)، ثم استخدم قانون أوم بالطوريات.

2مسائل تدريبية

1.قانون كولوم والمجالات الكهربائيةمتوسطة

شحنتان مقدارهما +3 µC و +8 µC تبعد إحداهما عن الأخرى 40 cm. على أيّ بعد x من الشحنة +3 µC، على الخط بينهما، يكون المجال الكهربائي صفرًا؟

q₁ = +3 µCq₂ = +8 µCd = 40 cm

x = cm

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائيةصعبة

شحنتان مقدارهما +3 µC و +3 µC تبعد إحداهما عن الأخرى 8 cm. تقع النقطة P على بعد 8 cm من منتصف المسافة بينهما، على المنصّف العمودي. أوجد مقدار المجال الكهربائي E عند P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +3 µCq₂ = +3 µCd = 8 cmh = 8 cm

E = N/C

3.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 24 VR₁ = 20 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 8 Ω

I_R2 = A

4.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 18 VR₁ = 5 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 20 Ω

I_R2 = A

5.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 2 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد التيار i عند t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms

i = A

6.الحالات العابرة RC و RLصعبة

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 8 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق v_C ليبلغ 10,4 V؟ أوجد t.

V_s = 12 VR = 6,8 kΩC = 220 µFv_C(0) = 8 V

t = ms

7.المجالات المغناطيسية والحثمتوسطة

قضيب معدني طوله 40 cm ينزلق بسرعة 2,5 m/s على سكتين في مجال منتظم قدره 0,2 T داخل الصفحة. السكتان موصولتان بمقاومة 4 Ω؛ ومقاومة القضيب والسكتين مهملة. جد التيار I.

B = 0,2 TL = 40 cmv = 2,5 m/sR = 4 Ω

I = mA

8.المجالات المغناطيسية والحثصعبة

في منتقي سرعة، يسمح المجالان المتعامدان E = 1 × 10⁴ V/m و B = 0,5 T بمرور الأيونات ذات سرعة واحدة فقط دون انحراف. جد تلك السرعة v.

E = 1 × 10⁴ V/mB₁ = 0,5 T

v = m/s

9.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

φ = °

10.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي لها R = 5 Ω و L = 200 mH و C = 2,2 µF. أوجد معامل الجودة Q لها عند الرنين.

R = 5 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

Q =

3المحاليل

1.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: x = 15,19 cm

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

تساوي المجالين

3/x² = 8/(40 − x)²

(40 − x)/x = √(8/3) = 1,633

الموضع

x = 40/(1 + 1,633) = 15,19 cm

الإجابة

x = 15,19 cm

نقطة الصفر دائمًا أقرب إلى الشحنة الأصغر.

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: E = 6,031 × 10⁶ N/C

المسافة ومجال شحنة واحدة

r = √(4² + 8²) = 8,944 cm

E₁ = k·3 × 10⁻⁶/0,08944² = 3,371 × 10⁶ N/C

المركّبات

تُلغى المركّبات على امتداد الخط الواصل بين الشحنتين.

E = 2·E₁·(h/r) = 2·3,371 × 10⁶·0,8944 = 6,031 × 10⁶ N/C

الإجابة

E = 6,031 × 10⁶ N/C

يتجه المجال على امتداد المنصّف، بعيدًا عن الشحنتين.

3.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,5954 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 = 5 + 8 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 8·13/(8+13) = 4,952 Ω

R_eq = R₁ + 4,952 = 20 + 4,952 = 24,95 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا R_eq، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 24/24,95 = 0,9618 A

التيار عبر R₂

اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 24 − 0,9618·20 = 4,763 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4,763/8 = 0,5954 A

الإجابة

I_R2 = 0,5954 A

4.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,9032 A

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

R₅ + R₆ = 5 + 20 = 25 Ω

R₄ ∥ 25 = 7,143 Ω

R₃ + 7,143 = 10,14 Ω

R₂ ∥ 10,14 = 5,035 Ω

R_eq = R₁ + 5,035 = 5 + 5,035 = 10,04 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا R_eq، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 18/10,04 = 1,794 A

التيار عبر R₂

اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 18 − 1,794·5 = 9,032 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9,032/10 = 0,9032 A

الإجابة

I_R2 = 0,9032 A

5.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,2216 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 = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms

تناقص التيار

i(t) = 2·e^−1/0,4545 = 0,2216 A

الإجابة

i = 0,2216 A

6.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 1371 ms

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز، لذا يبدأ من قيمته المخزّنة ويتّجه نحو جهد المصدر.

v_C(0) = 8 V, v_C(∞) = V_s = 12 V

τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms

v_C(t) = 12 + (8 − 12)·e^−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

10,4 = 12 + (−4)·e^−t/τ → e^−t/τ = (10,4 − 12)/(8 − 12) = 0,4

t = τ·ln((8 − 12)/(10,4 − 12)) = 1496·ln(2,5) = 1371 ms

الإجابة

t = 1371 ms

7.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: I = 50 mA

الحث الكهرومغناطيسي: التدفق عبر حلقة هو Φ = BA·cos θ، حيث θ بين B والعمودي على الحلقة. قانون فاراداي: تغير التدفق يحثّ ق.د.ك = −N·dΦ/dt في ملف من N لفة، ويقول قانون لنز إن التيار المحثوث يجري بحيث يعاكس مجاله هو التغير. القضيب المتحرك عبر مجال يعطي ق.د.ك = BLv. والملف الدوّار بسرعة ω يعطي e = NBAω·sin ωt، وقيمته العظمى NBAω. الحث الذاتي: ق.د.ك = −L·di/dt، مع L = μ₀N²A/l لملف لولبي طويل، والطاقة المخزَّنة W = ½LI². ملفان مقترنان: ق.د.ك₂ = −M·di₁/dt مع M = k√(L₁L₂).

ق.د.ك الحركية

ε = BLv = 0,2·0,4·2,5 = 0,2 V

التيار

I = ε/R = 0,2/4 = 0,05 A

الإجابة

I = 50 mA

8.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: v = 20000 m/s

القوى المغناطيسية: يتأثر سلك مستقيم يحمل I في مجال B بالقوة F = BIL·sin θ، وتتأثر شحنة متحركة بالقوة F = |q|vB·sin θ، حيث θ الزاوية بين التيار (أو السرعة) و B. القوة عمودية على كليهما: وجّه أصابع اليد اليمنى مع I أو v، ولُفّها نحو B، فيعطي الإبهام F لشحنة موجبة؛ واعكس لشحنة سالبة. ولأن F عمودية على v، تتحرك شحنة تعبر مجالًا منتظمًا على دائرة: |q|vB = mv²/r يعطي r = mv/(|q|B) والدور T = 2πm/(|q|B)، الذي لا يعتمد على السرعة. يتجاذب سلكان متوازيان لتيارين في الاتجاه نفسه: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

السرعة المنتقاة

دون انحراف: القوة الكهربائية qE توازن القوة المغناطيسية qvB.

v = E/B₁ = 1 × 10⁴/0,5 = 20000 m/s

الإجابة

v = 20000 m/s

9.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = 31,79 °

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω

المعاوقة

على التوالي تُجمع المعاوقات كأعداد مركّبة: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(20² + (12,39)²) = 23,53 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(12,39/20) = 31,79°

الإجابة

φ = 31,79°

10.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: Q = 60,3

تردد الرنين

f₀ = 1/(2π·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

معامل الجودة

Q يقارن المفاعلة عند الرنين بالمقاومة: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,2/(2,2·10⁻⁶)) = 60,3

الإجابة

Q = 60,3

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism