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

ثلاث شحنات نقطية على خط مستقيم: +1 µC على اليسار، و −8 µC على اليمين على بعد 10 cm، و −4 µC بينهما، على بعد 4 cm من الشحنة اليسرى. أوجد مقدار القوة الكهربائية المحصّلة F على الشحنة الوسطى. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = +1 µCq_R = −8 µCq_M = −4 µCr_L = 4 cmr_R = 6 cm

F = N

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائيةصعبة

كرتان صغيرتان متماثلتان، كتلة كلٍّ منهما 2 g، معلّقتان من النقطة نفسها بخيطين عازلين طولهما 60 cm. تُعطيان شحنتين متساويتين فيستقر كل خيط عند 10° عن الرأسي. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد الشحنة q على كل كرة بوحدة nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 2 gL = 60 cmθ = 10°g = 9,81 m/s²

q = nC

3.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة

أوجد المقاومة المكافئة R_eq التي يراها المصدر V₁.

V₁ = 24 VR₁ = 15 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 5 Ω

R_eq = Ω

4.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 5 VR₁ = 15 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 8 ΩR₆ = 15 Ω

I_R2 = A

5.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة

يشحن المصدر Vₛ المكثّف عبر R₁، و R₂ موصول على التوازي مع C. المكثّف غير مشحون عندما يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد جهد المكثّف v_C عند t = 20 ms.

V_s = 6 VR₁ = 10 kΩR₂ = 1 kΩC = 68 µFt = 20 ms

v_C = V

6.الحالات العابرة RC و RLصعبة

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 18 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق v_C ليبلغ 10,2 V؟ أوجد t.

V_s = 5 VR = 2,2 kΩC = 220 µFv_C(0) = 18 V

t = ms

7.المجالات المغناطيسية والحثمتوسطة

يتحرك إلكترون إلى أعلى الصفحة عبر مجال مغناطيسي منتظم متجه خارج الصفحة. انقر على اتجاه القوة المغناطيسية المؤثرة فيه.

v: إلى أعلى الصفحةB: خارج الصفحة

1إلى أعلى الصفحة
2إلى اليمين
3إلى أسفل الصفحة
4إلى اليسار

8.المجالات المغناطيسية والحثصعبة

يبدأ جسيم ألفا من السكون، ويُسرَّع عبر فرق جهد 2500 V ثم يدخل مجالًا مغناطيسيًا منتظمًا قدره 0,4 T بزاوية قائمة. جد نصف القطر r لمساره في المجال.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0,4 T

r = cm

9.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 12 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 100 µF

I = A

10.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

مقاومة R₁ موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R₂ ومكثّف C، على مصدر 12 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR₁ = 25 ΩR₂ = 150 ΩC = 10 µF

I = A

3المحاليل

1.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: F = 102,4 N

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.

القوة من كل شحنة

اليمين موجب.

F_L = −k·1·4 × 10⁻¹²/0,04² = −22,47 N

F_R = −k·8·4 × 10⁻¹²/0,06² = −79,91 N

القوة المحصّلة

F = −22,47 + (−79,91) = −102,4 N → |F| = 102,4 N

الإجابة

F = 102,4 N

القوة المحصّلة تتجه إلى اليسار.

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: q = 129,3 nC

القوة الكهربائية من الاتزان

الجزء الأفقي من الشدّ يوازن F، وجزؤه الرأسي يوازن m·g.

F = m·g·tan θ = 0,002·9,81·tan 10° = 0,00346 N

المسافة الفاصلة

r = 2·L·sin θ = 2·0,6·sin 10° = 0,2084 m

الشحنة

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,2084·√(0,00346/8,99 × 10⁹) = 1,293 × 10⁻⁷ C = 129,3 nC

الإجابة

q = 129,3 nC

3.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: R_eq = 20,71 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.

R₃ + R₄ = 15 + 5 = 20 Ω

R₂ ∥ 20 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω

R_eq = R₁ + 5,714 = 15 + 5,714 = 20,71 Ω

الإجابة

R_eq = 20,71 Ω

4.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,2569 A

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

R₅ + R₆ = 8 + 15 = 23 Ω

R₄ ∥ 23 = 10,7 Ω

R₃ + 10,7 = 30,7 Ω

R₂ ∥ 30,7 = 2,733 Ω

R_eq = R₁ + 2,733 = 15 + 2,733 = 17,73 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 = 5/17,73 = 0,282 A

التيار عبر R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 5 − 0,282·15 = 0,7706 V

I_R2 = V_A/R₂ = 0,7706/3 = 0,2569 A

الإجابة

I_R2 = 0,2569 A

5.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: v_C = 0,1508 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.

مكافئ ثيفينين كما يراه المكثّف

اقصر المصدر لإيجاد R_th؛ وافتح المكثّف لإيجاد الجهد الذي سيستقر عنده.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ

v_C(∞) = 6·1/(10 + 1) = 0,5455 V

الثابت الزمني

τ = R_th·C = 0,9091·68 = 61,82 ms

منحنى الشحن

v_C(t) = 0,5455·(1 − e^−20/61,82) = 0,1508 V

الإجابة

v_C = 0,1508 V

6.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 443,5 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) = 18 V, v_C(∞) = V_s = 5 V

τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms

v_C(t) = 5 + (18 − 5)·e^−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

10,2 = 5 + (13)·e^−t/τ → e^−t/τ = (10,2 − 5)/(18 − 5) = 0,4

t = τ·ln((18 − 5)/(10,2 − 5)) = 484·ln(2,5) = 443,5 ms

الإجابة

t = 443,5 ms

7.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: إلى اليسار

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).

قاعدة اليد اليمنى

وجّه الأصابع مع التيار أو السرعة ولُفّها نحو B؛ فيعطي الإبهام القوة المؤثرة في شحنة موجبة.

v: إلى أعلى الصفحة, B: خارج الصفحة

شحنة سالبة

القوة المؤثرة في إلكترون تعاكس القوة المؤثرة في شحنة موجبة.

اتجاه القوة

إلى اليسار

الإجابة

F: إلى اليسار

8.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: r = 2,546 cm

السرعة بعد التسارع

v = √(2|q|V/m) = √(2·3,204 × 10⁻¹⁹·2500/(6,645 × 10⁻²⁷)) = 491003 m/s

نصف القطر في المجال

r = mv/(|q|B) = 0,02546 m = 2,546 cm

الإجابة

r = 2,546 cm

بالدمج: r = √(2mV/|q|)/B، لذا تتحرك الأيونات الأثقل ذات الشحنة نفسها على دوائر أكبر؛ وبهذا تُفصل النظائر.

9.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,2284 A

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·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(50² + (−16,12)²) = 52,54 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 12/52,54 = 0,2284 A

الإجابة

I = 0,2284 A

10.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,07852 A

المفاعلة

X_C = 1/(2π·60·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

توصيلة التوازي

اضرب البسط والمقام في المرافق المركّب لفصل Z_p إلى جزأين حقيقي وتخيّلي.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 113,7 − j64,27 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 25 + 113,7 − j64,27 = 138,7 − j64,27 Ω

|Z| = √(138,7² + 64,27²) = 152,8 Ω

التيار

I = V/|Z| = 12/152,8 = 0,07852 A

الإجابة

I = 0,07852 A

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