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

شحنة مقدارها +1 µC وشحنة مقدارها +6 µC تفصل بينهما مسافة 40 cm. تقع النقطة P على الخط الواصل بينهما، على بعد 16 cm من الشحنة الأولى. أوجد مقدار المجال الكهربائي E عند P.

q₁ = +1 µCq₂ = +6 µCr₁ = 16 cmr₂ = 24 cm

E = N/C

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائيةصعبة

ثلاث شحنات نقطية موجبة عند رؤوس مثلث قائم الزاوية: q₃ = 2 µC عند رأس الزاوية القائمة، و q₁ = 3 µC على بعد 4 cm منها على أحد الضلعين، و q₂ = 2 µC على بعد 5 cm منها على الضلع الآخر. أوجد مقدار القوة الكهربائية المحصلة F على q₃.

q₁ = 3 µCq₂ = 2 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 4 cmr₂₃ = 5 cm

F = N

3.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 4 Ω

I_R2 = A

4.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 12 VR₁ = 8 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 6 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 20 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 الثابت الزمني τ للدائرة بعد إغلاق المفتاح.

V_s = 9 VR₁ = 2,2 kΩR₂ = 6,8 kΩC = 22 µF

τ = ms

6.الحالات العابرة RC و RLصعبة

المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف v_C عند t = 500 ms.

V_s = 6 VR₁ = 1 kΩR₂ = 10 kΩC = 68 µFt = 500 ms

v_C = V

7.المجالات المغناطيسية والحثمتوسطة

يتحرك جسيم ألفا بسرعة 2,5 × 10⁶ m/s عموديًا على مجال مغناطيسي منتظم قدره 1 T. جد نصف القطر r لمساره الدائري.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 2,5 × 10⁶ m/sB = 1 T

r = cm

8.المجالات المغناطيسية والحثصعبة

في منتقي سرعة، يسمح المجالان المتعامدان E = 1 × 10⁴ V/m و B = 0,25 T بمرور الأيونات ذات سرعة واحدة فقط دون انحراف. جد تلك السرعة v.

E = 1 × 10⁴ V/mB₁ = 0,25 T

v = m/s

9.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي مع C = 22 µF يجب أن ترنّ عند 500 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f₀ = 500 HzC = 22 µF

L = mH

10.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد تردّد الرنين f₀ للدائرة.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 22 µF

f₀ = Hz

3المحاليل

1.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: E = 585286 N/C

قانون كولوم: تتجاذب شحنتان نقطيتان أو تتنافران بقوة F = k·|q₁·q₂|/r²، حيث k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². مجال الشحنة النقطية E = k·|q|/r²، ويتجه بعيدًا عن الشحنة الموجبة ونحو الشحنة السالبة. القوى والمجالات الناتجة عن عدة شحنات تُجمع جمعًا متجهيًا.

مجال كل شحنة

E₁ = k·1 × 10⁻⁶/0,16² = 351172 N/C

E₂ = k·6 × 10⁻⁶/0,24² = 936458 N/C

الاتجاهات والمجموع

الشحنتان موجبتان: عند P يتجه مجال كل منهما بعيدًا عنها، أي في اتجاهين متعاكسين.

E = |351172 − 936458| = 585286 N/C

الإجابة

E = 585286 N/C

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: F = 36,65 N

كل قوة على q₃

F₁ = k·3·2 × 10⁻¹²/0,04² = 33,71 N

F₂ = k·2·2 × 10⁻¹²/0,05² = 14,38 N

المجموع المتجهي

F = √(33,71² + 14,38²) = 36,65 N

الإجابة

F = 36,65 N

3.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,7047 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 = 3 + 4 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 15·7/(15+7) = 4,773 Ω

R_eq = R₁ + 4,773 = 2 + 4,773 = 6,773 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 = 15/6,773 = 2,215 A

التيار عبر R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 15 − 2,215·2 = 10,57 V

I_R2 = V_A/R₂ = 10,57/15 = 0,7047 A

الإجابة

I_R2 = 0,7047 A

4.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,5831 A

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

R₅ + R₆ = 25 + 20 = 45 Ω

R₄ ∥ 45 = 5,294 Ω

R₃ + 5,294 = 7,294 Ω

R₂ ∥ 7,294 = 3,292 Ω

R_eq = R₁ + 3,292 = 8 + 3,292 = 11,29 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 = 12/11,29 = 1,063 A

التيار عبر R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 12 − 1,063·8 = 3,498 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3,498/6 = 0,5831 A

الإجابة

I_R2 = 0,5831 A

5.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: τ = 36,57 ms

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 = 2,2·6,8/(2,2 + 6,8) = 1,662 kΩ

v_C(∞) = 9·6,8/(2,2 + 6,8) = 6,8 V

الثابت الزمني

τ = R_th·C = 1,662·22 = 36,57 ms

الإجابة

τ = 36,57 ms

6.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: v_C = 2,615 V

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.

v_C(0) = 6·10/(1 + 10) = 5,455 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R₂·C = 10·68 = 680 ms

التفريغ

v_C(t) = 5,455·e^−500/680 = 2,615 V

الإجابة

v_C = 2,615 V

7.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: r = 5,185 cm

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).

موازنة القوى

القوة المغناطيسية عمودية دائمًا على السرعة، لذا تحني المسار إلى دائرة.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

نصف القطر

r = 6,645 × 10⁻²⁷·2,5 × 10⁶/(3,204 × 10⁻¹⁹·1) = 0,05185 m = 5,185 cm

الإجابة

r = 5,185 cm

8.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: v = 40000 m/s

السرعة المنتقاة

دون انحراف: القوة الكهربائية qE توازن القوة المغناطيسية qvB.

v = E/B₁ = 1 × 10⁴/0,25 = 40000 m/s

الإجابة

v = 40000 m/s

9.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 4,606 mH

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|.

شرط الرنين

عند الرنين تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·22·10⁻⁶) = 4,606 mH

الإجابة

L = 4,606 mH

10.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: f₀ = 87,61 Hz

الرنين

عند الرنين تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC). تردّد المصدر لا يهم.

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·22·10⁻⁶)) = 87,61 Hz

الإجابة

f₀ = 87,61 Hz

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