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 +1 µC و +2 µC تبعد إحداهما عن الأخرى 50 cm. على أيّ بعد x من الشحنة +1 µC، على الخط بينهما، يكون المجال الكهربائي صفرًا؟

q₁ = +1 µCq₂ = +2 µCd = 50 cm

x = cm

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائيةصعبة

كرتان صغيرتان متماثلتان، كتلة كلٍّ منهما 5 g، معلّقتان من النقطة نفسها بخيطين عازلين طولهما 30 cm. تُعطيان شحنتين متساويتين فيستقر كل خيط عند 12° 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 = 5 gL = 30 cmθ = 12°g = 9,81 m/s²

q = nC

3.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة

أوجد المقاومة المكافئة R_eq التي يراها المصدر V₁.

V₁ = 9 VR₁ = 20 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 2 Ω

R_eq = Ω

4.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 5 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 25 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 30 ΩR₆ = 8 Ω

I_R2 = A

5.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 0,5 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد الجهد v_R على R عند t = 1 ms.

i(0) = 0,5 AR = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms

v_R = V

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 = 60 ms.

V_s = 15 VR₁ = 4,7 kΩR₂ = 2,2 kΩC = 68 µFt = 60 ms

v_C = V

7.المجالات المغناطيسية والحثمتوسطة

سلكان متوازيان طويلان يبعد أحدهما عن الآخر 8 cm يحملان تيارين قدرهما 30 A و 25 A في الاتجاه نفسه. جد القوة لكل متر من الطول F/L بينهما.

I₁ = 30 AI₂ = 25 Ad = 8 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

F/L = µN/m

8.المجالات المغناطيسية والحثصعبة

يمر بروتون دون انحراف عبر منتقي سرعة بمجالين متعامدين E = 5 × 10⁴ V/m و B₁ = 0,2 T. ثم يدخل منطقة ثانية فيها مجال مغناطيسي فقط B₂ = 0,8 T، بزاوية قائمة. جد نصف القطر r لمساره هناك.

E = 5 × 10⁴ V/mB₁ = 0,2 TB₂ = 0,8 Tm = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ C

r = cm

9.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي مع L = 50 mH يجب أن ترنّ عند 5000 Hz. أوجد السعة C المطلوبة.

f₀ = 5000 HzL = 50 mH

C = µF

10.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

مقاومة R₁ موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R₂ ومكثّف C، على مصدر 24 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR₁ = 20 ΩR₂ = 60 ΩC = 22 µF

I = A

3المحاليل

1.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: x = 20,71 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

1/x² = 2/(50 − x)²

(50 − x)/x = √(2/1) = 1,414

الموضع

x = 50/(1 + 1,414) = 20,71 cm

الإجابة

x = 20,71 cm

نقطة الصفر دائمًا أقرب إلى الشحنة الأصغر.

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: q = 134,3 nC

القوة الكهربائية من الاتزان

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

F = m·g·tan θ = 0,005·9,81·tan 12° = 0,01043 N

المسافة الفاصلة

r = 2·L·sin θ = 2·0,3·sin 12° = 0,1247 m

الشحنة

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,1247·√(0,01043/8,99 × 10⁹) = 1,343 × 10⁻⁷ C = 134,3 nC

الإجابة

q = 134,3 nC

3.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: R_eq = 22,22 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 = 3 + 2 = 5 Ω

R₂ ∥ 5 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω

R_eq = R₁ + 2,222 = 20 + 2,222 = 22,22 Ω

الإجابة

R_eq = 22,22 Ω

4.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,2106 A

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

R₅ + R₆ = 30 + 8 = 38 Ω

R₄ ∥ 38 = 3,619 Ω

R₃ + 3,619 = 28,62 Ω

R₂ ∥ 28,62 = 11,77 Ω

R_eq = R₁ + 11,77 = 5 + 11,77 = 16,77 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 = 6/16,77 = 0,3577 A

التيار عبر R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 0,3577·5 = 4,211 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4,211/20 = 0,2106 A

الإجابة

I_R2 = 0,2106 A

5.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: v_R = 11,77 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.

الثابت الزمني

τ = L/R = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms

تناقص التيار

i(t) = 0,5·e^−1/1,447 = 0,2505 A

v_R = R·i = 47·0,2505 = 11,77 V

الإجابة

v_R = 11,77 V

6.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: v_C = 3,202 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) = 15·2,2/(4,7 + 2,2) = 4,783 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R₂·C = 2,2·68 = 149,6 ms

التفريغ

v_C(t) = 4,783·e^−60/149,6 = 3,202 V

الإجابة

v_C = 3,202 V

7.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: F/L = 1875 µN/m

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).

القوة لكل متر

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·30·25/0,08 = 1875 µN/m

الإجابة

F/L = 1875 µN/m

التيارات في الاتجاه نفسه تتجاذب.

8.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: r = 0,3263 cm

السرعة المنتقاة

دون انحراف: القوة الكهربائية qE توازن القوة المغناطيسية qvB.

v = E/B₁ = 5 × 10⁴/0,2 = 250000 m/s

نصف القطر في المجال الثاني

r = mv/(|q|B₂) = 0,003263 m = 0,3263 cm

الإجابة

r = 0,3263 cm

9.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: C = 0,02026 µF

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·5000 = 31416 rad/s

C = 1/(ω₀²·L) = 1/(31416²·0,05) = 0,02026 µF

الإجابة

C = 0,02026 µF

10.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,3816 A

المفاعلة

X_C = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 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 = 35,55 − j29,48 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 20 + 35,55 − j29,48 = 55,55 − j29,48 Ω

|Z| = √(55,55² + 29,48²) = 62,89 Ω

التيار

I = V/|Z| = 24/62,89 = 0,3816 A

الإجابة

I = 0,3816 A

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