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 +5 µC و +6 µC تبعد إحداهما عن الأخرى 20 cm. على أيّ بعد x من الشحنة +5 µC، على الخط بينهما، يكون المجال الكهربائي صفرًا؟

q₁ = +5 µCq₂ = +6 µCd = 20 cm

x = cm

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائيةصعبة

كرتان صغيرتان متماثلتان، كتلة كلٍّ منهما 1 g، معلّقتان من النقطة نفسها بخيطين عازلين طولهما 20 cm. تُعطيان شحنتين متساويتين فيستقر كل خيط عند 8° 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 = 1 gL = 20 cmθ = 8°g = 9,81 m/s²

q = nC

3.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 3 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 6 Ω

I_R2 = A

4.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة

أوجد التيار I_R2 عبر R₂.

V₁ = 5 VR₁ = 6 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 30 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 6 Ω

I_R2 = A

5.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 1 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) = 1 AR = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms

v_R = V

6.الحالات العابرة RC و RLصعبة

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 9 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 7,2 V، بعد 50 ms بالضبط من البداية. مع C = 1 µF، أوجد المقاومة R المطلوبة.

V_s = 9 VV_th = 7,2 VT = 50 msC = 1 µF

R = kΩ

7.المجالات المغناطيسية والحثمتوسطة

ملف من 100 لفة مساحته 200 cm². مجال منتظم عمودي على الملف يرتفع بانتظام من 0,2 T إلى 0,3 T خلال 40 ms. جد متوسط ق.د.ك المحثوثة ε.

N = 100A = 200 cm²B: 0,2 T → 0,3 TΔt = 40 ms

ε = V

8.المجالات المغناطيسية والحثصعبة

ملف من 500 لفة أبعاده 10 cm × 10 cm يدور في مجال منتظم قدره 0,25 T حول محور عمودي على المجال. بأي سرعة n (بالدورات في الدقيقة) يجب أن يدور ليعطي ق.د.ك فعالة (rms) قدرها 138,8 V؟

N = 500A = 10 cm × 10 cmB = 0,25 TE_rms = 138,8 V

n = rpm

9.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي مع C = 1 µF يجب أن ترنّ عند 200 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f₀ = 200 HzC = 1 µF

L = mH

10.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي لها R = 2 Ω و L = 1 mH و C = 0,022 µF. أوجد عرض النطاق B لها (عرض النطاق بين تردّدَي نصف القدرة)، بوحدة Hz.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0,022 µF

B = Hz

3المحاليل

1.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: x = 9,545 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

5/x² = 6/(20 − x)²

(20 − x)/x = √(6/5) = 1,095

الموضع

x = 20/(1 + 1,095) = 9,545 cm

الإجابة

x = 9,545 cm

نقطة الصفر دائمًا أقرب إلى الشحنة الأصغر.

2.قانون كولوم والمجالات الكهربائية

الإجابة: q = 21,8 nC

القوة الكهربائية من الاتزان

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

F = m·g·tan θ = 0,001·9,81·tan 8° = 0,001379 N

المسافة الفاصلة

r = 2·L·sin θ = 2·0,2·sin 8° = 0,05567 m

الشحنة

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,05567·√(0,001379/8,99 × 10⁹) = 2,18 × 10⁻⁸ C = 21,8 nC

الإجابة

q = 21,8 nC

3.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 1,216 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 = 12 + 6 = 18 Ω

R₂ ∥ 18 = 8·18/(8+18) = 5,538 Ω

R_eq = R₁ + 5,538 = 3 + 5,538 = 8,538 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 = 15/8,538 = 1,757 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 − 1,757·3 = 9,73 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9,73/8 = 1,216 A

الإجابة

I_R2 = 1,216 A

4.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: I_R2 = 0,469 A

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

R₅ + R₆ = 5 + 6 = 11 Ω

R₄ ∥ 11 = 6,346 Ω

R₃ + 6,346 = 36,35 Ω

R₂ ∥ 36,35 = 3,603 Ω

R_eq = R₁ + 3,603 = 6 + 3,603 = 9,603 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 = 5/9,603 = 0,5206 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 − 0,5206·6 = 1,876 V

I_R2 = V_A/R₂ = 1,876/4 = 0,469 A

الإجابة

I_R2 = 0,469 A

5.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: v_R = 17,29 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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms

تناقص التيار

i(t) = 1·e^−1/1 = 0,3679 A

v_R = R·i = 47·0,3679 = 17,29 V

الإجابة

v_R = 17,29 V

6.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: R = 31,07 kΩ

الثابت الزمني المطلوب

7,2 = 9·(1 − e^−50/τ) → τ = 50/ln(9/(9 − 7,2))

τ = 50/1,609 = 31,07 ms

المقاومة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

R = τ/C = 31,07/1 = 31,07 kΩ

الإجابة

R = 31,07 kΩ

7.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: ε = 5 V

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).

تغير التدفق لكل لفة

ΔΦ = (0,3 − 0,2)·0,02 = 0,002 Wb

متوسط ق.د.ك

ε = NΔΦ/Δt = 100·0,002/0,04 = 5 V

الإجابة

ε = 5 V

8.المجالات المغناطيسية والحث

الإجابة: n = 1500 rpm

ق.د.ك العظمى

E₀ = √2·E_rms = 196,3 V

السرعة الزاوية

ω = E₀/(NBA) = 196,3/(500·0,25·0,01) = 157 rad/s

الدورات في الدقيقة

n = 60·157/(2π) = 1500 rpm

الإجابة

n = 1500 rpm

9.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 633,3 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·200 = 1257 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·1·10⁻⁶) = 633,3 mH

الإجابة

L = 633,3 mH

10.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: B = 318,3 Hz

تردد الرنين

f₀ = 1/(2π·√(0,001·0,022·10⁻⁶)) = 33932 Hz

معامل الجودة

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,001/(0,022·10⁻⁶)) = 106,6

عرض النطاق

B = f₀/Q = 33932/106,6 = 318,3 Hz

الإجابة

B = 318,3 Hz

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