الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
41الدارات الكهربائية والسلامة
ثلاث سنوات من الحلقات والمصابيح والفروع جعلتك بانيًا للدارات. وهذه السنة تصير شيئًا أندر: كاتبًا للدارات. فالكهربائيون في كل بلد يقرأون اللغة الصامتة نفسها ويرسمونها — وقواعد تلك اللغة، مع فصل من حكمة السلامة المكتسبة بثمن غالٍ، هي ما يقف بين التوصيل الذكي والأصابع المحروقة.
41.1 اللغة الصامتة
تعريف 41.1 (المخطط الكهربائي)
المخطط الكهربائي هو الرسم المعياري للدارة: يُبيَّن فيه كل عنصر برمزه المتّفق عليه، وتُبيَّن الأسلاك خطوطًا مستقيمة بزوايا قائمة. والمخطط يُظهر كيف تُوصَّل الدارة — مَن يغذّي مَن، وأين يتشعّب ماذا — ويهمل عن قصد كيف تتلوّى الأسلاك الحقيقية على الطاولة.
طريقة 41.2 (من الطاولة إلى الورق، والعكس)
لترسم دارة مبنيّة:
- أحصِ العناصر، واختر رمز كل واحد؛
- وتتبّع الحلقة الحقيقية بإصبعك من قطب البطارية ، مسجّلًا ترتيب العناصر وكل تشعّب؛
- وأعِد الرسم مستطيلًا مرتّبًا: الرموز متباعدة، والأسلاك مستقيمة، والزوايا قائمة — التوصيلات نفسها بلا تلوٍّ.
ولتبني من مخطط، أجرِ الترجمة بالمقلوب — ثم تحقّق بعدها كالعادة: فكل حلقة متتبَّعة من يجب أن تبلغ عبر عنصر واحد على الأقلّ.
مثال 41.3 (الدارة نفسها، وصورتان)
على الطاولة: بطارية، وحزمة متشابكة من أسلاك بمشابك تمساحية تلتفّ فوق مقلمة، ومصباح مسنَد إلى كتاب، وقاطعة متدلّية. وعلى الورق: مستطيل هادئ — البطارية على اليسار، والقاطعة في الأعلى، والمصباح على اليمين. والحزمة المتشابكة والمستطيل هما الدارة نفسها: فكل توصيلة مطابقة. ولتقرّر أالدارتان واحدة أم لا، اسأل سؤالًا واحدًا لا غير: مَن مُوصَّل بمَن؟
مثال 41.4 (المحرّكات والطنّانات تدخل اللعبة)
وافدان جديدان إلى عُدّتك يتصرّفان في المخطط تصرّف المصابيح تمامًا: المحرّك (ورمزه: حرف M في دائرة) يدور كلما جرى فيه تيار — المراوح، وسيارات اللعب، والمثاقب؛ والطنّان (دائرة مضروبة بخطّ) يُصوّت كلما غُذّي — أجراس الأبواب، وأجهزة الإنذار. وقواعد التسلسل والتفرع تنطبق عليهما بلا تغيير: فقاطعة على التسلسل تأمرهما؛ والفروع المتفرّعة تجعلهما مستقلّين.
41.2 قواعد قديمة في اللغة الجديدة
مثال 41.5 (قراءة مخطط قراءة محترف)
أمام أي مخطط، استنطقه بمشية الإصبع من فصل الدارات المتفرّعة: من ، امشِ كل طريق إلى . فالعناصر كلها على طريق واحد: تسلسل — فراغ واحد يوقف الجميع، والترتيب حرّ، والسطوع متقاسَم. والطرق التي تتشعّب عند نقاط العقد: تفرع — فالفروع مستقلّة، والسطوع كامل لكل واحد، وموضع القاطعة صار قرارًا حقيقيًّا. تغيّرت اللغة؛ ولم تتغيّر القوانين.
41.3 فصل الندوب
قواعد السلامة الكهربائية دُفع ثمنها حرائقَ وأسوأ. وإليكها، بأسبابها — فالمحترف يعرف الاثنين.
تعريف 41.6 (الدارة القصيرة)
تحدث الدارة القصيرة حين يصل طريق ناقل عارٍ بين جانبَي بطارية (أو مأخذ) مباشرة، متخطّيًا كل عنصر. فبلا شيء نافع في طريقه يندفع التيار اندفاعًا جامحًا — فتسخن الأسلاك، وينصهر العزل، وتتلف البطاريات، وقد تشتعل أسلاك الشبكة. ويدرس فصل الدارات في السنة القادمة هذا الشرّير عن قرب؛ أما هذه السنة فتعلّم وجهه وأبعده عن بناياتك.
ملاحظة 41.7 (حرّاس البيت)
انظر في علبة المصاهر في البيت: صفوف من قواطع صغيرة — قواطع الدارة — واحد لكل فرع من الدارة المتفرّعة الكبرى في البيت. ويقف كل واحد حارسًا على فرعه: فإن سمح عطل للتيار بالاندفاع — دارة قصيرة، أو مأخذ محمَّل فوق طاقته — قطع الحارسُ نفسه في طرفة عين، فقطع الفرع قبل أن تفرط الأسلاك في السخونة. وحين “يقفز” قاطع فليس ذلك سوء أدب منه: بل هو قد أدّى عمله الوحيد. فجِد العطل قبل أن تعيده.
ملاحظة 41.8 (القواعد، بأسبابها)
- تجارب البطاريات وحدها؛ وأما المأخذ فأبدًا. فشبكة الكهرباء تدفع أشدّ بمئات المرات — وعبر جلد رطب قد توقف قلبًا.
- لا سلك عارٍ يمتدّ مباشرة عبر بطارية. فتلك دارة قصيرة: خلايا تالفة، وسلك ساخن، وأصابع محروقة.
- الماء وكهرباء الشبكة لا يتقاسمان متناول غرفة واحدة: فلا أجهزة قرب الحمّام، ولا أيدٍ مبتلّة على القوابس — فالجلد الرطب ناقل.
- لا تُدخل شيئًا في مأخذ أبدًا. فالحارس في علبة المصاهر سريع، لكن يجب ألّا تراهن عليه أبدًا.
- الأسلاك المتضرّرة إلى سلّة المهملات، لا إلى الدرج: فالعزل المتشقّق سياج فيه فجوة.
41.4 تمارين
تمرين 41.1 ★
ما الذي يُظهره المخطط الكهربائي بأمانة، وما الذي يهمله عن قصد؟
حل
حل التمرين 41.1.
بأمانة: التوصيلات — أيّ عنصر يتّصل بأيّ عنصر، وأين تتشعّب الطرق. والمهمَل: أطوال الأسلاك الحقيقية وألوانها ومساراتها المتلوّية على الطاولة.
تمرين 41.2 ★
ارسم من الذاكرة الرموز: بطارية؛ مصباح؛ قاطعة مفتوحة؛ قاطعة مغلقة؛ محرّك؛ طنّان. وأيّ علامة تدلّ على جانب البطارية ؟
تمرين 41.3 ★
ارسم مخطط جرس باب: بطارية وقاطعة ضغط وطنّان في حلقة واحدة. ولماذا يتوقّف الجرس حين تُرفع الإصبع؟
تمرين 41.4 ★
بُنيت دارتان من علبة القطع نفسها: أهما “الدارة نفسها”؟ وأيّ سؤال واحد يحسم؟
حل
حل التمرين 41.4.
ليس بالضرورة. والسؤال الحاسم: مَن مُوصَّل بمَن؟ فالعناصر نفسها بالتوصيلات نفسها — الدارة نفسها، مهما اختلف منظر التشابك.
تمرين 41.5 ★
في مخطط المصباح والمحرّك في الفصل، ماذا يحدث للمروحة إن احترق المصباح؟ وماذا يحدث للاثنين إن فُتحت القاطعة؟ وأيّ قواعد قديمة تجيب؟
تمرين 41.6 ★
ما الدارة القصيرة، ولماذا تُسخّن الأسلاك؟ وسمِّ اثنين من ضحاياها.
تمرين 41.7 ★
قفز قاطع دارة في علبة المصاهر. فما الذي فعله للبيت للتوّ؟ وما الذي ينبغي فعله قبل إعادته؟
حل
حل التمرين 41.7.
قطع فرعه في طرفة عين لأن التيار بدأ يندفع — عطلٌ لا نزوة. فجِد العطل وأصلِحه (انزع قابس المشتبه به، وافحص الفرع) قبل أن تعيد الحارس.
تمرين 41.8 ★
أعطِ السبب وراء كل قاعدة: لا أجهزة قرب الحمّام؛ الأسلاك المتضرّرة إلى سلّة المهملات؛ ألعاب البطاريات نعم والمأخذ أبدًا.
تمرين 41.9 ★★
ترجِم إلى مخطط (بالكلمات أو بالرسم): بطارية؛ ومن قطبها سلك إلى قاطعة مغلقة؛ ومن القاطعة تشعّب — فرع عبر طنّان، وفرع عبر مصباح؛ ثم يلتقي الفرعان ويعودان إلى . توقّع ما يُسمع وما يُرى، وما الذي يتغيّر إن نال فرع الطنّان وحده قاطعة إضافية خاصة به، مفتوحة.
تمرين 41.10 ★★
وُصّلت مروحة لعبة: من قطب البطارية إلى المحرّك، ومن المحرّك إلى القطب ، و— “لمتانة التوصيل” — سلك عارٍ إضافي واحد مباشرة من إلى . فتدور المروحة بالكاد ويسخن السلك الإضافي. شخّص الحال بما في التعريف 41.6: أيّ طريق يفضّله التيار، ولماذا كان البناء خطِرًا؟
حل
حل التمرين 41.10.
السلك الإضافي دارة قصيرة: طريق عارٍ مباشر من إلى . فيفضّل التيار الطريق السهل الخالي على المحرّك الكادح، فتجوع المروحة بينما يحمل سلك الاختصار الاندفاعَ ويسخن — فيستنزف البطارية ويدعو إلى الحروق. فانزع سلك “المتانة”.
تمرين 41.11 ★★
حيلة الجدّ في ورشته: قبل أن يلمس أي تجهيزة إنارة يطفئ قاطعتها الجدارية ويطفئ قاطع فرعها كله في علبة المصاهر. اشرح بتفكير التسلسل ما الذي يحقّقه كل قطع — ولماذا يفعل الرجل المتأنّي الاثنين.
حل
حل التمرين 41.11.
القاطعة الجدارية تفتح حلقة التجهيزة نفسها — فيُقطع طريق المصباح. أما قاطع الفرع فيفتح الفرع كله أبعد في المنبع — فحتى لو كانت أسلاك التجهيزة معطوبة أو كانت القاطعة الجدارية مخطئة اللافتة، يبقى الفرع ميتًا. فراغان على التسلسل: كل واحد وحده يوقف التيار، والاثنان معًا يغفران خطأً في أيّ منهما.
تمرين 41.12 ★★★
صمّم توصيل مسرح دمى: قاطعة رئيسية واحدة تُظلم كل شيء؛ ومصباحا خشبة يجب أن يتعطّلا مستقلّين؛ ومحرّك ستارة وطنّان بدء العرض، لكل واحد قاطعته الخاصة. صِف (أو ارسم) المخطط — أيّ العناصر يركب الطريق المشترك، وأيّها يركب الفروع، وأين تجلس كل قاطعة — وتحقّق من تصميمك في مواجهة كل قواعد التسلسل والتفرع التي تملكها.
حل
حل التمرين 41.12.
بطارية، ثم القاطعة الرئيسية على الطريق المشترك، ثم أربعة فروع متفرّعة: مصباح الخشبة 1؛ ومصباح الخشبة 2؛ ومحرّك الستارة مع قاطعته على التسلسل؛ والطنّان مع قاطعته على التسلسل. والتحقّقات: الرئيسية تأمر الجميع (الطريق المشترك)؛ والمصباحان يتعطّلان مستقلّين (فرعان منفصلان)؛ والمحرّك والطنّان يطيع كل واحد قاطعته (تسلسل داخل فرعه) ويتجاهل الآخر (تفرع بين الفروع).
41.5 مسألة: توصيل كوخ الحديقة
مسألة 41.1
مسألة نهاية الأسبوع — أسرة توصّل كوخ حديقتها؛ المخططات قبل المفكّات؛ قائمة تحقّق المفتّش
تخطّط الأسرة شبكة الكوخ الصغيرة العاملة بالبطارية على الورق أولًا — كما يفعل المحترفون.
الجزء الأول — الخطة على الورق. قائمة الأمنيات: مصباح سقف تأمره قاطعة عند الباب؛ ومصباح طاولة عمل بقاطعته الخاصة؛ ومروحة تهوية صغيرة (محرّك) بقاطعتها الخاصة.
- لماذا يجب أن تركب العناصر الثلاثة فروعًا متفرّعة لا حلقة تسلسل واحدة؟ اذكر راحتين تنكسران على التسلسل.
- ويحمل كل فرع قاطعته الخاصة. فماذا تأمر كل قاطعة، وما الذي لا تأمره أيّ واحدة منها؟
- وأين يجب أن تجلس قاطعة رئيسية لتُظلم الكوخ كله وتُسكته دفعة واحدة؟
- وارسم (أو صِف بدقّة) المخطط كاملًا: بطارية، وقاطعة رئيسية، وثلاثة فروع، وأربع قواطع في المجموع.
الجزء الثاني — البناء، ومفتَّشًا.
- بعد البناء والتشغيل يسطع مصباح السقف — لكن خافتًا، ولا يسطع مصباح طاولة العمل إلا حين تكون قاطعة المروحة مغلقة. وتجد مشية الإصبع أن مصباح الطاولة والمروحة يتقاسمان فرعًا واحدًا، واحدًا خلف الآخر. سمِّ ترتيبهما، واشرح العرضين بالقواعد القديمة.
- أعطِ الإصلاح بسلك واحد الذي يعيد الخطة.
- وأثناء الترتيب يستلقي مفكّ لحظة عبر قطبَي البطارية العاريين فيسخن. سمِّ الحدث، واذكر ما ينبغي أن تفحصه الأسرة في البطارية بعد ذلك.
- ويضيف الوالد المفتّش قاعدة: “كل وصلة ملفوفة، ولا نحاس عارٍ في أي مكان.” فمن أيّ خطرين تحرس تلك القاعدة الواحدة؟
الجزء الثالث — ليلة العاصفة.
- ليلة ماطرة: يرشح سقف الكوخ على طاولة العمل. فلماذا يجب ألّا تلمس الأسرة الأسلاك بأيدٍ مبتلّة، ولو كان الكوخ يعمل ببطارية — ولماذا تكون اللمسة نفسها أخطر بكثير في البيت الموصول بالشبكة؟
- وتخفت أضواء البيت ويقفز قاطع واحد. فما الذي كشفه القاطع، وما ترتيب الأفعال الحكيم؟
- وفي الصباح تتناقش الأسرة في إضافة جرس باب — طنّان عند الكوخ، وقاطعة ضغط عند البيت، وسلك مزدوج طويل بينهما. أعلى التسلسل يكون مع شبكة الكوخ أم على التفرع؟ ومن أين يأتي تياره؟ ارسم الحلقة.
- واكتب ميثاق سلامة الكوخ عند الأسرة في ثلاثة أسطر، سطرًا لكل واحد: المآخذ، والماء، والأسلاك العارية.
حل
حل المسألة 41.1.
1. على التسلسل كان عنصر واحد ميت أو مطفأ يُظلم كل شيء، وكانت العناصر الثلاثة تتقاسم الدفع فتخفت وتضعف كلها. والتفرع يُبقي كل عنصر مستقلًّا وبكامل قوّته. 2. كل قاطعة تأمر عنصر فرعها هو بالضبط؛ ولا تأمر أيّ واحدة منها الفروع الأخرى. 3. على الطريق المشترك، بين البطارية وأول تشعّب — قبل كل فرع. 4. بطارية قاطعة رئيسية عقدة تتشعّب إلى ثلاثة فروع — (مصباح السقف قاطعته)، و(مصباح الطاولة قاطعته)، و(محرّك المروحة قاطعته) — ثم تلتقي عائدة إلى البطارية. 5. هما على التسلسل في فرع واحد: فيتقاسمان الدفع (فيضعفان معًا — وخفوت مصباح السقف كان في الحقيقة عرضًا من أعراض هذا الزوج)، وقاطعة المروحة، الجالسة على طريقهما المشترك، تأمرهما معًا. 6. افصِل بينهما: مُدّ سلكًا جديدًا واحدًا حتى ينال مصباح الطاولة فرعه الخاص عبر المغذّي — فيصير كل واحد بكامل قوّته ومستقلًّا. 7. دارة قصيرة عبر القطبين. وافحص هل ما زالت البطارية تعطي — فالدارات القصيرة تستنزف وقد تُتلف الخلايا (وبطارية سخنت تستحقّ التقاعد). 8. الدارات القصيرة (أسلاك عارية يلقى بعضها بعضًا) والصعقات أو الحروق (أصابع تلقى نحاسًا عاريًا). 9. الجلد الرطب ينقل خيرًا بكثير من الجافّ؛ وحتى بناء البطارية يستحقّ انضباط الأيدي الجافّة — وفي البيت تلقى اللمسة نفسها دفع الشبكة، الأشدّ بمئات المرات: وقد يكون قاتلًا. فالعادات تُدرَّب على الدارة الآمنة. 10. كشف القاطع أن تيارًا مفرطًا كان يندفع في فرعه — عطلًا، على الأرجح مطرًا في تجهيزة. والترتيب الحكيم: اترك القاطع مطفأً، وانزع القوابس وافحص الفرع، وأصلِح العطل أو جفّفه، ثم أعِده بعد ذلك فقط. 11. حلقته الخاصة، منفصلة عن شبكة الكوخ (أو فرعًا متفرّعًا آخر على بطارية الكوخ): بطارية، وقاطعة ضغط عند البيت، وسلك مزدوج طويل، وطنّان عند الكوخ، ثم عودة — فجرس الباب حلقة تسلسل خاصة به مهما امتدّت أسلاكه. 12. مثلًا: “المآخذ: تجاربنا تنتهي عند البطارية — فالمأخذ ليس لنا. والماء: الأيدي المبتلّة لا تلمس أسلاكًا، في الداخل ولا في الخارج. والأسلاك العارية: كل وصلة ملفوفة؛ والسلك العاري عطل لا اختصار.”