الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
55شدّة التيار ومقياس التيار
“تيار قوي، وتيار ضعيف” — هكذا تكلّمنا سنوات، نجرّع السطوع والقبضة بالحدس. واليوم يتقاعد الحدس. فتنال قوة التيار اسمًا ووحدة وآلة؛ وأول ما تثبته الآلة قانون طالما ارتبته ولم تقسه مرة واحدة.
55.1 الشدّة ووحدتها
تعريف 55.1 (الشدّة)
شدّة التيار الكهربائي تقيس كم يبلغ المسير من القوة: أي كم من الشحنة الكهربائية يستعرض أمام نقطة من الدارة في كل ثانية — معدّل جريان التيار، كما أن معدّل النهر ماء في الثانية. ووحدتها الأمبير ()، تكريمًا لرائد عظيم من روّاد قوانين الكهرباء؛ ودارات الحياة اليومية تنطق كثيرًا بالملّي أمبير: ، أي جزء من ألف.
مثال 55.2 (أمبيرات تُعرف بالنظر)
مصباح مؤشّر صغير يرتشف نحو — أي ؛ ومصباح كشّاف يدوي نحو ؛ ومصباح مصدح سيارة الكبير ؛ وغلّاية بكامل هديرها ؛ ومحرّك سيارة عند الإقلاع يجرع من بطاريته؛ وصاعقة برق، في ملّي ثانيتها، تدكّ عشرات الآلاف من الأمبيرات في قناتها. وسلّم الخطر يبعث على الرصانة: فتيارات مقدارها أجزاء من مئة من الأمبير عبر جسم إنسان قد تكون قاتلة — فالاحترام يبدأ دون الأمبير الواحد بكثير.
ملاحظة 55.3 (الشخص والوحدة)
تُكتب الوحدة اسمًا عامًّا — “تيار شدّته أمبيران” — بينما تسمّي الكلمة نفسها بحرفها الكبير في لغات لاتينية ذلك الشخص، كما في كل وحدة تكرّم عالِمًا. أمّا الرمز فيبقى بحرف كبير. وستلقى هذا العرف ثانية عمّا قريب، مرتين.
55.2 مقياس التيار
تعريف 55.4 (مقياس التيار)
مقياس التيار (الأمبيرمتر) يقيس الشدّة. وهو يعدّ المسير المارّ عبر نفسه — فيجب أن يُدخَل على التسلسل، في الحلقة التي يقيسها بعينها، كنقطة مكس على الطريق. وهو مبنيّ ليزعج المسير أقلّ ما يمكن، فلا يكاد يقاوم التيار البتّة — ولهذا أيضًا يكون مقياس تيار موصول خطأً مباشرة على طرفَي بطارية دارةً قصيرة ذات قرص: وهي الطريقة الكلاسيكية لإتلاف واحد.
طريقة 55.5 (قياس شدّة)
- أطفئ الدارة؛ ثم اقطع الحلقة حيث يُراد عدّ التيار؛
- أدخل مقياس التيار في الفجوة: فيدخل التيار من مأخذه ، ويخرج من مأخذه المشترك، حتى يدخل الاتجاه الاصطلاحي من باب المقياس الأمامي؛
- وعلى مقياس متعدّد المجالات، ابدأ بالمجال الأكبر، ثم انزل درجة درجة حتى تستقرّ القراءة مريحة على القرص — حمايةً للمقياس من المفاجآت؛
- أغلق القاطعة، واقرأ — واكتب الوحدة.
والوصل بالمقلوب على مقياس ذي إبرة يصفع الإبرة على حاجزها؛ أما المقاييس الرقمية فلا تُظهر إلا إشارة ناقص، فتغفر للطلبة كل يوم.
55.3 أول قانون مقيس
قضية 55.6 (حلقة واحدة، وشدّة واحدة)
في الدارة على التسلسل، الشدّة واحدة عند كل نقطة من الحلقة. انقل مقياس التيار إلى أيّ مكان — قبل المصباح، أو بعده، أو بجانب البطارية: لا تتغيّر القراءة. فما لمّحت إليه خمس سنوات من مصابيح متساوية السطوع تقوله الآلة الآن بالأعداد: لا يُستهلك شيء في الطريق؛ طريق واحد، ومسير واحد، و واحد.
مثال 55.7 (قراءة الحروف الدقيقة في القانون)
القانون يقول على امتداد حلقة واحدة، لا مهما فعلت بالحلقة. أضف مصباحًا ثانيًا على التسلسل يضعف المسير في كل مكان دفعة واحدة — فلعلّ تهبط إلى — لكنه يضعف بالتساوي في كل مكان: فنقاط المكس الثلاث تتّفق على العدد الجديد أيضًا. حلقة واحدة، وشدّة واحدة — مهما تكن تلك الشدّة الآن.
مثال 55.8 (نظرة إلى العقدة)
انصب نقاط المكس على زوج على التفرع بدل ذلك: الطريق الرئيسي ؛ والفرع الأول ؛ والفرع الثاني . وليس المجموع الموحي بمصادفة — فالمسايير الداخلة إلى عقدة والخارجة منها يجب أن تتوازن، إذ لا تُخلق الشحنة ولا تفنى عند مفترق الطريق. أمّا القانون كاملًا، ومعه شريكه الخاصّ بالتوتر، فيعقد مجلسه في الفصل بعد التالي؛ وقد لقيته مقاييسك سلفًا.
ملاحظة 55.9 (المقياس المتعدّد)
طوبة الورشة الصفراء — المقياس المتعدّد — تطوي مقياس التيار وعدّة آلات أخرى في علبة واحدة ذات قرص اختيار. أدر القرص إلى أو ، وضع السلكين في المأخذين المعلّمين، فإذا هو مقياس تيارك، بقواعد التسلسل وكل شيء. وفصلان من هذا الكتاب يسكنان فيه سلفًا؛ وثالث ينتقل إليه في الفصل التالي — بقواعد وصل معاكسة، فانتبه.
55.4 تمارين
تمرين 55.1 ★
ماذا تقيس الشدّة، بلغة الأنهار؟ أعطِ وحدتها ورمزها، وحوّل إلى أمبيرات.
تمرين 55.2 ★
طابِق الشدّة بمشهدها: ؛ ؛ ؛ — غلّاية، ومصباح مؤشّر، ومحرّك عند الإقلاع، ومصباح كشّاف يدوي.
تمرين 55.3 ★
لماذا يجب إدخال مقياس التيار على التسلسل؟ وما الذي بُني ألّا يقاومه إلا بالكاد، وأيّ حادث يجعله ذلك ممكنًا؟
حل
حل التمرين 55.3.
لأنه لا يعدّ إلا المسير المارّ عبر نفسه، فوجب أن يقف في الطريق — على التسلسل. وهو لا يكاد يقاوم التيار البتّة؛ فإذا وُصل مباشرة على طرفَي بطارية صار من ثمّ دارة قصيرة ذات قرص.
تمرين 55.4 ★
اسرد خطوات قياس الشدّة السليم الأربع. ولماذا نبدأ بالمجال الأكبر؟
حل
حل التمرين 55.4.
أطفئ واقطع الحلقة؛ وأدخل المقياس بحيث يدخل التيار من المأخذ ويخرج من المشترك؛ وابدأ بالمجال الأكبر ثم انزل؛ ثم شغّل واقرأ واكتب الوحدة. والمجال الأكبر أولًا حتى يلقى تيارٌ أقوى من المتوقّع أمتنَ وضع بدل أن يحطّم وضعًا رقيقًا.
تمرين 55.5 ★
اذكر قانون “حلقة واحدة، شدّة واحدة”. وأيّ ملاحظة قديمة عن تساوي السطوع حوّلها إلى أعداد؟
حل
حل التمرين 55.5.
في الدارة على التسلسل، الشدّة واحدة عند كل نقطة من الحلقة. وقد حوّلت إلى أعداد الملاحظةَ القديمة أن مصباحين متماثلين على التسلسل يتوهّجان بالتساوي تمامًا، أينما جلسا.
تمرين 55.6 ★
مقياس تيار قبل محرّك على التسلسل يقرأ . فماذا سيقرأ بعد المحرّك؟ وبجانب البطارية؟
تمرين 55.7 ★
ينضمّ مصباح ثانٍ إلى حلقة على التسلسل فتصير في مقياس التيار . أفشل القانون؟ اشرح الحروف الدقيقة.
حل
حل التمرين 55.7.
لا. فالقانون يعد بقيمة واحدة حول الحلقة في لحظة بعينها، لا بالقيمة نفسها بعد إعادة بناء الحلقة. فالمصباح الثاني أضعف المسير — بالتساوي في كل مكان: فنقاط المكس كلها تتّفق الآن على .
تمرين 55.8 ★
مقياس تيار رقمي يقرأ . ماذا فعل الطالب، وما خطورة ذلك؟
حل
حل التمرين 55.8.
وصل المقياس بالمقلوب — فدخل التيار من المأخذ المشترك. وعلى مقياس رقمي لا ضرر: فإشارة الناقص كل العقوبة (أمّا مقياس الإبرة فكان سيصفع حاجزه).
تمرين 55.9 ★★
الطريق الرئيسي ؛ والفرع الأول . فماذا يحمل الفرع الثاني، وبأيّ استدلال؟ وماذا تقرأ نقطة المكس عند العقدة الثانية؟
تمرين 55.10 ★★
يصل طالب مقياس التيار على التفرع مع المصباح “ليقارن بينهما”. تنبّأ بالنتيجتين — للمصباح، وللمقياس — وسمِّ الشرّير الذي بناه الطالب من غير قصد.
حل
حل التمرين 55.10.
على التفرع يصير المقياس الذي لا يكلّف شيئًا التفافًا: فيخفت المصباح مهجورًا حتى ينطفئ، بينما يحمل المقياس تيارًا مندفعًا لا يحدّه شيء تقريبًا — دارة قصيرة عبر الآلة، تحرق مصهرها الداخلي إن ابتسم الحظّ. لقد بنى الطالب شرّير فصل السلامة.
تمرين 55.11 ★★
مصباحان متماثلان على التفرع يحمل كل منهما . فكم يحمل الطريق الرئيسي للبطارية؟ وينضمّ مصباح ثالث مماثل على التفرع: تنبّأ بالحمل الجديد على الطريق الرئيسي، وسمِّ ما ينفد أسرع.
تمرين 55.12 ★★★
صمّم خطة القياس الكاملة لدارة على التفرع بفرعين (مصباح ومحرّك): كم موضعًا لمقياس التيار يلزم لمعرفة كل تيار في الدارة؛ وما أدنى عدد من القياسات يكفي (فواحد يمكن استنتاجه — بأيّ توازن؟)؛ وما ترتيب العمليات الذي لا يترك مقياسًا موصولًا وصلًا خطرًا أبدًا.
حل
حل التمرين 55.12.
التيارات المطلوب معرفتها: في الطريق الرئيسي، وتيار كل فرع ( و) — ثلاثة في الجملة (وأجزاء الحلقة بعد العقدتين تكرّرها). ويكفي قياسان: قِس أيّ اثنين، ويسلّمك توازن العقدة الثالثَ. والترتيب الآمن: الدارة مطفأة؛ فيُدخل المقياس في الطريق المختار؛ فالمجال الأكبر؛ فالتشغيل؛ فالقراءة؛ فالإطفاء قبل نقل المقياس — ولا يجسر المقياس، في أيّ خطوة، بين نقطتين من طريقين مختلفين.
55.5 مسألة: منضدة القياس
مسألة 55.1
مسألة نهاية الأسبوع — يوم التأهيل في ورشة الإلكترونيات؛ أربع محطّات، ومقياس تيار لكل واحدة؛ رخصة المتدرّب
لينال المتدرّب امتيازات الورشة، يجول على أربع محطّات قياس. واصحب الفصل معك.
القسم الأول — المحطة الأولى: الحلقة البسيطة. بطارية، وقاطعة، ومصباح واحد.
- صِف، خطوة خطوة، إدخال مقياس التيار لقياس تيار المصباح.
- القراءة: . عبّر عنها بالأمبير.
- ينقل الممتحِن مقياسك إلى الجهة الأخرى من البطارية. تنبّأ بالقراءة، مستشهدًا بالقانون.
- “وماذا لو كان في هذه الحلقة مقياسا تيار معًا؟” أين يجلسان، وماذا سيُظهران؟
القسم الثاني — المحطة الثانية: زوج على التسلسل. مصباحان مختلفان، والمصباح أ أسطع من ب، على التسلسل.
- يتنبّأ متدرّب: “المصباح أ الأسطع يحمل تيارًا أكبر من ب الخافت.” اختبر التنبّؤ بالقانون — ووفّق بين تساوي التيارين واختلاف السطوع (ما الذي يجب أن يختلف بين المصباحين؟).
- يقرأ المقياس بين أ وب. اكتب كل تيار آخر في الحلقة.
- يُقصَر المصباح ب بسلك ذي ملقطين. تنبّأ بالقراءة الجديدة وبسلوك المصباحين.
- يطلب الممتحِن جملة واحدة عن سبب منع الورشة أسلاك الملاقط على طرفَي البطارية مع سماحها بالعرض على طرفَي ب.
القسم الثالث — المحطة الثالثة: العقدة. فرع مصباح وفرع محرّك على التفرع.
- الطريق الرئيسي: ؛ وفرع المصباح: . فما تيار فرع المحرّك، بالتوازن؟
- يعلق المحرّك (وهو موصول لكنه لا يدور) فيرتقي فرعه إلى . وبفرض بقاء فرع المصباح على ، ماذا يحمل الطريق الرئيسي الآن — وأيّ حارس في الورشة يصغي؟
- يُفكّ المصباح. تنبّأ بقراءات نقاط المكس الثلاث.
- ولماذا تنفد البطارية أسرع ما تكون والفرعان سليمان — أين يُدفع ثمن السخاء؟
القسم الرابع — الرخصة.
- اكتب عهد المتدرّب: ثلاثة أسطر — أين يكون مكان مقياس التيار وأين لا يكون أبدًا؛ وما الذي تضمنه الحلقة الواحدة؛ وما الذي توازنه العقدة.
حل
حل المسألة 55.1.
1. إطفاء؛ فقطع الحلقة بين المصباح والبطارية؛ فإدخال مقياس التيار، والتيار داخل من خارج من المشترك؛ فالمجال الأكبر ثم النزول؛ فالتشغيل؛ فالقراءة؛ فكتابة الوحدة. 2. . 3. ثانية — حلقة واحدة، وشدّة واحدة: فنقطة المكس تعدّ المسير نفسه على الجهتين. 4. في أيّ مكان من الحلقة — كلاهما على التسلسل، في أيّ موضعين: يُظهران معًا . 5. القانون يرفض التنبّؤ: فالمصباحان على التسلسل يحملان التيار عينه. والفرق في المصباحين نفسيهما — فبنيتان مختلفتان تحوّلان المسير نفسه إلى ضوء غير متساوٍ (والفصول التالية تسمّي المختلف). 6. عند كل نقطة من الحلقة: — قبل أ، وبعد ب، وبجانب البطارية. 7. يموت ب (مهجورًا بالالتفاف)، وتحمل الحلقة، وقد فقدت مقاومًا واحدًا، مسيرًا أقوى: فيرتقي المقياس — ويسطع المصباح أ تبعًا لذلك. 8. “الالتفاف على طرفَي ب يترك المصباح أ حارسًا للحلقة؛ أمّا على طرفَي البطارية فلا يترك شيئًا البتّة — والمسير بلا حارس هو فصل الحريق، لا عرضًا تعليميًّا.” 9. . 10. — ومصهر الفرع (أو قاطعه) الحارس لخطّ المحرّك يصغي جيّدًا: فالمحرّكات العالقة هي ما يكسب به الحرّاس قوتهم. 11. فرع المصباح: ؛ وفرع المحرّك: كما هي (استقلال التفرع)؛ والطريق الرئيسي: . 12. يُدفع ثمن السخاء عند البطارية: فالفرعان السليمان يشربان مسيرين كاملين، والتيار المجموع في الطريق الرئيسي يفرّغ المخزون أسرع. 13. مثلًا: “مقياس التيار يقف في الطريق، لا عبره أبدًا. والحلقة الواحدة تضمن شدّة واحدة — في كل مكان، وفي كل حين. والعقدة توازن دفاترها: مسايير داخلة تساوي مسايير خارجة، إلى الملّي أمبير.”