أجهزة القياس - كتاب الهندسة - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 تصميم دائرة كهربائية ومحاكاة القياسات

المفاهيم الأساسية

الأميتر: جهاز لقياس شدة التيار (يُوصل على التوالي في الدائرة).

الفولتميتر: جهاز لقياس فرق الجهد (يُوصل على التوازي في الدائرة).

خريطة المفاهيم

```markmap

ما أتعلمه الآن (من الصفحة 34 و 36 و 37 و 38 و 39 و 40 و 41 و 42 و 43 و 44 و 45 و 46 و 47 و 48 و 49 و 50 و 51 و 52 و 53 و 54 و 55 و 57 و 58 و 59 و 60): قانون أوم وطرق التوصيل ومحاكاة الدوائر

قانون أوم (Ohm's Law)

المكتشف

• الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم.
• اكتشف العلاقة عام 1827م.

العلاقة الرياضية

• I = \frac{V}{R}
• I: شدة التيار (يتناسب طرديًا مع V).
• V: فرق الجهد.
• R: المقاومة.

تطبيقات القانون

• يطبق على الدوائر ذات المقاومات المتعددة.
• تُحسب المقاومة الإجمالية للدائرة بأكملها.
• يُستخدم لدراسة قيم V، I، R لكل مكون في الدائرة.

حدود التطبيق

• لا يمكن تطبيقه على الأجهزة التي لا تبقى فيها المقاومة ثابتة (مثل: الصمامات الثنائية والترانزستورات).

طرق توصيل المقاومات

التوصيل على التوالي (Series)

• جميع المكونات متصلة متتالية (من طرف إلى طرف).
• يشكل مسارًا واحدًا لحركة التيار.
• لا يوجد تفرع للتيار.

#### حساب الدائرة على التوالي

• المقاومة الإجمالية: R_T = R_1 + R_2 + ...
• التيار الكلي: I = \frac{V}{R_T}
• فرق الجهد على كل مقاومة: V_n = I \times R_n

#### خصائص التوصيل على التوالي (من الصفحة 40)

• نفس شدة التيار: تيار واحد يمر عبر جميع المقاومات.

#### مثال تطبيقي (من الصفحة 57)

• المعطيات: R_1 = 1k\Omega, R_2 = 4k\Omega, V = 5V
• القياسات:

- شدة التيار (I): 1mA (نفس القيمة في جميع نقاط الدائرة).

- فرق الجهد عبر R1 (V₁): 1V

- فرق الجهد عبر R2 (V₂): 4V

• النتيجة: 5V = 1V + 4V
• القاعدة: Vₗ = V₁ + V₂ (فرق الجهد الكلي يساوي مجموع فروق الجهد على المقاومات).

#### مثال تطبيقي (من الصفحة 38)

• المعطيات: R_1 = 30k\Omega, R_2 = 60k\Omega, V = 9V
• الحل:

- R_T = 30k\Omega + 60k\Omega = 90k\Omega

- I = \frac{9V}{90k\Omega} = 0.1 mA

- V_1 = 0.1mA \times 30k\Omega = 3V

- V_2 = 0.1mA \times 60k\Omega = 6V

#### تمرين تطبيقي (صفحة 39)

• عند توصيل مقاومتين متماثلتين على التوالي بمصدر ذي مقاومة داخلية ضئيلة:

- تزداد المقاومة الكلية للدائرة.

- تأثير ذلك على شدة التيار: تنخفض.

التوصيل على التوازي (Parallel)

• جميع المكونات متصلة بصورة متوازية.
• تشكل مجموعتين من النقاط الكهربائية المشتركة.
• يوجد تفرع للتيار الكهربائي.

#### حساب الدائرة على التوازي

• المقاومة الإجمالية: \frac{1}{R_T} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... أو R_T = \frac{R_1 \times R_2}{(R_1 + R_2)}
• التيار الكلي: I_T = I_1 + I_2 + ... أو I_T = \frac{V}{R_T}
• فرق الجهد: يكون متساوياً على جميع المقاومات المتوازية.

#### خصائص التوصيل على التوازي (من الصفحة 40)

• نفس فرق الجهد: نفس قيمة فرق الجهد عند أطراف جميع المقاومات.

#### مثال تطبيقي (من الصفحة 38)

• المعطيات: R_1 = 3k\Omega, R_2 = 6k\Omega, V = 9V
• الحل:

- R_T = \frac{3k\Omega \times 6k\Omega}{(3k\Omega + 6k\Omega)} = 2k\Omega

- I_1 = \frac{9V}{3k\Omega} = 3mA

- I_2 = \frac{9V}{6k\Omega} = 1.5mA

- I_T = 3mA + 1.5mA = 4.5mA

#### مثال تطبيقي (من الصفحة 58)

• المعطيات: R_1 = 3k\Omega, R_2 = 6k\Omega, V_T = 18V
• القياسات:

- فرق الجهد الكلي (V_T): 18V

- فرق الجهد عبر R1 (V₁): 18V

- فرق الجهد عبر R2 (V₂): 18V

- التيار عبر R1 (I₁): 3mA

- التيار عبر R2 (I₂): 6mA

- التيار الكلي (I_T): 9mA

• النتيجة: V_T = V_1 = V_2 = 18V و I_T = I_1 + I_2 = 9mA

#### تمرين تطبيقي (صفحة 39)

• عند توصيل مقاومتين مختلفتين (R1, R2) على التوازي:

- فرق الجهد: متساوٍ عند أطرافهما.

- شدة التيار: مختلفة في كل منهما (تتناسب عكسياً مع المقاومة).

- المقاومة المكافئة: لا تساوي مجموع المقاومتين (R ≠ R1 + R2).

الأجهزة الكهربائية (من الصفحة 40)

جهاز الأميتر (Ammeter)

• الوظيفة: يقيس شدة التيار.
• طريقة التوصيل: على التوالي في الدائرة.

جهاز الفولتميتر (Voltmeter)

• الوظيفة: يقيس فرق الجهد.
• طريقة التوصيل: على التوازي في الدائرة.

الطاقة والقدرة (من الصفحة 40)

الطاقة الكهربائية

• الوحدة: الجول (J).

القدرة الكهربائية

• الوحدة: الواط (W).

مثال تطبيقي: دائرة مختلطة (توالي وتوازي)

الهدف

• إيجاد فرق الجهد بين النقطة A والنقطة B.

خطوات الحل

#### الخطوة الأولى: تبسيط الدائرة

• تحديد المقاومات المتصلة على التوالي (R3, R4, R5).
• حساب المقاومة المكافئة لها:

- R_{3,4,5} = R3 + R4 + R5

- R_{3,4,5} = 4Ω + 8Ω + 6Ω = 18Ω

#### الخطوة الثانية: رسم الدائرة المكافئة المبسطة

• استبدال R3, R4, R5 بمقاومة واحدة مكافئة (18Ω).
• تصبح الدائرة الجديدة تحتوي على:

- مصدر جهد (V).

- مقاومة R1 (11Ω) على التوالي مع...

- فرع متوازي يحتوي على R2 (18Ω) و R3,4,5 (18Ω).

#### الخطوة الثالثة: حساب المقاومة المكافئة للتوازي

• حساب المقاومة المكافئة للفرع المتوازي (R2 // R3,4,5):

- R_{2//3,4,5} = \frac{R_{3,4,5} \times R_2}{R_{3,4,5} + R_2} = \frac{18 \times 18}{18 + 18} = 9Ω

#### الخطوة الرابعة: حساب المقاومة الكلية للدائرة

• حساب المقاومة الكلية (Rₜ) بعد توصيل R1 على التوالي مع المقاومة المكافئة للتوازي:

- Rₜ = R₁ + R_{2,3,4,5} = 11 + 9 = 20Ω

#### الخطوة الخامسة: حساب التيارات وفروق الجهد

• التيار عبر R2 (I₂): 1A.
• فرق الجهد عبر R2 (V₂): V₂ = I₂ \times R₂ = 1 \times 18 = 18V
• فرق الجهد عبر R3,4,5: يساوي V₂ (لأنهما على التوازي) = 18V.
• التيار عبر R3,4,5 (I₃,₄,₅): I₃,₄,₅ = \frac{V₃,₄,₅}{R₃,₄,₅} = \frac{18}{18} = 1A
• التيار الكلي (Iₜ): Iₜ = I₂ + I₃,₄,₅ = 1 + 1 = 2A

#### الخطوة السادسة: حساب فرق الجهد بين A و B (V_AB)

• V_{AB} = Iₜ \times Rₜ = 2 \times 20 = 40V

تمارين تطبيقية (من الصفحة 41)

تمرين 5: دائرة مصباحين على التوالي

• المهمة: تحليل دائرة تحتوي على مصباحين متطابقين (X1, X2) ومصدر (V) ومفتاح (S) على التوالي.
• السؤال: هل سيصدر المصباحان نفس كمية الإضاءة عند إغلاق المفتاح؟ وضح إجابتك.

تمرين 6: دائرة مقاومات على التوازي

• المهمة: تحليل دائرة تحتوي على ثلاث مقاومات (R1=200Ω, R2=50Ω, R3=40Ω) موصلة على التوازي مع مصدر جهد 20V.
• المطلوب:

1. رسم مخطط الدائرة (يوجد شبكة رسم مخصصة).

2. إيجاد المقاومة الكلية (R).

3. إيجاد قراءة جهاز الأميتر (I) عند إغلاق المفتاح S.

تمرين تطبيقي: دائرة مختلطة (من الصفحة 42)

المعطيات

• المقاومات: R_1 = 100Ω، R_2 = 50Ω، R_3 = 50Ω.
• قراءة الأميتر (A): 0.8A.
• توصيل الدائرة: R1 على التوالي مع فرع متوازي يحتوي على R2 و R3.

المطلوب حسابياً

المقاومة الكلية للدائرة.

شدة التيار عبر كل مقاومة.

قراءة جهاز الفولتميتر (V).

المطلوب عملياً

• توضيح كيفية توصيل الأميتر والفولتميتر في الدائرة الكهربائية عملياً.

محاكاة الدوائر الكهربائية (من الصفحة 43 و 44 و 45 و 46 و 47 و 48 و 49 و 50 و 51 و 52)

أهمية محاكاة الدوائر

• الدوائر الإلكترونية مكون أساسي في الأجهزة.
• قد تتعطل الدوائر لأسباب عملية (كالتوصيل السيئ أو مشاكل الطاقة) وليس بسبب التصميم.
• التركيز على التصميم وحده غير كافٍ.
• فائدة برامج المحاكاة: كبيرة في عمليات التصميم.

برنامج ملتي سيم لايف (Multisim Live)

• الاستخدام في هذا الدرس: لتصميم الدوائر الكهربائية ومحاكاتها.
• ما هو؟: برنامج لمحاكاة الدوائر الكهربائية والمخططات المبنية على بنية محاكاة سبايس (SPICE).
• ميزة رئيسية: يمكن تشغيله من خلال متصفح الإنترنت على أي جهاز حاسب.

إنشاء حساب واستخدام Multisim Live

#### خطوات إنشاء حساب

الوصول للموقع: https://www.multisim.com

إنشاء حساب: الضغط على "Sign up" وملء الحقول المطلوبة.

تسجيل الدخول: بعد إنشاء الحساب، العودة للموقع والضغط على "Log in".

#### واجهة البرنامج بعد التسجيل

• الوصول إلى المشاريع: يمكن الوصول إلى الدوائر التي صممتها سابقاً.
• المشاريع المفضلة: الوصول إلى المشاريع المفضلة التي شاركها الآخرون.
• مجموعات المجتمع: الوصول إلى مجموعات المجتمع التي انضممت إليها.

#### خيارات الوصول دون تسجيل

• يمكن الوصول إلى دوائر صممها الآخرون.
• يمكن الوصول إلى مجموعات المجتمع التي انضممت إليها.

واجهة المستخدم لبرنامج ملتي سيم لايف (من الصفحة 45)

#### بدء العمل

• الخطوة الأولى: الضغط على CREATE CIRCUIT (إنشاء دائرة).

#### أجزاء الواجهة الرئيسية

• لوحة الإعدادات.
• الوضع التلقائي لتخطيط المحاكاة.
• أدوات التحكم: تراجع، وإعادة وتكبير، وتصغير.
• مساحة العمل (الرسم التخطيطي - Schematic): المكان الذي تضع فيه المكونات وتوصلها معاً، وكذلك لإضافة مجسات المحاكاة (probes).
• شريط أدوات المكونات: يقع على الجانب الأيسر من الشاشة ويتيح الوصول إلى كافة المكونات.
• قائمة تصفح الملفات.

#### أدوات التحكم بالمحاكاة

• تشغيل المحاكاة.
• إيقاف المحاكاة.

#### خيارات العرض

• Interactive Schematic Grapher Split: يعرض التخطيط والرسوم بآن واحد في شاشة واحدة.
• وضع العرض المتعدد: أداة متعددة الأغراض تتيح عرض الرسوم البيانية والمخططات، وتعديلها، وحفظها، وتصديرها.

خصائص المكونات في ملتي سيم لايف (من الصفحة 46)

#### أدوات التعديل على المكون

• الانعكاس
• الهدف
• التحليل والتعليق التوضيحي
• نسخ
• المصادر
• فتح
• مكونات غير فعالة
• الدوران
• فسخ
• مفتاح التشغيل
• مؤشرات
• المفاتيح

#### طريقة تغيير مُعرّف أو قيمة مُكوّن

• تغيير مُعرّف المكون
• تغيير قيمة المكون

تصميم دائرة أولى (من الصفحة 47 و 48 و 49)

#### خطوات توصيل مقاومة

الذهاب إلى الموقع: https://www.multisim.com/

بدء دائرة جديدة: الضغط على CREATE CIRCUIT (إنشاء دائرة).

اختيار المقاومة:

- من شريط أدوات المكونات (Components toolbar)، الضغط على علامة التبويب Passive (مكونات غير فعالة).

- سحب المكون Resistor (المقاومة) وإفلاته في مساحة العمل.

#### أمثلة على مكونات غير فعالة (Passive)

• Resistor: المقاومة
• Capacitor: المكثف
• Inductor: الملف
• Potentiometer: مقياس الجهد
• Fuse: المنصهر (الفيوز)
• Transformers...: المحولات
• Coupled Inductors: ملفات مقترنة
• Resistors...: مقاومات متنوعة

#### خطوات توصيل مصدر جهد مستمر (VCC)

الوصول إلى قائمة المصادر:

- من شريط أدوات المكونات (Components toolbar)، الضغط على علامة التبويب Sources (المصادر).

إضافة المصدر إلى الدائرة:

- سحب مكون مصدر جهد مستمر (VCC) وإفلاته في مساحة العمل.

#### أمثلة على أنواع المصادر في القائمة

• AC Voltage: جهد متردد
• AC Current: تيار متردد
• DC Voltage (VCC): جهد مستمر
• DC Current: تيار مستمر
• Clock Voltage: جهد ساعة
• Step Voltage: جهد خطوة
• AM Voltage: جهد مضروب السعة
• FM Voltage: جهد مضروب التردد
• Thermal Noise: ضوضاء حرارية
• Three Phase Delta: مصدر ثلاثي الطور دلتا
• Three Phase Wye: مصدر ثلاثي الطور واي

#### إجراء التوصيلات بين المكونات

• الخطوات:

1. توصيل العقدة الموجبة للمصدر بالعقدة اليسرى للمقاومة.

2. توصيل العقدة اليمنى للمقاومة بالعقدة السالبة للمصدر.

• تعديل الأسلاك: يمكن الضغط على السلك وتحريكه لزيادة امتداده أو تقليصه للحصول على أفضل نتيجة.

#### مفهوم الفرع (Branch)

• تعريف: جزء من الدائرة لا يوجد به أي عقدة.

إضافة مجسات القياس (من الصفحة 50 و 51 و 52)

#### إضافة مجس التيار (Current Probe)

• الهدف: معاينة القيم والقياسات داخل الدائرة.
• طريقة الإضافة:

1. من شريط أدوات المكونات (Components toolbar)، الضغط على علامة التبويب Analysis and annotation (التحليل والتعليق التوضيحي).

2. سحب Current probe (مجس التيار) وإفلاته على التوالي مع المقاومة.

#### اتجاه مجس التيار والقراءة

• الاتجاه الصحيح: يجب أن تشير أسهم المجس من الطرف السالب (-) إلى الطرف الموجب (+) للمصدر.
• القراءة السالبة: إذا كانت القراءة سالبة، فهذا يعني أن المجس متصل عكس اتجاه سريان التيار.

#### تصحيح القراءة السالبة

• الطريقة: يمكن عكس اتجاه سريان التيار المقاس عن طريق:

1. تحديد مجس التيار.

2. الانتقال إلى لوحة التكوين.

3. الضغط على خيار عكس (Flip current measurement).

#### إضافة مجس فرق الجهد (Voltage Probe)

• الهدف: معاينة قياسات فرق الجهد.
• طريقة التوصيل: يوصل هذا المجس على التوازي مثل جهاز الفولتميتر.
• طريقة الإضافة:

1. من شريط أدوات المكونات (Components toolbar)، الضغط على علامة التبويب Analysis and annotation (التحليل والتعليق التوضيحي).

2. سحب Voltage probe (مجس فرق الجهد) وإفلاته على الجانب الأيسر من المقاومة.

3. الضغط على Add a reference probe (إضافة مجس مرجعي)، وإفلاته على الجانب الأيمن من المقاومة.

#### تسمية المكونات والمؤشرات (من الصفحة 53)

• الأهمية: من المهم تسمية المكونات وأجهزة القياس الموجودة في الدائرة.
• طريقة التسمية: يمكن تحديد المكون (مثل المصدر V1) وتغيير اسمه (مثلًا إلى V) من خلال صندوق ID (المعرف).
• مثال من الشكل 2.16:

- V1+: متصل بالطرف الموجب لمصدر الجهد.

- REF1: نقطة مرجعية.

- V-R: متصل بالمقاومة.

- 1kΩ: قيمة المقاومة.

- A: الأميتر.

- i-: اتجاه التيار.

- 5V: قيمة مصدر الجهد.

- النقطتان 1 و 2: نقاط توصيل.

السلامة في التعامل مع الدوائر (من الصفحة 53)

• التحذير: يجب تجنب وضع الدائرة في بيئة تحتوي على سوائل أو غبار.
• السبب: يمكن أن تتسبب هذه العوامل البيئية في حدوث قصور أو خلل في الدائرة، مما قد يؤدي إلى وقوع حوادث.

تشغيل المحاكاة والتحقق من قانون أوم (من الصفحة 54)

تشغيل المحاكاة

• الخطوة 1: الضغط على Run simulation (تشغيل المحاكاة) لبعض الوقت.
• الخطوة 2: الضغط على stop/reset simulation (إيقاف/إعادة ضبط المحاكاة).

ملاحظة مهمة

• التأريض (Grounding): لا حاجة له عند تصميم دوائر التيار المستمر البسيطة، ويمكن إهمال رسالة التنبيه الخاصة به.

التحقق من قانون أوم

• المعادلة: 5mA = \frac{5V}{1k\Omega} \Rightarrow 5 \times 10^{-3} = \frac{5}{10^{3}}
• النتيجة: تم التحقق من قانون أوم من خلال القيم التي تعرضها أدوات القياس في المحاكاة.

حفظ مشروع المحاكاة (من الصفحة 55)

خطوات حفظ المشروع

الضغط على قائمة تصفح الملفات (File navigation menu).

الضغط على Save (حفظ).

من نافذة Save Circuit (حفظ الدائرة):

- تغيير اسم الدائرة إلى Ohm's law (قانون أوم).

الضغط على OK (موافق).

تفاصيل نافذة الحفظ

• Circuit Details (تفاصيل الدائرة):

- Visibility (الرؤية): Private (خاص) أو Public (عام).

- Name (الاسم): Ohm's law.

- Description (الوصف).

- add a tag (إضافة وسم).

• أزرار: OK (موافق) و Cancel (إلغاء).

فتح مشروع محفوظ (من الصفحة 56)

#### خطوات فتح مشروع سابق

الضغط على قائمة تصفح الملفات (File navigation menu).

الضغط على Go to (الذهاب إلى).

الضغط على My Circuits (دوائري).

#### واجهة My Circuits

• المحتوى: جميع المشاريع التي سبق حفظها موجودة هنا.
• مثال: مشروع Ohm's law by Binary Academy.

تمرينات تطبيقية على المحاكاة (من الصفحة 59)

تمرين 1: تصميم الدائرة

• المهمة: تصميم الدائرة الكهربائية البسيطة الموضحة في الرسم.

تمرين 2: تشغيل المحاكاة والملاحظة

• المهمة: تشغيل وضع المحاكاة، ثم إغلاق المفتاح S، وكتابة الملاحظات.

تمرين 3: قياس شدة التيار

• المهمة: توصيل الأميتر بالدائرة، وكتابة القيمة التي يعرضها.

تمرين 4: تغيير قيمة المصدر (5V و 1V)

• المهمة: تغيير قيمة المصدر إلى 5V ثم إلى 1V، وكتابة الملاحظات في كل حالة.

تمرين 5: تغيير قيمة المصدر (15V و 20V)

• المهمة: تغيير قيمة المصدر إلى 15V ثم إلى 20V، وكتابة الملاحظات في كل حالة.

تطبيق عملي: تصميم دائرة وقياسها (من الصفحة 60)

تصميم الدائرة

• المهمة: تصميم الدائرة الكهربائية الموضحة.

الدائرة المصممة

• مصدر الجهد (V1): 10V.
• المقاومات: R1 = 1kΩ، R2 = 1kΩ (موصلة على التوالي).
• أجهزة القياس:

- أميتر (A): لقياس شدة التيار الكلي (I).

- فولتميتر (V) عبر R1: لقياس فرق الجهد على R1.

- فولتميتر (V) عبر R2: لقياس فرق الجهد على R2.

تسجيل القياسات

• الجدول: لتسجيل قراءات الأميتر والفولتميتر.

تحليل النتائج

• السؤال: ماذا تلاحظ حول فرق الجهد المار عبر R2؟

```

نقاط مهمة

• الصفحة تحتوي على تمرين عملي لتصميم دائرة كهربائية بسيطة (مصدر جهد 10V ومقاومتين 1kΩ على التوالي).
• يجب استخدام أجهزة القياس (الأميتر والفولتميتر) وتسجيل قراءاتها في جدول مخصص.
• الهدف من التمرين هو ملاحظة وشرح سلوك فرق الجهد عبر المقاومة R2 في دائرة التوالي.

صمم الدائرة الآتية

راقب ودون القيم التي تعرضها أجهزة القياس في الجدول أدناه.

أجهزة القياس

القيمة

الأميتر

الفولتميتر

ماذا تلاحظ حول فرق الجهد المار عبر R2؟

وضح إجابتك.

صمم الدائرة الآتية راقب ودون القيم التي تعرضها أجهزة القياس في الجدول أدناه. --- SECTION: أجهزة القياس --- أجهزة القياس --- SECTION: القيمة --- القيمة الأميتر الفولتميتر ماذا تلاحظ حول فرق الجهد المار عبر R2؟ وضح إجابتك. --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: Circuit Diagram Description: A simple electrical circuit diagram. It includes a voltage source (V1) labeled 10V, two resistors (R1 and R2) each labeled 1kΩ, an ammeter (A) measuring current (I), and two voltmeters (V) measuring voltage across R1 and R2 respectively. The circuit is a series circuit. Context: This circuit is used to demonstrate Ohm's law and voltage division in a series circuit. The ammeter measures the total current, and the voltmeters measure the voltage drop across each resistor. **TABLE**: أجهزة القياس Description: A table with two columns: 'أجهزة القياس' (Measurement Devices) and 'القيمة' (Value). It lists 'الأميتر' (Ammeter) and 'الفولتميتر' (Voltmeter) as measurement devices. Table Structure: Headers: أجهزة القياس | القيمة Rows: Row 1: الأميتر | EMPTY Row 2: الفولتميتر | EMPTY Empty cells: The 'القيمة' (Value) cell for الأميتر (Ammeter), The 'القيمة' (Value) cell for الفولتميتر (Voltmeter) Calculation needed: The user is expected to fill in the values measured by the ammeter and voltmeter in the circuit. X-axis: أجهزة القياس Y-axis: القيمة Context: This table is used to record the readings from the ammeter and voltmeter in the circuit, allowing students to analyze the electrical properties.