كيف تعمل - كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

الكتاب: كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 | المادة: الفيزياء | المرحلة: الصف 12 | الفصل الدراسي: 2

الدولة: المملكة العربية السعودية | المنهج: المنهج السعودي - وزارة التعليم

الدرس: كيف تعمل

📚 معلومات الصفحة

الكتاب: كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 | المادة: الفيزياء | المرحلة: الصف 12 | الفصل الدراسي: 2

الدولة: المملكة العربية السعودية | المنهج: المنهج السعودي - وزارة التعليم

📋 المحتوى المنظم

📖 محتوى تعليمي مفصّل

نوع: محتوى تعليمي

How it Works Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI)?

كيف تعمل

نوع: محتوى تعليمي

كيف تعمل

قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ؟

نوع: محتوى تعليمي

قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ؟

نوع: محتوى تعليمي

يحدث التفريغ الأرضي الخاطئ عندما يسلك التيار مسارًا خاطئًا نحو الأرض، كأن يمر التيار الكهربائي من خلال جسم شخص. كان شارل الدزيل أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا خبيرًا في تأثيرات الصدمات الكهربائية. وعندما أدرك أن التفريغ الأرضي الخاطئ كان سببًا لحدوث العديد من الصعقات الكهربائية اختر جهازًا يمنع وقوع مثل هذه الحوادث. فما مبدأ عمل دائرة التفريغ الأرضي الخاطئ (GFCI)؟

نوع: محتوى تعليمي

سيمر التيار المحصل المار مجالًا مغناطيسياً متغيراً في قلب المحول، مما يولد تياراً في حلقة المجس الإلكتروني. سيكشف المجس بدوره التيار، وينشط مغناطيسياً كهربائياً. سيمر التيار في حلقة المجس الإلكتروني، وسيكشف المجس بدوره التيار، وينشط مغناطيسياً كهربائياً. يسمى الملف القاطع، وتستغرق هذه العملية 0.025s.

نوع: محتوى تعليمي

في الوضع الطبيعي يمر تياران متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه خلال السلكين؛ لذا يكون التيار المحصل المار من خلال المحول صفراً.

نوع: محتوى تعليمي

في حالة التفريغ الخاطئ يمر تيار من السلك الحي (hot conductor) نحو الأرض عن طريق جسم الشخص. ويكون التيار في السلكين غير متساويين، لذا يكون هناك تيار غير متساوية في المحول، ويفتح الدائرة الكهربائية.

نوع: محتوى تعليمي

يوصل زر الفحص في دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ مقاومة صغيرة بالدائرة، فينشئ مرة أخرى تيارات غير متساوية في المحول، ويفتح الدائرة الكهربائية.

التفكير الناقد

نوع: محتوى تعليمي

التفكير الناقد

1

نوع: QUESTION_HOMEWORK

كون فرضية تحدثت فرضية التفريرغ الخاطئ عندما يقف شخص على سطح مبلل بالماء ويلمس جهازاً موصولاً بالكهرباء. كيف يكون الماء عاملاً في تكون التفريغ الخاطئ؟

2

نوع: QUESTION_HOMEWORK

حل واستنتج هل تعمل دائرة التفريغ الخاطئ على حماية جسم الشخص عندما يمسك بيد باليد الأخرى؟ وضح إجابتك.

3

نوع: QUESTION_HOMEWORK

احسب في دائرة التفريغ الأرضي الخاطئ، كان مقدار المقاومة الفحص 14.75 kΩ. احسب التيار المار في هذه المقاومة إذا كان فرق الجهد 115V. هل يعد هذا التيار كبيرًا؟

🔍 عناصر مرئية

ملف القاطع

Schematic showing the GFCI's internal components including a toroidal transformer (ملف القاطع), a sensing coil (مجس إلكتروني), and a switch (قاطع). It illustrates the flow of current and magnetic fields.

محبول

Diagram illustrating normal current flow through a GFCI. Two equal and opposite currents flow through the toroidal transformer, resulting in no net magnetic field and zero current in the sensing coil.

ملف القاطع

Diagram illustrating a ground fault scenario. Current flows from the hot conductor, through a person, to the ground. This creates unequal currents in the toroidal transformer, generating a magnetic field that trips the GFCI.

زر الفحص

Diagram showing the GFCI's test button function. Pressing the test button creates a small resistance, causing unequal currents and tripping the GFCI, demonstrating its functionality.

📄 النص الكامل للصفحة

How it Works Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI)? --- SECTION: كيف تعمل --- كيف تعمل --- SECTION: قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ؟ --- قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ؟ يحدث التفريغ الأرضي الخاطئ عندما يسلك التيار مسارًا خاطئًا نحو الأرض، كأن يمر التيار الكهربائي من خلال جسم شخص. كان شارل الدزيل أستاذ الهندسة في جامعة كاليفورنيا خبيرًا في تأثيرات الصدمات الكهربائية. وعندما أدرك أن التفريغ الأرضي الخاطئ كان سببًا لحدوث العديد من الصعقات الكهربائية اختر جهازًا يمنع وقوع مثل هذه الحوادث. فما مبدأ عمل دائرة التفريغ الأرضي الخاطئ (GFCI)؟ سيمر التيار المحصل المار مجالًا مغناطيسياً متغيراً في قلب المحول، مما يولد تياراً في حلقة المجس الإلكتروني. سيكشف المجس بدوره التيار، وينشط مغناطيسياً كهربائياً. سيمر التيار في حلقة المجس الإلكتروني، وسيكشف المجس بدوره التيار، وينشط مغناطيسياً كهربائياً. يسمى الملف القاطع، وتستغرق هذه العملية 0.025s. في الوضع الطبيعي يمر تياران متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه خلال السلكين؛ لذا يكون التيار المحصل المار من خلال المحول صفراً. في حالة التفريغ الخاطئ يمر تيار من السلك الحي (hot conductor) نحو الأرض عن طريق جسم الشخص. ويكون التيار في السلكين غير متساويين، لذا يكون هناك تيار غير متساوية في المحول، ويفتح الدائرة الكهربائية. يوصل زر الفحص في دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ مقاومة صغيرة بالدائرة، فينشئ مرة أخرى تيارات غير متساوية في المحول، ويفتح الدائرة الكهربائية. --- SECTION: التفكير الناقد --- التفكير الناقد --- SECTION: 1 --- كون فرضية تحدثت فرضية التفريرغ الخاطئ عندما يقف شخص على سطح مبلل بالماء ويلمس جهازاً موصولاً بالكهرباء. كيف يكون الماء عاملاً في تكون التفريغ الخاطئ؟ --- SECTION: 2 --- حل واستنتج هل تعمل دائرة التفريغ الخاطئ على حماية جسم الشخص عندما يمسك بيد باليد الأخرى؟ وضح إجابتك. --- SECTION: 3 --- احسب في دائرة التفريغ الأرضي الخاطئ، كان مقدار المقاومة الفحص 14.75 kΩ. احسب التيار المار في هذه المقاومة إذا كان فرق الجهد 115V. هل يعد هذا التيار كبيرًا؟ --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: ملف القاطع Description: Schematic showing the GFCI's internal components including a toroidal transformer (ملف القاطع), a sensing coil (مجس إلكتروني), and a switch (قاطع). It illustrates the flow of current and magnetic fields. Context: Illustrates the core components of a GFCI and how a magnetic field is generated by current flow. **DIAGRAM**: محبول Description: Diagram illustrating normal current flow through a GFCI. Two equal and opposite currents flow through the toroidal transformer, resulting in no net magnetic field and zero current in the sensing coil. X-axis: محبول Y-axis: تيارات متساوية Context: Explains the condition of normal operation in a GFCI where balanced currents prevent tripping. **DIAGRAM**: ملف القاطع Description: Diagram illustrating a ground fault scenario. Current flows from the hot conductor, through a person, to the ground. This creates unequal currents in the toroidal transformer, generating a magnetic field that trips the GFCI. X-axis: تيار غير متساويين Y-axis: قاطع الدائرة Context: Illustrates how an unbalanced current due to a ground fault triggers the GFCI. **DIAGRAM**: زر الفحص Description: Diagram showing the GFCI's test button function. Pressing the test button creates a small resistance, causing unequal currents and tripping the GFCI, demonstrating its functionality. Context: Explains how the test button simulates a ground fault to verify the GFCI's operation.

✅ حلول أسئلة الكتاب الرسمية

عدد الأسئلة: 3

سؤال 1: 1. كون فرضية يحدث التفريغ الخاطئ عندما يقف شخص على سطح مبلل بالماء ويلمس جهازاً موصولاً بالكهرباء. كيف يكون الماء عاملاً في تكون التفريغ الأرضي الخاطئ؟

الإجابة: لأن الماء (وخاصة غير النقي) يزيد التوصيل الكهربائي ويقلل مقاومة سطح الأرض/جسم الشخص، فيكون مساراً سهلاً لمرور التيار من الجهاز عبر الجسم إلى الأرض؛ فيحدث التفريغ الأرضي الخاطئ.

خطوات الحل:

  1. **الخطوة 1 (المفهوم):** نتذكر أن الماء النقي يُعد عازلاً جيداً للكهرباء. ومع ذلك، فإن الماء الذي يحتوي على شوائب وأملاح (مثل ماء الصنبور أو الماء المبلل على الأسطح) يصبح موصلاً جيداً للكهرباء. هذا يعني أن مقاومته الكهربائية تقل بشكل كبير.
  2. **الخطوة 2 (التطبيق):** عندما يقف شخص على سطح مبلل بالماء ويلمس جهازاً موصولاً بالكهرباء، فإن الماء الموجود على السطح وعلى جسم الشخص (إذا كان مبللاً) يوفر مساراً ذا مقاومة منخفضة جداً للتيار الكهربائي. بدلاً من أن يمر التيار بشكل طبيعي في الدائرة الكهربائية للجهاز، يجد مساراً أسهل وأقل مقاومة عبر الجهاز ثم جسم الشخص ثم الماء إلى الأرض.
  3. **الخطوة 3 (النتيجة):** لذلك، يعمل الماء كجسر موصل يقلل من مقاومة المسار الكلي للتيار الكهربائي من الجهاز عبر جسم الشخص إلى الأرض، مما يسهل مرور التيار ويسبب التفريغ الأرضي الخاطئ.

سؤال 2: 2. حلل واستنتج هل تعمل دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ على حماية شخص عندما يُمسك أحد السلكين بيد ويُمسك السلك الآخر باليد الأخرى؟ وضح إجابتك.

الإجابة: لا، غالباً لا تحميه؛ لأن التيار سيخرج من السلك الحي ويمر عبر السلك الآخر (المتعادل) خلال جسم الشخص، فتكون شدتا التيار في السلكين متساويتين تقريباً، فلا يظهر فرق تيار (لا يوجد تسرب إلى الأرض) وبالتالي قد لا يفصل قاطع (GFCI).

خطوات الحل:

  1. **الخطوة 1 (المفهوم):** نتذكر أن قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ (GFCI) مصمم لحماية الأشخاص من الصدمات الكهربائية عن طريق الكشف عن أي تسرب للتيار الكهربائي إلى الأرض. يعمل القاطع بمقارنة التيار المار في السلك الحي (الحار) مع التيار العائد في السلك المتعادل (البارد). إذا كان هناك فرق بين التيارين، فهذا يعني أن جزءاً من التيار قد تسرب إلى الأرض (عبر جسم شخص مثلاً)، فيقوم القاطع بفصل الدائرة بسرعة.
  2. **الخطوة 2 (التطبيق):** في الحالة المذكورة، يمسك الشخص أحد السلكين بيد والسلك الآخر باليد الأخرى. هذا يعني أن التيار سيمر من السلك الحي، عبر جسم الشخص، ثم يعود إلى الدائرة عبر السلك المتعادل. في هذه الحالة، لا يوجد تسرب للتيار إلى الأرض؛ بل يظل التيار محصوراً داخل الدائرة الكهربائية، ويمر بالكامل عبر جسم الشخص كجزء من هذه الدائرة.
  3. **الخطوة 3 (النتيجة):** لذلك، غالباً لا يعمل قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ على حماية الشخص في هذه الحالة، لأن التيار الخارج من السلك الحي سيكون مساوياً تقريباً للتيار العائد في السلك المتعادل (حتى لو مر عبر جسم الشخص)، وبالتالي لن يكتشف القاطع أي فرق في التيار أو تسرب إلى الأرض، ولن يفصل الدائرة.

سؤال 3: 3. احسب في دائرة قاطع التفريغ الأرضي الخاطئ، كان مقدار مقاومة الفحص $14.75\text{ k}\Omega$. احسب التيار المار في هذه المقاومة إذا كان فرق الجهد $115\text{V}$. هل يُعد هذا التيار كبيراً؟

الإجابة: $I = \frac{V}{R} = \frac{115}{14.75 \times 10^3} \approx 7.8 \times 10^{-3} \text{ A} =$ $7.8 \text{ mA}$ وهذا التيار ليس كبيراً مقارنة بتيارات الأجهزة المنزلية (الأمبير)، لكنه يُعد ملحوظاً وخطراً نسبياً على جسم الإنسان، وهو أكبر من تيار الفصل المعتاد لقاطع (GFCI) (نحو $5\text{ mA}$).

خطوات الحل:

  1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - مقاومة الفحص: $R = 14.75\text{ k}\Omega = 14.75 \times 10^3 \Omega$ - فرق الجهد: $V = 115\text{ V}$
  2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم قانون أوم لحساب التيار: $$I = \frac{V}{R}$$
  3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض بالقيم: $$I = \frac{115\text{ V}}{14.75 \times 10^3 \Omega}$$ $$I \approx 0.0077966 \text{ A}$$ لتحويلها إلى ملي أمبير (mA)، نضرب في 1000: $$I \approx 7.8 \text{ mA}$$
  4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن التيار المار في هذه المقاومة هو **$7.8 \text{ mA}$**. بالنسبة للسؤال "هل يُعد هذا التيار كبيراً؟": هذا التيار ليس كبيراً مقارنة بالتيارات التي تعمل بها معظم الأجهزة المنزلية (التي تقاس بالأمبير). ومع ذلك، يُعد هذا التيار ملحوظاً وخطراً نسبياً على جسم الإنسان، خاصةً عند مقارنته بتيار الفصل المعتاد لقاطع التفريغ الأرضي الخاطئ (GFCI) والذي يكون عادةً حوالي $5\text{ mA}$. أي أن هذا التيار كافٍ لجعل قاطع GFCI يفصل الدائرة لحماية الشخص.