التيار الكهربائي - كتاب العلوم - الصف 9 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

سؤال 1: تصف كيف يمكن أن يصبح جسم ما مشحونًا كهربائيًّا.

الإجابة: يصبح الجسم مشحونًا كهربائيًّا عن طريق الدلك أو اللمس أو الحث.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | المطلوب | كيفية شحن الجسم كهربائياً | | الطرق المعروفة | الدلك، اللمس، الحث |
2. **الخطوة 2: المبدأ المستخدم** **الشحن الكهربائي**: هو انتقال الإلكترونات بين الأجسام، مما يؤدي إلى اختلاف في عدد الشحنات الموجبة والسالبة.
3. **الخطوة 3: شرح طرق الشحن** 1. **الشحن بالدلك**: عند دلك جسمين من مادتين مختلفتين، تنتقل الإلكترونات من الجسم الأقل جذباً للإلكترونات إلى الجسم الأكثر جذباً، فيشحنان بشحنتين متعاكستين. 2. **الشحن باللمس**: عند ملامسة جسم مشحون لجسم آخر متعادل، تنتقل الشحنات بينهما حتى يتساويا في الجهد، فيصبح الجسم المتعادل مشحوناً بنفس نوع شحنة الجسم المشحون. 3. **الشحن بالحث**: عند تقريب جسم مشحون من جسم متعادل دون ملامسة، يحدث فصل للشحنات داخل الجسم المتعادل (حث كهروستاتيكي)، ثم إذا تم توصيل الجسم المتعادل بالأرض، تنتقل الشحنات الزائدة، فيبقى الجسم مشحوناً بشحنة معاكسة للشحنة الأصلية.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** يُكتسب الجسم الشحنة الكهربائية عبر ثلاث آليات رئيسية: **الدلك** الذي ينقل الإلكترونات بالاحتكاك، أو **اللمس** المباشر مع جسم مشحون، أو **الحث** دون تلامس من خلال التأثير على توزيع الشحنات الداخلية.

سؤال 2: توضح كيف تؤثر شحنة كهربائية في شحنة كهربائية أخرى.

الإجابة: تتجاذب الشحنات المختلفة وتتنافر الشحنات المتشابهة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | المطلوب | تأثير الشحنة الكهربائية على شحنة أخرى | | أنواع التفاعل | تجاذب أو تنافر |
2. **الخطوة 2: القانون المستخدم** **قانون كولوم**: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$ حيث: - $F$: القوة بين الشحنتين (تجاذب أو تنافر) - $k$: ثابت كولوم - $q_1$، $q_2$: مقدار الشحنتين - $r$: المسافة بينهما > **المبدأ الأساسي**: الشحنات المتشابهة تتنافر، والمختلفة تتجاذب.
3. **الخطوة 3: شرح التأثير** - **شحنتان من نفس النوع** (موجب/موجب أو سالب/سالب): تنشأ بينهما **قوة تنافر** لأن كل شحنة تدفع الأخرى بعيداً. - **شحنتان من نوعين مختلفين** (موجب/سالب): تنشأ بينهما **قوة تجاذب** لأن كل شحنة تجذب الأخرى. يمكن توضيح ذلك بالجدول التالي: | نوع الشحنة الأولى | نوع الشحنة الثانية | نوع القوة | |-------------------|-------------------|-----------| | موجب (+) | موجب (+) | تنافر | | سالب (-) | سالب (-) | تنافر | | موجب (+) | سالب (-) | تجاذب | | سالب (-) | موجب (+) | تجاذب |
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** تتبادل الشحنات الكهربائية تأثيراً قوياً يتحدد بنوعها؛ فالشحنات **المتماثلة في الإشارة** تدفع بعضها بعيداً (تنافر)، بينما الشحنات **المتعاكسة في الإشارة** تجذب بعضها (تجاذب)، وهذا السلوك هو أساس القوى الكهروستاتيكية.

سؤال 3: تميز بين المواد الموصلة للكهرباء والمواد العازلة لها.

الإجابة: المواد الموصلة تسمح للشحنات بالمرور خلالها، والمواد العازلة لا تسمح بذلك.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | المطلوب | الفرق بين المواد الموصلة والعازلة | | نوعا المواد | موصلة - عازلة |
2. **الخطوة 2: المبدأ المستخدم** **التوصيل الكهربائي**: يعتمد على حرية حركة حاملات الشحنة (الإلكترونات أو الأيونات) داخل المادة. - **المواد الموصلة**: تحتوي على حاملات شحنة حرة الحركة. - **المواد العازلة**: لا تحتوي على حاملات شحنة حرة (أو عددها قليل جداً).
3. **الخطوة 3: المقارنة التفصيلية** | الخاصية | المواد الموصلة | المواد العازلة | |----------|----------------|----------------| | **نقل الشحنة** | تسمح بمرور التيار الكهربائي | تمنع مرور التيار الكهربائي | | **حاملات الشحنة** | إلكترونات حرة (في الفلزات) أو أيونات (في المحاليل) | لا توجد إلكترونات حرة، الإلكترونات مرتبطة بالنواة | | **مستوى الطاقة** | نطاق التوصيل ممتلئ جزئياً أو متداخل مع نطاق التكافؤ | فجوة طاقة كبيرة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل | | **أمثلة** | النحاس، الفضة، الألمنيوم، المحاليل الملحية | المطاط، الخشب، الزجاج، البلاستيك | | **التطبيقات** | الأسلاك الكهربائية، الدوائر الإلكترونية | أغلفة الأسلاك، مقابض الأدوات، عوازل الأبراج |
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** تختلف المواد في قدرتها على نقل الكهرباء؛ فالمواد **الموصلة** تمتلك إلكترونات حرة تتدفق تحت تأثير مجال كهربائي، بينما **العوازل** تربط إلكتروناتها بشدة ولا تسمح بتدفق الشحنات، مما يجعلها مناسبة للحماية والتحكم في مسارات التيار.

سؤال 4: تصف كيف يحدث التفريغ الكهربائي (البرق على سبيل المثال).

الإجابة: يحدث التفريغ الكهربائي عندما تنتقل الشحنات بين جسمين مشحونين، مثل البرق الذي يحدث بين السحب والأرض.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | المطلوب | آلية حدوث التفريغ الكهربائي (البرق) | | الظاهرة | تفريغ شحنات كهربائية بين جسمين |
2. **الخطوة 2: المبدأ المستخدم** **التفريغ الكهربائي**: عملية انتقال سريع للشحنات الكهربائية بين منطقتين مختلفتين في الجهد، بهدف معادلة فرق الجهد بينهما. > **شرط الحدوث**: وجود فرق جهد عالٍ يكفي لتجاوز مقاومة الوسط العازل (مثل الهواء).
3. **الخطوة 3: خطوات حدوث البرق (كمثال)** 1. **نشوء الشحنات**: خلال العواصف الرعدية، تحتك قطرات الماء والثلوج داخل السحابة، مما يؤدي إلى **شحن السحابة** (عادةً الشحنات السالبة في أسفل السحابة والموجبة في أعلاها). 2. **استقطاب الشحنات على الأرض**: تنجذب الشحنات الموجبة على سطح الأرض نحو قاعدة السحابة سالبة الشحنة، فيحدث **حث كهربائي**. 3. **تكون قناة التفريغ**: عندما يصبح فرق الجهد كبيراً بدرجة كافية، يبدأ الهواء بالتأين مُشكِّلاً مساراً موصلاً يُسمى **الخطوة القائد** من السحابة نحو الأرض. 4. **التفريغ الرئيسي**: بمجرد اكتمال المسار، تندفع كمية هائلة من الشحنات (تيار قد يصل إلى 200 كيلو أمبير) من السحابة إلى الأرض في ومضة ضوئية (البرق) مصحوبة بحرارة عالية تسبب تمدداً سريعاً للهواء (الرعد). 5. **معادلة الشحنات**: بعد التفريغ، يقل فرق الجهد بين السحابة والأرض مؤقتاً.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** يحدث **التفريغ الكهربائي** عندما يصل فرق الجهد بين جسمين مشحونين (كالسحابة والأرض) إلى قيمة حرجة تخترق مقاومة الوسط الفاصل، فينتقل تيار عالٍ خلال قناة مؤينة لفترة قصيرة، مما يظهر كشرارة أو برق، ويعيد التوازن الكهروستاتيكي.

سؤال 5: تربط بين الجهد الكهربائي، ومقدار الطاقة التي يفتقرها التيار الكهربائي.

الإجابة: الجهد الكهربائي هو مقدار الطاقة التي يكتسبها كل كولوم من الشحنة عند مروره بنقطة معينة في الدائرة الكهربائية.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | الكمية | الرمز | الوحدة | الوصف | |--------|-------|--------|--------| | الجهد الكهربائي | V | فولت (V) | الطاقة لكل شحنة | | الطاقة | W | جول (J) | الشغل المبذول على الشحنة | | الشحنة الكهربائية | Q | كولوم (C) | كمية الشحنة المنقولة |
2. **الخطوة 2: القانون المستخدم** **تعريف الجهد الكهربائي**: $V = \frac{W}{Q}$ حيث: - $V$: الجهد الكهربائي (فولت) - $W$: الطاقة المُنقولة أو الشغل المبذول (جول) - $Q$: مقدار الشحنة الكهربائية (كولوم) > **تفسير**: الجهد عند نقطة هو الطاقة اللازمة لنقل وحدة الشحنات الموجبة من مرجع معين (مثل الأرض) إلى تلك النقطة.
3. **الخطوة 3: العلاقة بين الجهد والطاقة في التيار الكهربائي** - التيار الكهربائي ($I$) هو تدفق الشحنات ($Q$) خلال موصل. - عندما يمر تيار في دائرة، فإن **مصدر الجهد** (مثل البطارية) يمد كل كولوم من الشحنة بكمية محددة من **الطاقة**. - هذه الطاقة تتحول إلى أشكال أخرى (حرارة، ضوء، حركة) في **الأحمال** (المقاومات، المحركات، المصابيح). - **فرق الجهد** بين نقطتين ($V = V_A - V_B$) يمثل **الطاقة المفقودة** (أو المكتسبة) لكل كولوم عند الانتقال من النقطة A إلى B. - مثال: إذا كان جهد بطارية 12 فولت، فهذا يعني أن كل كولوم من الشحنة يكتسب 12 جول من الطاقة عند مروره عبر البطارية.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** **الجهد الكهربائي** هو مقياس للطاقة المنقولة لكل وحدة شحنة؛ فكلما زاد الجهد بين نقطتين، زادت الطاقة التي تفقدها (أو تكتسبها) كل كولوم من الشحنات المارة في التيار، مما يتحكم في قدرة التيار على إنجاز شغل في الدائرة.

سؤال 6: تصف البطارية، وكيف تولد تيارًا كهربائيًّا.

الإجابة: البطارية هي مصدر للطاقة الكهربائية، وتولد تيارًا كهربائيًّا عن طريق التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | المطلوب | وصف البطارية وآلية توليدها للتيار | | مكونات البطارية | قطبين (أنود وكاثود) وإلكتروليت |
2. **الخطوة 2: المبدأ المستخدم** **تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية**: تحدث تفاعلات كيميائية تلقائية داخل البطارية تُنتج فرق جهد بين قطبيها، وعند توصيل دائرة خارجية، يمر تيار بسبب هذا الجهد. > **القطبان**: > - **الأنود (القطب السالب)**: حيث تحدث عملية الأكسدة (فقدان إلكترونات). > - **الكاثود (القطب الموجب)**: حيث تحدث عملية الاختزال (كسب إلكترونات).
3. **الخطوة 3: آلية عمل البطارية (خلية جلفانية)** 1. **التفاعلات الكيميائية**: - في **الأنود**: مادة تفقد إلكترونات (تتأكسد) → تتحول إلى أيونات تدخل في المحلول الإلكتروليتي. - في **الكاثود**: أيونات من الإلكتروليت تكتسب إلكترونات (تختزل) → تترسب على القطب. 2. **توليد فرق الجهد**: تتراكم الإلكترونات الحرة على الأنود (القطب السالب) وتنقص من الكاثود (القطب الموجب)، مما ينشئ **فرق جهد** بين القطبين. 3. **دور الدائرة الخارجية**: عند توصيل سلك بين القطبين (دائرة كهربائية)، تتدفق الإلكترونات من **الأنود (السالب)** عبر السلك إلى **الكاثود (الموجب)**، وهذا التدفق هو **التيار الكهربائي**. 4. **استمرارية التيار**: تستمر التفاعلات الكيميائية طالما أن الدائرة مغلقة، حتى تنضب المواد المتفاعلة. يمكن تمثيل ذلك بالجدول: | المكون | الدور في توليد التيار | |--------|----------------------| | **الأنود (قطب سالب)** | يُنتج الإلكترونات عبر تفاعل الأكسدة | | **الكاثود (قطب موجب)** | يستقبل الإلكترونات عبر تفاعل الاختزال | | **الإلكتروليت** | وسط ناقل لأيونات بين القطبين لإكمال الدائرة الداخلية | | **الجهد الناتج** | فرق الجهد بين القطبين (يعتمد على مواد القطبين والإلكتروليت) |
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** **البطارية** هي جهاز كهروميكانيكي يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية؛ حيث تُحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال فرق جهد ثابتاً بين قطبيها، وعند توصيل حمل خارجي، تدفع هذا الجهد الإلكترونات لتشكيل تيار مستمر يمكن الاستفادة منه في تشغيل الأجهزة.

سؤال 7: توضح المقاومة الكهربائية.

الإجابة: المقاومة الكهربائية هي ممانعة المادة لتدفق التيار الكهربائي خلالها.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: جدول المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | المطلوب | تعريف المقاومة الكهربائية | | الرمز والوحدة | $R$، أوم ($\Omega$) |
2. **الخطوة 2: القانون المستخدم** **قانون أوم**: $V = I \times R$ → $R = \frac{V}{I}$ حيث: - $R$: المقاومة (أوم) - $V$: فرق الجهد بين طرفي المقاومة (فولت) - $I$: التيار المار (أمبير) > **تعريف المقاومة**: هي النسبة بين فرق الجهد عبر الموصل وشدة التيار المار فيه، وتقاس بالأوم.
3. **الخطوة 3: العوامل المؤثرة في مقاومة موصل** تتوقف مقاومة موصل على: 1. **نوع المادة** (المقاومية النوعية $\rho$): لكل مادة مقاومية محددة (الفضة أقلها، ثم النحاس). 2. **طول الموصل ($L$)**: تزداد المقاومة طردياً مع الطول: $R \propto L$. 3. **مساحة المقطع العرضي ($A$)**: تتناسب المقاومة عكسياً مع المساحة: $R \propto \frac{1}{A}$. 4. **درجة الحرارة**: في المعادن، تزداد المقاومة بزيادة درجة الحرارة. **الصيغة العامة**: $R = \rho \frac{L}{A}$ | العامل | تأثير زيادة العامل على المقاومة | السبب الفيزيائي | |--------|----------------------------------|------------------| | **زيادة الطول** | تزيد | زيادة المسار الذي تصطدم خلاله الإلكترونات بالذرات | | **زيادة المساحة** | تقل | تزداد المساحة المتاحة لمرور الإلكترونات | | **زيادة المقاومية** | تزيد | طبيعة المادة تحدد سهولة حركة الإلكترونات | | **زيادة درجة الحرارة (في المعادن)** | تزيد | تزداد اهتزازات الذرات مما يعيق حركة الإلكترونات |
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** **المقاومة الكهربائية** هي خاصية فيزيائية للمواد تعبر عن مدى إعاقتها لمرور التيار الكهربائي، وتتحدد بطول الموصل ومساحة مقطعه ونوع المادة ودرجة حرارتها، وهي أساس تنظيم التيار والجهد في الدوائر الإلكترونية.

ما الفرق الرئيسي بين الذرة المتعادلة والأيون؟

• أ) الذرة المتعادلة هي ذرة فقدت بروتونات، والأيون ذرة اكتسبت نيوترونات.
• ب) الذرة المتعادلة هي ذرة تحمل شحنة كهربائية موجبة، والأيون هو ذرة متعادلة كهربائياً.
• ج) الذرة المتعادلة يكون فيها عدد الشحنات الموجبة مساوياً لعدد الشحنات السالبة، بينما الأيون هو ذرة فقدت أو اكتسبت إلكترونات فأصبحت مشحونة (موجباً أو سالباً).
• د) الذرة المتعادلة تحتوي على بروتونات أكثر من الإلكترونات، والأيون يحتوي على إلكترونات وبروتونات متساوية.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: الذرة المتعادلة يكون فيها عدد الشحنات الموجبة مساوياً لعدد الشحنات السالبة، بينما الأيون هو ذرة فقدت أو اكتسبت إلكترونات فأصبحت مشحونة (موجباً أو سالباً).

الشرح: 1. الذرة المتعادلة تكون مستقرة كهربائياً لأن عدد البروتونات (شحنات موجبة) يساوي عدد الإلكترونات (شحنات سالبة). 2. الأيون يتكون عندما يختل هذا التوازن، إما بفقدان إلكترونات لتصبح أيوناً موجباً، أو باكتساب إلكترونات لتصبح أيوناً سالباً.

تلميح: تذكر مكونات الذرة الأساسية وكيف تتغير عند فقدان أو اكتساب الإلكترونات.

التصنيف: فرق بين مفهومين | المستوى: سهل

ما هي إحدى طرق شحن الجسم كهربائياً، وماذا تسمى الشحنة الكهربائية غير المتوازنة على الجسم؟

• أ) المغنطة، وتسمى الشحنة الكهروستاتيكية المتحركة.
• ب) التوصيل، وتسمى الشحنة الكهربائية الديناميكية.
• ج) الدلك، وتسمى الشحنة الكهربائية الساكنة.
• د) الاحتكاك، وتسمى الطاقة الكهربائية الحركية.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: الدلك، وتسمى الشحنة الكهربائية الساكنة.

الشرح: 1. عند دلك جسمين مختلفين، تنتقل الإلكترونات من أحدهما إلى الآخر، مما يجعل الجسمين مشحونين بشحنات متعاكسة. 2. عدم التوازن هذا بين الشحنات الموجبة والسالبة على الجسم يسمى الشحنة الكهربائية الساكنة.

تلميح: فكر في مثال البالون والشعر وكيفية انتقال الشحنات.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

كيف تتفاعل الشحنات الكهربائية مع بعضها البعض، وما هو مثال على ذلك؟

• أ) تتنافر الشحنات المختلفة وتتجاذب المتشابهة، مثل تنافر البالون والشعر.
• ب) دائماً تتجاذب الشحنات بغض النظر عن نوعها.
• ج) دائماً تتنافر الشحنات بغض النظر عن نوعها.
• د) تتجاذب الشحنات المختلفة وتتنافر الشحنات المتشابهة، فمثلاً يتجاذب البالون المشحون سالباً مع الشعر المشحون موجباً.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: تتجاذب الشحنات المختلفة وتتنافر الشحنات المتشابهة، فمثلاً يتجاذب البالون المشحون سالباً مع الشعر المشحون موجباً.

الشرح: 1. الشحنات ذات الأنواع المتشابهة (موجب مع موجب أو سالب مع سالب) تتنافر. 2. الشحنات ذات الأنواع المختلفة (موجب مع سالب) تتجاذب. 3. في مثال البالون المشحون سالباً والشعر المشحون موجباً، يحدث تجاذب بينهما.

تلميح: تذكر القاعدة الأساسية لتفاعل الشحنات وتطبيقها على مثال البالون والشعر.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل

ما الفرق الأساسي بين المواد الموصلة والمواد العازلة للكهرباء؟

• أ) المواد الموصلة لا تحتوي على إلكترونات حرة، والعوازل تحتوي عليها بكثرة.
• ب) المواد الموصلة تسمح للشحنات الكهربائية بالمرور خلالها بسهولة لوجود إلكترونات حرة، بينما المواد العازلة تمنع مرور الشحنات لعدم وجود إلكترونات حرة أو قلة عددها.
• ج) المواد الموصلة لديها مقاومة كهربائية عالية جداً، والعوازل لديها مقاومة منخفضة.
• د) المواد الموصلة تستخدم للعزل، والمواد العازلة تستخدم في الأسلاك الكهربائية.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: المواد الموصلة تسمح للشحنات الكهربائية بالمرور خلالها بسهولة لوجود إلكترونات حرة، بينما المواد العازلة تمنع مرور الشحنات لعدم وجود إلكترونات حرة أو قلة عددها.

الشرح: 1. المواد الموصلة، مثل المعادن، تحتوي على إلكترونات تكافؤ ضعيفة الارتباط بذراتها، مما يتيح لها الحركة بحرية وتكوين تيار كهربائي. 2. المواد العازلة، مثل المطاط والخشب، ترتبط إلكتروناتها بشدة بنواتها، مما يمنع حركتها وبالتالي مرور التيار الكهربائي.

تلميح: فكر في سبب قدرة بعض المواد على نقل الكهرباء وعدم قدرة مواد أخرى.

التصنيف: فرق بين مفهومين | المستوى: متوسط

ما هو التفريغ الكهربائي، وما الذي يسببه؟

• أ) هو تراكم بطيء للشحنات الكهربائية يؤدي إلى اتزانها دون حركة.
• ب) هو عملية شحن الجسم بالدلك أو اللمس.
• ج) هو ظاهرة تحدث فقط في الفراغ ولا تتطلب فرق جهد.
• د) التفريغ الكهربائي هو انتقال سريع للشحنات الكهربائية بين جسمين مشحونين يمتلكان فرق جهد عالٍ، ويحدث لمعادلة فرق الجهد بينهما.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: التفريغ الكهربائي هو انتقال سريع للشحنات الكهربائية بين جسمين مشحونين يمتلكان فرق جهد عالٍ، ويحدث لمعادلة فرق الجهد بينهما.

الشرح: 1. يتطلب التفريغ الكهربائي وجود جسمين يمتلكان فرقاً كبيراً في الجهد الكهربائي. 2. عندما يصبح هذا الفرق كبيراً بما يكفي لتجاوز مقاومة الوسط الفاصل (مثل الهواء)، تنتقل الشحنات بسرعة لمعادلة هذا الفرق، مسببة شرارة أو برق.

تلميح: فكر في ظاهرة طبيعية مثل البرق وكيف تحدث.

التصنيف: تعريف | المستوى: متوسط