القدرة الكهربائية وفرق الجهد والتيار
يحسب الطالب القدرة الكهربائية لمصباحين من قياس فرق الجهد وشدة التيار (ق = جـ × ت)، ويربط القدرة بشدة الإضاءة.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: أدوات بناء الدارة الكهربائية: التيار المستمر — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٢): القدرة الكهربائية وعلاقتها بفرق الجهد والتيار — الجزء الأول، ص ٨٥
خطوات التجربة
افتح شاشة «مختبر»، وفعّل «القيم» لتظهر قيم العناصر. ابنِ دارة فيها «بطارية» ومصباحان («مصباح كهربائي») كل منهما في فرع خاص موصول بين قطبي البطارية.
اضغط على المصباح الأول (أ) واضبط مقاومته على ٦٠ Ω، ثم اضغط على المصباح الثاني (ب) واضبط مقاومته على ٣٠ Ω.
انقل جدول الكتاب إلى دفترك بأعمدة: فرق الجهد، شدة الإضاءة، شدة التيار، جـ × ت. ثم اضغط على البطارية واضبط جهدها على ٣ V.
ضع طرفي «فولتميتر» على طرفي كل مصباح وتأكد أن على كل منهما ٣ V، ثم ضع «أميتر» على سلك كل فرع وسجّل تيار كل مصباح.
قارن إضاءة المصباحين وسجّلها (عالية أو منخفضة)، واحسب جـ × ت لكل مصباح.
اضبط جهد البطارية على ٦ V، وكرّر القياسات والحساب، وقارن الإضاءة بما كانت عليه عند ٣ V.
الفكرة العلمية
القدرة الكهربائية هي مقدار الطاقة الكهربائية المتحولة في وحدة الزمن، وتُحسب من فرق الجهد وشدة التيار: ق = جـ × ت، وتُقاس بالواط (W)، والواط جول في الثانية. والطاقة المتحولة خلال زمن ز هي ط = جـ × ت × ز. وعندما يكون للمصباحين فرق الجهد نفسه، يمر تيار أكبر في المصباح الأقل مقاومة، فتكون قدرته أكبر ويضيء أكثر. فالمصباح المكتوب عليه 4W يضيء أكثر من مصباح 2W يعمل على الجهد نفسه. وإذا رُفع فرق الجهد على المصباح نفسه زاد تياره، فتزيد قدرته وإضاءته. والمحاكاة لا تعرض القدرة، فتحسبها أنت من قراءتي الأميتر والفولتميتر كما في الكتاب. ومصابيحها مثالية تبقى مقاومتها ثابتة، أما المصباح الحقيقي فتزيد مقاومة فتيله كلما سخن.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
عند ٦ V، قرأ الأميتر ٠٫١ A في المصباح (أ) و٠٫٢ A في المصباح (ب). كم قدرة المصباح (ب)؟
- ٣٠ W
- ٠٫٦ W
- ١٫٢ W
- ٠٫٠٣ W
اعرض الإجابة
ج) ١٫٢ W
ق = جـ × ت = ٦ × ٠٫٢ = ١٫٢ W. ومن أجاب ٣٠ قسم الجهد على التيار فحسب المقاومة لا القدرة، ومن أجاب ٠٫٦ استعمل تيار المصباح (أ).
على الجهد نفسه، أي المصباحين أضاء أكثر؟
- المصباح (أ) ذو المقاومة ٦٠ Ω، لأن مقاومته أكبر
- المصباح (ب) ذو المقاومة ٣٠ Ω، لأن تياره وقدرته أكبر
- يضيئان بالقدر نفسه لأن الجهد عليهما واحد
- لا يضيء أي منهما عند ٣ V
اعرض الإجابة
ب) المصباح (ب) ذو المقاومة ٣٠ Ω، لأن تياره وقدرته أكبر
الجهد على المصباحين واحد، فيمر في الأقل مقاومة تيار أكبر، وقدرته جـ × ت أكبر، فيضيء أكثر. ويظن طلبة كثيرون أن المقاومة الأكبر تعني إضاءة أكبر، وهذا لا يصح عند تساوي الجهد. وتساوي الجهد لا يعني تساوي الإضاءة لأن التيارين مختلفان.
ضاعفت جهد البطارية من ٣ V إلى ٦ V. ماذا حدث لقدرة المصباح (أ)؟
- تضاعفت مرتين فقط
- بقيت كما هي لأن المصباح نفسه
- نقصت إلى النصف
- صارت أربعة أمثالها
اعرض الإجابة
د) صارت أربعة أمثالها
عند ٣ V: ت = ٠٫٠٥ A وق = ٠٫١٥ W. وعند ٦ V: ت = ٠٫١ A وق = ٠٫٦ W، أي أربعة أمثالها، لأن الجهد تضاعف والتيار تضاعف معه. ومن قال إنها تضاعفت فقط نسي أن التيار يتغير مع الجهد.
مدفأة كهربائية مكتوب عليها 2000 W. ماذا يعني ذلك؟ وكم جولًا تحوّل في دقيقة واحدة؟
اعرض الإجابة
يعني أنها تحوّل ٢٠٠٠ جول من الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في كل ثانية. وفي دقيقة: الطاقة = القدرة × الزمن = ٢٠٠٠ × ٦٠ = ١٢٠٠٠٠ جول، أي ١٢٠ كيلو جول.
اشترى أبوك مصباحين لغرفة واحدة، الأول 2W والثاني 4W، وكلاهما يعمل على جهد البيت. أيهما يضيء أكثر؟ وأيهما يرفع فاتورة الكهرباء أكثر إذا شُغّلا المدة نفسها؟ فسّر.
اعرض الإجابة
مصباح 4W يضيء أكثر، لأنه يحوّل طاقة كهربائية أكثر في كل ثانية على الجهد نفسه. وهو أيضًا يرفع الفاتورة أكثر، لأن الطاقة المستهلكة = القدرة × الزمن، فهو يستهلك ضعف طاقة الآخر في المدة نفسها.