الخليه الكهربائيه البسيطه

نحصل على التيار الكهربائي في الوقت الحاضر من تحويل أشكال مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية ، والطاقة المغناطيسية ، والطاقة الكيميائية وغيرها .

سؤال : اذكر ثلاثة أشكال أخرى للطاقة يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية .

تاريخياً ، كان أول تيار كهربائي حصل عليه الإنسان من تفاعل كيميائي ، وقد قام بذلك العالم الإيطالي فولتا عند نهاية القرن الثامن عشر . حضر فولتا خلايا كهربائية بسيطة Simple Cells مستخدماً فلزات متنوعة وغمسها في محاليل حموض وأملاح مختلفة .

سندرس فيما يلي تركيب وعمل خلية بسيطة مشهورة هي خلية حمض الكبريتيك ، والمواد التي تتكون منها واضحة في الشكل .

كيف تعمل الخلية الكهربائية البسيطة ؟

نعرف أن صيغة حمض الكبريتيك النقي هي H2SO4 ، وعند إضافته إلى الماء تنفصل مجموعة الكبريتات متحولة إلى أيون SO4-2 آخذه معها الكتروني ذرتي الهيدروجين .

لذلك تكتسب ذرة الهيدروجين شحنة موجبة متحولة إلى أيون هيدروجين (+H) . ويمكن تمثيل تأين حمض الكبريتيك في الماء بالمعادلة :

الخليه الكهربائيه البسيطه 6

عندما تذوب ذرات الخارصين من صفيحة الخارصين تتحول إلى أيونات خارصين (Zn2+) تاركة الكترونين على صفيحة الخارصين ، ويمكن تمثيل ذلك كما يلي :

نفرض الآن أننا وصلنا الصفيحتين من الخارج بسلك توصيل ، الالكترونات التي تتخلى عنها ذرة الخارصين هي التيار الكهربائي الذي يتحرك في السلك متجهاً من الخارصين إلى النحاس . أما في المحلول فتنجذب أيونات الخارصين الموجبة نحو أيونات الكبريتات السالبة . وكيميائياً يمكن أن نقول أن الخارصين يذوب في حمض الكبريتيك منتجاً كبريتات الخارصين .

عندما تدخل أيونات الخارصين إلى المحلول تغادره مجموعة مكافئة لها تماماً من أيونات الهيدروجين متجهة نحو صفيحة النحاس ، حيث يأخذ كل أيون منها الكتروناً من الالكترونات الموجودة على صفيحة النحاس متحولاً إلى ذرة هيدروجين تظهر على شكل فقاقيع على صفيحة النحاس .

عندما تفقد صفيحة النحاس الالكترونات تصبح موجبة وهذا يجعلها تجذب الالكترونات من صفيحة الخارصين عبر السلك المعدني . وحركة الإلكترونات عبر السلك المعدني هي التيار الكهربائي .

من الطبيعي أن تتطور الخلايا البسيطة منذ اختراع فولتا لها سنة 1800 م ، وأن يستمر هذا التطور عبر السنين والقرون ونحن نستعمل اليوم عموداً بسيطاً يتميز بسهولة تناوله واستخدامه وهو ما نسميه البطارية الجافة .
استخدم البطاريات الجافة في التجارب التالية التي تهدف إلى إجراء بعض القياسات الكهربائية الأساسية .
أ. قياس القوة الدافعة الكهربائية لبطارية جافة :
يوجد على كل بطارية رقم يدل على القوة الدافعة الكهربائية بين قطبيها . اقرأ على البطارية الجافة الصغيرة التي نستخدمها في المذياع أو مصباح الجيب قوتها الدافعة الكهربائية تجد أنها 1.5 فولت .

خذ بطارية جافة وصل قطبها الموجب بالطرف الموجب لجهاز فولتميتر ، وقطبها السالب بالطرف السالب للجهاز. اقرأ فرق الجهد على لوحة الجهاز .
ـ كم قراءة جهاز الفولتميتر إذا كان البطارية جديدة وصالحة ؟
ـ كم قراءة الجهاز إذا كانت البطارية مستهلكة ؟
ـ ولكن ما هي القوة الدافعة الكهربائية ؟
سنتطرق تالياً إلى الإجابة عن هذا السؤال بشيء من التفصيل .

القوة الدافعة الكهربائية Electromotive Force
تمهيد : عرفنا من الدرس الأول أن علماء القرن الثامن عشر اخترعوا أجهزة لتوليد الكهرباء ثم نقلها فيما بعد عبر أسلاك من مكان إلى آخر ، أي أنهم خطوا بالكهرباء من حالة " سكنها واستقرارها على الجسم " إلى حالة متحركة أو تيارية ضعيفة ولكنها خلال فترة قصيرة أصبحت قوية ومسيطرة . هي اليوم تتحكم في معظم مجالات حياتنا الصناعية والتجارية والمنزلية .

ما الجديد الذي قدمته لنا الكهرباء المتحركة أو التيارية ؟
لقد قدمت حلاً لنقل الشحنا الكهربائية من أماكن تواجدها إلى أماكن بعيدة . فحتى تنتقل الشحنات اخترع العلماء أجهزة لنقلها ودفعها مثل البطارية ومثل المولد الكهربائي ( الدينامو ) وغيرها .

ـ مفهوم القوة الدافعة الكهربائية : ماذا يلزم لنقل الشحنات الكهربائية عبر دارة مغلقة ؟
لا شك أن الجواب البسيط هو أنه لتحقيق مثل هذا الأمر يلزم طاقة ( أو شغل ) . ومن المؤكد أن هذا الشغل يربتط ويعتمد على كمية الشحنات التي ننقلها وعلى مقدار الطاقة التي نريد إعطاءها لها حتى تستطيع القيام بالمهام المطلوبة منها ، ولأجل توضيح العلاقة بين الشغل ( أو الطاقة ) اللازمة والشحنة أدخل العلماء مفهوماً جديداً هو

=القوه الدافعه الكهربائيه

قبل أن نضرب مثالاً لتوضيح المفهوم أكثر ، علينا أن نجيب على السؤالين التاليين :
1. ما وحدة قياس الشغل أو الطاقة ؟
تعلم من دراستنا لموضوع القوة والطاقة في الميكانيكا أن وحدة الطاقة هي الجول وهذه الوحدة عينها تستخدم في قياس الطاقة الكهربائية .

2. ما وحدة قياس الشحنة الكهربائية ؟
اتخد العلماء وحدة لقياس الشحنة أسموها الكولوم تكريماً وحفظاً لذكرى العالم الفيزيائي الفرنسي الشهير شارل كولوم .

مثال (1) :

إذا استخدم 20 جولاً من الطاقة في نقل 2 كولوم من الشحنة ، فما مقدار القوة الدافعة الكهربائية ؟
الحل : القوة الدافعة الكهربائية ( سنرمز لها بالعربية قد. ك وقد تجد الرمز ق . د وبالانجليزية e.m.f.)

وقد استعاض العلماء عن الوحدة جول / كولوم بوحدة جديدة اشتقوها من اسم العالم الإيطالي الشهير أليساندرو فولتا وهي الفولت.

إذن....

مثال (2) :

متى تكون القوة الدافعة الكهربائية 1 فولت ؟
الجواب : تكون قد . ك = 1 فولت إذا كان الطاقة الكهربائية ( أو الشغل ) = عددياً الشحنة المنقولة ، مثلاً :

قد.ك= 1 جول/ كولوم = 1 فولت.

الخليه الكهربائيه البسيطه 13

وإذا كانت الطاقة 1 جول والشحنة 1 كولوم فإن قد.ك =

مثال (3) :

إذا كانت الطاقة الكهربائية المستخدمة في نقل شحنة كهربائية مقدارها 50 كولوم عبر دارة مغلقة = 5000 جول ، فما مقدار القوة الدافعة الكهربائية ؟
الحل :

الخلاصة :

القوة الدافعة الكهربائية : هي القيمة العددية للشغل الذي يبذله المصدر الكهربائي ( مقاساً بالجول ) في نقل 1 كولوم من الشحنة عبر دارة مغلقة تحوي المصدر .

وقد اختصرت إلى فولت تخليداً لذكرى

[center]

وحدة قياس القوة الدافعة الكهربائية هي

العالم الإيطالي ( الفيزيائي أليساندرو فولتا ( 1745 ـ 1827 )) .

الفولت : هو وحدة قياس القوة الدافعة الكهربائية . ويساوي 1 جول / 1 كولوم .
الجول = كولوم × فولت .

الفولتميتر Voltmeter : هو جهاز عالي المقاومة يستخدم في قياس القوة الدافعة الكهربائية ( بالفولت ).

الكولوم : هو وحدة قياس الشحنة الكهربائية ويساوي جول / فولت .
تعريف الكولوم : هو مقدار الشحنة الكهربائية التي إذا وضعت على بعد 1 م من شحنة مماثلة لها كانت قوة التنافر الكهروستاتيكية بينهما 9 × 910نيوتن .

[/center]

ب. فرق الجهد الكهربائي Electric Potential Difference :
من النادر أن يكون الشغل الناتج الذي نرغب به والذي يفيدنا في أية عملية مساوياً للشغل المبذول ، بل يكون الشغل الناتج دوماً أقل من الشغل المبذول . يحدث مثل هذا الأمر مع الطاقة الكهربائية فقسم منها يضيع أثناء النقل في الأسلاك وقسم يضيع في الأجهزة ذاتها .... الخ .

تجربة :

تهدف هذه التجربة إلى الإجابة عن السؤال التالي :

ما الفرق بين القوة الدافعة الكهربائية وفرق الجهد الكهربائي ؟

سؤال :

2
1

ـ خذ بطارية صالحة وصل بين قطبيها والفولتميتر بأسلاك ( كما في الشكل 1) كم قراءة الفولتميتر ؟ سجلها على دفترك ؟
ـ أدخل مصباحاً في الدائرة ( كما في الشكل 2) كم قراءة الفولتميتر ؟
ـ انزع المصباح وضع عوضاً عنه مقاومة مقدارها ( 10 أوم مثلاً ) . كم قراءة الفولتميتر بوجود المقاومة ؟
ـ لماذا تختلف قراءة الفولتميتر بوجود المصباح عنها عند عدم وجوده ؟
ـ لماذا تختلف قراءة الفولتميتر بوجود المقاومة عنها عند عدم وجودها ؟
ـ نسمي مقدار الفولتية بين طرفي المصباح ( أو بين طرفي المقاومة ) بفرق الجهد وذلك تمييزاً لها عن القوة الدافعة الكهربائية التي هي فولتية مصدر الطاقة الكهربائية .
ـ كان فرق الجهد بين طرفي المصباح أقل من القوة الدافعة الكهربائية، فأين استهلك هذا الفرق في الطاقة الكهربائية ؟ حاول أن تجيب على السؤال بنفسك قبل أن تنظر الاجابة .

الاجابه

تتكون البطارية من مواد كيماوية تحدث بينها تفاعلات منتجة للطاقة وهذه الطاقة تتحول إلى طاقة كهربائية لكن هذه المواد رغم أنها بتفاعلها تعطينا طاقة كهربائية ـ كغيرها تقاوم مرور التيار الكهربائي ، ولذلك فإن قسماً من القوة الدافعة الكهربائية يستنفد في التغلب على مقاومتها ، تعرف مقاومة مواد البطارية للتيار باسم المقاومة الداخلية ، تمييزاً لها عن المقاومة الخارجية ( مقاومة المصباح أو أي جهاز آخر ) .
إذن النقص في القوة الدافعة الكهربائية للبطارية سببه مقاومتها الداخلية .نرمز للمقاومة الداخلية عادة بالرمز مد وللمقاومة الخارجية بالرمز مخ .

أكمل الفراغ في العبارة التالية :
أ. فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين : هو فرق الفولتية الذي يجعل ------- الكهربائي يسري من إحدى النقطتين إلى الأخرى .

ب. في الشكل (1)

فرق الجهد بين النقطتين ك ، ل = ---- فولت.

ج. في الشكل السابق (1) ينتقل التيار الكهربائي من --- إلى --- لأن فرق الجهد عند ك أعلى منه عند ل .

د. في الشكل (2)

ينتقل التيار الكهربائي من ---- إلى ---- .

هـ. في الشكل (3)

إذا كان التيار الكهربائي يسري في الاتجاه الموضح بالأسهم فإن فرق الجهد عند --- أعلى منه عند --- .

و. في الشكل (4)

إذا كان التيار يسري في الاتجاه الموضح بالأسهم بفرق جهد مقداره 90 فولتاً فإن فرق الجهد عند النقطة ي = --- فولتاً .

ز. في الشكل (5)

فرق الجهد = ---- فولت .

ح. في الشكل (5) اتجاه التيار الكهربائي من ---- إلى ---- .

الاجابه

أ. فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين : هو فرق الفولتية الذي يجعل التيار الكهربائي يسري من إحدى النقطتين إلى الأخرى .

ب. في الشكل (1)

فرق الجهد بين النقطتين ك ، ل = 100 فولت.

ج. في الشكل السابق (1) ينتقل التيار الكهربائي من ك إلى ل لأن فرق الجهد عند ك أعلى منه عند ل .

د. في الشكل (2)

ينتقل التيار الكهربائي من ع إلى م .

هـ. في الشكل (3)

إذا كان التيار الكهربائي يسري في الاتجاه الموضح بالأسهم فإن فرق الجهد عند ط أعلى منه عند ن .

و. في الشكل (4)

إذا كان التيار يسري في الاتجاه الموضح بالأسهم بفرق جهد مقداره 90 فولتاً فإن فرق الجهد عند النقطة ي =30 فولتاً .

ز. في الشكل (5)

فرق الجهد = 34780 فولت .

ح. في الشكل (5) اتجاه التيار الكهربائي من ص إلى س .

ج. كوِّن دارة كهربائية من بطارية ومصباح وفولتميتر وأميتر (كما في الشكل) .

ـ كم قراءة الأميتر ؟ سجلها .
ـ كم قراءة الفولتميتر ؟ سجلها .
ـ غيّر موقع الأميتر وضعه عند س أو ص أو ع ، كم قراءة الأميتر في كل حالة ؟
ـ هل اختلفت عن القراءة في المواقع الأخرى ، لماذا ؟

إن فرق الجهد بين قطبي البطارية بوجود المصباح أقل من القوة الدافعة الكهربائية للبطارية قبل توصيل المصباح ، هل تعرف لماذا ؟

التيار الكهربائي : هو كمية الشحنات ( مقاسة بالكولوم ) المارة في دارة كهربائية في 1 ثانية .

تقاس شدة التيار بوحدة الأمبير ، وتقاس الشحنة بالكولوم والزمن بالثواني .

الأمبير : هو وحدة قياس شدة التيار .
الأميتر : هو جهاز مقاومته قليلة جداً يقيس شدة التيار المار في الدارة .

د. قياس المقاومة :

الخليه الكهربائيه البسيطه Sh_6

يستخدم لهذا الغرض جهاز يُسمى مقياس المقاومة Ohmmeter . ويتم ذلك بوصل طرفي الجهاز بطرفي المقاومة .

الخليه الكهربائيه البسيطه Sh_17

أما إذا كانت المقاومة المراد قياس قيمتها ضمن دارة كهربائية فيمكن أن يتم ذلك باستخدام قانون أوم أي بقياس فرق الجهد (بواسطة فولتميتر) ، وقياس شدة التيار (بواسطة أميتر) . سندرس قانون أوم تالياً ونتعرف على كيفية حساب المقاومة .
يمكن قياس المقاومة في الدائرة مباشرة بواسطة أوم ميتر ، وذلك بتحرير أحد طرفيها ووصلها بالأوم ميتر كما هو واضح في الشكل .

الخليه الكهربائيه البسيطه Sh_8

ـ قس مقاومة كل من التالية بوصل طرفيها بالأوم ميتر(مقياس المقاومة):
أ. مقاومة تالفة .
ب. سلك كهرباء نحاسي رفيع طوله حوالي 50 سم .
ج. مسطرة من البلاستيك طولها 30 سم .
د. مسمار حديد طوله 10 سم .

ولكن الطريقة المتبعة في قياس المقاومة هي طريقة الأميتر – فولتميتر وهي تعتمد على قانون أوم

التقويم :

الخليه الكهربائيه البسيطه Sh_2

1. حينما تذوب صفيحة خارصين في حمض الكبريتيك المخفف (كما في الشكل) ينتج حرارة ولا ينتج كهرباء . اكتب المعادلة وفسر ما يحدث .

2. لو استخدم في الخلية الكهربائية البسيطة قطبان من الخارصين فهل ينتج تيار كهربائي ، فسر جوابك ؟

3. في أي الخليتين يحدث تفاعل كيميائي ويؤدي إلى إعطاء تيار كهربائي . فسر إجابتك .
تحتاج إلى مراجعة معلوماتك حول نشاط الفلزات وأيها أقدر على أن يحل مكان الآخر في مركباته ، كما تحتاج إلى مراجعة قدرة الماء والحموض على التأين.

خلية (2)

خلية (1)

أ

خلية (2)

خلية (1)

الخليه الكهربائيه البسيطه Sh_12

ب

خلية (2)

خلية (1)

الخليه الكهربائيه البسيطه Sh_14

ج

4. اكتب أسماء الأجهزة المشار إليها بحروف في كل من دائرة من الدائرتين الكهربائيتين التاليتين .

(2)

(1)

إجابات التقويم :

1. يتفاعل الخارصن مع الحمض ويتخلى عن الكتروناته ولكنه لا يجد قطباً معدنياً آخر يأخدها، فتأخذها أيونات الهيدروجين مباشرة وتتحول إلى غاز . ينتج عن التفاعل طاقة تظهر على شكل حرارة .

2. يجب أن يكون القطبان في الخلية الكهربائية من نوعين مختلفين حتى يعطي أحدهما الإلكترونات والثاني يأخذها فيسري التيار ، وكما تعلمون فإنه لأي مصدر كهربائي قطبان أحدهما موجب والآخر سالب ولا يستطيع الخارصين أو أي معدن آخر لوحده أن يعمل كمنتج للإلكترونات على أحد القطبين ومستقبل لها في القطب الآخر.
إذن لا ينتج تيار كهربائي في خلية بسيطة إذا كان قطباها من الخارصين .

3. أ. لا ينتج تيار كهربائي في الخلية (1) لأن الخارصين لا يتفاعل مع محلول ملحه والنحاس لا يمكنه التفاعل لأنه أضعف من الخارصين . ينتج التيار الكهربائي في خلية (2) لأن الخارصين يذوب في محلول كبريتات النحاس لأنه أنشط من النحاس وبذلك تنتقل الإلكترونات عبر السلك من الخارصين إلى النحاس ، وتنتقل الشحنات عبر المحلول مكملة الدائرة وينتج تيار كهربائي .

ب. خلية (1) تنتج التيار لوجود الإلكترولايت وهو حمض الكبريتيك ، أما خلية (2) فلا تنتج تياراً لأن الماء ضعيف التأين والألومنيوم لا يذوب في الماء البارد .

ج. خلية (1) تنتج تياراً لأن التوصيل بين النحاس والخارصين يتم فيها والإلكترولايت ( المادة المتأينة ) وهو HCl موجود ، أما خلية (2) فلا يوجد فيها اتصال بين النحاس والخارصين ، فصفيحة النحاس في إحدى الخليتين متصلة مع صفيحة النحاس في الخلية الأخرى ، وكذلك الحال مع الخارصين ، والتيار الناتج من أحد الجزئين يساوي ويعاكس التيار الناتج من الجزء الآخر إذن المجموع صفر ولا يسري تيار .

4. 1.
أ. بطارية .
ب. مصباح كهربائي .
ج. أميتر ( جهاز قياس شدة التيار ) .
د. فولتميتر ( جهاز قياس فرق الجهد ) .

2. هـ . أميتر .
و. مقاومة .

مع تحيات
الاستاذ : مصطفى دعمس