فيديو: تحديد مخطط الدائرة الذي يمثل الأميتر

نسخة الفيديو النصية

أي دائرة من الدوائر الكهربية الآتية تمثل بصورة صحيحة جلفانومترًا موصلًا بمقاومة مجزئة للتيار، يستخدم أميترًا لقياس شدة التيار المار عبر دائرة موصلة بمصدر تيار مستمر؟

حسنًا، نرى هنا أن لدينا ثلاثة مخططات لدوائر مختلفة يمكننا الاختيار من بينها. وتحتوي كل منها على جلفانومتر ممثل بالرمز ‪G‬‏ داخل دائرة. تحتوي كل دائرة أيضًا على بطارية، وهي أحد أنواع مصادر التيار المستمر. وتحتوي كل دائرة أيضًا على مقاومة واحدة أو مقاومتين موصلتين بالدائرة بطرق مختلفة. يطلب منا السؤال تحديد دائرة من هذه الدوائر تمثل جلفانومترًا موصلًا بمقاومة مجزئة للتيار، ويستخدم أميترًا. الأميتر بطبيعة الحال جهاز يقيس شدة التيار.

يشير مصطلح المقاومة المجزئة للتيار إلى مقاومة لها وظيفتها الخاصة داخل الأميتر. لكن من المهم ملاحظة أن المقاومة المجزئة للتيار هي في الحقيقة مجرد مقاومة عادية. فلنبدأ بالتذكير بأن الجلفانومتر عبارة عن جهاز يحدد شدة واتجاه التيار المار به. عادة ما تحتوي الجلفانومترات على تدريج مزود بصفر في المنتصف. ويؤدي مرور تيار عبر الجلفانومتر إلى انحراف المؤشر. أما ما يتعلق بالوصول إلى أقصى تيار، يتناسب انحراف مؤشر الجلفانومتر مع شدة التيار الذي يمر به. ومن ثم، فإن تقليل شدة التيار سيقلل من انحراف المؤشر. وعكس اتجاه التيار سيؤدي إلى انحراف المؤشر في الاتجاه الآخر.

وبما أن الجلفانومتر يستجيب للتيار بطريقة متوقعة، فمن المنطقي أن نقترح إمكانية استخدام الجلفانومتر أميترًا. لكن هذا يتضمن مشكلتين أساسيتين. المشكلة الأولى هي أن الجلفانومترات بالغة الحساسية، ما يعني أن أقصى شدة تيار يمكنها قياسها في أي من الاتجاهين يقع في نطاق الميكروأمبير أو المللي أمبير. أما المشكلة الثانية في محاولة استخدام الجلفانومتر كأميتر هي أن الجلفانومترات لها مقاومتها الداخلية الخاصة بها، وهذا هو السبب في أننا عادة ما نلاحظ أن الجلفانومترات في مخططات الدائرة الكهربية تكون ممثلة ليس فقط بالرمز ‪G‬‏ في دائرة، بل أيضًا بمقاومة إضافية قيمتها ‪𝑅 G‬‏.

ويعني وجود هذه المقاومة الإضافية أنه عندما نوصل جلفانومترًا بدائرة كهربية، فإن تلك المقاومة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على المقاومة الكلية للدائرة، وهو ما يعني أنها تحدث تغييرًا في شدة التيار الذي نحاول قياسه. يمكننا ملاحظة هذا التأثير عمليًّا إذا نظرنا إلى مخطط الدائرة (أ). في مخطط الدائرة هذا، لدينا بطارية وجلفانومتر ومقاومة موصلة على التوالي.

وبما أن أي دائرة نحاول القياس فيها باستخدام جلفانومتر يجب أن يكون لها في البداية مقاومة معينة خاصة بها قبل إضافة الجلفانومتر، فيمكننا افتراض أن الدائرة كانت بهذا الشكل قبل إدخال الجلفانومتر. توجد بطارية تؤثر بفرق جهد ما، يمكن أن نسميه ‪𝑉‬‏، على مقاومة قيمتها ‪𝑅‬‏ واحد. ونعرف أن هذا لا بد أن ينتج تيارًا شدته ‪𝐼‬‏ وفقًا لقانون أوم، الذي ينص على أن التيار ‪𝐼‬‏ عبر مقاومة يساوي فرق الجهد ‪𝑉‬‏ عبر هذه المقاومة مقسومًا على قيمة هذه المقاومة ‪𝑅‬‏.

لكن إذا أردنا قياس شدة هذا التيار، فإن توصيل الجلفانومتر بهذه الطريقة يعد طريقة سيئة لإجراء ذلك. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الجلفانومتر له مقاومته الخاصة به ‪𝑅 G‬‏. وعندما نوصله بمقاومة على التوالي، فإن المقاومة الكلية لهذه المقاومات تساوي مجموع تلك المقاومات الفردية. وهذا يعني أنه قبل توصيل الجلفانومتر بالدائرة، كانت المقاومة الكلية للدائرة تساوي ‪𝑅‬‏ واحد. لكن بعد توصيل الجلفانومتر، تصبح المقاومة الكلية ‪𝑅‬‏ واحد زائد ‪𝑅 G‬‏. وهذا يعني أن التيار يتغير أيضًا وفقًا لقانون أوم. ومن ثم فإن توصيل الجلفانومتر على التوالي بالمكونات الأخرى سيغير التيار الذي نحاول قياسه. ومن ذلك نعرف أن الإجابة (أ) ليست هي الإجابة الصحيحة.

يمكننا التغلب على مشكلة مساهمة مقاومة الجلفانومتر في المقاومة الكلية للدائرة وذلك عن طريق إدخال مقاومة أخرى تعرف باسم المقاومة المجزئة للتيار. يعني توصيل هذه المقاومة على التوازي بالجلفانومتر أن التيار الوارد سينقسم بين الفرعين المتوازيين. ويمكننا القول بأن جزءًا من هذا التيار يمر حول الجلفانومتر، ولهذا تعرف هذه المقاومة باسم المقاومة المجزئة للتيار. ويمكننا القول بأن لها قيمة ‪𝑅 S‬‏. وتعتمد شدة التيار المار عبر الجلفانومتر، الذي يمكننا تسميته ‪𝐼 G‬‏، والتيار المار في المقاومة المجزئة للتيار، الذي يمكننا تسميته ‪𝐼 S‬‏، على قيمتي مقاومة الجلفانومتر والمقاومة المجزئة للتيار.

تمر الغالبية العظمى من التيار في الفرع الأقل مقاومة. لذا إذا كانت قيمة المقاومة المجزئة للتيار أكبر من قيمة مقاومة الجلفانومتر، فسنجد أن معظم التيار يمر عبر الجلفانومتر، وهذا لا يغير من طريقة عمل الدائرة. ولكن إذا تأكدنا من أن قيمة المقاومة المجزئة للتيار أصغر بكثير من قيمة مقاومة الجلفانومتر، فسنجد أن معظم التيار يمر عبر المقاومة المجزئة للتيار. ويمر مقدار صغير فقط من التيار عبر الجلفانومتر.

وهذا وضع مثالي لسببين. أولًا، لأن معظم التيار يمر عبر المقاومة المجزئة للتيار، لكن قيمة المقاومة المجزئة للتيار صغيرة جدًّا، وهذا يعني أن تأثر التيار ‪𝐼‬‏ يكاد يكون منعدمًا. وثانيًا، نظرًا لأن نسبة صغيرة من التيار تمر عبر الجلفانومتر، يمكننا استخدام الجلفانومتر لقياس التيار الإجمالي في الدائرة. وباختيار المقاومة المجزئة للتيار بعناية، يمكننا التأكد من أن التيار المار في الجلفانومتر لن يتجاوز أبدًا تيار أقصى انحراف وهو ما يحل عمليًّا مشكلة الجلفانومتر الأساسية، وهي أنه بالغ الحساسية تجاه التيارات العالية.

وبالفعل، فإن توصيل مقاومة مجزئة للتيار على التوازي بجلفانومتر بهذا الشكل هو الطريقة التي تصمم بها الأميترات. إذن يمكننا اعتبار أن كل ما هو موجود داخل المربع الوردي بمثابة أميتر. والآن، إذا نظرنا إلى الخيارين المتبقيين (ب) و(ﺟ)، فسنرى أن هذين المخططين يحتويان على أميتر بالفعل، وذلك طالما كانت قيمة هاتين المقاومتين كل على حدة أقل بكثير من مقاومة الجلفانومتر في كل دائرة. إذا نظرنا إلى الخيار (ب)، فسنجد أنه إذا كان كل ما في المربع الوردي أميترًا، إذن فهذا أميتر موصل ببطارية نظرًا لعدم وجود مقاومات أخرى في مخطط الدائرة.

وجود بطارية في دائرة من دون مقاومة لا تعد حالة واقعية تمامًا؛ لأن جميع الدوائر لها مقاومة ما. لذا علينا أن نفترض أن الدائرة الأصلية تبدو بهذا الشكل. وفي محاولة لقياس شدة التيار في هذه المقاومة، تم توصيل جلفانومتر على التوازي بهذا الشكل. لكن توصيل الجلفانومتر بهذه الطريقة من شأنه أن يقسم التيار في فرعين متوازيين، مما يؤدي إلى تغيير التيار الذي كنا نحاول قياسه في المقام الأول. في الحقيقة، الإجابة المنطقية الوحيدة لهذا السؤال يمثلها مخطط الدائرة (ﺟ)، حيث إنه عبارة عن مجموعة تتكون من جلفانومتر ومقاومة موصلين على التوازي، وهذه المقاومة موصلة بدائرة أساسية تتكون من بطارية ومقاومة موصلة على التوالي.

ويعني توصيل الجلفانومتر ومقاومة مجزئة للتيار بالدائرة بهذه الطريقة أن التيار في الدائرة الأصلية لم يتغير تقريبًا. لكن تمر نسبة ضئيلة للغاية من هذا التيار عبر الجلفانومتر، ما يؤدي إلى انحراف المؤشر الذي يمكننا من خلاله الاستدلال على قيمة التيار ‪𝐼‬‏. إذن، الإجابة الصحيحة لهذا السؤال هي الخيار (ﺟ).