فيديو: القوة الدافعة الكهربية والمقاومة الداخلية

نسخة الفيديو النصية

أي العبارات الآتية تمثل الوصف الصحيح للقوة الدافعة الكهربية للبطارية؟ (أ) القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الكهربية الموصلة بها. (ب) القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي الجهد اللازم للتغلب على المقاومة الداخلية لهذه البطارية. (ج) القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي شدة التيار المار في البطارية. (د) القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي فرق الجهد بين قطبي البطارية عندما لا تنتج أي تيار.

حسنًا، قبل أن نبدأ في تحديد أي من هذه الخيارات الأربعة هو الوصف الصحيح للقوة الدافعة الكهربية للبطارية، دعونا نفرغ بعض المساحة أعلى الشاشة. عندما نتحدث عن البطارية، فإن هذا المصطلح يشير أحيانًا إلى وحدة مفردة أو خلية مفردة كهذه، وفي أحيان أخرى يشير إلى عدة خلايا تتصل أطرافها بعضها ببعض. لتبسيط الأمر، سنشير إلى هذه الوحدة المفردة على أنها بطارية. ونريد هنا تحديد الوصف الصحيح للقوة الدافعة الكهربية لهذه البطارية. لعلنا نتذكر أن البطارية هي جهاز يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية. وهي تفعل ذلك عن طريق الفصل بين الشحنات الكهربية كيميائيًّا؛ إذ ترسل الشحنات السالبة نحو أحد طرفي البطارية الذي يسمى القطب السالب. وهذا يترك الكثير من الشحنات الموجبة عند القطب الآخر.

يمكننا أن نرى أن هذه البطارية، كما هي الآن، ليست جزءًا من دائرة كهربية. هذا يعني أنه لا توجد شحنة تتدفق عبر البطارية. في ظل هذه الظروف، قد نرغب في قياس الجهد الكهربي عند الطرف الموجب أو القطب الموجب للبطارية، وكذلك قياس هذا الجهد عند القطب السالب. في هذه الحالة، يمكننا أن نطلق على الجهد عند القطب الموجب ‪𝑉‬‏ موجب، والجهد عند القطب السالب ‪𝑉‬‏ سالب. إذن، القوة الدافعة الكهربية للبطارية تساوي مقدار الفرق بين هذين الجهدين. بعبارة أخرى، القوة الدافعة الكهربية هي فرق الجهد. وعندما ننظر إلى خيارات الإجابة، نجد أن هذا يتطابق مع الخيار (د). لكن دعونا ننظر إلى خيارات الإجابة الأخرى لنعرف السبب في عدم صحتها.

يشير الخيار (أ) إلى أن القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الكهربية الموصلة بها. بالرجوع إلى البطارية التي لدينا، دعونا نفترض أننا وصلناها بدائرة كهربية لتصبح جزءًا منها بهذا الشكل. ويشير الخيار (أ) إلى أن القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي الجهد الذي تطبقه البطارية على الدائرة الكهربية الموصلة بها. بعبارة أخرى، هي فرق الجهد الناتج عن البطارية عبر هذا الجزء الذي يمكن أن نسميه الجزء الخارجي من الدائرة الكهربية. مشكلة هذا التعريف أنه يتجاهل حقيقة أن البطارية نفسها قد تكون لها مقاومة داخلية. نعبر عادة عن هذه المقاومة الداخلية بحرف ‪𝑟‬‏ صغير. واجتماع هذه المقاومة الداخلية مع شدة التيار داخل البطارية يقلل من القوة الدافعة الكهربية بحيث يصبح الجهد الذي تطبقه البطارية على بقية الدائرة الكهربية أقل من القوة الدافعة الكهربية.

إذا كانت شدة التيار في هذه الدائرة الكهربية تساوي ‪𝐼‬‏ حرف كبير، فإن حاصل ضرب شدة التيار هذه في المقاومة الداخلية ‪𝑟‬‏ يجب أن يضاف إلى الجهد التي نسميه عادة ‪𝑉‬‏ للحصول على القوة الدافعة الكهربية الناتجة عن البطارية. يصف الخيار (أ) جهدًا يطبق على بقية الدائرة الكهربية المتصلة بالبطارية. ويمثل هذا الجهد هنا بـ ‪𝑉‬‏ حرف كبير. ويمكننا ملاحظة أن ذلك يختلف عن القوة الدافعة الكهربية. والحالة الوحيدة التي يساوي فيها ‪𝑉‬‏ القوة الدافعة الكهربية هي أن تكون المقاومة الداخلية للبطارية تساوي صفرًا. لكن من الناحية العملية، الأمر ليس كذلك. وهذا هو السبب في أن الخيار (أ) ليس الخيار الصحيح.

عندما ننتقل إلى الخيار (ب)، نرى أنه يشير إلى أن القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي الجهد اللازم للتغلب على المقاومة الداخلية لهذه البطارية. حسنًا، صحيح أن القوة الدافعة الكهربية هي جهد، وهو ما قد يكون مثيرًا للدهشة؛ نظرًا لأننا نطلق عليها «قوة». وإذا أعدنا النظر في معادلة القوة الدافعة الكهربية، يمكننا القول إن الجهد اللازم للتغلب على المقاومة الداخلية للبطارية يساوي ‪𝐼‬‏ في ‪𝑟‬‏ حرف صغير، وهي قيمة المقاومة الداخلية. لكننا نلاحظ أن هذا لا ينطبق بشكل كامل على القوة الدافعة الكهربية. فالقوة الدافعة الكهربية تتضمن أيضًا الجهد المطبق على بقية الدائرة الكهربية. وعندما لا نأخذ في الاعتبار سوى أحد هذين الحدين في وصفنا للقوة الدافعة الكهربية، يكون هذا الوصف غير مكتمل. إذن لا نختار الخيار (ب) أيضًا.

يشير الخيار (ج) إلى أن القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي شدة التيار المار في البطارية. لكننا رأينا من قبل أن القوة الدافعة الكهربية هي جهد؛ ومن ثم فإن وصفها بشدة التيار لا يمكن أن يكون وصفًا صحيحًا أيضًا. لهذا السبب، لا نختار الخيار (ج). وهذا يؤكد صحة اختيارنا للخيار (د)، وهو أن القوة الدافعة الكهربية للبطارية هي فرق الجهد بين قطبيها عندما لا تنتج أي تيار. وهذا يتفق مع معادلة القوة الدافعة الكهربية؛ لأننا إذا جعلنا شدة التيار ‪𝐼‬‏ تساوي صفرًا، فإن القوة الدافعة الكهربية ستساوي ‪𝑉‬‏.