فیلم کامل از فصل 2

جزوه و خلاصه فصل دوم :

جزوه فصل 2 فیزیک یازدهم تجربی - جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم

جزوه فصل 2 فیزیک یازدهم تجربی

فصل دوم: جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم
رشته: علوم تجربی - پایه یازدهم
زمان مطالعه: ۶ ساعت
سال تحصیلی: ۱۴۰۳-۱۴۰۲

۱ جریان الکتریکی

جریان الکتریکی به جاری شدن بارهای الکتریکی (عموماً الکترون‌ها) در یک ماده گفته می‌شود. برای ایجاد جریان الکتریکی به دو شرط نیاز است: ۱) وجود بارهای آزاد ۲) وجود میدان الکتریکی.

تعریف جریان الکتریکی

جریان الکتریکی (I) برابر است با مقدار بار الکتریکی (Q) که در واحد زمان (t) از سطح مقطع یک رسانا می‌گذرد.

I = Q / t

که در آن:

  • I = جریان الکتریکی (آمپر - A)
  • Q = بار الکتریکی (کولن - C)
  • t = زمان (ثانیه - s)

جهت جریان الکتریکی

جهت قراردادی جریان

از قطب مثبت به قطب منفی منبع حرکت می‌کند. این جهت بر اساس حرکت بارهای مثبت تعریف شده است.

جهت واقعی جریان

در رساناهای فلزی، الکترون‌ها (بارهای منفی) از قطب منفی به قطب مثبت حرکت می‌کنند.

انواع جریان الکتریکی

نوع جریان جهت حرکت بارها مثال کاربرد
جریان مستقیم (DC) ثابت و یک‌نواخت در یک جهت باتری، سلول خورشیدی الکترونیک، باتری‌ها
جریان متناوب (AC) متناوب و تغییر جهت می‌دهد برق شهر (۵۰ هرتز) منازل، صنعت
مثال محاسبه جریان

اگر در مدت ۲ ثانیه، ۱۲ کولن بار از سطح مقطع سیمی عبور کند، شدت جریان چقدر است؟

حل: I = Q / t = ۱۲ / ۲ = ۶ A

نکته مهم

یک آمپر جریان یعنی در هر ثانیه، یک کولن بار از سطح مقطع رسانا عبور می‌کند. هر الکترون دارای بار ۱.۶ × ۱۰⁻¹⁹ کولن است، بنابراین در جریان یک آمپر، حدود ۶.۲۵ × ۱۰¹⁸ الکترون در ثانیه عبور می‌کنند.

۲ مقاومت الکتریکی

مقاومت الکتریکی میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان الکتریکی است. مقاومت به جنس، ابعاد و دمای ماده بستگی دارد.

مقاومت و عوامل مؤثر بر آن

مقاومت یک سیم از رابطه زیر به دست می‌آید:

R = ρ × (L / A)

که در آن:

  • R = مقاومت (اهم - Ω)
  • ρ = مقاومت ویژه ماده (اهم × متر)
  • L = طول سیم (متر)
  • A = سطح مقطع سیم (متر مربع)

عوامل مؤثر بر مقاومت

طول سیم

مقاومت با طول سیم نسبت مستقیم دارد. هرچه سیم بلندتر باشد، مقاومت بیشتر است.

R ∝ L
سطح مقطع

مقاومت با سطح مقطع سیم نسبت معکوس دارد. هرچه سیم ضخیم‌تر باشد، مقاومت کمتر است.

R ∝ ۱/A
جنس ماده

مقاومت ویژه (ρ) برای مواد مختلف متفاوت است. نقره کمترین و چوب بیشترین مقاومت ویژه را دارد.

مقاومت ویژه مواد معمول

ماده مقاومت ویژه (Ω·m) در ۲۰°C کاربرد
نقره ۱.۵۹ × ۱۰⁻⁸ اتصالات خاص
مس ۱.۶۸ × ۱۰⁻⁸ سیم‌کشی برق
آلومینیوم ۲.۶۵ × ۱۰⁻⁸ خطوط انتقال
آهن ۹.۷۱ × ۱۰⁻⁸ وسایل گرمایشی
نیکل‌کروم ۱.۵۰ × ۱۰⁻⁶ المنت‌ها
کربن ۳.۵ × ۱۰⁻⁵ مقاومت‌های الکتریکی
مثال محاسبه مقاومت

سیمی مسی به طول ۱۰۰ متر و سطح مقطع ۰.۵ mm² داریم. مقاومت ویژه مس ۱.۷ × ۱۰⁻⁸ Ω·m است. مقاومت سیم چقدر است؟

حل: ابتدا سطح مقطع را به m² تبدیل می‌کنیم:
A = ۰.۵ mm² = ۰.۵ × ۱۰⁻⁶ m² = ۵ × ۱۰⁻⁷ m²
R = ρ × (L / A) = (۱.۷ × ۱۰⁻⁸) × (۱۰۰ / ۵ × ۱۰⁻⁷)
R = (۱.۷ × ۱۰⁻⁸) × (۲ × ۱۰⁸) = ۳.۴ Ω

۳ قانون اهم

قانون اهم رابطه بین ولتاژ، جریان و مقاومت در یک مدار الکتریکی را توصیف می‌کند. این قانون برای رساناهای اهمی صادق است.

بیان قانون اهم

در دمای ثابت، نسبت ولتاژ دو سر یک رسانا به جریان گذرنده از آن، مقداری ثابت است که مقاومت نامیده می‌شود.

V = I × R

که در آن:

  • V = ولتاژ (ولت - V)
  • I = جریان (آمپر - A)
  • R = مقاومت (اهم - Ω)

مدار ساده قانون اهم

[مدار الکتریکی ساده شامل منبع ولتاژ، مقاومت و آمپرمتر و ولتمتر]

در این مدار، ولتاژ دو سر مقاومت با جریان گذرنده از آن نسبت مستقیم دارد.

رساناهای اهمی و غیراهمی

ویژگی رسانای اهمی رسانای غیراهمی
قانون اهم صدق می‌کند صدق نمی‌کند
مقاومت ثابت (مستقل از ولتاژ) متغیر (تابعی از ولتاژ)
نمودار V-I خط راست از مبدأ خط راست نیست
مثال سیم‌های فلزی، مقاومت‌ها دیود، لامپ رشته‌ای داغ
مثال قانون اهم

اگر به مقاومت ۱۰۰ اهمی، ولتاژ ۱۲ ولت اعمال شود، جریان گذرنده چقدر خواهد بود؟

حل: V = I × R → ۱۲ = I × ۱۰۰ → I = ۱۲ / ۱۰۰ = ۰.۱۲ A = ۱۲۰ mA

نکته آزمایشگاهی

برای اندازه‌گیری جریان، آمپرمتر را به صورت سری در مدار قرار می‌دهیم. برای اندازه‌گیری ولتاژ، ولتمتر را به صورت موازی با المان مورد نظر قرار می‌دهیم. مقاومت داخلی آمپرمتر نزدیک صفر و مقاومت داخلی ولتمتر بسیار زیاد است.

۴ انرژی و توان الکتریکی

وقتی جریان الکتریکی از یک مقاومت عبور می‌کند، انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

انرژی الکتریکی

انرژی الکتریکی مصرف شده در یک مقاومت برابر است با:

E = V × I × t

که در آن:

  • E = انرژی الکتریکی (ژول - J)
  • V = ولتاژ (ولت - V)
  • I = جریان (آمپر - A)
  • t = زمان (ثانیه - s)

توان الکتریکی

توان الکتریکی، نرخ تبدیل انرژی الکتریکی به دیگر شکل‌های انرژی است.

P = V × I

با استفاده از قانون اهم می‌توان فرم‌های دیگر توان را به دست آورد:

برحسب ولتاژ و مقاومت
P = V² / R
برحسب جریان و مقاومت
P = I² × R

یکاهای انرژی و توان

کمیت یکای اصلی یکاهای دیگر تبدیل
انرژی ژول (J) کیلووات‌ساعت (kWh) ۱ kWh = ۳.۶ × ۱۰⁶ J
توان وات (W) کیلووات (kW) ۱ kW = ۱۰۰۰ W
مثال محاسبه توان

یک لامپ ۱۰۰ واتی به برق ۲۲۰ ولت وصل شده است. جریان گذرنده از لامپ چقدر است؟

حل: P = V × I → ۱۰۰ = ۲۲۰ × I → I = ۱۰۰ / ۲۲۰ ≈ ۰.۴۵ A

مثال مصرف انرژی

لامپ ۱۰۰ واتی به مدت ۵ ساعت روشن است. انرژی مصرفی برحسب کیلووات‌ساعت چقدر است؟

حل: ابتدا توان را به کیلووات تبدیل می‌کنیم:
P = ۱۰۰ W = ۰.۱ kW
E = P × t = ۰.۱ kW × ۵ h = ۰.۵ kWh

محاسبه هزینه برق

هزینه برق = انرژی مصرفی (kWh) × قیمت هر کیلووات‌ساعت

مثال: اگر قیمت هر کیلووات‌ساعت ۲۰۰۰ تومان باشد، هزینه روشن بودن لامپ ۱۰۰ واتی به مدت ۵ ساعت برابر است با: ۰.۵ kWh × ۲۰۰۰ تومان = ۱۰۰۰ تومان

۵ مدارهای سری و موازی

مقاومت‌ها در مدارهای الکتریکی می‌توانند به دو صورت سری یا موازی به هم متصل شوند.

اتصال سری مقاومت‌ها

[مقاومت‌ها به صورت پشت سر هم (سری)]

در اتصال سری، مقاومت‌ها به صورت پشت سر هم قرار می‌گیرند و جریان یکسانی از همه آن‌ها می‌گذرد.

ویژگی‌های مدار سری

جریان

جریان در تمام نقاط مدار سری یکسان است.

Iکل = I₁ = I₂ = I₃ = ...
ولتاژ

ولتاژ کل برابر مجموع ولتاژهای هر مقاومت است.

Vکل = V₁ + V₂ + V₃ + ...
مقاومت معادل

مقاومت معادل برابر مجموع مقاومت‌ها است.

Req = R₁ + R₂ + R₃ + ...

اتصال موازی مقاومت‌ها

[مقاومت‌ها به صورت کنار هم (موازی)]

در اتصال موازی، مقاومت‌ها بین دو نقطه مشترک قرار می‌گیرند و ولتاژ یکسانی روی همه آن‌ها قرار دارد.

ویژگی‌های مدار موازی

ولتاژ

ولتاژ روی همه مقاومت‌های موازی یکسان است.

Vکل = V₁ = V₂ = V₃ = ...
جریان

جریان کل برابر مجموع جریان‌های هر شاخه است.

Iکل = I₁ + I₂ + I₃ + ...
مقاومت معادل

معکوس مقاومت معادل برابر مجموع معکوس مقاومت‌ها است.

۱/Req = ۱/R₁ + ۱/R₂ + ۱/R₃ + ...
مثال مدار سری

سه مقاومت ۲Ω، ۳Ω و ۵Ω به صورت سری به هم وصل شده‌اند. مقاومت معادل چقدر است؟

حل: Req = ۲ + ۳ + ۵ = ۱۰ Ω

مثال مدار موازی

دو مقاومت ۴Ω و ۶Ω به صورت موازی به هم وصل شده‌اند. مقاومت معادل چقدر است؟

حل: ۱/Req = ۱/۴ + ۱/۶ = ۳/۱۲ + ۲/۱۲ = ۵/۱۲
Req = ۱۲/۵ = ۲.۴ Ω

نکته مهم

در مدارهای موازی، مقاومت معادل همیشه از کوچک‌ترین مقاومت موجود در مدار کمتر است. در مدارهای سری، مقاومت معادل همیشه از بزرگ‌ترین مقاومت موجود در مدار بیشتر است.

۶ قانون‌های کیرشهف

قانون‌های کیرشهف برای تحلیل مدارهای پیچیده‌تر که شامل چندین حلقه و گره هستند، استفاده می‌شوند.

قانون جریان کیرشهف (KCL)

در هر گره از مدار، مجموع جریان‌های ورودی برابر مجموع جریان‌های خروجی است.

Σ Iورودی = Σ Iخروجی

یا به عبارت دیگر: مجموع جریان‌های وارد شده به یک گره برابر صفر است (با در نظر گرفتن علامت).

قانون ولتاژ کیرشهف (KVL)

در هر حلقه بسته از مدار، مجموع جبری تغییرات پتانسیل (ولتاژ) برابر صفر است.

Σ V = ۰

یا به عبارت دیگر: در یک حلقه بسته، مجموع ولتاژهای منابع برابر مجموع ولتاژهای دو سر مقاومت‌ها است.

مدار با چند حلقه

[مدار با دو حلقه و سه مقاومت]

برای تحلیل این مدار از هر دو قانون کیرشهف استفاده می‌کنیم.

مراحل تحلیل مدار با قوانین کیرشهف

  1. جریان‌های مجهول را با جهت دلخواه مشخص کنید
  2. قانون جریان کیرشهف را برای گره‌ها بنویسید
  3. قانون ولتاژ کیرشهف را برای حلقه‌های مستقل بنویسید
  4. معادلات به دست آمده را حل کنید
  5. اگر مقدار جریان منفی شد، جهت آن برعکس جهت فرضی اولیه است
مثال قانون کیرشهف

در مدار زیر، مقاومت‌ها R₁=۲Ω، R₂=۴Ω، R₃=۶Ω و منبع ولتاژ V=۱۲V است. جریان هر شاخه را پیدا کنید.

[مدار با دو حلقه]

حل:
۱. فرض می‌کنیم جریان I₁ از منبع بیرون می‌آید و در گره به I₂ و I₃ تقسیم می‌شود.
۲. از KCL: I₁ = I₂ + I₃
۳. از KVL برای حلقه چپ: ۱۲ - ۲I₁ - ۴I₂ = ۰
۴. از KVL برای حلقه راست: ۴I₂ - ۶I₃ = ۰
۵. با حل دستگاه معادلات: I₁ = ۳A، I₂ = ۱.۵A، I₃ = ۱.۵A

۷ الکتریسیته جاری

در این بخش به منابع تولید جریان الکتریکی و برخی پدیده‌های مرتبط می‌پردازیم.

منابع جریان الکتریکی

باتری‌ها

با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی کار می‌کنند. دارای قطب مثبت و منفی هستند.

انواع: خشک، قابل شارژ، لیتیوم‌یون

ژنراتورها

با تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی کار می‌کنند. برق شهر توسط ژنراتورها تولید می‌شود.

اصل کار: القای الکترومغناطیسی

سلول‌های خورشیدی

با تبدیل انرژی نورانی به انرژی الکتریکی کار می‌کنند.

ماده اصلی: سیلیکون

مقاومت داخلی منابع

هر منبع تولید جریان دارای مقداری مقاومت داخلی (r) است که باعث کاهش ولتاژ خروجی هنگام کشیدن جریان می‌شود.

Vخروجی = ε - I × r

که در آن:

  • ε = نیروی محرکه الکتریکی (emf) منبع
  • I = جریان کشیده شده از منبع
  • r = مقاومت داخلی منبع

اتصال باتری‌ها

اتصال ولتاژ کل مقاومت داخلی کل کاربرد
سری مجموع ولتاژها مجموع مقاومت‌های داخلی افزایش ولتاژ
موازی ولتاژ یک باتری معکوس مجموع معکوس‌ها افزایش جریان مجاز
مثال مقاومت داخلی

باتری با نیروی محرکه ۱۲ ولت و مقاومت داخلی ۰.۵ اهم به مقاومت ۱۰ اهمی وصل شده است. جریان مدار و ولتاژ دو سر باتری چقدر است؟

حل:
جریان کل: I = ε / (R + r) = ۱۲ / (۱۰ + ۰.۵) = ۱۲ / ۱۰.۵ ≈ ۱.۱۴ A
ولتاژ دو سر باتری: V = ε - I×r = ۱۲ - (۱.۱۴ × ۰.۵) = ۱۲ - ۰.۵۷ = ۱۱.۴۳ V

۸ مثال‌ها و مسائل مهم

مسئله ۱: مدار ترکیبی

در مدار زیر، R₁=۶Ω، R₂=۳Ω، R₃=۲Ω و ولتاژ منبع ۲۴V است. جریان هر مقاومت را پیدا کنید.

[R₁ و R₂ موازی، سپس با R₃ سری]

حل:
۱. مقاومت معادل R₁ و R₂ موازی: ۱/Rموازی = ۱/۶ + ۱/۳ = ۱/۶ + ۲/۶ = ۳/۶ = ۱/۲ → Rموازی = ۲Ω
۲. مقاومت کل مدار: Rکل = Rموازی + R₃ = ۲ + ۲ = ۴Ω
۳. جریان کل: Iکل = V / Rکل = ۲۴ / ۴ = ۶A
۴. ولتاژ دو سر مقاومت‌های موازی: Vموازی = Iکل × Rموازی = ۶ × ۲ = ۱۲V
۵. جریان R₁: I₁ = Vموازی / R₁ = ۱۲ / ۶ = ۲A
۶. جریان R₂: I₂ = Vموازی / R₂ = ۱۲ / ۳ = ۴A
۷. جریان R₃: I₃ = Iکل = ۶A (چون با بقیه سری است)

مسئله ۲: توان و انرژی

یک سماور برقی ۱۵۰۰ واتی به مدت ۲۰ دقیقه روشن است. اگر قیمت هر کیلووات‌ساعت برق ۲۵۰۰ تومان باشد، هزینه مصرف آن چقدر است؟

حل:
۱. توان برحسب کیلووات: P = ۱۵۰۰ W = ۱.۵ kW
۲. زمان برحسب ساعت: t = ۲۰ min = ۲۰/۶۰ = ۱/۳ h
۳. انرژی مصرفی: E = P × t = ۱.۵ × (۱/۳) = ۰.۵ kWh
۴. هزینه: ۰.۵ × ۲۵۰۰ = ۱۲۵۰ تومان

مسئله ۳: طراحی مدار

می‌خواهیم با سه مقاومت ۲Ω، ۳Ω و ۶Ω، مقاومت معادل ۴Ω ایجاد کنیم. چگونه باید آن‌ها را وصل کنیم؟

حل:
اگر ۳Ω و ۶Ω را موازی کنیم: ۱/R = ۱/۳ + ۱/۶ = ۲/۶ + ۱/۶ = ۳/۶ = ۱/۲ → R = ۲Ω
حالا این مقاومت معادل (۲Ω) را با مقاومت ۲Ω دیگر سری می‌کنیم: Rکل = ۲ + ۲ = ۴Ω
بنابراین: مقاومت‌های ۳Ω و ۶Ω را موازی، سپس با مقاومت ۲Ω سری می‌کنیم.

جمع‌بندی فصل دوم

فصل "جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم" مفاهیم بنیادی زیر را پوشش می‌دهد:

  • جریان الکتریکی: حرکت بارهای الکتریکی در رساناها
  • مقاومت الکتریکی: مخالفت مواد با عبور جریان (وابسته به ρ، L، A)
  • قانون اهم: رابطه خطی بین ولتاژ و جریان برای رساناهای اهمی
  • انرژی و توان الکتریکی: تبدیل انرژی الکتریکی به گرمایی
  • مدارهای سری و موازی: روش‌های اتصال المان‌های مدار
  • قوانین کیرشهف: ابزار تحلیل مدارهای پیچیده
  • منابع جریان: باتری‌ها، ژنراتورها، مقاومت داخلی

این مفاهیم پایه‌ای برای درک سیستم‌های الکتریکی، الکترونیکی و محاسبات مربوط به آن‌ها هستند.

نکات کلیدی برای امتحان

  1. در مدار سری، جریان ثابت و ولتاژها جمع می‌شوند
  2. در مدار موازی، ولتاژ ثابت و جریان‌ها جمع می‌شوند
  3. مقاومت معادل موازی از کوچک‌ترین مقاومت کمتر است
  4. توان تلف شده در مقاومت‌ها به صورت حرارت آزاد می‌شود
  5. آمپرمتر مقاومت کم، ولتمتر مقاومت زیاد دارد
  6. باتری‌های سری: ولتاژها جمع، باتری‌های موازی: جریان‌ها جمع می‌شوند

جزوه آموزشی فصل ۲ فیزیک یازدهم تجربی - جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم

منبع: کتاب درسی فیزیک (۲) پایه یازدهم رشته علوم تجربی - چاپ ۱۴۰۲

تهیه شده برای استفاده دانش‌آموزان عزیز

نمونه سوالات فیزیک یازدهم

نمونه سوالات فصل دوم

نمونه سوالات فیزیک یازدهم تجربی - فصل ۲: جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم

اطلاعات فایل:

• فرمت: PDF

• محتوا: سوالات آزمون + پاسخ تشریحی

• حجم: نامشخص (احتمالاً سبک)

توجه: همیشه قبل از دانلود فایل‌ها از منابع ناشناس، از به‌روز بودن نرم‌افزار آنتی‌ویروس خود اطمینان حاصل کنید.