شروحات التوالي والتوازي – فيزياء السادس العلمي

الربط على التوالي والتوازي – الفيزياء السادس العلمي

في علم الكهرباء، تعتبر طرق ربط المقاومات والعناصر الكهربائية من المواضيع الأساسية لفهم سلوك الدوائر الكهربائية. وهناك طريقتان رئيسيتان لربط المقاومات أو المكونات: الربط على التوالي (Series) والربط على التوازي (Parallel). دعونا نتعرف على كل طريقة، خواصها، قوانينها، وأمثلة توضيحية.

أولًا: الربط على التوالي (Series Connection)

في هذا النوع من الربط، تُوصَل العناصر الكهربائية (مثل المقاومات أو المصابيح) الواحدة تلو الأخرى في خط واحد متصل، بحيث تكون نقطة النهاية في أحدها متصلة ببداية الأخرى.

الخصائص:

1. نفس التيار الكهربائي يمر عبر جميع المقاومات.
2. فرق الجهد الكلي يساوي مجموع فروق الجهد عبر كل مقاومة.
3. المقاومة المكافئة (Rₜ) هي مجموع المقاومات: 

   $$R_t = R_1 + R_2 + R_3 + \cdots + R_n$$ 

مثال توضيحي:

إذا رُبطت ثلاث مقاومات (4Ω، 6Ω، 10Ω) على التوالي، فالمقاومة المكافئة:

$$R_t = 4 + 6 + 10 = 20\,\Omega$$

ملاحظة:

في حال تعطل عنصر واحد (مثل مصباح)، تنقطع الدائرة بالكامل ولا يعمل أي جزء منها.

ثانيًا: الربط على التوازي (Parallel Connection)

في هذا النوع، تُوصَل الأطراف المتقابلة لجميع العناصر معًا، بحيث يكون لها نفس فرق الجهد الكهربائي، لكنها لا تشترك بنفس التيار.

الخصائص:

1. فرق الجهد ثابت عبر جميع العناصر.
2. التيار الكهربائي الكلي يساوي مجموع التيارات التي تمر في كل عنصر: 

   $$I_{total} = I_1 + I_2 + I_3 + \cdots + I_n$$ 

3. المقاومة المكافئة (Rₜ) تُحسب من العلاقة: 

   $$\frac{1}{R_t} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \cdots + \frac{1}{R_n}$$ 

مثال توضيحي:

إذا كانت لدينا ثلاث مقاومات (6Ω، 12Ω، 3Ω) مربوطة على التوازي، فإن:

$$\frac{1}{R_t} = \frac{1}{6} + \frac{1}{12} + \frac{1}{3} = \frac{2 + 1 + 4}{12} = \frac{7}{12} \Rightarrow R_t = \frac{12}{7} \approx 1.71\,\Omega$$

ملاحظة:

في حال تعطل أحد العناصر، يبقى التيار يمر في بقية العناصر.

مقارنة بين التوالي والتوازي:

تطبيقات عملية:

1. المصابيح المنزلية:

تُربط غالبًا على التوازي، ليعمل كل مصباح بشكل مستقل، بحيث إذا تعطل أحدها لا تتأثر الأخرى.

2. بعض أنواع الفيوزات أو مفاتيح الحماية:

تُستخدم الربط على التوالي لمراقبة التيار، وعند تجاوزه القيم الآمنة، تقطع الدائرة كلها.

كيفية تحليل دائرة كهربائية مختلطة:

في كثير من الأحيان، تحتوي الدائرة على عناصر مرتبطة على التوالي والتوازي معًا. لتحليل مثل هذه الدوائر:

1. حدد المقاومات المرتبطة على التوازي، وابدأ بحساب مقاومتها المكافئة.
2. استخدم النتائج كأنها مقاومات واحدة، ثم اجمعها مع المقاومات الأخرى على التوالي.
3. طبّق قوانين أوم: 

   $$V = I \cdot R$$ 

أمثلة توضيحية عامة:

مثال 1 (توالي):

ثلاث مقاومات (2Ω، 3Ω، 5Ω) مربوطة على التوالي مع مصدر جهد 10V.

• المقاومة المكافئة: 

  $$R_t = 2 + 3 + 5 = 10\,\Omega$$ 

• التيار الكلي: 

  $$I = \frac{V}{R} = \frac{10}{10} = 1\,A$$ 

• فرق الجهد على كل مقاومة:
  • V₁ = 2Ω × 1A = 2V
  • V₂ = 3Ω × 1A = 3V
  • V₃ = 5Ω × 1A = 5V

مثال 2 (توازي):

ثلاث مقاومات (6Ω، 3Ω، 2Ω) مربوطة على التوازي مع مصدر جهد 12V.

• نحسب المقاومة المكافئة: 

  $$\frac{1}{R_t} = \frac{1}{6} + \frac{1}{3} + \frac{1}{2} = \frac{1 + 2 + 3}{6} = \frac{6}{6} = 1 \Rightarrow R_t = 1\,\Omega$$ 

• التيار الكلي: 

  $$I = \frac{V}{R} = \frac{12}{1} = 12\,A$$ 

خلاصة القوانين المهمة:

في الربط على التوالي:

• 
  $R_t = R_1 + R_2 + \cdots$ 
• 
  $I_{total} = I_1 = I_2 = \cdots$ 
• 
  $V = V_1 + V_2 + \cdots$ 

في الربط على التوازي:

• 
  $\frac{1}{R_t} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \cdots$ 
• 
  $V_{total} = V_1 = V_2 = \cdots$ 
• 
  $I = I_1 + I_2 + \cdots$ 

أهمية الربط في الحياة العملية:

• تصميم الشبكات الكهربائية.
• حماية الأجهزة من التلف.
• تقليل أو توزيع الفولتية والتيار.
• الاستفادة من مصادر الطاقة المتعددة.