Phy-Lab Logo

تجربة تحقيق قانون أوم

Ohm's Law Verification Experiment
University Logo

الهدف من التجربة

تهدف هذه التجربة إلى التحقق عملياً من قانون أوم من خلال دراسة العلاقة بين الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي المار في موصل خطي (أومي) عند ثبوت درجة حرارته، واستنتاج قيمة مقاومة مجهولة باستخدام الطريقة البيانية.

الأهداف الفرعية

  1. قياس الجهد الكهربائي عبر مقاومة مجهولة باستخدام الفولتميتر.
  2. قياس التيار الكهربائي المار في المقاومة باستخدام الأميتر.
  3. جمع بيانات تجريبية لعدة قيم مختلفة من الجهد والتيار.
  4. تمثيل العلاقة بين الجهد (V) والتيار (I) بيانياً.
  5. حساب ميل الخط المستقيم الناتج واستنتاجه كقيمة للمقاومة المجهولة.
  6. مقارنة النتيجة التجريبية بالقيمة الحقيقية وتقدير نسبة الخطأ.
ملاحظة مهمة: هذه المحاكاة تحاكي دائرة كهربائية حقيقية بتأثيرات قياسية. المقاومة المجهولة تُولَّد عشوائياً في كل مرة تبدأ فيها تجربة جديدة، وعليك تحديد قيمتها فقط من خلال القياسات والرسم البياني.

نظرية التجربة

1. قانون أوم (Ohm's Law)

في عام 1827م، صاغ الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم العلاقة الأساسية التي تربط بين الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي في موصل عند ثبوت درجة حرارته:

V = I × R حيث: V الجهد الكهربائي (فولت) — I التيار الكهربائي (أمبير) — R المقاومة الكهربائية (أوم Ω)

وينتج من ذلك:

R = V / I = ΔV / ΔI المقاومة تساوي ميل العلاقة الخطية بين الجهد والتيار

2. المقاومة الكهربائية

المقاومة هي مقياس معارضة المادة لتدفق الشحنات الكهربائية عبرها. وتعتمد على أربعة عوامل:

R = ρ × L / A ρ المقاومية النوعية (أوم·متر) — L طول الموصل (متر) — A مساحة المقطع العرضي (م²)

3. الموصلات الأومية وغير الأومية

  • موصل أومي: العلاقة بين V و I خطية تمر بنقطة الأصل، والمقاومة ثابتة لا تتغير بتغير الجهد (مثال: المقاومات الكربونية، الأسلاك المعدنية عند درجة حرارة ثابتة).
  • موصل غير أومي: العلاقة بين V و I غير خطية، والمقاومة تتغير بتغير الجهد أو التيار (مثال: الصمام الثنائي Diode، المصباح المتوهج، الثرمستور).

4. توصيل أجهزة القياس

الأميتر (Ammeter): يُوصل على التوالي مع المقاومة المراد قياس التيار المار فيها، لأن التيار في التوصيل على التوالي ثابت في جميع عناصر الدائرة. مقاومته الداخلية صغيرة جداً لئلا يؤثر على الدائرة.
الفولتميتر (Voltmeter): يُوصل على التوازي مع المقاومة المراد قياس الجهد عبرها، لأن الجهد في التوصيل على التوازي ثابت على كلا الفرعين. مقاومته الداخلية كبيرة جداً لئلا يسحب تياراً ملحوظاً.

5. التحليل البياني

عند رسم العلاقة بين الجهد V (محور الصادات) والتيار I (محور السينات) لموصل أومي، نحصل على خط مستقيم يمر بنقطة الأصل. ميل هذا الخط يساوي المقاومة:

الميل = ΔV / ΔI = R

أما إذا كان الموصل غير أومي، فالمنحنى الناتج لن يكون خطاً مستقيماً، مما يدل على أن المقاومة ليست ثابتة.

شرط أساسي: ينطبق قانون أوم فقط عند ثبوت درجة حرارة الموصل. ارتفاع الحرارة بسبب مرور التيار يغيّر المقاومية النوعية وبالتالي المقاومة الكلية.

خطوات العمل

أولاً: التجهيز

  1. تأكد من أن جميع أجهزة القياس (الأميتر والفولتميتر) مضبوطة على الصفر قبل البدء.
  2. تأكد من أن مصدر الجهد القابل للتعديل مضبوط على أقل قيمة ممكنة (صفر فولت).

ثانياً: التوصيل

  1. وصّل المقاومة المجهولة Rx على التوالي مع الأميتر ومصدر الجهد.
  2. وصّل الفولتميتر على التوازي مع المقاومة المجهولة Rx.
  3. تأكد من سلامة جميع التوصيلات وأن الأسلاك محكمة.

ثالثاً: القياس

  1. اضبط مصدر الجهد على 2 فولت وسجّل قراءتي الأميتر والفولتميتر في جدول البيانات.
  2. زِد الجهد بمقدار 2 فولت (أي إلى 4 فولت) وسجّل القراءات الجديدة.
  3. كرر الخطوة السابقة حتى تصل إلى 12 فولت أو أعلى (ستحصل على 6 قراءات على الأقل).
  4. سجّل كل قراءة فوراً في جدول البيانات قبل تعديل الجهد مرة أخرى.

رابعاً: التحليل

  1. انتقل إلى تبويب "جدول البيانات" وتأكد من اكتمال جميع القراءات.
  2. انتقل إلى تبويب "الرسم البياني" واضغط على زر رسم العلاقة البيانية.
  3. لاحظ أن النقاط تقع تقريباً على خط مستقيم يمر بنقطة الأصل (تأكيد على قانون أوم).
  4. سجّل قيمة الميل المحسوبة، فهي تمثل قيمة المقاومة المجهولة Rx بوحدة الأوم.

خامساً: التحقق

  1. عُد إلى تبويب "المحاكاة" وأدخل قيمة المقاومة التي استنتجتها.
  2. اضغط على زر "التحقق من الإجابة" لمعرفة مدى دقة استنتاجك.
نصيحة: كلما زاد عدد القراءات المأخوذة عند قيم مختلفة للجهد، زادت دقة حساب الميل واستنتاج قيمة المقاومة. يُنصح بأخذ 6 قراءات على الأقل.
0.0 V E (المصدر) A 0.0 mA Rx مقاومة مجهولة V 0.0 V

جدول البيانات

رقم القياس الجهد V (فولت) التيار I (أمبير) التيار I (مللي أمبير)

لم يتم تسجيل أي قراءات بعد

انتقل إلى تبويب "المحاكاة" وابدأ بتسجيل القراءات

الرسم البياني

العلاقة بين الجهد الكهربائي V (محور الصادات) والتيار الكهربائي I (محور السينات)

نتيجة التحليل البياني

ميل الخط المستقيم (ΔV / ΔI) =

0 Ω

هذه القيمة تمثل المقاومة المجهولة Rx

سجّل قراءتين على الأقل لرسم العلاقة البيانية

أسئلة التقرير

1ما المقصود بقانون أوم؟ وما الشروط اللازمة لانطباقه على موصل ما؟
2لماذا يُوصل الأميتر على التوالي في الدائرة بينما يُوصل الفولتميتر على التوازي؟ ماذا يحدث لو عكسنا التوصيل؟
3من الرسم البياني الذي حصلت عليه، هل العلاقة بين الجهد والتيار خطية؟ ماذا يستنتج ذلك بشأن المقاومة Rx؟
4احسب ميل الخط المستقيم من الرسم البياني يدوياً (اختر نقطتين بعيدتين على الخط) وقارن النتيجة بالقيمة التي أعطاها النظام.
5اذكر مصادر الخطأ المحتملة في هذه التجربة (العملية والمحاكاة) وكيف تؤثر على دقة النتيجة.
6كيف يؤثر ارتفاع درجة حرارة المقاومة بسبب مرور التيار على انطباق قانون أوم؟ هل تأخذ المحاكاة هذا التأثير بعين الاعتبار؟
7لماذا يجب أن يمر الخط المستقيم في الرسم البياني بنقطة الأصل (0,0)؟ وما الدليل الفيزيائي على ذلك؟
8إذا استبدلنا المقاومة المجهولة بمصباح متوهج، هل نتوقع أن يكون الرسم البياني خطياً؟ وضّح إجابتك.

أسئلة اختيار من متعدد

9في دائرة تحقيق قانون أوم، يُوصل الأميتر:
10ميل العلاقة البيانية بين الجهد (V) على محور الصادات والتيار (I) على محور السينات يمثل:
11أي مما يلي لا يُعتبر موصلاً أومياً:
12عند مضاعفة الجهد المطبق على موصل أومي، فإن التيار المار فيه:
13المقاومة الداخلية المثالية للأميتر تساوي: