التأثير الحراري للتيار – تجربة ⁦Q = I²Rt⁩

ماذا تعرض

عندما يمر تيار في موصل تتحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة: ⁦Q = I²Rt⁩. وفي مسعر معزول تسخّن هذه الحرارة الماء، ⁦Q = mcΔT⁩ حيث ⁦c = 4186 J/(kg·K)⁩، فيتناسب ⁦ΔT⁩ مع ⁦I²⁩ ومع ⁦t⁩. وفي الدارة على التوالي يمر التيار نفسه في العنصر والأسلاك، فيعطي الجزء ذو المقاومة الأكبر حرارة أكثر بكثير. ويستخدم المصهر والقاطع هذا التأثير نفسه لحماية الدارة. يهمل النموذج السعة الحرارية للكأس والملف، ومنحنيات المصهر والقاطع مبسطة.

طريقة الاستخدام

في «المسعر» اضبط «شدة التيار ⁦I⁩» و«المقاومة ⁦R⁩» و«كتلة الماء ⁦m⁩» و«زمن التسخين ⁦t⁩»، ثم اضغط «تشغيل». تدخل كل قياسة في الجدول. غيّر ⁦I⁩ فقط وأجرِ ثلاث قياسات على الأقل لرسم ⁦ΔT⁩ مقابل ⁦I²⁩؛ واختر ⁦ΔT⁩ مقابل ⁦t⁩ وغيّر ⁦t⁩ فقط للرسم الثاني. في «العنصر والأسلاك» غيّر «مادة العنصر» و ⁦I⁩. في «المصهر والقاطع» اختر «التيار المقنن»، واضبط «تيار الحمل»، ثم اضغط «تشغيل». في «الأجهزة» اختر الجهاز والجهد والزمن، ثم اضغط «تسجيل البيانات».

المعاملات القابلة للتغيير

• الشاشة المسعر, العنصر والأسلاك, المصهر والقاطع, الأجهزة
• شدة التيار ⁦I⁩ ⁦0.5–4 A⁩
• المقاومة ⁦R⁩ ⁦2–10 Ω⁩
• كتلة الماء ⁦m⁩ ⁦100–500 g⁩
• زمن التسخين ⁦t⁩ ⁦60–600 s⁩
• كأس غير معزولة

أسئلة للاستكشاف

1. عندما تزيد ⁦I⁩ من ⁦2 A⁩ إلى ⁦4 A⁩ مع ثبات ⁦R⁩ و ⁦m⁩ و ⁦t⁩، كم مرة يزيد ⁦ΔT⁩؟
2. احسب الحرارة النوعية ⁦c⁩ للماء من قياسة واحدة. هل تصبح القيمة أكبر أم أصغر دون عزل؟
3. ما أصغر تيار حمل يصهر مصهرًا مقننه ⁦10 A⁩ خلال ⁦60 s⁩، وكم يستغرق قاطع ⁦10 A⁩ عند هذا التيار؟