Skip to content · ⁨الانتقال إلى المحتوى⁩
Subjects · ⁨المواد⁩

AP Physics C: Electricity and Magnetism · ⁨AP الفيزياء C: الكهرباء والمغناطيسية⁩

Tips

AP Physics C: Electricity and Magnetism is the calculus-based electromagnetism course: charges, fields and Gauss's law; electric potential; conductors and capacitors; circuits; magnetic fields; and electromagnetic induction. It is usually taken after Mechanics and assumes that level of calculus.

Gauss's law and Ampère's law decide how this course feels. Both are really about choosing a surface or loop that makes the integral trivial — a skill you build by doing many, not by reading the law. Symmetry is the whole game.

Induction questions punish sign errors more than anything else, so fix one convention for flux direction and use it every time.

Notes cover Gauss's law through to Maxwell's equations, unit by unit, with the vector calculus written out. The library carries the released FRQs; the hardest marks in E&M go to choosing the right symmetry before integrating, so the examples start there.

  • 8

    Electric Charges, Fields, and Gauss's Law · ⁨الشحنات الكهربائية والمجالات وقانون غاوس⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    8.1

    Electric Charge and Electric Force · ⁨الشحنة الكهربائية والقوة الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 8.1.A: Describe the electric force that results from the interactions between charged objects or systems.

    • 8.1.A.1 Charge is a fundamental property of all matter.
      • 8.1.A.1.i Charge is a scalar quantity and is described as positive or negative.
      • 8.1.A.1.ii The magnitude of the charge of a single electron or proton, the elementary charge $e$, can be considered to be the smallest indivisible amount of charge.
      • 8.1.A.1.iii The charge of an electron is $-e$ and the charge of a proton is $+e$, and a neutron has no electric charge.
      • 8.1.A.1.iv A point charge is a model in which the physical size of a charged object or system is negligible in the context of the situation being analyzed.
    • 8.1.A.2 Coulomb's law describes the electrostatic force between two charged objects as directly proportional to the magnitude of each of the charges and inversely proportional to the square of the distance between the objects.
      • Relevant equation: $\left| \vec{F}_E \right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = k \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$
    • 8.1.A.3 The direction of the electrostatic force depends on the signs of the charges of the interacting objects and is along the line of separation between the objects.
      • 8.1.A.3.i Two objects with charges of the same sign exert repulsive forces on each other.
      • 8.1.A.3.ii Two objects with charges of opposite signs exert attractive forces on each other.
    • 8.1.A.4 Electric forces are responsible for some of the macroscopic properties of objects in everyday experiences. However, the large number of particle interactions that occur make it more convenient to treat everyday forces in terms of nonfundamental forces called contact forces, such as normal force, friction, and tension.

    Learning Objective 8.1.B: Describe the electric and gravitational forces that result from interactions between charged objects with mass.

    • 8.1.B.1 Electrostatic forces can be attractive or repulsive, while gravitational forces are always attractive.
    • 8.1.B.2 For any two objects that have mass and electric charge, the magnitude of the gravitational force is usually much smaller than the magnitude of the electrostatic force.
    • 8.1.B.3 Gravitational forces dominate at larger scales even though they are weaker than electrostatic forces, because systems at large scales tend to be electrically neutral.

    Learning Objective 8.1.C: Describe the electric permittivity of a material or medium.

    • 8.1.C.1 Electric permittivity is a measurement of the degree to which a material or medium is polarized in the presence of an electric field.
    • 8.1.C.2 Electric polarization can be modeled as the induced rearrangement of electrons by an external electric field, resulting in a separation of positive and negative charges within a material or medium.
    • 8.1.C.3 Free space has a constant value of electric permittivity, $\varepsilon_0$, that appears in physical relationships.
    • 8.1.C.4 The permittivity of matter has a value different from that of free space that arises from the matter's composition and arrangement.
      • 8.1.C.4.i In a given material, electric permittivity is determined by the ease with which electrons can change configurations within the material.
      • 8.1.C.4.ii Conductors are made from electrically conducting materials in which charge carriers move easily; insulators are made from electrically nonconducting materials in which charge carriers cannot move easily.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to make calculations of the electric force between four or fewer interacting charged objects or systems. The analysis of the resulting electric force from more charges is allowed in situations of high symmetry. Note that students are expected to calculate the electric fields of charge distributions, as described in Topics 8.4 and 8.6.

    العربية

    هدف التعلم 8.1.A: وصف القوة الكهربائية الناتجة عن التفاعلات بين الأجسام أو الأنظمة المشحونة.

    • 8.1.A.1 الشحنة خاصية أساسية لجميع المواد.
      • 8.1.A.1.i الشحنة كمية قياسية وتُوصف بأنها موجبة أو سالبة.
      • 8.1.A.1.ii مقدار شحنة الإلكترون الواحد أو البروتون، وهو الشحنة الابتدائية $e$، يمكن اعتباره أصغر كمية غير قابلة للتقسيم من الشحنة.
      • 8.1.A.1.iii شحنة الإلكترون هي $-e$ وشحنة البروتون هي $+e$، ولا تمتلك النيوترون أي شحنة كهربائية.
      • 8.1.A.1.iv شحنة النقطة هي نموذج يكون فيه الحجم الفيزيائي للجسم أو النظام المشحون مهملاً في سياق الموقف قيد التحليل.
    • 8.1.A.2 تنص قانون كولوم على أن القوة الكهروستاتية بين جسمين مشحونين تتناسب طردياً مع مقدار كل منهما من الشحنات وعكسياً مع مربع المسافة بينهما.
      • المعادلة ذات الصلة: $\left| \vec{F}_E \right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = k \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$
    • 8.1.A.3 يعتمد اتجاه القوة الكهروستاتية على إشارات شحنات الأجسام المتفاعلة ويكون على طول خط الفصل بينهما.
      • 8.1.A.3.i جسمان لهما شحنات من نفس النوع يمارسان قوى تنافر على بعضهما البعض.
      • 8.1.A.3.ii جسمان لهما شحنات من أنواع مختلفة يمارسان قوى تجاذب على بعضهما البعض.
    • 8.1.A.4 القوى الكهربائية مسؤولة عن بعض الخصائص المجهرية للأجسام في التجارب اليومية. ومع ذلك، فإن العدد الكبير من تفاعلات الجسيمات التي تحدث يجعل من الملائم التعامل مع القوى اليومية بدلالة قوى غير أساسية تُعرف بالقوى التلامسية، مثل القوة العمودية والاحتكاك والتوتر.

    هدف التعلم 8.1.B: وصف القوى الكهربائية والجاذبية الناتجة عن التفاعلات بين الأجسام المشحونة ذات الكتلة.

    • 8.1.B.1 القوى الكهروستاتية قد تكون تجاذبية أو تنافرية، بينما القوى الجاذبية دائماً تجاذبية.
    • 8.1.B.2 لأي جسمين لهما كتلة وشحنة كهربائية، يكون مقدار القوة الجاذبية عادة أصغر بكثير من مقدار القوة الكهروستاتية.
    • 8.1.B.3 القوى الجاذبية تهيمن على النطاقات الكبيرة على الرغم من أنها أضعف من القوى الكهروستاتية، لأن الأنظمة على النطاقات الكبيرة تميل إلى أن تكون متعادلة كهربائياً.

    هدف التعلم 8.1.C: وصف السماحية الكهربائية لمادة أو وسط.

    • 8.1.C.1 السماحية الكهربائية هي مقياس لدرجة استقطاب مادة أو وسط في وجود مجال كهربائي.
    • 8.1.C.2 يمكن نمذجة الاستقطاب الكهربائي على أنه إعادة ترتيب مستحثة للإلكترونات بواسطة مجال كهربائي خارجي، مما يؤدي إلى فصل الشحنات الموجبة والسالبة داخل المادة أو الوسط.
    • 8.1.C.3 الفراغ له قيمة ثابتة للسماحية الكهربائية، $\varepsilon_0$، تظهر في العلاقات الفيزيائية.
    • 8.1.C.4 سماحية المادة لها قيمة مختلفة عن قيمة الفراغ وتنشأ من تركيب المادة وترتيبها.
      • 8.1.C.4.i في مادة معينة، يتم تحديد السماحية الكهربائية بسهولة قدرة الإلكترونات على تغيير التكوينات داخل المادة.
      • 8.1.C.4.ii الموصلات مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء حيث تتحرك حاملات الشحنة بسهولة؛ والعوازل مصنوعة من مواد غير موصلة للكهرباء حيث لا يمكن لحاملات الشحنة التحرك بسهولة.

    عبارة الحدود: يتوقع امتحان AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية من الطلاب فقط إجراء حسابات لقوة الكهربائية بين أربعة أجسام أو أنظمة مشحونة متفاعلة أو أقل. يُسمح بتحليل قوة الكهرباء الناتجة عن شحنات أكثر في حالات التماثل العالي. لاحظ أن الطلاب متوقعين حساب مجالات الكهرباء لتوزيعات الشحنات، كما هو موضح في الموضوعين 8.4 و 8.6.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Electric charge 电荷 comes in positive and negative; like charges repel, opposites attract. Charge is quantized 量子化 – every charge is a whole-number multiple of the elementary charge 基本电荷 $e=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$ – and obeys conservation of charge 电荷守恒: charge is never created or destroyed, only moved. The force between two point charges 点电荷 is Coulomb's law 库仑定律:

    $$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\,\hat{r},$$

    an inverse-square 平方反比 force along the line joining them, with $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=k=9.0\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$. For several charges (AP uses four or fewer, unless symmetry helps), add the force vectors on the charge you care about – superposition 叠加.

    Charge is a fundamental property 基本属性 of matter, and a point charge is a model that ignores the size of a charged object. The constant $\varepsilon_0$ is the permittivity of free space 真空介电常数 – a material property of the vacuum. The permittivity of matter differs from $\varepsilon_0$, set by how easily the material polarizes, which is why a dielectric between charges weakens the force. Note too that although the electric force is far stronger than gravity, gravity dominates at astronomical scales because large bodies are nearly neutral.

    Worked example. Two $+2.0\ \mu\text{C}$ charges sit $0.30\ \text{m}$ apart: $F=\dfrac{kq_1q_2}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}(2.0\times10^{-6})^2}{(0.30)^2}=0.40\ \text{N}$, repulsive.

    Worked example (vectors). Charges $+3.0\ \mu\text{C}$ and $-3.0\ \mu\text{C}$ sit at two corners of a right angle, each $0.30\ \text{m}$ from a $+1.0\ \mu\text{C}$ charge at the corner. Each exerts $F=\dfrac{(9.0\times10^{9})(3.0\times10^{-6})(1.0\times10^{-6})}{0.09}=0.30\ \text{N}$ – one a push, one a pull, at right angles to each other. The net force is $F_{\text{net}}=\sqrt{0.30^2+0.30^2}=0.42\ \text{N}$, pointing between them. Never add magnitudes blindly: components first.

    العربية

    الشحنة الكهربائية تأتي موجبة وسالبة؛ الشحنات المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب. الشحنة كمّية – كل شحنة هي مضاعف عدد صحيح من الشحنة الأولية $e=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$ – وتخضع لـ حفظ الشحنة: لا تُخلق ولا تُفنى، بل تُنقل فقط. القوة بين شحنتين نقطيتين تحكمها قانون كولوم:

    $$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\,\hat{r},$$

    قوة عكسية مربع المسافة على الخط الواصل بينهما، مع $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=k=9.0\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$. بالنسبة لعدة شحنات (يستخدم AP أربعة أو أقل، إلا إذا ساعدتنا التماثلات)، نجمع المتجهات المؤثرة على الشحنة المعنية – التراكب.

    الشحنة خاصية أساسية للمادة، والشحنة النقطية نموذج يتجاهل حجم الجسم المشحون. الثابت $\varepsilon_0$ هو السماحية المطلقة للفراغ – خاصية مادية للفضاء. تختلف سماحية المادة عن $\varepsilon_0$، حيث تحدد مدى سهولة استقطاب المادة، ولهذا السبب تقلل العازل الكهربائي بين الشحنات من القوة. لاحظ أيضًا أنه على الرغم من أن القوة الكهربائية أقوى بكثير من الجاذبية، فإن الجاذبية تهيمن على المستويات الفلكية لأن الأجسام الكبيرة تكون تقريبًا متعادل كهربائيًا.

    مثال محلول. شحنتان $+2.0\ \mu\text{C}$ تقعان على مسافة $0.30\ \text{m}$: $F=\dfrac{kq_1q_2}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}(2.0\times10^{-6})^2}{(0.30)^2}=0.40\ \text{N}$، تنافرية.

    مثال محلول (متجهات). شحنتان $+3.0\ \mu\text{C}$ و$-3.0\ \mu\text{C}$ تقعدان عند زاويتين لمثلث قائم الزاوية، كلتاهما على مسافة $0.30\ \text{m}$ من شحنة $+1.0\ \mu\text{C}$ عند الرأس. كل منهما يؤثر بقوة $F=\dfrac{(9.0\times10^{9})(3.0\times10^{-6})(1.0\times10^{-6})}{0.09}=0.30\ \text{N}$ – إحداهما تدفع والأخرى تسحب، ومتعامدتان. المحصلة تساوي $F_{\text{net}}=\sqrt{0.30^2+0.30^2}=0.42\ \text{N}$، وت pointing بينهما. لا تجمع المقدارات بشكل أعمى: حلّ المكوّنات أولاً.

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Explore the field of a source charge · ⁨استكشف حقل شحنة المصدر⁩

    Change the charge's sign and size. Lines point away from positive and toward negative, and their $1/r^2$ crowding near the charge mirrors why Coulomb's force $F = k\,|q_1 q_2|/r^2$ weakens with distance. · ⁨غيّر إشارة وشحنة. الخطوط تتجه ابتعاداً عن الموجب ونحو السالب، وتكرار $1/r^2$ لها بالقرب من الشحنة يعكس لماذا قوة كولوم $F = k\,|q_1 q_2|/r^2$ تضعف مع المسافة.⁩

    8.2

    Electric Charge and the Process of Charging · ⁨الشحنة الكهربائية وعملية الشحن⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    8.2.A
    Describe the behavior of a system using conservation of charge.

    • 8.2.A.1 The net charge or charge distribution of a system can change in response to the presence of, or changes in, the net charge or charge distribution of other systems.
      • 8.2.A.1.i The net charge of a system can change due to friction or contact between systems.
      • 8.2.A.1.ii Induced charge separation occurs when the electrostatic force between two systems alters the distribution of charges within the systems, resulting in the polarization of one or both systems.
      • 8.2.A.1.iii Induced charge separation can occur in neutral systems.
    • 8.2.A.2 Any change to a system's net charge is due to a transfer of charge between the system and its surroundings.
      • 8.2.A.2.i The charging of a system typically involves the transfer of electrons to and from the system.
      • 8.2.A.2.ii The net charge of a system will be constant unless there is a transfer of charge to or from the system.
    • 8.2.A.3 Grounding involves electrically connecting a charged object to a much larger and approximately neutral system (e.g., Earth).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    A conductor 导体 lets charge move freely; an insulator 绝缘体 holds it in place. Objects gain net charge three ways:

    • Charging by friction 摩擦起电: rubbing transfers electrons from one surface to the other.
    • Charging by conduction 传导起电: touching a charged object shares charge of the same sign.
    • Charging by induction 感应起电: a nearby charge pushes the conductor's charge apart; ground 接地 the far side, remove the ground wire first, and the conductor is left with the opposite sign – all without contact.

    An insulator cannot pass charge, but it can develop polarization 极化: its molecules stretch or turn so one face is slightly positive and the other slightly negative. That is why a charged comb picks up neutral paper scraps. An electroscope 验电器 shows net charge by its leaves repelling; on any isolated conductor the excess charge sits entirely on the outer surface.

    العربية

    الموصل يسمح للشحنة بالحركة بحرية؛ العازل يحافظ عليها في مكانها. تكتسب الأجسام شحنة صافية بثلاث طرق:

    • الشحن بالاحتكاك: يفرك ناقل الإلكترونات من سطح إلى آخر.
    • الشحن بالتوصيل: لمس جسم مشحون يشارك شحنة من نفس الإشارة.
    • الشحن بالاستحاثه: شحنة قريبة تدفع شحنات الموصل لتتباعد؛ أرضِ الجانب البعيد، وأزل سلك الأرضية أولاً، وسيبقى الموصل بشحنة من إشارة معاكسة – كل ذلك دون تلامس.

    لا يمكن للعازل نقل الشحنة، لكنه قد يُظهر استقطاباً: تمتد جزيئاته أو تدور بحيث تصبح وجهته一侧 موجبة قليلاً والأخرى سالبة قليلاً. وهذا هو سبب أن المشط المشحون يرفع رقائق الورق المحايدة. يُظهر الكشاف الكهربائي الشحنة الصافية بتنافر ورقتيه؛ في أي موصل معزول، تستقر الشحنة الزائدة بالكامل على السطح الخارجي.

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Explore charging by rubbing · ⁨استكشف الشحن بالاحتكاك⁩

    Rubbing transfers electrons onto the object, leaving it negative. A charged object then attracts a neutral wall or hair (by polarization) but repels another like-charged object — the same electron transfer behind friction, conduction, and induction. · ⁨ينقل الاحتكاك الإلكترونات إلى الجسم، مما يجعله سالباً. afterward attracts a neutral wall or hair (by polarization) but repels another like-charged object — the same electron transfer behind friction, conduction, and induction.⁩

    8.3

    Electric Fields · ⁨المجالات الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 8.3.A: Describe the electric field produced by a charged object or configuration of point charges.

    • 8.3.A.1 Electric fields may originate from charged objects.
    • 8.3.A.2 The electric field at a given point is the ratio of the electric force exerted on a test charge at the point to the charge of the test charge.
      • Relevant equation: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
      • 8.3.A.2.i A test charge is a point charge of small enough magnitude such that its presence does not significantly affect an electric field in its vicinity.
      • 8.3.A.2.ii An electric field points away from isolated positive charges and toward isolated negative charges.
      • 8.3.A.2.iii The electric force exerted on a positive test charge by an electric field is in the same direction as the electric field.
    • 8.3.A.3 The electric field is a vector quantity and can be represented in space using vector field maps.
      • 8.3.A.3.i The net electric field at a given location is the vector sum of individual electric fields created by nearby charged objects.
      • 8.3.A.3.ii Electric field maps use vectors to depict the magnitude and direction of the electric field at many locations within a given region.
      • 8.3.A.3.iii Electric field line diagrams are simplified models of electric field maps and can be used to determine the relative magnitude and direction of the electric field at any position in the diagram.

    Learning Objective 8.3.B: Describe the electric field generated by charged conductors or insulators.

    • 8.3.B.1 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of a conductor is distributed on the surface of the conductor, and the electric field within the conductor is zero.
      • 8.3.B.1.i At the surface of a charged conductor, the electric field is perpendicular to the surface.
      • 8.3.B.1.ii The electric field outside an isolated sphere with spherically symmetric charge distribution is the same as the electric field due to a point charge with the same net charge as the sphere located at the center of the sphere.
    • 8.3.B.2 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of an insulator is distributed throughout the interior of the insulator as well as at the surface, and the electric field within the insulator may have a nonzero value.
    العربية

    الهدف التعليمي 8.3.A: وصف المجال الكهربائي الناتج عن جسم مشحون أو تكوين لشحنات نقطية.

    • 8.3.A.1 قد تنشأ المجالات الكهربائية من أجسام مشحونة.
    • 8.3.A.2 المجال الكهربائي عند نقطة معينة هو نسبة القوة الكهربائية المؤثرة على شحنة اختبار عند تلك النقطة إلى شحنة شحنة الاختبار.
      • المعادلة ذات الصلة: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
      • 8.3.A.2.i شحنة الاختبار هي شحنة نقطية ذات مقدار صغير بما يكفي بحيث لا يؤثر وجودها بشكل كبير على مجال كهربائي في محيطها.
      • 8.3.A.2.ii يتجه المجال الكهربائي بعيداً عن الشحنات الموجبة المعزولة نحو الشحنات السالبة المعزولة.
      • 8.3.A.2.iii القوة الكهربائية المؤثرة على شحنة اختبار موجبة بواسطة مجال كهربائي تكون في نفس اتجاه المجال الكهربائي.
    • 8.3.A.3 المجال الكهربائي كمية متجهة ويمكن تمثيله في الفضاء باستخدام خرائط الحقول المتجهة.
      • 8.3.A.3.i المجال الكهربائي الصافي عند موقع معين هو المجموع المتجهي للحقول الكهربائية الفردية التي تنشأ عن أجسام مشحونة قريبة.
      • 8.3.A.3.ii تستخدم خرائط الحقول الكهربائية متجهات لتمثيل مقدار واتجاه المجال الكهربائي في مواقع عديدة داخل منطقة محددة.
      • 8.3.A.3.iii مخططات خطوط المجال الكهربائي هي نماذج مبسطة لخرائط الحقول الكهربائية ويمكن استخدامها لتحديد المقدار النسبي واتجاه المجال الكهربائي عند أي موضع في المخطط.

    الهدف التعليمي 8.3.B: وصف المجال الكهربائي الذي تولده الموصلات المشحونة أو العوازل.

    • 8.3.B.1 أثناء التوازن الكهروستاتيكي، تتوزع الشحنة الزائدة للموصل على سطحه، ويكون المجال الكهربائي داخله مساويًا للصفر.
      • 8.3.B.1.i عند سطح موصل مشحون، يكون المجال الكهربائي عمودياً على السطح.
      • 8.3.B.1.ii المجال الكهربائي خارج كرة معزولة ذات توزيع شحنة كروي التماثل هو نفسه المجال الكهربائي الناتج عن شحنة نقطية تحمل نفس الشحنة الصافية للكرة وتقع في مركزها.
    • 8.3.B.2 أثناء التوازن الكهروستاتيكي، تتوزع الشحنة الزائدة للعازل عبر الداخل وكذلك على السطح، وقد يأخذ المجال الكهربائي داخل العازل قيمة غير صفرية.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    The electric field of a dipole

    The electric field 电场 at a point is the force per unit charge that a small positive test charge 检验电荷 would feel there:

    $$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad \vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\,\hat{r}\ \text{(point charge)}.$$

    A charge placed in a field feels $\vec{F}=q\vec{E}$ – positive charges along the field, negative charges against it. Fields from several sources add as vectors (superposition again). Field lines 电场线 make the field visible: they point away from positive charge and toward negative, their density shows the strength, and they never cross.

    In a uniform 均匀 field a charge feels a constant force, so it accelerates uniformly – launched sideways, it follows a parabola, just like a projectile in gravity.

    العربية
    الحقل الكهربائي لثنائي قطب
    ملف تيسلا تعلوه حلقة معدنية، يقذف شرارات بنفسجية طويلة في الهواء
    ملف تيسلا يقذف الشرارات: يرفع الجهد إلى حد كبير جداً بحيث يقوم المجال الكهربائي بتمزيق هواء المحيط، وتتجاوز الشحنة كانهيار مرئي

    المجال الكهربائي عند نقطة ما هو القوة لكل وحدة شحنة التي ستشعر بها شحنة اختبار موجبة صغيرة هناك:

    $$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad \vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\,\hat{r}\ \text{(point charge)}.$$

    تُوضع شحنة في مجال فتشعر بـ$\vec{F}=q\vec{E}$ – الشحنات الموجبة على طول المجال، والشحنات السالبة ضده. تُضاف المجالات من مصادر متعددة كمتجهات (التراكب مرة أخرى). خطوط المجال تجعل المجال مرئياً: تشير بعيداً عن الشحنة الموجبة نحو السالبة، وكثافتها تبين القوة، ولا تتقاطع أبداً.

    أنماط خطوط المجال الكهربائي للألواح المتوازية، والثنائي القطب، وشحنة نقطية *أنماط خطوط المجال الكهربائي للألواح المتوازية، والثنائي، والشحنة النقطية

    خطوط المجال الكهربائي لقطب ثنائي تشير من الشحنة الموجبة إلى السالبة
    خطوط المجال الكهربائي لقطب ثنائي تشير من الشحنة الموجبة إلى السالبة

    في مجال منتظم، تشعر الشحنة بقوة ثابتة، فتتسارع بانتظام – إذا أطلقت أفقياً، تتبع مساراً قطعياً، تماماً كالجسم المقذوف في الجاذبية.

    شحنة تعبر مجالاً منتظماً تتبع مساراً قطعياً
    شحنة تعبر مجالاً منتظماً تتبع مساراً قطعياً
    شخص يلمس مولد فان دي غراف بشعره واقفًا عموديًا
    تنتشر الشحنة على القبة وعلى الشعر؛ الشحنات المتشابهة تتنافر، لذا تتباعد الخيوط
    Explore · ⁨استكشف⁩

    Explore field lines of a point charge · ⁨استكشف خطوط الحقل لشحنة نقطية⁩

    Set the charge positive or negative. Field lines start on positive and end on negative charge, never cross, and crowd together where $\vec{E}$ is strongest — the line density is proportional to the field magnitude. · ⁨حدد الشحنة لتكون موجبة أو سالبة. تبدأ خطوط المجال من الشحنة الموجبة وتنتهي عند الشحنة السالبة، ولا تتقاطع أبدًا، وتتجمع في المناطق التي يكون فيها $\vec{E}$ الأقوى — حيث تكون كثافة الخطوط متناسبة مع مقدار المجال.⁩

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    Electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ الشحنة الكهربائية
    quantized/ˈkwɒntaɪzd/ كمية
    elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ شحنة أولية
    conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ حفظ الشحنة
    point charges/pɔɪnt ˈtʃɑːdʒɪz/ الشحنات النقطية
    Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ قانون كولوم
    inverse-square/ɪnˈvɜːs skweə/ عكسي تربيعي
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ التراكب
    fundamental property/ˌfʌndəˈmentl ˈprɒpəti/ خاصية جوهرية
    permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ سماحية الفراغ
    conductor/kənˈdʌktə/ موصل
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ عازل
    Charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ الشحن بالاحتكاك
    Charging by conduction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ kənˈdʌkʃn/ الشحن بالتلامس
    Charging by induction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ɪnˈdʌkʃn/ الشحن بالاستحاث
    ground/ɡraʊnd/ الأرضية
    polarization/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ الاستقطاب
    electroscope/ɪˌlektrəʊˈskəʊp/ الكشاف الكهربائي
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ مجال كهربائي
    test charge/test tʃɑːdʒ/ شحنة اختبار
    Field lines/fiːld laɪnz/ خطوط المجال
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ موحد
    continuous charge distribution/kənˈtɪnjuːəs tʃɑːdʒ ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ توزيع شحن مستمر
    linear charge density/ˈlɪnɪə tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ كثافة الشحن الخطية
    surface charge density/ˈsɜːfɪs tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ كثافة الشحنة السطحية
    volume charge density/ˈvɒljuːm tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ كثافة الشحن الحجمية
    symmetry/ˈsɪmətri/ التناظر
    8.4

    Electric Fields of Charge Distributions · ⁨مجالات الشحن توزيعات الشحن⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 8.4.A: Describe the electric field resulting from a given charge distribution.

    • 8.4.A.1 Expressions for the electric field of specified charge distributions can be found using integration and the principle of superposition.
      • Relevant equation: $\vec{E} = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \displaystyle\int \dfrac{dq}{r^2} \hat{r}$
    • 8.4.A.2 Symmetry considerations of certain charge distributions can simplify analysis of the electric field resulting from those charge distributions.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to use calculus to find the electric field resulting from the following charge distributions and locations: an infinitely long, uniformly charged wire or cylinder at a distance from its central axis, a thin ring of charge at a location along the axis of the ring, a semicircular arc or part of a semicircular arc at its center, and a finite wire or line charge at a point collinear with the line charge or at a location along its perpendicular bisector.

    العربية

    الهدف التعليمي 8.4.A: وصف المجال الكهربائي الناتج عن توزيع شحنة محدد.

    • 8.4.A.1 يمكن إيجاد تعبيرات المجال الكهربائي لتوزيعات الشحنات المحددة باستخدام التكامل ومبدأ التراكب.
      • المعادلة ذات الصلة: $\vec{E} = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \displaystyle\int \dfrac{dq}{r^2} \hat{r}$
    • 8.4.A.2 يمكن أن تبسط اعتبارات التماثل لتوزيعات الشحنات معينة تحليل المجال الكهربائي الناتج عن تلك التوزيعات.

    عبارة الحدود: يترتب من AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية فقط استخدام الطلاب للتفاضل والتكامل لإيجاد المجال الكهربائي الناتج عن توزيعات الشحنات والمواقع التالية: سلك أو أسطوانة مشحونة بانتظام وبطول لا نهائي على مسافة من محورها المركزي، وحلقة رقيقة من الشحنات على طول محور الحلقة، وقوس نصف دائري أو جزء من قوس نصف دائري في مركزه، وسلك محدود أو شحنة خطية عند نقطة مستقيمة مع الشحنة الخطية أو عند موقع على طول منصف العمود عليها.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    For a continuous charge distribution 连续电荷分布, cut the object into pieces $dq$ and integrate their point-charge fields:

    $$\vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{dq}{r^2}\,\hat{r}.$$

    Write $dq$ using the right density: $\lambda\,dl$ with the linear charge density 线电荷密度 (a line or ring), $\sigma\,dA$ with the surface charge density 面电荷密度, or $\rho\,dV$ with the volume charge density 体电荷密度. Then use symmetry 对称性 to cancel components before integrating – that sentence is usually a scored step. AP's calculus cases: a finite line (collinear point or perpendicular bisector), an infinite wire or cylinder, a ring on its axis, and an arc at its centre.

    Worked example (ring, on axis). A ring of radius $R$ carries charge $Q$. At a point $z$ along the axis, each element is a distance $\sqrt{R^2+z^2}$ away, and by symmetry the sideways components cancel, leaving only the axial part ($\cos\alpha=z/\sqrt{R^2+z^2}$):

    $$E_z=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{R^2+z^2}\cdot\frac{z}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Qz}{(R^2+z^2)^{3/2}}.$$

    Check the limits: $E=0$ at the centre ($z=0$), and far away ($z\gg R$) it becomes $kQ/z^2$ – a point charge, as it must.

    العربية

    لتوزيع شحنة مستمر، قسّم الجسم إلى أجزاء $dq$ وأدمج مجالات الشحن النقطية:

    $$\vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{dq}{r^2}\,\hat{r}.$$

    اكتب $dq$ باستخدام الكثافة المناسبة: $\lambda\,dl$ مع كثافة الشحنة الطولية (خط أو حلقة)، $\sigma\,dA$ مع كثافة الشحنة السطحية، أو $\rho\,dV$ مع كثافة الشحنة الحجمية. ثم استخدم التماثل لإلغاء المكوّنات قبل التكامل – هذه الجملة عادة ما تكون خطوة مُدرَّجة. حالات التفاضل والتكامل في AP: خط محدود (نقطة على امتداده أو عمود منصف)، سلك أو أسطوانة لا نهائية، حلقة على محورها، وقوس عند مركزه.

    مثال محلول (حلقة، على المحور). حلقة نصف قطرها $R$ تحمل شحنة $Q$. عند نقطة $z$ على طول المحور، يكون كل عنصر على مسافة $\sqrt{R^2+z^2}$، وبسبب التماثل تلغي المكوّنات الأفقية، ويتبقى الجزء المحوري فقط ($\cos\alpha=z/\sqrt{R^2+z^2}$):

    $$E_z=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{R^2+z^2}\cdot\frac{z}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Qz}{(R^2+z^2)^{3/2}}.$$

    تحقق من الحدود: $E=0$ عند المركز ($z=0$)، وفي المسافات البعيدة ($z\gg R$) تصبح $kQ/z^2$ – شحنة نقطية، كما يجب أن تكون.

    8.5

    Electric Flux · ⁨التدفق الكهربائي⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 8.5.A: Describe the electric flux through an arbitrary area or geometric shape.

    • 8.5.A.1 Flux describes the amount of a given quantity that passes through a given area.
    • 8.5.A.2 For an electric field $\vec{E}$ that is constant across an area $\vec{A}$, the electric flux through the area is defined as $\Phi_E = \vec{E} \bullet \vec{A}$.
      • 8.5.A.2.i The direction of the area vector is defined as perpendicular to the plane of the surface and outward from a closed surface.
      • 8.5.A.2.ii The sign of flux is given by the dot product of the electric field vector and the area vector.
    • 8.5.A.3 The total electric flux passing through a surface is defined by the surface integral of the electric field over the surface.
      • Relevant equation: $\Phi_E = \displaystyle\int \vec{E} \cdot d\vec{A}$
    العربية

    الهدف التعليمي 8.5.A: وصف التدفق الكهربائي عبر مساحة أو شكل هندسي عشوائي.

    • 8.5.A.1 يصف التدفق كمية معينة من كمية ما تمر عبر مساحة محددة.
    • 8.5.A.2 بالنسبة لمجال كهربائي $\vec{E}$ ثابت عبر مساحة $\vec{A}$، يُعرف التدفق الكهربائي عبر المساحة بأنه $\Phi_E = \vec{E} \bullet \vec{A}$.
      • 8.5.A.2.i يُعرّف اتجاه متجه المساحة بأنه عمودي على مستوى السطح وخرجياً من سطح مغلق.
      • 8.5.A.2.ii تُعطى إشارة التدفق بضرب النقطي لمتجه المجال الكهربائي ومتجه المساحة.
    • 8.5.A.3 يُعرف التدفق الكهربائي الكلي المار عبر سطح بالتكامل السطحي للمجال الكهربائي على طول السطح.
      • المعادلة ذات الصلة: $\Phi_E = \displaystyle\int \vec{E} \cdot d\vec{A}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    Electric flux & Gauss's law

    Electric flux 电通量 measures how much field passes through a surface:

    $$\Phi_E=\int \vec{E}\cdot d\vec{A}.$$

    For a uniform field through a flat area, $\Phi_E=EA\cos\theta$, where the area vector 面积矢量 is perpendicular to the surface. Flux is positive where field lines exit a closed surface and negative where they enter – only the perpendicular component of $\vec{E}$ counts.

    العربية
    التدفق الكهربائي وقانون غاوس

    التدفق الكهربائي يقيس مقدار مرور المجال عبر سطح:

    $$\Phi_E=\int \vec{E}\cdot d\vec{A}.$$

    لمجال منتظم عبر مساحة مستوية، $\Phi_E=EA\cos\theta$، حيث متجه المساحة عمودي على السطح. التدفق موجب حيث تخرج خطوط المجال من سطح مغلق وسالب حيث تدخل – فقط المكوّن العمودي من $\vec{E}$ يُحسب.

    التدفق الكهربائي عبر سطح يعتمد على الزاوية بين المجال وعمود السطح
    التدفق الكهربائي عبر سطح يعتمد على الزاوية بين المجال وعمود السطح
    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    Electric flux/ɪˈlektrɪk flʌks/ التدفق الكهربائي
    area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ متجه المساحة
    Gauss's law/ˈɡaʊsɪz lɔː/ قانون غاوس
    8.6

    Gauss's Law · ⁨قانون غاوس⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 8.6.A: Describe the properties of a charge distribution by applying Gauss's law.

    • 8.6.A.1 Gauss's law relates electric flux through a Gaussian surface to the charge enclosed by that surface.
      • Relevant equations: $\Phi_E = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$ and $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$
    • 8.6.A.2 A Gaussian surface is a three-dimensional, closed surface.
    • 8.6.A.3 The total electric flux through a Gaussian surface is independent of the size of the Gaussian surface if the amount of enclosed charge remains constant.
    • 8.6.A.4 Gaussian surfaces are typically constructed such that the electric field generated by the enclosed charge is either perpendicular or parallel to different regions of the Gaussian surface, resulting in a simplified surface integral.
    • 8.6.A.5 If a function of charge density is given for a charge distribution, the total charge can be determined by integrating the charge density over the length (one dimension), area (two dimensions), or volume (three dimensions) of the charge distribution. For example: $Q_{\text{total}} = \displaystyle\int \rho(\vec{r})\, dV$
    • 8.6.A.6 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Gauss's law is Maxwell's first equation.
      • Relevant equation: $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to quantitatively apply Gauss's law to point charges and charge distributions that have spherical, cylindrical, or planar symmetry.

    العربية

    الهدف التعليمي 8.6.A: وصف خصائص توزيع الشحنة بتطبيق قانون غاوس.

    • 8.6.A.1 يرتبط قانون غاوس التدفق الكهربائي عبر سطح غاوس بالشحنة المحصورة داخل ذلك السطح.
      • المعادلات ذات الصلة: $\Phi_E = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$ و$\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$
    • 8.6.A.2 سطح غاوس هو سطح ثلاثي الأبعاد مغلق.
    • 8.6.A.3 التدفق الكهربائي الكلي عبر سطح غاوس مستقل عن حجم سطح غاوس إذا بقيت كمية الشحنة المحصورة ثابتة.
    • 8.6.A.4 تُبنى أسطح غاوس عادةً بحيث يكون المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة المحصورة إما عمودياً أو موازياً لمناطق مختلفة من سطح غاوس، مما يؤدي إلى تكامل سطحي مبسط.
    • 8.6.A.5 إذا تم إعطاء دالة لكثافة الشحنة لتوزيع شحني، يمكن تحديد الشحنة الكلية عن طريق تكامل كثافة الشحنة على الطول (بعد واحد)، أو المساحة (بعدينين)، أو الحجم (ثلاثة أبعاد) للتوزيع الشحني. مثال: $Q_{\text{total}} = \displaystyle\int \rho(\vec{r})\, dV$
    • 8.6.A.6 معادلات ماكسويل هي مجموعة المعادلات التي تصف الكهرومغناطيسية بشكل كامل. قانون غاوس هو المعادلة الأولى لماكسويل.
      • المعادلة ذات الصلة: $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$

    عبارة الحدود: في امتحان الفيزياء AP C: الكهرباء والمغناطيسية، يُتوقع من الطلاب فقط التطبيق الكمي لقانون غاوس على الشحنات النقطية وتوزيعات الشحنات ذات التماثل الكروي أو الأسطواني أو المستوي.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Gauss's law 高斯定律 – the first of Maxwell's equations – relates the flux through any closed surface to the charge inside it:

    $$\oint \vec{E}\cdot d\vec{A}=\frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}.$$

    It is true for any closed surface, but it solves for $E$ only when symmetry lets you choose a Gaussian surface 高斯面 on which $E$ is constant and perpendicular (or parallel, contributing zero). The three symmetries AP tests: spherical symmetry 球对称 (concentric sphere), cylindrical symmetry 柱对称 (coaxial cylinder), and planar symmetry 平面对称 (a straddling "pillbox").

    Worked example (sphere). Outside a sphere of total charge $Q$, a spherical Gaussian surface of radius $r$ gives $E(4\pi r^2)=Q/\varepsilon_0$, so $E=\dfrac{kQ}{r^2}$ – identical to a point charge at the centre. Inside a uniformly charged solid sphere of radius $R$, the surface encloses only $Q_{\text{enc}}=Q\,r^3/R^3$, so $E=\dfrac{kQr}{R^3}$: zero at the centre, growing linearly to the surface.

    Worked example (wire). For an infinite wire with charge per length $\lambda$, take a coaxial cylinder of radius $r$ and length $L$. The ends contribute nothing ($\vec{E}\perp d\vec{A}$), so $E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}$ and $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$. The same pillbox method gives an infinite sheet's field, $E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}$, uniform on both sides.

    Exam skill. A full-credit Gauss's-law answer has four parts: name the surface, state the symmetry argument (why $E$ is constant and perpendicular on it), count $Q_{\text{enc}}$, then solve. Skipping the symmetry sentence loses the reasoning point – and remember Gauss's law also explains why $E=0$ inside any conductor in equilibrium.

    العربية

    قانون غاوس – أول معادلات ماكسويل – يربط التدفق عبر أي سطح مغلق بالشحنة بداخله:

    $$\oint \vec{E}\cdot d\vec{A}=\frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}.$$

    يُطبق هذا على أي سطح مغلق، لكنه يُحسب $E$ فقط عندما تسمح لك التماثل باختيار سطح غاوسي يكون عليه $E$ ثابتًا وعموديًا (أو موازيًا، مما يساهم بصفر). يختبر امتحان AP ثلاثة أنواع من التماثل: التماثل الكروي (كرة متحدة المركز)، والتماثل الأسطواني (أسطوانة محورية)، والتماثل المستوي (صندوق حبوب "pillbox" يقطع السطح).

    تم اختيار سطح غاوسي ليتوافق مع تماثل الشحنة
    تم اختيار سطح غاوسي ليتوافق مع تماثل الشحنة

    مثال محلول (كرة). خارج كرة شحنتها الكلية $Q$، يعطي سطح غاوسي كروي نصف قطره $r$ قيمة $E(4\pi r^2)=Q/\varepsilon_0$، وبالتالي $E=\dfrac{kQ}{r^2}$ – وهو مطابق لشحنة نقطية في المركز. داخل كرة صلبة مشحونة بانتظام نصف قطرها $R$، يحيط السطح بـ $Q_{\text{enc}}=Q\,r^3/R^3$ فقط، لذا $E=\dfrac{kQr}{R^3}$: صفري عند المركز، ويتزايد خطيًا حتى السطح.

    مثال محلول (سلك). لسلك لا نهائي يحمل شحنة لكل وحدة طول $\lambda$، خذ أسطوانة محورية نصف قطرها $r$ وطولها $L$. الأطراف لا تساهم بشيء ($\vec{E}\perp d\vec{A}$)، لذا $E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}$ و$E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$. نفس طريقة صندوق الحبوب تعطي مجال الصفيحة اللانهائية، $E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}$، منتظمًا على كلا الجانبين.

    مهارة الامتحان. إجابة قانون غاوس التي تحصل على الدرجة الكاملة تتكون من أربعة أجزاء: تسمية السطح، وتوضيح حجة التماثل (لماذا $E$ ثابت وعمودي عليه)، وحساب $Q_{\text{enc}}$، ثم الحل. skipping الجملة المتعلقة بالتماثل يفقد نقطة البرهان – وتذكر أن قانون غاوس يفسر أيضًا سبب $E=0$ داخل أي موصل في حالة توازن.

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    Gaussian surface/ˈɡaʊʃn ˈsɜːfɪs/ سطح غاوسي
    spherical symmetry/sˈferɪkl ˈsɪmətri/ تناظر كروي
    cylindrical symmetry/sɪˈlɪndrɪkl ˈsɪmətri/ تناظر أسطواني
    planar symmetry/ˈpleɪnə ˈsɪmətri/ تناظر مستوي
    8.6

    Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

    English
    • Use Coulomb's law $F=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r^2}$ and superpose forces as vectors (components, not magnitudes).
    • For a continuous charge, integrate $d\vec E$ over $dq=\lambda\,dl,\ \sigma\,dA,\ \rho\,dV$; use symmetry to cancel components.
    • The field points away from positive and toward negative charge; draw field lines correctly.
    • Distinguish the force on a charge ($\vec F=q\vec E$) from the field the charge creates.
    • Keep the constant $k=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$ straight and check units.
    العربية
    • استخدم قانون كولوم $F=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r^2}$ واجمع القوى كـ متجهات (مكونات، وليس مقادير).
    • للشحنة المستمرة، قم بتكامل $d\vec E$ عبر $dq=\lambda\,dl,\ \sigma\,dA,\ \rho\,dV$؛ استخدم التماثل لإلغاء المكونات.
    • يشير المجال ابتعاداً عن الشحنة الموجبة ونحو الشحنة السالبة؛ ارسم خطوط المجال بشكل صحيح.
    • فرّق بين القوة المؤثرة على شحنة ($\vec F=q\vec E$) والمجال الذي تنشئه هذه الشحنة.
    • احتفظ بالثابت $k=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$ واضحاً وتحقق من الوحدات.
  • 9

    Electric Potential · ⁨الجهد الكهربائي⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    9.1

    Electric Potential Energy · ⁨الطاقة الكامنة الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 9.1.A: Describe the electric potential energy of a system.

    • 9.1.A.1 The electric potential energy of a system of two point charges equals the amount of work required for an external force to bring the point charges to their current positions from infinitely far away.
    • 9.1.A.2 The general form for the electric potential energy between two charged objects is given by the equation
      • Equation: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$.
    • 9.1.A.3 The total electric potential energy of a system can be determined by finding the sum of the electric potential energies of the individual interactions between each pair of charged objects in the system.
    العربية

    الهدف التعليمي 9.1.A: وصف الطاقة الكامنة الكهربائية لنظام ما.

    • 9.1.A.1 الطاقة الكامنة الكهربائية لنظام شحنتين نقطيتين تساوي مقدار الشغل المطلوب لقوة خارجية لإحضار الشحنات النقطية إلى مواقعها الحالية من مسافة لا نهائية.
    • 9.1.A.2 الصيغة العامة للطاقة الكامنة الكهربائية بين جسمين مشحونين معطاة بالمعادلة
      • المعادلة: $U_E = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_1 q_2}{r} = k\dfrac{q_1 q_2}{r}$.
    • 9.1.A.3 يمكن تحديد الطاقة الكامنة الكهربائية الكلية لنظام ما بإيجاد مجموع طاقات التفاعل الكهربائي لكل زوج من الأجسام المشحونة داخل النظام.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    When you push two like charges together, you do work 功 against the electric force. That work is stored by the pair as electric potential energy 电势能:

    $$U_E=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r}=k\frac{q_1 q_2}{r}.$$

    $U_E$ is defined as the work an external force must do to bring the charges from infinitely far away to a distance $r$ apart. The signs carry the physics:

    • Like charges: $U_E>0$. An outside push was needed to bring them together. If released, they fly apart, and the stored energy becomes kinetic energy 动能.
    • Opposite charges: $U_E<0$. The pair is bound. You must supply $|U_E|$ of work to pull them apart to infinity.

    The electric force is a conservative force 保守力: the work it does depends only on the start and end points, not the path, and equals $-\Delta U_E$.

    For a system 系统 of several charges, add the potential energy of every distinct pair:

    $$U_{\text{total}}=k\!\left(\frac{q_1q_2}{r_{12}}+\frac{q_1q_3}{r_{13}}+\frac{q_2q_3}{r_{23}}\right).$$

    Worked example. Three $+2.0\ \mu\text{C}$ charges sit at the corners of an equilateral triangle with sides $0.30\ \text{m}$. Each pair stores $U=\dfrac{kq^2}{r}=\dfrac{(9.0\times10^{9})(2.0\times10^{-6})^2}{0.30}=0.12\ \text{J}$. There are three pairs, so $U_{\text{total}}=3\times0.12\ \text{J}=0.36\ \text{J}$. This is the work needed to assemble the triangle from infinity – and the kinetic energy the charges would share if all three were released.

    العربية

    عندما تدفع شحنتين متماثلتين نحو بعضهما البعض، فإنك تبذل شغلاً ضد القوة الكهربائية. يُخزن هذا الشغل من قبل الزوج على شكل طاقة كامنة كهربائية:

    $$U_E=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r}=k\frac{q_1 q_2}{r}.$$

    يُعرف $U_E$ بأنه الشغل الذي يجب أن تقوم به قوة خارجية لنقل الشحنات من مسافة لا نهائية إلى مسافة $r$ بينها. تحمل الإشارات المعنى الفيزيائي:

    • شحنات متماثلة: $U_E>0$. كان هناك دفع خارجي مطلوب لتجميعها معاً. إذا تم إطلاقها، ستتباعد، وتتحول الطاقة المخزنة إلى طاقة حركية.
    • شحنات متعاكسة: $U_E<0$. الزوج مرتبط. يجب عليك توفير $|U_E|$ من الشغل لفصلهما إلى ما لا نهاية.

    القوة الكهربائية هي قوة محتفظة: يعتمد الشغل الذي تقوم به فقط على النقطتين البداية والنهاية، وليس المسار، ويساوي $-\Delta U_E$.

    بالنسبة لـ نظام من عدة شحنات، اجمع الطاقة الكامنة لكل زوج مميز:

    $$U_{\text{total}}=k\!\left(\frac{q_1q_2}{r_{12}}+\frac{q_1q_3}{r_{13}}+\frac{q_2q_3}{r_{23}}\right).$$

    مثال محلول. ثلاث شحنات $+2.0\ \mu\text{C}$ تقع في زوايا مثلث متساوي الأضلاع أطوال أضلاعه $0.30\ \text{m}$. كل زوج يخزن $U=\dfrac{kq^2}{r}=\dfrac{(9.0\times10^{9})(2.0\times10^{-6})^2}{0.30}=0.12\ \text{J}$. هناك ثلاثة أزواج، لذا $U_{\text{total}}=3\times0.12\ \text{J}=0.36\ \text{J}$. هذا هو الشغل اللازم لتجميع المثلث من ما لا نهاية – والطاقة الحركية التي ستشاركها الشحنات إذا تم إطلاق الثلاثة جميعاً.

    9.2

    Electric Potential · ⁨الجهد الكهربائي⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 9.2.A: Describe the electric potential due to a configuration of charged objects.

    • 9.2.A.1 Electric potential describes the electric potential energy per unit charge at a point in space.
    • 9.2.A.2 Expressions for the electric potential of charge distributions can be found using integration and the principle of superposition.
      • Equation: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int \dfrac{dq}{r}$
      • 9.2.A.2.i The electric potential for single point charge is
        • Equation: $V = \dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}$.
      • 9.2.A.2.ii The electric potential due to multiple point charges can be determined by the principle of scalar superposition of the electric potential due to each of the point charges.
        • Equation: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\sum_i \dfrac{q_i}{r_i}$
    • 9.2.A.3 The electric potential difference between two points is the change in electric potential energy per unit charge when a test charge is moved between the two points.
      • Equation: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
    • 9.2.A.4 Electric potential difference may also result from chemical processes that cause positive and negative charges to separate, such as in a battery.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to use calculus to find the electric potential resulting from the following charge distributions and locations: an infinitely long, uniformly charged wire or cylinder at a distance from its central axis, a thin ring of charge at a location along the axis of the ring, a semicircular arc or part of a semicircular arc at its center, and a finite wire or line charge at a point collinear with the line charge or at a location along its perpendicular bisector.

    Learning Objective 9.2.B: Describe the relationship between electric potential and electric field.

    • 9.2.B.1 The value of an electric field component in any direction at a given location is equal to the negative of the spatial rate of change in electric potential at that location.
      • Equation: $E_x = -\dfrac{dV}{dx}$
    • 9.2.B.2 The change in electric potential between two points can be determined by integrating the dot product of the electric field and the displacement along the path connecting the points.
      • Equation: $\Delta V = V_b - V_a = -\displaystyle\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}$
    • 9.2.B.3 Electric field vector maps and equipotential lines are tools to describe the field produced by a charge or configuration of charges and can be used to predict the motion of charged objects in the field.
      • 9.2.B.3.i Equipotential lines represent lines of equal electric potential. These lines are also referred to as isolines of electric potential.
      • 9.2.B.3.ii Isolines are perpendicular to electric field vectors. An isoline map of electric potential can be constructed from an electric field vector map, and an electric field map may be constructed from an isoline map.
      • 9.2.B.3.iii An electric field vector points in the direction of decreasing potential.
      • 9.2.B.3.iv There is no component of an electric field along an isoline.
    العربية

    الهدف التعليمي 9.2.A: وصف الجهد الكهربائي الناتج عن ترتيب لأجسام مشحونة.

    • 9.2.A.1 يصف الجهد الكهربائي الطاقة الكامنة الكهربائية لكل وحدة شحنة عند نقطة في الفضاء.
    • 9.2.A.2 يمكن إيجاد تعبيرات للجهد الكهربائي لتوزيعات الشحنات باستخدام التكامل ومبدأ التراكب.
      • المعادلة: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int \dfrac{dq}{r}$
      • 9.2.A.2.i الجهد الكهربائي لشحنة نقطية واحدة هو
        • المعادلة: $V = \dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}$.
      • 9.2.A.2.ii يمكن تحديد الجهد الكهربائي الناتج عن عدة شحنات نقطية عن طريق مبدأ التراكب القياسي للجهد الكهربائي لكل شحنة نقطية.
        • معادلة: $V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\sum_i \dfrac{q_i}{r_i}$
    • 9.2.A.3 فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين هو التغير في الطاقة الكامنة الكهربائية لكل وحدة شحنة عندما يتم تحريك شحنة اختبار بين النقطتين.
      • المعادلة: $\Delta V = \dfrac{\Delta U_E}{q}$
    • 9.2.A.4 قد ينتج فرق الجهد الكهربائي أيضًا عن عمليات كيميائية تسبب فصل الشحنات الموجبة والسالبة، كما يحدث في البطارية.

    عبارة الحدود: في امتحان الفيزياء AP C: الكهرباء والمغناطيسية، يُتوقع من الطلاب استخدام التفاضل والتكامل لإيجاد الجهد الكهربائي الناتج عن توزيعات الشحنات والمواقع التالية: سلك أو أسطوانة مشحونة بانتظام وبطول لا نهائي على بُعد من محورها المركزي، حلقة رقيقة مشحونة على طول محور الحلقة، قوس نصف دائري أو جزء منه عند مركزه، وسلك محدود أو شحنة خطية عند نقطة تقع على امتداد الخط أو عند موقع على طول نصفه العمودي.

    الهدف التعليمي 9.2.B: وصف العلاقة بين الجهد الكهربائي والمجال الكهربائي.

    • 9.2.B.1 قيمة مركبة المجال الكهربائي في أي اتجاه عند موقع معين تساوي سالب المعدل المكاني للتغير في الجهد الكهربائي عند ذلك الموقع.
      • المعادلة: $E_x = -\dfrac{dV}{dx}$
    • 9.2.B.2 يمكن تحديد التغير في الجهد الكهربائي بين نقطتين عن طريق تكامل الضرب القياسي للمجال الكهربائي والإزاحة على طول المسار الذي يربط النقطتين.
      • المعادلة: $\Delta V = V_b - V_a = -\displaystyle\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}$
    • 9.2.B.3 خرائط متجهات المجال الكهربائي والخطوط المتساوية الجهد هي أدوات لوصف المجال الناتج عن شحنة أو ترتيب شحنات ويمكن استخدامها للتنبؤ بحركة الأجسام المشحونة في المجال.
      • 9.2.B.3.i الخطوط المتساوية الجهد تمثل خطوطًا ذات جهد كهربائي متساوٍ. تُشار إلى هذه الخطوط أيضًا باسم خطوط العزل للجهد الكهربائي.
      • 9.2.B.3.ii خطوط العزل عمودية على متجهات المجال الكهربائي. يمكن إنشاء خريطة للخطوط المتساوية الجهد من خريطة متجهات المجال الكهربائي، ويمكن إنشاء خريطة للمجال الكهربائي من خريطة خطوط العزل.
      • 9.2.B.3.iii يشير متجه المجال الكهربائي في اتجاه تناقص الجهد.
      • 9.2.B.3.iv لا توجد مركبة للمجال الكهربائي على طول خط العزل.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Electric potential 电势 is electric potential energy per unit charge at a point in space. It is measured in volts ($1\ \text{V}=1\ \text{J/C}$):

    $$V=\frac{U_E}{q},\qquad V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r}\ \text{(point charge)}.$$

    Potential is a scalar 标量: it has a sign but no direction. This makes $V$ far easier to work with than the field $\vec{E}$. For several point charges 点电荷, use scalar superposition 叠加 – add the potentials with their signs:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_i \frac{q_i}{r_i}.$$

    Worked example. The potential $0.10\ \text{m}$ from a $+3.0\ \text{nC}$ point charge is $V=\dfrac{kq}{r}=\dfrac{9.0\times10^{9}(3.0\times10^{-9})}{0.10}=270\ \text{V}$. Now add a $-3.0\ \text{nC}$ charge $0.30\ \text{m}$ from the same point: it contributes $\dfrac{9.0\times10^{9}(-3.0\times10^{-9})}{0.30}=-90\ \text{V}$, so the total is $270-90=180\ \text{V}$. Just a signed sum – no vector components to resolve.

    Continuous charge distributions

    For a continuous charge distribution 连续电荷分布, cut it into small pieces $dq$, treat each piece as a point charge, and integrate 积分:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{r}.$$

    This is a scalar integral, so it is usually much easier than the field integral. AP expects you to handle four shapes with calculus: a thin ring (at a point on its axis), an arc (at its centre), a finite line or wire (collinear, or on its perpendicular bisector), and an infinitely long wire or cylinder (at a distance from its axis).

    Worked example (ring of charge). A thin ring of radius $R$ carries total charge $Q$. For a point $P$ on the axis a distance $z$ from the centre, every element $dq$ sits at the same distance $r=\sqrt{R^2+z^2}$ from $P$. The distance is constant, so it comes out of the integral:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{\sqrt{R^2+z^2}}.$$

    On an FRQ, say that $r$ is the same for every element – that statement is the marked step. The same idea gives $V=kQ/R$ at the centre of any arc, whatever its angle.

    From potential to field

    Potential and field contain the same information, linked by a derivative in each direction and by a path integral:

    $$E_x=-\frac{dV}{dx},\qquad \Delta V=V_b-V_a=-\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}.$$

    The field is the negative gradient 梯度 of the potential: $\vec{E}$ points from high potential to low potential, "downhill". Where $V$ changes quickly, the field is strong.

    Worked example. Along the $x$-axis, $V(x)=3x^{2}-2x$ (volts, with $x$ in metres). Then $E_x=-\dfrac{dV}{dx}=2-6x\ \text{V/m}$. At $x=0.50\ \text{m}$, $E_x=-1.0\ \text{V/m}$: the field there points in the $-x$ direction.

    The potential difference 电势差 between two points is the change in potential energy per unit charge moved between them: $\Delta V=\Delta U_E/q$. A battery makes a potential difference chemically: reactions inside separate positive from negative charge and hold the terminals a fixed $\Delta V$ apart.

    Equipotential maps

    An equipotential 等势面 line (also called an isoline 等值线) joins points that share the same potential. Four rules let you read any map:

    • Isolines are perpendicular 垂直 to field lines 电场线 everywhere they cross.
    • $\vec{E}$ points from high $V$ to low $V$ – never along an isoline. Moving a charge along an isoline takes no work.
    • Closely spaced isolines mean a strong field: $E\approx-\Delta V/\Delta x$.
    • You can sketch the field map from an isoline map, and the isoline map from a field map.

    Exam skill. Given a map with isolines every $10\ \text{V}$ spaced about $2\ \text{cm}$ apart, estimate $E\approx\dfrac{10}{0.02}=500\ \text{V/m}$, pointing from the higher-value line to the lower one. The work an external agent does moving a charge $q$ slowly from $A$ to $B$ is $W=q(V_B-V_A)$ – the path taken does not matter.

    العربية

    الجهد الكهربائي هو الطاقة الكامنة الكهربائية لكل وحدة شحنة عند نقطة في الفضاء. يُقاس بالفولت ($1\ \text{V}=1\ \text{J/C}$):

    $$V=\frac{U_E}{q},\qquad V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r}\ \text{(point charge)}.$$

    الجهد كمية قياسية: له إشارة ولكن ليس له اتجاه. هذا يجعل $V$ أسهل بكثير في التعامل معه من المجال $\vec{E}$. بالنسبة لعدة شحنات نقطية، استخدم الجمع القياسي – اجمع الجهود مع إشاراتها:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\sum_i \frac{q_i}{r_i}.$$

    مثال محلول. الجهد $0.10\ \text{m}$ الناتج عن شحنة نقطية $+3.0\ \text{nC}$ هو $V=\dfrac{kq}{r}=\dfrac{9.0\times10^{9}(3.0\times10^{-9})}{0.10}=270\ \text{V}$. الآن أضف شحنة $-3.0\ \text{nC}$ بمسافة $0.30\ \text{m}$ من نفس النقطة: تساهم بـ $\dfrac{9.0\times10^{9}(-3.0\times10^{-9})}{0.30}=-90\ \text{V}$، لذا المجموع الكلي هو $270-90=180\ \text{V}$. مجرد مجموع موجه بإشاراته – لا توجد مكونات متجهة تحتاج إلى تحليل.

    توزيعات الشحنة المستمرة

    بالنسبة لتوزيع شحنة مستمرة، قسّمه إلى قطع صغيرة $dq$، واعتبر كل قطعة كشحنة نقطية، وقم بـتكامل:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{r}.$$

    هذا تكامل قياسي، لذا فهو عادةً أسهل بكثير من تكامل المجال. يتوقع امتحان AP منك التعامل مع أربعة أشكال باستخدام التفاضل والتكامل: حلقة رقيقة (عند نقطة على محورها)، وقوس (في مركزه)، وخط أو سلك محدود (على استقامته، أو على عمود منصفه)، وسلك أو أسطوانة لا نهائية (على مسافة من محورها).

    حلقة من الشحنة: كل عنصر dq على نفس المسافة من نقطة المحور
    حلقة من الشحنة: كل عنصر dq على نفس المسافة من نقطة المحور

    مثال محلول (حلقة الشحنة). حلقة رقيقة نصف قطرها $R$ تحمل شحنة كلية $Q$. بالنسبة لنقطة $P$ على المحور على مسافة $z$ من المركز، يقع كل عنصر $dq$ على نفس المسافة $r=\sqrt{R^2+z^2}$ من $P$. المسافة ثابتة، لذا تخرج من التكامل:

    $$V=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Q}{\sqrt{R^2+z^2}}.$$

    في سؤال FRQ، قل أن $r$ هو نفسه لكل عنصر – هذه العبارة هي الخطوة المُدرجة. نفس الفكرة تعطي $V=kQ/R$ في مركز أي قوس، بغض النظر عن زاويته.

    من الجهد إلى المجال

    يحتوي الجهد والمجال على نفس المعلومات، مرتبطين بمشتق في كل اتجاه وبتكامل مسار:

    $$E_x=-\frac{dV}{dx},\qquad \Delta V=V_b-V_a=-\int_a^b \vec{E}\cdot d\vec{r}.$$

    المجال هو التدرج السلبي للجهد: $\vec{E}$ يشير من جهد عالٍ إلى جهد منخفض، "للأسفل". حيث يتغير $V$ بسرعة، يكون المجال قوياً.

    مثال محلول. على طول محور $x$، الجهد $V(x)=3x^{2}-2x$ (فولت، مع $x$ بالمتر). إذن $E_x=-\dfrac{dV}{dx}=2-6x\ \text{V/m}$. عند $x=0.50\ \text{m}$، $E_x=-1.0\ \text{V/m}$: المجال عند ذلك النقطة يشير في اتجاه $-x$.

    في مجال منتظم ينخفض الجهد تدريجياً مع المسافة
    في مجال منتظم ينخفض الجهد تدريجياً مع المسافة

    فرق الجهد بين نقطتين هو التغير في الطاقة الكامنة لكل وحدة شحنة مُنقلة بينهما: $\Delta V=\Delta U_E/q$. البطارية تصنع فرق جهد كيميائياً: التفاعلات الداخلية تفصل الشحنة الموجبة عن السالبة وتحافظ على الأقطاب على مسافة ثابتة $\Delta V$.

    الجهد بالقرب من شحنة نقطية يتغير بالنسبة لـ 1/r
    الجهد بالقرب من شحنة نقطية يتغير بالنسبة لـ 1/r

    خرائط الجهد المتساوي

    خط الجهد المتساوي (يُسمى أيضًا خطوط العزل) يربط نقاطًا تتشارك في نفس الجهد. أربع قواعد تُمكّنك من قراءة أي خريطة:

    • خطوط العزل تكون عمودية على خطوط الحقل في كل مكان تقاطعها.
    • $\vec{E}$ يتجه من $V$ مرتفع إلى $V$ منخفض – لا يمشي أبدًا على طول خط عزل. نقل شحنة على طول خط عزل لا يتطلب عملًا.
    • خطوط العزل المتقاربة تعني حقلًا قويًا: $E\approx-\Delta V/\Delta x$.
    • يمكنك رسم خريطة الحقل من خريطة خطوط العزل، ورسم خريطة خطوط العزل من خريطة الحقل.
    خطوط الجهد المتساوي حول ثنائي القطب تتقاطع مع خطوط الحقل بزاوية قائمة
    خطوط الجهد المتساوي حول ثنائي القطب تتقاطع مع خطوط الحقل بزاوية قائمة

    مهارة الامتحان. عند إعطائك خريطة بخطوط تساوي كل $10\ \text{V}$ متباعدة بمقدار $2\ \text{cm}$ تقريباً، قدر $E\approx\dfrac{10}{0.02}=500\ \text{V/m}$، وهو اتجاه ينطلق من الخط ذي القيمة الأعلى نحو الخط ذي القيمة الأقل. الشغل الذي يقوم به عامل خارجي لنقل شحنة $q$ ببطء من $A$ إلى $B$ هو $W=q(V_B-V_A)$ – حيث لا يهم المسار المتبع.

    أسلاك الكهرباء ذات الجهد العالي: الطاقة الكامنة الكهربائية تتحول وتُنقل كتيار بجهد عالٍ
    أسلاك الكهرباء ذات الجهد العالي: الطاقة الكامنة الكهربائية تتحول وتُنقل كتيار بجهد عالٍ
    Explore · ⁨استكشف⁩

    Field lines and the potential around a charge · ⁨خطوط الحقل والجهد الكهربائي حول شحنة⁩

    Electric potential is the energy per unit charge. It falls off with distance from a positive charge; the field lines point from high potential to low. · ⁨الجهد الكهربائي هو الطاقة لكل وحدة شحنة. ينخفض مع المسافة عن شحنة موجبة؛ وتتشعب خطوط الحقل من الجهد العالي إلى المنخفض.⁩

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    work/wɜːk/ شغل
    electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ طاقة الجهد الكهربائي
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ الطاقة الحركية
    conservative force/kənˈsɜːvətɪv fɔːs/ قوة محافظة
    system/ˈsɪstəm/ نظام
    Electric potential/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl/ الجهد الكهربائي
    scalar/ˈskeɪlə/ كمية قياسية
    point charges/pɔɪnt ˈtʃɑːdʒɪz/ الشحنات النقطية
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ التراكب
    continuous charge distribution/kənˈtɪnjuːəs tʃɑːdʒ ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ توزيع شحن مستمر
    integrate/ˈɪntɪɡreɪt/ تكامل
    gradient/ˈɡreɪdɪənt/ الميل
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ فرق الجهد
    equipotential/ˌiːkwɪpəˈtenʃl/ متساوي الجهد
    isoline/ˈaɪsəliːn/ خط متساوي
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ عمودية
    field lines/fiːld laɪnz/ خطوط المجال
    9.3

    Conservation of Electric Energy · ⁨حفظ الطاقة الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 9.3.A: Describe changes in a system due to a difference in electric potential between two locations.

    • 9.3.A.1 When a charged object moves between two locations with different electric potentials, the resulting change in the electric potential energy of the object-field system is given by the following equation.
      • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 9.3.A.2 The movement of a charged object between two points with different electric potentials results in a change in kinetic energy of the object consistent with the conservation of energy.
    العربية

    الهدف التعليمي 9.3.A: وصف التغيرات في نظام ما بسبب فرق الجهد الكهربائي بين موقعين.

    • 9.3.A.1 عندما يتحرك جسم مشحون بين موقعين مختلفين في الجهد الكهربائي، يكون التغير الناتج في الطاقة الكامنة الكهربائية لنظام الجسم-المجال معطى بالمعادلة التالية.
      • المعادلة: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 9.3.A.2 يؤدي حركة جسم مشحون بين نقطتين مختلفتين في الجهد الكهربائي إلى تغير في الطاقة الحركية للجسم يتوافق مع مبدأ حفظ الطاقة.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    When a charge $q$ moves between two points that differ in potential by $\Delta V$, the potential energy of the charge–field system changes by

    $$\Delta U_E=q\,\Delta V.$$

    If only the electric force acts, total energy is conserved, so the kinetic energy changes by the opposite amount:

    $$\Delta K=-\Delta U_E=-q\,\Delta V.$$

    Watch the two signs together: a positive charge speeds up when it moves to lower potential, while a negative charge speeds up when it moves to higher potential. Both are just the system trading potential energy for kinetic energy. This is how particle accelerators give charged particles their energy, and it underlies energy analysis in circuits.

    Worked example. A proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) starts at rest and is accelerated through a potential drop of $500\ \text{V}$ (it moves to lower potential, so $\Delta V=-500\ \text{V}$ and $\Delta K=-q\,\Delta V=+8.0\times10^{-17}\ \text{J}$). Setting $\Delta K=\tfrac12 mv^2$:

    $$v=\sqrt{\frac{2(8.0\times10^{-17})}{1.67\times10^{-27}}}=3.1\times10^{5}\ \text{m/s}.$$

    Exam skill. Choose energy methods, not kinematics, whenever the field is non-uniform or the path curves: only the end-point potentials matter. A typical FRQ chain is $q\,\Delta V \to \Delta K \to v$, with one line of justification: "the electric force is conservative, so energy is conserved."

    العربية

    عندما تنتقل شحنة $q$ بين نقطتين differ في الجهد بمقدار $\Delta V$، تتغير طاقة الجهد لنظام الشحنة-الحقل بمقدار

    $$\Delta U_E=q\,\Delta V.$$

    إذا كان القوة الكهربائية فقط هي المؤثرة، فإن الطاقة الكلية محفوظة، لذا تتغير الطاقة الحركية بمقدار معاكس:

    $$\Delta K=-\Delta U_E=-q\,\Delta V.$$

    راقب الإشارتين معًا: الشحنة الموجبة تسرع عندما تنتقل إلى جهد أدنى، بينما الشحنة السالبة تسرع عندما تنتقل إلى جهد أعلى. كلاهما مجرد تبادل للنظام للطاقة الكامنة بالطاقة الحركية. هكذا تمنج مسرعات الجسيمات جسيماتها المشحونة طاقتها، وهذا يكمن تحت تحليل الطاقة في الدوائر.

    مثال محلول. بروتون ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$، $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) يبدأ من السكون ويتسارع عبر انخفاض جهد قدره $500\ \text{V}$ (يتحرك نحو جهد أقل، لذا $\Delta V=-500\ \text{V}$ و $\Delta K=-q\,\Delta V=+8.0\times10^{-17}\ \text{J}$). وضع $\Delta K=\tfrac12 mv^2$:

    $$v=\sqrt{\frac{2(8.0\times10^{-17})}{1.67\times10^{-27}}}=3.1\times10^{5}\ \text{m/s}.$$

    مهارة الامتحان. اختر طرق الطاقة، وليس الديناميكيات، كلما كان الحقل غير منتظم أو المسار منحنيًا: فقط جهود النقاط النهائية مهمة. سلسلة الأسئلة المفتوحة النموذجية هي $q\,\Delta V \to \Delta K \to v$، مع سطر واحد من التبرير: "القوة الكهربائية محتفظة، لذا الطاقة محفوظة."

    9.3

    Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

    English
    • Relate field and potential by $V=-\int \vec E\cdot d\vec l$ and $\vec E=-\nabla V$ (in 1-D, $E_x=-\tfrac{dV}{dx}$).
    • Potential is a scalar — add contributions with signs, no vector components needed.
    • Potential energy of a pair is $U=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r}$; use energy conservation for a charge's speed.
    • Know that no work is done moving along an equipotential, which is perpendicular to $\vec E$.
    • Choose the zero of potential (usually infinity) and state it.
    العربية
    • اربط المجال بالجهد باستخدام $V=-\int \vec E\cdot d\vec l$ و $\vec E=-\nabla V$ (في 1-D، $E_x=-\tfrac{dV}{dx}$).
    • الجهد كمية قياسية — اجمع المساهمات بالإشارات، دون الحاجة لمكونات متجهة.
    • طاقة الجهد للزوج هي $U=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r}$؛ استخدم حفظ الطاقة لحسر سرعة الشحنة.
    • اعرف أنه لا يُبذل عمل عند التحرك على طول سطح الجهد المتساوي، وهو عمودي على $\vec E$.
    • اختر صفر الجهد (عادةً ما لا نهاية) وأذكره.
  • 10

    Conductors and Capacitors · ⁨الموصلات والمكثفات⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    10.1

    Electrostatics with Conductors · ⁨الكهروستاتيكا مع الموصلات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    10.1.A
    Describe the charge distribution within a conductor.

    • 10.1.A.1 An ideal conductor is a material in which electrons are able to move freely.
    • 10.1.A.2 When a conductor is in electrostatic equilibrium, mutual repulsion of excess charge carriers results in those charge carriers residing entirely on the surface of the conductor.
      • 10.1.A.2.i In a conductor with a negative net charge, excess electrons reside on the surface of the conductor.
      • 10.1.A.2.ii In a conductor with a positive net charge, the surface becomes deficient in electrons, and can be modeled as if positive charge carriers reside on the surface of the conductor.
    • 10.1.A.3 Excess charges will move to the surface of a conductor to create a state of electrostatic equilibrium within the conductor.
      • 10.1.A.3.i The time interval over which charges reach electrostatic equilibrium within a conductor is so short as to be negligible.
      • 10.1.A.3.ii When a conductor reaches electrostatic equilibrium, all points on the surface of the conductor have the same electric potential, and the conductor becomes an equipotential surface.
      • 10.1.A.3.iii The charge density on the surface of a conductor will be greater where there are points or edges compared to planar areas.
    • 10.1.A.4 All excess charges reside on the surface of a conductor, which means there is no net charge in the interior of the conductor, and the electric field is zero within the conductor.
    • 10.1.A.5 The electric field is perpendicular to the outer surface of a conductor.
    • 10.1.A.6 A conductor can be polarized in the presence of an external electric field. This is a consequence of the conductor remaining an equipotential surface.
    • 10.1.A.7 Electrostatic shielding is the process of surrounding an area with a closed, conducting shell to create a region inside the conductor that is free from external electric fields.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    In an ideal conductor 导体, electrons move freely. Put extra charge on one and the charges repel each other until, almost instantly, they settle into electrostatic equilibrium 静电平衡. In that state the conductor has four properties you must be able to state and use:

    • The electric field inside the conductor is zero. If it were not, free electrons would still be moving.
    • All excess charge sits on the surface. (Negative net charge = extra electrons on the surface; positive = a shortage of electrons there.)
    • The field just outside is perpendicular 垂直 to the surface, with magnitude $E=\sigma/\varepsilon_0$. Any parallel component would push charge sideways along the surface.
    • The whole conductor is one equipotential surface 等势面: every point, inside and on the surface, is at the same potential.

    Charge density is largest where the surface curves sharply – at points and edges – so the outside field is strongest there. In an external field a conductor polarizes: charge shifts on its surface so that the interior stays field-free and the body stays an equipotential. Surrounding a region with a closed conducting shell keeps outside fields out entirely – electrostatic shielding 静电屏蔽, the idea behind the Faraday cage 法拉第笼.

    العربية

    في موصل مثالي، تتحرك الإلكترونات بحرية. ضع شحنة زائدة على طرف منه وتتنافر الشحنات مع بعضها البعض حتى تستقر، شبه فوريًا، في توازن كهروستاتيكي. في تلك الحالة للموصل أربعة خصائص يجب أن تكون قادرًا على ذكرها واستخدامها:

    • الحقل الكهربائي داخل الموصل يساوي الصفر. لو لم يكن كذلك، لا تزال الإلكترونات الحرة ستتحرك.
    • كل الشحنة الزائدة تقع على السطح. (شحنة سالبة صافية = إلكترونات زائدة على السطح؛ موجبة = نقص في الإلكترونات هناك.)
    • الحقل مباشرةً خارجاً هو عمودي على السطح، ومقداره $E=\sigma/\varepsilon_0$. أي مكون موازي سيدفع الشحنة جانبياً على طول السطح.
    • الموصل بأكمله هو سطح جهد متساوي: كل نقطة، داخله وعلى سطحه، تكون عند نفس الجهد.

    الكثافة الشحنية تكون أكبر حيث ينحني السطح بشدة – عند النقاط والحواف – لذا يكون الحقل الخارجي الأقوى هناك. في حقل خارجي، يتقطب الموصل: تنزاح الشحنات على سطحه بحيث يبقى الداخل خالياً من الحقل ويبقى الجسم سطح جهد متساوي. إحاطة منطقة بغلاف موصل مغلق يحفظ الحقول الخارجية خارجًا تمامًا – الحجب الكهروستاتيكي، الفكرة وراء قفص فاراداي.

    10.2

    Redistribution of Charge Between Conductors · ⁨إعادة توزيع الشحنة بين الموصلات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 10.2.A: Describe the movement of charge and the resulting interactions when conductors physically contact each other.

    • 10.2.A.1 When conductors are in electrical contact, charges will be redistributed such that the surfaces of each conductor are at the same electric potential.
    • 10.2.A.2 Ground is an idealized reference point that has zero electric potential and can absorb or provide an infinite amount of charge without changing its electric potential.
    • 10.2.A.3 Charge can be induced on a conductor by grounding the conductor in the presence of an external electric field.
    العربية

    هدف التعلم 10.2.A: وصف حركة الشحنة والتفاعلات الناتجة عندما تتلامس الموصلات جسديًا مع بعضها البعض.

    • 10.2.A.1 عندما تكون الموصلات في تلامس كهربائي، سيتم إعادة توزيع الشحنات بحيث تكون أسطح كل موصل عند نفس الجهد الكهربائي.
    • 10.2.A.2 الأرض (Ground) نقطة مرجعية مثالية ذات جهد كهربائي صفر ويمكنها امتصاص أو توفير كمية لا نهائية من الشحنة دون تغيير جهدها الكهربائي.
    • 10.2.A.3 يمكن تحريض شحنة على موصل عن طريق توصيل الموصل بالأرض في وجود مجال كهربائي خارجي.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    When two conductors touch (or are wired together), charge flows between them until both surfaces reach the same potential – that is the stopping condition, not "equal charges". A larger sphere holds more charge at the same potential ($V=kQ/R$), so it takes the larger share.

    Worked example. A small sphere of radius $R$ carrying $+6.0\ \mu\text{C}$ touches a distant sphere of radius $2R$, then they separate. Equal potentials require $\dfrac{kq_1}{R}=\dfrac{kq_2}{2R}$, so $q_2=2q_1$. With $q_1+q_2=6.0\ \mu\text{C}$: $q_1=2.0\ \mu\text{C}$ and $q_2=4.0\ \mu\text{C}$.

    Ground 接地 is an idealized reference at zero potential that can absorb or supply any amount of charge. Grounding a conductor while an external charge is nearby leaves the conductor with a net induced charge 感应电荷: the external field pushes charge of one sign to ground, and cutting the ground wire before removing the external charge traps the rest.

    العربية

    عند تلامس موصلين (أو توصيلهما بسلك)، تتدفق الشحنة بينهما حتى يصل كلا السطحين إلى نفس الجهد – هذا هو شرط التوقف، وليس "الشحنات المتساوية". كرة أكبر تحمل شحنة أكثر عند نفس الجهد ($V=kQ/R$)، لذا تأخذ الحصة الأكبر.

    مثال محلول. كرة صغيرة نصف قطرها $R$ تحمل شحنة $+6.0\ \mu\text{C}$ تلمس كرة بعيدة نصف قطرها $2R$، ثم تنفصل. تتطلب تساوي الجهود $\dfrac{kq_1}{R}=\dfrac{kq_2}{2R}$، لذا $q_2=2q_1$. مع $q_1+q_2=6.0\ \mu\text{C}$: $q_1=2.0\ \mu\text{C}$ و $q_2=4.0\ \mu\text{C}$.

    الأرض مرجع مثالي عند جهد صفر يمكنه امتصاص أو تزويد أي كمية من الشحنة. توصيل موصل بالأرض أثناء وجود شحنة خارجية قريبة يترك الموصل بشحنة مستحثة صافية: يدفع الحقل الخارجي شحنات من علامة معينة إلى الأرض، وقطع سلك الأرض قبل إزالة الشحنة الخارجية يحبس الباقي.

    10.3

    Capacitors · ⁨المكثفات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 10.3.A: Describe the physical properties of a parallel-plate capacitor.

    • 10.3.A.1 A parallel-plate capacitor consists of two separated parallel conducting surfaces that can hold equal amounts of charge with opposite signs.
    • 10.3.A.2 Capacitance relates the magnitude of the charge stored on each plate to the electric potential difference created by the separation of those charges.
      • Equation: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
      • 10.3.A.2.i The capacitance of a capacitor depends only on the physical properties of the capacitor, such as the capacitor's shape and the material used to separate the plates.
      • 10.3.A.2.ii The capacitance of a parallel-plate capacitor is proportional to the area of one of its plates and inversely proportional to the distance between its plates. The constant of proportionality is the product of the dielectric constant, $\kappa$, of the material between the plates and the electric permittivity of free space, $\varepsilon_0$.
        • Equation: $C = \dfrac{\kappa \varepsilon_0 A}{d}$
    • 10.3.A.3 The electric field between two charged parallel plates with uniformly distributed electric charge, such as in a parallel-plate capacitor, is constant in both magnitude and direction, except near the edges of the plates.
      • 10.3.A.3.i The magnitude of the electric field between two charged parallel plates, where the plate separation is much smaller than the dimensions of the plates, can be determined by applying Gauss's law and the principle of superposition.
        • Equation: $E = \dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$
      • 10.3.A.3.ii The electric field is proportional to the surface charge density on either plate of the capacitor.
      • 10.3.A.3.iii A charged particle between two oppositely charged parallel plates undergoes constant acceleration, and therefore its motion shares characteristics with the projectile motion of an object with mass in the gravitational field near Earth's surface.
    • 10.3.A.4 The electric potential energy stored in a capacitor is equal to the work done by an external force to separate that amount of charge on the capacitor.
    • 10.3.A.5 The electric potential energy stored in a capacitor is described by the equation $U_C = \dfrac{1}{2} Q \Delta V$.

    Boundary statement: While other shapes are also able to separate charges, AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects the quantitative analysis and description of parallel-plate capacitors, concentric spherical capacitors, and coaxial cylindrical capacitors.

    العربية

    هدف التعلم 10.3.A: وصف الخصائص الفيزيائية لمكثف الصفائح المتوازية.

    • 10.3.A.1 يتكون مكثف الصفائح المتوازية من سطحين موصلين متوازيين ومنفصلين يمكنهما حمل كميات متساوية من الشحنة بإشارات مختلفة.
    • 10.3.A.2 ترتبط السعة Electrical Capacitance بمقدار الشحنة المخزنة على كل صفيحة بالفارق في الجهد الكهربائي الذي تسببه فصل تلك الشحنات.
      • المعادلة: $C = \dfrac{Q}{\Delta V}$
      • 10.3.A.2.i تعتمد سعة المكثف فقط على الخصائص الفيزيائية للمكثف، مثل شكل المكثف والمادة المستخدمة لفصل الصفحات.
      • 10.3.A.2.ii تتناسب سعة مكثف الصفائح المتوازية طرديًا مع مساحة إحدى صفيحتها وعكسيًا مع المسافة بينهما. ثابت التناسب هو حاصل ضرب ثابت العزل $\kappa$ للمادة الموجودة بين الصفائح والسمحية الكهربائية للفراغ $\varepsilon_0$.
        • معادلة: $C = \dfrac{\kappa \varepsilon_0 A}{d}$
    • 10.3.A.3 المجال الكهربائي بين صفحتين متوازيتين مشحونتين بشحنة كهربائية موزعة بانتظام، كما في مكثف الصفائح المتوازية، ثابت في كل من المقدار والاتجاه، باستثناء بالقرب من حواف الصفائح.
      • 10.3.A.3.i يمكن تحديد مقدار المجال الكهربائي بين صفحتين متوازيتين مشحونتين، حيث تكون مسافة الفصل بين الصفائح أصغر بكثير من أبعاد الصفائح، بتطبيق قانون غاوس ومبدأ التراكب.
        • معادلة: $E = \dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$
      • 10.3.A.3.ii يتناسب المجال الكهربائي طرديًا مع كثافة الشحنة السطحية على أي صفيحة من صفيحتي المكثف.
      • 10.3.A.3.iii تخضع جسيم مشحون موجود بين صفحتين متوازيتين مشحونتين بإشارتين متعاكسين لتسارع ثابت، وبالتالي تشترك حركته في خصائص حركة المقذوفات لجسم له كتلة في مجال الجاذبية بالقرب من سطح الأرض.
    • 10.3.A.4 الطاقة الكامنة الكهربائية المخزنة في مكثف تساوي الشغل المبذول بواسطة قوة خارجية لفصل هذه الكمية من الشحنة على المكثف.
    • 10.3.A.5 تُوصف الطاقة الكامنة الكهربائية المخزنة في مكثف بالمعادلة $U_C = \dfrac{1}{2} Q \Delta V$.

    عبارة الحدود: بينما يمكن لأشكال أخرى أيضًا فصل الشحنات، فإن منهج AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية يتطلب فقط التحليل الكمي ووصف مكثفات الصفائح المتوازية، والمكثفات الكروية المتمركزة، والمكثفات الأسطوانية المحورية.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    Charging a capacitor (RC)

    A capacitor 电容器 stores charge on two conductors separated by a gap: $+Q$ on one plate, $-Q$ on the other. Its capacitance 电容 relates the stored charge to the potential difference between the plates:

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}.$$

    Capacitance depends only on geometry and the material in the gap – never on $Q$ or $\Delta V$ themselves.

    Worked derivation (parallel plates). For a parallel-plate capacitor 平行板电容器 with plate area $A$ and small gap $d$: Gauss's law plus superposition 叠加 gives a uniform 均匀 field between the plates, $E=\dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}=\dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$ (each plate alone contributes $\sigma/2\varepsilon_0$; between the plates the two add, outside they cancel). A uniform field means $\Delta V=Ed=\dfrac{Qd}{\varepsilon_0 A}$, so

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}=\frac{\varepsilon_0 A}{d}.$$

    This $E\to\Delta V\to C$ chain is a standard FRQ derivation – learn it as three steps, and quote each one. The same method handles the other two shapes AP expects: concentric spheres ($C=4\pi\varepsilon_0\dfrac{ab}{b-a}$) and a coaxial cylinder of length $L$, where $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$ gives $\Delta V=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0}\ln\dfrac{b}{a}$ and so $C=\dfrac{2\pi\varepsilon_0 L}{\ln(b/a)}$.

    Worked example. Plates of area $A=0.020\ \text{m}^2$ and gap $d=1.0\ \text{mm}$: $C=\dfrac{8.85\times10^{-12}(0.020)}{1.0\times10^{-3}}=1.8\times10^{-10}\ \text{F}$. Charged to $100\ \text{V}$ it holds $Q=CV=1.8\times10^{-8}\ \text{C}$.

    Because the field between the plates is uniform, a charged particle there feels a constant force, so it moves with constant acceleration – exactly like projectile motion 抛体运动 in gravity: constant speed across, uniform acceleration towards a plate.

    Worked example. An electron enters midway between plates at $v_0=2.0\times10^{7}\ \text{m/s}$, parallel to them. The field is $E=1.0\times10^{3}\ \text{N/C}$ and the plates are $4.0\ \text{cm}$ long. Acceleration: $a=\dfrac{eE}{m}=\dfrac{(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{3})}{9.11\times10^{-31}}=1.8\times10^{14}\ \text{m/s}^2$. Time between the plates: $t=\dfrac{0.040}{2.0\times10^{7}}=2.0\times10^{-9}\ \text{s}$. Deflection: $y=\tfrac12at^{2}=\tfrac12(1.8\times10^{14})(2.0\times10^{-9})^{2}\approx3.5\times10^{-4}\ \text{m}$ – about $0.35\ \text{mm}$ towards the positive plate.

    Storing charge takes work 功: an external force must move each bit of charge against the field of the charge already there. The total work ends up as stored potential energy,

    $$U_C=\tfrac12\,Q\,\Delta V=\tfrac12 C(\Delta V)^2=\frac{Q^2}{2C}.$$

    The factor $\tfrac12$ is the area of the triangle under the $Q$–$\Delta V$ line: the first charge moved across costs almost nothing, the last costs the full $\Delta V$.

    Capacitors combine oppositely to resistors: in parallel 并联 the capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$, same $\Delta V$, charges add), while in series 串联 the reciprocals add ($\tfrac{1}{C_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{C_1}+\tfrac{1}{C_2}$, same $Q$, voltages add).

    Worked example. A $2\ \mu\text{F}$ and a $4\ \mu\text{F}$ capacitor in series: $\tfrac{1}{C}=\tfrac12+\tfrac14$, so $C=\tfrac43\ \mu\text{F}$. The same pair in parallel: $6\ \mu\text{F}$.

    العربية
    شحن مكثف (RC)

    المكثف يخزن شحنة على موصلين مفصولين بفراغ: $+Q$ على لوح واحد، $-Q$ على الآخر. سعته تربط الشحنة المخزنة بالفرق في الجهد بين اللوحين:

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}.$$

    يعتمد السعة فقط على الهندسة والمادة الموجودة في الفراغ – ولا يعتمد أبدًا على $Q$ أو $\Delta V$ نفسيهما.

    استنتاج محلول (لوحان متوازيان). بالنسبة لـ مكثف ذو لوحين متوازيين بمساحة لوح $A$ وفراغ صغير $d$: قانون غاوس بالإضافة إلى التراكب يعطي حقلاً منتظماً بين اللوحين، $E=\dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}=\dfrac{Q}{\varepsilon_0 A}$ (يساهم كل لوح بمفرده بـ $\sigma/2\varepsilon_0$؛ بين اللوحين يتجمع الاثنان، خارجهما يلغي بعضهما). الحقل المنتظم يعني $\Delta V=Ed=\dfrac{Qd}{\varepsilon_0 A}$، لذا

    $$C=\frac{Q}{\Delta V}=\frac{\varepsilon_0 A}{d}.$$

    هذه السلسلة $E\to\Delta V\to C$ هي اشتقاق قياسي لموضوع FRQ – ادرسها على شكل ثلاث خطوات، واستشهد بكل منها. نفس الطريقة تُطبق على الشكلين الآخرين المتوقعين في امتحان AP: الكرات المتشابهة المركز ($C=4\pi\varepsilon_0\dfrac{ab}{b-a}$) والأسطوانة المحورية بطول $L$، حيث $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$ تعطي $\Delta V=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0}\ln\dfrac{b}{a}$ وهكذا $C=\dfrac{2\pi\varepsilon_0 L}{\ln(b/a)}$.

    مثال محلول. ألواح مساحة $A=0.020\ \text{m}^2$ وفاصل $d=1.0\ \text{mm}$: $C=\dfrac{8.85\times10^{-12}(0.020)}{1.0\times10^{-3}}=1.8\times10^{-10}\ \text{F}$. شُحنت بـ $100\ \text{V}$ فاحتفظت بـ $Q=CV=1.8\times10^{-8}\ \text{C}$.

    لأن المجال بين الألواح منتظم، فإن جسيم مشحون هناك يتعرض لقوة ثابتة، لذا يتحرك بتسارع ثابت – تماماً مثل حركة المقذوفات تحت الجاذبية: سرعة أفقية ثابتة وتسارع موحد نحو أحد الألواح.

    جسيم مشحون بين الألواح يسير في مسار مقعر، كالمقذوفات
    جسيم مشحون بين الألواح يسير في مسار مقعر، كالمقذوفات

    مثال محلول. إلكترون يدخل في منتصف المسافة بين الألواح بسرعة $v_0=2.0\times10^{7}\ \text{m/s}$، موازٍ لها. المجال هو $E=1.0\times10^{3}\ \text{N/C}$ والألواح طولها $4.0\ \text{cm}$. التسارع: $a=\dfrac{eE}{m}=\dfrac{(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{3})}{9.11\times10^{-31}}=1.8\times10^{14}\ \text{m/s}^2$. الزمن بين الألواح: $t=\dfrac{0.040}{2.0\times10^{7}}=2.0\times10^{-9}\ \text{s}$. الانحراف: $y=\tfrac12at^{2}=\tfrac12(1.8\times10^{14})(2.0\times10^{-9})^{2}\approx3.5\times10^{-4}\ \text{m}$ – أي تقريباً $0.35\ \text{mm}$ نحو اللوح الموجب.

    تخزين الشحنة يتطلب عملاً: يجب أن تحرك قوة خارجية كل جزء من الشحنة ضد مجال الشحنة الموجودة بالفعل. ينتهي العمل الكلي كطاقة كامنة مخزنة،

    $$U_C=\tfrac12\,Q\,\Delta V=\tfrac12 C(\Delta V)^2=\frac{Q^2}{2C}.$$
    الطاقة المخزنة في المكثف هي المساحة تحت منحنى شحنته-جهدها
    الطاقة المخزنة في المكثف هي المساحة تحت منحنى شحنته-جهدها

    العامل $\tfrac12$ هو مساحة المثلث تحت الخط $Q$–$\Delta V$: أول شحنة نُقلت تكلف شبه لا شيء، وأخرى تكلف كامل $\Delta V$.

    المكثفات تتجمع بعكس المقاومات: في التوازي تضاف السعات ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$، نفس $\Delta V$، تضاف الشحنات)، بينما في التوالي تضاف المقلوبات ($\tfrac{1}{C_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{C_1}+\tfrac{1}{C_2}$، نفس $Q$، تضاف الجهود).

    مكثفات متصلة على التوالي تحمل نفس الشحنة، وتضاف فروق جهودها
    مكثفات متصلة على التوالي تحمل نفس الشحنة، وتضاف فروق جهودها

    مثال محلول. مكثف $2\ \mu\text{F}$ ومكثف $4\ \mu\text{F}$ متصلان على التوالي: $\tfrac{1}{C}=\tfrac12+\tfrac14$، إذن $C=\tfrac43\ \mu\text{F}$. نفس الزوج موصلاً على التوازي: $6\ \mu\text{F}$.

    مكثفات متنوعة: أجهزة تخزن الشحنة والطاقة في مجال كهربائي بين الموصلات
    مكثفات متنوعة: أجهزة تخزن الشحنة والطاقة في مجال كهربائي بين الموصلات
    مكثفات إلكتروليتية على لوحة دائرة: السعة تخزن الطاقة وفق U = ½CV²
    مكثفات إلكتروليتية على لوحة دائرة: السعة تخزن الطاقة وفق U = ½CV²
    Explore · ⁨استكشف⁩

    Charge and discharge a capacitor · ⁨شحّن وفك شحن مكثف⁩

    A capacitor stores charge on two plates, filling and emptying exponentially with time constant $\tau=RC$. Bigger $R$ or $C$ slows it down. · ⁨يخزن المكثف شحنة على صفيحتين، ويتشحن ويفرغ بشكل أسي مع ثابت زمن $\tau=RC$. كلما كان $R$ أو $C$ أكبر، كان الانخفاض أبطأ.⁩

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    conductor/kənˈdʌktə/ موصل
    electrostatic equilibrium/ɪˌlektrəʊˈstætɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ التوازن الكهروستاتيكي
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ عمودية
    equipotential surface/ˌiːkwɪpəˈtenʃl ˈsɜːfɪs/ سطح مساوٍ للجهد
    electrostatic shielding/ɪˌlektrəʊˈstætɪk ˈʃiːldɪŋ/ درع كهروستاتيكي
    Faraday cage/ˈfærədeɪ keɪdʒ/ قفاة فاراداي
    ground/ɡraʊnd/ الأرضية
    induced charge/ɪnˈdjuːst tʃɑːdʒ/ الشحنة المستحاث
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ مكثف
    capacitance/kəˈpæsɪtəns/ السعة
    parallel-plate capacitor/ˈpærəlel pleɪt kəˈpæsɪtə/ مكثف الصفائح المتوازية
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ التراكب
    uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ موحد
    projectile motion/prəˈdʒektaɪl ˈməʊʃn/ حركة المقذوفات
    work/wɜːk/ شغل
    series/ˈsɪəriːz/ التوالي
    10.4

    Dielectrics · ⁨العوازل الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 10.4.A: Describe how a dielectric inserted between the plates of a capacitor changes the properties of the capacitor.

    • 10.4.A.1 In a dielectric material, electric charges are not as free to move as they are in a conductor. Instead, the material becomes polarized in the presence of an external electric field.
    • 10.4.A.2 The dielectric constant of a material relates the electric permittivity of that material to the permittivity of free space.
      • Equation: $\kappa = \dfrac{\varepsilon}{\varepsilon_0}$
    • 10.4.A.3 The electric field created by a polarized dielectric is opposite in direction to the external field.
    • 10.4.A.4 The electric field between the plates of an isolated parallel-plate capacitor decreases when a dielectric is placed between the plates.
      • Equation: $\kappa = \dfrac{E_0}{E}$
    • 10.4.A.5 The insertion of a dielectric into a capacitor may change the capacitance of the capacitor.
      • Equation: $C = \kappa C_0$
    العربية

    هدف التعلم 10.4.A: وصف كيفية تغيير إدخال عازل بين صفيحتي المكثف لخصائص المكثف.

    • 10.4.A.1 في المادة العازلة، لا تكون الشحنات الكهربائية حرة الحركة بنفس القدر كما في الموصل. بدلاً من ذلك، تصبح المادة قطبية في وجود مجال كهربائي خارجي.
    • 10.4.A.2 يرتبط ثابت العزل للمادة بالسمحية الكهربائية لتلك المادة بالسمحية الكهربائية للفراغ.
      • المعادلة: $\kappa = \dfrac{\varepsilon}{\varepsilon_0}$
    • 10.4.A.3 المجال الكهربائي الذي يولده العازل المقطب يكون معاكسًا في الاتجاه للمجال الخارجي.
    • 10.4.A.4 يقل المجال الكهربائي بين صفيحتي مكثف متوازي معزول عند وضع عازل بين الصفائح.
      • المعادلة: $\kappa = \dfrac{E_0}{E}$
    • 10.4.A.5 قد يؤدي إدخال عازل إلى مكثف إلى تغيير سعة المكثف.
      • المعادلة: $C = \kappa C_0$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    A dielectric 电介质 is an insulating material. Its charges cannot travel, but in an external field each molecule stretches or turns slightly – the material becomes polarized 极化. The lined-up molecules create their own small field opposite to the applied one, so the net field inside the material drops:

    $$E=\frac{E_0}{\kappa},\qquad \kappa=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}\ \ (\kappa>1),$$

    where $\kappa$ is the dielectric constant 介电常数, the ratio of the material's permittivity to the permittivity of free space 真空介电常数.

    Filling a capacitor with dielectric multiplies its capacitance:

    $$C=\kappa\,C_0\qquad\left(\text{parallel plates: } C=\frac{\kappa\varepsilon_0 A}{d}\right).$$

    What happens next depends on what stays fixed – a favourite exam trap:

    battery stays connected ($\Delta V$ fixed) battery removed first ($Q$ fixed)
    charge $Q$ rises to $\kappa Q_0$ unchanged
    voltage $\Delta V$ unchanged drops to $\Delta V_0/\kappa$
    field $E$ unchanged drops to $E_0/\kappa$
    energy $U$ rises to $\kappa U_0$ drops to $U_0/\kappa$

    Worked example. A $100\ \text{pF}$ capacitor is charged to $12\ \text{V}$, disconnected, then filled with a $\kappa=3$ dielectric. $Q$ is trapped, so $\Delta V$ falls to $4\ \text{V}$ and the stored energy falls to one-third – the missing energy went into pulling the dielectric in. Reconnected to the $12\ \text{V}$ battery instead, the capacitor would hold three times the charge and three times the energy.

    Exam skill. Always begin dielectric questions by writing down which quantity is held fixed ($Q$ or $\Delta V$), then let $C=\kappa C_0$ drive everything else through $Q=C\Delta V$ and $U=\tfrac12 C(\Delta V)^2$.

    العربية

    العازل الكهربائي هو مادة عازلة. شحناته لا يمكنها الحركة، لكن في مجال خارجي يمتد كل جزيء أو يدور قليلاً – فتصبح المادة مقطبة. الجزيئات المصطفة تنشئ مجلداً صغيراً خاصاً بها عكس المجال المطبق، مما يُنقص المجال الصافي داخل المادة:

    $$E=\frac{E_0}{\kappa},\qquad \kappa=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}\ \ (\kappa>1),$$

    حيث $\kappa$ هو ثابت العازل، وهو نسبة سماحية المادة إلى سماحية الفراغ.

    عازل مقطّب ينشئ مجلداً داخلياً معاكساً للمجال المطبق
    عازل مقطّب ينشئ مجلداً داخلياً معاكساً للمجال المطبق

    ملء المكثف بالعازل يضاعف سعته:

    $$C=\kappa\,C_0\qquad\left(\text{parallel plates: } C=\frac{\kappa\varepsilon_0 A}{d}\right).$$

    ما يحدث بعد ذلك يعتمد على ما يبقى ثابتاً – فخ trap امتحاني مفضل:

    البطارية متصلة ($\Delta V$ ثابت) أزيلت البطارية أولاً ($Q$ ثابت)
    الشحنة $Q$ ترتفع لتصل لـ $\kappa Q_0$ غير متغيرة
    الجهد $\Delta V$ غير متغير ينخفض ليصل لـ $\Delta V_0/\kappa$
    المجال $E$ غير متغير ينخفض ليصل لـ $E_0/\kappa$
    الطاقة $U$ ترتفع لتصل لـ $\kappa U_0$ تنخفض لتصل لـ $U_0/\kappa$

    مثال محلول. مكثف $100\ \text{pF}$ شُحّن إلى $12\ \text{V}$، ثم فُصل عن المصدر، وعبّر بمادة عازلة $\kappa=3$. $Q$ يُحتفظ بها، لذا ينخفض $\Delta V$ إلى $4\ \text{V}$ وتنخفض الطاقة المخزنة إلى الثلث – حيث ذهبت الطاقة المفقودة في سحب المادة العازلة للداخل. عند توصيلها مرة أخرى ببطارية $12\ \text{V}$ بدلاً من ذلك، سيحمل المكثف ثلاثة أضعاف الشحنة وثلاثة أضعاف الطاقة.

    مهارة امتحانية. ابدأ دائماً أسئلة العوازل بكتابة الكمية المثبتة ($Q$ أو $\Delta V$)، ثم دع $C=\kappa C_0$ تقود كل شيء آخر عبر $Q=C\Delta V$ و$U=\tfrac12 C(\Delta V)^2$.

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Add a dielectric · ⁨أضف عازلاً كهربائياً⁩

    A dielectric between the plates raises the capacitance, so the capacitor holds more charge at the same voltage. Watch the charge build faster. · ⁨يعزز العازل بين الصفيحتين السعة الكهربائية، فيحتفظ المكثف بشحنة أكبر عند نفس الجهد. راقب بناء الشحنة بسرعة أكبر.⁩

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    parallel/ˈpærəlel/ التوازي
    dielectric/ˌdaɪɪˈlektrɪk/ عازل / عازل كهربائي
    polarized/ˈpəʊləraɪzd/ مستقطب
    dielectric constant/ˌdaɪɪˈlektrɪk ˈkɒnstənt/ ثابت العازل
    permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ سماحية الفراغ
    10.4

    Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

    English
    • In electrostatic equilibrium a conductor has $\vec E=0$ inside and all excess charge on the surface.
    • Apply Gauss's law $\oint \vec E\cdot d\vec A=\tfrac{q_{enc}}{\varepsilon_0}$ with a symmetry-matched Gaussian surface (sphere, cylinder, pillbox).
    • The whole conductor is one equipotential, and the surface field is perpendicular to it.
    • For a capacitor use $C=\tfrac{Q}{V}$, energy $U=\tfrac12 CV^2$, and how a dielectric raises $C$.
    • Pick the Gaussian surface so $\vec E$ is constant and parallel (or zero) on each part.
    العربية
    • في الاتزان الكهروستاتيكي يكون للموصل $\vec E=0$ داخله وكل الشحنة الزائدة على السطح.
    • طبق قانون غاوس $\oint \vec E\cdot d\vec A=\tfrac{q_{enc}}{\varepsilon_0}$ مع سطح غاوسي متناسق التماثل (كرة، أسطوانة، صندوق حبوب).
    • الموصل بأكمله مستوى جهد واحد، والمجال على السطح عمودي عليه.
    • بالنسبة للمكثف استخدم $C=\tfrac{Q}{V}$، وطاقة $U=\tfrac12 CV^2$، وكيفية رفع العازل لـ $C$.
    • اختر السطح الغاوسي بحيث يكون $\vec E$ ثابتاً وموازياً (أو صفراً) على كل جزء.
  • 11

    Electric Circuits · ⁨الدوائر الكهربائية⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    11.1

    Electric Current · ⁨التيار الكهربائي⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    11.1.A
    Describe the movement of electric charges through a medium.

    • 11.1.A.1 Current is the rate at which charge passes through a cross-sectional area of a wire.
      • Equation: $I = \dfrac{dq}{dt}$
      • 11.1.A.1.i Current within a conductor consists of charge carriers traveling through the conductor with an average drift velocity.
        • Equation: $I = nqv_d A$
      • 11.1.A.1.ii Electric charge moves in a circuit in response to an electric potential difference, sometimes referred to as electromotive force, or $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
      • 11.1.A.1.iii If the current is zero in a section of wire, the net motion of charge carriers in the wire is also zero, although individual charge carriers will not have zero speed.
    • 11.1.A.2 Current density is the flow of charge per unit area.
      • Equation: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
      • 11.1.A.2.i Current density is related to the motion of the charge carriers within a conductor.
        • Equation: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
      • 11.1.A.2.ii Current density is a vector quantity.
      • 11.1.A.2.iii A potential difference across a conductor creates an electric field within the conductor that is proportional to the resistivity of the conductor and the current density.
        • Equation: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
    • 11.1.A.3 If a function of current density is given, the total current can be determined by integrating the current density over the area.
      • Equation: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.4 Although current is a scalar quantity, it does have a direction. Because its direction is relative to the current carrier and not space, current does not obey the laws of vector addition and has no vector components.
      • 11.1.A.4.i The direction of conventional current is chosen to be the direction in which positive charge would move.
      • 11.1.A.4.ii In common circuits, the current is actually due to the movement of electrons (negative charge carriers).

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Electric current 电流 is the rate at which charge passes a cross-section of wire, $I=\dfrac{dq}{dt}$, measured in amperes 安培. Conventional current points the way positive charge would move. Microscopically, a current is a slow drift of many carriers:

    $$I=nqv_dA,$$

    with $n$ the number of carriers per volume, $q$ the charge each carries, $v_d$ the drift velocity 漂移速度, and $A$ the cross-sectional area 横截面积.

    Worked example. A copper wire with $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ and $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ carries $1.7\ \text{A}$. Then $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – the carriers drift slower than a snail, even though the signal travels near light speed.

    Current density 电流密度 is charge flow per unit area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, linked to the field driving it by $\vec{E}=\rho\vec{J}$. In general $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; if $J(r)$ varies across the wire, integrate it over the cross-section to get the total current. One care point: current has a direction along its wire, but it is a scalar 标量 – currents do not add as vectors, and there are no "components of current".

    العربية

    التيار الكهربائي هو معدل مرور الشحنة عبر مقطع سلكي $I=\dfrac{dq}{dt}$، ويُقاس بـ الأمبير. التيار التقليدي يشير بالاتجاه الذي سيتحرك فيه الشحنة الموجبة. مجرّياً، التيار هو انجراف بطيء لكثير من الحوامل:

    $$I=nqv_dA,$$

    حيث $n$ عدد الحوامل لكل وحدة حجم، $q$ شحنة كل حامل، $v_d$ سرعة الانجراف، و$A$ مساحة المقطع العرضي.

    ناقلات الشحنة تنزلق ببطء عبر الموصل لتكوين تيار
    ناقلات الشحنة تنزلق ببطء عبر الموصل لتكوين تيار

    مثال محلول. سلك نحاسي مساحته $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ وقطره $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ يمر به تيار $1.7\ \text{A}$. حينها $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – الحوامل تنجرأ ببطء أكبر من السلحفاة، رغم أن الإشارة تنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

    كثافة التيار هي تدفق الشحنة لكل وحدة مساحة، $\vec{J}=nq\vec{v}_d$، مرتبطة بالمجال الذي يحركها بواسطة $\vec{E}=\rho\vec{J}$. بشكل عام $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$؛ إذا كان $J(r)$ يتغير عبر السلك، قم بتكاملها على المقطع العرضي للحصول على التيار الكلي. نقطة واحدة تستحق الانتباه: التيار له اتجاه على طول سلكه، لكنه كمية قياسية – لا تُجمع التيارات كمتجهات، ولا توجد "مكونات تيار".

    راسم إشارة: الجهد مقابل الزمن يكشف كيف يتطور التيار والشحنة في الدائرة
    موجي: الجهد مقابل الزمن يكشف كيف يتطور التيار والشحنة في دائرة كهربائية
    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ تيار كهربائي
    amperes/ˈæmpeəz/ أمبير
    drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ سرعة الانجراف
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ المقطع العرضي
    Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ كثافة التيار
    scalar/ˈskeɪlə/ كمية قياسية
    circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ مخطط الدائرة
    series/ˈsɪəriːz/ التوالي
    11.2

    Electric Circuits · ⁨الدوائر الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.2.A: Describe the behavior of a circuit.

    • 11.2.A.1 A circuit is composed of electrical loops, which can include wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, ammeters, and voltmeters.
    • 11.2.A.2 A closed electrical loop is a closed path through which charges may flow.
      • 11.2.A.2.i A closed circuit is one in which charges would be able to flow.
      • 11.2.A.2.ii An open circuit is one in which charges would not be able to flow.
      • 11.2.A.2.iii A short circuit is one in which charges would be able to flow with no change in potential difference.
    • 11.2.A.3 A single circuit element may be part of multiple electrical loops.
    • 11.2.A.4 Circuit schematics are representations used to describe and analyze electric circuits.
      • 11.2.A.4.i The properties of an electric circuit are dependent on the physical arrangement of its constituent elements.
      • 11.2.A.4.ii Circuit elements have common symbols that are used to create schematic diagrams. Variable elements are indicated by a diagonal strikethrough arrow across the standard symbol for that element. (Symbols: Battery, Bulb, Switch, Capacitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter, Inductor.)

    Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current.

    العربية

    الهدف التعليمي 11.2.A: وصف سلوك الدائرة الكهربائية.

    • 11.2.A.1 تتكون الدائرة من حلقات كهربائية قد تشمل أسلاكاً، بطاريات، مقاومات، مصابيح، مكثفات، محاثات، مفاتيح، أممترات، وفولتمترات.
    • 11.2.A.2 الحلقة الكهربائية المغلقة هي مسار مغلق يمكن للشحنات أن تتدفق خلاله.
      • 11.2.A.2.i الدائرة المغلقة هي التي يمكن فيها للشحنات أن تتدفق.
      • 11.2.A.2.ii الدائرة المفتوحة هي التي لا يمكن فيها للشحنات أن تتدفق.
      • 11.2.A.2.iii الدائرة القصيرة هي التي يمكن فيها للشحنات أن تتدفق دون تغير في فرق الجهد.
    • 11.2.A.3 قد يكون عنصر دائرة واحد جزءًا من عدة حلقات كهربائية.
    • 11.2.A.4 المخططات التخطيطية للدوائر هي تمثيلات تُستخدم لوصف وتحليل الدوائر الكهربائية.
      • 11.2.A.4.i تعتمد خصائص الدائرة الكهربائية على الترتيب الفعلي لعناصرها المكونة.
      • 11.2.A.4.ii عناصر الدائرة لها رموز قياسية تُستخدم لإنشاء المخططات التوضيحية. يتم الإشارة إلى العناصر المتغيرة بسهم مائل مشطوب عبر الرمز القياسي لذلك العنصر. (الرموز: بطارية، مصباح، مفتاح، مكثف، مقاومة، أميتر، فولتميتر، ملف حثي.)

    عبارة الحدود: ما لم يُذكر خلاف ذلك، سيتم رسم جميع المخططات التخطيطية للدوائر باستخدام التيار التقليدي.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    A circuit is a set of closed loops built from wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, and meters; charge can flow only around a closed path. One element can belong to several loops at once – that is what makes multi-loop problems interesting. Every analysis starts by reading the circuit diagram 电路图: trace each loop and identify which elements share the same current (series 串联) and which share the same potential difference (parallel 并联).

    العربية

    الدائرة هي مجموعة من الحلقات المغلقة المبنية من أسلاك، بطاريات، مقاومات، مصابيح، مكثفات، محاثات، مفاتيح، وأجهزة قياس؛ الشحنة يمكن أن تتدفق فقط حول مسار مغلق. يمكن لعنصر واحد أن ينتمي إلى عدة حلقات في نفس الوقت – وهذا ما يجعل مشاكل الحلقات المتعددة مثيرة للاهتمام. يبدأ كل تحليل بقراءة المخطط الكهربائي: تتبع كل حلقة وتحديد العناصر التي تتشارك نفس التيار (على التوالي) وتلك التي تتشارك نفس فرق الجهد (على التوازي).

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Build series and parallel circuits · ⁨بني دوائر توالي وتوازي⁩

    In series the same current flows through every bulb and voltage divides; in parallel each branch gets the full voltage. Switch mode to see the bulbs' brightness change. · ⁨في التوالي يمر نفس التيار عبر كل مصباح وينقسم الجهد؛ وفي التوازي تحصل كل فرع على الجهد الكامل. غيّر الوضع لترى تغير سطوع المصابيح.⁩

    11.3

    Resistance, Resistivity, and Ohm's Law · ⁨المقاومة، المقاومة النوعية، وقانون أوم⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.3.A: Describe the resistance of an object using physical properties of that object.

    • 11.3.A.1 Resistance is a measure of the degree to which an object opposes the movement of electric charge.
    • 11.3.A.2 The resistance of a resistor with uniform geometry is proportional to its resistivity and length and is inversely proportional to its cross-sectional area.
      • Equation: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
      • 11.3.A.2.i Resistivity is a fundamental property of a material that depends on its atomic and molecular structure and quantifies how strongly the material opposes the motion of electric charge.
      • 11.3.A.2.ii The resistivity of a conductor typically increases with temperature.
      • 11.3.A.2.iii The total resistance of a resistor with uniform geometry, but that is made of a material whose resistivity varies along the length of the resistor, is given by $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

    Learning Objective 11.3.B: Describe the electrical characteristics of elements of a circuit.

    • 11.3.B.1 Ohm's law relates current, resistance, and potential difference across a conductive element of a circuit.
      • Equation: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
      • 11.3.B.1.i Materials that obey Ohm's law have constant resistance for all currents and are called ohmic materials.
      • 11.3.B.1.ii The resistivity of an ohmic material is constant regardless of temperature.
      • 11.3.B.1.iii Resistors can also convert electrical energy to thermal energy, which may change the temperature of both the resistor and the resistor's environment.
      • 11.3.B.1.iv The resistance of an ohmic circuit element can be determined from the slope of a graph of the current in the element as a function of the potential difference across the element.
    العربية

    الهدف التعليمي 11.3.A: وصف مقاومة جسم باستخدام الخصائص الفيزيائية لذلك الجسم.

    • 11.3.A.1 المقاومة هي مقياس لدرجة معارضة الجسم لحركة الشحنة الكهربائية.
    • 11.3.A.2 مقاومة مقاوم ذي هندسة منتظمة تتناسب طرديًا مع مقاوميته وطوله وتتناسب عكسيًا مع مساحته المقطعية.
      • المعادلة: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
      • 11.3.A.2.i المقاومة النوعية خاصية أساسية للمادة تعتمد على بنيتها الذرية والجزيئية وتحدد مدى قوة معارضة المادة لحركة الشحنة الكهربائية.
      • 11.3.A.2.ii تزداد المقاومة النوعية للموصل عادةً مع درجة الحرارة.
      • 11.3.A.2.iii المقاومة الكلية لمقاومة ذات هندسة منتظمة ولكن مصنوعة من مادة تتغير مقاوميتها النوعية على طولها تُعطى بالمعادلة $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

    الهدف التعليمي 11.3.B: وصف الخصائص الكهربائية لعناصر الدائرة.

    • 11.3.B.1 يربط قانون أوم بين التيار، والمقاومة، وفرق الجهد عبر عنصر موصل في الدائرة.
      • المعادلة: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
      • 11.3.B.1.i المواد التي تخضع لقانون أوم لها مقاومة ثابتة لجميع التيارات وتُسمى مواد أومية.
      • 11.3.B.1.ii المقاومة النوعية للمادة الأومية ثابتة بغض النظر عن درجة الحرارة.
      • 11.3.B.1.iii يمكن للمقاومات أيضًا تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية، مما قد يغير درجة حرارة كل من المقاومة وبيئتها.
      • 11.3.B.1.iv يمكن تحديد مقاومة عنصر دائرة أومية من خلال ميل بياني للتيار في العنصر بدلالة فرق الجهد عبره.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Resistance 电阻 measures how strongly an object opposes charge flow. It grows with the material's resistivity 电阻率 and the conductor's length, and shrinks with its area:

    $$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

    Ohm's law 欧姆定律 relates the current through an element to the potential difference across it:

    $$I=\frac{\Delta V}{R}.$$

    Worked example. Stretch a wire to double its length: the volume is fixed, so the area halves, and $R=\rho\ell/A$ becomes $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – four times the resistance. An element is ohmic 欧姆性 if $R$ stays constant (a straight line through the origin on an $I$–$\Delta V$ graph); a lightbulb filament, which heats up, is not.

    العربية

    المقاومة تقيس مدى مقاومة الجسم لتدفق الشحنة. تزداد مع مقاومية المادة وطول الموصل، وتنقص مع مساحته:

    $$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

    قانون أوم يربط التيار المار في عنصر بفرق الجهد عبره:

    $$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
    موصل أطول له مقاومة أكبر؛ وعرضي له مقاومة أقل
    موصل أطول له مقاومة أكبر؛ وعرضي له مقاومة أقل

    مثال محلול. قم بمد سلك ليصبح طوله ضعف الطول الأصلي: الحجم ثابت، لذا تنقص المساحة للنصف، ويصبح $R=\rho\ell/A$ $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – أي أربعة أضعاف المقاومة. العنصر يكون أوميًا إذا كان $R$ ثابتًا (خط مستقيم يمر بنقطة الأصل على رسم بياني $I$–$\Delta V$)؛ أما خيط المصباح الذي يسخن فهو ليس أوميًا.

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Apply Ohm's law · ⁨طبق قانون أوم⁩

    Ohm's law $V=IR$: for a fixed resistance, current is proportional to voltage. Raise the resistance and the same voltage pushes less current. · ⁨قانون أوم $V=IR$: لمقاومة ثابتة، التيار يتناسب طرديًا مع الجهد. ارفع المقاومة وسيدفع نفس الجهد تيارًا أقل.⁩

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ المقاومة النوعية
    Ohm's law/əʊmz lɔː/ قانون أوم
    ohmic/ˈəʊmɪk/ أومي
    equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ المقاومة المكافئة
    ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ بطارية مثالية
    internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ المقاومة الداخلية
    terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ جهد الطرف
    ammeter/ˈæmiːtə/ أميتر
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ فولتميتر
    Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ قانون حلقة كيرشوف
    Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ قانون عقدة كيرشوف
    junction/ˈdʒʌŋkʃn/ العقدة
    equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ السعة المكافئة
    RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ دائرة RC
    time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ الثابت الزمني
    steady state/ˈstedi steɪt/ الحالة المستقرة
    11.4

    Electric Power · ⁨القدرة الكهربائية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.4.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within an electric circuit, in terms of power.

    • 11.4.A.1 The rate at which energy is transferred, converted, or dissipated by a circuit element depends on the current in the element and the electric potential difference across it.
      • Equation: $P = I\Delta V$
      • Equation: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
    • 11.4.A.2 The brightness of a lightbulb increases with power, so power can be used to qualitatively predict the brightness of lightbulbs in a circuit.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to analyze the transfer of mechanical and electrical energy, although students should be aware that electrical energy can also be dissipated in the form of thermal energy.

    العربية

    الهدف التعليمي 11.4.A: وصف انتقال الطاقة إلى داخل أو خارج أو ضمن دائرة كهربائية، بدلالة القدرة.

    • 11.4.A.1 يعتمد معدل انتقال الطاقة أو تحويلها أو تبديدها بواسطة عنصر دائرة على التيار في العنصر وفرق الجهد الكهربائي عبره.
      • المعادلة: $P = I\Delta V$
      • المعادلة: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
    • 11.4.A.2 تزداد سطوع المصباح مع زيادة القدرة، لذا يمكن استخدام القدرة للتنبؤ النوعي بسطوع المصابيح في دائرة.

    بيان الحدود: اختبار AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية يتطلب من الطلاب فقط تحليل انتقال الطاقة الميكانيكية والكهربائية، على الرغم من أن الطلاب يجب أن يدركوا أن الطاقة الكهربائية يمكن أيضاً أن تتبدد على شكل طاقة حرارية.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    A charge $q$ falling through a potential difference $\Delta V$ gives up energy $q\Delta V$, so the rate of energy transfer in an element is

    $$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

    In a resistor all of it becomes heat. Use the form whose quantities you actually know – and use power to rank lightbulb brightness: brighter = more power, not necessarily more resistance. In series, the larger resistance is brighter ($P=I^2R$, same $I$); in parallel, the smaller one is ($P=\Delta V^2/R$, same $\Delta V$).

    العربية

    شحنة $q$ تسقط خلال فرق جهد $\Delta V$ تفقد طاقة $q\Delta V$، لذا فإن معدل انتقال الطاقة في عنصر ما هو

    $$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

    في المقاومة يتحول كل ذلك إلى حرارة. استخدم الصيغة التي تحتوي على الكميات التي تعرفها فعليًا – واستخدم القدرة لتصنيف سطوع المصابيح: السطوع الأكبر = قدرة أكبر، وليس بالضرورة مقاومة أكبر. على التوالي، تكون المقاومة الأكثر سطوعاً ($P=I^2R$، نفس $I$)؛ وعلى التوازي، تكون الأقل سطوعاً ($P=\Delta V^2/R$، نفس $\Delta V$).

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Read an I-V characteristic · ⁨اقرأ خاصية I-V⁩

    Power is $P=IV$. A resistor's I-V line is straight, but a lamp curves as it heats and its resistance rises. The area under I-V relates to the energy delivered. · ⁨الطاقة هي $P=IV$. خط I-V للمقاومة مستقيم، لكن المصباح منحني لأنه يسخن وتزداد مقاومته. المساحة تحت منحنى I-V ترتبط بالطاقة الموصلة.⁩

    11.5

    Compound Direct Current Circuits · ⁨دوائر التيار المستمر المركبة⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.5.A: Describe the equivalent resistance of multiple resistors connected in a circuit.

    • 11.5.A.1 Circuit elements may be connected in series and/or in parallel.
      • 11.5.A.1.i A series connection is one in which any charge passing through one circuit element must proceed through all elements in that connection and has no other path available. The current in each element in series must be the same.
      • 11.5.A.1.ii A parallel connection is one in which charges may pass through one of two or more paths. Across each path, the potential difference is the same.
    • 11.5.A.2 A collection of resistors in a circuit may be analyzed as though it were a single resistor with an equivalent resistance $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i The equivalent resistance of a set of resistors in series is the sum of the individual resistances.
        • Equation: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
      • 11.5.A.2.ii The inverse of the equivalent resistance of a set of resistors connected in parallel is equal to the sum of the inverses of the individual resistances.
        • Equation: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii When resistors are connected in parallel, the number of paths available to charges increases, and the equivalent resistance of the group of resistors decreases.

    Learning Objective 11.5.B: Describe a circuit with resistive wires and a battery with internal resistance.

    • 11.5.B.1 Ideal batteries have negligible internal resistance. Ideal wires have negligible resistance.
      • 11.5.B.1.i The resistance of wires that are good conductors may normally be neglected, because their resistance is much smaller than that of other elements of a circuit.
      • 11.5.B.1.ii The resistance of wires may only be neglected if the circuit contains other elements that do have resistance.
      • 11.5.B.1.iii The potential difference a battery would supply if it were ideal is the potential difference measured across the terminals when there is no current in the battery and is sometimes referred to as its $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.5.B.2 The internal resistance of a nonideal battery may be treated as the resistance of a resistor in series with an ideal battery and the remainder of the circuit.
    • 11.5.B.3 When there is current in a nonideal battery with internal resistance $r$, the potential difference across the terminals of the battery is reduced relative to the potential difference when there is no current in the battery.
      • Equation: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

    Learning Objective 11.5.C: Describe the measurement of current and potential difference in a circuit.

    • 11.5.C.1 Ammeters are used to measure current at a specific point in a circuit.
      • 11.5.C.1.i Ammeters must be connected in series with the element in which current is being measured.
      • 11.5.C.1.ii Ideal ammeters have zero resistance so that they do not affect the current in the element that they are in series with.
    • 11.5.C.2 Voltmeters are used to measure electric potential difference between two points in a circuit.
      • 11.5.C.2.i Voltmeters must be connected in parallel with the element across which potential difference is being measured.
      • 11.5.C.2.ii Ideal voltmeters have infinite resistance so that no charge flows through them.
    • 11.5.C.3 Nonideal ammeters and voltmeters will change the properties of the circuit being measured.

    Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed.

    العربية

    الهدف التعليمي 11.5.A: وصف المقاومة المكافئة لمجموعة مقاومات متصلة في دائرة.

    • 11.5.A.1 يمكن توصيل عناصر الدائرة على التوالي و/أو على التوازي.
      • 11.5.A.1.i الاتصال على التوالي هو الذي يجب أن يمر خلاله أي شحنة مرورًا بعنصر دائرة واحد عبر جميع العناصر في هذا الاتصال ولا توجد طريق آخر متاح. يجب أن يكون التيار في كل عنصر على التوالي هو نفسه.
      • 11.5.A.1.ii الاتصال المتوازي هو اتصال يمكن للشحنات خلاله المرور عبر مسار واحد أو أكثر. عبر كل مسار، يكون فرق الجهد متساويًا.
    • 11.5.A.2 يمكن تحليل مجموعة من المقاومات في الدائرة وكأنها مقاومة واحدة بمقاومة مكافئة $R_{\text{eq}}$.
      • 11.5.A.2.i المقاومة المكافئة لمجموعة من المقاومات المتصلة على التوالي تساوي مجموع المقاومات الفردية.
        • معادلة: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
      • 11.5.A.2.ii مقلوب المقاومة المكافئة لمجموعة من المقاومات المتصلة على التوازي يساوي مجموع مقلوبات المقاومات الفردية.
        • معادلة: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
      • 11.5.A.2.iii عند توصيل المقاومات على التوازي، يزداد عدد المسارات المتاحة للشحنات، وتتناقص المقاومة المكافئة لمجموعة المقاومات.

    الهدف التعليمي 11.5.B: وصف دائرة تحتوي على أسلاك مقاومة وبطارية ذات مقاومة داخلية.

    • 11.5.B.1 البطاريات المثالية لها مقاومة داخلية مهملة. الأسلاك المثالية لها مقاومة مهملة.
      • 11.5.B.1.i يمكن عادةً إهمال مقاومة الأسلاك التي تعمل كموصلات جيدة، لأن مقاومتها أصغر بكثير من مقاومة عناصر أخرى في الدائرة.
      • 11.5.B.1.ii لا يمكن إهمال مقاومة الأسلاك إلا إذا كانت الدائرة تحتوي على عناصر أخرى تمتلك مقاومة.
      • 11.5.B.1.iii فرق الجهد الذي ستزوده البطارية لو كانت مثالية هو فرق الجهد المقاس بين طرفيها عندما لا يمر تيار في البطارية، ويُشار إليه أحيانًا باسم $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.5.B.2 يمكن اعتبار المقاومة الداخلية للبطارية غير المثالية على أنها مقاومة مقاومة متصلة على التوالي مع بطارية مثالية وبقية الدائرة.
    • 11.5.B.3 عندما يمر تيار في بطارية غير مثالية ذات مقاومة داخلية $r$، يقل فرق الجهد عبر طرفي البطارية مقارنة بفرق الجهد عندما لا يمر تيار في البطارية.
      • المعادلة: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

    الهدف التعليمي 11.5.C: وصف قياس التيار وفرق الجهد في دائرة كهربائية.

    • 11.5.C.1 تُستخدم الأميتر لقياس التيار عند نقطة محددة في الدائرة.
      • 11.5.C.1.i يجب توصيل الأميتر على التوالي مع العنصر الذي يُقاس فيه التيار.
      • 11.5.C.1.ii الأميتر المثالي له مقاومة صفرية حتى لا يؤثر على التيار في العنصر المتصل به على التوالي.
    • 11.5.C.2 تُستخدم الفولتميتر لقياس فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين في الدائرة.
      • 11.5.C.2.i يجب توصيل الفولتميتر على التوازي مع العنصر الذي يُقاس عليه فرق الجهد.
      • 11.5.C.2.ii الفولتميترات المثالية لها مقاومة لا نهائية بحيث لا يمر تيار كهربائي خلالها.
    • 11.5.C.3 الأميتر والفولتميتر غير المثاليين سيغيران خصائص الدائرة المراد قياسها.

    بيان الحدود: ما لم يُذكر خلاف ذلك، يُفترض أن جميع البطاريات والأسلاك والأجهزة القياسية مثالية. لن يتم تقييم الدوائر التي تحتوي على بطاريات ذات فروق جهد مختلفة متصلة بالتوازي.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Reduce resistor networks to an equivalent resistance 等效电阻: series resistances add ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), while parallel resistances add as reciprocals ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – always less than the smallest branch). Collapse the network step by step to find the battery current, then expand back out to find each element's current and voltage.

    Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $2.0\ \Omega$ resistor in series: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, the voltages split $8.0\ \text{V}$ and $4.0\ \text{V}$, and the $4.0\ \Omega$ resistor dissipates $P=I^2R=16\ \text{W}$.

    Real batteries are not ideal. Model a battery as an ideal battery 理想电池 of emf $\varepsilon$ in series with its own internal resistance 内阻 $r$. When current flows, some emf is used up inside, so the terminal voltage 端电压 – what a voltmeter across the battery actually reads – drops:

    $$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

    Worked example. A battery with $\varepsilon=12\ \text{V}$ and $r=0.50\ \Omega$ supplies $2.0\ \text{A}$: the terminals sit at $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. With no current, a voltmeter reads the full $12\ \text{V}$.

    Meters: an ammeter 电流表 goes in series at the point whose current you want (ideal ammeter: zero resistance); a voltmeter 电压表 goes in parallel across the element (ideal voltmeter: infinite resistance). Non-ideal meters disturb the circuit they measure – a real ammeter adds series resistance, a real voltmeter steals current.

    العربية

    قم بتبسيط شبكات المقاومات إلى مقاومة مكافئة: المقاومات على التوالي تُجمع ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$)، بينما المقاومات على التوازي تُجمع كمعكوسات ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – دائماً أقل من أصغر فرع). انقبض الشبكة خطوة بخطوة لإيجاد تيار البطارية، ثم توسع للخلف لإيجاد تيار وفولتية كل عنصر.

    مثال محلول. بطارية $12\ \text{V}$ تقود مقاومتين $4.0\ \Omega$ و$2.0\ \Omega$ على التوالي: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$، $I=2.0\ \text{A}$، تنقسم الفولتيات إلى $8.0\ \text{V}$ و$4.0\ \text{V}$، وتشتت المقاومة $4.0\ \Omega$ طاقة قدرها $P=I^2R=16\ \text{W}$.

    المقاومات على التوازي تتحد لتكوين مقاومة مكافئة أصغر
    المقاومات على التوازي تتحد لتكوين مقاومة مكافئة أصغر

    البطاريات الحقيقية ليست مثالية. نُمثل البطارية كـ بطارية مثالية ذات قوة دافعة كهربائية $\varepsilon$ متصلة على التوالي مع مقاومتها الداخلية $r$. عندما يتدفق التيار، يُستهلك جزء من القوة الدافعة داخل البطارية، لذلك ينخفض جهد الطرف – وهو ما يقرأه فولتميتر متصل عبر البطارية فعليًا:

    $$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

    مثال محلول. بطارية ذات $\varepsilon=12\ \text{V}$ ومقاومة داخلية $r=0.50\ \Omega$ تزود دائرة بتيار $2.0\ \text{A}$: تكون الأقطاب عند $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. بدون تيار، يقرأ الفولتميتر القيمة الكاملة لـ$12\ \text{V}$.

    الأجهزة القياسية: الأمبيرميتر يوضع على التوالي عند النقطة التي تريد قياس تيارها (أمبيرميتر مثالي: مقاومة صفر)؛ الفولتميتر يوضع على التوازي عبر العنصر (فولتميتر مثالي: مقاومة لا نهائية). الأجهزة غير المثالية تشوه الدائرة التي تقيسها – الأمبيرميتر الحقيقي يضيف مقاومة على التوالي، والفولتميتر الحقيقي يسحب بعض التيار.

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    parallel/ˈpærəlel/ التوازي
    Resistance/rɪˈzɪstəns/ المقاومة
    11.6

    Kirchhoff's Loop Rule · ⁨قاعدة كيرشوف للحلقات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.6.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's loop rule.

    • 11.6.A.1 Energy changes in simple electrical circuits may be represented in terms of charges moving through electric potential differences within circuit elements.
      • Equation: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 11.6.A.2 Kirchhoff's loop rule is a consequence of the conservation of energy.
      • 11.6.A.2.i Kirchhoff's loop rule states that the sum of potential differences across all circuit elements in a single closed loop must equal zero.
        • Equation: $\sum \Delta V = 0$
      • 11.6.A.2.ii The values of electric potential at points in a circuit can be represented by a graph of electric potential as a function of position within a loop.
    العربية

    الهدف التعليمي 11.6.A: وصف دائرة أو عناصر دائرة بتطبيق قاعدة حلقة كيرشوف.

    • 11.6.A.1 يمكن تمثيل تغيرات الطاقة في الدوائر الكهربائية البسيطة بدلالة الشحنات التي تتحرك عبر فروق الجهد الكهربائية داخل عناصر الدائرة.
      • المعادلة: $\Delta U_E = q\Delta V$
    • 11.6.A.2 قاعدة حلقة كيرشوف هي نتيجة لقانون حفظ الطاقة.
      • 11.6.A.2.i تنص قاعدة حلقة كيرشوف على أن مجموع فروق الجهد عبر جميع عناصر الدائرة في حلقة مغلقة واحدة يساوي صفرًا.
        • معادلة: $\sum \Delta V = 0$
      • 11.6.A.2.ii يمكن تمثيل قيم الجهد الكهربائي عند نقاط في الدائرة بيانيًا بدالة للجهد الكهربائي بالنسبة للموقع داخل الحلقة.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Charges moving through potential differences exchange energy ($\Delta U_E=q\Delta V$), and energy must balance around any closed path. That is Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫回路定则:

    $$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

    Sign discipline wins these problems: crossing a battery from $-$ to $+$ is $+\varepsilon$; crossing a resistor with the assumed current is $-IR$ (against it, $+IR$). Write one equation per independent loop.

    العربية

    الشحنات المتحركة خلال فروق الجهد تتبادل الطاقة ($\Delta U_E=q\Delta V$)، ويجب أن تتوازن الطاقة حول أي مسار مغلق. هذا هو قانون كيرشوف للحلقات:

    $$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

    الالتزام بالإشارات يفوز في هذه المسائل: عبور بطارية من $-$ إلى $+$ يعتبر $+\varepsilon$؛ عبور مقاومة مع اتجاه التيار المفترض يعتبر $-IR$ (ضدها، $+IR$). اكتب معادلة واحدة لكل حلقة مستقلة.

    11.7

    Kirchhoff's Junction Rule · ⁨قاعدة كيرشوف للعقد⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.7.A: Describe a circuit or elements of a circuit by applying Kirchhoff's junction rule.

    • 11.7.A.1 Kirchhoff's junction rule is a consequence of the conservation of electric charge.
    • 11.7.A.2 Kirchhoff's junction rule states that the total amount of charge entering a junction per unit time must equal the total amount of charge exiting that junction per unit time.
      • Equation: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
    العربية

    الهدف التعليمي 11.7.A: وصف دائرة أو عناصر دائرة بتطبيق قاعدة عقدة كيرشوف.

    • 11.7.A.1 قاعدة عقدة كيرشوف هي نتيجة لقانون حفظ الشحنة الكهربائية.
    • 11.7.A.2 تنص قاعدة عقدة كيرشوف على أن إجمالي كمية الشحنة الداخلة إلى العقدة في وحدة زمنية يجب أن يساوي إجمالي كمية الشحنة الخارجة من تلك العقدة في وحدة زمنية.
      • المعادلة: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫节点定则 is conservation of charge at a junction 节点:

    $$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$

    Together the two rules solve any multi-loop circuit: assign a current to each branch, write junction equations, then loop equations, and solve. A negative answer just means that current flows opposite to your assumed direction.

    Worked example. In the circuit above, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ with $R_1=1.0\ \Omega$ on the left, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ with $R_2=1.0\ \Omega$ on the right, and a shared middle resistor $R_3=2.0\ \Omega$ carrying $I_3=I_1+I_2$ (junction rule). The two loop equations are

    $$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

    Solving: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, so $I_3=4.2\ \text{A}$ through the middle. Check with the second loop: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

    العربية

    قانون كيرشوف للعقد هو حفظ الشحنة عند العقدة:

    $$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
    التيار ينقسم عند العقدة: ما يدخل يساوي ما يخرج
    التيار ينقسم عند العقدة: ما يدخل يساوي ما يخرج

    معًا تحل القاعدتان أي دائرة متعددة الحلقات: عين تيارًا لكل فرع، واكتب معادلات العقد، ثم معادلات الحلقات، وحلها. الإجابة السالبة تعني ببساطة أن التيار يتدفع عكس الاتجاه الذي افترضته.

    معادلتان للحلقتين ومعادلة واحدة للعقدة تحلان هذه الدائرة ذات البطاريتين
    معادلتان للحلقتين ومعادلة واحدة للعقدة تحلان هذه الدائرة ذات البطاريتين

    مثال محلول. في الدائرة أعلاه، $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ مع $R_1=1.0\ \Omega$ على اليسار، و$\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ مع $R_2=1.0\ \Omega$ على اليمين، ومقاومة وسط مشتركة $R_3=2.0\ \Omega$ تحمل تيار $I_3=I_1+I_2$ (قانون العقدة). المعادلتان اللتان تمثلان الحلقتين هما

    $$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

    الحل: $I_1=3.6\ \text{A}$، $I_2=0.60\ \text{A}$، وبالتالي $I_3=4.2\ \text{A}$ عبر الوسط. تحقق باستخدام الحلقة الثانية: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

    11.8

    Resistor-Capacitor (RC) Circuits · ⁨دوائر المقاومة-المكثف (RC)⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 11.8.A: Describe the equivalent capacitance of multiple capacitors.

    • 11.8.A.1 A collection of capacitors in a circuit may be analyzed as though it was a single capacitor with an equivalent capacitance $C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.A.1.i The inverse of the equivalent capacitance of a set of capacitors connected in series is equal to the sum of the inverses of the individual capacitances.
        • Equation: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
      • 11.8.A.1.ii The equivalent capacitance of a set of capacitors in series is less than the capacitance of the smallest capacitor.
      • 11.8.A.1.iii The equivalent capacitance of a set of capacitors in parallel is the sum of the individual capacitances.
        • Equation: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
    • 11.8.A.2 As a result of conservation of charge, each of the capacitors in series must have the same magnitude of charge on each plate.

    Learning Objective 11.8.B: Describe the behavior of a circuit containing combinations of resistors and capacitors.

    • 11.8.B.1 The charge on a capacitor or the current in a resistor in an RC circuit can be described by a fundamental differential equation derived from Kirchhoff's loop rule.
      • Equation: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
    • 11.8.B.2 The time constant ($\tau$) is a significant feature of an RC circuit.
      • 11.8.B.2.i The time constant of an RC circuit is a measure of how quickly the capacitor will charge or discharge and is defined as $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.B.2.ii For a charging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to increase from zero to approximately 63 percent of its final asymptotic value.
      • 11.8.B.2.iii For a discharging capacitor, the time constant represents the time required for the capacitor's charge to decrease from fully charged to approximately 37 percent of its initial value.
    • 11.8.B.3 The potential difference across a capacitor and the current in the branch of the circuit containing the capacitor each change over time as the capacitor charges and discharges, but both will reach a steady state after a long time interval.
      • 11.8.B.3.i Immediately after being placed in a circuit, an uncharged capacitor acts like a wire, and charge can easily flow to or from the plates of the capacitor.
      • 11.8.B.3.ii As a capacitor charges, changes to the potential difference across the capacitor affect the charge on the plates of the capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor.
      • 11.8.B.3.iii The potential difference across a capacitor, the current in the circuit branch in which the capacitor is located, and the electric potential energy stored in the capacitor all change with respect to time and asymptotically approach steady state conditions.
      • 11.8.B.3.iv After a long time, a charging capacitor approaches a state of being fully charged, reaching a maximum potential difference at which there is zero current in the circuit branch in which the capacitor is located.
      • 11.8.B.3.v Immediately after a charged capacitor begins discharging, the amount of charge on the capacitor and the energy stored in the capacitor begin to decrease.
      • 11.8.B.3.vi As a capacitor discharges, the amount of charge on the capacitor, the potential difference across the capacitor, and the current in the circuit branch in which the capacitor is located all decrease until a steady state is reached.
      • 11.8.B.3.vii After either charging or discharging for times much greater than the time constant, the capacitor and the relevant circuit branch may be modeled using steady-state conditions.
    العربية

    الهدف التعليمي 11.8.A: وصف السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات.

    • 11.8.A.1 يمكن تحليل مجموعة من المكثفات في دائرة وكأنها مكثف واحد بقدرة مكافئة $C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.A.1.i مقلوب السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات المتصلة على التوالي يساوي مجموع مقلوبات السعات الفردية.
        • معادلة: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
      • 11.8.A.1.ii السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات المتصلة على التوالي تكون أقل من سعة أصغر مكثف.
      • 11.8.A.1.iii السعة المكافئة لمجموعة من المكثفات المتصلة على التوازي تساوي مجموع السعات الفردية.
        • معادلة: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
    • 11.8.A.2 نتيجة لحفظ الشحنة، يجب أن تمتلك كل مكثف من المكثفات المتصلة على التوالي نفس مقدار الشحنة على كل صفيحه.

    الهدف التعليمي 11.8.B: وصف سلوك دائرة تحتوي على مزيج من المقاومات والمكثفات.

    • 11.8.B.1 يمكن وصف الشحنة على مكثف أو التيار في مقاومة في دائرة RC بمعادلة تفاضلية أساسية مستمدة من قاعدة كيرشوف للحلقة.
      • المعادلة: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
    • 11.8.B.2 الثابت الزمني ($\tau$) هو سمة مميزة لدائرة RC.
      • 11.8.B.2.i ثابت الزمن لدائرة RC هو مقياس لسرعة شحن أو تفريغ المكثف، ويُعرّف بالمعادلة $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
      • 11.8.B.2.ii بالنسبة لمكثف قيد الشحن، يمثل ثابت الزمن الوقت اللازم لزيادة شحنة المكثف من الصفر إلى حوالي 63% من قيمته النهائية المقاربة.
      • 11.8.B.2.iii بالنسبة لمكثف قيد التفريغ، يمثل ثابت الزمن الوقت اللازم لنقصان شحنة المكثف من الشحن الكامل إلى حوالي 37% من قيمته الأولية.
    • 11.8.B.3 يتغير فرق الجهد عبر المكثف والتيار في الفرع الذي يحتوي على المكثف بمرور الوقت أثناء شحن وتفريغ المكثف، لكن كلاهما سيصلان إلى حالة استقرار بعد فترة زمنية طويلة.
      • 11.8.B.3.i فور وضع مكثف غير مشحون في دائرة، يعمل كموصلاً، ويمكن للشحن أن يتدفق بسهولة إلى أو من ألواح المكثف.
      • 11.8.B.3.ii أثناء شحن المكثف، تؤثر التغيرات في فرق الجهد عبره على شحنة ألواح المكثف والتيار في فرع الدائرة الذي يحتوي على المكثف والطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة فيه.
      • 11.8.B.3.iii يتغير فرق الجهد عبر المكثف والتيار في فرع الدائرة الذي يحتوي عليه والطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة فيه مع مرور الوقت وتقترب asymptotically من حالات الاستقرار.
      • 11.8.B.3.iv بعد فترة طويلة، يقترب مكثف قيد الشحن من حالة الشحن الكامل، حيث يصل إلى أقصى فرق جهد يكون عنده التيار في فرع الدائرة الذي يحتوي على المكثف مساويًا للصفر.
      • 11.8.B.3.v فور بدء مكثف مشحون عملية التفريغ، تبدأ كمية الشحنة على المكثف والطاقة المخزنة فيه في النقصان.
      • 11.8.B.3.vi أثناء تفريغ المكثف، تقل كمية الشحنة على المكثف وفرق الجهد عبره والتيار في فرع الدائرة الذي يحتوي عليه حتى الوصول إلى حالة الاستقرار.
      • 11.8.B.3.vii بعد الشحن أو التفريغ لفترات أطول بكثير من ثابت الزمن، يمكن نمذجة المكثفر وعمل فرع الدرة المناسب باستخدام شروط الاستقرار.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    Discharging a capacitor: τ = RC
    Charging a capacitor (RC)

    Capacitor networks reduce like resistors but with the rules swapped: parallel capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), series add as reciprocals – and capacitors in series must carry the same charge on each plate, by conservation of charge. Use the equivalent capacitance 等效电容 to analyse the network, then expand back.

    In an RC circuit RC电路, Kirchhoff's loop rule gives the differential equation

    $$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

    whose solutions are exponentials with time constant 时间常数 $\tau=RC$:

    $$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

    The current is largest at the first instant and decays – it never "waits" for the capacitor. Learn the two limits: at $t=0$ an uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged, no current flows in its branch, and it acts like a break. In any steady state 稳态, cover the capacitor branch with your finger, solve the resistor circuit, then read the capacitor's voltage from the element it sits across.

    Worked example. With $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, and a $10\ \text{V}$ battery: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; initial current $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; after one time constant the charge is $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, about $63\%$ of full charge, and the current has fallen to $37\%$ of its initial value.

    العربية
    تفريغ مكثف: τ = RC
    شحن مكثف (RC)

    شبكات المكثفات تقل مثل المقاومات ولكن مع تبديل القواعد: سعرات التوازي تُجمع ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$)، والسعات على التوالي تُجمع كمعكوسات – والمكثفات على التوالي يجب أن تحمل نفس الشحنة على كل صفيحة، بسبب حفظ الشحنة. استخدم السعة المكافئة لتحليل الشبكة، ثم توسع للخلف.

    في دائرة RC، يعطي قانون كيرشوف للحلقة المعادلة التفاضلية

    $$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

    والتي حلولها دوال أسية ذات ثابت زمني $\tau=RC$:

    $$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

    يكون التيار أكبر في اللحظة الأولى ويتناقص – إنه لا "ينتظر" المكثف أبداً. احفظ الحدين الاثنين: عند $t=0$، يعمل المكثف المشحون عديم الشحنة كسلك عادي (تيار أقصى)؛ بعد وقت طويل، يكون مشحونًا بالكامل، ولا يتدفق تيار في فرعه، ويعمل كقطع للدائرة. في أي حالة مستقرة، غطِ فرع المكثف بإصبعك، وحل دائرة المقاومات، ثم اقرأ فولتية المكثف من العنصر الواقع عبره.

    شحنة المكثف تتناقص أسياً أثناء التفريغ
    شحنة المكثف تتناقص أسياً أثناء التفريغ

    مثال محلول. مع $R=5.0\ \text{k}\Omega$، $C=200\ \mu\text{F}$، وبطارية $10\ \text{V}$: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$؛ التيار الابتدائي $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$؛ بعد ثابت زمني واحد تكون الشحنة $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$، حوالي $63\%$ من الشحنة الكاملة، وقد انخفض التيار إلى $37\%$ من قيمته الابتدائية.

    دائرة إلكترونية مبنية على لوحة تجارب
    دائرة حقيقية على لوحة تجريبية: مقاومة ومكثف معًا يحددان سرعة ارتفاع وانخفاض الجهد
    11.8

    Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

    English
    • Relate current to charge flow $I=\tfrac{dQ}{dt}$ and use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ for resistance.
    • Apply Kirchhoff's laws (junction: charge; loop: energy) with consistent sign conventions.
    • Analyse RC circuits with calculus: charging/discharging give exponentials with time constant $\tau=RC$.
    • Combine resistors (series add, parallel reciprocal) and track power $P=IV=I^2R$.
    • At $t=0$ a capacitor acts like a wire; after a long time ($t\to\infty$) it acts like an open branch.
    العربية
    • ربط التيار بتدفق الشحنة $I=\tfrac{dQ}{dt}$ واستخدام $J=\sigma E$، $R=\tfrac{\rho L}{A}$ للمقاومة.
    • تطبيق قوانين كيرشوف (العقدة: شحنة؛ الحلقة: طاقة) مع توافقي إشارات.
    • تحليل دوائر RC بالتفاضل والتكامل: الشحن/التفريغ يعطي دوال أسية ذات ثابت زمني $\tau=RC$.
    • دمج المقاومات (تسلسلي يُجمع، توازي يُعكس) وتتبع القدرة $P=IV=I^2R$.
    • عند $t=0$ يتصرف المكثف كسلك؛ بعد زمن طويل ($t\to\infty$) يتصرف كفرع مفتوح.
  • 12

    Magnetic Fields and Electromagnetism · ⁨المجالات المغناطيسية والكهرومغناطيسية⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    12.1

    Magnetic Fields · ⁨المجالات المغناطيسية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    12.1.A
    Describe the properties of a magnetic field.

    • 12.1.A.1 A magnetic field is a vector field that can be used to determine the magnetic force exerted on moving electric charges, electric currents, or magnetic materials.
      • 12.1.A.1.i Magnetic fields can be produced by magnetic dipoles or combinations of dipoles, but never by monopoles.
      • 12.1.A.1.ii Magnetic dipoles have north and south polarity.
    • 12.1.A.2 A magnetic field is a vector quantity and can be represented using vector field maps.
    • 12.1.A.3 Magnetic field lines must form closed loops, as described by Gauss's law for magnetism.
      • 12.1.A.3.i Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Gauss's law for magnetism is Maxwell's second equation.
        • Equation: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0$
      • 12.1.A.3.ii Magnetic fields in a bar magnet form closed loops, with the external magnetic field pointing away from one end (defined as the north pole) and returning to the other end (defined as the south pole).

    12.1.B
    Describe the magnetic behavior of a material as a result of the configuration of magnetic dipoles in the material.

    • 12.1.B.1 Magnetic dipoles result from the circular or rotational motion of electric charges. In magnetic materials, this can be the motion of electrons.
      • 12.1.B.1.i Permanent magnetism and induced magnetism are system properties that both result from the alignment of magnetic dipoles within a system.
      • 12.1.B.1.ii No magnetic north pole is ever found in isolation from a south pole. For example, if a bar magnet is broken in half, both halves are magnetic dipoles.
      • 12.1.B.1.iii Magnetic poles of the same polarity will repel; magnetic poles of opposite polarity will attract.
      • 12.1.B.1.iv The magnitude of the magnetic field from a magnetic dipole decreases with increasing distance from the dipole.
    • 12.1.B.2 A magnetic dipole, such as a magnetic compass, placed in a magnetic field will tend to align with the magnetic field.
    • 12.1.B.3 A material's composition influences its magnetic behavior in the presence of an external magnetic field.
      • 12.1.B.3.i Ferromagnetic materials such as iron, nickel, and cobalt can be permanently magnetized by an external field that causes the alignment of magnetic domains or atomic magnetic dipoles.
      • 12.1.B.3.ii Paramagnetic materials such as aluminum, titanium, and magnesium interact weakly with an external magnetic field, in that the magnetic dipoles of the material do not remain aligned after the external field is removed.
      • 12.1.B.3.iii All materials have the property of diamagnetism, in that their electronic structure creates a usually weak alignment of the dipole moments of the material opposite the external magnetic field.
    • 12.1.B.4 Earth's magnetic field may be approximated as a magnetic dipole.

    12.1.C
    Describe the magnetic permeability of a material.

    • 12.1.C.1 Magnetic permeability is a measurement of the amount of magnetization in a material in response to an external magnetic field.
    • 12.1.C.2 Free space has a constant value of magnetic permeability, known as the vacuum permeability $\mu_0$, that appears in equations representing physical relationships.
    • 12.1.C.3 The permeability of matter has values different from that of free space and arises from the matter's composition and arrangement. It is not a constant for a material and varies based on many factors, including temperature, orientation, and strength of the external field.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    A magnetic field 磁场 $\vec{B}$ is a vector field 矢量场 that surrounds magnets, moving charges, and currents; it determines the magnetic force on any moving charge placed in it. Magnetic field lines 磁感线 must form closed loops: they leave the north pole, return to the south pole, and continue through the magnet. Denser lines mean a stronger field.

    Closed loops are the content of Gauss's law for magnetism, the second of Maxwell's equations 麦克斯韦方程组:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{A}=0.$$

    The net magnetic flux through any closed surface is zero – as many field lines leave as enter. That is exactly the statement that isolated magnetic monopoles 磁单极子 do not exist. Every source of magnetism is a magnetic dipole 磁偶极子 (a north–south pair), made by circulating charge – in materials, the motion of electrons. Break a bar magnet in half and you get two smaller dipoles, never a lone pole. Like poles repel, opposite poles attract, and a free dipole – a compass 指南针 – rotates to line up with the local field. Earth's own field is approximately a dipole, which is why a compass works. Dipole fields weaken with distance.

    How a material responds to an external field depends on how its internal dipoles behave:

    • Ferromagnetic 铁磁性 (iron, nickel, cobalt): an external field aligns whole magnetic domains 磁畴, and the alignment survives after the field is removed – a permanent magnet.
    • Paramagnetic 顺磁性 (aluminum, titanium): dipoles align weakly with the field but relax when it is removed.
    • Diamagnetic 抗磁性 (all materials): the electronic structure produces a usually weak alignment opposite to the field.

    The strength of a material's response is its magnetic permeability 磁导率. Free space has the constant value $\mu_0$ (the vacuum permeability); the permeability of matter differs from $\mu_0$ and is not even constant – it varies with temperature, orientation, and field strength.

    العربية

    المجال المغناطيسي $\vec{B}$ هو حقل متجهي يحيط بالمغناطيسات والشحنات المتحركة والتيارات؛ ويحدد القوة المغناطيسية على أي شحنة متحركة تُوضع فيه. خطوط المجال المغناطيسي يجب أن تشكل حلقات مغلقة: تغادر القطب الشمالي، وتعود إلى القطب الجنوبي، وتستمر عبر المغناطيس. الخطوط الأكثر كثافة تعني مجالاً أقوى.

    خطوط المجال تمتد من N إلى S خارج مغناطيس قضيبي
    خطوط المجال تمتد من N إلى S خارج مغناطيس قضيبي

    الحلقات المغلقة هي محتوى قانون غاوس للمغناطيسية، وهو الثاني من معادلات ماكسويل:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{A}=0.$$

    ال التدفق المغناطيسي الصافي عبر أي سطح مغلق يساوي صفراً – عدد خطوط المجال الخارجة يساوي الداخل. هذا بالضبط يعني عدم وجود أقطاب مغناطيسية منفردة معزولة. كل مصدر للمغناطيسية هو مغناطيس ثنائي القطب (زوج شمال-جنوب)، ناتج عن شحنة دوّارة – في المواد، حركة الإلكترونات. قم بكسر مغناطيس قضيبي لنصفين لتحصل على قطبين ثنائيين أصغر، ولا تحصل أبداً على قطب مفرد. الأقطاب المتماثلة تتنافر، والمختلفة تتجاذب، والقطب الثنائي الحر – البوصلة – يدور ليحاذا مع المجال المحلي. مجال الأرض نفسه تقريباً ثنائي القطب، ولهذا تعمل البوصلة. حقول ثنائية القطب تضعف مع المسافة.

    استجابة المادة لمجال خارجي تعتمد على سلوك أقطابها الداخلية:

    • فيرومغناطيسية (حديد، نيكل، كوبالت): مجال خارجي يوازي مناطق مغناطيسية كاملة، ويستمر التوازي بعد إزالة المجال – مغناطيس دائم.
    • بارامغناطيسية (ألومنيوم، تيتانيوم): تتوازن الأقطاب ضعيفاً مع المجال لكنها ترتخي عند إزالته.
    • ديامغناطيسية (جميع المواد): البنية الإلكترونية تنتج موازاة عادة ما تكون عكسية مع المجال.

    قوة استجابة المادة هي النفاذية المغناطيسية. الفراغ له قيمة ثابتة $\mu_0$ (نفاذية الفراغ)؛ نفاذية المادة تختلف عن $\mu_0$ وليست حتى ثابتة – تتغير مع درجة الحرارة والتوجه وقوة المجال.

    شمال الكوكب: جسيمات مشحونة من الشمس تُوجّه بواسطة المجال المغناطيسي للأرض نحو الأقطاب
    شمال الكوكب: جسيمات مشحونة من الشمس تُوجّه بواسطة المجال المغناطيسي للأرض نحو الأقطاب
    Explore · ⁨استكشف⁩

    See a magnet's field lines · ⁨رؤية خطوط مجال المغناطيس⁩

    Magnetic field lines run from north to south outside a magnet; where they crowd together the field is strongest. · ⁨تمتد خطوط الحقل المغناطيسي من الشمال إلى الجنوب خارج المغناطيس؛ حيث تتكدس تكون القوة الأقوى.⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    12.2

    Magnetism and Moving Charges · ⁨المغناطيسية والشحنات المتحركة⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 12.2.A: Describe the magnetic field produced by moving charged objects.

    • 12.2.A.1 A single moving charged object produces a magnetic field.
      • 12.2.A.1.i The magnetic field at a particular point produced by a moving charged object depends on the object's velocity and the distance between the point and the object.
      • 12.2.A.1.ii At a point in space, the direction of the magnetic field produced by a moving charged object is perpendicular to both the velocity of the object and the position vector from the object to that point in space and can be determined using the right-hand rule.
      • 12.2.A.1.iii The magnitude of the magnetic field is a maximum when the velocity vector and the position vector from the object to that point in space are perpendicular.

    Learning Objective 12.2.B: Describe the force exerted on moving charged objects by a magnetic field.

    • 12.2.B.1 A magnetic field will exert a force on a charged object moving within that field, with magnitude and direction that depend on the cross-product of the charge's velocity and the magnetic field.
      • Equation: $\vec{F}_B = q\left(\vec{v} \times \vec{B}\right)$
    • 12.2.B.2 In a region containing both a magnetic field and an electric field, a moving charged object will experience independent forces from each field.
    • 12.2.B.3 The Hall effect describes the potential difference created in a conductor by an external magnetic field that has a component perpendicular to the direction of charges moving in the conductor.
    العربية

    الهدف التعليمي 12.2.A: وصف المجال المغناطيسي الناتج عن الأجسام المشحونة المتحركة.

    • 12.2.A.1 الجسيم المشحون المتحرك الواحد يُنتج مجالاً مغناطيسياً.
      • 12.2.A.1.i يعتمد المجال المغناطيسي عند نقطة معينة ناتج عن جسم مشحون متحرك على سرعة الجسم والمسافة بين تلك النقطة والجسم.
      • 12.2.A.1.ii عند نقطة في الفضاء، يكون اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن جسم مشحون متحرك عمودياً على كل من سرعة الجسم ومتجه الموضع من الجسم إلى تلك النقطة في الفضاء، ويمكن تحديده باستخدام قاعدة اليد اليمنى.
      • 12.2.A.1.iii تكون قيمة المجال المغناطيسي في أقصى حد عندما يكون متجه السرعة ومتجه الموضع من الجسم إلى تلك النقطة في الفضاء عموديين على بعضهما البعض.

    الهدف التعليمي 12.2.B: وصف القوة المؤثرة على الأجسام المشحونة المتحركة بواسطة مجال مغناطيسي.

    • 12.2.B.1 سيمارس مجال مغناطيسي قوة على جسم مشحون يتحرك داخل ذلك المجال، وتكون قيمة واتجاه هذه القوة اعتماداً على الضرب الاتجاهي لسرعة الشحنة والمجال المغناطيسي.
      • المعادلة: $\vec{F}_B = q\left(\vec{v} \times \vec{B}\right)$
    • 12.2.B.2 في منطقة تحتوي على كل من مجال مغناطيسي ومجال كهربائي، سيعرض جسم مشحون متحرك لقوى مستقلة ناتجة عن كل مجال على حدة.
    • 12.2.B.3 يصف تأثير هال فرق الجهد الناشئ في موصل بسبب مجال مغناطيسي خارجي له مركبة عمودية على اتجاه حركة الشحنات داخل الموصل.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    A moving charge in a magnetic field

    A moving charge does two things: it creates a magnetic field, and it feels a force in an external one. The field it creates at a point is perpendicular 垂直 to both its velocity and the position vector from charge to point (right-hand rule again), and is largest where those two are perpendicular – zero directly ahead of or behind the motion.

    The force on a charge moving in a field $\vec{B}$ is the cross product

    $$\vec{F}_B=q\,\vec{v}\times\vec{B},\qquad F=qvB\sin\theta,$$

    perpendicular to both $\vec{v}$ and $\vec{B}$ – point the fingers of your right hand along $\vec{v}$, curl toward $\vec{B}$, and the thumb gives the force on a positive charge (reverse it for negative). Because $\vec{F}_B\perp\vec{v}$, the magnetic force does no work on the charge: it changes direction, never speed.

    A charge moving perpendicular to a uniform field therefore travels in a circle, the magnetic force supplying the centripetal force 向心力:

    $$qvB=\frac{mv^2}{r}\quad\Rightarrow\quad r=\frac{mv}{qB},\qquad T=\frac{2\pi m}{qB}.$$

    Notice the period $T$ does not depend on the speed – faster particles ride larger circles in the same time.

    Worked example. A proton ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$, $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) enters a $0.50\ \text{T}$ field at $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$, perpendicular to it. The magnetic force $F=qvB=1.6\times10^{-14}\ \text{N}$ bends it into a circle of radius $r=\dfrac{mv}{qB}=\dfrac{1.67\times10^{-27}(2.0\times10^{5})}{1.6\times10^{-19}(0.50)}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}$.

    In a region with both an electric and a magnetic field, the two forces act independently and add as vectors. Balancing them makes a velocity selector 速度选择器: with $\vec{E}$ and $\vec{B}$ crossed, only charges with $qE=qvB$, i.e. $v=E/B$, pass straight through. The Hall effect 霍尔效应 is the same physics inside a conductor: a field with a component perpendicular to the current pushes the moving carriers sideways, charge builds up on one face, and a measurable potential difference appears across the conductor – its sign reveals whether the carriers are positive or negative.

    العربية
    شحنة متحركة في حقل مغناطيسي

    الشحنة المتحركة تفعل شيئين: تنتج مجالاً مغناطيسياً، وتشعر بقوة في مجال خارجي. المجال الذي ينتجه عند نقطة ما يكون عمودياً على كل من سرعتها ومتجه الموقع من الشحنة للنقطة (قاعدة اليد اليمنى مجدداً)، ويكون الأكبر حيث هذان العموديان – صفراً مباشرة أمام أو خلف الحركة.

    القوة على شحنة تتحرك في مجال $\vec{B}$ هي الضرب الاتجاهي

    $$\vec{F}_B=q\,\vec{v}\times\vec{B},\qquad F=qvB\sin\theta,$$

    عمودي على كل من $\vec{v}$ و$\vec{B}$ – وجه أصابع يدك اليمنى على طول $\vec{v}$، ولف نحو $\vec{B}$، وسيعطيك الإبهام القوة على شحنة موجبة (عكسها للسالبة). وبسبب $\vec{F}_B\perp\vec{v}$، لا تبذل القوة المغناطيسية شغلاً على الشحنة: تغير الاتجاه، لكن ليس السرعة.

    شحنة تتحرك عمودياً على مجال منتظم تسير بدائرة، والقوة المغناطيسية توفر القوة المركزية:

    $$qvB=\frac{mv^2}{r}\quad\Rightarrow\quad r=\frac{mv}{qB},\qquad T=\frac{2\pi m}{qB}.$$

    لاحظ أن الدور $T$ لا يعتمد على السرعة – الجسيمات الأسرع تقود دوائر أكبر في نفس الوقت.

    جسيم مشحون يتحرك عبر مجال مغناطيسي يتبع مساراً دائرياً
    جسيم مشحون يتحرك عبر مجال مغناطيسي يتبع مساراً دائرياً

    مثال محلول. بروتون ($q=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$، $m=1.67\times10^{-27}\ \text{kg}$) يدخل في مجال $0.50\ \text{T}$ بسرعة $2.0\times10^{5}\ \text{m/s}$، عمودياً عليه. القوة المغناطيسية $F=qvB=1.6\times10^{-14}\ \text{N}$ تنحنيه لمسار دائري نصف قطره $r=\dfrac{mv}{qB}=\dfrac{1.67\times10^{-27}(2.0\times10^{5})}{1.6\times10^{-19}(0.50)}=4.2\times10^{-3}\ \text{m}$.

    في منطقة يوجد فيها مجال كهربائي ومجال مغناطيسي، تؤثر القوتان بشكل مستقل وتُجمَع كمتجهات. موازنتهما تُكوّن اختيار السرعة: مع $\vec{E}$ و$\vec{B}$ متعامدين، فقط الشحنات التي possesses $qE=qvB$، أي $v=E/B$، تمر مستقيمة. تأثير هول هو نفس الفيزياء داخل موصل: مجال به مركبة عمودية على التيار يدفع حاملات الشحنة جانباً، تتراكم الشحنة على وجه واحد، ويظهر فرق جهد قابل للقياس عبر الموصل – علامته يكشف ما إذا كانت الحمولات موجبة أم سالبة.

    Explore · ⁨استكشف⁩

    Force on a moving charge · ⁨القوة المؤثرة على شحنة متحركة⁩

    A charge moving through a magnetic field feels a force $F=qvB$ at right angles to both its velocity and the field — the basis of the motor effect. Reverse either and the force flips. · ⁨تتعرض شحنة متحركة في مجال مغناطيسي لقوة $F=qvB$ عمودية على كل من سرعتها والمجال — وهو أساس تأثير المحرك. إذا عكست أحدهما، تنعكس القوة.⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    12.3

    Magnetic Fields of Current-Carrying Wires · ⁨حقول المغناطيسية للأسلاك المارة بها تيارات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 12.3.A: Describe the magnetic field produced by a current-carrying wire.

    • 12.3.A.1 The Biot-Savart law defines the magnitude and direction of a magnetic field created by an electrical current.
      • Equation: $d\vec{B} = \dfrac{\mu_0}{4\pi} \dfrac{I(d\vec{\ell} \times \hat{r})}{r^2}$
    • 12.3.A.2 The magnetic field vectors around a small segment of a current-carrying wire are tangent to concentric circles centered on that wire. The field has no component toward, away from, or parallel to the segment of the current-carrying wire.
    • 12.3.A.3 The Biot-Savart law can be used to derive the magnitudes and directions of magnetic fields around segments of current-carrying wires, for example at the center of a circular loop of wire.
      • Equation: $B_{\text{center of loop}} = \dfrac{\mu_0 I}{2R}$

    Learning Objective 12.3.B: Describe the force exerted on current-carrying wires by a magnetic field.

    • 12.3.B.1 A magnetic field will exert a force on a current-carrying wire.
      • Equation: $\vec{F}_B = \int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to perform quantitative analysis of certain cases of current-carrying conductors using the Biot-Savart law, such as at a location along the perpendicular bisector of a straight conductor, at a location along the central axis of a circular loop, or at the center of a segment of a circular loop.

    العربية

    الهدف التعليمي 12.3.A: وصف المجال المغناطيسي الناتج عن سلك حامل للتيار.

    • 12.3.A.1 يُعرّف قانون بيو-ساڤار مقدار واتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن تيار كهربائي.
      • المعادلة: $d\vec{B} = \dfrac{\mu_0}{4\pi} \dfrac{I(d\vec{\ell} \times \hat{r})}{r^2}$
    • 12.3.A.2 متجهات المجال المغناطيسي حول جزء صغير من سلك مارة به تيارات تكون مماسة لدوائر متحدة المركز مركزها هذا السلك. لا يوجد للمجال أي مركبات نحو أو بعيداً أو موازية لجزء السلك المار فيه التيار.
    • 12.3.A.3 يمكن استخدام قانون بيو-ساڤار لاستنتاج مقادير واتجاهات المجالات المغناطيسية حول أجزاء من الأسلاك المارة بها تيارات، على سبيل المثال عند مركز حلقة دائرية من الأسلاك.
      • المعادلة: $B_{\text{center of loop}} = \dfrac{\mu_0 I}{2R}$

    هدف التعلم 12.3.B: وصف القوة المؤثرة على أسلاك مارة بها تيارات بفعل مجال مغناطيسي.

    • 12.3.B.1 سيمارس مجال مغناطيسي قوة على سلك مارة به تيارات.
      • المعادلة: $\vec{F}_B = \int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$

    بيان الحدود: اختبار AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية يتوقع من الطلاب فقط إجراء تحليل كمي لحالات معينة من الموصلات المارة بها تيارات باستخدام قانون بيو-ساڤار، مثل موقع على طول المنصف العمودي لموصل مستقيم، أو موقع على طول المحور المركزي لحلقة دائرية، أو في مركز جزء من حلقة دائرية.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    The magnetic field around a current

    A current is a stream of moving charges, so it creates a magnetic field. The Biot–Savart law 毕奥-萨伐尔定律 adds up the field of each current element:

    $$d\vec{B}=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{I\,d\vec{l}\times\hat{r}}{r^2}.$$

    Around any straight segment the field vectors are tangent 相切 to concentric circles 同心圆 centred on the wire – no component toward, away from, or along the wire. Curl your right hand around the wire with the thumb along the current: your fingers give the field direction.

    The Biot–Savart integrals AP expects: a long straight wire ($B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}$, or a point on the perpendicular bisector of a finite wire), and the centre of a circular loop,

    $$B_{\text{centre of loop}}=\frac{\mu_0 I}{2R},$$

    where every element $d\vec{l}$ is perpendicular to $\hat{r}$ and equally distant $R$ – say that in an FRQ derivation. An arc that is a fraction of a full circle contributes that same fraction of $\mu_0 I/2R$ at its centre.

    A field also pushes on a current-carrying wire, element by element:

    $$\vec{F}_B=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}\qquad(\vec{F}=I\vec{L}\times\vec{B}\ \text{for a straight wire in a uniform field}).$$

    Worked example. Two long parallel wires a distance $d=0.10\ \text{m}$ apart each carry $5.0\ \text{A}$ in the same direction. Wire 1's field at wire 2 is $B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}$, so wire 2 feels $\dfrac{F}{L}=I B=5.0\times10^{-5}\ \text{N/m}$, pulled toward wire 1. Same-direction currents attract; opposite currents repel.

    العربية
    المجال المغناطيسي حول تيار كهربائي

    التيار هو تدفق لشحنات متحركة، لذا ينتج مجالاً مغناطيسياً. قانون بيوت-ساڤار - يجمع حقل كل عنصر تيار:

    $$d\vec{B}=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{I\,d\vec{l}\times\hat{r}}{r^2}.$$

    حول أي قطعة مستقيمة، متجهات الحقل تكون مماسية لـ دوائر متحدة المركز مركزها السلك – لا توجد مركبة نحو، بعيداً، أو على طول السلك. لف يدك اليمنى حول السلك والإبهام على طول التيار: أصابعك تعطي اتجاه الحقل.

    خطوط مجال دائرية متماحدة تحيط بسلك مستقيم حامل للتيار
    خطوط مجال دائرية متماحدة تحيط بسلك مستقيم حامل للتيار

    تكاملات بيوت-ساڤار التي يتوقعها AP: سلك مستقيم طويل ($B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}$، أو نقطة على المنصف العمودي لسلك محدود)، ومركز حلقة دائرية،

    $$B_{\text{centre of loop}}=\frac{\mu_0 I}{2R},$$

    حيث كل عنصر $d\vec{l}$ عمودي على $\hat{r}$ وعلى مسافة $R$ متساوية – قل ذلك في اشتقاق FRQ. قوس يمثل كسراً من دائرة كاملة يساهم بنفس الكسر من $\mu_0 I/2R$ عند مركزه.

    حقل أيضاً يدفع على سلك مارة به تيار، عنصراً بعنصر:

    $$\vec{F}_B=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}\qquad(\vec{F}=I\vec{L}\times\vec{B}\ \text{for a straight wire in a uniform field}).$$

    مثال محلول. سلكان طويلا متوازيان على مسافة $d=0.10\ \text{m}$ بينهما يحملان كل منهما تيار $5.0\ \text{A}$ في نفس الاتجاه. حقل السلك 1 عند السلك 2 هو $B=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi d}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}$، لذا يشعر السلك 2 بقوة $\dfrac{F}{L}=I B=5.0\times10^{-5}\ \text{N/m}$، يُسحب نحو السلك 1. التيارات في نفس الاتجاه تتجاذب؛ التيارات المعاكسة تتنافر.

    برادة حديد حول ملف مارة به تيارات
    ملف حامل للتيار (سولينويد) يولد مجالاً مغناطيسياً يشبه تماماً مجال مغناطيس القضيب
    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ المجال المغناطيسي
    vector field/ˈvektə fiːld/ مجال شعاعي
    magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ خطوط المجال المغناطيسي
    Maxwell's equations/ˈmækswelz ɪˈkweɪʒnz/ معادلات ماكسويل
    magnetic monopoles/mæɡˈnetɪk ˈmɒnəʊpəʊlz/ أقطاب مغناطيسية فردية
    magnetic dipole/mæɡˈnetɪk ˈdaɪpəʊl/ ثنائي قطب مغناطيسي
    compass/ˈkʌmpəs/ البوصلة
    Ferromagnetic/ˌferəməɡˈnetɪk/ فائق المغناطيسية
    magnetic domains/mæɡˈnetɪk dəˈmeɪnz/ مناطق مغناطيسية
    Paramagnetic/ˌpærəməɡˈnetɪk/ شبه مغناطيسي
    Diamagnetic/ˌdaɪəməɡˈnetɪk/ مضاد للمغناطيسية
    magnetic permeability/mæɡˈnetɪk ˌpɜːməˈbɪlɪti/ النفاذية المغناطيسية
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ عمودية
    centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ قوة مركزية
    velocity selector/vəˈlɒsɪti sɪˈlektə/ محدد السرعة
    Hall effect/hɔːl ɪˈfekt/ تأثير هول
    Biot–Savart law/ˈbɪɒt ˈsævɑːt lɔː/ قانون بيوت-سافار
    tangent/ˈtændʒənt/ القطري
    concentric circles/kənˈsentrɪk ˈsɜːklz/ دوائر متحدة المركز
    Ampère's law/ˈæmpeəz lɔː/ قانون أمبير
    Amperian loop/æmˈpɪərɪən luːp/ حلقة أمبير
    current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ كثافة التيار
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ التراكب
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ ملف لولبي
    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    12.4

    Ampère's Law · ⁨قانون أمبير⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 12.4.A: Use Ampère's law to describe the magnetic field created by a moving charge carrier.

    • 12.4.A.1 Ampère's law relates the magnitude of the magnetic field to the current enclosed by a closed imaginary path called an Amperian loop.
      • Equation: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I_{\text{enc}}$
      • 12.4.A.1.i Ampère's law can be used to determine the magnetic field near a long, straight current-carrying wire.
        • Equation: $B_{\text{wire}} = \dfrac{\mu_0}{2\pi} \dfrac{I}{r}$
      • 12.4.A.1.ii Unless otherwise stated, all solenoids are assumed to be very long, with uniform magnetic fields inside the solenoids and negligible magnetic fields outside the solenoids.
      • 12.4.A.1.iii Ampère's law can be used to determine the magnetic field inside of a long solenoid.
        • Equation: $B_{\text{sol}} = \mu_0 n I$
    • 12.4.A.2 An Amperian loop is a closed path around a current-carrying conductor.
    • 12.4.A.3 The principle of superposition can be used to determine the net magnetic field at a point in space created by various combinations of current-carrying conductors, or conducting loops, segments, or cylinders.
    • 12.4.A.4 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Maxwell's fourth equation is Ampère's law with Maxwell's addition; it states that magnetic fields can be generated by electric current (Ampère's law) and that a changing electric field creates a magnetic field, similar to the way a moving charge creates a magnetic field (Maxwell's addition).
      • Equation: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I + \mu_0 \varepsilon_0 \dfrac{d\Phi_E}{dt}$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects quantitative application of Ampère's law limited to situations involving symmetrical magnetic fields. Long straight wires, long solenoids carrying currents, as well as conductive slabs or cylindrical conductors carrying a current density, are the types of shapes to which Ampère's law will be applied on the AP Physics C: Electricity & Magnetism Exam.

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism does not expect students to use Maxwell's fourth equation with a changing electric field. However, students should understand that a changing electric field generates a magnetic field.

    العربية

    هدف التعلم 12.4.A: استخدام قانون أمبير لوصف المجال المغناطيسي الناتج عن حامل شحنة متحرك.

    • 12.4.A.1 يرتبط قانون أمبير مقدار المجال المغناطيسي بالتيار المحصور داخل مسار وهمي مغلق يسمى الحلقة الأمبيرية.
      • المعادلة: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I_{\text{enc}}$
      • 12.4.A.1.i يمكن استخدام قانون أمبير لتحديد المجال المغناطيسي بالقرب من سلك مستقيم طويل مارة به تيارات.
        • معادلة: $B_{\text{wire}} = \dfrac{\mu_0}{2\pi} \dfrac{I}{r}$
      • 12.4.A.1.ii ما لم يُذكر خلاف ذلك، يُفترض أن جميع الملفات الكهرومغناطيسية طويلة جداً، مع وجود مجالات مغناطيسية موحدة داخلها ومجالات مغناطيسية مهملة خارجها.
      • 12.4.A.1.iii يمكن استخدام قانون أمبير لتحديد المجال المغناطيسي داخل ملف كهرومغناطيسي طويل.
        • معادلة: $B_{\text{sol}} = \mu_0 n I$
    • 12.4.A.2 الحلقة الأمبيرية هي مسار مغلق حول موصل مارة به تيارات.
    • 12.4.A.3 يمكن استخدام مبدأ التراكب لتحديد المجال المغناطيسي الصافي عند نقطة في الفضاء الناتج عن مختلف تركيبات الموصلات المارة بها تيارات، أو الحلقات، أو الأجزاء، أو الأسطوانات الموصلة.
    • 12.4.A.4 معادلات ماكسويل هي مجموعة المعادلات التي تصف الكهرومغناطيسية بشكل كامل. المعادلة الرابعة لماكسويل هي قانون أمبير مع إضافة ماكسويل؛ تنص على أن المجالات المغناطيسية يمكن توليدها بواسطة تيار كهربائي (قانون أمبير) وأن المجال الكهربائي المتغير يولد مجالاً مغناطيسياً، تماماً كما يفعل الشحنة المتحركة (إضافة ماكسويل).
      • المعادلة: $\oint \vec{B} \cdot d\vec{\ell} = \mu_0 I + \mu_0 \varepsilon_0 \dfrac{d\Phi_E}{dt}$

    بيان الحدود: اختبار AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية يقتصر التطبيق الكمي لقانون أمبير على الحالات التي تتضمن مجالات مغناطيسية متماثلة. الأسلاك المستقيمة الطويلة، والملفات الكهرومغناطيسية الطويلة المارة بها تيارات، بالإضافة إلى الرقائق أو الموصلات الأسطوانية المارة بها كثافة تيار، هي الأنواع الهندسية التي سيتم تطبيق قانون أمبير عليها في اختبار AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية.

    بيان الحدود: اختبار AP Physics C: الكهرباء والمغناطيسية لا يتوقع من الطلاب استخدام المعادلة الرابعة لماكسويل مع مجال كهربائي متغير. ومع ذلك، يجب على الطلاب فهم أن المجال الكهربائي المتغير يولد مجالاً مغناطيسياً.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    For symmetric current distributions, Ampère's law 安培定律 finds the field far faster than Biot–Savart:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{l}=\mu_0 I_{\text{enc}}.$$

    Choose an Amperian loop 安培环路 that matches the symmetry, so that $B$ is constant along the loop (and parallel to it) and comes out of the integral. AP applies it to long straight wires, long solenoids, and conductors carrying a current density 电流密度 (slabs and cylinders); combinations are handled by superposition 叠加.

    Worked example. Find the field $0.10\ \text{m}$ from a long wire carrying $5.0\ \text{A}$. A circular loop of radius $r$ shares the field's symmetry, so $B(2\pi r)=\mu_0 I$ and

    $$B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.10)}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}.$$

    A long solenoid 螺线管 (assumed: uniform field inside, negligible field outside) is the other classic. Take a rectangular loop with one side of length $L$ inside, parallel to the axis: only that side contributes to the integral, so $BL=\mu_0 (nL) I$ and

    $$B_{\text{sol}}=\mu_0 n I,$$

    with $n$ the turns per metre.

    Worked example (cylinder). A solid cylindrical conductor of radius $R$ carries current $I$ spread uniformly over its cross-section. Inside ($r), a circular loop encloses $I_{\text{enc}}=I\dfrac{r^2}{R^2}$, so $B=\dfrac{\mu_0 I r}{2\pi R^2}$ – the field grows linearly to the surface, then falls off as $1/r$ outside.

    Exam skill. Every Ampère's-law answer earns its marks in the setup: name the loop, state why $B$ is constant and parallel to it (symmetry), and count $I_{\text{enc}}$ carefully before you solve. Maxwell's fourth equation adds one more idea you should know qualitatively: a changing electric field also creates a magnetic field – but AP will not ask you to compute with that term.

    العربية

    لتوزيعات تيار متناظرة، قانون أمبير يجد الحقل أسرع بكثير من بيوت-ساڤار:

    $$\oint \vec{B}\cdot d\vec{l}=\mu_0 I_{\text{enc}}.$$

    اختر حلقة أمبير تتوافق مع التماثل، بحيث يكون $B$ ثابتًا على طول الحلقة (ومتوازيًا معها) ويخرج من التكامل. يطبق AP هذا على الأسلاك المستقيمة الطويلة، والملفات الطويلة، والموصلات التي تحمل كثافة تيار (صفائح وأسطوانات)؛ وتُعالج التراكيب باستخدام التراكب.

    مثال محلول. أوجد المجال $0.10\ \text{m}$ الناتج عن سلك طويل يحمل تيار $5.0\ \text{A}$. حلقة دائرية نصف قطرها $r$ تتشارك في تماثل المجال، لذا فإن $B(2\pi r)=\mu_0 I$ و

    $$B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}=\frac{(4\pi\times10^{-7})(5.0)}{2\pi(0.10)}=1.0\times10^{-5}\ \text{T}.$$

    الملف الطويل (solenoid) (بافتراض: مجال منتظم داخله، ومجال مهمل خارجه) هو المثال الكلاسيكي الآخر. خذ حلقة مستطيلة تكون أحد أضلاعها بطول $L$ داخل الملف ومتوازية مع المحور: فقط ذلك الضلع يساهم في التكامل، لذا $BL=\mu_0 (nL) I$ و

    $$B_{\text{sol}}=\mu_0 n I,$$

    حيث $n$ هو عدد اللفات لكل متر.

    تُستنتج الحلقة الأمبيرية المستطيلة المجال المنتظم داخل الملف
    تُستنتج الحلقة الأمبيرية المستطيلة المجال المنتظم داخل الملف

    مثال محلول (أسطوانة). موصل أسطواني صلب نصف قطره $R$ يمر فيه تيار $I$ موزع بانتظام على مقطعه العرضي. داخل المنطقة ($r)، تحيط حلقة دائرية بـ $I_{\text{enc}}=I\dfrac{r^2}{R^2}$، لذا $B=\dfrac{\mu_0 I r}{2\pi R^2}$ – حيث يتزايد المجال خطيًا نحو السطح، ثم يتناقص كـ $1/r$ خارج الأسطوانة.

    مهارة الامتحان. كل إجابة لقانون أمبير تحصل على درجاتها في مرحلة الإعداد: سمِّ الحلقة، واذكر لماذا $B$ ثابت ومتوازي معها (بسبب التماثل)، وعدّ $I_{\text{enc}}$ بعناية قبل البدء في الحل. تضيف المعادلة الرابعة لماكسوف فكرة أخرى يجب أن تعرفها بشكل نوعي: فإن المجال الكهربائي المتغير يولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا – لكن AP لن يطلب منك إجراء حسابات باستخدام هذا الحد.

    12.4

    Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

    English
    • The magnetic force $\vec F=q\vec v\times\vec B$ is perpendicular to velocity — use the right-hand rule and note it does no work.
    • A charge in a uniform field moves in a circle with $r=\tfrac{mv}{qB}$.
    • Find the field of currents with Biot–Savart $d\vec B=\tfrac{\mu_0}{4\pi}\tfrac{I\,d\vec l\times\hat r}{r^2}$ or Ampère's law $\oint \vec B\cdot d\vec l=\mu_0 I_{enc}$ when there is symmetry.
    • Force on a wire is $\vec F=I\vec L\times\vec B$; keep the cross-product direction straight.
    • Distinguish the force on a charge from the field the current creates.
    العربية
    • القوة المغناطيسية $\vec F=q\vec v\times\vec B$ عمودية على السرعة — استخدم قاعدة اليد اليمنى ولاحظ أنها لا تقوم بأي شغل.
    • الشحنة في مجال منتظم تتحرك في دائرة بسرعة $r=\tfrac{mv}{qB}$.
    • أوجد مجال التيارات باستخدام بيوت-سافار $d\vec B=\tfrac{\mu_0}{4\pi}\tfrac{I\,d\vec l\times\hat r}{r^2}$ أو قانون أمبير $\oint \vec B\cdot d\vec l=\mu_0 I_{enc}$ عندما يكون هناك تماثل.
    • القوة المؤثرة على سلك هي $\vec F=I\vec L\times\vec B$؛ حافظ على اتجاه الضرب الاتجاهي صحيحًا.
    • افرق بين القوة على شحنة والمجال الذي ينشئه التيار.
  • 13

    Electromagnetic Induction · ⁨الحث الكهرومغناطيسي⁩

    Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
    13.1

    Magnetic Flux · ⁨التدفق المغناطيسي⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 13.1.A: Describe the magnetic flux through an arbitrary area or geometric shape.

    • 13.1.A.1 For a magnetic field $\vec{B}$ that is constant across an area $\vec{A}$, the magnetic flux through the area is defined as $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A}$ .
      • 13.1.A.1.i The area vector is defined as perpendicular to the plane of the surface and outward from a closed surface.
      • 13.1.A.1.ii The sign of flux is given by the dot product of the magnetic field vector and the area vector.
    • 13.1.A.2 The total magnetic flux passing through a surface is defined by the surface integral of the magnetic field over the surface area.
      • Equation: $\Phi_B = \displaystyle\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$
    العربية

    هدف التعلم 13.1.A: وصف التدفق المغناطيسي عبر مساحة عشوائية أو شكل هندسي.

    • 13.1.A.1 بالنسبة لمجال مغناطيسي $\vec{B}$ ثابت على مساحة $\vec{A}$، يُعرف التدفق المغناطيسي خلال المساحة بالمعادلة $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A}$.
      • 13.1.A.1.i يُعرف متجه المساحة بأنه عمودي على مستوى السطح وناشر من سطح مغلق.
      • 13.1.A.1.ii تُعطى إشارة التدفق بضرب النقطي لمتجه المجال المغناطيسي ومتجه المساحة.
    • 13.1.A.2 يُعرف التدفق المغناطيسي الكلي المار عبر سطح بالتكامل السطحي للمجال المغناطيسي على مساحة السطح.
      • المعادلة: $\Phi_B = \displaystyle\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Magnetic flux 磁通量 measures how much magnetic field passes through a surface. For a uniform field through a flat loop it is the dot product $\Phi_B=\vec{B}\cdot\vec{A}=BA\cos\theta$; in general it is the surface integral 面积分

    $$\Phi_B=\int \vec{B}\cdot d\vec{A}.$$

    The area vector 面积矢量 is perpendicular to the surface (outward from a closed one), and the sign of the flux comes from the dot product. Flux changes if $B$ changes, the area changes, or the loop turns – keep all three routes in mind, because each one is an exam question.

    العربية

    التدفق المغناطيسي يقيس مقدار المجال المغناطيسي المار عبر سطح ما. بالنسبة لمجال منتظم يمر عبر حلقة مسطحة، فهو الضرب القياسي $\Phi_B=\vec{B}\cdot\vec{A}=BA\cos\theta$؛ وفي الحالة العامة هو تكامل سطحي

    $$\Phi_B=\int \vec{B}\cdot d\vec{A}.$$

    المتجه المساحي عمودي على السطح (نحو الخارج من سطح مغلق)، وإشارة التدفق تأتي من الضرب القياسي. يتغير التدفق إذا تغير $B$، أو تغير المساحة، أو دارت الحلقة – احتفظ بالثلاثة مسارات في اعتبارك، لأن كل واحد منها يمثل سؤال امتحان.

    Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
    English العربية
    Magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ التدفق المغناطيسي
    surface integral/ˈsɜːfɪs ˈɪntɪɡrəl/ تكامل سطح
    area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ متجه المساحة
    emf/emf/ قوة دافعة كهربائية
    Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ قانون فاراداي
    Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ قانون لنز
    induced current/ɪnˈdjuːst ˈkʌrənt/ تيار محفز
    right-hand rule/raɪt hænd ruːl/ قاعدة اليد اليمنى
    motional emf/ˈməʊʃənl emf/ قوة دافعة حركية
    Maxwell's equations/ˈmækswelz ɪˈkweɪʒnz/ معادلات ماكسويل
    electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ موجات كهرومغناطيسية
    eddy currents/ˈedi ˈkʌrənts/ تيارات دوامة
    generator/ˈdʒenəreɪtə/ مولد
    inductance/ɪnˈdʌktəns/ الحث الذاتي
    inductor/ɪnˈdʌktə/ ملف حثي
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ ملف لولبي
    magnetic permeability/mæɡˈnetɪk ˌpɜːməˈbɪlɪti/ النفاذية المغناطيسية
    RL circuit/ˌɑː ˈel ˈsɜːkɪt/ دائرة RL
    differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ معادلة تفاضلية
    time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ الثابت الزمني
    LC circuit/ˌel ˈsiː ˈsɜːkɪt/ دائرة LC
    oscillates/ˈɒsɪleɪts/ يتذبذب
    simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ الحركة التوافقية البسيطة
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ حفظ الطاقة
    13.2

    Electromagnetic Induction · ⁨الحث الكهرومغناطيسي⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    13.2.A
    Describe the induced electric potential difference resulting from a change in magnetic flux.

    • 13.2.A.1 Faraday's law describes the relationship between changing magnetic flux and the resulting induced emf in a system.
      • Equation: $\mathcal{E} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt} = -\dfrac{d\left(\vec{B} \cdot \vec{A}\right)}{dt}$
      • 13.2.A.1.i When the area of the surface being considered is constant, the induced emf is equal to the area multiplied by the rate of change in the component of the magnetic field perpendicular to the surface.
      • 13.2.A.1.ii When the magnetic field is constant, the induced emf is equal to the magnetic field multiplied by the rate of change in area perpendicular to the magnetic field.
      • 13.2.A.1.iii When an emf is induced in a long solenoid, the total induced emf is equal to the induced emf in a single loop multiplied by the number of loops in the solenoid.
        • Equation: $\left|\mathcal{E}_{\text{sol}}\right| = N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$
    • 13.2.A.2 Lenz's law is used to determine the direction of an induced emf resulting from a changing magnetic flux.
      • 13.2.A.2.i An induced emf generates a current that creates a magnetic field that opposes the change in magnetic flux.
      • 13.2.A.2.ii The right-hand rule is used to determine the relationships between current, emf, and magnetic flux.
    • 13.2.A.3 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Maxwell's third equation is Faraday's law of induction, which describes the relationship between a changing magnetic flux and an induced electric field.
      • Equation: $\mathcal{E} = \oint \vec{E} \cdot d\vec{\ell} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}$
    • 13.2.A.4 Maxwell's equations can be used to show that electric and magnetic fields obey wave equations and that electromagnetic waves travel at a constant speed in free space.
      • Equation (derived): $c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$

    Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism does not expect students to mathematically derive the speed of light in free space from Maxwell's equations. This relationship is included above solely as an indication of the further applications, implications, and connections to physical phenomena that students may study in more advanced physics courses.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    Electromagnetic induction

    A changing flux induces an emf 电动势 – Faraday's law 法拉第定律:

    $$\varepsilon=-\frac{d\Phi_B}{dt}.$$

    With constant area, $\varepsilon=-A\,\dfrac{dB_\perp}{dt}$; with constant field, $\varepsilon=-B\,\dfrac{dA_\perp}{dt}$. A coil of $N$ turns multiplies the single-loop emf: $|\varepsilon_{\text{sol}}|=N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$.

    Lenz's law 楞次定律 is the minus sign: the induced current 感应电流 flows so that its own magnetic field opposes the change in flux that created it. Push a magnet toward a loop and the loop pushes back; pull it away and the loop pulls it in. Use the right-hand rule 右手定则 to turn "oppose the change" into a current direction.

    A rod of length $L$ sliding at speed $v$ across a field is the special case worth memorising – the motional emf 动生电动势 $\varepsilon=BLv$.

    Worked example. A $0.20\ \text{m}$ rod slides at $3.0\ \text{m/s}$ across a $0.50\ \text{T}$ field: $\varepsilon=BLv=0.50(0.20)(3.0)=0.30\ \text{V}$. Equivalently, if a single loop's flux drops from $0.020\ \text{Wb}$ to $0.008\ \text{Wb}$ in $0.030\ \text{s}$, the average emf is $\varepsilon=\dfrac{0.012}{0.030}=0.40\ \text{V}$.

    Faraday's law is also the third of Maxwell's equations 麦克斯韦方程组, in a deeper form: a changing magnetic flux creates a circulating electric field, $\oint\vec{E}\cdot d\vec{l}=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ – that field is what pushes the charges around the loop. Together, Maxwell's equations predict electromagnetic waves 电磁波 travelling at $c=1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ (you should know this connection, but AP will not ask you to derive it).

    العربية
    الحث الكهرومغناطيسي

    التدفق المتغير يُحدث قوة دافعة كهربائية – قانون فاراداي:

    $$\varepsilon=-\frac{d\Phi_B}{dt}.$$

    مع ثبات المساحة، $\varepsilon=-A\,\dfrac{dB_\perp}{dt}$؛ ومع ثبات المجال، $\varepsilon=-B\,\dfrac{dA_\perp}{dt}$. ملف يحتوي على $N$ لفة يضاعف القوة الدافعة الكهربائية للحلقة الواحدة: $|\varepsilon_{\text{sol}}|=N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$.

    قانون لenz هو الإشارة السالبة: التيار المُحثَّ يتدفق بحيث يكون مجاله المغناطيسي الخاص به معارضًا للتغير في التدفق الذي تسببه. ادفع مغناطيسًا نحو حلقة فتدفع الحلقة رداً عليها؛ اسحبها بعيدًا فتسحب الحلقة المغناطيس إليها. استخدم قاعدة اليد اليمنى لتحويل "معارضة التغير" إلى اتجاه تيار.

    تحريك مغناطيس داخل ملف يُحدث قوة دافعة كهربائية تُحدث تياراً
    تحريك مغناطيس داخل ملف يُحدث قوة دافعة كهربائية تُحدث تياراً

    قضيب طوله $L$ ينزلق بسرعة $v$ عبر مجال هو حالة خاصة تستحق الحفظ – وهي القوة الدافعة الكهربائية الحركية $\varepsilon=BLv$.

    مثال محلول. قضيب طوله $0.20\ \text{m}$ ينزلق بسرعة $3.0\ \text{m/s}$ عبر مجال شدته $0.50\ \text{T}$: $\varepsilon=BLv=0.50(0.20)(3.0)=0.30\ \text{V}$. وبالمثل، إذا انخفض تدفق حلقة واحدة من $0.020\ \text{Wb}$ إلى $0.008\ \text{Wb}$ خلال زمن $0.030\ \text{s}$، فإن القوة الدافعة الكهربائية المتوسطة هي $\varepsilon=\dfrac{0.012}{0.030}=0.40\ \text{V}$.

    قانون فاراداي هو أيضًا الثالث من معادلات ماكسيف، بصيغة أعمق: التدفق المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا دواريًا، $\oint\vec{E}\cdot d\vec{l}=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ – ذلك المجال هو ما يدفع الشحنات حول الحلقة. معًا، تتنبأ معادلات ماكسيف بـ الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر بسرعة $c=1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ (يجب أن تعرف هذا الارتباط، لكن AP لن يطلب منك اشتقاقه).

    المحور الملفوف لمحرك كهربائي
    ملفات من الأسلاك تدور في مجال مغناطيسي: تحريكها مقابل المجال يولد تيارًا، وهو أساس المولد
    محول محطة تحويل: التدفق المغناطيسي المتغير في الملفات يُحدث الجهود التي تغذي الشبكة
    محول محطة تحويل: التدفق المغناطيسي المتغير في الملفات يُحدث الجهود التي تغذي الشبكة
    Explore · ⁨استكشف⁩

    Induce a current by moving a magnet · ⁨حفز تيار عن طريق تحريك مغناطيس⁩

    A changing magnetic flux through a coil induces an EMF (Faraday's law); its direction opposes the change (Lenz's law). Move the magnet faster for a bigger EMF. · ⁨يتغير التدفق المغناطيسي عبر ملف فيولد EMF (قانون فاراداي)؛ واتجاهه يعاكس التغير (قانون لينز). حرّك المغناطيس أسرع للحصول على EMF أكبر.⁩

    13.3

    Induced Currents and Magnetic Forces · ⁨التيارات المُحثَّة والقوى المغناطيسية⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 13.3.A: Describe the force exerted on a conductor due to the interaction between an external magnetic field and an induced current within that conductor.

    • 13.3.A.1 When an induced current is created in a conductive loop, the already-present magnetic field will exert a magnetic force on the moving charge carriers within the loop.
      • Equation: $\vec{F}_B = \displaystyle\int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$
    • 13.3.A.2 When current is induced in a conducting loop, magnetic forces are only exerted on the segments of the loop that are within the external magnetic field. These magnetic forces may cause translational or rotational acceleration.
    • 13.3.A.3 The force on a conducting loop is proportional to the induced current in the loop, which depends on the rate of change of magnetic flux, the resistance of the loop, and the velocity of the loop.
    • 13.3.A.4 Newton's second law can be applied to a conducting loop moving in a magnetic field as it experiences an induced emf.
    العربية

    الهدف التعليمي 13.3.A: وصف القوة المؤثرة على موصل نتيجة التفاعل بين مجال مغناطيسي خارجي وتيار مستحث داخل ذلك الموصل.

    • 13.3.A.1 عند نشأة تيار مستحث في حلقة موصلة، سيؤثر المجال المغناطيسي الموجود مسبقًا بقوة مغناطيسية على حاملات الشحنة المتحركة داخل الحلقة.
      • المعادلة: $\vec{F}_B = \displaystyle\int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$
    • 13.3.A.2 عند تحريض تيار في حلقة موصلة، تتعرض القوى المغناطيسية فقط للأجزاء من الحلقة الموجودة داخل المجال المغناطيسي الخارجي. قد تسبب هذه القوى المغناطيسية تسارعًا انتقاليًا أو دورانيًا.
    • 13.3.A.3 تتناسب القوة المؤثرة على الحلقة الموصلة مع التيار المستحث فيها، والذي يعتمد على معدل تغير التدفق المغناطيسي ومقاومة الحلقة وسرعة الحلقة.
    • 13.3.A.4 يمكن تطبيق قانون نيوتن الثاني على حلقة موصلة تتحرك في مجال مغناطيسي حيث تتعرض لقوة دافعة كهربية مستحثة.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Once an induced current flows, the external field exerts forces on it ($\vec{F}=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}$) – and by Lenz's law those forces always resist the motion that causes the induction. Only the segments of the loop actually inside the field feel a force, which can make a loop accelerate, rotate, or brake. This is the origin of eddy currents 涡电流 braking, and you can apply Newton's second law to a moving loop or rod like any other mechanics problem.

    The classic setup is a rod sliding on conducting rails connected by a resistor:

    Worked example (the full chain). Rails $L=0.20\ \text{m}$ apart with resistance $R=0.60\ \Omega$ sit in a $0.50\ \text{T}$ field into the page. The rod is pushed at a constant $3.0\ \text{m/s}$. Then: $\varepsilon=BLv=0.30\ \text{V}$; $I=\varepsilon/R=0.50\ \text{A}$; the field pushes back on the rod with $F=BIL=0.50(0.50)(0.20)=0.050\ \text{N}$. The pushing force does work at $P=Fv=0.15\ \text{W}$ – exactly the $P=I^2R=0.15\ \text{W}$ dissipated in the resistor. Mechanical work becomes electrical energy: that is a generator 发电机, and energy is conserved. Released with no push, the rod slows exponentially: $ma=-\dfrac{B^2L^2}{R}v$.

    Exam skill. FRQs walk this exact chain: flux $\to$ emf $\to$ current $\to$ force $\to$ Newton's second law. Write each link separately and check the direction with Lenz's law at the end.

    العربية

    بمجرد أن يتدفق تيار مُحث، يمارس المجال الخارجي قوى عليه ($\vec{F}=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}$) – وبحسب قانون لenz، تكون تلك القوى دائمًا معارضة للحركة التي تسببت في الحث. فقط الأجزاء من الحلقة الموجودة فعليًا داخل المجال تشعر بالقوة، مما قد يجعل الحلقة تتسارع، أو تدور، أو تنكبح. هذا هو أصل تيارات دوامية للفرامل، ويمكن تطبيق قانون نيوتن الثاني على حلقة متحركة أو قضيب مثل أي مشكلة ميكانيكا أخرى.

    تيارات الإديس المستحثة تعارض الحركة، مما يخمد بسرعة لوحاً معدنياً يتأرجح في مجال مغناطيسي
    تيارات دوامية مُحثة تعارض الحركة، وتخمد بسرعة لوح معدني يتأرجح في مجال

    الإعداد الكلاسيكي هو قضيب ينزلق على قضبان موصلة متصلتين بمقاومة:

    قضيب ينزلق على قضبان: تيار الحث يشعر بقوة تعاكس الحركة
    قضيب ينزلق على قضبان: التيار المُحث يشعر بقوة تعارض الحركة

    مثال محلول (السلسلة الكاملة). قضبان متباعدة مسافة $L=0.20\ \text{m}$ ذات مقاومة $R=0.60\ \Omega$ موضوعة في مجال شدته $0.50\ \text{T}$ يتجه نحو الداخل. يتم دفع القضيب بسرعة ثابتة $3.0\ \text{m/s}$. إذن: $\varepsilon=BLv=0.30\ \text{V}$؛ $I=\varepsilon/R=0.50\ \text{A}$؛ المجال يدفع عكس القضيب بقوة $F=BIL=0.50(0.50)(0.20)=0.050\ \text{N}$. قوة الدفع تبذل شغلاً بمعدل $P=Fv=0.15\ \text{W}$ – تماماً مقدار $P=I^2R=0.15\ \text{W}$ المشتت في المقاومة. يتحول الشغل الميكانيكي إلى طاقة كهربائية: هذا مولد، والطاقة محفوظة. عند إطلاقه بدون دفع، يتباطأ القضيب أسيًا: $ma=-\dfrac{B^2L^2}{R}v$.

    مهارة الامتحان. أسئلة الإجابة المقالية (FRQs) تتبع هذه السلسلة بالضبط: تدفق $\to$ قوة دافعة كهربائية $\to$ تيار $\to$ قوة $\to$ قانون نيوتن الثاني. اكتب كل رابط على حدة وتحقق من الاتجاه باستخدام قانون لenz في النهاية.

    13.4

    Inductance · ⁨الحث الذاتي⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    13.4.A
    Describe the physical and electrical properties of an inductor.

    • 13.4.A.1 Inductance is the tendency of a conductor to oppose a change in electrical current.
      • 13.4.A.1.i Inductance of a conductor depends on the physical properties of the conductor. Straight wires are typically modeled as having zero inductance.
      • 13.4.A.1.ii An inductor, such as a solenoid, is a circuit element that has significant inductance.
      • 13.4.A.1.iii The inductance of a solenoid is dependent on the total number of turns, the length of the solenoid, the cross-sectional area of the solenoid, and magnetic permeability of the solenoid's core.
        • Equation: $L_{\text{sol}} = \dfrac{\mu_{\text{core}} N^2 A}{\ell}$
    • 13.4.A.2 Inductors store energy in the magnetic field that is generated by current in the inductor.
      • Equation: $U_L = \dfrac{1}{2} L I^2$
      • 13.4.A.2.i The energy stored in the magnetic field generated by an inductor in which current is flowing can be dissipated through a resistor or used to charge a capacitor.
      • 13.4.A.2.ii The transfer of energy generated in an inductor to other forms of energy obeys conservation laws.
    • 13.4.A.3 By applying Faraday's law to an inductor and using the definition of inductance, induced emf can be related to inductance and the rate of change of current.
      • Equation: $\mathcal{E}_i = -L\dfrac{dI}{dt}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    Inductance 电感 is a conductor's tendency to oppose a change in its own current: changing current changes its own flux, which self-induces an emf. From Faraday's law,

    $$\varepsilon=-L\frac{dI}{dt}.$$

    An inductor 电感器 is a circuit element built to have large inductance – usually a solenoid 螺线管, where geometry gives

    $$L_{\text{sol}}=\frac{\mu_{\text{core}}N^2A}{\ell},$$

    with $N$ total turns, area $A$, length $\ell$, and the magnetic permeability 磁导率 of the core. (Straight wires are modelled as having zero inductance.) An inductor carrying current $I$ stores energy in its magnetic field:

    $$U_L=\tfrac{1}{2}LI^2,$$

    which can later be dissipated in a resistor or moved into a capacitor – conservation of energy applies as usual.

    العربية

    الحث الذاتي هو ميل الموصل لمعارضة تغيير تياره الخاص:改变的电流改变其自身的磁通量,从而自感产生电动势。根据法拉第定律,

    $$\varepsilon=-L\frac{dI}{dt}.$$

    المحث هو عنصر دوائر كهربائية مصمم ليكون له حث كبير – عادة ما يكون ملفًا لولبيًا، حيث تمنح الهندسة

    $$L_{\text{sol}}=\frac{\mu_{\text{core}}N^2A}{\ell},$$

    مع $N$ عدد لفات كلي، مساحة $A$، طول $\ell$، والنفاذية المغناطيسية للنواة. (تُصوّر الأسلاك المستقيمة بأنها تملك حثًا صفرًا.) يحفظ المحث الذي يمر به تيار $I$ طاقة في مجاله المغناطيسي:

    $$U_L=\tfrac{1}{2}LI^2,$$

    والتي يمكن تبديدها لاحقًا في مقاومة أو نقلها إلى مكثف – تنطبق قانون حفظ الطاقة كما هو معتاد.

    13.5

    Circuits with Resistors and Inductors · ⁨الدوائر التي تحتوي على مقاومات ومحثات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    13.5.A
    Describe the physical and electrical properties of a circuit containing a combination of resistors and a single inductor.

    • 13.5.A.1 A resistor will dissipate energy that was stored in an inductor as the current changes.
    • 13.5.A.2 Kirchhoff's loop rule can be applied to a series LR circuit with a battery of emf $\mathcal{E}$, resulting in a differential equation that describes the current in the loop.
      • Equation (derived): $\mathcal{E} = IR + L\dfrac{dI}{dt}$
    • 13.5.A.3 The time constant is a significant feature of the behavior of an LR circuit.
      • 13.5.A.3.i The time constant of a circuit is a measure of how quickly an LR circuit will reach a steady state and is described with the equation $\tau = \dfrac{L}{R_{\text{eq}}}$ .
      • 13.5.A.3.ii The time constant represents the time an LR circuit would take to reach a steady state if the system continued to change at the initial rate of change.
      • 13.5.A.3.iii For an inductor that has zero initial current, the time constant represents the time required for the current in the inductor to reach approximately 63 percent of its final asymptotic value.
      • 13.5.A.3.iv For an inductor with an initial current, the time constant represents the time required for the current in the inductor to reach approximately 37 percent of its initial value.
    • 13.5.A.4 The electric properties of inductors change during the time interval in which the current in the inductor changes, but will exhibit steady state behavior after a long time interval.
      • 13.5.A.4.i When a switch is initially closed or opened in a circuit containing an inductor, the induced emf will be equal in magnitude and opposite in direction to the applied potential difference across the branch containing the inductor.
      • 13.5.A.4.ii The potential difference across an inductor, the current in the inductor, and the energy stored in the inductor are exponential with respect to time and have asymptotes that are determined by the initial conditions of the circuit.
      • 13.5.A.4.iii After a time much greater than the time constant of the circuit, an inductor will behave as a conducting wire with zero resistance.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English

    In an RL circuit RL电路, Kirchhoff's loop rule for a battery $\varepsilon$, resistor $R$, and inductor $L$ in series gives a differential equation 微分方程:

    $$\varepsilon=IR+L\frac{dI}{dt}\quad\Rightarrow\quad I(t)=\frac{\varepsilon}{R}\big(1-e^{-t/\tau}\big),\qquad \tau=\frac{L}{R}.$$

    The time constant 时间常数 $\tau$ sets the pace: after one $\tau$ a rising current reaches about $63\%$ of its final value (a decaying one falls to $37\%$); it is also how long the change would take at the initial rate. Learn the two limits – they answer most conceptual questions:

    • Just after the switch closes ($t=0$): current cannot jump, so the inductor momentarily blocks it, self-inducing an emf equal and opposite to the applied potential difference.
    • Long after ($t\gg\tau$): the current is steady, $dI/dt=0$, and the inductor behaves as a plain wire – the exact opposite of a capacitor.

    Worked example. $\varepsilon=12\ \text{V}$, $R=6.0\ \Omega$, $L=3.0\ \text{H}$: final current $\varepsilon/R=2.0\ \text{A}$, $\tau=L/R=0.50\ \text{s}$. At $t=0.50\ \text{s}$ the current is $2.0(1-e^{-1})\approx1.3\ \text{A}$. At $t=0$ the inductor's potential difference is the full $12\ \text{V}$; as $t\to\infty$ it falls to zero. Current, inductor voltage, and stored energy are all exponential in time.

    العربية

    في دائرة RLRL، تعطي قاعدة كيرشوف للحلقة لبطارية $\varepsilon$، مقاومة $R$، ومحث $L$ متصلة على التوالي معادلة تفاضلية:

    $$\varepsilon=IR+L\frac{dI}{dt}\quad\Rightarrow\quad I(t)=\frac{\varepsilon}{R}\big(1-e^{-t/\tau}\big),\qquad \tau=\frac{L}{R}.$$

    يحدد الثابت الزمني $\tau$ الوتيرة: بعد واحد $\tau$ يصل التيار المتزايد إلى حوالي $63\%$ من قيمته النهائية (أما المتناقص فيصل إلى $37\%$)؛ وهو أيضًا المدة التي ستستغرق التغير لو استمر بمعدل البداية. احفظ الحدين الإثنين – فهما يجيبان عن معظم الأسئلة المفاهيمية:

    • بعد إغلاق المفتوح مباشرةً ($t=0$): لا يمكن للتيار أن يقفز، لذا يعيق المحث التيار لحظيًا، مستحثًا قوة دافعة ذاتية مساوية وعكسية للجهد المطبق.
    • بعد مرور وقت طويل ($t\gg\tau$): يصبح التيار ثابتًا، $dI/dt=0$، ويتصرف المحث كسلك عادي – وهو بالضبط عكس المكثف.
    يزداد التيار في دائرة RL بشكل أسّي، ويصل إلى 63% عند ثابت زمني واحد
    يزداد التيار في دائرة RL بشكل أسّي، ويصل إلى 63% عند ثابت زمني واحد

    مثال محلول. $\varepsilon=12\ \text{V}$، $R=6.0\ \Omega$، $L=3.0\ \text{H}$: التيار النهائي $\varepsilon/R=2.0\ \text{A}$، $\tau=L/R=0.50\ \text{s}$. عند $t=0.50\ \text{s}$ يكون التيار $2.0(1-e^{-1})\approx1.3\ \text{A}$. عند $t=0$ يكون الجهد عبر المحث مساويًا لـ $12\ \text{V}$ بالكامل؛ مع $t\to\infty$ ينخفض إلى الصفر. كل من التيار، وجهد المحث، والطاقة المخزنة هي كميات أسية بالنسبة للزمن.

    13.6

    Circuits with Capacitors and Inductors · ⁨الدوائر التي تحتوي على مكثفات ومحثات⁩

    Syllabus · ⁨المنهج⁩
    English

    Learning Objective 13.6.A: Describe the physical and electrical properties of a circuit containing a combination of capacitors and a single inductor.

    • 13.6.A.1 In circuits containing only a charged capacitor and an inductor (LC circuits), the maximum current in the inductor can be determined using conservation of energy within the circuit.
    • 13.6.A.2 In LC circuits, the time dependence of the charge stored in the capacitor can be modeled as simple harmonic motion.
      • Equation (derived): $\dfrac{d^2 q}{dt^2} = -\dfrac{1}{LC} q$
    • 13.6.A.3 The angular frequency of an oscillating LC circuit can be derived from the differential equation that describes an LC circuit.
      • Equation (derived): $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$
    العربية

    هدف التعلم 13.6.A: وصف الخصائص الفيزيائية والكهربائية لدائرة تحتوي على مزيج من المكثفات وملف حث واحد.

    • 13.6.A.1 في الدوائر التي تحتوي فقط على مكثف مشحون وملف حث (دوائر LC)، يمكن تحديد أقصى تيار في الملف الحثي باستخدام مبدأ حفظ الطاقة داخل الدائرة.
    • 13.6.A.2 في دوائر LC، يمكن نمذجة اعتماد الشحنة المخزنة في المكثف على الزمن بحركة توافقية بسيطة.
      • معادلة (مشتقة): $\dfrac{d^2 q}{dt^2} = -\dfrac{1}{LC} q$
    • 13.6.A.3 يمكن اشتقاق التردد الزاوي لدائرة LC المتذبذبة من المعادلة التفاضلية التي تصف دائرة LC.
      • معادلة (مشتقة): $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

    English
    LC circuit: energy sloshes like a spring

    An LC circuit LC电路 has no resistance, so nothing dissipates energy: it oscillates 振荡, sloshing energy between the capacitor's electric field and the inductor's magnetic field. The loop rule gives

    $$\frac{d^2q}{dt^2}=-\frac{1}{LC}\,q,$$

    the same equation as a mass on a spring – simple harmonic motion 简谐运动 with charge playing the role of displacement and

    $$\omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}.$$

    The total energy $\dfrac{q^2}{2C}+\tfrac12LI^2$ stays constant: all in the capacitor at maximum charge, all in the inductor at maximum current.

    Worked example. $L=2.0\ \text{H}$, $C=8.0\ \mu\text{F}$: $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{2.0(8.0\times10^{-6})}}=250\ \text{rad/s}$, period $T=2\pi/\omega\approx0.025\ \text{s}$. If the capacitor starts charged to $12\ \text{V}$, then $U=\tfrac12CV^2=5.8\times10^{-4}\ \text{J}$, and the maximum current follows from $\tfrac12LI_{\max}^2=U$: $I_{\max}=\sqrt{2U/L}=0.024\ \text{A}$ – conservation of energy 能量守恒, no calculus needed.

    العربية
    دائرة LC: تتذبذب الطاقة مثل الزنبرك

    تمتلك دائرة LCLC مقاومة معدومة، فلا شيء يبدد الطاقة: فهي تتذبذب، تناوب الطاقة بين المجال الكهربائي للمكثف والمجال المغناطيسي للمحث. تعطي قاعدة الحلقة

    $$\frac{d^2q}{dt^2}=-\frac{1}{LC}\,q,$$

    نفس المعادلة لجسم على زنبرك – حركة توافقية بسيطة حيث تلعب الشحنة دور الإزاحة و

    $$\omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}.$$

    تبقى الطاقة الكلية $\dfrac{q^2}{2C}+\tfrac12LI^2$ ثابتة: كلها في المكثف عند أقصى شحنة، وكلها في المحث عند أقصى تيار.

    مثال محلول. $L=2.0\ \text{H}$، $C=8.0\ \mu\text{F}$: $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{2.0(8.0\times10^{-6})}}=250\ \text{rad/s}$، الدور $T=2\pi/\omega\approx0.025\ \text{s}$. إذا بدأت الشحنة مشحونة بـ $12\ \text{V}$، فإن $U=\tfrac12CV^2=5.8\times10^{-4}\ \text{J}$، ويتبع أقصى تيار من $\tfrac12LI_{\max}^2=U$: $I_{\max}=\sqrt{2U/L}=0.024\ \text{A}$ – حفظ الطاقة، بدون الحاجة للتفاضل والتكامل.

    13.6

    Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

    English
    • Compute flux $\Phi_B=\int \vec B\cdot d\vec A$ and get the induced EMF from Faraday's law $\varepsilon=-\tfrac{d\Phi_B}{dt}$.
    • Use Lenz's law (the minus sign) to fix the direction: the induced current opposes the change in flux.
    • Flux changes three ways — changing $B$, changing area, or changing angle — identify which and differentiate.
    • For a rod of length $L$ moving at speed $v$, the motional EMF is $BLv$.
    • An inductor stores energy $\tfrac12 LI^2$ and resists changes in current (RL time constant $\tau=L/R$).
    العربية
    • احسب التدفق $\Phi_B=\int \vec B\cdot d\vec A$ واحصل على القوة الدافعة الكهربية المستحثة من قانون فاراداي $\varepsilon=-\tfrac{d\Phi_B}{dt}$.
    • استخدم قانون لنز (الإشارة السالبة) لتحديد الاتجاه: التيار المستحث يعارض تغيير التدفق.
    • يتغير التدفق بثلاث طرق — تغيير $B$، أو تغيير المساحة، أو تغيير الزاوية — حدد أيًا كان ثم اشتق.
    • قضيب طوله $L$ يتحرك بسرعة $v$، تكون القوة الدافعة الحركية $BLv$.
    • يحفظ المحث طاقة $\tfrac12 LI^2$ ويعارض التغيرات في التيار (الثابت الزمني RL $\tau=L/R$).

Log in or create account · ⁨تسجيل الدخول أو إنشاء حساب⁩

IGCSE, A-Level & AP