نشاط عملي يوّضح كيفية إنشاء “التيارات الدوّامية” واستخدامها في إبطاء الحركة

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

التيارات الدوّامية الفيزياء التكنولوجيا والعلوم التطبيقية

الأهداف :

1- إنشاء تيارات دوّامية.

2- مقارنة التيارات الدوّامية في مواد مختلفة.

3- استخدام التيارات الدوامية في إبطاء الحركة.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– منصب ثلاثي القوائم 

– وتد خشبي

– خيط وصلصال لعب

– قضيب مغناطيس كبير

– ساعة إيقاف أو ساعة عادية تحتوي على عقرب للثواني 

– أقراص متعددة  مصنوعة من معادن مختلفة (معادن وعوازل مختلفة)؛ ينبغي أن تكون من القياس نفسه تقريباً

 

خطوات العمل:

1- اطلب من أحد الكبار أن يساعدك في صنع ثقب في أحد طرفي الوتد الخشبي.

2- علق الوتد بالمنصب بحيث يتأرجح بحرية في الاتجاهين على نحو مستقيم، كما في البندول (نّواس أو رقاص الساعة). وينبغي ترك مسافة بوصة واحدة بين نهاية الوتد الخشبي المعلق وسطح الطاولة.

3- ضع المغناطيس تحت الوتد الخشبي بحيث يتدلى فوق مركز المغناطيس.

4- استخدم الصلصال أو الشريط اللاصق لوصل أحد الأقراص بأسفل الوتد الخشبي.

5- ضع مسطرة بجانب المنصب واجعل علامة الصفر على المسطرة على نسق مع نهاية المغناطيس. اسحب القرص للخلف إلى العلامة 10 بوصات (25 سم) ثم اتركه، وفي الوقت نفسه شغّل ساعة التوقيت.

6- اضبط الوقت كي تعرف الزمن الذي يستغرقه القرص ليصل إلى وضع الاستقرار.

7– كرر التجربة باستعمال أقراص مصنوعة من مواد أخرى. حاول أن تستخدم أنواعاً مختلفة من المعادن والمواد الأخرى. اضبط الوقت كي تعرف الزمن الذي يستغرقه كل قرص للتوقف.

 

بإمكانك زيادة شدة المجال المغناطيسي عن طريق استخدام قضيبين مغناطيسيين.

ضعهما على مسافة 1 بوصة (2.5 سم) من بعضهما البعض، بحيث يكون القطب الشمالي للأول مقابلاً للقطب الجنوبي للمغناطيس الآخر عبر الفجوة الفاصلة بينهما .

 

ينبغي أن تنتبه إلى وضع هذا البندول (الرقّاص أو النوّاس) بحيث يتأرجح في الفجوة الفاصلة بين المغناطيسين.

الآن، كرر النشاط، ما التغيير الذي لاحظته أثناء التأرجح ؟

 

إبطاء حركة المغناطيس داخل أنبوب

هناك تجربة بسيطة أخرى يمكنك القيام بها لتوضح من خلالها كيف تؤثر التيارات الدوّامية في المجال المغناطيسي.

وتحتاج للقيام بهذا التوضيح أنبوباً بلاستيكياً طوله 2 قدم (60 سم) وأنبوباً من الألمنيوم طوله 2 قدم (60 سم) ومغناطيسين دائمين متماثلين (يُنصح باستخدام مغناطيسين كرويين) ولوحاً أو جداراً .

الصق الأنبوبين جنباً إلى جنب على جدار أو لوح خشبي باستخدام شريط لاصق. يجب أن يكون الأنبوبان بعيدين عن بعضهما بضع بوصات وعلى ارتفاع 6 بوصات (15 سم) عن الأرض.

 

كما يجب أن يكون الأنبوبان على الارتفاع نفسه تماماً. امسك الآن مغناطيساً فوق كلا الأنبوبين واسقطهما في الوقت نفسه بالضبط. ايهما يلامس الأرض أولاً؟

كرر التجربة باستخدام أنابيب مصنوعة من مواد أخرى مثل النحاس والكرتون. أي من هذه المواد يمرّ المغناطيس عبرها؟

 

تحليل النشاط:

يولد المغناطيس الدائم مجالاً مغناطيسياً محيطاً به، وعندما تمرر جسماً موصلاً،  مثل قطعة معدنية أو سلكاً، أمام المغناطيس ينشأ في الجسم الموصل في مجال مغناطيسي.

وفي النشاط الذي أجريته، تشكل تيار دوّامي في الأقراص أثناء تأرجحها بين قطبي المغناطيس. وتسري هذه التيارات المتولدة في الاتجاه المعاكس لتيار المغناطيس.

ويؤدي التفاعل بين المجالين المغناطيسيين إلى إبطاء حركة القرصين ومن ثم توقفهما، وكلما كان الموصل أفضل كان التيار الدوّامي اشد وكان زمن توقف القرص عن الحركة أقصر.

 

ولا بدّ أنك اكتشفت أن الأقراص المصنوعة من الموصلات الجيدة كالنحاس والألمنيوم كانت الأسرع من حيث تباطؤ حركتها، يليها الموصلات الرديئة مثل الفولاذ والنيكل.

لا تتكون التيارات الدوّامية  في الأجسام العازلة مثل البلاستيك والكرتون، لذلك فإن سرعة الأقراص المصنوعة من هذه المواد لن تتأثر، ولا بد أنها استغرقت زمناً طويلاً إلى أن توقفت.

وحسب قانون (لينز)، تتحرك التيارات الدوّامية عكس اتجاه التيارات التي أحدثتها، ولأنها كانت ناتجة عن حركة المغناطيس.

 

فإن التيارات الدوامية التي تكونت في الأقراص تتحرك عكس المجال المغناطيسي للمغناطيس. وبالتالي تجري الأقراص وراء المغناطيس محاولة اللحاق به لأن ذلك سيلغي سبب التيارات الدوّامية.

وإذا أجريت نشاط المتابعة باستخدام الأنبوبين والمغناطيسين فإنك ستجد أن سقوط المغناطيس كان أبطأ في الأنبوب المعدني مقارنة بالأنبوب الآخر المصنوع من البلاستيك.

وعندما مرّ المغناطيس خلال جزء محدد من الأنبوب المعدنية أدى التغيير الذي طرأ على المجال المغناطيسي بسبب سقوط المغناطيس إلى تشكيل تيارات دوّامية في ذلك الجزء من الأنبوب.

 

وأنشأت التيارات الدوّامية المتشكلة قوة أثرت في المغناطيس الساقط، وكان اتجاه تلك القوة نحو الأعلى معاكساً لاتجاه سقوط المغناطيس (نحو الأسفل).

وأدت قوة الشد نحو الأعلى أو التنافر المغناطيسي إلى إبطاء سقوط المغناطيس، وبما أن الأنبوب البلاستيكي موصل رديء، لم تحصل إعاقة بالدرجة نفسها .

ولو جربت المتابعة مستخدماً أنواعاً أخرى من الأنابيب المصنوعة من مواد مختلفة لوجدت أن المواد الأفضل من حيث التوصيل مثل النحاس والألمنيوم هي الأكثر تأثيراً فيما يتعلق بإبطاء سقوط المغناطيس.

 

ما العمل لو أنني لم أتمكن من ملاحظة التغيير في الزمن الذي تستغرقه المواد المختلفة إلى أن تتباطأ حركتها ؟

ربما يترتب عليك استخدام مغناطيس أكثر قوة – يمكن أن يوفر مغناطيس حدوة الحصان أداءً أفضل، كما يجب عليك أن تتأكد من استخدامك أنواعاً مختلفة من المعادن والمواد الأخرى غير المعدنية.

 

التسخين بالتيارات الدوّامية

يُعد التسخين المحرض إحدى الطرق التي يمكن من خلالها توفير حرارة سريعة وثابتة لاستخدامها في تصنيع المعادن أو غيرها من المواد الموصلة.

وفي التسخين التحريضي يجري إرسال التيار الكهربائي عبر ملف يولّد مجالاً مغناطيسياً .

 

توضع قطعة معدنية في مركز الملف، ويسبب المجال المغناطيسي تيارات دوّامية في المعدن الذي يولد الحرارة.

وعن طريق تغيير شدة التيّار، يمكن تسخين أجزاء من المعدن لانتزاع الحرارة من دون حدوث أي تلامس في الملف.

 

تخفيف سرعة البندول (الرقّاص أو النوّاس)

كما تلاحظ في شرح هذا النشاط، تتباطأ سرعة البندول بسبب التفاعل بين التيارات الدوّامية في الجسم الموصل والمجال المغناطيسي الذي ينشأ عن المغناطيس.

تنجذب التيارات الدوّامية نحو المجال المغناطيسي، ما يساعد على إبطاء تأرجح البندول. وتكوّن المواد ذات التوصيل الجيد تيارات دوّامية إضافية، ما يعجّل من عملية الإبطاء.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]