نشاط عملي يوّضح طريقة صنع “مركِّم فولتي” بواسطة القطع المعدنية

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

مركِّم فولتي القطع المعدنية الفيزياء

الأهداف:

1- صنع مُركِّم (مُكدَّس) فولتية بالاعتماد على نموذج (أليساندرو فولتا) لعام 1800.

2- استعمال نقود معدنية نحاسية وحديدية كقطبين وعصير الليمون كوسيط كيميائي من أجل إنتاج التيار الكهربائي.

3- قياس التيار بواسطة الأميتر.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– منديل ورقي ماص

– مقص

– عصير ليمون

– صحنان بلاستيكيان

– أسلاك كهرباء مزودة بملاقط مسننة

– 5 – 10 قطع نقدية نحاسية

– عدد مماثل من القطع النقدية المصنوعة من الزنك

– فولتميتر

 

خطوات العمل:

1- قصّ المنديل الورقي على شكل قطع مربعة 1 بوصة ( 2.5 سم ) . وتحتاج إلى 5 -10 قطع من المناديل.

2- اغمس قطع الأوراق لتشرب عصير الليمون.

3- علِّق نهاية السلك الكهربائي بقطعة نقد نحاسية، ثم قم ببناء طبقات متتالية مبتدئاً بقطعة النقد النحاسية تليها قطعة ورق ثم قطعة نقد من الزنك تليها قطعة ورق فقطعة نحاسية تليها قطعة ورق وهكذا دواليك، وبهذا سيكون لديك قطعة نحاسية وأخرى من الزنك بين كل مربعين ورقييــن. وكبداية استعمل خمس قطع نقدية من كلا المعدنين

4- صِل نهاية السلك الآخر بقطة النقد في الأعلى .

5- تأكد من أن جميع الطبقات المتكدسة متلامسة. وقد تحتاج إلى إحكام تماسكها مع بعضها عن طريق الضغط عليها بقوة بواسطة الملقط المسنن. الآن اربط الطرفين الآخرين للأسلاك بالفولتميتر أو الأميتر، وإذا لم تشاهد أي قراءة على شاشة القياس أو أن الإبرة أخذت تتحرك باتجاه القطب السالب، فينبغي عليك تغيير التوصيل.

6- كرر التجربة باستخدام المزيد من النقود، وفي كل مرة سجل القراءات التي تظهر على جهاز القياس كي تتمكن من مقارنتها في وقت لاحق .

7- إذا لم يتوافر لديك جهاز أميتر، الجأ إلى تعتيم الغرفة بصورة كاملة ولامس نهايتي الملقط المسنن ببعضهما البعض. ستشاهد شرارة صغيرة . هل تتغير الشرارة عندما تضيف  المزيد من النقود

 

بعد أن قمت بصنع المُركِّم الفولتي أو مُركِّم الفولتية (البطارية) عن طريق استخدام القطع النقدية المعدنية، ربما تحتاج إلى إجراء التجربة باستخدام معادن ومواد مختلفة.

حاول صنع مُركِّمات مختلفة وقارن مقدار الجهد الكهربائي الذي يمكنك توليده في كل تجربة.

من السهل الحصول على هذين النوعين من براغي الزنك ومسامير الحديد بأسعار رخيصة كبدائل عن المواد الأخرى المستعملة في التجربة. ورغم أن تكديسها ليس سهلاً.

 

إلاّ أنه يُمكن تكديسها (كما هو مبين أدناه)، بقليل من العناية، وتأكد من أن المناديل الورقية تلامس المسامير الموضوعة في الأعلى والأسفل.

وكي تفهم كيفية عمل المُركِّم، حاول أن تستخدم مُركِّماً مصنوعاً بشكل كامل من القطع النقدية النحاسية.

ستكتشف أن هذا النوع من المُركَّمات لا يولّد أي كهرباء على الإطلاق، وبدلاً من استخدام عصير الليمون، جرّب استعمال سوائل أخرى ذات حموضة خفيفة كوسط كيميائي ناقل.

 

جرب مثلاً استخدام الماء المالح (قم بإذابة الملح بكمية من الماء الساخن)، أو الخل أو الماء أو الكولا أو عصير البرتقال.

قم بقياس الجهد الكهربائي المتولد في كل مُركِّم استخدمت فيه أحد هذه السوائل. أي منها استطاع إنتاج جهد كهربائي أكبر؟

 

تحليل النشاط:

لعلك شعرت بالدهشة لدى اكتشافك كمية الكهرباء التي استطعت توليدها باستخدام عدد قليل من قطع النقود المعدنية وكمية قليلة من عصير الليمون.

لا بد أنك لاحظت أيضاً أن الجهد الكهربائي الذي حصلت عليه باستخدام النقود المعدنية يمكن أن يرتفع لو أنك زدت من عدد تلك القطع النقدية.

ولو أنك رسمت مخططاً بيانياً وضح مقدار الجهد الكهربائي المتولد مقابل العدد الكلي للقطع النقدية في كل مُركِّم، لوجدت أن الخط البياني مستقيم نوعاً ما.

 

وعندما  تقوم بوصل أحد المُركِّمات بالدارة، على سبيل المثال، عن طريق وصله بأميتر، يحدث تفاعل كيميائي.

ويحصل هذا التفاعل عندما تلتقي القطع المعدنية النحاسية مع المناديل الورقية المتشربة بالحمض (الإلكتروليت) فتتولد الإلكترونات .

وتحتوي جميع الإلكترونات على شحنات سالبة، وهذه الإلكترونات السالبة تتنافر (تدفع بعضها بعضاً).

 

نتيجة لذلك تندفع بعض هذه الإلكترونات باتجاه القطب النحاسي ، تاركةً عدداً قليلاً جداً منها عند القطب الآخر.

وبالتالي يصبح القطب النحاسي مشحوناً بشحنة سالبة. بينما تصبح الشحنة موجبة في القطب المغطى بالزنك .

ولأن كل قطب من أقطاب الزنك في المُركَّم يلامس القطب النحاسي المجاور له، تتدفق الإلكترونات من النحاس نحو الزنك.

 

وبهذه الطريقة تسري الإلكترونات في جميع أجزاء المُركِّم، ثم تمر عبر الدارة الخارجية (الأميتر) وتعود إلى داخل المُركِّم.

وإن أي قطع في الدارة مثل عدم ملامسة النقود المعدنية لبعضها بعضا أو فقدان إحدى قطع المناديل الورقية يمنع دوران الإلكترونات، وبالتالي لن يحدث أن سريان كهربائي. وعندما يحصل هذا الأمر، نقول أن الدارة الكهربائية غير كاملة أو مقطوعة.

إن المُركِّم الذي قمت بصنعه في هذا النشاط يماثل المُركِّم الأصلي الذي صنعه (فولتا).

 

ولقد قام (فولتا) أيضاً ببناء نوع آخر من المُركِّمات باستخدام أكواب من الماء المالح – كإليكتروليت (وسط كيميائي) – وشرائح معدنية – كأقطاب .

كان مُركِّم (فولتا) أحد تجاربه اللاحقة، فقد اخترع (فولتا) في مرحلة سابقة من عمله جهازاً لكشف الشحنة الكهربائية، والذي يمكنك صنعه بنفسك في النشاط القادم.

 

ما العمل لو أن المُركِّم الذي قمت بصنعه لم يعمل ؟

ربما يكون السبب في عدم مرور التيار في أحد أجزاء الدارة.

حاول أولاً أن تنظف النقود المعدنية،ثم تأكد من أن جميع الأجزاء المكونة للمُركِّم ملامسة لبعضها البعض، وأن جميع القطع الورقية مشبعة بعصير الليمون.

 

قياس الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي

يقاس الجهد الكهربائي (الفولتيه) بوحدات تسمى الفولت (V).

تنتج البطارية الصغيرة فرق جهدٍ كهربائي يقارب 1.5 فولت بينما تنتج بطارية الرصاص الحمضي التي تستخدمها السيارات حوالي 12 فولتاً.

ويبلغ جهد التيار في معظم المنازل في الولايات المتحدة 110 فولتات ( 240 في الكويت وفي بقية  الدول العربية ).

 

وتقاس شدة التيار الكهربائي بوحدات يطلق عليها الأمبير (A)، نسبة إلى العالم الفيزيائي والرياضي (أندريه ماري أمبير) ( 1775 – 1836 ) .

وإن تياراً شدته 1 أمبير يعد كبيراً، أما شدة التيار التي نحصل عليها في تجاربنا في هذا الكتاب لا تتجاوز بضعة " ميلي أمبيرات "  علما أن " الميلي أمبير " يساوي  واحد من ألف من الأمبير .

 

بطارية سيارة

تحتوي معظم السيارات على بطارية 12 فولتاً تضم مُركِّماً مؤلفاً من ست خلايا كل منها يساوي 2 فولت.

وفي داخل هذه الخلايا خليط من الرصاص والحمض مهمته توليد الكهرباء، وتضم كل خلية في المُركِّم لوحاً من الرصاص ولوح ثاني أكسيد الرصاص وحمض الكبريت (سائل شديد الحموضة) .

وعلى عكس بطاريات الخلايا الجافة التي يكون فيها الإلكتروليت عبارة عن معجون. 

 

يُمكن أن يعاد شحن هذه الخلايا " السائلة " ، لذلك ليس من الضروري استبدال بطارية السيارة بالطريقة ذاتها التي نستبدل فيها بطارية الضوء الكاشف أو مصباح الجيب أو غيره من الأجهزة البسيطة الأخرى.

وتقوم بطارية حمض الرصاص بإمداد السيارة بالطاقة الكهربائية اللازمة، ويُعاد شحنها من خلال الطاقة المتولدة أثناء حركة السيارة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]