على عكس القطارات التقليدية التي تستقر عجلاتها على سكة حديدية أثناء سيرها، ما يخفف من سرعتها بسبب الاحتكاك.
ترتفع قطارات الوسادة المغناطيسية فوق السكة، حيث تظل معلقة بمجال مغناطيسي تولده مغناطيسات كهربائية ضخمة .
وتستخدم قطارات الودساة المغناطيسية محرك حث خطي يتألف من مغناطيس كهربائي مركب داخل القاطرة الرئيسة يقوم بدفع القطار فوق ملفات مسطحة من النحاس أو الألمنيوم تسمى السكك التفاعلية والتي توضع داخل السكة الحديدية الموجودة.
وقد طُرحت فكرة استخدام هذا النوع من القطارات عام 1914 لأغراض النقل.
غير أن هذه القطارات تظل تجريبية، حيث قام المهندسون اليابانيون عام 1979 ببناء نموذج لهذا النوع من القطارات أطلقوا عليه اسم " ML – 500 " .
واستطاع هذا القطار أن يحقق سرعة بلغت 321 ميلاً في الساعة (513 كم / سا). وهناك مشاريع للتوسع في بناء مثل هذه السكك الحديدية في أنحاء كثيرة من العالم، بما في ذلك اليابان وألمانيا.
عندما يمر جسم موصل مثل الألمنيوم بمغناطيس ما ينشأ في الجسم الموصل تيار كهرطيسي (مغناطيسي كهربائي)، ويطلق على هذا التيار المستخدم في العديد من الأجهزة التي نستعملها في حياتنا اليومية اسم " التيار الدوّامي ".
في النشاط (9) "المغناطيسية الكهربائية (الكهرطيسية) " والنشاط (8) "المجــــال المغناطيسي" ، قمت بتجارب تناولت استعمال الكهرباء من أجل توليد مجال مغناطيسي، وبما أن الكهرباء المغناطيسية شكلان لقوة واحدة، فأنت تستطيع أن تستخدم المغناطيسية في توليد الكهربـــاء.
ويطلق على العملية التي تستخدم المغناطيسية لتوليد الطاقة الكهربائية اسم "الحث المغناطيسي الكهربائي" (أو الحث الكهرطيسي)، ولهذه التأثيرات فوائد كثيرة.
الحث الكهربائي المغناطيسي (الكهرطيسي)
عندما يتأرجح جسم موصل مثل الأسلاك أو القطع المعدنية بين قطبي مغناطيس، يقوم المجال المغناطيسي المتغير الناتج عن حركة الجسم الموصل بين القطبين الشمالي والجنوبي للمغناطيس بدفع الإلكترونات داخل الجسم الموصل على هيئة تيارات دائرية.
وإذا استطعت رؤية هذه التيارات، ستجد أن حركتها تشبه التموج أو الشكل الدوّامي الذي نشاهده في برك الماء، ومن هنا جاءت تسمية هذا التيار بالتيارات الدوّامية. وتشكل التيارات الدوّامية مجالاً مغناطيسياً كهربائياً يسري داخل السلك.
إن أول من أجرى تجارب عملية على هذه التيارات كان عالم الفيزياء الأستوني (هنريك لينـز) ( 1804 – 1865 ) .
اكتشف (لينز) أنه إذا حرّك مغناطيس قرب جسم موصل ( أو إذا حرك موصلاً خلال مجال مغناطيسي ) فإن التيار الدوّامي الذي تولّد داخل الجسم الموصل سيتحرك في الاتجاه المعاكس للمجال المغناطيسي. وتؤدي التيارات المتنافرة إلى إبطاء حركة الموصل.
وبصورة عامة، كلما كان المجال المغناطيسي أكبر والموصل أطول كانت التيارات الدوّامية أكبر، وبالتالي تباطأت سرعة الموصل بمعدل أكبر.
استخدامات التيارات الدوامية
يُستخدم الحث المغناطيسي الكهربائي في أحد أصناف المحركات الكهربائية التي يطلق عليها اسم " المحركات الحثية " .
وفي هذا النوع من المحركات تتأرجح قطعة معدنية بين مغناطيسات كهربائية مولدة مجالاً مغناطيسياً، ثم يؤدي المجال المغناطيسي إلى نشوء تيارات دوّامية في القطعة المعدنية تجعلها تدور . ويُستخدم هذا الجزء المعدني الدوّار في تشغيل إحدى الآلات.
أما النوع الآخر من المحركات الحثية فيستخدم المغناطيسات الكهربائية في خط مستقيم، فعندما يُدار مفتاح الإمداد الكهربائي، تنتج المغناطيسات الكهربائية تيارات دوّامية في قطعة معدنية، فيمر المعدن مباشرة بالمغناطيسات.
ويطلق على هذه الأنواع من المحركات اسم "المحركات الحثية الخطية " . وقد ارتبط اسم هذا النوع من المحركات الحثية بقطارات الوسادة المغناطيسية (انظر أعلاه).
تستخدم التيارات الدوّامية أيضاً لتخميد الحركات غير المرغوبة. إذا كان في مدرستك ميزان آلي، أطلب من معلمك أن يريك داخل الميزان.
ربما تستطيع مشاهدة شريط معدني رفيع يتحرك بين مغناطيسين، حيث يعمل على إنشاء تيار دوّامي يقوم بإبطاء أي حركة غير مرغوبة في كفتي الميزان.
كما أن مقياس السرعة في السيارات هو أحد الأشكال الأخرى الشائعة للتيارات الدوّامية. ويعمل هذا المقياس عندما يقوم مغناطيس دوّار موصول بمنظومة القيادة في السيارة بالدوران بجانب قرص من الألمنيوم.
وعندما يدور المغناطيس يسبب تيّارات دوّامية في قرص الألمنيوم، وتقوم هذه التيارات بتوليد قوة مغناطيسية تؤدي إلى دوران القرص (ومؤشر مقياس السرعة).
ومع زيادة سرعة السيـــارة، يزداد دوران المغناطيس وتشتد التيارات الدوّامية، ما يؤدي إلى سرعة دوران مؤشر مقياس السرعة.
وللتيارات الدوّامية تأثيرات غير مرغوبة أيضا تنتج على شكل آثار جانبية في مجموعات التحويل الكهربائية وعدد آخر من الأجهزة الكهربائية التي تستخدم المغناطيسات الكهربائية.
وتقوم الدوّارات الدوّامية في هذه الحالات بكبح المجال المغناطيسي وضياع الطاقة، وللتغلب على هذا الوضع، تستخدم شرائح معدنية رقيقة في صنع المحولات بدلاً من القطعة المعدنية الصلبة.
ويتم الفصل بين الشرائح المعدنية بواسطة مادة غروية عازلة، ما يؤدي إلى إبقاء التيارات الدوّامية المتولدة حول هذه الشرائط المعدنية، ويساعد هذا الترتيب على تخفيض التيارات، وبالتالي الحد من هدر الطاقة الكهربائية.
أصبح عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي (أندريه ماري أمبير) في العشرينيات من القرن التاسع عشر أول إنسان يضع صيغة دقيقة حول شدة المجال المغناطيسي التي ينتجها مرور تيار كهربائي عبر أحد الأسلاك.
وقد وضع هذا الاكتشاف حجر الأساس للمغناطيسية الكهربائية الحديثة، كما قام (أمبير) أيضاً بصنع أول أداة لقياس التيار الكهربائي، تسمى "مقياس جالفاني".
وكان عمله مساهمة عظيمة في تاريخ الفيزياء، وتكريماً له أطلق على وحدة التيار الكهربائي اصطلاح " أمبير " نسبة لهذا العالم.
2- توضيح مبادئ المغناطيسية الكهربائية (الكهرطيسية).
الأدوات التي تحتاجها:
– مسمار حديدي
– سلك نحاسي
– بطارية 6 فولتات
– أسلاك توصيل كهربائية مزودة بملاقط مسننة
– 10 – 20 مشبك أوراق
خطوات العمل:
1- تحقق أن المسمار ليس ممغنطاً، وذلك بوضعه أمام كومة من مشابك الأوراق المعدنية. لن تتمكن من التقاط أي من تلك المشابك بالمسمار.
2– خذ سلكاً نحاسياً طوله 1 قدم (30 سم) ولفّه حوالي عشرين مرة حول المسمار الحديدي، واترك حوالي 2 بوصة (5 سم) من السلك على نهايتي المسمار.
3- قم بربط الملقط المسنن لسلكي التوصيل بالسلكين البارزين على طرفي المسمار، ثم صل الملقطين الآخرين بقطبي بطارية 6 فولتات.
4– الآن ضع المغناطيس الكهربائي الذي قمت بصنعه أمام كومة المشابك المعدنية. ستكتشف أن المسمار تحوّل إلى مغناطيس يستطيع التقاط المشابك .
5- لاحظ عدد المشابك التي يستطيع مغناطيسك التقاطها
بإمكانك صنع مغناطيس كهربائي أقوى عن طريق زيادةعدد لفات السلك النحاسي، ثم جرب قوة المغناطيس حسب عدد اللفات.
ابدأ بلفة واحدة حول المسمار، ثم 10 لفات ثم 100 لفة. في كل مرة تقوم فيها بزيادة عدد اللفات، قارن قوة المجال المغناطيسي الكهربائي من خلال اختبار عدد المشابك التي يستطيع المغناطيس التقاطها.
عندما تزيد عدد اللفات حول المسمار، ستستطيع التقاط عدد أكبر من المشابك المعدنية لأن قوة المغناطيس الكهربائي ألآن أصبحت أكبر.
تغيير الجهد الكهربائي
اكتشف فيما لو كان الجهد الكهربائي المُطبّق يمكن أن يغير من قوة المغناطيس الكهربائي. اربط مغناطيسك الكهربائي ببطاريتين 1.5 فولت موصولتين على التوالي للحصول على 3 فولتات.
هل هناك أي تغيير في قوة المغناطيس الكهربائي؟ استخدم بطاريات مصباح جيب، ولا تستخدم أكثر من 6 فولتات، لأن استخدام بطاريات أكبر يؤدي إلى إنتاج تيار أعلى ويمكن أن ينطوي على خطر حقيقي.
الحديد مقابل الألمنيوم
اكتشف فيما لو أن نوع المعدن المستخدم في الملف يؤدي إلى تغيير في شدة المجال المغناطيسي.
فعلى سبيل المثال، لفّ بعض رقائق الألمنيوم حول أنبوب ضيق ثم لف السلك حوله بدلاً من المسمار. ماذا يحصل؟ ويمكنك أيضاً استخدام البلاستيك (قلم) أو الخشب (قلم رصاص) بدلاً من المسمار.
كيف تصنع ملفاً لولبياً ؟
إن الملف اللولبي هو نوع آخر من المغناطيسات الكهربائية . ويستخدم هذا النوع من الملفات في العديد من الأجهزة الالكترونية من أجل تحريك بعض القطع المعدنية الصغيرة .
ولكي تصنع ملفاً لولبياً تحتاج إلى مصاصة شراب بلاستيكية وسلك وبطارية وأسلاك توصيل ومسمار صغير (أو مشبك أوراق بعد تقويمه)، بحيث يمكن إدخاله في مصاصة الشراب بسهولة.
قم بلف السلك 100 لفة حول المصاصة الورقية مع ترك 3 بوصات (7.5 م) منه في طرفي المصاصة.
أدخل المسمار الصغير أو المشبك المعدني المستقيم في أحد طرفي المصاصة ولامس السلك بقطبي البطارية. ستكتشف أن المسمار أخذ يتحرك .
جرب استبدال المسمار بقضيب مغناطيسي دائم رفيع. يُمكنك تحريك المغناطيس إلى الداخل والخارج في المصاصة عن طريق تغيير اتجاه المجال المغناطيسي في الملف اللولبي. (احذر عند وضع المغناطيس في الملف اللولبي لأنه قد يندفع نحو الخارج).
المجال المغناطيسي
بإمكانك مشاهدة المجال المغناطيسي الذي ينتجه المغناطيس الكهربائي عن طريق استخدام برادة الحديد.
اشتر كمية من برادة الحديد، أو حاول الحصول عليها أيضاً بتمرير مغناطيس على باحة اللعب أو رمل الشاطئ. ضع قليلاً من البرادة الناعمة على طبق ورقي ثم ضع الطبق فوق المغناطيس.
انقر على الورق بشكل خفيف. ستشاهد أن برادة الحديد أخذت تتوثب تبعاً لاتجاه المجال المغناطيسي.
تحليل النشاط:
عندما تقوم بوصل بطارية بسلك ضمن دارة كهربائية فإنك تنتج دارة كهربائية ومجالاً مغناطيسياً في آن معاً.
وينتج هذا المجال المغناطيسي عن مرور الألكترونات في السلك ، ويحصل هذا بصرف النظر عن المادة التي يلف حولها السلك.
وكما لاحظت في النشاط ( 8 )، ينشأ مجال مغناطيسي دوراني حول السلــك، ويكون المجال المغناطيسي متعامداً مع السلك ويضعف كلما ابتعدت عن السلك، كما يكون اتجاه المجال المغناطيسي متماثلاً مع اتجاه سريان التيار ويتغير بتغيره .
وبما أن المجال المغناطيسي الذي يتكون حول السلك دائري ومتعامد مع السلك، تستطيع أن تجعل المجال المغناطيسي أكثر قوة من خلال زيادة عدد لفات السلك، وكلما زاد عدد لفات السلك زادت قوة المجال المغناطيسي.
كما تذكر في النشاط (6)، تتوثب الإلكترونات في المواد المغناطيسية مثل الحديد والفولاذ داخل الذرّات لتكون أجزاء ممغنطة يطلق عليها اسم المناطق المغناطيسية.
وعندما نقوم بلف سلك حول معدن من المعادن ويسري التيار فيه، ينشأ مجال مغناطيسي، ويؤدي ذلك إلى اصطفاف المناطق المغناطيسية في الاتجاه ذاته، ويصبح المعدن مغناطيسياً مؤقتاً.
وعندما نقطع سريان التيار الكهربائي، يختفي المجال المغناطيسي وتتبعثر المنطقة المغناطيسية وتتوقف الخاصية المغناطيسية للحديد.
إن غالبية المغناطيسات، إما دائمة أو مؤقتة، لكن الأمر يختلف بالنسبة للمغناطيس الكهربائي، حيث يمكن التحكم بمغناطيسيته عن طريق فتح أو إغلاق التيار.
وإن توافر إمكانية التحكم بالمغناطيس بهذا الشكل جعل المغناطيسات الكهربائية ذات فائدة كبيرة في تشغيل الأجهزة الإلكترونية.
ما العمل لو أن المغناطيس الذي صنعته لم يلتقط سوى عدد قليل من المشابك؟
إن السبب الرئيس لضعف المغناطيس هو عدم لف أسلاك الملف بإحكام أو قلة عدد اللفات حول المسمار.
جرب من جديد باستخدام مسمار آخر. احكِم لف السلك النحاسي حول المسمار وتأكد من وجود ما لا يقل عن 30 أو 40 لفّة حوله .
أجهزة قياس المغناطيس الكهربائي
تستخدم أجهزة مؤشر مستوى الوقود في السيارات المغناطيس الكهربائي كي تمكّن السائق من معرفة كمية البنزين المتبقية في خزان الوقود بسيارته.
وفي جهاز مؤشر الوقود هناك مغناطيس كهربائي مركب داخل مغناطيس دائم، وعندما يمر تيار كهربائي عبر المغناطيس الكهربائي، يتجه نحو المغناطيس الدائم ليقوم بتحريك مؤشر الوقود.
وتتوقف قوة حركته على شدة التيار. ويوجد في داخل خزان الوقود عوامة تتحرك نحو الأعلى والأسفل بحسب منسوب الوقود وتتحكم بالتيار الذي يمر خلال جهاز القياس.
عندما يكون مستوى الوقود عالياً، يمر تيار قوي فيحدث مغناطيسية كهربائية كبيرة تسحب المؤشر نحو القراءة التي تشير إلى مستوى الوقود في وضع الامتلاء
تستخدم مكبرات الصوت وأجهزة التلفزيون والحواسب والمحركات الكهربائية المغناطيسات الكهربائية.
وعلى عكس القضبان المغناطيسية المستعملة في أجهزة التبريد تستخدم المغناطيسات الكهربائية الكهرباء من أجل توليد مجال مغناطيسي، إضافة إلى إمكانية تشغيلها وإيقافها في أي وقت.
أدرك العلماء في بداية تجاربهم المكثفة حول الكهرباء والمغناطيسية احتمال وجود علاقة بين هاتين الطاقتين. وكان الفيزيائي الدانماركي (هانس كريستيان أورستيد) أول من اكتشف هذه العلاقة.
كما اكتشف (أورستيد) عام 1820 عن طريق المصادفة أن السلك الذي يمر فيه تيار كهربائي يُمكن أن يحرف البوصلة عن الشمال المغناطيسي للأرض.
كما أدرك أن الكهرباء التي تسري في السلك تقوم بتوليد مجال مغناطيسي خاص بها وتعطل عمل البوصلة المجاورة للسلك الكهربائي.
وبعد ذلك بفترة قصيرة بيّن عالم الفيزياء الفرنسي (أندريه ماري أمبير) ( 1775 – 1836 ) بصورة واضحة ودقيقة كيف يولد التيار الكهربائي مجالاً مغناطيسياً ولخص نتائج عمله في معادلة تسمى " قانون أمبير ".
وعلى الرغم من أن هذه المعادلة وُضعت قبل 150 عاماً إلا أن العلماء والمهندسين ما زالوا يستخدمونها إلى الآن.
ثم قام عالم الفيزياء البريطاني (جيمس كلارك ماكسويل) ( 1831 – 1879 ) في وقت لاحق بالربط بين الكهرباء والمغناطيسية على شكل قوة واحدة أطلق عليها اسم الكهرطيسية أو المغناطيسية الكهربائية.
وتشرح أربع معادلات وضعها (ماكسويل) كيف تولد التيارات الكهربائية مجالات مغناطيسية .
وتفيد المعادلات الأربع أن الشحنات الكهربائية تنتج مجالات كهربائية وأن الأقطاب المغناطيسية تكون مزدوجة دائماً (شمالية وجنوبية)؛ وأن المجالات المغناطيسية المتغيرة أو المتحركة تُولّد تيارات كهربائية؛ وأن التغيرات التي تطرأ على التيارات الكهربائية تؤدي إلى تغيرات في المجالات المغناطيسية.
المغناطيسية الكهربائية (الكهرطيسية) في التطبيق العملي
أدت هذه التجارب المبكرة إلى ظهور تطبيقات عملية مهمة.
يستخدم المغناطيس الكهربائي في الوقت الحاضر في العديد من الأجهزة مثل مكبرات الصوت وآلات التسجيل والحواسب وفي واحد من أهم الأجهزة التي ظهرت في القرن العشرين، ألا وهو التلفزيون.
وربما استخدمت في بعض التجارب التي أجريتها في هذا الكتاب الأميتر لقياس شدة التيار. ويدخل المغناطيس الكهربائي أيضاً في هذا الجهاز .
ويطلق على أجهزة القياس التقليدية التي تحتوي على مؤشرات تتحرك عبر شاشة العرض أحياناً اسم مقاييس الملف المتحرك، وإذا تفحصت قاعدة المؤشر، حيث يتحرك في اتجاهات مختلفة، ستدرك سبب هذه التسمية.
ويرتبط مؤشر القياس بملف من أسلاك نحاسية موضوعة بين قطبي مغناطيس دائم. وعندما يمر تيار كهربائي عبر الملف يتحول إلى مغناطيس كهربائي.
ويؤدي المجال المغناطيسي الذي يولده المغناطيس الكهربائي إلى جذب المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم، ما يجعل الملف يدور.
وكلما زادت شدة التيار الكهربائي أصبحت القوة المطبقة على الملف أكبر، وزاد دورانه وزادت بالتالي حركة المؤشر.
ويمكنك في هذا النشاط استعمال مجال كهربائي لإنتاج مجال مغناطيسي عن طريق مغناطيس كهربائي من صنعك.
التلفزيون الكهرطيسي
إن الفضل في وجود جهاز التلفزيون يعود جزئياً إلى المغناطيسية الكهربائية (الكهرطيسية).
تُلتقط إشارة البث التلفزيوني عن طريق الهوائي ثم يجري تحويلها إلى تيار كهربائي، ويطلق هذا التيار حزمة إلكترونية من داخل قطعة معدنية ساخنة تسمى أنبوب الأشعة الكاثودية.
وبما أن الإلكترونات عبارة عن شحنات كهربائية متحركة فإنها تنتج مجالاً مغناطيسياً حولها.
وعندما تنتقل الإلكترونات من الكاثود الساخن إلى الشاشة، تمر بين مغناطيسات كهربائية قوية، ثم تقوم هذه المغناطيسات الكهربائية بدفع الحزم الإلكترونية إلى الشاشة.
وعندما تتحرك تلك الحزم تصطدم بنقاط ملونة على الشاشة تسمى الفسفور، والتي تُضاء فتظهر الصورة.
2– استخدام بوصلة لتحديد أبعاد المجال المغناطيسي الذي قمت بتوليده.
الأدوات التي تحتاجها:
– لوح خشبي أو كرتوني (ورق مقوى)
– سلك قاس مستقيم طوله حوالي 4 بوصات (10 سم) أو مشبك أوراق مقوّم
– زوج من أسلاك التوصيل مع ملقط مسنن في نهايتهما
– بطارية 6 فولتات
– بوصلة
– أقلام مختلفة من الألوان
خطوات العمل:
1- قم بثني السلك القاسي أو مشبك الورق المستقيم لتشكل منه حرف V .
2- الصق السلك على اللوح الخشبي بحيث يكون طرفا الشكل V بارزين إلى الأعلى .
3- علق أحد طرفي الوصلتين بنهايتي السلك.
4- علق الطرفين الآخرين من سلكي التوصيل بقطبي البطارية.
5– ضع بوصلتك على طرف لوح الكرتون، ثم حركها ببطء نحو السلك، استخدم قلم رصاص لرسم أسهم على اللوح أثناء تحريكك البوصلة بحيث تحدد اتجاه إبرة البوصلة في نقاط مختلفة.
6- اعكس الآن توصيل البطارية، ثم ضع البوصلة في المكان السابق نفسه. استخدم ألواناً مختلفة كي ترسم أسهم تشير إلى الاتجاهات التي تظهر على البوصلة في كل نقطة .
بإمكانك أن تجعل هذا النشاط أكثر دقة باستخدام مسطرة نقيس بها المسافة التي تظهرها القراءات المختلفة على البوصلة وبعدها عن السلك (انظر الصورة في الأسفل).
ومن خلال القياسات تستطيع التحديد بدقة مدى ابتعاد المجال المغناطيسي عن سلك كل بطارية.
إذا توافر لديك أميتر، تستطيع أيضاً استخدام بوصلتك لتحديد شدة المجال المغناطيسي.
قم أولاً بوصل البطارية بالسلك، كما فعلت من قبل، ثم حرك البوصلة على اللوح بعيداً عن السلك إلى أن تفقد إبرة البوصلة تأثرها بالتيار الكهربائي .
قس المسافة المستقيمة على اللوح من الإبرة إلى البوصلة ، ثم دوّن القراءة التي تظهر والتي تبيّن شدة التيار.
قم الآن بوصل بطارية ثانية، وكرر الخطوات السابقة، ثم دوّن المسافة الجديدة وشدة التيار. كرر التجربة باستخدام ثلاث وأربع بطاريات 1.5 فولت .
حاول أن تضع رسماً بيانياً للتيار (على خط عمودي) والمسافة (على خط أفقي). ماذا تُبيّن النتائج التي توصلت إليها؟
إذا كان لديك قضيب مغناطيسي وبعض البوصلات، استخدمها كي توضح شدة المجال المغناطيسي. ضع البوصلات على شكل قوس حول المغناطيس، كما هو مبيّن في الشكل أعلاه.
حرك كل بوصلة بعيداً عن المغناطيس إلى أن تشير إلى الشمال المغناطيسي، ثم حركها مرة أخرى نحو المغناطيس إلى أن تتحرك الإبرة. وبهذا تستطيع أن ترسم حدود المجال المغناطيسي.
تحليل النشاط:
يؤدي مرور التيار الكهربائي في الأسلاك إلى نشوء مجال مغناطيسي، وتكون خطوط القوة المغناطيسية محيطة بالأسلاك على شكل دوائر متحدة المركز (والمقصود بذلك دوائر متمركزة على السلك نفسه) بما يشبه تقريباً الموجات المتمركزة التي تنشأ إذا رميت حجراً في بحيرة راكدة.
ويتوقف اتجاه المجال المغناطيسي على اتجاه التيار (انظر الشكل إلى اليسار). فلو تخيلت تدوير أداة نزع سدادات الفلين (أو برغي) باتجاه التيار.
فإن خطوط القوة المغناطيسية تدور في الاتجاه الذي تدور فيه يدك (من الشمال إلى الجنوب) ، وإذا كان التيار يسري داخل اللوح، فإن المجال المغناطيسي ينبغي أن يدور باتجاه عقارب الساعة.
وإذا عكست التيار عن طريق تغيير التوصيل بالبطاريات، فإن خطوط المجال المغناطيسي ستدور بعكس عقارب الساعة.
ولقد أثبتت تجربة (أورستد) أن المغناطيسية هي عبارة عن كهرباء. والحقيقة هي أن القوة المغناطيسية تنشأ عندما تتحرك الشحنات الكهربائية، تماماً كما تتولد نتيجة حركة المجالات المغناطيسية.
لذلك فإن القوتين الكهربائية والمغناطيسية جزء من قوة واحدة هي الكهرباء المغناطيسية (أو الكهرطيسية).
لقد كان المجال المغناطيسي في ذروته عندما كان قريباً من السلك. ثم خفّت شدته كلما ابتعدت عن السلك.
وإذا رفعت من شدة التيار الكهربائي بإضافة المزيد من البطاريات لوجدت أن المجال المغناطيسي موجود على مسافة أكثر بعداً عن السلك.
لماذا لم أتمكن من تحديد أي مجال مغناطيسي حول السلك؟
قد يعود السبب إلى أن قوة المجال المغناطيسي المحيط بالسلك لم تكن كافية كي تجذب إبرة البوصلــة، تستطيع زيادة قوة هذا المجال عن طريق استخدام بطاريات إضافية.
وتأكد من عدم وجود مصادر للطاقة الكهربائية أو المغناطيسية قرب المكان الذي تجري فيه التجربة.
اكتشاف الكهرباء المغناطيسية
إن أول من قام بالتجربة التي تُبيّن أن المغناطيسية يمكن أن تنشأ عن طريق الكهرباء هو عالم الفيزياء الدانماركي (هانس كريستيان أروستيد) ( 1777 – 1851 ).
وأوصل ذلك الاكتشاف الذي حدث على يد (أورستيد) عام 1820 إلى مفهوم جديد يفيد أن الكهرباء والمغناطيسية جزءان من شيء واحد (أو وجهان لعملة واحدة).
ويُطلق على نظريته الآن بالمغناطيسية الكهربائية أو الكهرطيسية. وقد جرى تطويرها من جانب العالمين الأنكليزيين (مايك فاراداي) ( 1791 – 1867 ) و (جيمس كلارك ماكسويل) ( 1831 – 1879).
لغز السلحفاة الكبير
تقطع السلاحف البحرية خلال موسم تكاثرها آلاف الأميال كي تضع بيوضها في المكان ذاته الذي تكاثرت فيه.
وظل العلماء يتساءلون لفترة طويلة عن سرّ وصول السلاحف إلى المكان ذاته الذي تكاثرت فيه رغم الامتداد الهائل للمحيطات ، بل إن السلاحف لا تخطئ أبداً في الوصول إلى الجزيرة ذاتها، حيث تنتقل عبر المحيط بخط مستقيم .
ويـعتقد علماء بيولوجيا البحار أن السلاحف تبحر عن طريق الاستعانة بالمجال المغناطيسي للأرض، كما يُعتقد أن العديد من الحيوانات الأخرى، مثل النحل والحمام والحيتان والدلافين، تستخدم المجال المغناطيسي للأرض في التماس طريقها.
ولقد وجد العلماء قطعاً صغيرة من الحديد المغناطيسي (المغنتيت) داخل دماع تلك الحيوانات، حيث تعمل هذه الجسيمات المغناطيسية وكأنها إبر في بوصلات صغيرة تساعد هذه المخلوقات على اتباع المجال المغناطيسي للأرض.
ويميل بعض العلماء إلى الاعتقاد بأن البشر يستطيعون أيضاً استشعار مغناطيسية الأرض. ويستطيع الكثير من الناس أن يحددوا موقع القطب الشمالي أو الجنوبي بشكل صحيح، وهم معصوبو العينين وبعد تغيير اتجاههم بالدوران حول أنفسهم.
اكتُشف المغناطيس لأول مرة قبل آلاف السنين في المغنيت، وهو عبارة عن صخر يتشكل في الطبيعة موجود في جميع أنحاء العالم.
وقد استخدمت كتلاً من هذا الصخر، تسمى حجر المغناطيس (إلى اليسار) عام 2500 قبل الميلاد، حيث يُقال أن أحد أباطرة الصين استخدم هذا الحجر ليقود جيشه بأمان عائداً إلى أرض الوطن خلال الضباب الكثيف.
كما تم استخدام هذه الكتل الصخرية قبل 1000 عام كبوصلات يهتدي بها البحارة لمعرفة طريقهم .
وينسب اسم المغناطيس إلى مدينة يونانية قديمة تدعى " ماغنيزيا "، حيث انتشرت فيها أحجار المغناطيس بكثرة في الأزمنة القديمة.
إن الأرض عبارة عن مغناطيس ضخم. وكبقية المغناطيسات الأخرى، يحيط بالأرض مجــال (نطاق) مغناطيسي يستخدمه الناس في الملاحة وإثبات أن الكهرباء والمغناطيسية جزءان ينتميان إلى قوة واحدة.
لا يمكنك رؤية المغناطيسية، لكن تستطيع الإحساس بتأثيراتها. وإذا سبق وأن لعبت بمغناطيس، فلا بدّ أنك لاحظت أنه يجذب الأجسام المعدنية من مسافة بعيدة.
حاول أن تدفع مغناطيسين قويين معاً في اتجاه واحد، ستلاحظ أنهما يبدوان كما لو أنهما يتعاركان مبتعدين عن بعضهما بعضاً . أدر أحدهما في الاتجاه المعاكس. سترى أنهما يتجاذبان .
يُطلق على المنطقة المحيطة بأي مغناطيس، والتي تنتشر فيها قوته المغناطيسية اسم " المجال المغناطيسي ".
يضعف المجال المغناطيسي كلما ابتعدنا عن المغناطيس. لكن هناك منطقتان في كل مغناطيس يكون فيهما المجال المغناطيسي قوياً بصورة خاصة.
ويطلق على هاتين المنطقتين " القطبان " المغناطيسيان . ولكل مغناطيس قطبان، أحدهما شمالي والآخر جنوبي، ويُسميان طبقاً للقطب الجغرافي من الأرض الذي ينجذبان نحوه.
ويوجد بالقرب من القطب الشمالي الجغرافي من الأرض قطب مغناطيسي ينجذب نحوه القطب الشمالي في المغناطيسات. لهذا السبب يطلق عليه اسم القطب الشمالي، أو القطب الشمالي (في البوصــلة).
ويقع في الطرف الآخر من الأرض القريب من القطب الجنوبي المغناطيسي قطب يجذب القطب الجنوبي من المغناطيس يُطلق عليه اسم القطب الجنوبي المغناطيسي، أو القطب الجنوبي (في البوصلة).
يتصف المجال المغناطيسي للكرة الأرضية بضعفه. ويكون المجال المغناطيسي على سطح كوكبنا الأرضي أضعف مئات المرات من المجال الذي ينتج عن قضيب مغناطيسي صغير.
غير أن القطب الشمالي للأجسام المغناطيسية ينجذب بفعل قوة الجذب في المنطقتين القطبيتين من الأرض، وبفضل ذلك، تمكن البحارة من الإبحار عن طريق البوصلات منذ آلاف السنين قبل أن يستعينوا بالأقمار الاصطناعية في نشاطاتهم الملاحية.
لقد ساد الاعتقاد بين العلماء لفترة زمنية طويلة بأن الأرض كانت تعمل عمل المغناطيس نظراً لوجود مغناطيس عملاق في أعماقها.
لكننا نعرف الآن أن الأرض تحوي في أعماقها نواة سائلة على درجة عالية جداً من الحرارة لا تسمح معها بوجود مجال مغناطيسي.
ويعتقد العلماء في الوقت الحاضر أن الخواص المغناطيسية للأرض مصدرها العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية .
وفي عام 1820 بيّن أستاذ الفيزياء الدانماركي ( هانس كريستيان أورستيد ) ( 1777 – 1851 ) أن إبرة المغناطيس كانت تنجذب إلى السلك عند مرور تيار كهربائي فيه ، كما أثبت (أورستيد) أن التيار الكهربائي ينطوي على تأثيرات مغناطيسية.
ويعتقد العلماء أن حركة السائل المنصهر في جوف الأرض يمكن أن تولد تيارًا كهربائياً. والذي يسبب بدوره مجالاً مغناطيسياً.
ستستخدم في هذا النشاط تياراً كهربائياً لصنع مجال مغناطيسي صغير، حيث نستنسخ من خلال هذا النشاط ما قام به (أورستيد) من تجارب بالغة الأهمية .
مغناطيسية الارض
إن الأرض عبارة عن مغناطيس ضخم، ولهذا السبب يشير المغناطيس دائماً إلى الاتجاه ذاته اذا سُمح له بأن يتأرجح بحرية.
ويمتد المجال المغناطيسي للأرض، والذي يُطق عليه اسم الغلاف المغناطيسي، لمسافة تصل إلى حوالي 50.000 ميلاً (112.000 كم) داخل الفضاء.
وما زال العلماء يجهلون سبب مغناطيسية الأرض بشكل دقيق، لكنهم يعرفون أن قطبي الأرض الشمالي والجنوبي قد بدّلا مكانهما مرتين على الأقل منذ نشوء كوكبنا الأرضي.
2- استخدام قاعدة اليد اليسرى لفليمنغ للتنبؤ باتجاه حركة المحرك الذي صنعته بنفسك.
الأدوات التي تحتاجها:
– لوح خشبي متين كبير
– شريط لاصق قوي
– بطاريتان 1.5 فولت
– قضيبان مغناطيسيان من النوع
– سلك رفيع، شبيه بسلك البيانو
– سلكان كهربائيان مزودان بملقط مسنن من طرفيهما
خطوات العمل:
1- الصق البطاريتين على اللوح على التوالي، أي أن القطب الموجب لإحداهما يكون ملامساً للقطب السالب للبطارية الأخرى، فتصبح قدرة البطاريتين ألآن متساوية لبطارية 3 فولتات.
2- الصق القضيبين المغناطيسيين بإحكام على اللوح الخشبي مع ترك فجوة صغيرة بينهما تساوي حوالي نصف بوصة (1 سم). ويجب أن يكون القطب الشمالي لأحد القضيبين المغناطيسيين مواجهاً للقطب الجنوبي للقضيب المغناطيسي الآخر.
3- اقطع سلكاً صغيراً طوله حوالي 2 بوصة (5 سم). علّق طرفي سلك التوصيل بنهايتي السلــك. ضع السلك بين القضيبين المغناطيسيين، وتأكد من أن السلك موضوع في وسط الفجوة.
4- لامس الطرفين الآخرين لسلك التوصيل بقطبي البطارية. راقب السلك الصغير بتمعن – ينبغي أن يتحرك قليلاً.
5- حاول أن تعكس سلكي التوصيل بحيث يلامس كل منهما أحد قطبي البطارية. في أي اتجاه يتحرك السلك؟
اعكس قضيبي المغناطيس بحيث يكون اتجاه المجال المغناطيسي في الفجوة بينهما معكوساً.
ما الأثر الذي يتركه ذلك في حركة السلك عندما تسمح بمرور التيار الكهربائي؟ هل يحقق ذلك ما كنت تتوقعه من " قاعدة اليد اليسرى لفليمنغ "؟ (لا تنسَ أن توجه الآن إصبعك الأول في الاتجاه المعاكس).
لامس كلاً من سلكي التوصيل بقطبي البطارية كي تعكس التيار. لاحظ أثر هذا في اتجاه حركة السلك.
جرب أن تزيد قوة المجال المغناطيسي عن طريق استخدامك مغناطيسات أكثر قوة أو عدداً من تلك المغناطيسات.
كما تستطيع أيضاً أن ترفع من شدة التيار باستخدام أربع بطاريات 1.5 فولت، بدلاً من اثنتين. ما التأثير الذي تحدثه هذه التغييرات؟
كيف تصنع مولدة كهربائية ؟
لن تكون المحركات الكهربائية وغيرها من الأجهزة الكهربائية الأخرى ذات فائدة دون إمدادها بالكهرباء.
يتم إنتاج معظم الإمداد الكهربائي بواسطة أجهزة تسمى المولدات، وهي عبارة عن محركات كهربائية تعمل بطريقة عكسية. ففي المحرك الكهربائي تسبب الكهرباء دوران أحد أجزءا المحرك، وهو " الدوّار " أما في المولدة فيقوم هذا الجزء بتوليد الكهرباء.
1- انزع البطاريات من الترتيب الذي قمت به، ثم أوصل سلكي التوصيل بأميتر بدلاً من ذلـــك (الصورة على اليمين).
2- إذا لم يكن لديك أميتر، استخدم بوصلة مغنطايسية صغيرة ككاشف للتيار. من المعروف أن التيارات الكهربائية تُحاط بمجالات مغناطيسية تؤثر في عمل البوصلة.
أوصل ملقطي التوصيل المسننين المحررين ببعضهما. ثم ضع البوصلة قربهما، وليس بالقرب من القضيب المغناطيسي.
3- امسك السلك الموجود بين المغناطيسين الدائمين بأصابعك وارفعه بشدة عبر المجال المغناطيسي. راقب قراءة الأميتر ( أو البوصلة ) أثناء قيامك بذلك. هل تهتز الإبرة عندما تحرك السلك؟
4- قم الآن بتحريك السلك بطريقة معاكسة بين القضيبين المغناطيسيين، وهنا أيضاً، راقب حركة مؤشر الأميتر أو البوصلة. هل تتحرك الإبرة بطريقة معاكسة؟
إن تحريك السلك داخل المجال المغناطيسي يولّد تياراً كهربائياً بمدة قصيرة. لقد استطعت أن تنتج بعض الكهرباء!
تحليل النشاط:
عندما توصل البطارية من جهة واحدة، ينبغي أن يتحرك السلك قليلاً إما نحو الأعلى أو نحو الأسفل، وعندما تعكس التيار (عن طريق تبديل التوصيل بالبطارية)، ينبغي أن يهتز السلك بالاتجاه المعاكس وفقاً لـ " قاعدة اليد اليسرى لفلمنغ ".
إن وصل البطارية يجعل التيار يسري عبر السلك، ما يؤدي إلى نشوء مجال مغناطيسي في كل الجهات المحيطة بالسلك.
يتحول السلك إلى مغناطيس كهربائي، رغم أنه أضعف بكثير من المغناطيس الكهربائي الذي ستصنعه من خلال لف سلك حول مسمار.
في النشاط ( 9 ) وبما أن السلك يعمل كمغناطيس كهربائي. فإنه ينجذب إلى القضيب المغناطيسي أو ينفر منه، ما يؤدي إلى اهتزاز السلك.
إذا قمت بصنع المولّدة في نشاط المتابعة، فإنك أظهرت بذلك الأثر العكسي لصنع محرك كما في النشاط الرئيس.
تسري الكهرباء، كلما تحرك فيها الجسم الموصل داخل المجال المغناطيسي. والسلك هو أحد هذه المواد الموصلة؛ فعندما حركّته داخل المجال المغناطيسي تولدت طاقة كهربائية.
ورغم أن الكهرباء التي تولدت كانت قليلة جداً إلا أنها كانت كافية لأن تؤثر في إبرة مقياس التيار الكهربائي أو البوصلة.
يعتمد عالمنا المعاصر على المحركات الكهربائية لأن غالبية الآلات الثقيلة التي تستخدم في المصانع تعمل بواسطة المحركات الكهربائية.
كما تُستخدم المحركات الكهربائية أيضاً لتشغيل الأجهزة المختلفة داخل المكاتب والمنازل، مثل أجهزة التكييف والمصاعد. وتستخدم المحركات الصغيرة في فتح وإغلاق الأبواب الآلية.
وتؤدي هذه المحركات الكهربائية دوراً لا يقل أهمية داخل منازلنا. وتستطيع أن تتأكد بنفسك من هذه الحقيقة إذا تجولت في أرجاء منزلك وأعددت قائمة بجميع الأجهزة التي تعمل بواسطة المحركات الكهربائيـة.
فالمراوح وأفران الميكروويف وفراشي الأسنان والمكانس الكهربائية والحواسب وأدوات الحفر والتثقيب، كلها تستخدم المحركات الكهربائية، كما يقوم المحرك الكهربائي بتشغيل المراوح في مكانس الضغط الكهربائية.
ومن خلال التحكم بسرعة المحرك تستطيع أن تزيد من قدرة المكنسة على الشفط من أجل تنظيف السطوح المختلفة بشكل أفضل.
ورغم أن جميع السيارات تقريباً تعمل بالبنزين إلا أنها تحوي محركات كهربائية إضافية صغيرة من أجل تشغيل ماسحات الزجاج أو أجهزة الراديوا والتسجيل والتكييف والنوافذ.
إن معظم المحركات التي نستخدمها في حياتنا اليومية تعمل بالطريقة ذاتها تماماً مع فرق رئيسي وحيد وهو الحجم والاستطاعة.
ونحتاج إلى محرك أكبر وأكثر قدرة من أجل تدوير الوعاء الاسطواني في الغسالات المملوءة بالثياب المبللة، مقارنة بالمحرك الصغير الذي نستعمله لتشغيل جهاز الستريو الشخصي.
ما السبيل لزيادة مقدار حركة السلك ؟
تأكد من أن القضيبين المغناطيسين مثبتان في المكان الصحيح.
يجب أن يكون القطبان المتقابلان مختلفين – أحدهما شمالي والآخر جنوبي – إذ إن هذا الترتيب يضمن أن يكون المجال المغناطيسي في أقوى وضع ممكن وبزوايا متعامدة مع السلك.
ومن خلال هذا الترتيب يصبح تأثير القوة المغناطيسية على السلك ضمن حدها الأعلى.
قاعدة اليد اليسرى لفلمنغ
لكي تحدد اتجاه حركة السلك، استخدم ما يعرف " بقاعدة اليد اليسرى لفلمنغ ".
ارفع يدك اليسرى بحيث يكون الإبهام والإصبعان الأول والثاني متعامدين بزوايا قائمة.
وجّه الإصبع الأول نحو المجال المغناطيسي من الشمال إلى الجنوب؛ وجه إصبعك الثاني نحو سريان التيار. سيُشير إبهامك إلى اتجاه حركة السلك.
قاعدة اليد اليمنى لفليمنغ
تُستخدم " قاعدة اليد اليمنى لفليمنغ " لتحديد اتجاه التيار الكهربائي الذي ينتجه المولد.
ضع يدك اليمنى في وضعية قاعدة فليمنغ ذاتها لليد اليسرى ووجه إصبعك الأول باتجاه المجال المغناطيسي، ثم وجه إبهامك باتجاه حركة السلك الحامل للتيار. يُبيّن إصبعك الثاني اتجاه التيار.
ارتبطت بداية المحركات الكهربائية بالعمل الذي قام به علماء الفيزياء خلال القرن التاسع عشر، والذين بيّنوا أن الكهرباء والمغناطيسية يُمثلان في حقيقة الأمر قوة واحد.
وقد اكتشف عالم فيزياء دانماركي يُدعى (هانس كريستيان أورستيد) ( 1777 – 1851 ) بأن التيار الكهربائي يمكن أن يولد مجالاً مغناطيسياً .
وهناك وصف لتجربته في النشاط ( 9 )، كما قام العالم الفيزيائي الفرنسي ( أندريه ماري أمبير ) (1775 – 1836) بصياغة نظرية رياضية تتحدث عن كيفية توليد التيار الكهربائي للمجال المغناطيسي، ويطلق على وحدة التيار الكهربائي " الأمبير " نسبة إليه.
ثم جاء في وقت لاحق عالم الكيمياء والفيزياء البريطاني (مايكل فارادي) ( 1791 – 1867 ) الذي علم نفسه بنفسه ليُثبت أنه عندما تتغير شدة المجالات المغناطيسية، تستطيع توليد الكهرباء.
تم تطوير المحركات الكهربائية بعد أن قام عالمان فيزيائيان ببناء أولى المغناطيسات الكهربائية بصورتها العملية والتشغيلية، وهما الأمريكي (جوزيف هنري) ( 1797 – 1878 )، والبريطاني (وليام ستيرجيون) ( 1783 – 1850 ).
ويعود فضل إنتاح أول محرك كهربائي تشغيلي عام 1832 إلى ستيرجيون إلى الأسفل. وكان الجزء الأساسي في اختراع ( ستيرجيون ) عبارة عن جهاز يسمى عاكس التيار.
ويقوم هذا الجهاز بعكس اتجاه التيار الكهربائي الذي يُزوّد المغناطيس الكهربائي بصورة مستمرة.
إن معظم المحركات الكهربائية التي تستخدم في الوقت الحاضر ما زالت تعتمد على فكرة (ستيرجيون) الأصلية.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)