2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

المحركات الكهربائية آلية عمل المحركات الكهربائية الفيزياء

تُعدّ المحركات الكهربائية في عصرنا الحديث عصب الحياة ومحورها الرئيس لما تتصف به من نظافة وهدوء وقوة، أما سرّ عملها فيكمن في التفاعل بين التيارات الكهربائية والمجالات المغناطيسية.

إن المحرك الكهربائي هو أحد أهم الاختراعات في العصر الحديث.

وإذا نظرنا حولنا سنجد محركات كهربائية ذات أشكال متنوعة وأحجام مختلفة، وأن غالبية هذه المحركات تتصف بكافاءتها العالية ومحدودية تلويثها للبيئة.

 

يمكن استخدام المحركات الكبيرة في أي مكان تستطيع الكابلات الحاملة للطاقة أن تصل إليها، أما المحركات الصغيرة والأقل قوة فتعمل على البطاريات.

تعتمد المحركات الكهربائية على الطاقة الكهرطيسية، والمقصود بها المجال المغناطيسي الذي يولده التيار الكهربائي.

وتستطيع في النشاط ( 9 ) أن تصنع مغناطيساً كهربائياً عن طريق استخدام ملف من الأسلاك وبطارية. ويضم المغناطيس الكهربائي كما هو الحال في القضيب  المغناطيسي العادي، قطباً شمالياً وقطباً جنوبياً.

 

وبالطريقة نفسها التي يتجاذب أو يتنافر فيها مغناطيسان عاديان، فإن مغناطيسيين كهربائيين أو مغناطيساً عادياً وآخر كهربائياً يسلكان الطريقة ذاتها.

امسك قضيباً مغناطيسياً تحت الطاولة وادفع  مغناطيساً آخر بمحاذاته من الأعلى.

ستشعر بقوة تؤثر في المغناطيسين – قوة تبعدهما عن بعضهما البعض إذا كان القطبان متماثلين، أو تجذبهما إلى بعضهما البعض إذا كان القطبان مختلفين.

 

وإذا قمت بتحرير المغناطيس الأول أو بعيداً عنه وذلك لأن المجال المغناطيسي يجعل الأشياء تتحرك.

تصور الآن لو أن المغناطيس المُثبّت كان مغناطيساً كهربائياً والآخر القابل للحركة (الحرّ) قضيباً مغناطيسياً عادياً.

سوف تلاحظ أن المغناطيس الكهربائي لا يملك مجالاً مغناطيسياً من دون أن يُزود بالطاقة الكهربائية، وبذلك لن تكون هناك قوة مغناطيسية تؤثر في أي من المغناطيسين.

 

لكن وبمجرد أن تُشغّل التيار الكهربائي ستجد أن المغناطيس الكهربائي إما أنه يجذب أو ينفر من المغناطيس العادي.

وتستطيع أيضاً أن تجعل المغناطيس الكهربائي يتحرك بخط دوراني بدل حركته الانتقالية من خط مستقيم. افترض أن القطب الشمالي في قضيب المغناطيس هو القطب الأقرب إلى المغناطيس الكهربائي؛ سيقوم المغناطيس الكهربائي بالدوران إلى أن يصبح قطبه الجنوبي أقرب إلى قضيب المغناطيس.

وقد يتأرجح المغناطيس الكهربائي ذهاباً وإياباً لفترة قصيرة، لكنه سيستقر في نهاية المطاف بحيث يكون قطبه الجنوبي أقرب ما يكون إلى قطب المغناطيس العادي الشمالي.

 

ولو قمت بعكس التيار عبر المغناطيس الكهربائي، ستلاحظ أن قطبيه الشمالي والجنوبي سيتبادلان موقعيهما .

سيكون القطب الشمالي الجديد قرب القطب الشمالي لقضيب المغناطيس وسيندفع نحو الخلف، أما المغناطيس الكهربائي فسيتحرك بصورة دورانية.

ولو أنك تابعت عكس التيار الكهربائي وقلب قطبي المغناطيس الكهربائي بشكل دوري، سيظل المغناطيس الكهربائي في حالة دوران وسيظل المحرك يعمل ما دام تزويده بالتيار الكهربائي مستمراً.

 

كيف تعمل المحركات الكهربائية

ترتبط الفكرة الأساسية للمحرك الكهربائي بأنه آلة تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية أو ميكانيكية.

ويحوي المحرك عادة مغناطيسات دائمة أو مغناطيسات كهربائية تنتج مجالاً مغناطيسياً ثابتاً.

 

كما يحتوي على جهاز دوراني، وهو عبارة عن مغناطيس كهربائي يدور بسبب تأثير المجال المغناطيسي الثابت.

ويجري قلب التيار الكهربائي في الدوّار بصورة آلية مستمرة بحيث لا يستقر الدوّار في موقع واحد.

 

القضيب المغناطيسي

عندما يقترب قضيبان مغناطيسيان من بعضهما فإنما يتنافران يدفع الواحد الآخر إذا كان القطبان المتقاربان متماثلين (انظر الشكل العلوي) .

أما إذا كان قطبا القضيبين المغناطيسيين مختلفين فإنهما يتجاذبان (انظر الشكل في الأسفل) وتوضح خطوط المجال المغناطيسي القوى المغناطيسية بين المغناطيسين.

ويعمل المحرك الكهربائي بموجب المجالات المغناطيسية داخله التي تقوم بجذب ودفع بعضها بعضاً.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

ظاهرة الانجراف القاري الصفائح التكتونية علوم الأرض والجيولوجيا

لاحظ الناس منذ مطلع القرن السابع عشر تقريباً أن العديد من خطوط السواحل في العالم، مثل غرب إفريقيا وجنوب أمريكا، كانت تبدو متراكبة مع بعضها البعض وكأنها لعبة عملاقة لأحجية الصور المقطعة.

ويعتقد علماء الجيولوجيا الآن أن القارات تتألف من صفائح أو ألواح ضخمة من اليابسة تطفو فوق طبقة السائل الصخري في أعماق الكرة الأرضية.

ويعتقد العلماء أن القارات كانت قبل مئات ملايين السنين عبارة عن كتلة أرضية كبيرة واحدة ثم بدأت تنفصل عن بعضها البعض بصورة بطيئة.

 

يُطلق على تلك النظرية من خلال الدراسات التي أجريت على المجالات المغناطيسية في الصخور التي تحوي الحديد.

فعندما تندفع صخور الحديد المنصهرة من أعماق الأرض تكون درجة حرارتها أكبر بكثير من " نقطة كيوري "، بالنسبة للحديد، ما يجعلها ذات طبيعية غير مغناطيسية.

ولكن عندما تبرد تلك الصخور دون مستوى " نقطة كيوري "، تتجمع المناطق المغناطيسية في الخط الصخري مع المجال المغناطيسي للأرض. فيظهر اتجاه قطبي الأرض من الصخور في ذلك الوقت .

 

وتميل الصخور البركانية المنصهرة إلى الاندفاع حيث تلتقي الصفائح أو الألواح القارية فتدفع القارات بعيداً عن بعضها بعضاً.

ومن خلال دراسة المجالات المغناطيسية للصخور في قاع المحيطات وفي القارات، استطاع علماء الجيولوجيا أن يضعوا خارطة تُبيّن مكان القارات في أزمنة مختلفة من تاريخ الكرة الأرضية وأن يُثبتوا أن القارات في الحقيقة تتحرك بعيداً عن بعضها البعض بمرور الزمـــن.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

بيير كوري شخصيّات الفيزياء

تسمى درجة الحرارة التي يفقد المغناطيس خصائصه المغناطيسية عندها " نقطة كيوري " نسبة إلى العالم الفيزيائي الفرنسي (بيير كيوري) ( 1859 – 1906 ).

ورغم أن شهرة هذا العالم ارتبطت بعمله في حقل النشاط الإشعاعي الذي قام به مع زوجته (ماري كيوري) (1867 – 1034).

ومُنحا جائزة نوبل عام 1903 تقديراً لجهودهما بالمشاركة مع (هنري بيكريــــــل) (1852 – 1908)، فقد قام (بيير كيوري) أيضاً ببحوث موسعة في مجال المغناطيس.

وقد اكتشف (بيير كوري) عام 1895 " نقطة كيوري " وهي درجة الحرارة التي تكون دونها المواد الحديدية  ممغنطة.

ثم قام فيما بعد بصياغة قانون يعرف باسمه، والذي يصف من خلاله كيف تتغير الخصائص المغناطيسية للمواد تحت تأثير درجة الحرارة وتتلاشى عندما تصل إلى " نقطة كيوري ".

كما قام ( بيير كوري ) أيضاً باكتشاف ما يعرف باسم الكهرباء الانضعاطية أو الكهرباء التي تتولد نتيجة الضغط الذي تتأثر به بعض المواد.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

نقطة كيوري الفيزياء

الأهداف:

1- تسخين مشبك الأوراق حتى يبلغ نقطة كيوري.

2- استخدام الحرارة لإزالة المغنطة من إحدى المواد.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– منصبان بثلاث قوائم أو مسندان.

– مغناطيس قوي دائري الشكل.

– خيط.

– مشبك أوراق.

– بطارية 6 فولتات.

– أسلاك توصيل مزودة بملاقط مسننة

 

خطوات العمل:

1- علّق المغناطيس بخيط على أحد المنصبين.

2- استعمل خيطاً آخر لربط مشبك الأوراق بين قائمتي المنصب الثاني. يجب أن يكون مشبك الأوراق على ارتفاع المغناطيس نفسه في المنصب الأول.

3– قارب بين المنصبين إلى أن يقوم المغناطيس بجذب المشابك والالتصاق به.

4- استخدم المقلط المسنن في أحد سلكي التوصيل لتثبيت مشبك الأوراق من الطرفين، ثم اربط الطرفين الآخرين من أسلاك التوصيل بقطبي البطارية بأي طريقة تشاء.

5- عندما يسخن مشبك الأوراق، ينبغي أن ينفصل المغناطيس عن المشبك، وقد يكون المشبك ساخناً عندئذٍ، لذلك تجنب لمسه.

 

عندما يبتعد المغناطيس عن مشبك الأوراق، افصل وانتظر بعض الوقت إلى أن يبرد مشبك الأوراق. تجنب ملامسة المشبك قبل أن يبرد تماماً. انتظر حوالي خمس دقائق.

عندما يبرد مشبك الأوراق قارب بينه وبين المغناطيس مرة أخرى. من المفروض أن ينجذبا إلى بعضهما ويلتصقا.

وربما ترغب في إعادة التجربة باستخدام نوع آخر من المعادن، كالمسامير الحديدية أو الأسلاك الرفيعة.

 

وهناك طرق أخرى تستطيع من خلالها أن تزيل المغنطة عن المغناطيس المؤقت.

قم بمغنطة مسمار حديدي من خلال دلكه بلطف بمغناطيس دائم مع تحريك المغناطيس نحو جهة واحدة فقــــط، ستشير بعض المناطق المغناطيسية إلى الاتجاه ذاته.

 

تحقق من تمغنط المسمار بملامسته مع مشبك الأوراق والتأكد من التصاقهما معاً. خذ مطرقة وضع المسمار على الرصيف أو على سطحٍ قاسٍ ثم اطرقه بالمطرقة (التمس دائماً نصيحة أحد الكبار قبل القيام بهذا العمل!) .

إن ضرب المسمار بالمطرقة سيؤدي إلى بعثرة المناطق المغناطيسية وإزالة المغنطة من المسمار. تحقق من ذلك بوضع المسمار قرب مشبك الأوراق مرة أخرى.

 

تحليل النشاط:

لا بد أنك تحققت من أن المغناطيس قد انفصل عن مشبك الورق بعد وقت قصير من وصل البطارية.

عندما يسري التيار الكهربائي عبر المعدن فإنه يسخن، وعندما يسخن معدن مشبك الورق ويصل إلى نقطة كيوري تتناثر مناطقه المغناطيسية.

وعندما يحصل هذا فإن مشبك الأوراق يفقد مجاله المغناطيسي. ما يؤدي إلى انفصال وابتعاد المغناطيس.

 

وحالما يبرد المعدن إلى درجة أدنى من نقطة كيوري، يصبح ممغنطاً مرة أخرى فيلتصق به المغناطيس.

لا يمكن أن تصبح جميع المواد أو المعادن مغناطيسات دائمة عندما توضع بجانب مغناطيس آخر . وتسمى المواد التي يمكن أن تتحول إلى مغناطيسات دائمة " المغانط (المغناطيسات) الحديدية ".

ويُعد الحديد والكوبالت والنيكل والجادولينيوم والديسبرسيوم (عنصران فلزيان) المغناطيسات الحديدية الوحيدة.

 

رغم وجود عدد كبير من الخلائط والمركبات المعدنية التي تصنف أيضاً على أنها مغناطيسيات حديدية.

تصنع مشابك الأوراق عادة من الفولاذ الذي يتكون من خليط سبائكي مؤلف من الحديد والكربون، ويجب أن يحتوي مشبك الأوراق على كمية كافية من الحديد كي يصبح ممغنطاً وينجذب إلى المغناطيس.

وإذا لم ينجذب إلى المغناطيس، فربما يكون مصنوعاً من مادة أخرى ويترتب عليك في هذه الحالة استخدام سلك حديدي رفيع بدلاً منه.

 

استكشاف الأخطاء وتصحيحها

لماذا لم ينفصل المغناطيس عن مشبك الأوراق؟

قد تكون شحنة البطارية التي استخدمتها في تجربتك ضعيفة، بحيث لم تتمكن من تسخين مشبك الأوراق حتى نقطة كيوري. وبدلاً من استخدام بطارية أكبر، جرب أن تستخدم سلكاً حديدياً أو فولاذياً أرفع.

 

ما سبب مغناطيسية الأرض؟

رغم أن درجة حرارة الحديد المنهصر في باطن الأرض تفوق نقطة كيوري، إلا أن الأرض لها خاصية مغناطيسية، وسبب ذلك غير معروف.

وتقول إحدى النظريات إن سبب هذه المغناطيسية هو التيارات الكهربائية الشديدة التي تسري حول النواة الداخلية للأرض، فتحدث مجالاً مغناطيسياً أثناء حركتها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

خاصية المغنطة المعادن طرق إزالة خاصية المغنطة من المعادن الفيزياء

هناك اعتقاد بأن المغنطة في معدن هي قوة موجودة في هذا المعدن بصورة مستمرة.

والحقيقة أنه يمكن إزالة المغنطة من جميع المعادن عن طريق تسخينها إلى درجة تُعرف باسم "نقطة كيوري" (درجة الحرارة التي يفقد عندها المعدن الممغنط خصائصه المغناطيسية).

يُصدر المغناطيس قوة جذب غير مرئية من حوله تُعرف باسم " المجال المغناطيسي " ونتصور المغناطيس على أنه قوة جاذبة فقط، لكن في الحقيقة هو قوة جذب وطرد.

 

ولكل مغناطيس قطبــــــــان. قطب شمالي وآخر جنوبي. وإذا تلاقى قطبان شماليان في مغناطيسين فسيتنافران، بينما يتجاذبان إذا كان أحدهما قطباً شمالياً والآخر جنوبياً.

إن بعض المعادن، كالحديد والفولاذ، لا تكون عادة ممغنطة، لكنها يُمكن أن تصبح كذلك. وفي هذه المعادن تعمل الإلكترونات الموجودة داخل الذرات كمغناطيسات صغيرة.

حيث يتشابك عدد من هذه الإلكترونات الممغنطة لتكوّن مجالات مغناطيسية أوسع تُسمى المناطق المغناطيسية، وإذا لم تكن المادة ممغنطة، فإن مناطقها المغناطيسية تكون مبعثرة وتأخذ إلكتروناتها الصغيرة الممغنطة اتجاهات عشوائية.

 

وعندما نطبق مقداراً مغناطيسياً صغيراً على مادة ما (مثلاً، عندما نضع مغناطيساً بالقرب من قطعة حديد) تتوثب بعض المناطق المغناطيسية لتأخذ اتجاه المغناطيس.

وبذلك يصبح الحديد مغناطيساً مؤقتاً، لكن مغناطيسيته ستزول عندما نبعد المغناطيس عنه، وإذا طبقّنا المزيد من المغنطة (كأن ندلك قطعة الحديد بالمغناطيس)، فإن المناطق المغناطيسية تتوثب كلها في الاتجاه ذاته وستبقى في هذا الوضع ، وهنا نقول إن الحديد قد أصبح ممغنطاً.

أما ذرّات بعض الأجسام الأخرى كالخشب والبلاستيك فلا تُكوّن مناطق مغناطيسية وهي بالتالي غير قابلة للمغنطة.

 

وكما تتجمع المناطق المغناطيسية في الحديد، وتحوله إلى مغناطيس، فإنها يُمكن أن تعود إلى وضعها المبعثر من جديد وتزيل مغنطته.

وهناك عدة طرق لإزالة المغنطة، ومن بينها طرق المغناطيس مرات متعددة، حيث تؤدي الاهتزازات التي تنتقل عبر البنية البلورية إلى تبعثر تلك المناطق المغناطيسية وإزالة المغنطة بصورة كاملة .

 

كما أن الحرارة هي طريقة أخرى لإزالة المغنطة، ففوق درجة حرارة معينة، تصبح الاهتزازات في المادة كبيرة جداً بحيث يتعذر على المناطق المغناطيسية التجمع لتكوّن مغناطيساً فعالاً.

وتُسمى تلك الدرجة " نقطة كيوري "، وهي تختلف من مادة لأخرى. وبإمكانك قياس " نقطة كيوري " أثناء النشاط في الصفحات التالية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

فاصمة منصهرة الفيزياء

الأهداف

1- صنع فاصمة منصهرة.

2– مقارنة بين عدد فاصمات في الدارة الكهربائية.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– سلك حديدي رفيع جداً شبيه بالأسلاك المستخدمة في البيانو

– سلك نحاسي

– أربع وصلات كهرباء مع ملقط مسنن في أطرافها

– بطارية 6 فولتات أو 12 فولتاً

– أميتر (اختياري)

 

خطوات العمل:

1- اقطع سلكاً نحاسياً بطول 2 بوصة (5 سم) وسلكاً حديدياً بالطول نفسه. افتل السلكين حول بعضهما من أحد طرفيهما، بحيث تصنع سلكاً أطول.

2- خذ الوصلة واربط أحد الملاقط المسننة بالطرف الحر للسلك الحديدي الرفيع. أوصل الطرف الآخر من الوصلة بأحد قطبي البطارية.

3- علق وصلة ثانية بالطرف الحر من السلك النحاسي.

4– علّق الطرف الآخر على إحدى الوصلات من الأميتر.

5– خذ وصلة ثالثة مزودة بملقط مسنن واربط أحد الملقطين بالوصلة الثانية للأميتر.

6- علق الملقط المسنن الثاني بقطب البطارية الآخر. إذا تحركت إبرة مقياس الكهرباء بطريقة غير صحيحة أو لم تتحرك على الإطلاق، حاول تبديل وصلتي قطب البطارية.

انظر بإمعان إلى السلك المعدني الرفيع، هل ينقطع ؟ لا تلمس السلك الحديدي بأصابعك لأنه قد يكون حاراً. وإذا لم ينقطع السلك الحديدي، حرك الملاقط المسننة بعناية بين السلك الحديدي والنحاسي كي تُقصّر السلك الحديدي. استمر في تقصير السلك إلى أن ينقطع.

7- انظر إلى الأميتر، ستجد أن التيار الكهربائي قد ازداد. انظر مرة أخرى إلى السلك الحديدي الرفيع. هل تلاحظ حدوث أي شيء؟

 

8- استمر في تكرار الخطوتين 6 و 7 إلى أن تلاحظ أن السلك الحديدي أخذ يتوهج. سيحترق السلك كله في نهاية الأمر وينقطع بشكل كامل. لاحظ القراءة التي تظهر على الأميتر عندما يحدث ذلك.

 

تمعن في أسلاك الفاصمة المنصهرة المجهزة حسب قيم التيار الكهربائي المختلفة.

ماذا تلاحظ بالنسبة للأسلاك عندما يزداد مستوى التيار؟ هل الفاصمة المكونة من سلك 2 أمبير أسمك أم رفع من فاصمة سلكها 5 أمبير؟

جرب عدداً من الأسلاك المختلفة بدلاً من السلك الحديدي الرفيع في دارتك الكهربائية. اختبر درجة الإنصهار بالنسبة لأي من تلك الأسلاك المختلفة.

 

اصنع جدولاً وسجل عليه أطوال الأسلاك التقريبية عند انقطاعها والتيار الذي يظهر على الأميتر قبيل احتراق السلك بصورة كاملة.

تأكد فيما إذا كانت تلك البيانات متطابقة مع تصنيف التيار لأنواع الفواصم المنصهرة المختلفة وسماكاتها.

 

فعلى سبيل المثال، ينبغي أن يحترق سلك استطاعة فاصمته 2 أمبير عند مرور تيار كهربائي أقل شدة من سلك استطاعته 5 أمبير. تذكر أن تتجنب ملامسة السلك المحترق إلى أن يبرد .

حاول أن تعثر على فاصمة أنبوبية شبيهة بالفاصمة المنصهرة (الفيوز أو الصمامة الكهربائية ) في الصورة إلى اليسار، اطلب مساعدة من أحد الكبار لقطع وفتح الأنبوب لترى ما في داخل.

 

تحليل النشاط:

لم يحترق السلك النحاسي في دارتك لأن النحاس موصل جيد للكهرباء. وفي الدارة الكهربائية التي صنعتها كانت الفاصمة المنصهرة هي السلك الحديدي.

ومع ارتفاع شدة التيار الكهربائي تزداد درجة حرارة السلك الحديدي. وفي النهاية سيصبح هذا السلك حارً جداً، ما يؤدي إلى احتراقه وانقطاعه.

 

عندما قمت بتقصير السلك الحديدي، لابدّ أنك لاحظت أن شدة التيار الكهربائي قد ازدادت.

يحدث هذا لأن مقاومة السلك تزداد تبعاً لطوله ، فكلما كان السلك  أكثر طولاً أصبح سريان الإلكترونات فيه أكثر بعداً وازداد عدد الذرّات التي تصطدم معها أثناء مرورها.

 

إن تقصير السلك الحديدي يقلل المسافة التي تقطعها الإلكترونات، ما يؤدي إلى إضعاف المقاومة التي تواجهها. وتظل شدة التيار الكهربائي عبر الدارة كما هي لأنك تستخدم البطارية ذاتها.

لذلك إذا انخفضت المقاومة فإن التيار الكهربائي الذي يمر في الدارة سيزداد في كل مرة تقوم فيها بتقصير السلك.

 

ما العمل لو أن سلك الفاصمة المنصهرة لم يتوهج أو ينقطع؟

تفقّد صلاحية البطارية وذلك بوصلها مباشرة بجهاز الأميتر وانظر إلى شاشة العرض.

إذا كانت البطارية في حالة تشغيلية جيدة عليك أن تتفقد مرة أخرى جميع الوصلات التي قمت بها في دارتك الكهربائية.

 

نصائح للسلامة

يصبح سلك الفاصمة المنصهرة (الفيوز) حاراً ويشتعل عندما يمر فيه تيار كهربائي.

إذا لاحظت أن سلك الفاصمة الحديدي في دارتك أخذ يتوهج فذلك يعني أن درجة حرارته أصبحت عالية جداً.

إياك أن تلمس السلك المتوهج في أي وقت عند وصله بالبطارية، لأنه سيسبب لك الحروق. عليك أن تنتظر عدة دقائق إلى أن يبرد السلك قبل أن تمسكه بيدك، كما يجب عليك أن تجري هذا النشاط على سطح غير قابل للإشتعال.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كيفية عمل قواطع التيار قواطع التيار التيار الفيزياء

تمر الإلكترونات عبر الأسلاك السميكة بسهولة أكبر من مرورها عبر الأسلاك الرفيعة، ففي الأسلاك السميكة تمر معظم الإلكترونات بحرية أكبر.

وبالتالي يكون التصادم بين الإلكترونات والذرّات أقل نسبياً، لذلك فإن هذه الأسلاك لا تسخن كثيراً، وتمر معظم الكهرباء عبر الأسلاك بالقليل من المقاومة.

بينما تمر كمية قليلة من الإلكترونات في الأسلاك الرفيعة بشكل مستقيم، ما يؤدي إلى تصادم أكبر فتسخن هذه الأسلاك وتكون مقاومتها أكبر من الأسلاك السميكة المكونة من المادة نفسها.

 

يمكن أن تصاب الأجهزة الكهربائية والإلكترونية بالتلف نتيجة ارتفاع كبير مفاجئ للتيار الذي يمر فيها، ويحدث ذلك أحياناً عندما تتعرض محطات الكهرباء إلى مشاكل تتعلق بانتظام الطاقة الخارجة منها.

وتحتوي العديد من الأجهزة الإلكترونية على " فاصمة منصهرة "  (صمامة كهربائية) تتألف من سلك رفيع جداً يمكنه تحمل كمية محددة من التيار الكهربائي.

(وبعبارة أخرى، يمكن وصف الفاصمة المنصهرة على أنها أداة أمان تتألف من سلك صغير ينصهر فيقطع التيار الكهربائي كلما أمست قوته خطراً على السلامة).

 

وعلى سبيل المثال تستطيع فاصمة منصهرة (صمامة كهربائيــــــــة) باستطاعة 3 أمبير من النوع الذي يستخدم في المنازل أن تتحمل تياراً قدرته 3 أمبير.

وإذا ما مر فيها تيار أكبر فإن السلك سيسخن إلى درجة الاحتراق، ما يؤدي إلى قطع الدارة، وبالتالي حماية الجهاز من التلف.

وعندما تنقطع الدارة في الجهاز، تقوم قاطعات الدارة بتحريك مفتاح يؤدي إلى إيقاف مرور التيار عبر الأسلاك وحماية الإمداد الكهربائي.

 

المصابيح والحرارة

تعمل المصابيح المنزلية عندما تصبح ساخنة بفعل مرور التيار الكهربائي فيها، ففي داخل المصباح الزجاجي يوجد ملف مكون من أسلاك دقيقة جداً تسمى الفتيلة.

وعندما يمر التيار الكهربائي عبر الفتيلة تتوهج لدرجة الإحمرار وتنشر الضوء من حولها. لكن المصابيح تبعث الكثير من الحرارة أيضاً.

 

وفي الحقيقة أن 90% من طاقة المصابيح الكهربائية تنبعث على شكل حرارة، بينما لا يُمثل الضوء منها سوى 10%، ولهذا السبب فإنها أكثر كفاءة كمصادر حرارية منها كمصابيح إنارة!

وهو ما يفسر أيضاً سبب استخدام المصابيح الكهربائية في تدفئة صغار الطيور في الحاضنات الاصطناعية ( كما هو واضح في الصورة إلى اليسار ).

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

مقاومة المواد التيار الكهربائي الفيزياء

لماذا لا تُصعق الطيور عندما تحطّ على الأسلاك الكهربائية المعلقة؟

السبب في ذلك هو أن الطيور موصلات رديئة مقارنة بالأسلاك الكهربائية التي تقف عليها، ما يجعل سريان الكهرباء عبر الأسلاك أكثر سهولة.

إن الخاصية التي تمتاز بها الموصلات الجيدة مقارنة بالموصلات الرديئة تسمى " المقاومة ". وإن مقاومة مادة ما هي مقياس لمدى مقاومة مادة لتوصيل الكهرباء.

 

تملك العوازل، مثل البلاستيك، مقاومة عالية جداً نظراً لبنيتها، حيث تقاوم الإلكترونات التي تحاول المرور من خلالها، أما الموصلات الجيدة، كالمعادن، فتبدي مقاومة قليلة عندما تمر الإلكترونات فيها، وتكون المقاومة  متعاكسة مع المواصلة ( نقل التيار الكهربائي ).

فالموصلات الجيدة كالنحاس المستخدم في الأسلاك لها مقاومة منخفضة، بينما تكون الموصلات الرديئة مثل البلاستيك المستخدم في تغليف الأسلاك ذات مقاومة عالية.

كما تمثل المقاومة أيضاً إحدى الطرق التي تحدد العلاقة بين الجهد الكهربائي المطبق على الدارة والتيار الذي يمر فيها.

 

فلو طبّقت مقداراً محدداً من الجهد الكهربائي ( والذي يُقاس بالفولت ) على طرفي قطعة من البلاستيك، فإن تياراً كهربائياً ( الذي يُقاس بالأمبير ) ضئيلاً يمر عبرها، ستلاحظ أن المقاومة عالية إلى حد كبير، لكنك لو قمت بتطبيق الجهد ذاته عبر أحد المعادني مرّ من خلاله تيار أعلى، ما يعني أن مقاومة المعادن منخفضة.

وبتعبير آخر، تعتمد كمية التيار الذي يمر بالنسبة لجهد كهربائي ما على مقاومة الدارة، ويُعرف ذلك بقانون " أوم ". نسبة إلى العالم الفيزيائي الألماني ( جورج سيمون أوم ) ( 1789 – 1854 ). الذي اكتشفه.

وتُقاس المقاومة بالوحدات التي يُطلق عليها الأوم، ويحتاج كل أوم مقاومة إلى فولت واحد لمرور تيار مقداره أمبير واحد.

 

لماذا تؤدي المقاومة إلى الحرارة ؟

عندما تمر الإلكترونات عبر أحد المواد، يصطدم بعضها بالذرّات التي تتكون منها تلك المادة، يمتلك الألكترون طاقة حركية أثناء سريانه السريع.

وبعد اصطدامه بالذرّة تقوم الذرّة باكتساب كمية من الطاقة نتيجة ذلك التصادم، وتتحرك الذرّات التي تكوّن المواد بشكل اهتزازي متكرر.

وإذا ما اصطدم أحد تلك الإلكترونات بذرّة من الذرّات يزداد اهتزازها، ما يؤدي إلى ارتفاع درجة حراتها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

وعاء لايدن الكهربائي الفيزياء

الأهداف

1- صنع " وعاء لايدن "

2- تخزين الكهرباء داخل " وعاء لايدن " .

3- إنشاء صاعقة مصغرة

 

الأدوات التي تحتاجها:

– وعاء بلاستيكي 

– رقاقة ألمنيوم .

– غراء أبيض برغي معدني .

– مقبض خزانة معدني .

– سلك نحاسي .

– سلك رفيع، مشابه لأسلاك البيانو .

– قطّاعة أسلاك .

– أنبوب بلاستيك  PVC طوله 1 قدم (30 سم) .

– قطعة قماش قطنية

 

خطوات العمل:

1- قص شريحة من رقاقة الألمنيوم طولها ثلثا الوعاء البلاستيكي، وبما يكفي للف الرقاقة داخل الوعاء مرة واحدة. ويجب أن تكون الرقاقة ملساء وغير مجعدة. الصق الرقاقة داخل الوعاء بحيث تلتصق بإحكام بالبلاستيك.

2- الصق شريحة مماثلة من رقاقة الألمنيوم حول الجزء الخارجي من الوعاء البلاستيكي .

3- اطلب من أحد الكبار أن يساعدك بإدخال البرغي المعدني حتى نصفه في غطاء الوعاء البلاستيكي، وبحيث يكون رأس البرغي في الداخل.

وينبغي أن يبرز الطرف المدبب من البرغي من الغطاء البلاستيكي بما يكفي لتثبيت مقبض الخزانة المعدني عليه. قص قطعة من السلك النحاسي بطول 6 بوصات ( 15 سم ) ولف أحد طرفيه حول البرغي وألصق الطرف الآخر برقاقة الألمنيوم داخل الوعاء.

4- ضع الغطاء على الوعاء. اقطع ثلاثة أسلاك رفيعة طول كل منها 3 بوصات (7.5 سم).

لف طرف كل من الأسلاك حول البرغي بالقرب من البلاستيك، ثم قم بتثبيت المقبض المعدني على الطرف المدبب من البرغي. وينبغي أن تكون الأسلاك القصيرة بارزة عن المقبض المعدنــي .

5- الصق سلكاً نحاسياً آخر طوله 6 بوصات (15 سم) برقاقة الألمنيوم على الجزء الخارجي من الوعاء البلاستيكي. اترك الطرف الآخر منه محرراً، ولكن تأكد من ملامسته للطاولة .

 

6- ادلك الأنبوب البلاستيكي بقطعة القماش. وبعد بضع ثوان لامس بهدوء الأنبوب بالسلك النحاسي القصير البارز من أسفل المقبض المعدني في أعلى الوعاء. كرر هذه الخطوة عدة مرات كي تشحن "وعاء لايدن".

7– ضع الأنبوب جانباً وخذ الطرف الحر من السلك الملصق على شريحة الألمنيوم الخارجية. قارب ببطء بين الطرف الحر من السلك والمقبض المعدني. انظر بإمعان وسترى شرارة صغيرة تقفز عبر الفجوة بين السلك والبرغي.

 

تستطيع أن تستنتج من طول الشرارة التي تقوم  بتوليدها مقدار الجهد الكهربائي الذي خزنته في وعائك. ومن بين إحدى الطرق السهلة التي يمكنك من خلالها زيادة الشحنة الكهربائية المخزنة هي تكرار عدد المرات التي تقوم بها بدلك الأنبوب البلاستيكي وملامسة الأنبوب بالأسلاك.

وعليك توخي الحذر عند قيامك بذلك لأنك قد تتعرض لصعقة كهربائية إذا بالغت في شحن الوعاء بالكهربــــاء .

وهناك أحجام وأشكال مختلفة لأوعية "لايدن" ومن الأفضل استخدام أوعية مستديرة بدلاً من المربعة لأن الشحنة المختزنة يُمكن أن تتسرب إذا كانت هناك ثنايا أو أجزاء متجعدة في رقاقة الألمنيوم.

 

وبالإمكان صنع " وعاء لايدن " بأي حجم. إن علبة أفلام التصوير الفارغة يمكن أن تكون مناسبة جداً وسهلة الحمل لاستخدامها " كوعاء لايدن " .

قم بمزيد من التجاب بصنع " أوعية لايدن " ذات أحجام مختلفة. هل هناك أي تأثير لذلك على حجم الشرارة المتولدة؟

وبوجه عام، كلما كان الوعاء أكبر حجماً، أصبحت مساحة رقاقة الألمنيوم المستخدمة أكثر قدرة على تخزين الشحنات الكهربائية وأصبحت الشرارة المتولدة أكبر حجماً .

 

تحليل النشاط:

بما أن الأنبوب البلاستيكي عازل للكهرباء، لا يسري التيار فيه بسهولة، ولهذا السبب عندما قمت بدلك أو فرك الأنبوب انتقلت الإلكترونات من قطعة القماش وتجمعت على الأنبوب البلاستيكي شحنة سالبة (إلكترونات إضافية).

إن الأسلاك الرفيعة الموجودة على الوعاء موصلات جيدة للكهرباء، وعندما لامست بين الأنبوب والأسلاك انتقلت الشحنة من الأنبوب عبر الأسلاك إلى البرغي، فالسلك الداخلي ومن ثم إلى رقاقة الألمنيوم داخل الوعاء.

وعندما أصبحت الشحنة الكهربائية داخل الوعاء لم تجد مكاناً آخر تنتقل إليه. وبما أن الوعاء البلاستيكي أيضا غير موصل للكهرباء، ظلت الشحنة السالبة محتجزة على رقاقة الألمنيوم داخل الوعاء.

 

عندما لامس السلك على الجزء الخارجي من الوعاء الطاولة، نقول إن الشحنة قد " تأرّضت". وطالما بقي السلك ملامساً للطاولة، لن تجد الشحنات الموجبة على الرقاقة الخارجية مكاناً آخر تذهب إليه لأنها " تأرّضت ".

لذلك تعززت الشحنة السالبة داخل الوعاء معزولة عن الشحنة الموجبة الموجودة على الجزء الخارجي من الوعاء .

وعندما قاربتَ بين السلك خارج الوعاء والمقبض المعدني، كان جهد التيار الكهربائي الذي أنشأته داخل الوعاء كافياً لتجذب الشحنات المعاكسة.

 

أما الشرارة فكانت عبارة عن إلكترونات تقفز فوق الفجوة وتسري من الرقاقة الداخلية التي تحوي شحنة سالبة إلى الشحنة الموجبة على الرقاقة الخارجيــة، وأدى ذلك إلى إبطال مفعول الشحنات على رقاقتي الألمنيوم بما يسمى تفريغ الكهرباء الساكنة.

وتمثل ذلك التفريغ بالشرارة التي شاهدتها إن الهواء عازل جيد للكهرباء، ولكن بوجود جهد كهربائي عالٍ يقوم الهواء بتوصيل الكهرباء.

ولعل ظاهرة البرق خير مثال على ذلك، حيث يُشير وميض البرق أو الشرارة التي تنطلق من البرق إلى أن الشحنات الكهربائية تسري في الهوا .

وكلما كانت الشرارة أكبر حجماً أصبح الجهد الكهربائي أكثر شدة.

 

وكي تحدث شرارة طولها 1 بوصة ( 2.5 سم ) لا بدّ من توافر حوالي 25.000 فولت ( أو 10.000 فولت لحدوث شرارة طولها 1 سم )، ولهذا  فإننا نحتاج إلى 2.500 فولت كي نصنع شرارة طولها 0.1 بوصة ( 2.5 مم ).

وتعمل صاعقة البرق بالطريقة ذاتها كما في " وعاء لايدن " الذي صنعته بنفسك غير أن البرق يكون محملاً بجهد كهربائي أكبر. ويحتاج حدوث صاعقة برق واحدة في الغيمة إلى حوالي 100 مليون فولت.

 

لذلك تكون ضربة الصاعقة خطرة للغاية، أما في " وعاء لايدن " الذي صنعته في النشاط الرئيس، فإنك تولد  صواعق برقية مصغرة وآمنة .

بدأ العلماء بعد اختراع " وعاء لايدن " بإجراء التجارب على الشحنة المختزنة . وقد مهدّت تلك التجارب الطريق لصنع المحركات والمولدات الكهربائية وتنوع طرائق استخدام الطاقة الكهربائية في عصرنا الراهن.

 

طريقة عمل " وعاء لايدن "

تُمثل الصورة في الأسفل تصميماً آخر " لوعاء لايدن "  تستطيع صنعه بنفسك، ويتألف هذا الوعاء من سلسلة بدلاً من السلك.

حيث تقوم هذه السلسلة بتوصيل الشحنة الكهربائية إلى داخل الوعاء الزجاجي. ويتم شحن الوعاء بملامسة منبع للكهرباء الساكنة ( أنبوب بلاستيكي PVC ) بمقبض في أعلى الوعاء.

تتجمع الشحنة السالبة على الرقاقة الداخلية والشحنة الموجبة على الرقاقة الخارجيــة.  ولا يحدث أي شيء إذا كان الوعاء " مؤرضاً " .

 

ولكن عندما نقارب سلك التأريض من المقبض، تبدأ الشحنة الموجبة على الرقاقة الخارجية بالسريان إلى أعلى السلك.

تسري الشحنة السالبة في الوقت نفسه من الرقاقة الداخلية عبر السلسلة إلى المقبض. تنجذب الشحنتان المختلفتان نحو بعضهما، ما يؤدي إلى حدوث الشرارة.

 

ما العمل لو أنني لم أحصل على شرارة ؟

ربما يكون السبب هو عدم شحنك الوعاء بصورة كافية. حاول إعادة الخطوة السادسة 5 إلى 10 مرات .

في الأيام التي تكون فيها الرطوبة الجوية عالية. ينقل الهواء بالكهرباء بشكل أفضل . وهذا يعني أنا الشحنة الكهربائية قد تتسرب من وعائك عبر الهواء حال وضعها في داخله . حاول أن تجري التجربة في أحد الأيام الجافة.

تميل الشحنات الكهربائية إلى التجمع والتسرب عند النهايات الحادة، لذلك ينبغي ألا تترك أي ثنايا أو تجاعيد في رقاقة الألمنيوم التي تستخدمها. وتأكد من التصاق الرقاقة بالوعاء البلاستيكي بصورة كاملة.

 

نصائح للسلامة

– رغم أن صنع شرارة كهربائية شيء ممتع، إلا أنه قد ينطوي على الخطر، فكلما كانت الشرارة أكبر حجماً أصبح التيار الكهربائي أشد قوة.

ويمكن أن تؤدي "أوعية لايدن" الكبيرة إلى تخزين جهد كهربائي خطير، لذلك ننصح باستعمال وعاء صغير. تجنب دائماً العبث بالكهرباء .

 

– لا تستعمل صمغاً قابلاً للاشتغال (مثل اللاصق المطاطي) في لصق الرقاقة داخل الوعاء لأن ذلك قد يؤدي إلى اشتعالها.

اطلب من أحد الكبار مساعدتك في اختيار نوع المادة اللاصقة التي تستعملها. كما تستطيع استعمال مادة شمعية أو شريط لاصق غير قابل للاشتعال.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

طرق تخزين الشحنات الكهربائية الشحنات الكهربائية الفيزياء

قد يسبب البرق حرائق تطال المباني وتؤدي إلى أضرار جسيمة في الأرواح.

لكن البرق لا يحدث فقط على شكل صواعق كبيرة تصدر عن الغيوم، فأنت قادر على صنع صواعق برقية صغيرة عن طريق استخدام كمية قليلة من الكهرباء الساكنة.

قبل أن يخترع " فولتا " المُركِّمات وقبل أن يفهم الناس التيار الكهربائي، بحث العلماء عن وسائل يخزنون بواسطتها الكهرباء الساكنة.

 

ومن بين الأدوات التي استعملت في الأزمنة القديمة لتخزين الكهرباء الساكنة كان هناك ما يسمى ب " وعاء لايدن ".

وقد تم اختراع  "وعاء لايدن" عام 1745 على يد (ي . جورج فون كلايست) ( 1700 – 1748 ) في جامعة "لايدن" بهولندا.

وكان "وعاء لايدن" الذي اخترعه عبارة عن وعاء زجاجي له غلاف معدني من الداخل والخارج، وكان الزجاج يفصل بين الغلافين المعدنيين الموصلين للكهرباء باعتباره مادة عازلة، ما وفر إمكانية تخزين الكهرباء بكفاءة عالية.

 

وتم شحن الأوعية بالكهرباء الساكنة عن طريق ملامسة مقبض معدني خارج الوعاء بمنبع للكهرباء الساكنة.

كما قام (بنجامين فرانكلين) ( 1706 – 1790 ) بتجربة شهيرة في عام 1752 تتعلق بإطلاق طائرة ورقية أثناء طقس عاصف، لكن القليل من المتابعين عرفوا أن (فرانكلين) كان يحاول من خلال تلك التجربة تخزين الكهرباء التي تولّدها الغيوم في "وعاء لايدن" .

وعندما مرت غيمة عاصفة فوق طائرة (فرانكلين) الورقية، تسربت الشحنات السالبة في تلك الغيمة إلى الطائرة عبر خيوط الطائرة إلى مفتاح ومن ثم إلى "وعاء لايدن" الموصول بالمفتاح بواسطة سلك معدني رفيع.

 

ولم يتأثر (فرانكلين) بالشحنات السالبة لأنه كان ممسكاً بخيط حريري جاف عزله عن الشحنات السالبة في المفتاح.

وفي وقتنا الحالي نستخدم جهازاً يُسمى " المكثِّف " وظيفته تخزين الشحنة الكهربائية.

وتُستخدم مكثفات صغيرة في أجهزة التلفزيون والحواسب، وتتألف هذه المكثفات من صفائح معدنية رقيقة تفصل بينها طبقات بلاستيكية رقيقة إضافة إلى تلحيم أسلاك موصلة بتلك الصفائح المعدنية.

 

وتعمل المكثفات تقريباً عمل الأبراج (الخزانات) المائية، التي تقوم بتخزين ضغط الماء عندما تزيد كميات الماء عن حاجة المدينة، حيث تُخزّن الكميات الزائدة في أبراج الماء.

وفي أوقات الحاجة، يتدفق الماء الزائد من البرج كي يرفع من ضغط الماء. ويقوم المكثف بتخزين الإلكترونات بالطريقة ذاتها ثم يحررها في مرحلة لاحقة.

 

إن اكتشاف طريقة يتم من خلالها تخزين الشحنات الكهربائية كان خطوة كبيرة نحو الأمام بالنسبة لعلماء القرن الثامن عشر وسعيهم لاكتشاف الكهرباء .

وفي هذا النشاط ستتاح لك فرصة استنساخ ما قاموا به من خلال صنع "وعاء لايدن" خاص بك وتخزين شحنة كهربائية في داخله لاستخدامها من أجل صنع صاعقة مصغرة .

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]