أولاً: التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي
هنشوف بعنينا إزاي السلك اللي بيعدّي فيه تيار بيعمل حواليه مجال مغناطيسي يحرّك إبرة البوصلة.
فكّر
وضعنا سلكًا معزولًا فوق بوصلة بحيث يكون موازيًا لإبرتها. ماذا تتوقع أن يحدث لإبرة البوصلة عند غلق الدائرة الكهربية ومرور التيار في السلك؟
جرّب
نشاط: تجربة أورستدالنقط الصفرا على السلك بتوضح اتجاه مرور التيار.
جرّب: اقفل الدائرة وشوف الإبرة، وبعدين اعكس التيار. الإبرة هتنحرف للناحية التانية، يعني اتجاه المجال اتعكس مع التيار.
استنتج
الملاحظة
انحراف إبرة البوصلة عن اتجاهها الأصلي عند مرور التيار الكهربي في السلك (عند غلق الدائرة).
الاستنتاج
التيار الكهربي له تأثير مغناطيسي.
التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي
ظاهرة تولد مجال مغناطيسي حول أي موصل يمر به تيار كهربي.
نبذة عن العالم هانز أورستد
اكتشف أن مرور التيار الكهربي في سلك ينتج مجالاً مغناطيسيًا حوله، يسبب انحراف إبرة البوصلة عن اتجاهها الأصلي.
تراكم معرفي
- المجال المغناطيسي: المنطقة المحيطة بالمغناطيس والتي يظهر فيها تأثير قوته المغناطيسية.
- خطوط المجال المغناطيسي: خطوط وهمية تمثل اتجاه وشدة المجال المغناطيسي.
- إبرة البوصلة: مغناطيس صغير حر الحركة، يتخذ طبيعيًا اتجاه الشمال الجغرافي بتأثير المجال المغناطيسي للأرض.
اختراعات تعتمد على التأثير المغناطيسي للتيار
- المغناطيس الكهربي.
- المحرك الكهربي (الموتور).
- المولد الكهربي (الدينامو).
اختبر نفسك
المغناطيس الكهربي
هنحوّل مسمار حديد مطاوع لمغناطيس بالكهربا، ونشوف إيه اللي بيخليه أقوى.
فكّر
ينجذب المسمار المصنوع من الحديد المطاوع إلى المغناطيس، فهل يمكن تحويل المسمار نفسه إلى مغناطيس؟
جرّب
نشاط: العوامل المؤثرة في قوة المغناطيس الكهربيعدد الدبابيس المنجذبة هو اللي بنعرف منه قوة المغناطيس الكهربي (العامل التابع).
حالات نشاط الكتاب
تطبيق: نقل الخردة بالمغناطيس الكهربي
شغّل التيار فوق الخردة علشان ترفعها، حرّك الونش، وبعدين اقطع التيار علشان تقع في المكان المطلوب.
استنتج
الاستنتاج
عند مرور تيار كهربي في الملف، يتولد مجال مغناطيسي حوله يتسبب في مغنطة مسمار الحديد المطاوع (أي تحويله إلى مغناطيس كهربي مؤقت)، فيجذب برادة الحديد إليه. وعند فتح الدائرة وتوقف سريان التيار، يفقد المغناطيس الكهربي مغناطيسيته.
تركيب المغناطيس الكهربي
- ملف من سلك نحاس معزول.
- قلب من الحديد المطاوع موضوع داخل الملف.
- بطارية تعمل كمصدر للتيار الكهربي.
فكرة عمل المغناطيس الكهربي
تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة مغناطيسية.
العوامل المؤثرة في قوة المغناطيس الكهربي
- عدد لفات الملف: علاقة طردية.
- شدة التيار المار في الملف: علاقة طردية.
- نوع مادة قلب المغناطيس: تزداد القوة عند استخدام الحديد المطاوع كقلب.
علل: يوصف المغناطيس الكهربي بأنه مؤقت؟ لأنه يفقد مغناطيسيته عند فصل التيار الكهربي عن ملفه.
علل: يُصنع قلب المغناطيس الكهربي من الحديد المطاوع؟ لسهولة اكتسابه وفقده للمغنطة.
| وجه المقارنة | المغناطيس الدائم | المغناطيس الكهربي (المؤقت) |
|---|---|---|
| أوجه التشابه | له قطبان أحدهما شمالي (N) والآخر جنوبي (S) · يجذب المواد المغناطيسية · يُنتج مجالاً مغناطيسيًا حوله. | |
| فقد واكتساب المغنطة | يحتفظ بمغناطيسيته بصفة دائمة. | يفقد مغناطيسيته عند قطع التيار الكهربي عن ملفه. |
| التحكم في القوة المغناطيسية | لا يمكن التحكم في قوته المغناطيسية (ثابتة القوة). | يمكن التحكم في قوته بسهولة بالتحكم في شدة التيار أو عدد اللفات. |
اختبر نفسك
تطبيق تكنولوجي (إثرائي): الجرس الكهربائي
المغناطيس الكهربي بيتمغنط ويفقد مغناطيسيته بسرعة، وده اللي بيخلي الجرس يرن رنين متصل.
فكّر
بضغطة واحدة على زر الجرس نسمع رنينًا متصلاً. كيف تتكرر حركة المطرقة من تلقاء نفسها؟
جرّب
تركيب الجرس وفكرة عملهحركة مُبطّأة للتوضيح
- تُغلق الدائرة ويتمغنط القلب الحديدي، فيجذب الشريحة فتصطدم المطرقة بالناقوس محدثة صوتًا.
- لحظة الاصطدام تنفصل الشريحة عن مسمار التوصيل، فتُفتح الدائرة وينقطع التيار آليًا ويفقد المغناطيس مغناطيسيته.
- يجذب الزنبرك الشريحة لتعود لموضعها فتُغلق الدائرة مرة أخرى، وتتكرر العملية بسرعة.
استنتج
تركيب الجرس الكهربائي
- مغناطيس كهربي على هيئة حرف U.
- شريحة معدنية مرنة من الحديد المطاوع ينتهي أحد طرفيها بمطرقة.
- ناقوس معدني مثبت أمام المطرقة.
- مسمار توصيل يلامس الشريحة المعدنية عند غلق الدائرة.
- زنبرك يصل بين الشريحة المعدنية ومسمار التوصيل.
- زر تشغيل ومصدر للتيار الكهربي.
فكرة عمله
عند الضغط على زر التشغيل تُغلق الدائرة ويتمغنط القلب الحديدي فيجذب الشريحة، فتصطدم المطرقة بالناقوس. وفي لحظة الاصطدام تنفصل الشريحة عن مسمار التوصيل فتُفتح الدائرة ويفقد المغناطيس مغناطيسيته، فيجذب الزنبرك الشريحة لتعود وتُغلق الدائرة مرة أخرى، وتتكرر العملية بسرعة محدثة الرنين المتصل.
اختبر نفسك
ثانياً: القوة المغناطيسية المؤثرة على سلك يمر به تيار — المحرك الكهربي
لو حطينا سلك بيعدّي فيه تيار جوه مجال مغناطيسي تاني، هيتأثر بقوة تحرّكه. وده سر الموتور.
فكّر
إذا كان الموصل الذي يسري فيه تيار كهربي ينشأ حوله مجال مغناطيسي، فماذا يحدث عند وضع موصل يمر به تيار كهربي في مجال مغناطيسي آخر؟
جرّب
نشاط: تأثير المجال المغناطيسي على موصل يمر به تيارالدواير الصغيرة بتمثل خطوط المجال المغناطيسي بين قطبي المغناطيس (عمودية على مستوى القضيبين).
الساق المعدنية بتتحرك أول ما الدائرة تتقفل، ولما تعكس التيار بتتحرك في الاتجاه المعاكس.
حركة مُبطّأة للتوضيح بنبص على الملف من ناحية محوره: الدايرتين هما الضلعين الطوليين للملف (⊙ تيار خارج من الشاشة، ⊗ تيار داخل). الأسهم الحمرا هي القوتين المتضادتين اللي بيعملوا عزم الازدواج.
المحرك الكهربي البسيط (الموتور)
تطبيق حياتي: الشنيور (مثقاب ومفك)
اختار الاستخدام وشوف سرعة الدوران بتتغير إزاي.
استنتج
المحرك الكهربي (الموتور)
يستخدم في تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة حركية (ميكانيكية).
تطبيقاته: الغسالة الكهربائية، المروحة الكهربائية، الخلاط الكهربائي، السيارات الكهربائية، قطارات المترو.
تركيب المحرك الكهربي (موتور التيار المستمر)
- ملف من سلك نحاس معزول، قابل للدوران بين قطبي مغناطيس دائم قوي على شكل حرف U.
- أسطوانة معدنية مشقوقة إلى نصفين معزولين، يتصلان بطرفي الملف.
- فرشتان من الجرافيت (الكربون): للعمل كمدخل ومخرج للتيار الكهربي للملف.
- بطارية يوصل قطباها بالفرشتين عند التشغيل.
عزم الازدواج
التأثير الدوراني الناتج عن قوتين متساويتين في المقدار ومتضادتين في الاتجاه وتختلفان في خط العمل.
مثال: إدارة عجلة قيادة السيارة باليدين.
فكرة عمل المحرك الكهربي
عند مرور تيار كهربي في ملف المحرك، تتولد على الضلعين الطوليين المتوازيين قوتان متوازيتان متساويتان في المقدار ومتضادتان في الاتجاه ومختلفتان في خط العمل، ينشأ عنهما عزم ازدواج يعمل على دوران الملف في اتجاه ثابت.
يزداد عزم الازدواج (قدرة المحرك) بزيادة
- شدة التيار الكهربي المار في الملف.
- عدد لفات الملف.
- مساحة وجه الملف.
- شدة المجال المغناطيسي.
طريقتان لعكس اتجاه دوران الملف
- عكس قطبي المصدر الكهربي المتصل بالملف (عكس اتجاه التيار).
- عكس قطبي المغناطيس الدائم (عكس اتجاه المجال المغناطيسي).
اختبر نفسك
المولد الكهربي (الدينامو)
المحرك بيحوّل الكهربا لحركة. طب لو لفّينا المحرك بإيدنا؟ هنشوف الحركة بتتحول لكهربا.
فكّر
محرك لعبة صغير مثبت عليه مروحة. وصّلنا طرفي ملفه بمصباح LED بدلًا من البطارية ثم أدرنا المروحة بأصابعنا. ماذا تتوقع؟
جرّب
نشاط: فكرة عمل المولد الكهربيحركة مُبطّأة للتوضيح الطاقة الميكانيكية ← طاقة كهربية
لِف المروحة بإصبعك (اسحب في دايرة) أو استخدم السلايدر.
لماذا لا يضيء مصباح LED سليم أحيانًا؟
التيار ماشي عكس الاتجاه المسموح للمصباح، علشان كده مش منوّر. اعكس التوصيل وشوف.
تطبيق حياتي: دينامو الدراجة
عمود الدينامو بياخد الحركة من الإطار بالاحتكاك ويحوّلها لطاقة كهربية تنوّر المصباح من غير بطاريات. كل ما الدراجة أسرع، النور يزيد.
استنتج
المولد الكهربي (الدينامو)
جهاز يحول الطاقة الميكانيكية (الحركية) إلى طاقة كهربية.
فكرة عمل المولد الكهربي
عند دوران ملف بين قطبي مغناطيس دائم، يقطع الملف خطوط المجال المغناطيسي، فتنشأ في الملف قوة دافعة كهربية مستحثة تتسبب في مرور تيار كهربي في الدائرة الخارجية.
لزيادة شدة التيار الناتج من المولد نزيد
- سرعة دوران الملف.
- شدة المجال المغناطيسي.
- عدد لفات الملف.
- مساحة وجه الملف.
أنواع المولدات الكهربية
- مولدات التيار المتردد: يتولد منها تيار متغير الشدة والاتجاه بمرور الزمن، وهو المستخدم في المنازل والمصانع.
- مولدات التيار المستمر: يتصل طرفا ملف المولد بأسطوانة معدنية مشقوقة طوليًا إلى نصفين معزولين، ويتولد منها تيار موحد الاتجاه وثابت الشدة.
مميزات التيار المتردد
- يمكن نقله من محطات التوليد إلى أماكن الاستهلاك البعيدة عبر الأسلاك والمحولات دون فقد يُذكر في الطاقة.
- يمكن تحويله إلى تيار مستمر بسهولة.
استخدامات المولد الكهربي
- محطات توليد الطاقة: توربينات ضخمة تدير ملفات دينامو عملاقة، وتستمد طاقتها من مساقط المياه والرياح وضغط البخار.
- مولدات الطوارئ في المنازل والمستشفيات والمصانع والمؤسسات.
| وجه المقارنة | المحرك الكهربي (الموتور) | المولد الكهربي (الدينامو) |
|---|---|---|
| الطاقة الداخلة | طاقة كهربية | طاقة ميكانيكية (حركية) |
| الطاقة الناتجة | طاقة ميكانيكية (حركية) | طاقة كهربية |
| فكرة العمل | عند مرور تيار كهربي في الملف ينشأ عزم ازدواج يتسبب في دوران الملف. | عند إدارة ملف بين قطبي مغناطيس يقطع خطوط الفيض فتنشأ قوة دافعة كهربية تولد تيارًا. |
| تطبيق على | التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي | التأثير الكهربي للمجال المغناطيسي |
| التطبيقات | الشنيور، الغسالة، المروحة، الخلاط، المترو. | دينامو الدراجة، مولدات الطوارئ، محطات توليد الطاقة. |