الوحدة الأولى: الكهرباء الإستاتيكية (الساكنة)Static Electricity · من صفحة 9 إلى صفحة 29 في كتاب الطالب

الاحتكاك والشحن

بعض الأجسام مثل القضيب الزجاجي وقضيب الإبونيت تكتسب بعد دلكها بمادة أخرى (الحرير أو الفرو) خاصية جديدة: تصبح قادرة على جذب القطع الورقية الصغيرة. قبل الدلك لم تكن تجذبها، إذن الدلك غيّر طبيعة سطحها فأصبحت مكهربة أي مشحونة بالكهرباء.

1. المادة تتكوّن من ذرات. في كل ذرة إلكترونات سالبة تدور حول نواة صغيرة فيها بروتونات موجبة ونيوترونات متعادلة.
2. الذرة في حالتها العادية فيها عدد الإلكترونات = عدد البروتونات، فهي متعادلة (غير مشحونة).
3. الحالة المكهربة يكون فيها التوازن مضطرباً: إذا أُزيلت إلكترونات صارت الذرة موجبة، وإذا أضيفت صارت سالبة، ونقول إن الذرة قد تأيّنت.
4. عند دلك الزجاج بالحرير تنتقل إلكترونات من الزجاج إلى الحرير: الزجاج موجب لأنه فقد إلكترونات، والحرير سالب لأنه اكتسبها.

تقاس الشحنة (الموجبة والسالبة) بـالكولوم (C)، وهو وحدة القياس العالمية للشحنة، ويُعرَّف من العلاقة:

الشحنة (C) = التيار (A) × الزمن (s)

شحنة الإلكترون أو البروتون مقدارها 1.6 × 10⁻¹⁹ C. فكم إلكتروناً نحتاج لتكوين كولوم واحد؟

الكولوم كمية كبيرة جداً، لذلك نستخدم أجزاءه:

• الميلي كولوم 1 mC = 10⁻³ C
• الميكروكولوم 1 μC = 10⁻⁶ C
• إثراء النانوكولوم 1 nC = 10⁻⁹ C

نظرية الإلكترون للمادة

في العوازل: كل الإلكترونات مرتبطة مع نواتها بشدة. إذا أضفنا أو أزلنا إلكترونات من مكان فإنها لا تنساب، بل تنحصر الشحنة في منطقة الدلك.

في الموصلات (الفلزات): الإلكترونات الخارجية (إلكترونات التكافؤ) ممسوكة بشكل غير محكم، فهي حرة نسبياً، ولو اكتسب الموصل إلكترونات فإنها تتحرك فيه وتتوزع.

لا يمكن شحن الموصل بسهولة بالدلك بالحرير أو الفرو ما لم يكن معزولاً أولاً جيداً.

معادلة (تفريغ) الأجسام المشحونة

العوازل المشحونة: تفريغها ليس سهلاً لأن الشحنات لا تُنتزع منها بسهولة. طرق تفريغها:

• تسخينها بسرعة فوق موقد بنزن: الحرارة تؤيّن الهواء إلى أيونات موجبة وسالبة، فتعادل الأيونات السالبة الشحنات الموجبة على القضيب.
• تركها في جو رطب: بخار الماء يجعل الشحنات تتسرب ببطء.

الموصلات المشحونة: نوصلها بالأرض (التأريض).

جهاز يستخدم في:

1. الكشف عن الشحنات الكهربائية.
2. اختبار نوع الشحنة.
3. الكشف عن النشاط الإشعاعي (الوحدة التاسعة).

أجزاؤه: غطاء من النحاس الأصفر، عازل، قضيب من النحاس الأصفر، رقيقة (ورقة) ذهبية، صفيحة من النحاس الأصفر، غلاف فلزي موصول بالأرض ذو نافذة زجاجية.

وهو غير مشحون: الورقة الذهبية منطبقة على الصفيحة، وكل الأجزاء متعادلة.

(أ) الكشف عن شحنة

نقرّب عازلاً مشحوناً (قضيب زجاجي موجب) من الغطاء: تنجذب الإلكترونات الحرة من الصفيحة والورقة إلى الغطاء، فتصبح الورقة والصفيحة موجبتين وتتباعد الورقة بالتنافر. انفراج الورقة دليل على أن القضيب مشحون.

(ب) الكشف عن نوع الشحنة

يجب أولاً شحن الكشاف بشحنة معلومة (بالحث). ثم نقرّب الجسم المجهول:

• كشاف سالب + زاد الانفراج ← الجسم سالب.
• كشاف موجب + زاد الانفراج ← الجسم موجب.

القوى ثنائية وتعمل تبادلياً. قوى التماس تحتاج تلامساً (شخص يدفع آخر، جسم على منضدة). أما القوة بين الشحنات فهي قوة غير تلامسية تعمل عبر مسافة دون تلامس الشحنات، وتوجد حتى عبر الفراغ.

أجرى كولوم تجارب لإيجاد العوامل التي تعتمد عليها القوة واستنتج:

1. القوة تتناسب طردياً مع حاصل ضرب الشحنتين: F ∝ Q₁Q₂
2. القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة (قانون التربيع العكسي): F ∝ 1r²

القوة كمية متجهة وتعمل على الخط الواصل بين الشحنتين:

• شحنات مختلفة: اتجاه القوة إلى الداخل (تجاذب).
• شحنات متشابهة: اتجاه القوة إلى الخارج (تنافر).

وفي وسط سماحيته ε = 80ε₀ (الماء) تصبح القوة أصغر بـ80 مرة منها في الفراغ.

شدة المجال لشحنة نقطية في الفراغ

لاحظ أن q₀ تُختصر، فشدة المجال تعتمد على الشحنة المولّدة Q والبعد عنها r فقط.

تمثيل المجال بخطوط القوة

• تتجه خطوط المجال إلى الخارج من الشحنة الموجبة، وإلى الداخل نحو الشحنة السالبة.
• تُبيّن قوة المجال بمدى اقتراب الخطوط: كلما تقاربت كان المجال أقوى. لذلك يكون المجال أقوى قرب الشحنة ويضعف بالابتعاد عنها.
• بين صفيحتين متوازيتين متقابلتي الشحنة يكون المجال منتظماً عند منطقة الوسط، وتبدأ الخطوط من الصفيحة الموجبة وتنتهي عند السالبة.
• إثراء خطوط المجال لا تتقاطع أبداً.

1. إزالة رماد المدخنة (المرسّب الكهروستاتيكي): في محطات القدرة التي تعمل بالفحم. يتكوّن من أسلاك وصفائح:

• الأسلاك سالبة الشحنة تشحن جسيمات التراب سلباً عند مرورها خلالها.
• الصفائح موجبة الشحنة تجذب الجسيمات السالبة وتجمعها.
• تُرجّ الصفائح آلياً لإزالة الرماد المتجمع، ويستخدم كمنتج ثانوي.

يستخدم أيضاً في مصانع الفولاذ والإسمنت والمواد الكيميائية.

1. البرق: تتكوّن شحنة كبيرة في السحب الرعدية باحتكاك جزيئات الماء مع جزيئات الهواء. عندما تكبر الشحنة بشكل كافٍ تؤيّن الهواء فيتكوّن مسار موصل تُفرَّغ فيه الشحنة في أقرب جسم أو أكثر الأجسام حدة على الأرض.

لذلك يكون خطراً: السباحة في البحر المفتوح، واللعب في الملاعب المكشوفة، والاختباء تحت شجرة أثناء العواصف. وعلى الجنود فوق قمم الجبال عدم استخدام صفائح الزنك كحماية.

مانع الصواعق: يوفّر مسار تفريغ ثابت للإلكترونات من قمة البناية إلى الأرض، فيقلل فرص الصواعق.

2. الحرائق والانفجارات: بسبب التجمع الزائد للشحنات الناتجة عن الاحتكاك، مثل تراكمها على الطائرة أثناء طيرانها، وعلى الشاحنات التي تنقل سوائل قابلة للاشتعال. لذلك تُصنع إطارات الطائرات من مطاط موصل بشكل طفيف، فتُفرَّغ الشحنة لحظة ملامسة الأرض دون ضرر.

وحدة الشحنة الكولوم (C)، ووحدة التيار الأمبير (A). تيار شدته واحد أمبير هو سريان شحنة بمعدل كولوم واحد كل ثانية: 1 A = 1 C / 1 s (ملاحظة الكتاب: هذا ليس تعريف الأمبير).

تيار شدته 10 A يعني سريان 10 C خلال القطاع المستعرض في كل ثانية.

تُقاس شدة التيار بجهاز يسمى الأميتر، ويجب توصيله على التوالي في الدائرة. يسري التيار إلى الأميتر من الطرف الموجب (الأحمر) ويتركه من الطرف السالب (الأسود).

لاحظ وجود مسار توصيل وحيد فقط في الدائرة المتوالية.

مصدر القوة الدافعة الكهربائية جهاز تتحول فيه الطاقة غير الكهربائية (كيميائية، ميكانيكية، أو أشكال أخرى) إلى طاقة كهربائية. أمثلته: الأعمدة الكهربائية، والازدواج الحراري، والمولدات.

العمود قادر على الحفاظ على طرفه العلوي موجباً (+) والسفلي سالباً (−). عند غلق المفتاح يدفع العمود تياراً في الدائرة، وتبذل القوة الدافعة شغلاً على كل شحنة موجبة لتنقلها من نقطة جهد أدنى (الطرف السالب) إلى نقطة جهد أعلى (الطرف الموجب).

نقطة الجهد العالي: منطقة بها عدد أكبر من الشحنات الموجبة. نقطة الجهد المنخفض: منطقة بها عدد أقل من الشحنات الموجبة (أو شحنات سالبة أكثر).

المُقاوِم: أي موصل كهربائي يُستخدم لتوفير قيمة معلومة من المقاومة في دائرة كهربائية. والغرض الرئيس للمقاومات هو التحكم في مقدار التيار. تتنوع قيمها من أقل من أوم واحد إلى عدة ميجا أوم.

المقاومات الثابتة (لها رمز واحد هو المستطيل):

1. مقاومات طبقة الكربون.
2. مقاومات مُركّب الكربون.
3. مقاومات أكسيد القصدير.
4. مقاومات السلك الملفوف.

المقاومات المتغيرة (الريوستات): تُضمّن في الدائرة لتنويع التيار الساري فيها. تتكون من ملف من سلك الكونستانتان، وقضيب فلزي عليه مُنزلق: بتحريك المنزلق يتغير طول السلك الذي يمر فيه التيار فتتغير المقاومة.

الأدوات: فولتمتر، أميتر، مقاومة متغيرة، مِركَم.

1. صِل الدائرة كما في الشكل (الأميتر على التوالي، الفولتمتر على التوازي مع R).
2. اضبط المقاومة المتغيرة لتسمح بسريان أقل تيار ممكن.
3. راقب قراءة الأميتر I وقراءة الفولتمتر V.
4. اضبط المقاومة المتغيرة لتيار أكبر، وسجل I و V مرة ثانية.
5. كرر للحصول على خمس مجموعات من القراءات.
6. ارسم V مقابل I وحدد ميل الخط المستقيم.

النتيجة: ميل الخط البياني يساوي مقاومة الحمل R.

للفلزات النقية (شكل 2-19) تبقى النسبة V/I (أي R) ثابتة إذا ظلت درجة الحرارة ثابتة.

الموصلات الأومية: موصلات تخضع لقانون أوم، مقاومتها ثابتة تحت شروط فيزيائية ثابتة.

الموصلات غير الأومية: لا تخضع لقانون أوم، مثل المحاليل الأيونية، والغازات، والموصلات فائقة التوصيل، والأجهزة الأيونية الحرارية، وأشباه الموصلات.

المصباح الفتيلي والمقاومة الحرارية تكون نسبة V/I فيهما ثابتة فقط عند التيار المنخفض.

التيار في الدائرة المتوالية

عند وصل جهازي أميتر A1 و A2 في دائرة متوالية نجد أنهما يسجلان التيار نفسه. وإذا أضفنا مصباحاً آخر على التوالي وثلاثة أجهزة أميتر، تسجل الأجهزة الثلاثة القيمة نفسها، لكن التيار يصبح أدنى من قبل لأن المقاومة الكلية زادت.

نستنتج تكافؤ التيار عند كل نقطة في الدائرة المتوالية، لأن للتيار مساراً واحداً فقط.

فرق الجهد في الدائرة المتوالية

يسجل الفولتمتران V1 و V2 فرق الجهد عبر R1 و R2. ونجد أن مجموعهما يساوي فرق الجهد عبر الدائرة كلها V:

وإذا كانت المقاومة الداخلية للعمود مهملة فإن القوة الدافعة E تساوي V:

المقاومة الكلية على التوالي

وبشكل عام لعدد n من المقاومات (n ≥ 2):

التيارات في الدائرة المتوازية

يرصد جهازا الأميتر A1 و A2 التيارين I1 و I2 الساريين في المقاومتين، ويقيس الأميتر A تياراً مساوياً لمجموعهما:

حيث I هو التيار من المصدر. وهذا ناتج عن مبدأ بقاء الشحنة: الشحنة التي تدخل نقطة التفرع تساوي الشحنة التي تخرج منها.

فرق الجهد في الدائرة المتوازية

فرق الجهد واحد عبر كل الأفرع، ويساوي القوة الدافعة إذا كانت المقاومة الداخلية للعمود مهملة.

المقاومة الكلية على التوازي

مثال الكتاب: R₁ = 3 Ω ، R₂ = 6 Ω ⇒ 1/R = 1/3 + 1/6 = 1/2 ⇒ R = 2 Ω

التسخين الكهربائي (التأثير الحراري للتيار)

الغلاية، المكواة، الموقد، المدفأة. تُصنع عناصر التسخين من سلك نيكروم ملفوف حول مادة عازلة مقاومة للحريق (السيليكا أو الطفل الحراري). اختير النيكروم بسبب مقاومته العالية وقدرته على تحمل درجات الحرارة العالية دون التأكسد بسهولة.

• الغلاية: عنصر التسخين في أنبوب فلزي، يسخن الماء المحيط به بالتوصيل الحراري والحمل الحراري.
• المكواة: تنتشر الحرارة بالتساوي على قاعدة فلزية موصلة جيدة للحرارة، ويتحكم ضابط درجة الحرارة (الثرموستات) في درجة حرارة العنصر.

المحركات الكهربائية (التأثير المغناطيسي للتيار)

المروحة، الغسالة، مجفف الشعر، خلاط الطعام، الحفار الكهربائي. يتفاعل المجال المغناطيسي للتيار مع مجالات مغناطيسية أخرى لإنتاج حركة ميكانيكية.

1- المصباح الفتيلي (التوهجي): يعمل بالتأثير الحراري.

• الفتيل من التنجستن لمقاومته العالية ودرجة انصهاره العالية (3400°C).
• الفتيل رفيع جداً (مساحة مقطع صغيرة) حتى تكون مقاومته أعلى من بقية الدائرة (R = ρL/A).
• يصبح ساخناً لدرجة البياض (حوالي 2500°C)، وكلما ارتفعت حرارته زادت نسبة الطاقة المحولة إلى ضوء.
• الفتيل ملفوف ليكون مركزاً ولتقليل تيارات الحمل الحراري في الغاز.
• تُملأ البصيلة بالأرجون أو النيتروجين (غازات خاملة) لأن التنجستن يتأكسد في الهواء عند درجات الحرارة العالية.

عيوبه: (1) يحول حوالي 10% فقط من الطاقة إلى ضوء و90% إلى حرارة. (2) يلقي ظلالاً كثيفة، لكنه يُستخدم في المنازل ليعطي انطباعاً أكثر دفئاً واسترخاء.

2- مصباح الفلورية:

• كفاءته حوالي ثلاثة أضعاف المصباح الفتيلي، فهو أكثر اقتصادية (عدا تكلفة شرائه المبدئية).
• عمره حوالي 3000 ساعة مقارنة بحوالي 1000 ساعة للفتيلي.
• بدون فتيل، بل بقطبين. بتمرير شحنات بينهما يبعث بخار الزئبق ضوءاً فوق بنفسجي وضوءاً مرئياً، ويحوّل مسحوق الفلورية الضوء فوق البنفسجي إلى ضوء مرئي.
• يُستخدم في المكاتب والمدارس لأنه مصدر ضوئي ممتد ويلقي ظلالاً خفيفة.

القدرة الكهربائية P

ومن W = QV و I = Q/t:

ولمقاومة R (معدل تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارية):

وحدة القدرة الواط (W). 1 kW = 10³ W ، 1 MW = 10⁶ W.

الطاقة الكهربائية E

وحدة الطاقة الجول (J). 1 kJ = 10³ J ، 1 MJ = 10⁶ J.

يُكتب على الأجهزة القدرة وفولت التشغيل، مثل: الغلاية 240 V, 3000 W، المكواة 240 V, 1000 W، جهاز مرئي 240 V, 60 W.

في ليبيا تتقاضى الشركة العامة للكهرباء سعراً معيناً (مثل 20 درهماً) لكل وحدة، ويزيد السعر مع زيادة الاستهلاك. تذكّر: 1 دينار = 1000 درهم.

مقاومة جسم الإنسان

• جلد جاف: حوالي 100 kΩ أو أكثر، فيعمل كطبقة عازلة.
• الجسم نفسه (يحتوي أساساً على موائع): حوالي عدة مئات أوم فقط.
• الجلد المبتل: مقاومة التلامس منخفضة للغاية، فيمر تيار كبير قد يؤدي للوفاة.
• يتحمل جسم الإنسان تياراً حتى 50 mA فقط.

إجراء وقائي: استخدام مذياع يعمل بنضيدة ذات جهد منخفض في الأماكن الرطبة.

منبع الكهرباء في المنزل

تُمد الكهرباء للبيت بكابل تحت الأرض فيه سلكان: الحي L (جهد عالٍ، خطر) والمتعادل N (جهد صفر). يتصلان بصندوق منصهر رئيس، ثم عداد الكهرباء، ثم وحدة الاستهلاك (نقطة التوزيع) التي فيها مفتاح رئيس وأربعة منصهرات لأربع دوائر:

1. دائرة الإضاءة: المصابيح على التوازي دائماً، فيتلقى كل مصباح جهد الخط الرئيس 240 V، وإذا عطب أحدها لا تتأثر البقية.
2. دائرة المسخن الغاطس.
3. دائرة فرن الطهي.
4. الدائرة الرئيسة الحلقية: تمد جميع المقابس الجدارية. يسري التيار إلى أي مقبس بطريقين، فيمكن استخدام أسلاك أرفع. ويضاف إليها سلك أرضي E للأمان.

القيم العيارية المعتادة: 1 A ، 2 A ، 5 A ، 10 A ، 13 A. وأشيع نوعين: منصهر لا يتغير سلكه (خرطوشة)، ومنصهر يمكن تغيير سلكه.

إجراءات وقائية:

1. معايرة المنصهر أكبر بقليل من التيار العادي للجهاز. مثلاً منصهر 5 A لدائرة إضاءة: كل مصباح 100 W يسحب حوالي 0.4 A، فعشرة مصابيح تسحب 4 A فقط.
2. يُوصل المنصهر بالسلك الحي حتى لا يبقى الجهاز مكهرباً بعد انصهاره.
3. افصل منبع الكهرباء قبل تغيير أي منصهر.

للمفاتيح أشكال: مفرد، مزدوج، قالب، مفتاح يخفض الضوء… وكلها تؤدي وظيفة قطع أو توصيل الدائرة.

المقبس النموذجي في ليبيا ثلاثي: الثقبان الحي والمتعادل مغطيان بحجاب، يُفتح بالمسمار الأرضي الأطول للقابس.

القابس المنصهر يصل الأجهزة المحمولة (مثل الغلاية) بدوائر القدرة، وله ثلاثة مسامير مسطحة، وبداخله منصهر لا يتغير سلكه يحمي الجهاز. عند انصهاره يُفصل ذلك الجهاز فقط وتبقى الأجهزة الأخرى في الدائرة الحلقية تعمل.

خطوات توصيل القابس: (أ) أزل كمية كافية من العازل عن الأسلاك الثلاثة دون كسر الخصلات. (ب) جدّل الخصلات برفق. (ج) اربط كل سلك بإحكام بطرفه الصحيح حسب اللون، مع امتداد العازل حتى المسامير. (د) اربط مقبض الأسلاك ليحكم عليها جيداً.

قواطع الدائرة أدوات أمان توقف الإمداد الكهربائي عند اكتشاف أعطاب، وتوجد في وحدة التوزيع بالقرب من الباب الرئيس. نوعان:

1. قاطع الدائرة الصغرى (المصغر): يقطع الدائرة عند وجود قفلة أو تيار أكبر من اللازم (قيم مثل 6 A و 20 A). يُعاد لوضع التشغيل بعد إصلاح العطب، وإذا تحرك مرة أخرى فالعطب قائم ويجب استدعاء كهربائي متخصص.
2. قاطع الدائرة للتسرب الأرضي: يكشف تيارات صغيرة متسربة من السلك الحي إلى الأرضي (عموماً حوالي 10–30 mA) فيفصل المنبع. وأشيع أسبابه العزل الضعيف للأجهزة القديمة.

اكتشاف المغناطيسية: اكتشف الصينيون خاصية صخر يسمى المجنيتايت (حجر المغناطيس): الطبق الذي يحمله ويطفو على الماء يستقر دائماً في اتجاه الشمال–الجنوب. وهذه الخاصية أساس البوصلة.

المجنيتايت أكسيد للحديد، يجذب مواداً مثل الحديد والكوبالت والنيكل وبعض السبائك كالفولاذ: هذه مواد مغناطيسية. أما المواد التي لا تنجذب (النحاس الأصفر، النحاس الأحمر، الخشب، اللدائن) فهي مواد غير مغناطيسية.

المغناطيس الدائم: مادة قادرة على الاحتفاظ بالمغناطيسية مدة طويلة. يُصنع من الفولاذ، وسبائك خاصة مثل ألكوماكس والنيكول، أو مغناطيس السيراميك من مساحيق المواد الحديدية (وهو هش).

عند وضع قضيب حديد مطاوع قرب قطب الشمال لمغناطيس دائم، يُحث في الطرف القريب قطب جنوبي وفي الطرف البعيد قطب شمالي، فينجذب ويصبح مغناطيساً مستحثاً.

وللتأكد: نعلق مسمارين حديديين من الطرف البعيد فيصبحان مغناطيسين مستحثين ويتنافر طرفاهما البعيدان (قطبان شماليان). وتقريب قطب شمالي لمغناطيس آخر منهما يزيد التنافر، فيثبت أن الطرف البعيد قطب شمال.

إذا قسمنا قضيباً فولاذياً ممغنطاً إلى قطع أصغر، نجد كل قطعة مغناطيساً له قطبا شمال وجنوب. لذلك نفترض أن المغناطيس مكون من عدد كبير من المغناطيسات الصغيرة جداً:

• القضيب الممغنط: المغناطيسات الدقيقة مصطفة وأقطابها الشمالية في الاتجاه نفسه. وعند الطرفين تميل نحو الخارج بسبب التنافر بين الأقطاب المتماثلة، فتكون الأقطاب عند الأطراف.
• القضيب غير الممغنط: المغناطيسات الدقيقة في اتجاهات عشوائية فيُلغي تأثيرها بعضه بعضاً.

تفسيرات النظرية:

1. تخزين المغناطيسات بالحوافظ: المغناطيسات المخزنة جنباً إلى جنب تضعف بسبب "الأقطاب الحرة" عند الطرفين التي تتنافر فيضطرب تراص المغناطيسات الدقيقة. لذلك نخزنها في أزواج مع قطعتين من الحديد المطاوع تسميان الحوافظ.
2. التشبع المغناطيسي: لكل مغناطيس قوة قصوى ممكنة يبلغها عند تراص جميع المغناطيسات الدقيقة في الاتجاه نفسه.

1- صنع مغناطيس بالدلك (مبنية على الحث المغناطيسي)

• اللمسة الواحدة: يُدلك القضيب الفولاذي من طرف إلى آخر عدة مرات في الاتجاه نفسه بالقطب نفسه لمغناطيس دائم.
• اللمسة المجزأة: يُدلك من مركز القضيب نحو الخارج بالقطبين غير المتماثلين لمغناطيسين في الوقت نفسه. أكثر كفاءة.

في الحالتين يُرفع المغناطيس عالياً بعد كل مرة. القطب المتكون عند الطرف الذي ينتهي عنده الدلك عكس قطبية قطب المغناطيس الدائم المستخدم.

2- صنع المغناطيس كهربائياً

توضع العينة داخل ملف لولبي (مئات اللفات من سلك نحاسي معزول حول لفة من الكرتون)، ويُمرر تيار مستمر لمدة قصيرة ثم يوقف، فتصبح العينة ممغنطة. ولتحديد القطبية:

• اتجاه التيار عند طرف الملف: عند النظر إلى طرف الملف، إذا سرى التيار عكس عقارب الساعة فهو قطب شمال، وإذا سرى مع عقارب الساعة فهو قطب جنوب.
• قاعدة قبضة اليد اليمنى: اقبض على الملف بيدك اليمنى بحيث تشير الأصابع إلى اتجاه التيار في اللفات، فيشير الإبهام إلى القطب الشمالي.

طرق إزالة المغناطيسية

1. التسخين بشدة بموقد بنزن: تزداد اهتزازات الذرات فتفقد المغناطيسات الدقيقة اتجاهها الموحد.
2. الطرق بالمطرقة: يجعل المغناطيسات الدقيقة تفقد اتجاهها الموحد.
3. التيار المتردد: أفضل طريقة. يوضع المغناطيس داخل ملف لولبي متصل بتيار متردد، ويُسحب منه ببطء.

يفسر المجال تأثير "الفعل عن بعد". ولتوضيح نمطه نرش برادة حديد على ورقة فوق المغناطيس ونطرقها برفق.

تجربة 5-1 (رسم خطوط المجال): الأدوات: قضيب مغناطيسي، بوصلة تخطيط مجال، ورق مقوى. نضع المغناطيس في مركز الورقة (قطبه الشمالي جهة الشمال)، ونبدأ قرب أحد القطبين: نضع علامتين عند طرفي الإبرة X و Y، ثم نحرك البوصلة حتى يصبح أحد طرفيها فوق Y ونضع علامة ثالثة، ونكرر ثم نصل النقاط. الاحتياطات: البوصلة صالحة، ولا يوجد مجال مغناطيسي قوي غير مجال الأرض حولها.

المجال المغناطيسي للكرة الأرضية

تسلك الأرض كأن بداخلها قضيباً مغناطيسياً خيالياً. الجنوب المغناطيسي يقع قرب الشمال الجغرافي (في البحر شمال كندا) ويتزحزح ببطء، لذلك يتجه القطب الشمالي للبوصلة نحوه. يُعتقد أن سببه تيارات كهربائية في قلب الأرض السائل تولدها تيارات الحمل الحراري، وطاقتها من العمليات الإشعاعية. ويمكن اعتبار مجال الأرض عند موقع معين منتظماً.

نعلّق سلسلتين: مشابك حديدية وسنون أقلام فولاذية من مغناطيس.

• سلسلة الحديد أطول ⇐ الحديد أسهل في إكسابه المغناطيسية.
• عند إبعاد المشبك الأعلى عن المغناطيس تنهار سلسلة الحديد ⇐ مغناطيسية الحديد المستحثة مؤقتة.
• سلسلة الفولاذ لا تنهار وتبقى السنون منجذبة ⇐ مغناطيسية الفولاذ دائمة.

المغناطيسات الدائمة

1. الجلفانومتر ذو الملف المتحرك: ملف معلق في مجال مغناطيس دائم، عند مرور تيار يتولد تأثير دوار فينحرف المؤشر.
2. قفل الباب المغناطيسي: أشرطة ممغنطة في أبواب الثلاجات والمجمدات لتبقى مغلقة.
3. استخدامات أخرى: مولدات التيار المتردد ومحركات التيار المستمر، ذاكرة مغناطيسية في بعض الحواسب، إزالة شظايا الحديد من عين المريض، إعادة ضبط مؤشر ترمومتر النهايات الصغرى والعظمى، مكبرات الصوت ذات الملف المتحرك.

المغناطيسات الكهربائية

كلما كان التيار أكبر أو عدد اللفات لكل وحدة طول أكبر كان المجال أقوى.

2- المرحّل (التتابع) المغناطيسي البسيط: جهاز توصيل يستخدم مغناطيساً كهربائياً وله دائرتان على الأقل. دائرة المدخلات تعمل بتيار صغير (آمن) فيجذب المغناطيس الكهربائي مقطع التيار الحديدي الذي يعمل كرافعة فيفتح أو يغلق أماكن التلامس في دائرة المخرجات التي تعمل بتيار أو جهد أعلى (خطير)، دون أي اتصال كهربائي مباشر بينهما.

3- المفتاح الريشي: زوج من شرائح الحديد المطاوع (أو سبيكة حديد–نيكل) داخل أنبوب زجاجي فيه غاز خامل (يحمي الشريحتين من التلوث والأكسدة) وبينهما فجوة صغيرة. عند تقريب مغناطيس تتمغنط الشريحتان مؤقتاً وتتجاذبان فتغلقان الدائرة.

4- قاطع الدائرة الكهربائية: يسري التيار في شريحة نحاسية مرنة ومقطع تيار وملف لولبي. إذا كان التيار زائداً بشكل كافٍ يجذب المغناطيس الكهربائي مقطع التيار فتنقطع الدائرة.

تجربة أورستد: سلك XY في اتجاه شمال–جنوب. عند مرور تيار تنحرف البوصلة فوق السلك وتستقر مشيرة إلى الشرق، وتحته إلى الغرب. الموصل الحامل للتيار ينتج مجالاً مغناطيسياً.

أولاً: سلك مستقيم يحمل تياراً

خطوط المجال دوائر متحدة المركز حول السلك. ولتحديد الاتجاه نستخدم قاعدة قبضة اليد اليمنى: اقبض على السلك بيدك اليمنى بحيث يشير الإبهام إلى اتجاه التيار، فتشير الأصابع إلى اتجاه المجال. وانعكاس التيار يعكس اتجاه المجال.

(•) تيار خارج من الورقة: المجال عكس عقارب الساعة. (×) تيار داخل إلى الورقة: المجال مع عقارب الساعة.

ثانياً: ملف مسطح (دائري)

شدة المجال أقوى داخل الملف منها خارجه، وخطوط المجال عند المركز مستقيمة ومتعامدة على سطح الملف. نزيد شدة المجال عند المركز بـ: (1) زيادة التيار (2) زيادة عدد اللفات.

ثالثاً: ملف لولبي

نمط مجاله يماثل القضيب المغناطيسي، فله قطبان. المجال أقوى داخل الملف ومنتظم تقريباً (خطوط متوازية متقاربة). نزيد شدته بـ: (1) زيادة التيار (2) زيادة عدد اللفات لكل وحدة طول (3) قلب من الحديد المطاوع. وهذا أساس المغناطيس الكهربائي.

السلك الذي يحمل تياراً له مجال مغناطيسي حوله. فإذا وُضع في مجال مغناطيسي آخر يتفاعل المجالان وتنتج قوة على السلك. يسمى ذلك أحياناً التأثير الحركي.

تجربة 6-1: الأدوات: سلك قاسٍ سميك، مغناطيس دائم قوي، مصدر 9 V مستمر. نثني السلك ABCD على شكل أرجوحة، ونضع المغناطيس حول BC، ونمرر التيار.

• عند سريان التيار في الاتجاه A→B→C→D تُقذف الأرجوحة بعيداً عن المغناطيس (للخارج).
• إذا عُكس التيار ينعكس تأرجح السلك (للداخل).

تفسير القوة بالمجال الموحد

عند وضع السلك بين قطبي المغناطيس يتحد المجالان: في جانب (A) يكونان في الاتجاه نفسه فيصبح المجال أقوى، وفي الجانب الآخر (B) متعاكسين فيصبح أضعف. فتعمل قوة على السلك من المجال الأقوى إلى المجال الأضعف.

1. طول السلك L: F ∝ L
2. شدة التيار I: F ∝ I
3. كثافة الفيض المغناطيسي B: F ∝ B

إذن F ∝ BIL و F = K BIL حيث K = 1.

مكبر الصوت ذو الملف المتحرك

تطبيق مفيد للقوة على موصل يحمل تياراً في مجال. للمغناطيس الدائم قطب أسطواني مركزي (جنوب) وقطب حلقي محيط (شمال) يخلقان مجالاً قوياً في اتجاه نصف القطر. عند مرور تيار متردد في الملف تنتج قوة تدفعه للأمام والخلف، والمخروط الورقي المربوط به يحرك جزيئات الهواء فتنطلق موجات صوتية.

بيان عملي بشريحتين متوازيتين من الألومنيوم:

• تيارات في اتجاهات متعاكسة: تتنافر الشريحتان.
• تيارات في نفس الاتجاه: تتجاذب الشريحتان.

التفسير: بقاعدة قبضة اليد اليمنى نجد نمط مجال كل سلك. بين سلكين تيارهما في الاتجاه نفسه يكون المجالان متعاكسين (مجال ضعيف بينهما) فيُدفع كل سلك نحو الآخر. وبين تيارين متعاكسين يتجمع المجالان بينهما (مجال قوي) فيتنافران.

ملف مستطيل ABCD بين قطبي مغناطيس قوي يمر به تيار يتعرض لقوة دوّارة (عزم). القوة على الضلع AB في اتجاه، وعلى CD في الاتجاه المعاكس (يمكن التنبؤ بهما بقاعدة فليمنج)، فتنتج القوتان تأثيراً دوّاراً حول المحور PQ.

لهذا التأثير تطبيق مهم جداً: محرك التيار المستمر (في السيارات اللعبة)، ويوجد محرك التيار المتردد في المراوح ومجففات الشعر والغسالات.

• ملف ABCD مستطيل على محور PQ يسمح له بالدوران.
• طرفا السلك متصلان بحلقة مشقوقة (عاكس تيار) X و Y تدور مع الملف.
• فرشتان كربونيتان تضغطان برفق على العاكس لتوصيل التيار.

عند سريان التيار: قوة لأسفل على AB وقوة لأعلى على CD، فيدور الملف حتى الوضع الرأسي. يُفصل التيار لحظياً لكن قوة الدفع تحمله ليتعدى الوضع الرأسي، فيغيّر العاكس الاتصال من فرشة لأخرى فينعكس التيار في الملف، فيستمر الدوران في الاتجاه نفسه.

لزيادة التأثير الدوّار: (1) زيادة عدد اللفات (2) زيادة التيار (3) وضع قلب من الحديد المطاوع في مركز الملف (يزيد شدة المجال). لذلك تُصنع ملفات المحركات العملية من مئات اللفات حول قلب حديدي.

التيار في الحقيقة سريان شحنات. لذلك تتأثر الشحنات المتحركة بالمجال المغناطيسي.

علامات (×) تعني مجالاً إلى داخل الورقة. شعاع من البروتونات (موجبة) يدخل المجال فينحرف ويتحرك في مسار دائري، لأن القوة دائماً عمودية على سرعته. ونتنبأ باتجاهها بقاعدة فليمنج بافتراض أن التيار في اتجاه حركة الشحنات الموجبة. وإذا انعكس المجال (نحو خارج الورقة) ينحرف الشعاع في الاتجاه المعاكس.

ملفان A و B من سلك نحاس معزول ملفوفان حول حلقة من الحديد المطاوع. الملف A متصل بنضيدة ومفتاح S، والملف B متصل بسلك PQ وُضعت تحته بوصلة.

• تنحرف إبرة البوصلة فقط لحظة غلق المفتاح ولحظة فتحه.
• لا يظهر أي انحراف عندما يكون التيار في A ثابتاً.

(2) تجربة الملف اللولبي لفاراداي

أدخل فاراداي مغناطيساً في ملف لولبي متصل بجلفانومتر حساس: انحرف المؤشر في اتجاه، وعند سحب المغناطيس انحرف في الاتجاه المعاكس. ووجد أن الحركة النسبية فقط بين الملف والمغناطيس تستحث القوة الدافعة.

الأدوات: ملف نحاس حوالي 20 لفة، جلفانومتر حساس صفره في المنتصف، قضيب مغناطيسي.

• ملف مستطيل ABCD يدور بين قطبي مغناطيس فيقطع خطوط المجال فتُستحث فيه قوة دافعة.
• حلقتا الانزلاق: متصلتان بطرفي الملف وتدوران معه، وتضمنان بقاء كل طرف من الملف متصلاً بنفس طرف الدائرة الخارجية فيخرج الجهد متردداً.
• فرشتان كربونيتان: تلامسان الحلقتين لتوصيل التيار إلى الدائرة الخارجية.

منحنى الجهد مع الزمن

• مضاعفة عدد اللفات ⇐ تتضاعف القيمة العظمى E₀ (والتردد ثابت).
• مضاعفة سرعة الدوران (التردد) ⇐ تتضاعف E₀ ويقل الزمن الدوري للنصف.
• f = 1/τ حيث τ زمن دورة كاملة.

مولدات أخرى: المغناطيس الدوّار

لتوليد تيارات كبيرة (التوربينات في محطات الكهرباء) يُترك الملف ثابتاً ويُدار المجال المغناطيسي (مغناطيس كهربائي) حوله، فيقطع المجالُ الملفَّ. بهذه الطريقة نستغني عن حلقات الانزلاق والفرش الكربونية غير القادرة على حمل تيارات كبيرة. ويستخدم دينامو الدراجة الفكرة نفسها: عجلة متصلة بمحور مغناطيس دوّار داخل ملف ثابت على قلب حديد مطاوع.

استخداماته: (أ) نقل القدرة الكهربائية من محطات القدرة إلى المنازل والمصانع. (ب) تنظيم الجهد للأجهزة التي تعمل بتيار المنبع مثل التلفاز والمسجل.

التركيب (محول ذو قلب مقفل)

• ملفان: ابتدائي وثانوي بعدد لفات مناسب.
• قلب من رقائق الحديد المطاوع المعزولة عن بعضها؛ الرقائق تقلل فقد الحرارة الناتج عن التيارات المستحثة (الدوامية) التي تتكون لو كان القلب مصمتاً.

مبدأ التشغيل

مبني على تجربة الحلقة الحديدية لفاراداي: الجهد المتردد في الملف الابتدائي ينشئ مجالاً مغناطيسياً متغيراً في القلب، يستحث قوة دافعة في الملف الثانوي.

المشكلة: فقد جزء من القدرة على شكل حرارة (I²R) في موصلات الشبكة. والحلول:

1. موصلات سميكة مقاومتها R صغيرة. لكن هناك حد: كلما كان الموصل أسمك زاد وزنه فارتفعت تكلفة الأبراج والإنشاءات.
2. تقليل التيار I باستخدام محولات لرفع الجهد الذي تُنقل عنده القدرة.