الوحدة الثانية: الكهربية والمغناطيسية

• تعلمت أن الفلزات مثل النحاس والألومنيوم جيدة التوصيل للكهرباء لأن ذراتها تميل إلى فقد بعض إلكتروناتها فتصبح إلكترونات حرة، وهي شحنات كهربية تتحرك داخل الفلز.
• تتحرك هذه الإلكترونات الحرة حركة عشوائية في كل الاتجاهات داخل السلك، فلا يمر عبره تيار كهربي صافٍ.

• لنقارن بين الدراجة والدائرة الكهربية: عند تحريك البدال تتحرك أجزاء السلسلة معًا وبالمعدل نفسه، وإذا وُضع ما يعوق السلسلة قلّت سرعتها.
• وفي الدائرة الكهربية يشبه العمود الكهربي (المصدر) قدمَ راكب الدراجة؛
• فهو يدفع الإلكترونات الحرة في اتجاه واحد عبر الدائرة، وتشبه الأسلاك السلسلة (المسار)، ويشبه ما يعيق السلسلة المقاومة الكهربية.

التيار الكهربي: تدفق الشحنات الكهربية خلال المادة الموصلة.

شرطا مرور التيار في دائرة:

1. وجود مصدر كهربي (عمود أو بطارية) يدفع الشحنات.
2. أن تكون الدائرة مغلقة (مسار مغلق للشحنات) تتصل فيها الأجزاء بأسلاك موصلة.

• تخيل أنك تراقب سيارات تعبر خطًا في مضمار سباق: في الدورة الأولى عبرت 10 سيارات الخط خلال دقيقة، وفي الثانية عبرت 5 سيارات فقط.
• معدل المرور أعلى في الدورة الأولى.
• حركة الشحنات في السلك تشبه ذلك؛
• وما يقابل "عدد السيارات في وحدة الزمن" هو شدة التيار.

شدة التيار الكهربي: كمية الشحنة الكهربية التي تمر خلال مقطع الموصل في الثانية الواحدة.

إذا مرت شحنة (Q) كولوم خلال مقطع الموصل في زمن (t) ثانية:

\(I = \dfrac{Q}{t}\)

• وحدة الشحنة: الكولوم (C).
• وحدة شدة التيار: الأمبير (A) = كولوم / ثانية (C / s).
• يُقاس بجهاز الأميتر، ويُوصَّل على التوالي مع الجزء المراد قياس التيار خلاله.

• لفهم الفكرة نستعين بالتشبيه بالماء: إناءان (X) و(Y) موصولان بأنبوب فيه صمام، وارتفاع الماء في (X) أكبر.
• عند فتح الصمام يتدفق الماء من الإناء ذي الضغط الأعلى (X) إلى الإناء ذي الضغط الأقل (Y)، ويتوقف السريان عندما يتساوى الارتفاعان، أي يتساوى الضغط على جانبي الصمام.

• بالمثل، تنتقل الشحنات الكهربية خلال الموصل من النقطة ذات الجهد الكهربي المرتفع إلى النقطة ذات الجهد المنخفض، ولا يمر تيار بين نقطتين ما لم يوجد فرق في الجهد بينهما.
• (سبب: فرق الجهد ← نتيجة: مرور تيار.)

اتجاه التيار الاصطلاحي:

• اتفق العلماء على أن اتجاه التيار في الدائرة يكون من القطب الموجب للمصدر (الجهد الأعلى) إلى القطب السالب (الجهد الأقل).
• أما الإلكترونات الحرة نفسها فتتحرك فعليًا في الاتجاه المعاكس: من القطب السالب إلى الموجب.
• (في بدايات اكتشاف الكهرباء افترض العلماء الاتجاه من الموجب إلى السالب، وظلّ هذا الاصطلاح قائمًا.)

فرق الجهد الكهربي بين نقطتين: الشغل اللازم لنقل كمية من الشحنة الكهربية مقدارها كولوم واحد بين هاتين النقطتين.

\(V = \dfrac{W}{Q}\)

• W: الشغل بالجول (J) ، Q: الشحنة بالكولوم (C).
• الوحدة: الفولت (V) = جول / كولوم (J / C).
• يُقاس بجهاز الفولتميتر، ويُوصَّل على التوازي عبر النقطتين المراد قياس فرق الجهد بينهما.

مقارنة بين الأميتر والفولتميتر:

المصدر الكهربي هو مصدر الطاقة في الدائرة، والمسؤول عن دفع الشحنات خلالها. وله نوعان:

1. مصدر جهد مستمر: كالعمود الكهربي والبطارية، ويمرر تيارًا مستمرًا (ثابت الشدة وله اتجاه واحد) ويرمز له DC.
2. مصدر جهد متردد: كالمولد الكهربي للتيار المتردد، ويمرر تيارًا مترددًا (تتغير شدته واتجاهه مع الزمن) ويرمز له AC.

• القوة الدافعة الكهربية (emf) للمصدر (ε): مقدار الشغل الكلي الذي يبذله المصدر لنقل شحنة كهربية مقدارها كولوم واحد خلال دائرة كهربية كاملة.
• وحدتها الفولت أيضًا.

• يمر التيار داخل المصدر أيضًا (ليكون المسار مغلقًا) فتتوزع القوة الدافعة بين فرق جهد خارجي (V) بين قطبي البطارية، وفرق جهد داخل المصدر للتغلب على مقاومته الداخلية؛
• ولذلك V أقل من ε.
• لكننا في هذه الوحدة نهمل المقاومة الداخلية لصغرها فنعتبر أن V = ε.

يوفر العمود الواحد قوة دافعة محدودة قد لا تكفي لتشغيل بعض الأجهزة؛ لذا توصل عدة أعمدة معًا وتسمى بطارية.

• 1) على التوالي: القطب الموجب لعمود يتصل بالقطب السالب للعمود التالي، وهكذا.
• القوة الدافعة الكلية = مجموع القوى الدافعة للأعمدة \[\begin{gathered}(\varepsilon = \varepsilon _{1} + \varepsilon _{2} + ...)\end{gathered}\].
• تزداد إضاءة المصباح.

• 2) على التوازي: تُوصَّل جميع الأقطاب الموجبة معًا وجميع الأقطاب السالبة معًا.
• القوة الدافعة الكلية = القوة الدافعة للعمود الواحد (للأعمدة المتماثلة).

• نتيجة التجربة (3 مصابيح متماثلة وأعمدة 1.5 V): إضاءة المصباح في التوصيل على التوالي لعمودين أو أكثر أشد من إضاءته مع عمود واحد، وقراءة الفولتميتر أكبر؛
• أما في التوصيل على التوازي فتبقى الإضاءة وقراءة الفولتميتر كما مع عمود واحد (لكن تدوم البطارية أطول).

تطبيقات:

• الكشاف اليدوي: الأعمدة على التوالي للحصول على قوة دافعة كبيرة.
• الشاحن المتنقل: خلايا على التوازي، فيشحن الهاتف عدة مرات دون زيادة في الجهد الخارج.

المقاومة الكهربية: الممانعة التي تواجه الشحنات الكهربية أثناء حركتها خلال الموصلات.

• يُسمى الموصل الذي له مقاومة محددة "مقاومة" (resistor).
• تُقاس المقاومة بوحدة الأوم (Ω)، ويستخدم جهاز الأوميتر لقياس قيمتها (تُوضع المقاومة المراد قياسها بين طرفي الجهاز).

1. مقاومة ثابتة: قيمتها لا تتغير.
2. مقاومة متغيرة (ريوستات): يمكن تغيير قيمتها بتحريك زالق على سلك، فيتغير طول السلك الذي يمر به التيار. كلما زاد الطول زادت المقاومة، وبالتالي تزداد المقاومة الكلية للدائرة فتنخفض شدة التيار. يُستخدم للتحكم في شدة التيار. تطبيق: مفتاح التحكم في شدة صوت الراديو؛ فإدارته تغير المقاومة فتتغير شدة التيار وشدة الصوت.

تزداد مقاومة سلك كلما:

1. زاد طوله (L) الذي يمر به التيار.
2. قلّت مساحة مقطعه (A) أي قلّ سمكه.
3. كانت لمادته مقاومة نوعية أكبر (ρ) (فلكل مادة مقاومة نوعية).

ويُلخص ذلك في العلاقة \(R = \dfrac{\rho L}{A}\) (للإثراء).

تطبيق: المصباح المتوهج.

• فتيلة المصباح سلك رفيع طويل نسبيًا ملفوف على هيئة ملف لولبي ومصنوع من التنجستين، بينما أسلاك التوصيل سميكة قصيرة نسبيًا ومن النحاس.
• لذلك مقاومة الفتيلة أكبر بكثير، فعند مرور التيار تتولد في الفتيلة حرارة أكبر (تزداد الحرارة المتولدة كلما ارتفعت المقاومة) فتتوهج، بينما تبقى أسلاك التوصيل باردة تقريبًا.

نبذة عن توماس إديسون (1847 - 1931): مخترع أمريكي اخترع الفونوغراف وكاميرا السينما، وطوّر المصباح الكهربي ليدوم طويلًا، كما طوّر المولد الكهربي، وله 1093 براءة اختراع أمريكية.

لتصميم الأجهزة وصيانتها يلجأ المهندسون إلى مخططات تستخدم رموزًا متفقًا عليها:

قواعد رسم المخطط:

• (1) اختر الرمز الصحيح لكل مكون، (2) احرص على توصيل المكونات كما في الدائرة الأصلية: الأميتر على التوالي والفولتميتر على التوازي مع الجزء المراد قياس فرق جهده.

تجربة التحقق من قانون أوم:

• نكوّن دائرة بها مصدر (بطارية) ومقاومة ثابتة وريوستات وأميتر (على التوالي) وفولتميتر (على التوازي عبر المقاومة الثابتة) ومفتاح.

الخطوات:

• نضبط الريوستات عند أكبر قيمة (لأقل شدة تيار حماية للمكونات)، نغلق الدائرة ونسجل قراءة الأميتر (I) والفولتميتر (V)، ثم نقلل مقاومة الريوستات تدريجيًا ونكرر القياس عدة مرات وندوّن النتائج في جدول، ثم نرسم علاقة بيانية: V على المحور الأفقي، I على المحور الرأسي.

الملاحظة: كلما زاد فرق الجهد زادت شدة التيار، والرسم البياني خط مستقيم يمر بنقطة الأصل.

قانون أوم: شدة التيار المار في موصل (مقاومة ثابتة) تتناسب طرديًا مع فرق الجهد بين طرفيه عند ثبوت درجة الحرارة.

رياضيًا: I ∝ V أو V = I × R، ومنها \(R = \dfrac{V}{I}\) و \(I = \dfrac{V}{R}\).

• المقاومة الثابتة تساوي ميل الخط المستقيم (النسبة بين التغير في الجهد والتغير في شدة التيار): \(R = \dfrac{\Delta V}{\Delta I}\).
• العوامل التي يجب أن تبقى ثابتة: درجة الحرارة والمقاومة.

نبذة عن العالم:

• الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم (1789 - 1854) اكتشف العلاقة بين الكميات المرتبطة بالتيار الكهربي، ووُضعت وحدة المقاومة باسمه.

• في التطبيقات العملية نصل عددًا من المقاومات معًا بإحدى طريقتين.
• المقاومة المكافئة (Rₑ) هي المقاومة التي لها نفس تأثير مجموعة المقاومات المتصلة معًا على خصائص الدائرة (أي تعطي نفس التيار عند نفس الجهد).

للإثراء (مقاومات غير متماثلة):

• على التوالي \[\begin{gathered}R_{e} = R_{1} + R_{2} +\end{gathered}\] ...
• ؛
• وعلى التوازي \[\begin{gathered}\dfrac{1}{R_{e}} = \dfrac{1}{R_{1}} + \dfrac{1}{R_{2}} +\end{gathered}\] ...

لماذا توصل الأجهزة المنزلية على التوازي؟

• لكي يعمل كل جهاز بمفرده؛
• فإذا فُصل أو تلف جهاز استمرت بقية الأجهزة في العمل لأن لكل جهاز مسارًا مستقلًا مع المصدر، ويحصل كل جهاز على جهد المصدر نفسه.

تكامل مع الطب: منظم ضربات القلب.

• جهاز يُزرع تحت جلد المريض ويتكون من بطارية وشريحة إلكترونية دقيقة وأسلاك تتصل بعضلة القلب.
• إذا تأخرت النبضة الطبيعية أرسلت الدائرة نبضات كهربية دقيقة تحفّز العضلة على الانقباض بانتظام، فيستمر ضخ الدم.

• على بعض الأجهزة بطاقة كفاءة الطاقة تبين استهلاكها الشهري ومستوى كفاءتها، ويشير السهم الأخضر عند الحرف (A) إلى أعلى كفاءة وأقل استهلاك، وهي تتيح للمستهلك اختيار المنتج الأقل استهلاكًا وتحميه من المنتجات منخفضة الكفاءة.
• وتُكتب كذلك على الأجهزة مواصفاتها كفرق الجهد والقدرة، كمصباح ليد (9 W).

القدرة الكهربية (P): معدل استهلاك الجهاز للطاقة الكهربية، أي كمية الطاقة الكهربية التي يستهلكها في الثانية الواحدة.

\(P = \dfrac{E}{t}\) ؛ E = P × t

• القدرة بالوات (W) ، الطاقة بالجول (J) ، الزمن بالثانية (s).
• الوات = جول / ثانية. فمصباح 9 W يستهلك 9 J كل ثانية.

في الحياة العملية الجول صغير جدًا، فنستخدم الكيلووات ساعة (kW.h) وحدةً للطاقة:

• \[\begin{gathered}1 \,\text{kW} = 1000 W\end{gathered}\].
• الطاقة (kW.h) = القدرة (kW) × الزمن (h).

1. حوّل قدرة الجهاز إلى كيلووات: \[\begin{gathered}\,\text{kW} = W \div 1000\end{gathered}\].
2. حدّد عدد ساعات التشغيل.
3. الطاقة المستهلكة (kW.h) = القدرة (kW) × عدد الساعات.
4. التكلفة = الطاقة (kW.h) × سعر الكيلووات ساعة.

الاستنتاج: مصباح الليد أكثر كفاءة وأوفر للطاقة والمال، ويحافظ على الموارد المالية والبيئية.

• من الملاحظ أن أجهزة التكييف والأجهزة الحرارية (المدفأة، الغلاية، المكواة) من أكثر الأجهزة استهلاكًا للطاقة الكهربية.
• مفهوم متقاطع (السبب والنتيجة): زيادة ساعات تشغيل جهاز (سبب) تزيد الطاقة المستهلكة وبالتالي التكلفة (نتيجة).

1. تجنب التحميل الزائد: لا تصل عدة أجهزة عالية القدرة بمقبس واحد؛ لأن شدة التيار قد ترتفع لدرجة تسبب حريقًا.
2. العزل: تأكد أن الأسلاك معزولة جيدًا تجنبًا للصعق.
3. جفاف الأدوات: تأكد من جفاف اليدين والأسلاك والمكونات قبل التعامل؛ لأن ماء الصنبور موصل للكهرباء.
4. فصل المصدر: لا تعدّل أي جزء ولا تستبدل مكونًا إلا بعد فصل التيار تمامًا.
5. لا تستخدم المصادر الكهربية المنزلية في التجارب الصفية؛ استخدم بطاريات منخفضة الجهد.

• نضع بوصلة على منضدة أفقية وننتظر حتى تستقر إبرتها، ثم نضع فوقها سلكًا نحاسيًا معزولًا مواز لمحورها (متصلًا بدائرة بها بطارية ومفتاح)، ثم نغلق الدائرة.
• نلاحظ انحراف إبرة البوصلة عن اتجاهها الأصلي.

التفسير:

• اكتشف العالم أورستد أن مرور تيار كهربي في سلك يُنتج مجالًا مغناطيسيًا حوله، فتتأثر إبرة البوصلة (وهي مغناطيس صغير حر الحركة يتخذ اتجاه الشمال بتأثير المجال المغناطيسي للأرض).
• وتسمى هذه الظاهرة التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي، وهي أساس اختراعات عديدة: المغناطيس الكهربي، والمحرك الكهربي (الموتور)، والمولد الكهربي (الدينامو).

(المجال المغناطيسي: المنطقة المحيطة بالمغناطيس أو السلك الحامل للتيار والتي تظهر فيها آثار قوته المغناطيسية.)

• يتكوّن من سلك نحاسي معزول ملفوف حول قلب من الحديد المطاوع (مسمار حديد مثلًا).
• عند إمرار تيار في الملف يتولد مجال مغناطيسي حوله فيتمغنط القلب الحديدي، وعند فتح الدائرة يفقد القلب مغنطته ويسقط ما كان ملتصقًا به من الدبابيس.

ميزته:

• مغناطيس مؤقت يمكن تشغيله وإيقافه بوصل التيار وقطعه.
• ولهذا يُستخدم في ساحات الخردة لنقل كتل الحديد الثقيلة (يرفعها عند مرور التيار ويتركها عند قطعه) تمهيدًا لإعادة التدوير، مما يوفر الطاقة اللازمة للإنتاج.

نستدل على القوة بعدد الدبابيس التي ينجذب إليها (كلما زاد العدد زادت القوة). تزداد القوة:

1. بزيادة عدد لفات الملف.
2. بزيادة شدة التيار المار بالملف.
3. باستخدام الحديد المطاوع كقلب (بدلًا من الهواء).

(عند تجربة أي عامل نثبّت العوامل الأخرى: المتغير المستقل: العامل المدروس، التابع: عدد الدبابيس.)

مقارنة بين المغناطيس الدائم والكهربي:

تطبيق (إثرائي): الجرس الكهربائي.

• عند الضغط على الزر تُغلق الدائرة فيتمغنط القلب الحديدي ويجذب الشريحة المعدنية، فتصطدم المطرقة بالناقوس.
• في اللحظة نفسها تبتعد الشريحة عن مسمار التلامس فتُفتح الدائرة ويتوقف التيار، فيفقد المغناطيس مغنطته وتعود الشريحة بمرونتها فتُغلق الدائرة من جديد.
• تتكرر العملية بسرعة فيحدث الرنين المتصل.

عند وضع ساق معدنية أو سلك مستقيم عموديًا على اتجاه مجال مغناطيسي (بين قطبي مغناطيس قوي على شكل حرف U) وإمرار تيار كهربي خلاله، يتأثر السلك بقوة مغناطيسية في اتجاه معين، قد تؤدي إلى تحريكه (فتتدحرج الساق مثلًا على قضيبين من النحاس).

وينعكس اتجاه الحركة إذا عكسنا اتجاه التيار أو عكسنا اتجاه المجال (بتبديل قطبي المغناطيس).

بوضع ملف (بدل السلك) قابل للدوران بين قطبي مغناطيس دائم قوي على شكل U ينشأ المحرك الكهربي.

الأجزاء:

• ملف (مستطيل من سلك معزول) قابل للدوران.
• مغناطيس دائم على شكل U.
• مبدّل التيار (الأسطوانة المشقوقة إلى نصفين) الموصول بطرفي الملف.
• فرشتان من الجرافيت تعملان كمدخل ومخرج للتيار الكهربي من البطارية وتلامسان نصفي الأسطوانة.
• مصدر مستمر (بطارية).

فكرة العمل:

• عند مرور التيار في الملف تتولد قوة مغناطيسية على كل من الضلعين الطوليين (AB) و(CD)، متساويتان في المقدار ومتضادتان في الاتجاه ومختلفتان في خط العمل، فينشأ عزم ازدواج يدير الملف.
• (مثال حياتي: إدارة مقود السيارة بكلتا اليدين؛
• فالقوتان المؤثرتان على جانبي المقود تُدوّرانه.)

عند مرور الملف بالوضع الرأسي يعكس المبدل اتجاه التيار في الملف فتستمر الحركة في الاتجاه نفسه.

العوامل التي تزيد عزم الازدواج (وسرعة الدوران):

1. زيادة شدة التيار المار في الملف.
2. زيادة عدد لفات الملف.
3. زيادة مساحة وجه الملف.
4. زيادة شدة المجال المغناطيسي (مغناطيس أقوى أو عدد أكبر من المغناطيسات).

لعكس اتجاه الدوران:

• نعكس اتجاه التيار (بتبديل طرفي البطارية)، أو نعكس قطبي المغناطيس (نقلب المغناطيس)؛
• لأن عكس أحد الأمرين يعكس اتجاه القوة.

الوظيفة: المحرك يحوّل الطاقة الكهربية إلى طاقة حركية (ميكانيكية).

تطبيقات:

• الخلاطات والمراوح والغسالات، والسيارات الكهربائية.
• المثقاب والمفك الكهربائي يوضحان التحكم في سرعة المحرك: عند فك المسامير يُضبط المحرك على سرعة منخفضة (دقة وحماية رأس المسمار)، وعند الثقب في الجدران على سرعة عالية لتوفير الطاقة الحركية اللازمة لاختراق السطح الصلب.

• يحوّل المحرك الطاقة الكهربية إلى حركية.
• فماذا لو أدرنا ملف المحرك يدويًا؟
• يعمل الجهاز بطريقة عكسية فينتج طاقة كهربية.
• هذا هو المبدأ العلمي للمولد الكهربي.

نشاط:

• نصل طرفي ملف محرك صغير بمصباح ليد (LED)، ونثبّت على محوره مروحة صغيرة، ثم ندير المروحة بالأصابع.
• يضيء المصباح عند الإدارة (مرة ببطء ومرة بسرعة فنلاحظ أن الإضاءة تزداد مع السرعة).
• (مصباح الليد لا يضيء إلا إذا مر خلاله التيار في اتجاه معين، فإن لم يضئ بدّل توصيله.)

المولد الكهربي: جهاز يحوّل الطاقة الميكانيكية (الحركية) إلى طاقة كهربية.

فكرة العمل:

• يدور ملف المولد بين قطبي المغناطيس بتأثير مصدر للطاقة الحركية، فيقطع الملف خطوط المجال المغناطيسي (خطوط وهمية تمثل اتجاه وشدة المجال)، فتتولد في الملف قوة دافعة كهربية تُمرر تيارًا في الدائرة الخارجية.

العوامل المؤثرة في القوة الدافعة المتولدة:

• تزداد القوة الدافعة بزيادة سرعة دوران الملف (بالنسبة للمغناطيس).
• ولهذا تزداد إضاءة مصباح الدراجة المزودة بدينامو بزيادة سرعة دوران إطاراتها.

أنواع التيار الناتج:

• مولد ملفه موصل بأسطوانة معدنية مشقوقة إلى نصفين: ينتج تيارًا موحد الاتجاه.
• مولدات محطات الكهرباء: تنتج تيارًا مترددًا وهو التيار المستخدم في المنازل. ومن مميزاته أنه يمكن نقله من محطات التوليد إلى أماكن الاستهلاك دون فقد يُذكر في الطاقة، وأنه يمكن تحويله إلى تيار مستمر يشبه تيار البطاريات.

التطبيقات:

1. محطات توليد الكهرباء: توربينات ضخمة تُدير ملفات المولدات العملاقة، وتستمد طاقتها من مساقط المياه أو البخار أو الرياح.
2. دينامو الدراجة: يلامس عموده إطار العجلة فينقل الحركة بالاحتكاك إلى الملف فيضيء المصابيح دون بطاريات.
3. مولدات الطوارئ: في المنازل والمستشفيات والمصانع عند انقطاع التيار.

مقارنة بين المحرك والمولد:

ملخص الوحدة:

• التيار الكهربي = تدفق الشحنات \(\left(I = \dfrac{Q}{t}\right)\)، ويحتاج فرق جهد \(\left(V = \dfrac{W}{Q}\right)\) ودائرة مغلقة.
• المقاومة تعيق التيار وتتوقف على الطول والمساحة والمادة.
• قانون أوم V = IR.
• المقاومات المتماثلة: على التوالي N R وعلى التوازي R / N.
• القدرة \(P = \dfrac{E}{t}\) والطاقة بالكيلووات ساعة والتكلفة.
• التيار يولّد مجالًا مغناطيسيًا (المغناطيس الكهربي)، والتيار في مجال يتأثر بقوة (المحرك)، والملف المتحرك في مجال يولّد قوة دافعة (المولد).