الكهرومغناطيسيه
الدرس ٢
الكهرومغناطيسية
في هذا الدرس
الأهداف
- توضح كيف يمكن للكهرباء أن تنتج حركة.
- توضح كيف يمكن للحركة أن تنتج كهرباء.
الأهمية
تمكن الكهرباء والمغناطيسية المحرك الكهربائي والمولد الكهربائي من أداء عملهما.
مراجعة المفردات
التيار الكهربائي: تدفق الشحنات الكهربائية.
المفردات الجديدة
- المغناطيس الكهربائي.
- المحرك الكهربائي.
- الشفق القطبي.
- المولد الكهربائي.
- التيار المتردد.
- التيار المستمر.
- المحول الكهربائي.
التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا
ينتج المجال المغناطيسي عن حركة الشحنات الكهربائية. كما تولد حركة الإلكترونات حول النوى في الذرات مجالًا مغناطيسيًا، وتجعل حركة الإلكترونات هذه بعض العناصر كالحديد مادة ممغنطة. وعندما تضيء مصباحًا كهربائيًا، أو تشغل قارئ الأقراص المدمجة CD، تسمح بمرور تيار كهربائي في الأسلاك. أي تتحرك الشحنات الكهربائية في السلك. ونتيجة لذلك، ينشأ مجال مغناطيسي حول السلك. يبين الشكل ٩ أ المجال المغناطيسي الناشئ حول سلك يسري فيه تيار كهربائي.
المغناطيس الكهربائي
انظر إلى خطوط المجال المغناطيسي الناشئة حول الملف الذي يسري فيه تيار كهربائي، كما في الشكل ٩ ب، ستلاحظ أن المجالات المغناطيسية للفات تتحد معًا، لتشكل مجالًا قويًا داخل الملف. وعند لف السلك حول قضيب حديدي فإن المجال يمغنط الحديد، ليصبح مغناطيسًا، ويزيد من قوة مجال الملف. ويسمى السلك الذي يلف حول قلب حديدي، ويسري فيه تيار كهربائي المغناطيس الكهربائي Electromagnet، والذي يوضحه الشكل ٩ جـ.
الشكل ٩
يولد السلك الذي يسري فيه تيار كهربائي مجالًا مغناطيسيًا.
أ. توضح برادة الحديد خطوط المجال المغناطيسي حول سلك يسري فيه تيار.
ب. يصبح المجال المغناطيسي قويًا عند لف السلك الذي يسري فيه التيار على شكل ملف لولبي «حلزوني».
جـ. يزيد القلب الحديدي داخل الملف من المجال المغناطيسي؛ لأنه يصبح ممغنطًا.
اسم الصورة:
01_التيار_الكهربائي_يولد_مجالا_مغناطيسيا.png
الشكل ١٠
يحتوي جرس الباب على مغناطيس كهربائي، وعندما تقفل الدائرة يعمل المغناطيس الكهربائي، وتضرب المطرقة الناقوس.
وضح: كيف يتم إيقاف المغناطيس الكهربائي عن العمل كل مرة؟
- يجذب المغناطيس الكهربائي المطرقة فتضرب الناقوس.
- يبدأ عمل المغناطيس الكهربائي عند إغلاق الدائرة.
- يسحب النابض المطرقة بعيدًا عن المغناطيس فتغلق الدائرة ويبدأ عمل المغناطيس.
- عندما تضرب المطرقة الناقوس تتحرر الدائرة ويتوقف المغناطيس عن العمل.
- عند ضغط المفتاح تغلق الدائرة الكهربائية.
استخدام المغناطات الكهربائية
يمكن التحكم في المجال المغناطيسي للمغناطات الكهربائية بتشغيلها أو إيقاف عملها، من خلال التحكم في مرور التيار الكهربائي. كما يمكن التحكم في قوة المغناطيس الكهربائي، واتجاه مجاله المغناطيسي، من خلال مقدار التيار الكهربائي واتجاهه. وهذا التحكم يجعل المغناطيس الكهربائي عمليًا؛ حيث يستخدم في تطبيقات كثيرة، منها الجرس الكهربائي الذي يظهر في الشكل ١٠.
عندما يضغط زر الجرس على مدخل البيت تغلق الدائرة الكهربائية التي تتضمن مغناطيسًا كهربائيًا، فيعمل المغناطيس، ويجذب إليه رافعة حديدية مثبتًا في نهايتها مطرقة صغيرة، تقوم بطرق الناقوس. وبهذا الوضع تكون الرافعة قد ابتعدت عن نقطة توصيل معينة، فتفتح الدائرة الكهربائية، ويفقد المغناطيس الكهربائي مجاله، ويتوقف عن العمل. وفي هذه المرحلة يأتي دور النابض الذي يعيد الرافعة إلى نقطة التوصيل، فيعود المغناطيس إلى العمل من جديد. وتتكرر هذه الخطوات ويستمر ضرب المطرقة للناقوس ما بقي الزر مضغوطًا.
ومن التطبيقات الأخرى التي تستخدم المغناطيس الكهربائي الجلفانومتر، الذي يستخدم ضمن أجهزة كثيرة، منها مؤشر الوقود في السيارة، وجهاز الأميتر الذي يستخدم لقياس التيار الكهربائي، وجهاز الفولتمتر الذي يستخدم لقياس فرق الجهد الكهربائي، كما هو موضح في الشكل ١١.
تجربة: صنع مغناطيس كهربائي
الخطوات
- لف سلكًا نحاسيًا معزولًا ١٠ لفات حول مسمار فولاذي، ثم صل أحد طرفيه بعد إزالة العازل بأحد قطبي بطارية من النوع D، واترك الطرف الآخر غير موصول إلى حين استخدام المغناطيس الكهربائي، كما هو موضح في الشكل ٩ جـ.
- صل الطرف الثاني للسلك بقطب البطارية الآخر، وقرب المسمار من مشابك ورقية، ولاحظ كم مشبكًا يمكن أن يحملها المسمار «المغناطيسي»؟
- افصل السلك، وأعد لفه ٢٠ لفة، ثم لاحظ كم مشبكًا يحمل هذه المرة؟ ثم افصل البطارية.
تحذير: يسخن السلك بمرور الوقت عند مرور تيار كهربائي في السلك.
التحليل
- كم مشبكًا أمكن حمله في كل مرة؟ وهل زيادة عدد اللفات تزيد من قوة المغناطيس أم تضعفه؟
- ارسم علاقة بيانية بين عدد اللفات وعدد المشابك، ثم توقع عدد المشابك التي يحملها ملف من ٥ لفات، وتحقق من ذلك عمليًا.
اسم الصورة:
02_تجربة_صنع_مغناطيس_كهربائي_واستخدام_المغناطيس_الكهربائي.png
أجهزة قياس فرق الجهد «الفولتميتر» وشدة التيار «الأميتر»
الشكل ١١
تستخدم في عداد الوقود في السيارة أداة صغيرة تسمى جلفانومتر، تعمل على تحريك إبرة العداد كلما تغيرت كمية الوقود.
ويستخدم الجلفانومتر في أجهزة القياس، ومنها الفولتميتر الذي يقيس فرق الجهد الكهربائي، والأميتر الذي يستخدم في قياس التيار الكهربائي. وهناك جهاز متعدد القياسات يسمى الملتيمتر، يجمع عمل الفولتميتر والأميتر، وذلك من خلال تبديل الوضع بينها باستخدام مفتاح خاص.
يوجد في الجلفانومتر مؤشر يتصل مع ملف قابل للدوران بين قطبي مغناطيس دائم، وعندما يتدفق التيار الكهربائي في الملف يصبح الملف مغناطيسًا كهربائيًا، وتنشأ قوى تجاذب وتنافر بين أقطاب الملف وأقطاب المغناطيس الدائم، تؤدي إلى دوران الملف بمقدار يتناسب مع مقدار التيار الكهربائي المار فيه.
يستخدم جهاز الأميتر لقياس التيار في الدوائر الكهربائية، ويركب الأميتر من جلفانومتر، ومقاومة صغيرة جدًا، ويوصل مع عناصر الدائرة الكهربائية على التوالي، بحيث يمر خلاله تيار الدائرة الكهربائية كله، وكلما كان التيار في الدائرة أكبر كان انحراف مؤشر الجلفانومتر أكبر.
يستخدم جهاز الفولتميتر لقياس فرق الجهد في الدوائر الكهربائية، ويركب الفولتميتر من جلفانومتر ومقاومة كبيرة جدًا، ويوصل جهاز الفولتميتر مع عناصر الدائرة الكهربائية على التوازي، بحيث لا يمر فيه تيار يذكر، وكلما كان فرق الجهد أكبر كان انحراف مؤشر الجلفانومتر أكبر.
اسم الصورة:
03_أجهزة_قياس_فرق_الجهد_وشدة_التيار.png
التجاذب والتنافر المغناطيسي
ابحث عن جهاز كهربائي يولد حركة، كالمروحة مثلًا. كيف يمكن للطاقة الكهربائية التي دخلت المروحة أن تتحول إلى طاقة حركية لشفرات المروحة؟ تذكر أن الأسلاك التي تحمل تيارًا كهربائيًا تولد حولها مجالًا مغناطيسيًا، له نفس صفات المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم. فإذا قرب سلكين يسري فيهما تياران كهربائيان في الاتجاه نفسه فإنهما يتجاذبان، كما لو كانا مغناطيسين، كما يبين الشكل ١٢.
الشكل ١٢
يتجاذب السلكان اللذان يسري فيهما تياران كهربائيان في الاتجاه نفسه، كالأقطاب المغناطيسية المختلفة تمامًا.
المحرك الكهربائي
كما يؤثر مغناطيسان كل منهما في الآخر بقوة، فإن مغناطيسًا وسلكًا يسري فيه تيار كهربائي يؤثر كل منهما بقوة في الآخر. حيث إن المجال المغناطيسي المحيط بالسلك المار فيه تيار كهربائي يجعله ينجذب نحو المغناطيس، أو يتنافر معه، وذلك حسب اتجاه التيار فيه. وبذلك تتحول بعض الطاقة الكهربائية في السلك إلى طاقة حركية تحركه، كما يبين الشكل ١٣ أ.
يسمى أي جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية المحرك الكهربائي Electric Motor. وللمحافظة على دوران المحرك توضع السلك الذي يسري فيه التيار على شكل ملف، مما يجعل المجال المغناطيسي يؤثر فيه بقوة تجعله يدور باستمرار، كما يبين الشكل ١٣ ب.
الشكل ١٣
في المحرك الكهربائي، تعمل القوة التي يؤثر بها المغناطيس الدائم في الملف الذي يسري فيه التيار على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية.
أ. يؤثر المجال المغناطيسي المبين في الشكل في السلك الذي يسري فيه التيار الكهربائي، فيدفعه إلى أعلى.
ب. يؤثر المجال المغناطيسي الدائم في الملف بقوة تجعله يدور حول نفسه ما دام التيار مارًا فيه.
اسم الصورة:
04_التجاذب_والتنافر_المغناطيسي_والمحرك_الكهربائي.png
الغلاف المغناطيسي للكرة الأرضية
تبعث الشمس جسيمات مشحونة عبر الفضاء، تخترق المجموعة الشمسية بما يشبه التيار الكهربائي الضخم، وعندما يقترب هذا التيار من الأرض يؤثر فيه المجال المغناطيسي الأرضي بقوة ويحرفه عن اتجاهه، وبهذا يتم حماية الأرض من سقوط تلك الجسيمات المشحونة عليها، كما هو موضح في الشكل ١٤. وهذا دليل على بديع صنع الخالق عز وجل في كونه؛ حيث حمى الإنسان والمخلوقات الحية الأخرى على الأرض من تأثير تلك الجسيمات المشحونة. وفي الوقت نفسه تؤثر هذه التيارات الشمسية في شكل الغلاف المغناطيسي للأرض، فتدفعه نحو الاتجاه البعيد عن الشمس.
الشكل ١٤
يشتت الغلاف المغناطيسي للكرة الأرضية معظم الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس.
وضح: لماذا تبدو خطوط المجال المغناطيسي للأرض ممتدة نحو الجهة البعيدة عن الشمس؟
الشفق القطبي
تبعث الشمس أحيانًا كمية كبيرة من الجسيمات المشحونة مرة واحدة، ويشتت مجال الأرض المغناطيسي الكثير منها، إلا أن بعضها يولد جسيمات مشحونة في السطح الخارجي للغلاف الجوي للأرض، فتتحرك حركة لولبية على امتداد خطوط المجال المغناطيسي للأرض، وتنحرف نحو قطبي الأرض.
فتتصادم عند القطبين مع ذرات الغلاف الجوي، وتسبب انبعاث الضوء من الذرات فتتوهج وتصدر أضواء، وهذا ما يعرف بالشفق القطبي Aurora، كما يبين الشكل ١٥، وتسمى هذه الظاهرة أحيانًا في المناطق الشمالية من الكرة الأرضية أضواء الشمال.
الشكل ١٥
الشفق القطبي ظاهرة ضوئية طبيعية تحدث في أطراف الأرض البعيدة فوق الأقطاب.
اسم الصورة:
05_الغلاف_المغناطيسي_والشفق_القطبي.png
استعمال المغناطيس في توليد الكهرباء
يعمل المجال المغناطيسي في المحرك الكهربائي على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية. وعلى العكس من ذلك، هناك جهاز يسمى المولد الكهربائي Generator يستخدم المجال المغناطيسي ليحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية. أي أن المحرك والمولد كليهما يتضمنان تحولات بين الطاقة الكهربائية والطاقة الحركية. ففي المحرك تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة. أما في المولد فتتحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
يبين الشكل ١٦ كيف يتولد تيار كهربائي في سلك عند تحريكه داخل مجال مغناطيسي؛ حيث إن حركة السلك إلى أسفل هي حركة للإلكترونات داخله إلى أسفل، كما في الشكل ١٦ أ، وفي أثناء ذلك يؤثر المجال المغناطيسي في هذه الإلكترونات بقوة، فيدفعها على امتداد السلك، كما في الشكل ١٦ ب، مولدًا بذلك تيارًا كهربائيًا.
الشكل ١٦
عند تحريك سلك عبر مجال مغناطيسي يتولد في هذا السلك تيار كهربائي.
أ. إذا سحبت سلكًا عبر مجال مغناطيسي فإن الإلكترونات في السلك جميعها تتحرك معه نحو الأسفل.
ب. ثم يؤثر المجال المغناطيسي بقوة في الإلكترونات المتحركة نحو الأسفل، مسببًا اندفاعها على امتداد السلك.
المولد الكهربائي
لإنتاج التيار الكهربائي يشكل السلك في صورة ملف، كما في الشكل ١٧. ولكي يدور الملف، يوصل بمصدر قدرة خارجي يزودها بطاقة حركية. يغير التيار الكهربائي المتولد في السلك اتجاهه كل نصف دورة، مما يسبب تردد التيار من الموجب إلى السالب، وعندها يسمى التيار المتردد AC Alternating Current. وفي المملكة العربية السعودية يتغير اتجاه تردد التيار الكهربائي الذي تزوده المنازل بمعدل ٦٠ مرة خلال الثانية.
الشكل ١٧
يعمل مصدر الحركة في المولد الكهربائي على تدوير الحلقة المصنوعة من السلك داخل المجال المغناطيسي، وكل نصف دورة للحلقة ينعكس اتجاه التيار المتولد فيها، وهذا النوع من المولدات يزود المصباح بتيار متردد.
اسم الصورة:
06_استعمال_المغناطيس_لإنتاج_التيار_والمولد_الكهربائي.png
أنواع التيار الكهربائي
تنتج البطارية تيارًا مستمرًا بدلًا من التيار المتردد. في التيار المستمر Direct Current DC تتدفق الإلكترونات في اتجاه واحد. أما في التيار المتردد فتتغير الإلكترونات اتجاه حركتها عدة مرات في الثانية. وبعض المولدات تولد تيارًا مستمرًا بدلًا من التيار المتردد.
ماذا قرأت؟
ما أنواع التيارات الكهربائية التي نحصل عليها من المولد الكهربائي؟
محطات توليد القدرة الكهربائية
تنتج المولدات الكهربائية معظم الطاقة الكهربائية المستخدمة في العالم. ويولد المولد الصغير الطاقة لمنزل واحد. أما المولدات الضخمة في محطات توليد القدرة الكهربائية فتنتج ما يكفي من الكهرباء لآلاف المنازل.
وتستخدم مصادر متنوعة للطاقة، منها الفحم أو الغاز أو النفط أو طاقة المياه الساقطة من الشلالات؛ لتزود المولدات بالطاقة الحركية، فتدور الملفات خلال مجالات مغناطيسية.
ويبين الشكل ١٨ محطة تولد القدرة الكهربائية باستخدام الفحم الحجري، وهي الأكثر شيوعًا، فالكثير من الطاقة الكهربائية المولدة في بعض الدول تنتج عن حرق الفحم.
الشكل ١٨
تزود محطات توليد الكهرباء التي تعمل على الفحم، العالم بالكثير من الطاقة الكهربائية.
العلم عبر المواقع الإلكترونية
محطات توليد القدرة
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للمزيد من المعلومات حول الأنواع المختلفة لمحطات توليد القدرة الكهربائية المستخدمة في منطقتك.
نشاط: صنف الأنواع المختلفة من محطات توليد القدرة الكهربائية.
الجهد الكهربائي
يتم نقل الطاقة الكهربائية المولدة في محطات القدرة الكهربائية إلى المنازل باستخدام الأسلاك. ولعلك تذكر أن الجهد الكهربائي هو مقياس لمقدار الطاقة الكهربائية التي تحملها الشحنات المتحركة خلال تيار كهربائي.
وتنقل الطاقة الكهربائية من محطات توليدها عبر الأسلاك بفرق جهد كبير قد يصل إلى ٧٠٠ ألف فولت تقريبًا. ولا تعد عملية نقل الطاقة الكهربائية بفرق جهد منخفض ذات كفاءة كبيرة؛ لأن معظم الطاقة الكهربائية تتحول إلى حرارة في الأسلاك. وفي المقابل تعد عملية نقل الطاقة الكهربائية بفرق جهد كبير غير آمنة للاستعمال في المنازل؛ إذ نحتاج إلى استعمال جهاز يعمل على خفض الجهد الكهربائي.
اسم الصورة:
07_أنواع_التيار_ومحطات_توليد_القدرة_الكهربائية.png
الشكل ١٩
تنتقل الكهرباء من المولد إلى منزلك.
- مولد كهربائي يدور بفعل الماء أو البخار.
- محول يرفع فرق الجهد الكهربائي ليتم نقله.
- محول آخر خافض لفرق الجهد الكهربائي، وتستعمل بعض الصناعات فرق الجهد الكبير الذي قد يساوي عدة آلاف من الفولتات.
- المحول الذي يزود المنازل يخفض الجهد إلى 240V، حيث يتناسب مع الأجهزة الكهربائية المختلفة كالمصابيح والمحركات.
تغيير الجهد الكهربائي
المحول الكهربائي Transformer جهاز يغير الجهد الكهربائي للتيار المتردد، مع ضياع القليل من الطاقة.
وتستخدم المحولات لرفع الجهد الكهربائي قبل نقل التيار الكهربائي عبر خطوط نقل القدرة لشبكة التوزيع، وتستخدم محولات أخرى لخفض الجهد بعد نقله من أجل الاستخدام الصناعي أو المنزلي. ويبين الشكل ١٩ ذلك النظام.
وتستخدم محولات صغيرة لخفض الجهد من ٢٢٠ فولت إلى أقل من ذلك؛ لكي يتناسب مع الأجهزة التي تعمل على البطاريات، كأن يخفض إلى ١٢ فولت، أو أقل من ذلك.
ماذا قرأت؟
ما الذي يقوم به المحول؟
يكون للمحول عادة ملفان من الأسلاك الملفوفة حول قلب حديدي، كما يبين الشكل ٢٠. إذ يوصل أحدهما بمصدر التيار المتردد، وعندما يسري التيار في هذا الملف يتولد مجال مغناطيسي في القلب الحديدي، كما يحدث في المغناطيس الكهربائي. ولأن التيار الكهربائي متردد، فيتغير المجال المغناطيسي واتجاهه باستمرار، مما يسبب تولد تيار متردد آخر في حلقات الملف الآخر للمحول.
الشكل ٢٠
يرفع المحول الكهربائي الجهد الكهربائي أو يخفضه. وتساوي نسبة عدد لفات الملف الابتدائي إلى عدد لفات الملف الثانوي نسبة الجهد الداخل إلى الجهد الناتج.
حدد: الجهد الناتج إذا كان الجهد الداخل ٦ فولت.
اسم الصورة:
08_تغيير_الجهد_الكهربائي_والمحولات.png
نسبة تحويل المحول الكهربائي
سواء أكان المحول رافعًا للجهد أو خافضًا له، فإن نسبة عدد لفات الملف الابتدائي إلى عدد لفات الملف الثانوي تساوي النسبة بين الجهد الداخل إلى المحول والجهد الخارج منه.
ولعلك تلاحظ في الشكل ٢٠ أن نسبة عدد لفات الملف الابتدائي إلى عدد لفات الملف الثانوي هي ٣ : ٩، وعند اختصارها تصبح ١ : ٣. ومن ذلك نستنتج أنه إذا كان الجهد الداخل ٦٠ فولت فإن الجهد الناتج لا بد أن يكون ١٨٠ فولت.
يكون الجهد الكهربائي في المحول أعلى في الجهة التي تحتوي على عدد لفات أكثر. فإذا كان عدد لفات الملف الابتدائي أكبر من عدد لفات الملف الثانوي فإن المحول يكون خافضًا للجهد. وعلى العكس من ذلك إذا كان عدد لفات الملف الابتدائي أقل من عدد لفات الملف الثانوي فإن المحول يكون رافعًا للجهد.
الموصلات الفائقة التوصيل
يتدفق التيار الكهربائي بسهولة عبر المواد الموصلة، ومنها الفلزات، على الرغم من وجود بعض المقاومة للتيار عبر المواد الموصلة، والتي تؤدي إلى تسخين الموصل بفعل تصادمات الإلكترونات المتحركة مع ذرات الموصل.
وهناك مواد تسمى الموصلات الفائقة التوصيل، لا يواجه التيار الكهربائي فيها أي مقاومة. وتكون المادة الفائقة التوصيل عند تبريد مادة معينة إلى درجة حرارة منخفضة جدًا. فمثلًا، يصبح الألومنيوم فائق التوصيل عند درجة -٢٧٢° سيلسيوس. وعندما يمر التيار الكهربائي في مادة فائقة التوصيل لا يحدث تسخين ولا ضياع للطاقة الكهربائية.
الموصلات الفائقة التوصيل والمغناطيس
للموصلات الفائقة التوصيل صفة أخرى غير عادية. فعلى سبيل المثال، يتنافر المغناطيس مع المادة الفائقة التوصيل؛ فعندما يقترب المغناطيس منها تقوم المادة الفائقة التوصيل بتوليد مجال مغناطيسي معاكس للمجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى طفو المغناطيس فوق سطح المادة الفائقة التوصيل، كما يظهر في الشكل ٢١.
الشكل ٢١
يطفو المغناطيس الصغير فوق مادة فائقة التوصيل الكهربائي. ويؤدي إلى أن تنتج المادة الفائقة التوصيل مجالًا مغناطيسيًا يتنافر مع المغناطيس الصغير.
الربط مع التاريخ
حرب التيارات الكهربائية
في أواخر القرن التاسع عشر كانت الكهرباء تنقل بنظام التيار المستمر الذي طوره العالم توماس أديسون. وللحفاظ على هذا التطور قاد أديسون حربًا ضد استخدام التيار المتردد في نقل الكهرباء الذي طوره العالمان جورج واشنطن ونيقولا تسلا، إلا أنه عام ١٨٩٣م ثبت أن نقل الطاقة باستخدام التيار المتردد كان اقتصاديًا وأكثر كفاءة؛ لذا أصبح التيار المتردد معتمدًا.
اسم الصورة:
09_الموصلات_الفائقة_التوصيل_والمغناطيسية_والتاريخ.png
استخدام الموصلات الفائقة التوصيل
يمكن أن يمر تيار كهربائي كبير في السلك المصنوع من مادة فائقة التوصيل. فإذا صنع من هذا السلك مغناطيس كهربائي، فسيكون مجال هذا المغناطيس قويًا جدًا.
ويستخدم مسارع الجسيمات الموضح في الشكل ٢٢ ما يزيد على ١٠٠٠ مغناطيس كهربائي فائق التوصيل؛ ليساعد على تسريع الجسيمات الذرية «مكونات الذرة»، لكي يكون لها سرعة كبيرة تقارب سرعة الضوء.
وتستخدم الموصلات الفائقة التوصيل أيضًا في صناعة أسلاك نقل الطاقة الكهربائية، حيث يمكنها نقل القدرة الكهربائية لمسافات بعيدة، دون خسارة أي كمية من الطاقة الكهربائية على شكل طاقة حرارية.
ومن الممكن استخدامها في صناعة الشرائح الإلكترونية لأجهزة الحاسوب. كما تستخدم في صناعة المغناطيسات المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي MRI.
الشكل ٢٢
يعمل مسارع الجسيمات على تسارع الجسيمات الذرية حتى تبلغ سرعتها مقدارًا قريبًا من سرعة الضوء. وتنتقل الجسيمات في حزمة قطرها بضعة مليمترات. وتعمل مغناطيسات مصنوعة من مواد فائقة التوصيل على تحريك الجسيمات في مسار دائري قطره ٢٢ كم.
التصوير بالرنين المغناطيسي
تستخدم تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي MRI، المجالات المغناطيسية لتصوير مقاطع داخل جسم الإنسان؛ وذلك للكشف عن تلف الأنسجة أو الأمراض، أو وجود الأورام الخبيثة.
وعلى خلاف الأشعة السينية التي يمكن أن تسبب تلفًا لأنسجة الجسم عند التصوير، فإن التصوير بالرنين المغناطيسي يستخدم مجالًا مغناطيسيًا قويًا والموجات الراديوية؛ حيث يتم إدخال المريض داخل جهاز، كما هو موضح في الشكل ٢٣.
يوجد داخل الجهاز مغناطيس كهربائي فائق التوصيل، يولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا يصل إلى قوة ٦٠٠٠٠ ضعف شدة المجال المغناطيسي للأرض.
الشكل ٢٣
يتم إدخال المريض في جهاز الرنين المغناطيسي، حيث يعمل المجال المغناطيسي القوي على التقاط صور للأنسجة داخل جسم المريض.
اسم الصورة:
10_الموصلات_فائقة_التوصيل_والتصوير_بالرنين_المغناطيسي.png
إنتاج صور بالرنين المغناطيسي
تشكل ذرات الهيدروجين ٦٣٪ من الذرات الموجودة في جسم الإنسان. ونواة ذرة الهيدروجين هي البروتون الذي يسلك سلوك مغناطيس صغير.
عند التقاط الصورة يعمل المجال المغناطيسي القوي داخل أنبوب الجهاز على ترتيب هذه البروتونات في جسم الإنسان مع اتجاه المجال. وبعد ذلك تسلط موجات راديوية على المكان المراد تصويره من الجسم، فتمتص البروتونات في جسم الإنسان جزءًا من طاقة هذه الأمواج، فيتغير ترتيب محاذاتها للمجال.
وبعد غلق مصدر الموجات الراديوية تعود البروتونات المزودة بالطاقة إلى الاصطفاف مع المجال المغناطيسي، باعثة طاقتها التي امتصتها. وتعتمد كمية الطاقة المنبعثة على نوع النسيج داخل الجسم. وفي أثناء ذلك يتم التقاط هذه الطاقة وإرسالها إلى الحاسوب، ليعمل بدوره على تحويلها إلى صور كالتي تظهر في الشكل ٢٤.
الشكل ٢٤
مقطع عرضي للدماغ، تظهره صورة باستخدام الرنين المغناطيسي.
ربط الكهرباء بالمغناطيسية
هناك علاقة بين الشحنات الكهربائية والمغناطيس. تتمثل هذه العلاقة في أن حركة الشحنة الكهربائية ينتج عنها مجال مغناطيسي، ويؤثر المجال المغناطيسي بقوة في الشحنات الكهربائية المتحركة. وهذه العلاقة هي التي تجعل المحرك الكهربائي والمولد الكهربائي يعملان.
مراجعة الدرس ٢
الخلاصة
المغناطات الكهربائية
- يتولد مجال مغناطيسي حول سلك يسري فيه تيار.
- يصنع المغناطيس الكهربائي عن طريق لف سلك يسري فيه تيار كهربائي حول قلب من الحديد.
المحرك والمولد والمحول
- يحول المحرك الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية، ويدور المحرك عندما يمر تيار كهربائي في ملفه المحاط بمجال مغناطيسي.
- يحول المولد الكهربائي الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية، وينتج الكهرباء عندما يدور ملفه داخل مجال مغناطيسي.
- يغير المحول الكهربائي فرق الجهد للتيار المتردد.
اختبر نفسك
- صف كيفية اعتماد قوة المغناطيس الكهربائي على مقدار التيار وعدد اللفات.
- وضح كيفية عمل المحول الكهربائي.
- صف كيفية تأثير المغناطيس في سلك يسري فيه تيار.
- صف عملية توليد التيار المتردد.
- التفكير الناقد: عدد مزايا وسلبيات استخدام الموصلات فائقة التوصيل في صناعة أسلاك نقل الطاقة الكهربائية؟
تطبيق الرياضيات
- احسب النسبة: إذا كان عدد لفات الملف الابتدائي لمحول كهربائي ١٠ لفات، وعدد لفات ملفه الثانوي ٥٠ لفة، وكان الجهد على الملف الابتدائي ١٢٠ فولت، فما مقدار الجهد على ملفه الثانوي؟
اسم الصورة:
11_نتائج_تصوير_الرنين_المغناطيسي_ومراجعة_الدرس.png
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.