الفكرة الأساسية
لا تبقى القوة المغناطيسية فكرة نظرية في الكتب. عندما نضع سلكًا أو ملفًا يمر فيه تيار داخل مجال مغناطيسي، يمكن أن نحصل على حركة، أو دوران، أو انحراف مؤشر. من هنا جاءت أجهزة مهمة مثل المحرك الكهربائي والجلفانومتر.
المقال السابق يشرح القوة على السلك والعزم على الملف، أما هذا المقال فيجمع الفكرة في تطبيقات عملية حتى يرى الطالب لماذا ندرس هذه القوانين أصلًا.
أولًا: المحرك الكهربائي
المحرك الكهربائي جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية. فبدل أن يبقى التيار مجرد مرور شحنات في أسلاك، يُستخدم التيار لإنتاج دوران ميكانيكي.
توجد محركات كهربائية في المراوح، والخلاطات، والغسالات، والسيارات الكهربائية، والألعاب، وكثير من الأجهزة المنزلية.
كيف يعمل المحرك الكهربائي؟
يعتمد المحرك البسيط على ملف يمر فيه تيار كهربائي، وموضوع داخل مجال مغناطيسي. عندما يمر التيار في جانبي الملف، تؤثر في كل جانب قوة مغناطيسية. تكون القوتان غالبًا في اتجاهين متعاكسين بحيث تولدان عزم دوران يجعل الملف يدور.
القانون المرتبط بالقوة على السلك هو:
\( F = BIL\sin\theta \)
أما القانون المرتبط بعزم الملف فهو:
\( \tau = NIAB\sin\theta \)
دور المبدل في المحرك
لو دار الملف نصف دورة فقط ثم بقي اتجاه التيار كما هو، فقد يتوقف أو يبدأ في الدوران عكس الاتجاه. لذلك يستخدم المحرك البسيط جزءًا يسمى المبدل. وظيفة المبدل هي عكس اتجاه التيار في الملف في الوقت المناسب، حتى يستمر العزم في تدوير الملف بالاتجاه نفسه.
بعبارة أبسط: المبدل يشبه شخصًا يدفع الأرجوحة في اللحظة المناسبة، لا في اللحظة الخاطئة.
مثال تفكيري على المحرك
إذا زاد التيار المار في ملف المحرك، ماذا يحدث غالبًا لعزم الدوران؟
من العلاقة:
\( \tau = NIAB\sin\theta \)
نلاحظ أن العزم يتناسب طرديًا مع التيار \( I \). لذلك عند زيادة التيار، يزداد العزم إذا بقيت العوامل الأخرى ثابتة.
ثانيًا: الجلفانومتر
الجلفانومتر جهاز حساس يستخدم للكشف عن التيارات الكهربائية الصغيرة وقياسها. يعتمد في عمله على ملف صغير يمر فيه تيار داخل مجال مغناطيسي.
عندما يمر التيار في الملف، يتأثر الملف بعزم دوران. هذا العزم يسبب انحراف مؤشر أو ملف متحرك. وكلما زاد التيار، زاد الانحراف ضمن حدود معينة.
كيف يختلف الجلفانومتر عن المحرك؟
الاثنان يعتمدان على الفكرة نفسها: تيار في ملف داخل مجال مغناطيسي ينتج عزمًا. لكن الفرق في الهدف:
- المحرك: نريد دورانًا مستمرًا لإنتاج حركة.
- الجلفانومتر: نريد انحرافًا محدودًا يدل على مقدار التيار.
لذلك يحتوي الجلفانومتر عادة على نابض يعيد المؤشر إلى موضعه، ويجعل زاوية الانحراف مرتبطة بشدة التيار.
العلاقة بين التيار والانحراف
عندما يزداد التيار في ملف الجلفانومتر، يزداد العزم المغناطيسي المؤثر في الملف. ويزداد انحراف المؤشر حتى يصل إلى وضع تتوازن فيه القوة أو العزم المغناطيسي مع تأثير النابض.
لهذا السبب يمكن تدريج الجلفانومتر لقراءة التيار.
تحويل الجلفانومتر إلى أميتر أو فولتميتر
يمكن استخدام الجلفانومتر في أجهزة قياس مختلفة:
- الأميتر: يقيس التيار، ويوصل عادة على التوالي مع الدائرة. ولحماية الجلفانومتر، يوصل معه مقاوم صغير على التوازي يسمى مقاومة مجزئة.
- الفولتميتر: يقيس فرق الجهد، ويوصل على التوازي مع العنصر المراد قياس جهده. ويضاف معه مقاوم كبير على التوالي لتقليل التيار المار في الجهاز.
لا يلزم في المستوى المدرسي دائمًا الدخول في تفاصيل تصنيع الجهاز، لكن المهم فهم أن أساس العمل هو عزم ملف يمر فيه تيار داخل مجال مغناطيسي.
مثال تطبيقي
ملف في جهاز قياس يتكون من \( 80 \) لفة، مساحة كل لفة \( 0.010 m^2 \)، يمر فيه تيار \( 0.20 A \)، وموجود داخل مجال مغناطيسي شدته \( 0.50 T \). إذا كانت الزاوية \( 90^\circ \)، فاحسب العزم.
نطبق:
\( \tau = NIAB\sin\theta \)
\( \tau = 80 \times 0.20 \times 0.010 \times 0.50 \times 1 \)
\( \tau = 0.08 N \cdot m \)
إذن العزم المؤثر في الملف يساوي \( 0.08 N \cdot m \).
مقارنة مختصرة
| الجهاز | الفكرة الفيزيائية | الهدف |
|---|---|---|
| المحرك الكهربائي | عزم على ملف يمر فيه تيار داخل مجال مغناطيسي | إنتاج دوران مستمر |
| الجلفانومتر | عزم يسبب انحراف ملف أو مؤشر | الكشف عن التيارات الصغيرة أو قياسها |
| الأميتر | جلفانومتر معدل بمقاومة مناسبة | قياس شدة التيار |
| الفولتميتر | جلفانومتر معدل بمقاومة كبيرة | قياس فرق الجهد |
أخطاء شائعة
- الاعتقاد أن المحرك يعمل بمجرد وجود مجال مغناطيسي فقط، مع أن مرور التيار في الملف ضروري.
- نسيان أن المبدل يساعد على استمرار الدوران في اتجاه واحد.
- الخلط بين الجلفانومتر والأميتر والفولتميتر.
- الاعتقاد أن زيادة عدد اللفات لا تؤثر، مع أنها تزيد العزم وفق العلاقة \( \tau = NIAB\sin\theta \).
- توصيل الأميتر على التوازي أو الفولتميتر على التوالي، وهذا خطأ في الدوائر العملية.
خلاصة
تعتمد المحركات والجلفانومترات على مبدأ واحد: التيار داخل مجال مغناطيسي يتعرض لقوة أو عزم. في المحرك نستخدم العزم لإنتاج دوران مستمر، وفي الجلفانومتر نستخدمه لإنتاج انحراف يدل على شدة التيار. لذلك تعد هذه التطبيقات جسرًا مهمًا بين قوانين المغناطيسية والأجهزة العملية.