☰ خطة العام · العلوم (بالعربية)

القوى الكهربية والمغناطيسية: المغناطيسات الكهربية والمحركات والمولدات

الأسبوع 9 · الدرس الثالث «القوى الكهربية والمغناطيسية»: التأثير المغناطيسي للتيار والمغناطيس الكهربي وقوته والقوة المؤثرة في سلك يمر به تيار والمحرك الكهربي وعزم الازدواج والمولد الكهربي · 3 دروس
2

قوة على سلك: المحرك الكهربي

Science Prep 3 Term 1, Unit 2: pp. 54–63
الهدفأشرح القوة المؤثرة في سلك يحمل تيارًا داخل مجال مغناطيسي وكيف يستخدمها المحرك الكهربي ذو التيار المستمر ليدور.
كلمات جديدة
القوة المغناطيسية · القوة المؤثرة في سلك يحمل تيارًا موضوع في مجال مغناطيسي، عمودية على السلك وعلى المجالعزم الازدواج · التأثير الدوراني لقوتين متساويتين متعاكستين تعملان على خطين مختلفينعاكس التيار (أسطوانة معدنية مشقوقة) · أسطوانة معدنية مشقوقة في المحرك تعكس التيار في الملف كل نصف دورة ليستمر في الدوران في الاتجاه نفسه
الشرح

السلك المستقيم الذي يحمل تيارًا ويقع عبر مجال مغناطيسي تؤثر فيه قوة مغناطيسية عمودية عليهما معًا، وقد تحركه. ويستخدم المحرك الكهربي البسيط ذو التيار المستمر هذه الفكرة. ملف من سلك نحاسي معزول يستطيع أن يدور بين قطبي مغناطيس دائم. ويتصل طرفاه بالمصدر عبر عاكس تيار (أسطوانة معدنية مشقوقة) وفرشتين من الجرافيت. يمر التيار صاعدًا في أحد الضلعين الطويلين للملف ونازلًا في الآخر، فتكون القوتان على الضلعين متساويتين ومتعاكستين وعلى خطين مختلفين. ويسمى زوج القوى هذا ازدواجًا، وهو يدير الملف. ويزداد العزم بزيادة التيار وعدد اللفات ومساحة الملف وبقوة المغناطيس أو بكثرة المغناطيسات. وعكس التيار أو تبديل قطبي المغناطيس يعكس اتجاه الدوران. ويحوّل المحرك الطاقة الكهربية إلى طاقة حركة، للمراوح والخلاطات والغسالات والسيارات الكهربية والمترو، لكن كفاءته ليست ١٠٠٪: فيتحول جزء من الطاقة إلى حرارة. والملف الموصل ببطارية مدة طويلة يسخن. ويغير مثقاب المفك سرعة المحرك للأعمال المختلفة.

التغييرالتأثير في المحرك
تيار أكبرعزم أكبر
لفات أكثرعزم أكبر
مغناطيس أقوىعزم أكبر
عكس التيار أو تبديل القطبينيعكس الدوران
أمثلة محلولة
داخل٢٠ Jخارج١٦٤
يأخذ محرك ٢٠ J من الطاقة الكهربية ويعطي ١٦ J من طاقة الحركة المفيدة. والباقي ٢٠ J − ١٦ J = ٤ J يصبح حرارة. فالطاقة كلها محسوبة، والمحرك ليست كفاءته ١٠٠٪.
يدور محرك لعبة في اتجاه عقارب الساعة بعمود واحد. بُدِّل السلكان على العمود فدار عكس عقارب الساعة. عكس التيار يعكس القوة على كل ضلع من الملف، فيدور الملف في الاتجاه المعاكس.
لماذا يسخن محرك الخلاط بعد وقت طويل؟ لأن جزءًا من الطاقة الكهربية يتحول إلى حرارة داخل الملف بدلًا من طاقة حركة. ولهذا تُصمم المحركات لتستريح، ولا يجوز أن يمسك الكبير محركًا عالقًا وهو يعمل.
نشاط الفصل

محرك اللعبة، بمساعدة أحد الكبار. صل محرك لعبة صغيرًا بعمود واحد ١٫٥ V وراقب دورانه. بدّل التوصيلتين وصف ما يتغير. لا تمسك العمود وهو موصول، ولا تتركه يعمل مدة طويلة. ارسم الأجزاء الرئيسية من الذاكرة: الملف وقطبي المغناطيس وعاكس التيار والفرشتين والمصدر. وارسم القوتين على ضلعي الملف سهمين متساويين متعاكسين.

تدرّب
1
في أي اتجاه تؤثر القوة في سلك يحمل تيارًا داخل مجال مغناطيسي؟
2
مم يتكوّن عزم الازدواج في الملف؟
3
اذكر طريقتين لجعل المحرك يدور أسرع أو بعزم أكبر.
4
يأخذ محرك ٥٠ J ويعطي ٤٢ J من طاقة الحركة. كم يتحول إلى حرارة؟
5
ما تحول الطاقة الذي يحدث في المحرك؟