القوى الكهربية والمغناطيسية: المغناطيسات الكهربية والمحركات والمولدات
Week 9 · Lesson 3 Electric and Magnetic Forces: the magnetic effect of current, the electromagnet and its strength, force on a current-carrying wire, the electric motor and its torque, the electric generator · 3 lessons
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.
التغيير
التأثير في المحرك
تيار أكبر
عزم أكبر
لفات أكثر
عزم أكبر
مغناطيس أقوى
عزم أكبر
عكس التيار أو تبديل القطبين
يعكس الدوران
أمثلة محلولة
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؟
عمودية على السلك وعلى المجال.
2
مم يتكوّن عزم الازدواج في الملف؟
قوتان متساويتان ومتعاكستان على الضلعين الطويلين على خطين مختلفين.
3
اذكر طريقتين لجعل المحرك يدور أسرع أو بعزم أكبر.
مثلًا: تيار أكبر أو مغناطيس أقوى (وزيادة اللفات أو مساحة الملف تساعد أيضًا).
4
يأخذ محرك ٥٠ J ويعطي ٤٢ J من طاقة الحركة. كم يتحول إلى حرارة؟