كيف يعمل المغناطيس الكهربائي؟ جذابٌ للغاية

    كما ذكرنا في المقال السابق ضمن السلسلة، المغناطيس الكهربائي الأساسي ليس معقدًا؛ إذ يمكنك صنع واحد بنفسك باستخدام أدوات أنت تملكها غالبًا.

وشيعة من سلك نحاسيّ معزول ملتفة حول قضيب معدني، السلك سوف يتعرض لارتفاع في درجة الحرارة، لهذا فإنَّ عملية عزل السلك ضرورية.

القضيب الذي يلتف حوله السلك يسمى نواة (Solenoid)، والحقل المغناطيسي الناتج ينتشر من هذه النواة، وقوة المغناطيس تتعلق مباشرةً بعدد لفات السلك حول القضيب المعدنيّ. ومن أجل حقل مغناطيسي أقوى، يجب على السلك أن يكون ملفوفًا بإحكام.

    حسنًا هنالك أكثر من ذلك بقليل، كلما شُد السلك بإحكام أكبر حول النواة زاد التيار الكهربائي المار به، مُزيدًا من قوة الحقل المغناطيسي،إضافةً إلى قوة إحكام شد السلك، فإنَّ نوع المادة المستخدمة في صنع النواة تؤثر في قوة المغناطيس أيضًا.

على سبيل المثال، فإنَّ الحديد هو معدن عالي النفاذية ما يعني أنّه بالإمكان أن ينتشر منه حقل أكبر -النفاذية هي طريقة أخرى لوصف جودة المادة المستخدمة لتوليد الحقل المغناطيسي- كلما زادت موصلية مادة للحقل المغناطيسي كانت ذات نفاذية أعلى.

ما يهمنا أنَّ إضافة نواة حديدية لمغناطيس كهربائي، سوف يغير من شكل الذرات، فقبل تمرير التيار حول النواة، تكون الذرات حول النواة المعدنية منتشرةً عشوائيًا، وبدون اتجاه محدد، وعندما يُمرر التيار الكهربائي يخترق الحقل المغناطيسي النواة المعدنية، ويعيد ترتيب الذرات، ومع حركة هذه الذرات وبالاتجاه نفسه فإنَّه يتنامى الحقل المغناطيسي، وتنتظم الذرات ضمن صفوف على شكل نطاقات تزيد وتنقص حسب كمية التيار.

 إذًا عبر التحكم بتدفق التيار يمكن التحكم بقوة المغناطيس، وحتى نصل إلى نقطة الإشباع والتي تكون عندها النطاقات منتظمة جميعها، مما يعني أنّه بزيادة التيار بعد نقطة الإشباع لن تزيد قوة المغناطيس، ربما إذًا علينا التفكير بقطعة حديد أكبر تحوي عددًا أكبر من الذرات.

عبر التحكم بالتيار، يمكنك التحكم بتشغيل المغناطيس وإيقافه، فعند قطع التيار الكهربائي؛ تعود الذرات إلى وضعها الطبيعي، والتي تفقد عندها النواة مغنطتها -عمليًا تبقى بعض الخواص المغناطيسية، لكنها قليلة جدًا ولفترة ليست طويلة-.

    أمَّا بالنسبة للمغناطيس الدائم التقليدي، الذي يُستخدم عادةً لتعليق الصور والملاحظات على باب الثلاجة، فإنَّ الذرات فيه دائمًا في حالة انتظام، وقوة المغنطة فيه دائماً ثابتة -هل تعلم أنه بإمكانك أن تنزع هذه الخاصة الجاذبة من المغناطيس الدائم عبر إسقاطه؟ الارتطام بإمكانه أن يسبب انزياح الذرات وخروجها عن الانتظام، ويمكن إعادة تنظيمها عبر دعكها بمغناطيس آخر. 

لنعد إلى موضوعنا في المغناطيس الكهربائي التقليدي. ماذا عن الكهرباء؟ فهي تحتاج أن تأتي من مكان ما ليُشغل المغناطيس، صحيح؟

     بما أننا بحاجة للتيار الكهربائي لتشغيل المغناطيس الكهربائي، إذًا من أين نحصل على هذه الكهرباء؟ الجواب السريع هو أنه أي شيء يمكنه توليد الكهرباء يمكن استخدامه في تغذية المغناطيس الكهربائي، من البطاريات AA الصغيرة التي تغذي أجهزة التحكم بالتلفاز إلى المحطات الكهربائية الصناعية والضخمة التي تكون مرتبطة مباشرةً مع الشبكة الكهربائية، أي شي يسبب تخزين أو حركة للإلكترونات بإمكانه تغذية المغناطيس الكهربائي.

     لنأخذ نظرةً سريعةً على كيفية عمل البطاريات، معظم البطاريات لها قطبين يمكن التمييز بينهما، موجب وآخر سالب، عندما لا تكون البطارية قيد الاستخدام، تتجمع الإلكترونات عند القطب السالب، وعندما تُوضع البطاريات في جهاز فإنَّ القطبين يصبحان على تماسٍ مع المكونات ضمن الجهاز، مما يؤدي إلى إغلاق الدائرة والسماح للإلكترونات بالتحرك بحريةٍ بين القطبين، وفي حالة جهاز التحكم بالتلفاز، فإنَّ هذا الجهاز مهيأ ليعمل على حمل Load أو مخرج، هذا الحمل هو مكونات الجهاز التي تعمل معًا، أمَّا إذا ما قمت بتوصيل سلك مباشرةً بين طرفي البطارية من دون حمل، فإنَّ الطاقة ستستنزف مباشرةً من البطارية.

     وعند حدوث هذا الأمر، فإنَّ الإلكترونات المتحركة أيضًا تخلق حقلًا مغناطيسيًا، وإذا ما نزعت البطاريات من جهاز التحكم، فإنه من المرجّح أن يبقى فيه بعض المغنطة، ولن تكون كافية -طبعًا- لرفع سيارتك؛ لكن ربما يمكنها جذب بعض برادة الحديد أو حتى مشبك ورقي.

المصادر:

هنا

الدراسات المرجعية: