كيف يعمل المغناطيس الكهربائي؟ تقنياتٌ فائقةٌ

إنَّ للمغانط الكهربائيَّة في كثيرٍ من التَّطبيقات مميزات عن المغانط الدائمة؛ لأنَّه بإمكاننا التحكم بتشغيلهم وإيقافهم بسهولةٍ، والتحكم بقوتهم عبر التحكم بالتيار الكهربائي المار حول النواة زيادةً أو نقصانًا.

تعتمد التقنيات الحديثة بكثرةٍ على المغانط الكهربائيَّة لتخزين المعلومات باستخدام أجهزة تخزين مغناطيسية، وعندما تُخزن ملفات جديدة إلى قرص التخزين الخاص بك في حاسوبك -مثلًا- فإنَّ أجزاء معدنية ممغنطة ومتناهية الصغر تتغير شحنتها بطريقةٍ تناسب الملفات المخزنة؛ إذ تُخزَّن بنمطِ العد الثنائي (Binary) التي يفهمها الحاسب (أصفار وواحدات)، وعندما تُريد استخدام هذه المعلومات فإنَّه يُعاد تشكيل هذه المعلومات بطريقةٍ ما لتُصبح مفيدة.

إذاً ما الذي يجعل هذا مغناطيسًا كهربائيًّا؟

التيار الذي يمرُّ عبر دوائر الحاسوب هو الذي يشحن هذه الأجزاء المعدنية الصغيرة، وهو المبدأ نفسه المستخدم في أشرطة التَّسجيل (الكاسيت)، وهذا السبب الذي يجعلنا نسمي المغناطيس بأنَّه ذاكرة هذه الأجهزة.

المغانط الكهربائيَّة أيضًا مهدت الطريق لتسخير الآلات الكهربائيَّة، المحرك يبدأ بالدوران لأنَّ التيار الكهربائي المُنتقل من المقبس الكهربائي يولد حقلًا كهربائيًّا.

فالحقيقة أنَّ الكهرباء ليست ما يحرك المحرك بشكله الدوراني، وإنَّما الحقل المغناطيسي المتولد عن تلك الكهرباء، وقوة المغنطة هي التي تولد حركةً دورانيَّةً، مما يعني أنَّ محور المحرك يدور حول نقطةٍ ثابتةٍ، كما تدور عجلة السيارة حول المحور الخاص بها.

التيار الذي يُسحب لأجل تشغيل هذه التطبيقات قد يكون كبيرًا بعض الشيء، ألم تلاحظ كيف أنَّ تشغيل حمل كبير مثل التلفاز أو الغسالة يُمكن أن يؤدي إلى ضعف في إضاءة المنزل لبعض الوقت؟ هذا لأنَّ الحمل المُشغّل يسحب كميةً كبيرةً من الطاقة في البداية، ولكن هذه الكمية الكبيرة هي مطلوبة فقط لإقلاع المحرك. وعندما ينتهي الإقلاع، يُساعد التحريض المغناطيسي في عملية الدوران، مما يؤدي إلى انخفاض كمية التيار.

يمكننا الانتقال من التطبيقات المنزليَّة إلى آلات أكثر تعقيدًا لنرى كيف أنَّ المغانط الكهربائيَّة تُستخدم لفهم الكون المحيط بنا، فمُسرّعات الجُسيمات هي آلات تدفع جسيمات مشحونة واحدةً باتجاه الأخرى بسرعات عالية جدًا بهدف ملاحظة ما الذي سوف يحدث عندما يتم التصادم.

هذه الحزم من الجسيمات دون الذرية صغيرة للغاية، والتحكم بمسارها أمرٌ شديد الدقة حتى لا تخرج عن مسارها وتخرّب الآلة؛ هنا يظهر دور المغانط الكهربائيَّة.

المغانط موجودة على طول الطريق للحزم المتصادمة، وشدة القوة المغناطيسيَّة هي التي تتحكم بسرعة هذه الجسيمات ومسارها.

لمحة عن الأعمال ليست سيئة لصديقنا المغناطيس الكهربائي، أليس كذلك؟ فمن شيء يمكنك تصميمه في منزلك حتى تشغيل أعقد الأشياء بالنسبة للعلماء والمهندسين، مما يبين دورها الكبير في حياتنا.

هل أنت جاهز لتطبيق بعض تجارب المغانط الكهربائيَّة بنفسك؟ بالتأكيد؛ فالأمر بسيط.

المغانط الكهربائيَّة سهلة الصنع، فقط بعض المكونات القليلة مع مصدر تغذية. 

أولًا، أنت بحاجة إلى هذه الأدوات:

· مسمار حديدي، بطول 15 سنتيمترًا على الأقل.

· سلك نحاسي معزول، يكفي لصنع عدد من اللفات حول المسمار (قرابة 10 أو أكثر).

· بطارية من القياس D.

بعد أن تمتلك هذه الأدوات، قم بإزالة العزل عن طرفي السلك النحاسي (فقط الأطراف)، بكمية معينة كافية لتأمين توصيل هذه الأطراف مع مصدر التغذية، ولُفّ السلك حول المسمار محافظًا على الطرفين غير المعزولين، ولفه مع تطبيق الشدِّ قدر الإمكان؛ لزيادة شدة المغناطيس (انتبه كي لا يُقطع)، وأخيرًا صل البطارية (لا يهم أيّ طرف من الأطراف يُوصل إلى الموجب، وأيهما إلى السالب في حالتنا هذه)، والآن استمتع بمغناطيسك الكهربائي! 

لم تكتفِ من التجارب على المغناطيس الكهربائي؟ لدينا بعض الأفكار الرائعة لك:

· ما شدة القوة المغناطيسيَّة المتكونة من تشكيل 5 لفات من السلك حول المسمار أو باستخدام 25 لفة أو 100 لفة؟ جرّب إعادة تشكيل المغناطيس بعددٍ متغير من اللفات، ولاحظ ما الذي يحدث؟ يمكنك قياس التغير عبر ملاحظة عدد الأجزاء المعدنية الصغيرة من البرادة التي يمكن لمغناطيسك جذبها مع كل تجربة.

· ما الذي سيختلف لو قمنا باستبدال النواة الحديدية بأخرى من الألمنيوم؟

استبدل المسمار الحديدي بقطعة أنبوب من الألمنيوم، ولاحظ ما الذي سيحدث؟ وفي حال وضعنا نواة من البلاستيك مثل قلم حبر أو من الخشب مثل قلم رصاص؟

· كيف يمكننا حقًا أن نعرف أنَّ هناك حقلًا مغناطيسيًّا؟

يمكنك أن تشاهد الحقل المغناطيسي باستخدام برادة الحديد، عبر شراء برادة الحديد، ثمَّ ضع القليل من برادة الحديد الخفيفة على صفحةٍ من الورق، ومن ثمَّ ضع الورقة فوق المغناطيس، وعاير الورقة حتى تحصل على شكل الحقل المغناطيسي المحيط بالمغناطيس.

شاركونا ماذا تريدون أن تعلموا أكثر عن المغناطيس والمغنطة؟

المصدر:

هنا

الدراسات المرجعية:

1- Electromagnets.” Encyclopædia Britannica Online. (Sep 23. 2011) هنا

2- Ferromagnets.” Boston University. (Sept. 21, 2011) هنا

3- Grossman, Lisa. “Tube Full of Plasma Creates Solar Eruption in Lab.” Wired Magazine. Aug. 31, 2010. (Sept. 26, 2011) هنا

4- Mansfield. A.N. “Electromagnets – Their Design and Construction.” Rough Draft Printing. July, 2007

5- NOVA Teachers. “NOVA ScienceNOW: CERN.” (Sept. 23, 2011) هنا

6- Underhill, Charles Reginald. “Solenoids, Electromagnets and Electromagnetic Windings.” Nabu Press. March 20, 2010