تحقيق مسبار
يدخل المغناطيس الكهربائي في الكثير من المجالات، كما أنه يدخل في إنتاج العديد من الأجهزة الكهربائية التي يتم استخدامها يوميًا؛ مثل أجهزة التلفاز. يوضّح هذا المقال تعريف المغناطيس الكهربائي بالإضافة إلى أنواعه وعددٍ من استخداماته، إلى جانب المكونات الأساسية لهذا النوع من المغناطيسات.
هل يوجد فرق بين المغناطيس الكهربائي والمغناطيس الدائم؟
يختلف المغناطيس الكهربائي عن الدائم بشكل كبير؛ فإن المغناطيس الدائم يحتوي على مزيجٍ من الحديد والكوبالت والنيكل، ويستطيع إنتاج مجال مغناطيسي مستمر، كما يتمتع بخصائص مغناطيسية في جميع الأوقات. أمّا المغناطيس الكهربائي؛ فإنه يتضمن مكونات مختلفة، ويعتمد وجود المجال المغناطيسي فيه على الكهرباء، وإذا توقّف التيار الكهربائي؛ فإن خصائصه المغناطيسية تتوقّف.
ما هو تعريف المغناطيس الكهربائي؟
يُمكن تعريف المغناطيس الكهربائي بأنه مجموعةٌ من المكونات التي ترتبط مع بعضها البعض لتكوين مجال مغناطيسي عندما تتدفق الكهرباء عبرها، ويتم استخدام هذا النوع من المغناطيسات على نحوٍ واسعٍ نتيجةً لتفاوت خصائصها وقوتها الكبيرة، وفيما يأتي بعضًا من خصائص ومميزات المغناطيس الكهربائي:
- التحكّم في شدّة المجال المغناطيسي: خلافًا للمغناطيس الدائم يُمكن التحكّم في شدّة المجال الذي يتولّد عن المغناطيس الكهربائي حسب الحاجة، وهو ما يجعلها مناسبة لكثيرٍ من الاستخدامات المختلفة، وأما المغناطيس الدائم؛ فلا يُمكن التحكّم في قوته.
- القوة الكبيرة: تستطيع المغناطيسات الكهربائية توفير قوة كبيرة جدًا، يفوق بعضها قوة المغناطيسات الطبيعية بشكل كبير جدًا.
- إمكانية إيقاف المغناطيس: بالنسبة إلى المغناطيس الكهربائي يُمكن للشخص إيقاف المجال الذي يتولّد عنه بسهولة من خلال إيقاف التيار الكهربائي، وأما المغناطيس الدائم؛ فلا يُمكن إيقاف مجاله المغناطيسي.
- المحافظة على الأداء: مع مرور الوقت تنخفض قوة المجال المغناطيسي في المغناطيس الدائم نتيجةً للعديد من العوامل كالرطوبة، بينما يحافظ المغناطيس الكهربائي على أدائه خلافًا للدائم.
من هو مخترع المغناطيس الكهربائي؟
كان الإنجليزي ويليام ستورجيون أول من اخترع المغناطيس الكهربائي عام 1825، بعد سنة واحدة من عمله مُحاضرًا في الكلية العسكرية الملكية داخل منطقة أديسكومب البريطانية، وهُناك العديد من الخطوات التي سبقت الوصول إلى اختراع ستورجيون وأسهمت معه في اختراع المحرك الكهربائي.
هل هناك علاقة بين المحرك والمغناطيس الكهربائيين؟
لا شك بأن هُناك علاقة بين المحرك الكهربائي والمغناطيس الكهربائي، وكان اكتشاف هذا المغناطيس خطوةً مهمةً في تاريخ تطوير المحركات الكهربائية، وفيما يأتي نبذة تاريخية عن الفترة الأولى من تطوير المغناطيسات والمحركات الكهربائية واختراعها:
- إنتاج الكهرباء المستمرة: تمكّن عالم الفيزياء الإيطالي ألساندرو فولتا من إنتاج أول طاقة كهربائية مستمرة عام 1800، بالاعتماد على كومة من ألواح الفضة والزنك، وكان ذلك اكتشافًا جديدًا يُخالف الشرارة والكهرباء الساكنة.
- اكتشاف توليد المجال المغناطيسي من الكهرباء: في عام 1820 استطاع هانز كريستيان أورستد اكتشاف إمكانية توليد المجال المغناطيسي بالاعتماد على الطاقة الكهربائية؛ وذلك من خلال ملاحظته لانحراف إبرة البوصلة.
- اختراع الملف الكهربائي: كان للفرنسي أندريه ماري أمبير قدم السبق في اختراع الملف اللولبي المعروف باسم الملف الكهربائي، وذلك في عام 1820.
- إثبات الدوران الكهرومغناطيسي: قام البريطاني مايكل فاراداي بإجراء تجربتين لإثبات الدوران الكهرومغناطيسي عام 1821؛ من خلال سلك مُعلّق بشكل عمودي ويتحرك حول المغناطيس.
- عجلة بارلو: في العام 1822 حاول البريطاني بيتر بارلو اختراع عجلة دوّارة عُرفت باسم عجلة بارلو، وهي عجلة دوارة أُحادية القطب، واعتمدت التجربة على التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي.
- اختراع المغناطيس الكهربائي: كان هُناك العديد من الأبحاث والتجارب التي تعتمد على العلاقة بين المجال المغناطيسي والتيار الكهربائية بحلول عام 1825، وهو العام الذي اخترع فيه ويليام ستورجيون أول مغناطيس كهربائي.
- اختيار أول آلة بمغناطيس كهربائي ومبادل: قام المَجرَي نيوس استفان جدليك باختراع أول آلة تعتمد على مغناطيس كهربائي ومُبادِل بين العامين 1826-1827؛ إلّا إنه تم الكشف عن اختراعه بعد عقود، ويعدّه البعض مخترع المحرك الكهربائي.
- اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي: استطاع البريطاني فارادي اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي عام 1831، وهو عبارة عن توليد تيار كهربائي بسبب مجال مغناطيسي متُغيّر، وكان هذا الاختبار أساسًا في تطوير المحرك الكهربائي.
- توالي الاكتشافات: بعد اكتشاف فارادي توالت الكثير من الاختراعات والاكتشافات الأُخرى، التي اعتمدت على بعضها البعض وتكاملت مع اكتشاف المغناطيس الكهربائي، حتى تم ابتكار المحرك الكهربائي الذي يتم استخدامه اليوم.
ما هي أنواع المغناطيس الكهربائي؟
تختلف قوة المغناطيس الكهربائي بناءً على نوعه والعديد من العوامل الأُخرى، وفيما يأتي قائمة بأنواع المغناطيس الكهربائي:
- المغناطيس الكهربائي المقاوم: يقوم هذا النوع بإنتاج المجال المغناطيسي في أسلاكٍ نُحاسية؛ فإن الكهرباء عندما تمر عبر الأسلاك تقوم بإنتاج مجال مغناطيسي ضعيف، ويمكن لف السلك حول قطعة من المعدن لتوفير مجال أكثر قوة.
- المغناطيس الكهربائي فائق التوصيل: يعمل هذا المغناطيس عن طريق تقليل المقاومة الكهربائية، ويستخدم النيتروجين السائل أو الهيليوم السائل؛ لتوفير درجات حرارة باردة جدًا إلى جانب النحاس والمكونات الأُخرى، وهو مغناطيس ذو إمكانيات كبيرة.
- المغناطيس الكهربائي الهجين: يجمع هذا النوع بين المغناطيس الكهربائي المقاوم وفائق التوصيل، وهُناك العديد من المغناطيسات الهجينة التي يتم تطويرها في الوقت الراهن؛ منها المغناطيس الذي يطوره مختبر لورانس بيركلي الوطني.
أين يتم استخدام المغناطيس الكهربائي؟
هُناك العديد من الأدوات والأجهزة التي تعتمد على المغناطيس الكهربائي، ومنها ما يأتي:
- أدوات الرفع القوية: لا يُمكن للمغناطيسات الدائمة توفير مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية لرفع الأدوات الثقيلة؛ لذلك يتم الاعتماد على بعض أنواع المغناطيس الكهربائي القوية في الأدوات المخصصة للقيام بهذه المهمة.
- القطارات فائقة السرعة: يتم إجراء بعض التجارب في الوقت الراهن؛ لإنشاء قطارات تصل سرعتها إلى 320 كيلومتر في الساعة بالاعتماد على تقنيات المغناطيس الكهربائي للتحرك والانطلاق.
- إنشاء المدافع: في الوقت الحالي يتم إجراء تجارب لإنتاج مدفع ضخم يعتمد على المغناطيس الكهربائي لإطلاق المقذوفات، ويُمكن أن تصل سرعة هذه المقذوفات إلى أكثر من 6 ماخ، وهذا يعني أنها أسرع من 6 أضعاف سرعة الصوت.
- جرس المنزل: يحتوي الجرس في المنزل على ملف من الأسلاك التي يتدفق فيها تيار مغناطيسي كهربائي، ويعمل مثل قضيب المغناطيس، ويستطيع هذا المغناطيس مغنطة مسمار حديدي وجذبه بسرعة كبيرة ليدق الجرس.
- الأجهزة الإلكترونية: هُناك الكثير من الأجهزة الكهربائية التي تحتوي على مغناطيسات كهربائية للقيام ببعض الوظائف؛ منها أجهزة الحاسوب وأجهزة التلفاز وأجهزة المذياع، بالإضافة إلى المصاعد وآلات النسخ.
- التصوير بالرنين المغناطيسي: يعتمد الأطباء على صور الرنين المغناطيسي لتشخيص الكثير من الأمراض والمشاكل الصحية الأُخرى، وتحتوي أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي على بعضٍ من أكثر أنواع المغناطيسات الكهربائية قوة.
كيف يمكن إنشاء مغناطيس كهربائي في المنزل؟
يُمكن اتباع الخطوات الآتية لإنشاء مغناطيس كهربائي في المنزل:
- تجهيز الأدوات: لا بد أولًا من توفير الأدوات التالية لإنشاء المغناطيس؛ وهي بطارية وحزام مطاطي وسلك نحاسي معزول طوله 30 سنتميتر تقريبًا، بالإضافة إلى مسمار كبير غير مصنوع من الألومنيوم و10 مشابك ورق معدنية.
- لف السلك حول البطارية: يتم لف السلك حول البطارية قُرابة 5 لفات، وذلك مع ترك مسافة كافية في كل من الطرفين حتى يستطيع الشخص توصيل السلك مع الأقطاب السالبة والموجبة للبطارية فيما بعد.
- توصيل أحد طرفي السلك: يمكن الاعتماد على الشريط المطاطي لتثبيت أحد طرفي السلك مع القطب القريب من البطارية، وذلك مع ترك القطب الآخر غير متصل كي لا يعبر التيار من خلاله.
- تشغيل المغناطيس الكهربائي: يستطيع الشخص توصيل القطب الآخر من أقطاب البطارية مع الطرف الآخر من السلك حتى يتم توليد مجال مغناطيسي على الفور.
- تجربة المغناطيس: يمكن استخدام المغناطيس الكهربائي السابق بسهولة كبيرة، وذلك من خلال وضعه بالقرب من المشابك الحديدية، ثم التحقّق من جذبه لها كما يفعل المغناطيس الدائم.
ما هي الاحتياطات الضرورية عند عمل المغناطيس الكهربائي؟
عند الرغبة بعمل تجربة المغناطيس الكهربائي في المختبر يجب على المرء مراعاة احتياطات السلامة الآتية حسب الجمعية الوطنية لتدريس العلوم:
- ارتداء النظارات: في حالة إجراء أي من التجارب في المختبر ينبغي على الشخص ارتداء نظارات الأمان المعقمة، وذلك أثناء إعداد المختبر قبل التجربة، وبعد الانتهاء من التجربة وأثناءها أيضًا.
- عدم إبقاء الأسلاك متصلة: بما أن تجربة المغناطيس الكهربائي تولّد الحرارة؛ فلا بُد من فصل السلك عن البطارية عند الانتهاء من جمع البيانات؛ ذلك حتى يضمن الشخص عدم الإصابة بأيٍّ من حروق الجلد إذا لمس الأسلاك الساخنة.
- الحذر عند التعامل مع الأسلاك والمسامير: عادةً ما تكون الأسلاك والمسامير المُستخدمة في تجربة المغناطيس الكهربائي حادّة، وهذا يعني أنها يُمكن أن تتسبب بثقب الجلد أو قطعه، ولهذا يجب على الشخص توخّي الحذر عند التعامل مع هذه المكونات.
- غسل اليدين: بعد الانتهاء من تجربة المغناطيس الكهربائي وأخذ جميع القراءات؛ إذا كان ذلك مطلوبًا، يجب غسل اليدين بالماء والصابون جيدًا لإزالة أية آثار من هذه التجربة على اليدين.
ما هُما المكونان الأساسيان للمغناطيس الكهربائي؟
هُناك مكونان أساسيان اثنان لأي مغناطيس كهربائي؛ هُما السلك ومصدر الطاقة، ويُمكن أن يكون مصدر الطاقة تيارًا مترددًا أو تيارًا مستمرًا، كما يُمكن أن يكون السلك بأي شكل من الأشكال. وتعتمد قوة المغناطيس الكهربائي على قدر التيار الكهربائي، إضافةً إلى عدد لفات السلك والمادة التي تمّت صناعته منها مع بعض العوامل الأُخرى بحسب موقع ساينسنغ.
اقرأ/ي أيضًا:
هل موجات الراديو تنتقل في الفراغ؟
