📚 كيف يعمل المحرك الكهربائي؟
المفاهيم الأساسية
المحرك الكهربائي: يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية.
خريطة المفاهيم
```markmap
الكهرومغناطيسية
استعمال المغناطيس في توليد الكهرباء
المولد الكهربائي
- العمل: يحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
- آلية تولد التيار:
- حركة السلك تحرك الإلكترونات داخله.
- يؤثر المجال المغناطيسي بقوة على الإلكترونات المتحركة.
- تندفع الإلكترونات على امتداد السلك مولدة تياراً.
التيار المتردد (AC)
- السبب: انعكاس اتجاه التيار المتولد في الملف كل نصف دورة.
- التردد في السعودية: يتغير اتجاه التيار المزود للمنازل ٦٠ مرة في الثانية.
أنواع التيار من المولد
- تيار متردد (AC)
- تيار مستمر (DC)
محطات توليد القدرة الكهربائية
- الوظيفة: إنتاج معظم الطاقة الكهربائية المستخدمة في العالم.
- المصادر: الفحم، الغاز، النفط، طاقة المياه الساقطة.
- آلية العمل: تدوير ملفات خلال مجالات مغناطيسية باستخدام الطاقة الحركية من المصدر.
- مثال شائع: محطات توليد الكهرباء التي تعمل على الفحم الحجري.
نقل الطاقة الكهربائية
الجهد الكهربائي
- التعريف: مقياس لمقدار الطاقة الكهربائية التي تحملها الشحنات المتحركة.
- أثناء النقل: يتم النقل بفرق جهد كبير (يصل إلى ~٧٠٠ ألف فولت) لزيادة الكفاءة.
- في المنازل: يتم خفض الجهد الكهربائي ليكون آمناً للاستخدام.
المحول الكهربائي
- الوظيفة: رفع أو خفض الجهد الكهربائي للتيار المتردد.
- مبدأ العمل:
- يتكون من ملفين (ابتدائي وثانوي) حول قلب حديدي.
- التيار المتردد في الملف الابتدائي يولّد مجالاً مغناطيسياً متغيراً في القلب.
- المجال المغناطيسي المتغير يولد تياراً متردداً في الملف الثانوي.
- قانون المحول: نسبة عدد لفات الملف الابتدائي إلى الثانوي = نسبة الجهد الداخل إلى الجهد الناتج.
- الاستخدامات:
- رفع الجهد: قبل نقل الكهرباء عبر خطوط النقل لمسافات طويلة.
- خفض الجهد: بعد النقل للاستخدام الصناعي أو المنزلي.
- محولات صغيرة: لخفض الجهد من ٢٢٠ فولت إلى ١٢ فولت أو أقل للأجهزة.
- الربط مع التاريخ: حرب التيارات
- في أواخر القرن التاسع عشر، كان التيار المستمر (توماس أديسون) هو السائد.
- في عام ١٨٩٣م، ثبت أن نقل الطاقة باستخدام التيار المتردد أكثر اقتصاداً وكفاءة.
- أصبح التيار المتردد هو المعتمد.
- أنواع المحولات حسب عدد اللفات:
- محول رافع للجهد: عدد لفات الملف الابتدائي أقل من عدد لفات الملف الثانوي.
- محول خافض للجهد: عدد لفات الملف الابتدائي أكبر من عدد لفات الملف الثانوي.
الموصلات الفائقة التوصيل
- التعريف: مواد لا يواجه التيار الكهربائي فيها أي مقاومة.
- الشرط: تبريد مادة معينة إلى درجة حرارة منخفضة جداً (مثال: الألمنيوم يصبح فائق التوصيل عند -٢٧٢°س).
- الميزة: لا يحدث تسخين ولا ضياع للطاقة الكهربائية عند مرور التيار.
- صفة غير عادية: التنافر مع المغناطيس.
- تولد مجالاً مغناطيسياً معاكساً لمجال المغناطيس.
- تؤدي إلى طفو المغناطيس فوق سطحها (كما في الشكل ٢١).
تطبيقات الموصلات الفائقة
#### مسارع الجسيمات
- الوظيفة: تسريع الجسيمات الذرية (مكونات الذرة) حتى تبلغ سرعة قريبة من سرعة الضوء.
- آلية العمل: تستخدم أكثر من ١٠٠ مغناطيس كهربائي فائق الموصلية لتحريك الجسيمات في مسار دائري قطره ٢ كم.
#### نقل الطاقة الكهربائية
- الميزة: نقل القدرة الكهربائية لمسافات بعيدة دون فقدان أي طاقة كهربائية على شكل حرارة.
#### التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
- الوظيفة: تصوير مقاطع داخل جسم الإنسان للكشف عن تلف الأنسجة أو الأمراض أو الأورام.
- آلية العمل:
- يستخدم مجالاً مغناطيسياً قوياً جداً.
- بروتونات الهيدروجين في الجسم تصطف مع اتجاه المجال.
- تسليط موجات راديوية على المنطقة المراد تصويرها.
- تمتص البروتونات طاقة الموجات وتغير محاذاتها.
- بعد إيقاف الموجات، تعود البروتونات للاصطفاف وتُطلق الطاقة الممتصة.
- تختلف كمية الطاقة المنبعثة حسب نوع النسيج.
- يتم التقاط الطاقة وتحويلها إلى صورة (مثل صورة مقطع الدماغ).
- الميزة: أكثر أماناً من الأشعة السينية، حيث لا يسبب تلفاً للأنسجة.
- المكون الرئيسي: مغناطيس كهربائي فائق التوصيل داخل الجهاز.
#### تطبيقات أخرى
- صناعة الشرائح الإلكترونية لأجهزة الحاسوب.
الخلاصة
- يتولد مجال مغناطيسي حول سلك يسري فيه تيار.
- يصنع المغناطيس الكهربائي بلف سلك يسري فيه تيار حول قلب حديدي.
- يحول المحرك الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية.
- يحول المولد الكهربائي الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
- يغير المحول الكهربائي فرق الجهد للتيار المتردد.
استقصاء: بناء محرك كهربائي بسيط
الأهداف
- تجميع محرك كهربائي صغير.
- ملاحظة كيفية عمل المحرك.
المواد والأدوات
- سلك ذو قياس ٢٢ وطوله ٤ م ومطلي بالورنيش.
- إبرة فولاذية كبيرة.
- مسامير عدد (٤).
- مغناطيس دائم عدد (٢).
- مطرقة.
- سلك معزول قياس ١٨ طوله ٦٠ سم.
- شريط لاصق.
- قطعة أسلاك أو مقص.
- ورق صنفرة ناعم.
- لوح خشبي مربع ١٥×١٠ سم تقريبًا.
- قطعتان خشبيتان.
- بطارية ٦ فولت، أو ٤ بطاريات ١.٥ فولت موصولة على التوالي.
إجراءات السلامة
- أمسك السلك من جزئه المعزول فقط عندما يكون متصلاً مع البطارية.
- كن حذرًا عند استخدام المطرقة.
- لاحظ أنه عند قطع السلك سيكون طرفه حادًا.
سؤال من واقع الحياة
- كيف تتمكن من تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركية؟
تطبيقات المحرك الكهربائي
- الحاسوب: يحتوي على مروحة تبريد ومحرك للقرص الصلب.
- مشغل الأقراص المدمجة (CD): محرك لتدوير القرص.
- السيارة: لتحريك زجاج النوافذ والمقاعد.
- المكون المشترك: تحتوي هذه المحركات جميعها على مغناطيس دائم وآخر كهربائي.
```
نقاط مهمة
- الهدف من التجربة: بناء محرك كهربائي بسيط وملاحظة كيفية عمله.
- المبدأ الأساسي: تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية.
- تطبيقات عملية: المحركات الكهربائية موجودة في أجهزة يومية مثل الحاسوب ومشغل الأقراص المدمجة والسيارة.
- مكون رئيسي: كل محرك كهربائي يحتوي على مغناطيس دائم وآخر كهربائي.
- السلامة أولاً: يجب اتباع إجراءات السلامة المذكورة عند التعامل مع الأسلاك والبطارية والأدوات الحادة.