مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

صنع مغناطيس كهربائي

يستخدم المغناطيس الكهربائي المجال المغناطيسي الناتج عن التيار الكهربائي لمغنطة قطعة فلزية. ستقوم في هذه التجربة بصنع مغناطيس كهربائي، وتختبر أحد المتغيرات التي تعتقد أنها قد تؤثر في قوة المغناطيس.

سؤال التجربة

ما العوامل التي تحدد قوة مغناطيس كهربائي؟

الأهداف

• تكون فرضية لتحديد المتغيرات التي قد تؤثر في قوة المغناطيس الكهربائي.
• تلاحظ التأثيرات في قوة المغناطيس الكهربائي.
• تجمع وتنظم البيانات المتعلقة بمقارنة المتغير الذي اخترته مع قوة المغناطيس.
• تنشئ رسومًا بيانية وتستخدمها للمساعدة على تحديد العلاقة بين المتغير المستقل والمتغير التابع.
• تحلل وتستنتج تأثير المتغير الذي اخترته في قوة المغناطيس.

احتياطات السلامة

تظهر في الصفحة رموز احتياطات السلامة الخاصة بالتعامل مع الأدوات الحادة، والمواد، والدائرة الكهربائية أثناء تنفيذ التجربة.

المواد والأدوات

| المواد والأدوات |
| ------------------ |
| مشابك ورق كبيرة |
| مشابك ورق صغيرة |
| قطع فولاذية صغيرة |
| مسمار فولاذي |
| سلك معزول |
| بطارية 6 V |
| بطارية 9 V |
| مصدر قدرة مستمر DC |

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_صنع_مغناطيس_كهربائي_الأدوات.png

الخطوات

1

أعد قائمة بالمواد التي ستستخدمها في صنع المغناطيس الكهربائي.

2

أعد قائمة بجميع المتغيرات المحتملة التي تعتقد أنها يمكن أن تؤثر في قوة المغناطيس الكهربائي.

3

اختر أحد المتغيرات، واعمل على تغييره لتحديد تأثيره في قوة المغناطيس الكهربائي.

4

حدد الطريقة التي تختبر بها شدة المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الكهربائي.

5

أطلع المعلم على القوائم التي أعددتها، واحصل على موافقته قبل متابعة العمل.

6

اكتب ملخصًا يوضح خطوات تجربتك. وتأكد من تضمين جميع القيم للمتغيرات التي ستجعلها ثابتة.

7

أنشئ جدول بيانات مماثلًا للجدول في الصفحة التالية، والذي يبين الكميتين اللتين ستقيسهما.

8

ركب المغناطيس الكهربائي باستخدام المسمار وجزء من السلك، بلف السلك حول المسمار. وتأكد من ترك بضعة سنتمترات من السلك خارجة من الملف لتصله بالبطارية، مصدر القدرة.

تحذير: قد يكون طرف المسمار أو السلك حادًا. لذا كن حذرًا عند استعمال هذه المواد لتجنب حدوث جروح.

9

اطلب إلى معلمك أن يتفحص مغناطيسك قبل المتابعة.

10

نفذ تجربتك ودون بياناتك.

تحذير: إذا استعملت قطع الفولاذ الصغيرة فتجنب الإصابة بالجروح عند التقاط القطع في أثناء سقوطها على الأرض.

جدول البيانات

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_بيانات_قوة_المغناطيس_الكهربائي.png

| عدد....... | عدد....... |
| ---------- | ---------- |
| | |
| | |
| | |
| | |
| | |
| | |

التحليل

1. أنشئ الرسوم البيانية واستخدمها

ارسم رسمًا بيانيًا يوضح العلاقة بين متغيرين في تجربتك.

2

ما المتغيرات التي تحاول التحكم فيها في هذه التجربة؟ وهل هناك متغيرات لا تستطيع التحكم فيها؟

3

إذا قدرت قوة المغناطيس الكهربائي بكمية المادة التي يستطيع التقاطها فكيف تحاول السيطرة على أي خطأ ناتج عن جذب المغناطيس لعدد صحيح من القطع؟

الاستنتاج والتطبيق

1

ما العلاقة بين المتغير الذي اخترته وقوة المغناطيس؟

2

ما المتغيرات الأخرى التي وجدها طلاب آخرون في الصف وتؤثر أيضًا في قوة المغناطيس الكهربائي؟

3

هل وجدت أي متغيرات، في أي مجموعة، لا تؤثر في قوة المغناطيس الكهربائي؟

التوسع في البحث

1

قارن بين المتغيرات المختلفة التي وجد الطلاب أنها تؤثر في قوة المغناطيس، وهل تظهر أي من المتغيرات أنها تحدث زيادة كبيرة في القوة المغناطيسية دون إحداث تغيير كبير في المتغير المستقل؟ وإذا كان كذلك فما هذه المتغيرات؟

2

إذا أردت زيادة قوة المغناطيس فأي الطرائق تبدو أكثر فاعلية مقارنة بالتكلفة؟ وضح إجابتك.

3

إذا أردت تغيير قوة المغناطيس الكهربائي بسهولة فما اقتراحك لذلك؟

الفيزياء في الحياة

1

إذا أردت الحصول على مغناطيس كهربائي قوي لاستخدامه في حيز صغير، داخل حاسوب شخصي مثلًا، فما الطريقة التي يمكن من خلالها زيادة قوة المغناطيس الكهربائي خلال هذا الحيز الصغير؟

2

تحوي بعض البنايات مغانط كهربائية معلقة على الجدران تعمل على جعل أبواب الطوارئ مفتوحة عندما تكون البناية مأهولة بالسكان، وهي تشبه الأدوات التي توضع خلف الأبواب للتحكم في فتحها أو إغلاقها.

بالتفكير في نظام إنذار الحريق والإجراءات التي يحتاج إليها للسيطرة على الحريق، ما الفائدة من استخدام مثل هذا النظام في جعل الأبواب مفتوحة؟ وكيف يمكن لهذا النظام أن يكون ميزة جيدة أو سيئة في حالة حدوث كارثة طبيعية؟

3

تعمل بعض الأجراس الكهربائية عن طريق ضرب جانب جرس فلزي على شكل قبة بذراع فلزي. كيف يعمل المغناطيس الكهربائي في هذا الجرس؟ وكيف يمكن توصيل الجرس بطريقة تسمح للذراع بضرب الجرس باستمرار إلى أن ينقطع التيار الكهربائي؟

الإثراء العلمي

تأثير هول

The Hall Effect

بعض الأشياء البسيطة ومنها انحراف الجسيمات المشحونة بواسطة المجالات المغناطيسية قادت إلى ثورة في كيفية قياس حركة الأشياء، ومنها دواليب الدراجة الهوائية، وحركة عمود الكرنك في السيارة؛ فجميعها تبدأ عند مرور تيار كهربائي خلال موصل عريض ومسطح في وجود مجال مغناطيسي.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الإثراء_العلمي_تأثير_هول_فولتية_هول.png

تعليق الشكل:

يؤدي المجال المغناطيسي إلى مزيد من انحراف الإلكترونات نحو حافة الشريط الرقيق. وهذا يولد ما يسمى فولتية هول.

الأجزاء الموضحة في الشكل:

| الجزء |
| ---------------------------------- |
| مجال مغناطيسي |
| انحراف مسار التيار نحو حافة الشريط |
| شريط سليكون رقيق |
| مصدر جهد |
| فولتية هول |

تكون خطوط القوى للمجال المغناطيسي متعامدة مع سطح الشريط العريض، وهذا يجعل الإلكترونات المتدفقة تتركز عند جانب واحد من الشريط. وهذا يؤدي إلى أن تنتج فولتية بين طرفي عرض الشريط تسمى فولتية هول، يعتمد مقدارها على شدة المجال المغناطيسي.

اكتشف العالم إدوين هول هذا التأثير عام 1879م. وفي الآونة الأخيرة فقط اكتشفت الأهمية العلمية والصناعية لهذه الظاهرة؛ لأن فولتية هول في الأشرطة الفلزية التقليدية كانت صغيرة. أما الآن فالطبقات الرقيقة جدًا من السليكون شبه الموصل تنتج فولتية هول كبيرة ولا يستهان بها.

يمكن استخدام تأثير هول للكشف عن موصلية أنواع مختلفة من المواد؛ حيث تزودنا إشارة فولتية تأثير هول بمعلومات عن إشارة الشحنة المتحركة، ويزودنا مقدار الفولتية بمعلومات عن مقدار كثافة الشحنة وسرعتها.

مجس مفيد

طور المهندسون مجسًا يعمل وفق تأثير هول. وتحتوي هذه الأجهزة الصغيرة البلاستيكية والسوداء على طبقة رقيقة من السليكون مع أسلاك موصولة بها، كما في الرسم التخطيطي. وترتبط أسلاك فولتية هول بمضخم صغير بحيث يمكن لأجهزة أخرى أن تكتشفها وتستشعرها.

إذا تحرك مغناطيس دائم بالقرب من المجس الذي يعمل وفق تأثير هول فسوف تزداد الفولتية الخارجة من المضخم، لذا يمكن استخدام هذا المجس للكشف عن مدى قرب المغناطيس.

تطبيقات يومية

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الإثراء_العلمي_تأثير_هول_مقياس_سرعة_الدراجة.png

يستخدم المجس الذي يعمل وفق تأثير هول في مقياس سرعة الدراجة الهوائية لقياس سرعتها.

يستخدم مقياس السرعة في الدراجة الهوائية مغناطيسًا دائمًا يربط مع الدولاب الأمامي. وفي كل دورة للدولاب يقترب المغناطيس من المجس. وتحصى النبضات الناتجة، كما يتم حساب زمنها.

وتستخدم هذه المجسات أيضًا في توقيت إنتاج الشرارة في محركات السيارات؛ فعندما يتحرك المغناطيس المثبت على عمود الكرنك بالقرب من المجس تنتج نبضة جهد، فيطلق نظام الإشعال فورًا شرارة الاشتعال.

التوسع

1. حلل

لماذا يوضع قطبا فولتية هول بحيث يكونان متقابلين؟ وماذا يحدث إذا لم يوضعا كذلك؟

2. التفكير الناقد

هل يمكن لمجال مغناطيسي قوي يؤثر في شريط فلزي موصل أن يغير من مقاومة ذلك الشريط بسبب تأثير هول؟