فيديو الدرس: الجلفانومتر ذو الملف المتحرك الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على جهاز يعرف بالجلفانومتر ذي الملف المتحرك. يعد الجلفانومتر ذو الملف المتحرك جهازًا بسيطًا نوعًا ما، لكنه مفيد جدًّا ويستخدم لقياس التيار الكهربي. ويمكن استخدامه في صناعة أجهزة الأميتر، والفولتميتر، والأوميتر المستخدمة لقياس شدة التيار، والجهد، والمقاومة في الدوائر الكهربية. في هذا الفيديو، سوف نلقي نظرة على آلية عمل الجلفانومتر ذي الملف المتحرك وكيفية حساب حساسيته.

لكن دعونا أولًا نلقي نظرة على وظيفة الجلفانومتر ذي الملف المتحرك. أمامنا هنا مخطط لدائرة كهربية بسيطة. ولدينا هنا جلفانومتر ذو ملف متحرك. وهو متصل على التوالي بثلاثة مكونات: بطارية، ومفتاح، ومقاومة. توفر البطارية فرق جهد يسمح بتدفق التيار في الدائرة الكهربية عندما يكون المفتاح مغلقًا. ووظيفة المفتاح هي السماح لنا بفتح الدائرة الكهربية وغلقها. ونضع مقاومة في الدائرة الكهربية لكي تحول دون ارتفاع التيار الناتج عن البطارية ارتفاعًا كبيرًا.

تتمثل وظيفة الجلفانومتر ذي الملف المتحرك في هذه الدائرة الكهربية في الإشارة إلى شدة التيار واتجاهه في الدائرة. يوجد مقياس على الجلفانومتر يبدأ تدريجه من الصفر في المنتصف. وعند عدم وجود تدفق للتيار، كما هو في هذه الحالة لأن المفتاح مفتوح، سيشير المؤشر إلى الصفر. أما السماح للتيار بالتدفق في اتجاه ما عبر الجلفانومتر، فسيتسبب في انحراف المؤشر في أحد الاتجاهين. والسماح للتيار بالتدفق في الاتجاه المعاكس سيتسبب في انحراف المؤشر في الاتجاه الآخر. ويشير إجمالي انحراف المؤشر إلى شدة التيار، لذلك دعونا نلقي نظرة على ما يحدث عندما نغلق المفتاح.

عند النظر إلى البطارية، سنجد أن لدينا طرفًا موجبًا على اليسار وطرفًا سالبًا على اليمين. هذا يعني أن التيار الاصطلاحي، الذي يمكننا تخيل تدفقه كشحنة موجبة، موجه في اتجاه عقارب الساعة في الدائرة الكهربية. يتدفق التيار خلال الجلفانومتر ذي الملف المتحرك، ما يتسبب في انحراف المؤشر بمقدار معين. وتواصل الشحنة التدفق في الدائرة الكهربية في اتجاه عقارب الساعة إلى أن تعود إلى البطارية، ما يكمل الدائرة الكهربية. وسيظل مؤشر الجلفانومتر في الموضع نفسه حتى نفتح المفتاح. وحينها سيتوقف التيار حينها عن التدفق ويعود المؤشر إلى صفر.

والآن، دعونا نر ما يحدث عندما نعكس توصيل هذه البطارية. عندما نغلق المفتاح، تتدفق الشحنة في الاتجاه المعاكس في الدائرة الكهربية. وهذه المرة يمكننا ملاحظة أن مؤشر الجلفانومتر قد انحرف بالقدر نفسه، ولكن في الاتجاه المعاكس. لذا في هذه الدائرة الكهربية بالتحديد، يقيس الجلفانومتر تيارًا يتدفق عكس اتجاه عقارب الساعة قيمته سالبة وتيارًا في اتجاه عقارب الساعة قيمته موجبة. إذا أضفنا بطارية مطابقة للدائرة ووصلناها على التوالي مع البطارية الأولى، فسنضاعف مقدار التيار في الدائرة الكهربية. وسنلاحظ أيضًا تضاعف انحراف مؤشر الجلفانومتر.

ما قلناه يوضح بشكل أساسي وظيفة الجلفانومتر. عندما يتحرك المؤشر على قرص التدريج، فإنه يشير إلى شدة التيار الذي يتدفق خلاله واتجاهه. لنر كيف يحدث ذلك، دعونا ننظر إلى داخل الجلفانومتر. توجد أسطوانة من الحديد في قلب الجلفانومتر ذي الملف المتحرك. تحتوي هذه الأسطوانة على قضيب موصل يتصل بكلا الطرفين، لكن يجدر بنا ملاحظة أن هذين القضيبين منعزلان كهربيًّا عن الحديد. لذا، يوجد لدينا هنا كمية صغيرة من مادة عازلة كهربيًّا تمنع وصول الكهرباء بين القضيبين والحديد.

ولدينا بعد ذلك قطعة من سلك رفيع تتصل بطرف أحد القضيبين الموصلين وتلتف حول الأسطوانة الحديدية قبل توصيلها بالقضيب الموجود عند الطرف الآخر. وفي الجلفانومتر الحقيقي، يحتوي هذا الملف على الكثير من اللفات الإضافية. لدينا بعد ذلك مكونان يعرفان باسم الزنبركين الحلزونيين ويتصلان بطرفي القضيبين الموصلين. يسمح هذان الزنبركان للقضيبين الموصلين والأسطوانة الحديدية والملف بالدوران كقطعة واحدة. لكنهما يفرضان عزم دوران في الاتجاه المعاكس. فكلما زاد التواء القلب الحديدي والملف، زاد عزم الدوران الذي يفرضه هذان الزنبركان، وبذلك يمنعان القلب والملف من الدوران.

يصنع الزنبركان من مادة موصلة ويشكلان جزءًا مهمًّا من الدائرة الكهربية. ويمثل طرفا الزنبركين هذان طرفي الجلفانومتر. يحيط بالأسطوانة الحديدية والملف على كلا الطرفين قطبًا مغناطيس دائم كبير. لاحظ أنه في هذا الرسم التوضيحي، لم نرسم المغناطيس بأكمله. لقد رسمنا فقط القطبين اللذين نركز عليهما. لذلك دعونا نفترض أنه في هذه الحالة لدينا القطب الشمالي على اليسار والقطب الجنوبي على اليمين. والمكون الأخير للجلفانومتر هو مؤشر متصل بأحد القضيبين الموصلين وقرص التدريج. عندما يدور القلب الحديدي والملف، يتحرك المؤشر عبر قرص التدريج.

لدينا الآن رسم تخطيطي كامل لجلفانومتر ذي ملف متحرك. ويشير المؤشر إلى الصفر نظرًا لعدم مرور تيار خلاله في الوقت الحالي. كما ذكرنا سابقًا، يوجد طرفا الجلفانومتر هنا وهنا. لنقل إن هذا الطرف متصل بالقطب الموجب للبطارية، وهذا الطرف متصل بالقطب السالب. نعلم أن التيار الاصطلاحي يشير إلى تدفق الشحنة من الموجب إلى السالب، ما يعني أن التيار في الجلفانومتر يتحرك في هذا الاتجاه. تتدفق الشحنة على طول هذا الزنبرك الحلزوني أسفل القضيب الموصل، ثم حول لفة السلك في هذا الاتجاه. وتتدفق الشحنة حول جميع لفات الملف قبل وصولها إلى القضيب الموصل الآخر. ثم تتدفق خارج الجلفانومتر وتعود في اتجاه القطب السالب للبطارية.

لكي نفهم آلية عمل الجلفانومتر ذي الملف المتحرك، علينا التركيز على التيار داخل الملف. بشكل أساسي، يعمل الجلفانومتر ذو الملف المتحرك بنفس طريقة عمل المحرك الكهربي. وهي وجود ملف يمر به تيار وموضوع في مجال مغناطيسي. دعونا نتذكر أن فكرة عمل المحرك تعتمد على تأثير قوة على سلك يحمل تيارًا وموضوعًا بزاوية ما بالنسبة إلى مجال مغناطيسي. عند النظر إلى الرسم التوضيحي الموجود لدينا، نلاحظ أن لدينا تيارًا في ملف موضوع بين قطبي مغناطيس دائم. في هذا الرسم، نلاحظ أن لدينا قطبي المغناطيس على اليسار واليمين وأن التيار موجه إلى داخل الشاشة وخارجها. إذن يمكن القول إن السلك الحامل للتيار موضوع بزاوية ما بالنسبة للمجال المغناطيسي.

يتجه المجال المغناطيسي من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. لكن داخل الجلفانومتر ذي الملف المتحرك، نجد أن المجال المغناطيسي يشير تقريبًا بشكل قطري كما هو موضح من خلال هذه الأسهم الزرقاء. ويرجع هذا إلى تأثير القلب الحديدي. فيسهل مغنطة الحديد، ما يعني أن خطوط المجال المغناطيسي ستميل إلى المرور خلال القلب بدلًا من الهواء. وهذا مهم لأنه يعني تعرض الجانبين الأطول من الملف لمجال مغناطيسي منتظم عند دورانهما.

نلاحظ أن التيار في هذين الجانبين الطويلين من الملف داخل الشاشة وخارجها يتعامد على المجال المغناطيسي عند تلك النقطة. في هذه الحالة، يمكننا إيجاد مقدار القوة الناتجة عن وجود سلك يمر به تيار وموضوع في مجال مغناطيسي باستخدام المعادلة ‪𝐹‬‏ تساوي ‪𝐵𝐼𝑙‬‏، حيث ‪𝐹‬‏ هو مقدار القوة الناتجة. و‪𝐵‬‏ هي شدة المجال المغناطيسي، و‪𝐼‬‏ يمثل شدة التيار، و‪𝑙‬‏ هو طول السلك الموضوع في المجال المغناطيسي.

يمكن أيضًا معرفة اتجاه القوة. وهذه المعلومة ستساعدنا في فهم فكرة عمل الجلفانومتر ذي الملف المتحرك. إحدى طرق معرفة ذلك هي استخدام قاعدة اليد اليسرى لفلمنج. وتعرف هذه القاعدة أيضًا بقاعدة اليد اليسرى للمحركات، وأحيانًا بقاعدة اليد اليسرى فقط. إذا بسطنا أصابع الإبهام، والسبابة، والوسطى في يدنا اليسرى بحيث تصنع زاويًّا قائمة بالنسبة لبعضها البعض، فإن هذا قد يساعدنا على تذكر اتجاه القوة المحصلة في حالة وجود تيار عند زاوية قائمة بالنسبة إلى مجال مغناطيسي.

على وجه التحديد، إذا كانت السبابة تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي، الذي يرمز لشدته عادة بالرمز ‪𝐵‬‏، وتشير الوسطى إلى اتجاه تدفق التيار الاصطلاحي الذي يرمز لشدته بالرمز ‪𝐼‬‏، فسيشير الإبهام إلى اتجاه القوة المحصلة المؤثرة على السلك الذي يحمل التيار.

لكي نعرف كيف سيتصرف الملف الموجود في الجلفانومتر، دعونا نفكر في أحد أضلاع الملف الذي يشير إلى داخل الشاشة على الطرف الأيمن من الرسم. عند النظر إلى الرسم التوضيحي، يمكننا ملاحظة أن خطوط المجال المغناطيسي التي تتقاطع مع هذا السلك تشير أفقيًّا من اليسار إلى اليمين. وقد توصلنا أيضًا إلى أن اتجاه التيار الاصطلاحي في هذا الجزء من السلك يشير إلى داخل الشاشة. إذن باستخدام قاعدة اليد اليسرى، إذا وجهنا الإصبع الوسطى إلى داخل الشاشة وإصبع السبابة من اليسار إلى اليمين، فسنجد أن الإبهام يشير إلى الأسفل مباشرة. هذا يعني وجود قوة تؤثر لأسفل على هذا الجزء من السلك.

إذا نظرنا إلى ضلع الملف على الجانب الآخر من الرسم التوضيحي، فسنلاحظ أن المجال المغناطيسي هنا يؤثر أيضًا أفقيًّا من اليسار إلى اليمين. ولكن هذه المرة، يخرج التيار من الشاشة. إذن باستخدام قاعدة اليد اليسرى مجددًا، إذا وجهنا الإصبع الوسطى بحيث تشير إلى خارج الشاشة ووجهنا السبابة بحيث تشير من اليسار إلى اليمين، فسنجد أن الإبهام يشير الآن إلى أعلى، ما يعني أن هذا الجزء من الملف تؤثر عليه قوة لأعلى. وبما أن لدينا قوة تؤثر لأعلى على الجانب الأيسر من الملف وقوة تؤثر لأسفل على الجانب الأيمن منه، سنلاحظ أن كلًّا من القلب والملف والقضيبين الموصلين يميل للدوران في اتجاه عقارب الساعة. ويتسبب هذا الدوران في انحراف المؤشر إلى اليمين.

من المهم ملاحظة أنه على عكس المحرك الكهربي، يعارض هذان الزنبركان الحلزونيان حركة القلب. ففي موضع القلب الحالي، نلاحظ أنه لا يتحرك، لكنه لا يزال يتعرض لعزم دوران بسبب تأثير المجال المغناطيسي على الملف عندما يمر به تيار. وعزم الدوران هذا له نفس المقدار الذي كان عليه عندما بدأ الملف في التحرك. ومع ذلك، عندما يبدأ الملف في الدوران، يبدأ الزنبركان الحلزونيان في التأثير بعزم دوران ولكن في الاتجاه المعاكس. يزداد عزم الدوران هذا مع استمرار دوران الملف حتى يصل في النهاية إلى نفس مقدار عزم الدوران بسبب تأثير المجال المغناطيسي على الملف عندما يمر به تيار. والنقطة التي يكون فيها هذان العزمان المتضادان في حالة اتزان هي النقطة التي يتوقف عندها المؤشر عن الحركة في نهاية المطاف.

وإذا زدنا شدة التيار، فستزيد القوة الكهرومغناطيسية المؤثرة على الملف، ما يعني إمكانية زيادة انحراف المؤشر قبل أن يوفر الزنبركان الحلزونيان قوة كافية لمنعه من الدوران. ببساطة، كلما زاد التيار في الجلفانومتر، زاد انحراف المؤشر. وإذا عكسنا اتجاه التيار، فسنجد أن المؤشر ينحرف في الاتجاه المعاكس. في الحقيقة، صمم الجلفانومتر ذو الملف المتحرك بحيث تتناسب زاوية انحراف المؤشر طرديًّا مع شدة التيار المتدفق عبر الجلفانومتر.

فإذا قلنا إن لدينا تيارًا شدته ‪𝐼‬‏ وسمينا زاوية انحراف المؤشر ‪𝜃‬‏، يمكننا القول إن ‪𝜃‬‏ تتناسب طرديًّا مع ‪𝐼‬‏. ويمكننا تحويل علاقة التناسب هذه إلى معادلة من خلال إدخال ثابت تناسب سنطلق عليه ‪𝑘‬‏. وبذلك نحصل على المقدار ‪𝜃‬‏ تساوي ‪𝐼𝑘‬‏. في هذه المعادلة، ‪𝑘‬‏ يمثل ثابتًا عندما نضربه في شدة التيار سيوضح لنا قيمة انحراف مؤشر الجلفانومتر. إذا كانت قيمة ‪𝑘‬‏ كبيرة للغاية، فسيعني هذا أن قيمة ‪𝜃‬‏ ستكون كبيرة إذا كانت قيمة ‪𝐼‬‏ صغيرة. وفي المقابل، إذا كانت قيمة ‪𝑘‬‏ صغيرة للغاية، فستكون قيمة ‪𝜃‬‏ صغيرة حتى وإن كانت قيمة ‪𝐼‬‏ كبيرة.

إذن يمكننا التفكير في ثابت التناسب هذا باعتباره حساسية الجلفانومتر. فكلما زادت قيمة هذا الثابت، زاد انحراف المؤشر عند مرور تيار معين. في ضوء ما سبق، يمكننا التعويض عن ‪𝑘‬‏ بحرف ‪𝑆‬‏ كبير للإشارة إلى الحساسية. وبقسمة كلا طرفي المعادلة على ‪𝐼‬‏، فسيتبقى لدينا المقدار ‪𝑆‬‏ يساوي ‪𝜃‬‏ على ‪𝐼‬‏. بعبارة أخرى، إذا كان لدينا تيار شدته ‪𝐼‬‏ في الجلفانومتر وتسبب هذا التيار في انحراف المؤشر بزاوية ‪𝜃‬‏، فإن حساسية الجلفانومتر تساوي هذه الزاوية مقسومة على التيار. في الواقع، يمكن تعريف حساسية الجلفانومتر على أنها التغير في زاوية انحراف المؤشر، ‪𝛥𝜃‬‏، مقسومًا على التغير في شدة التيار المتدفق عبر الجلفانومتر، ‪𝛥𝐼‬‏.

بما أننا نوجد الحساسية من خلال قسمة زاوية على شدة تيار، فيمكننا التعبير عنها بوحدة الدرجة لكل أمبير أو الراديان لكل أمبير، ولأن الأمبير الواحد هو تيار كبير نسبيًّا، فقد نستخدم بدلًا من ذلك وحدة المللي أمبير أو حتى الميكروأمبير. وبذلك نكون قد تعرفنا على تركيب الجلفانومتر ذي الملف المتحرك. ووصفنا المبادئ الفيزيائية التي يرتكز عليها عمله. ورأينا كيف يمكننا وصف انحراف المؤشر رياضيًّا نسبة إلى حساسية الجلفانومتر وشدة التيار المار خلاله.

لنتذكر الآن ما تعلمناه في هذا الفيديو. أولًا، رأينا أن الجلفانومتر ذا الملف المتحرك هو جهاز كهروميكانيكي يستخدم لقياس شدة التيار الكهربي. رأينا الأجزاء التي يتكون منها الجلفانومتر ذو الملف المتحرك، والتي تتضمن ملفًّا موضوعًا داخل مجال مغناطيسي. يدور الملف عند مرور تيار به بسبب تأثير المجال المغناطيسي على الملف، ما يتسبب بدوره في انحراف المؤشر عبر قرص التدريج الذي يشير إلى التيار. يتمكن الجلفانومتر الذي يقع صفر تدريجه في المنتصف، مثل الجلفانومتر الذي رأيناه في هذا الفيديو، من الإشارة إلى اتجاه التيار. وأخيرًا، رأينا أن حساسية الجلفانومتر يمكن إيجادها من خلال المعادلة ‪𝑆‬‏ يساوي ‪𝛥𝜃‬‏ على ‪𝛥𝐼‬‏. وهذا هو ملخص درس الجلفانومتر ذي الملف المتحرك.