نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتناول موضوع محركات التيار المستمر. سنتعلم كيفية عمل هذه المحركات التي تتبع في حقيقة الأمر تصميمًا مبتكرًا. وسنعرف أيضًا كيف نحدد الطريقة التي سيدور بها هذا المحرك بمعلومية اتجاه معين لهذا السلك.
لنتناول أولًا بناء محرك تيار مستمر بدءًا بالبطارية. تسمى هذه المحركات بمحركات التيار المستمر لأنها تعمل عن طريق توصيلها بمصدر يرسل التيار في اتجاه واحد دائمًا. ففي محرك مثل هذا، نجد أن البطارية موصلة من خلال سلك بجسمين على شكل نصف دائرة. يسمى هذان الجسمان بالفرشاتين، وهما تساعدان في التوصيل الكهربي مع هذا الجزء من المحرك الموجود هنا، والذي يسمى بمقوم التيار. في معظم الأحيان، تتخذ مقومات التيار شكل حلقة صلبة أو دائرة انقسمت إلى نصفين منعزلين كهربيًّا. يصنع مقوم التيار من معدن ولذلك فهو يوصل الكهرباء. وكل نصف من نصفيه يتصل كهربيًّا بأحد طرفي ملف من سلك. في الوقت الحالي، هذا الملف موضوع في مستوى أفقي، لكنه يمكن أن يدور مع مقوم التيار حول محور يمر بمركزه.
يشار إلى هذا الملف أحيانًا بعضو الإنتاج الكهربي أو الملف فحسب. وهذا هو جزء محرك التيار المستمر الذي يتحرك بينما يعمل المحرك. ويوجد حول الملف مغناطيس دائم يشار إليه أحيانًا بالجزء الثابت في المحرك. وهذا للتأكيد على أنه يظل في حالة سكون على عكس الملف الدوار. هذه هي الأجزاء الرئيسية في محرك التيار المستمر. ويتمثل المبدأ الفيزيائي الرئيسي الذي يؤدي إلى عمل هذا المحرك في أن الشحنة الكهربية حين تتحرك في مجال مغناطيسي تؤثر عليها قوة. بالنسبة للشحنات المنفردة، التي نرمز إلى شحنتها بالحرف q، فإن مقدار هذه القوة يساوي الشحنة في السرعة التي تتحرك بها في شدة المجال المغناطيسي الذي تتحرك خلاله.
من ناحية أخرى، إذا كان لدينا بدلًا من ذلك سلك له طول معين يحمل تيارًا محددًا، يمكننا إيجاد هذه القوة من خلال العلاقة التالية. القوة تساوي شدة المجال المغناطيسي في شدة التيار المار في السلك مضروبًا في طول السلك. إذا عدنا إلى المحرك، فنحن نعرف أنه بسبب مصدر التيار المستمر هذا، ستتحرك الشحنة الموجبة في هذه الدائرة الكهربية في اتجاه عقارب الساعة. لكن بعد ذلك، عندما تتحرك الشحنة من الفرشاة إلى مقوم التيار، تدخل الملف وتبدأ في التحرك خلاله. ولا تعاود الشحنة الدخول إلى مقوم التيار إلا بعد أن تتحرك في جميع أنحاء الملف هذا، وهي تدخل هذه المرة إلى الجانب الآخر. ولأن مقوم التيار يتصل كهربيًّا بالفرشاة، تتحرك الشحنة خلال هذا الجزء من الدائرة الكهربية وتنتقل إلى الطرف السالب للبطارية.
إذن هذه هي الطريقة التي تتحرك بها الشحنة خلال هذه الدائرة الكهربية بأكملها. وهي توضح لنا أنه يوجد تيار يمر في هذا الملف بالفعل. ولأن هذا الملف يوجد في مجال مغناطيسي، فهذا يعني أن هناك قوة ستؤثر عليه، وهي تسمى أحيانًا بقوة لورنتز. ما سنفعله الآن هو أننا سنتعلم طريقة لتحديد الاتجاه الذي ستؤثر فيه هذه القوة. لكي نفعل هذا، لنركز فقط على اتجاه التيار الاصطلاحي في هذه الأجزاء من الملف. على الجانب الأيسر هنا في هذا المثال، يمكننا القول إن التيار يتحرك بعيدًا عنا. وعلى الجانب الأيمن، فإنه يتحرك متجهًا نحونا. يمكننا معرفة الاتجاه الذي ستؤثر فيه قوة لورنتز أو القوة المغناطيسية على جانبي الملف باستخدام ما نسميه بقاعدة اليد اليمنى. سميت هذه القاعدة بهذا الاسم لأننا نستخدم يدنا اليمنى لتحديد هذا الاتجاه.
بالرجوع إلى معادلة القوة الموجودة هنا، أول شيء نفعله هو تحديد اتجاه التيار 𝐼 في الجزء المعني من السلك. إذا نظرنا إلى الرسم التوضيحي للمحرك، مع التركيز مثلًا على هذا الجزء من السلك هنا، فسيمكننا أن نرى أن التيار في هذا الجزء من السلك يتجه بعيدًا عنا إلى داخل الشاشة. ما سنفعله بعد ذلك هو أننا سنوجه أربعة أصابع من يدنا اليمنى في نفس اتجاه التيار. يتعذر رؤية الأصابع هنا لأنها موجهة إلى داخل الشاشة. لكن هذا هو الاتجاه الذي تشير إليه. وما سنفعله بعد ذلك هو تحديد اتجاه المجال المغناطيسي الذي يوجد فيه هذا السلك الحامل للتيار.
لدينا على الرسم القطب الشمالي للمغناطيس هنا والقطب الجنوبي هنا. تتجه خطوط المجال المغناطيسي دائمًا من الشمال إلى الجنوب. إذن في ذلك الحيز الذي يوجد به الملف، يتجه المجال المغناطيسي من اليسار إلى اليمين. وهذا هو الاتجاه الثاني الذي سنوجه أصابعنا فيه باستخدام قاعدة اليد اليمنى. سنثني أصابعنا الموجهة إلى داخل الشاشة بحيث تشير إلى اليمين. وبالرغم من أن أصابعنا الأربعة مخفية بعض الشيء وراء المعصم، فهي موجهة إلى اليمين. وفي هذه المرحلة يمكننا النظر إلى الاتجاه الذي يشير إليه إبهامنا.
نلاحظ هنا أنه لكي نطبق قاعدة اليد اليمنى، يجب أن يكون اتجاه التيار عموديًّا على اتجاه المجال المغناطيسي. ويكون اتجاه القوة المؤثرة على السلك عموديًّا على كليهما. وهذا هو ما يشير إليه اتجاه إصبع الإبهام. إنه الاتجاه الذي تؤثر فيه القوة المغناطيسية على هذا الجزء من الملف. ويمكننا تمثيل هذه القوة على الرسم التوضيحي. إذن في هذا الجانب من الملف، تؤثر القوة لأسفل. لنتناول الآن اتجاه القوة المؤثرة على الجانب الأيمن من الملف.
مرة أخرى، سنستخدم قاعدة اليد اليمنى. على هذا الجانب من السلك، نلاحظ أن التيار يتحرك في اتجاهنا. يمكننا القول إنه يتجه إلى خارج الشاشة، ما يعني أننا سنوجه أصابع يدنا اليمنى الأربعة في الاتجاه نفسه، أي في اتجاهنا. ومثل المرة السابقة، نجد أن اتجاه المجال المغناطيسي الذي يمر فيه هذا السلك يشير إلى اليمين. إذن، نثني أصابع يدنا اليمنى لتشير في هذا الاتجاه، بهذا الشكل. أما إصبع الإبهام الموجه عموديًّا على كل من اتجاه التيار واتجاه المجال المغناطيسي، فهو يوضح لنا أن القوة المؤثرة على هذا الجزء من السلك تتجه إلى أعلى.
والآن إذا افترضنا أن طول السلك على الجانبين الأيمن والأيسر متساويان، فنحن نعرف أن مقدار التيار متساو في كلا الجانبين وكذلك شدة المجال المغناطيسي المؤثرة على الجانبين. إذن فمقدار هاتين القوتين اللتين ستؤثران على كلا الجانبين سيكون متساويًا أيضًا. نلاحظ أيضًا من الرسم أنهما تؤثران في اتجاهين متعاكسين. ويؤدي هذا إلى توليد عزم دوران يؤثر على هذا الملف. وكلما استمر تأثير عزم الدوران هذا، سيدور الملف في هذا الاتجاه، أي عكس اتجاه عقارب الساعة. لقد قلنا إن هاتين القوتين المؤثرتين على كلا جانبي السلك تولدان عزم دوران. فلنوضح الآن السبب في حدوث ذلك. يمكننا أن نرى المحور الذي سيدور حوله الملف. ونرى أيضًا أن هاتين القوتين المؤثرتين على الملف ليستا على خط واحد يمر بهذا المحور. فهذه المسافات الموجودة هنا تفصلهما عن هذا المحور. وبالتالي يوجد ذراع قوة، ومن ثم يتولد عزم الدوران.
والآن قبل أن نواصل، قد يتبادر إلى أذهاننا سؤال. لم نستعرض سوى جانبين من الجوانب الأربعة لهذا الملف. فماذا عن الجانبين الآخرين: الأمامي والخلفي؟ حسنًا، في هذين الجانبين من السلك، يكون اتجاه التيار إما موازيًا لاتجاه المجال المغناطيسي أو موازيًا له ولكن مضاد في الاتجاه؛ لذا فإن القوة المغناطيسية المؤثرة على هذين الجانبين من السلك تساوي صفرًا. إذن فالجانبان اللذان تناولناهما، وهما الأيسر والأيمن، هما الجانبان الوحيدان اللذان تؤثر عليهما قوة. ولذلك، فهما وحدهما المتسببان في توليد عزم دوران على هذا الملف، والسبب في دورانه. لنفترض الآن أن الملف يبدأ بالفعل في الدوران. ولنتخيل أنه يدور بزاوية 45 درجة.
إذا ألقينا نظرة على مقوم التيار، أي هذه الحلقة المعدنية المشقوقة التي تدور مع الملف، يمكن أن نلاحظ أن جانبي مقوم التيار، أي نصفيه، لا يزالان متصلين كهربيًّا بنفس الفرشاتين وعلى نفس الجانبين اللذين كانا متصلين بهما سابقًا. هذا يعني أنه عند تحرك الشحنة الكهربية خلال الملف، ستتحرك في الاتجاه نفسه الذي تحركت فيه سابقًا. هذا يعني أن التيار في الجانب الأيسر من الملف يشير مرة أخرى إلى داخل الشاشة، والتيار في الجانب الأيمن يشير إلى خارجها في اتجاهنا. وبما أن اتجاهي التيار هما نفسهما كما كانا في السابق، وبما أن اتجاه المجال المغناطيسي المؤثر على الملف لم يتغير، فهذا يعني أن اتجاهي القوة المؤثرة على هذين الجانبين من الملف لن يتغيرا أيضًا عما كانا عليه في السابق.
على الجانب الأيسر، سيكون اتجاه القوة لأسفل. وعلى الجانب الأيمن، سيكون اتجاه القوة لأعلى. ومرة أخرى، لا تؤثر هاتان القوتان على طول خط يمر بمركز دوران الملف، ما يعني أنهما ستؤديان إلى توليد عزم دوران. لكن المهم هنا هو أن مقدار عزم الدوران سيقل في هذه المرة عما كان عليه سابقًا لأن هاتين القوتين تؤثران هذه المرة أقرب إلى محور الدوران مما كانتا عليه في السابق. والآن إذا تركنا هذا الملف يستمر في الدوران، وهو ما سيحدث بسبب عزم الدوران هذا، فإن مشكلة تناقص عزم الدوران مع اقتراب الملف من الوضعية الرأسية ستبلغ ذروتها عندما يصل الملف بالفعل إلى الوضعية الرأسية.
لاحظ أنه عندما يصبح الأمر على هذا النحو، فحتى لو كانت هناك قوة تؤثر لأعلى أو لأسفل على الجانبين الأيسر والأيمن للملف، اللذين يمكننا تسميتهما الآن بالجانب العلوي والسفلي، فستؤثر هاتان القوتان على خط واحد يمر بمحور الدوران. ولهذا السبب لن تولدا أي عزم دوران. إذن عندما يكون الملف في مستوى رأسي، لن يكون هناك عزم دوران كلي على الملف. إذا كان المحرك لا يتضمن سوى ملف واحد مثل الموجود لدينا هنا، فإن الشيء الوحيد الذي يجعل الملف يستمر في الدوران في هذه المرحلة هو قصوره الذاتي. لقد كان يتحرك بالفعل عكس اتجاه عقارب الساعة، وسيستمر في ذلك ما لم يواجه مقاومة.
في هذه الوضعية، يحدث شيء مهم لمقوم التيار. فحتى هذه اللحظة، ظل هذا الجانب من مقوم التيار متصلًا كهربيًّا بهذه الفرشاة. وبالمثل، ظل هذا الطرف الآخر من المقوم متصلًا بهذه الفرشاة. لكن مع استمرار دوران مقوم التيار، سيتغير هذا الأمر. وقريبًا، سيتصل هذا الطرف من المقوم كهربيًّا بهذه الفرشاة، وسيتصل هذا الطرف بهذه الفرشاة. لن يغير ذلك اتجاه التيار أثناء تحركه في هذا الجزء الأزرق من الدائرة الكهربية هنا. لكن ما سيفعله هو أنه سيعكس اتجاه التيار عند مروره خلال الملف الدوار. وهذا متعمد في تصميم محرك التيار المستمر.
لندع الملف يدور 45 درجة أخرى. فور أن يصبح في هذه الوضعية، ربما نتوقع أن التيار الموجود في الملف سيتحرك في الاتجاه نفسه الذي تحرك فيه من قبل. إن كان ذلك ما سيحدث، فسيتحرك التيار الموجود الآن على الجانب الأيسر من الملف إلى خارج الشاشة، أي في اتجاهنا، بينما سيتحرك التيار الموجود على الجانب الأيمن إلى داخل الشاشة. لكن إذا طبقنا سريعًا قاعدة اليد اليمنى على كلا جانبي الملف، فسنلاحظ أن هذا سيتسبب في مشكلة. هذا لأنه طبقًا لقاعدة اليد اليمنى، القوة المؤثرة على هذا الجانب الأيسر من الملف ستشير لأعلى، بينما ستشير القوة المؤثرة على الجانب الأيمن إلى الاتجاه المعاكس، أي لأسفل. ويمكننا أن نلاحظ أن هذا سيولد بعد ذلك عزم دوران باتجاه عقارب الساعة حول محور الدوران. بعبارة أخرى، سيقاوم الاتجاه الذي كان الملف يتحرك فيه سابقًا.
إذا كانت هذه هي الطريقة التي يعمل بها المحرك بالفعل، يمكننا أن نتخيل أنه يدور أولًا في اتجاه معين، ثم يدور في الاتجاه المعاكس، ثم يتحرك إلى الاتجاه الأول مجددًا، ثم يعود مرة أخرى، وهكذا. سيتأرجح ذهابًا وإيابًا حول وضعية رأسية. لكن هذا لا يكون مفيدًا عندما نرغب فعليًّا في بناء محرك. وهذا هو السبب في أن هذه الحلقة المشقوقة، أي مقوم التيار، جزء من محرك التيار المستمر. فأثناء دوران مقوم التيار، يتصل كل نصف دورة بفرشاة مختلفة في دائرة التيار المستمر. هذا يعني أن اتجاه التيار في الملف يتغير بحيث يشير التيار، الذي كان سابقًا في الجانب الأيمن من الملف وأصبح الآن في الجانب الأيسر، إلى داخل الشاشة. وفي الجانب المعاكس الذي أصبح الآن الجانب الأيمن من الملف، يشير التيار إلى خارج الشاشة.
في ظل هذه الظروف، إذا نظرنا مجددًا إلى الجانبين الأيسر والأيمن من الملف وطبقنا قاعدة اليد اليمنى، فسنلاحظ أن القوة المغناطيسية المؤثرة على ما أصبح الآن الجانب الأيسر تشير مجددًا إلى أسفل، بينما تشير القوة المؤثرة على ما أصبح الآن الجانب الأيمن في الاتجاه المعاكس، أي إلى أعلى. هذا يعني أن عزم الدوران على الملف في الاتجاه نفسه الذي كان عليه سابقًا، عكس اتجاه عقارب الساعة، ومن ثم سيواصل الملف الدوران في هذا الاتجاه. وتحت هذا التأثير، سيواصل الملف الدوران حتى يصل مرة أخرى إلى وضعية أفقية. ومع استمرار توجه التيار على الجانب الأيسر من الملف إلى داخل الشاشة، وتوجه التيار على الجانب الأيمن إلى خارجها، سيستمر تأثير عزم الدوران على الملف عكس اتجاه عقارب الساعة.
بالمناسبة، يرجع السبب وراء تسمية هذا الجهاز بالمحرك إلى وجود قضيب يوضع عادة على طول محور دوران الملف. ولهذا عندما يدور الملف، يدور القضيب أيضًا. وهذا ما يمكن أن يتسبب في دوران عجلة مثلًا أو ترس أو أي جسم ميكانيكي. ويمكن لهذا الجسم الدوار القيام بشغل ميكانيكي. إذن في محرك التيار المستمر، تتحول الطاقة من طاقة كهربية داخل هذه الدائرة الكهربية إلى خرج طاقة ميكانيكية لهذا العمود الدوار.
لنلخص الآن ما تعلمناه عن محركات التيار المستمر. في هذا الدرس، رأينا أن محرك التيار المستمر يحول الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية. وقد رأينا هذا يحدث من خلال ملف يحمل تيارًا، والذي عند وضعه بين قطبي مغناطيس دائم، يدور حول المحور المار بمركزه. ورغم أن الملف له أربعة جوانب، فلن تؤثر القوة المغناطيسية إلا على الجانبين الأيسر والأيمن فقط. ويمكن تحديد اتجاه هذه القوة من خلال قاعدة اليد اليمنى.
لكي نستخدم هذه القاعدة، نحدد أولًا اتجاه التيار في الجزء الذي نركز عليه من السلك. لنفترض أنه في هذا الجزء من الملف، يتجه التيار إلى داخل الشاشة. إذن نستخدم يدنا اليمنى ونوجه أصابعنا الأربعة في الاتجاه نفسه. بعد ذلك، نحدد اتجاه المجال المغناطيسي الذي يوجد فيه هذا الجزء من الملف. لنقل إن المجال يتجه من اليسار إلى اليمين. إذن نستخدم يدنا اليمنى ونوجه أصابعنا الأربعة بحيث تشير إلى اتجاه هذا المجال. وفور أن نفعل ذلك، إذا وجهنا إبهامنا عموديًّا على اتجاهي التيار والمجال المغناطيسي كليهما، فسوف يشير إبهامنا في اتجاه القوة المؤثرة على هذا الجزء من السلك.
عرفنا كذلك أنه بصرف النظر عن وضعية هذا الملف، ما دمنا نعلم اتجاه التيار في قطعة من السلك واتجاه المجال المغناطيسي الذي يؤثر على هذا السلك، فيمكننا استخدام قاعدة اليد اليمنى لإيجاد اتجاه القوة المحصلة. باستثناء الحالات التي يكون فيها الملف في وضعية رأسية، تولد هذه القوة عزم دوران وتتسبب في دوران الملف.
