الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
16أول دارة كهربائية
طقّة — فيلقي المصباح اليدوي حزمته عبر الغرفة المظلمة. وداخل ذلك الأنبوب البلاستيكي تعيش بطارية ومصباح صغير وشريطان معدنيان، يلعبون لعبة ذات قواعد صارمة. واليوم نفكّك اللعبة: فببطارية ومصباح وسلكين سنصنع الضوء بأيدينا.
16.1 مصباح وبطارية وسلكان
تعريف 16.1 (البطارية)
البطارية مخزن صغير للكهرباء. ولها طرفان مختلفان يُسمّيان قطبيها: أحدهما عليه علامة (زائد)، والآخر عليه علامة (ناقص). وكلا القطبين مهمّ — فالكهرباء لا تلعب إلا إذا دخل الاثنان اللعبة.
تعريف 16.2 (المصباح)
المصباح لمبة صغيرة في زجاجها خيط رفيع يتوهّج أبيض ساخنًا حين تجري فيه الكهرباء. وانظر عن قرب إلى قاعدته المعدنية: للمصباح أيضًا موضعا تماسّ اثنان — الطرف في أسفله تمامًا، والجانب المعدني من قاعدته. قطبان في البطارية، وموضعا تماسّ في المصباح: وليس ذلك مصادفة.
طريقة 16.3 (كيف تُشعل المصباح)
ببطارية واحدة ومصباح واحد وسلكين:
- صِل سلكًا من قطب البطارية إلى طرف قاعدة المصباح؛
- وصِل السلك الآخر من قطب البطارية إلى الجانب المعدني من القاعدة؛
- فيضيء المصباح — وتكون قد بنيت دارة!
وإن بقي معتمًا فافحص المتّهمين المعتادين: سلك يلمس الزجاج بدل موضع التماسّ المعدني، أو وصلة مرتخية، أو بطارية نافدة.
16.2 لا بدّ أن تنغلق الدارة
تعريف 16.4 (الدارة الكهربائية)
الدارة الكهربائية حلقة كاملة تجري فيها الكهرباء: تخرج من أحد قطبَي البطارية، وتمرّ في السلكين والمصباح، وتعود إلى القطب الآخر. وحين تكتمل الحلقة نقول إن الدارة مغلقة؛ وإن كان فيها فراغ في أي موضع فهي مفتوحة.
قضية 16.5 (قانون الحلقة)
لا يضيء المصباح إلا حين تكون الدارة مغلقة — حلقة واحدة غير مقطوعة من أحد القطبين، عبر المصباح، إلى القطب الآخر. وفراغ واحد فقط، في أي موضع من الحلقة، يُطفئ المصباح: فالكهرباء لا تقفز فوق الفراغات، ولا تجري في طرق مسدودة.
مثال 16.6 (لماذا القطبان معًا؟)
صِل سلكين اثنين من قطب البطارية إلى موضعَي تماسّ المصباح، واترك القطب وحده: لا شيء. وصِل سلكًا من وسلكًا من ، لكن كليهما إلى طرف المصباح: لا شيء أيضًا. ولا يضيء المصباح إلا حين تزور الحلقة قطبَي البطارية المختلفين وموضعَي تماسّ المصباح المختلفين — رحلةً كاملة ذهابًا وإيابًا.
مثال 16.7 (القاطعة)
القاطعة باب في الدارة: جسر معدني صغير تضعه الطقّة (مغلقة — فتكتمل الحلقة، فالضوء!) أو ترفعه (فراغ — فالعتمة). وزرّ المصباح اليدوي، ومفتاح النور على الجدار، وزرّ جرس الباب: كلها أبواب في حلقة. وتستطيع أن تصنع واحدة من مشبك غسيل وشريط من رقاقة المطبخ مطويّ على فكّيه.
ملاحظة 16.8 (رسوم مرتّبة)
بدل رسم كل نتوء في البطارية وكل لولب في المصباح، يستعمل الكهربائيون رموزًا: خطّان غير متساويين للبطارية (والطويل هو )، ودائرة فيها صليب للمصباح، وجسر متحرّك صغير للقاطعة، وخطوط مستقيمة للأسلاك. ورسم الدارة بالرموز أسرع رسمًا، ويستطيع أن يقرأه كل إنسان في العالم — وسنستعمل هذه الرسوم سنوات كثيرة.
ملاحظة 16.9 (البطارية نعم، ومأخذ الجدار أبدًا)
كل ما في هذا الفصل يُلعب ببطاريات صغيرة مستديرة أو مسطّحة: فدفعها ضئيل آمن للتجارب. أما مأخذ الجدار فعالَم آخر — إذ دفعه أشدّ منها مئات المرات، ويكفي لأن يؤذي أو يقتل. فلا تُدخل أسلاكًا ولا أصابع ولا أي شيء آخر في مأخذ جدار أبدًا، ولا تفكّك شيئًا يُوصَل به. ألعاب البطاريات: نعم. والمأخذ: أبدًا.
16.3 تمارين
تمرين 16.1 ★
تمرين 16.2 ★
ما الدارة المغلقة؟ وما الدارة المفتوحة؟ وفي أيّهما يضيء المصباح؟
تمرين 16.3 ★
تصل ليا قطب البطارية بطرف المصباح بسلك واحد، وتقف عند ذلك. فيبقى المصباح معتمًا. ما الذي ينقص، بكلمات قانون الحلقة؟
تمرين 16.4 ★
ما عمل القاطعة في الحلقة؟ وما الذي يقع داخل القاطعة حين تكون مغلقة؟
تمرين 16.5 ★
ارسم، بالرموز المرتّبة في الملاحظة 16.8، دارةً فيها بطارية واحدة وقاطعة مغلقة ومصباح. وأيّ رمز لأيّ عنصر؟
تمرين 16.6 ★
انطفأ المصباح اليدوي في وسط رحلة تخييم. اذكر ثلاثة فراغات أو أعطال محتملة تفحصها، من الطريقة 16.3.
تمرين 16.7 ★
في دارة جرس الباب، أين “القاطعة”؟ ولماذا لا يرنّ الجرس إلا ما دام الزرّ مضغوطًا؟
حل
حل التمرين 16.7.
الزرّ هو القاطعة. فضغطه يضع الجسر المعدني ويغلق الحلقة، فيرنّ الجرس؛ وإفلاته يرفع الجسر، فينفتح الفراغ ويتوقّف الرنين.
تمرين 16.8 ★
لماذا يجب ألّا تدخل شيئًا في مأخذ جدار أبدًا، مع أن اللعب ببطارية لا بأس به؟ (انظر الملاحظة 16.9.)
حل
حل التمرين 16.8.
دفع البطارية ضئيل آمن؛ أما دفع مأخذ الجدار فأشدّ منه مئات المرات، ويستطيع أن يؤذي أو يقتل. والمآخذ ليست للتجارب — أبدًا.
تمرين 16.9 ★
مصباح ممسوك وطرفه على قطب البطارية ، وسلك من قطب البطارية مضغوط على الجانب المعدني من قاعدة المصباح: أيضيء؟ تتبّع الحلقة بإصبعك لتقرّر.
حل
حل التمرين 16.9.
نعم، يضيء. تتبّع الحلقة: القطب ، فإلى الطرف، فعبر الخيط المتوهّج، فخروجًا من التماسّ الجانبي، فعلى طول السلك، فعودةً إلى . رحلة كاملة تزور القطبين وموضعَي التماسّ معًا.
تمرين 16.10 ★★
يبني سام حلقة: بطارية، فسلك، فمصباح، فسلك، فعودة إلى البطارية — لكنه يصل السلكين كليهما بالقطب نفسه، ، “لأنه كان أقرب”. فيبقى المصباح معتمًا وإن بدت الحلقة كاملة. اشرح ما الذي ينقص حلقته، مستعينًا بما في المثال 16.6.
تمرين 16.11 ★★
سلسلة أضواء زينة ينقصها مصباح واحد، والسلسلة كلها معتمة، مع أن سائر المصابيح سليمة. فماذا يخبرك هذا عن ترتيب المصابيح في الحلقة؟ (وسيمنح فصلُ الدارات في السنة القادمة هذا الترتيب اسمًا.)
حل
حل التمرين 16.11.
لا بدّ أن تكون المصابيح كلها على حلقة واحدة، واحدًا بعد الآخر: فالمصباح الناقص يترك فراغًا، والفراغ الواحد يُطفئ السلسلة كلها — وهو قانون الحلقة. (وفي السنة القادمة ينال هذا الترتيب، واحدًا بعد الآخر، اسمه: التركيب على التسلسل.)