Physics · الكتاب 1 · Grades 1–9

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9

22النواقل والعوازل

لماذا تُصنع الأسلاك الكهربائية من معدن — ثم تُكسى بالبلاستيك؟ ولماذا ينقل جسر القاطعة الصغير التيارَ بينما يحفظ غلافها أصابعك؟ في السنة الماضية أغلقنا الحلقات؛ وهذه السنة نسأل في أيّ الموادّ تستطيع الكهرباء أن تسافر أصلًا. والجواب يصنّف كل مادة في صنفين: نواقل وعوازل.

22.1 المختبِر

طريقة 22.1 (كيف تبني مختبِرًا)

ابنِ حلقة السنة الماضية — بطارية وأسلاك ومصباح — لكن اترك فيها فراغًا مقصودًا: طرفَي سلك حرّين، بينهما عرض إصبع.

  1. المِس الطرفين الحرّين أحدهما بالآخر: يضيء المصباح — فالمختبِر يعمل؛
  2. ثم اجسر الفراغ بالجسم موضع الاختبار، مع ضغط طرف معدني على كل سلك ضغطًا محكمًا؛
  3. وراقب المصباح: فالضوء يعني أن الكهرباء عبرت الجسم؛ والعتمة تعني أنها لم تستطع.

المصباح يعطي الجواب: فهو يضيء بالضبط حين يُكمل الجسمُ المختبَر الحلقةَ.

المختبِر: حلقة سليمة فيها فراغ واحد. وكل ما يجسر الفراغ هو موضع الاختبار — والمصباح يبيّن أيعبره التيار أم لا.
المختبِر: حلقة سليمة فيها فراغ واحد. وكل ما يجسر الفراغ هو موضع الاختبار — والمصباح يبيّن أيعبره التيار أم لا.

22.2 النواقل والعوازل

تعريف 22.2 (الناقل)

الناقل مادة تدع الكهرباء تسافر فيها. وفي المختبِر يُغلق الناقلُ الجاسر للفراغ الحلقةَ فيضيء المصباح.

تعريف 22.3 (العازل)

العازل مادة تحجب الكهرباء. وجسر الفراغ بعازل يترك الحلقة مفتوحة كما كانت: فيبقى المصباح معتمًا.

مثال 22.4 (صباح من الاختبارات)

نتائج مختبِر في صفّ: مشبك ورق فولاذي — ضوء. وقطعة نقود — ضوء. ورقاقة ألمنيوم من المطبخ — ضوء. ومفتاح — ضوء. ومسطرة بلاستيكية — عتمة. وقلم خشبي — عتمة. وكرة زجاجية — عتمة. وممحاة مطّاطية — عتمة. وشريط ورق — عتمة. والنمط يقفز إلى العين: فالأجسام التي تضيء المصباح كلها مصنوعة من معدن.

قضية 22.5 (المعادن ناقلة)

كل المعادن تنقل الكهرباء — الحديد والنحاس والألمنيوم والذهب، كلها، ولهذا فاجأتنا انتقائية المغناطيس للحديد ولن يفاجئنا المختبِر أبدًا. وأكثر الأجسام الصلبة اليومية الأخرى — البلاستيك والخشب والزجاج والمطّاط والورق والشمع — عوازل.

ملاحظة 22.6 (الناقل ليس مغناطيسيًّا)

لا تخلط بين موهبتَي المعادن. فالمغناطيس لا يختار إلا الحديد وأسرته؛ أما التيار الكهربائي فأقلّ انتقاءً بكثير ويسافر في كل معدن. ورقاقة الألمنيوم التي أهملت مغناطيسك تحمل التيار حملًا جميلًا — لعبتان مختلفتان، وقاعدتان مختلفتان.

22.3 النواقل والعوازل تعمل معًا

مثال 22.7 (تشريح سلك)

انظر إلى طرف كبل مصباح حيث يدخل القابس: في الداخل يجري نحاس لامع — ناقل، وهو طريق التيار؛ وحوله يلتفّ بلاستيك ملوّن — عازل، وهو سياج الطريق. النحاس يقوم بالعمل؛ والبلاستيك يبقي التيار في الداخل وأصابعك في الخارج. وكل كبل في بيتك يزاوج بينهما: ناقل داخل عازل.

كبل كهربائي مجرّدًا من كسائه: طريق نحاسي للتيار، داخل سياج بلاستيكي للأمان.
كبل كهربائي مجرّدًا من كسائه: طريق نحاسي للتيار، داخل سياج بلاستيكي للأمان.
طرف كبل مقطوع، على الحقيقة: خيوط نحاس لامعة — وهي الناقل — داخل غلافها البلاستيكي الملوّن — وهو العازل.
طرف كبل مقطوع، على الحقيقة: خيوط نحاس لامعة — وهي الناقل — داخل غلافها البلاستيكي الملوّن — وهو العازل.

مثال 22.8 (قراءة الأشياء اليومية)

والآن تشرح تصاميم كثيرة نفسها بنفسها. القاطعة: جسر معدني (لا بدّ أن يحمل التيار) في غلاف بلاستيكي (لا يجوز أن يحمله إصبعك). ومفكّ الكهربائي: نصل فولاذي، ومقبض عازل غليظ. والمأخذ: معدن في العمق، وبلاستيك في الواجهة. وأبراج التوتر تحمل كبلات معدنية عارية عاليًا بعيدًا عن المتناول، معلَّقة بأقراص عازلة طويلة حتى لا يتسرّب التيار إلى البرج.

ملاحظة 22.9 (الماء والناس، ولماذا وُضعت القواعد)

وهناك ناقل آخر لا بدّ من تسميته: الأشياء الرطبة — ومنها جلد الإنسان الرطب. ونحن ننقل نقلًا رديئًا، لكن مأخذ الجدار يدفع دفعًا جبّارًا يجعل الرديء أكثر من كافٍ. وهذا هو السبب العميق وراء قواعد الأمان التي تعرفها: لا تُدخل شيئًا في مأخذ، ولا تلمس شيئًا كهربائيًّا بيدين مبتلّتين، وأبعِد مجفّفات الشعر عن الحمّام. والمختبِر بالبطارية آمن لأن دفع البطارية ضئيل؛ أما المأخذ فلا يغفر شيئًا.

22.4 تمارين

تمرين 22.2

صنّف إلى نواقل وعوازل: ملعقة فولاذية؛ فلّينة؛ رقاقة مطبخ؛ كأس زجاجية؛ قطعة نقود نحاسية؛ قالب بلاستيكي.

حل

حل التمرين 22.2.

النواقل: الملعقة الفولاذية، ورقاقة المطبخ، وقطعة النقود النحاسية. والعوازل: الفلّينة، والكأس الزجاجية، والقالب البلاستيكي.

تمرين 22.3

قبل أي تجربة، كيف تتحقّق من أن المختبِر نفسه يعمل؟ ولماذا يهمّ هذا التحقّق؟

حل

حل التمرين 22.3.

المِس الطرفين الحرّين أحدهما بالآخر مباشرة: فلا بدّ أن يضيء المصباح. فلو كان المختبِر نفسه معطوبًا لبدا كل جسم عازلًا — والتحقّق يحمي من اتّهام البريء.

تمرين 22.4

جسم مختبَر يترك المصباح معتمًا. اذكر سببين محتملين — واحدًا يخصّ الجسم، وآخر يخصّ إهمال الاختبار.

حل

حل التمرين 22.4.

إمّا أن يكون الجسم عازلًا — وإمّا أن يكون الاختبار مهملًا: طرف سلك يلمس طلاءً أو ورنيشًا أو وسخًا بدل أن يضغط على مادة الجسم العارية ضغطًا محكمًا (أو انفكّت وصلة).

تمرين 22.5

لماذا يكون كبل المصباح نحاسًا من الداخل وبلاستيكًا من الخارج؟ وأيّ عمل تقوم به كل مادة؟

حل

حل التمرين 22.5.

النحاس ينقل: فهو طريق التيار إلى المصباح. والبلاستيك يعزل: فهو يبقي التيار في السلك والأصابع في أمان خارجه.

تمرين 22.6

في القاطعة، أيّ جزء ناقل وأيّ جزء عازل؟ ولماذا تحتاج إلى الاثنين؟

حل

حل التمرين 22.6.

الجسر المعدني الصغير ناقل — ولا بدّ أن يغلق الحلقة حين تكون القاطعة عاملة. والغلاف عازل — فالأصابع تضغطه طوال النهار. فبلا الجسر لا ضوء؛ وبلا الغلاف لا أمان.

تمرين 22.7

رقاقة الألمنيوم تهمل المغناطيس إهمالًا تامًّا. فهل تضيء مصباح المختبِر؟ وأيّ قاعدة تجيب، ومن أيّ خلط تحذّر الملاحظة 22.6؟

حل

حل التمرين 22.7.

نعم — فالألمنيوم معدن، وكل المعادن ناقلة. والتحذير: أن المغناطيسية والنقل موهبتان مختلفتان؛ وقاعدةُ “الحديد وحده” عند المغناطيس لا تقول شيئًا عن النقل.

تمرين 22.8

القلم خشب فيه سنّ من الغرافيت. ويبقى مختبِر نينو معتمًا عبر الخشب المطليّ لكنه يضيء ضوءًا خافتًا من سنّ إلى سنّ عبر الغرافيت المبريّ. فماذا اكتشف نينو عن مادّتَي القلم؟

حل

حل التمرين 22.8.

الخشب (والطلاء) عازل، أما سنّ الغرافيت في الداخل فناقل — وهو ناقل غير معدني نادر، يجري مختبئًا في القلم من طرف إلى طرف.

تمرين 22.9

لماذا تكون مفكّات الكهربائيين وكمّاشاتهم ذات مقابض بلاستيكية غليظة؟ وأيّ مادة تحمي مَن؟

حل

حل التمرين 22.9.

العازل يحمي الإنسان: فإن لمس معدنُ الأداة شيئًا كهربائيًّا يومًا منع المقبض البلاستيكي الغليظ التيارَ من العبور إلى اليد.

تمرين 22.10 ★★

سلسلة قلادة تعطي “ضوءًا” في المختبِر؛ وقلادة خرز خشبي تعطي “عتمة”؛ وقلادة خرز معدني معقود على خيط قطني غليظ تعطي “عتمة” أيضًا — مع أن كل خرزة ناقلة! اشرح النتيجة الثالثة بتتبّع طريق التيار من خرزة إلى خرزة.

حل

حل التمرين 22.10.

التيار لا بدّ أن يقطع الطريق كله. ففي السلسلة تلمس الحلقة المعدنية الحلقة المعدنية: طريق معدني كامل. أما في قلادة الخرز فبين خرزة معدنية والتي تليها امتداد من العقدة القطنية — وهي عازلة — فينقطع الطريق عند كل خرزة: فالعتمة، رغم كل تلك النواقل.

تمرين 22.11 ★★

لماذا يكون لمس الأشياء الكهربائية بيدين مبتلّتين أخطر بكثير من لمسها بيدين جافّتين؟ ولماذا يكون المختبِر بالبطارية آمنًا لتجاربك بينما لا يكون المأخذ آمنًا أبدًا؟ استعمل الملاحظة 22.9.

حل

حل التمرين 22.11.

الجلد الرطب ينقل خيرًا بكثير من الجلد الجافّ، فاليدان المبتلّتان تعرضان على التيار طريقًا سهلًا عبر الجسم. والمختبِر بالبطارية آمن لأن دفع البطارية ضئيل؛ أما دفع مأخذ الجدار فأشدّ منه مئات المرات — وعبر جلد رطب قد يكون قاتلًا، ولهذا تبيح القواعد ألعاب البطاريات وتحرّم المآخذ، دائمًا.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (393) في المسرد