آموزش و تولید محتوای الکترونیکی دروس

دنیای پیرامون ما (فیزیک)

آموزش و تولید محتوای الکترونیکی دروس

دنیای پیرامون ما (فیزیک)

زندگینامه فاراده

مروری بر آزمایشهای مایکل فاراده

مایکل فاراده، دانشمند بزرگ و خود ساخته‌ای است که جهان علم چند سال پیش در سپتامبر1991 به گرامیداشت دویستمین سالگرد تولدش، مراسمی بر پا داشت و مقاله‌های متعددی در نشریات معتبر علمی به این مناسبت منتشر شد. این شیمی فیزیکدان بزرگ تجربی در سپتامبر 1791 در نیوینگتن- که اکنون جزء لندن است- به دنیا آمد. او فقط توانست تحصیلات ابتدایی را بگذراندو در سیزده سالگی برای تأمین مخارج زندگی خود و خانواده نزد کتابفروشی به نام «ریباو»، ابتدا به کار روزنامه فروشی و سپس به صحافی پرداخت و از طریق مطالعه کتابهای علمی صحافی شده و یادداشت برداری از آنها دلبستگی اش به علم آشکار و استعداد بی‌نظیرش شکوفا شد. سپس از طریق شرکت در چند جلسه سخنرانی «دیوی» در مؤسسه سلطنتی انگلستان، توجه سخنران را به استعداد شگرف خود جلب نمود. به طوری که چندی بعد به دستیاری دیوی در آزمایشگاه رسید و سر انجام در سال 1825 به مدیریت آزمایشگاه منصوب شد و در 1833 استاد شیمی موسسه گردید. دیوی در یکی از سخنرانیهایش در1832 گفت: «فاراده بزرگترین کشف من در زندگی است» . فاراده با دیوی مسافرتهای زیادی به فرانسه، سوئیس، آلمان و اتریش کرد و با دانشمندان زیادی آشنا شد. او نخستین بار توجه خود را بر مسئله الکترو مغناطیس متمرکز ساخت و نتایج تحقیقات تجربی او در این زمینه بعد‌ها منجر به پیدایش موتورهای برق، مولد‌های برق، قطارهای برقی، سیستم برق رسانی عمومی‌و صدها اختراع و اکتشاف علمی و صنعتی دیگر شد.

مروری بر آزمایشهای مایکل فاراده

فاراده، تجربیات متنوعی در زمینه شیمی و فیزیک انجام داد. توانست برای اولین بار بعضی از گازها نظیرکلر، کلرید هیدروژن ، سولفید هیدروژن، سیانوژنC2n2)، اتیلن و هیدروژن فسفره را به مایع تبدیل کند، بنزن را در روغن قطران کشف کند، فرضیه الکترولیز را به اثبات رساند، و واژه‌هایی نظیر یون، الکترود، آند و کاتد را معمول و متداول سازد، و قوانین کیفی و کمی الکترولیز را وضع کند و نخستین کسی باشد که در آزمایشگاه، دمایی پایینتر از دمای صفر فارنهایت ایجاد کند.

نام فاراده با ابداعات مهمی نظیر خطوط میدان الکتریکی، با قوانین مهمی نظیر الکترومغناطیس و الکترولیز و...با واحد فیزیک (فاراده)، با ثابت فیزیکی (عدد فاراده)، با اثر فیزیکی مهم (فضای تاریک فاراده) و اینک با انجمنهای بی‌شمار علمی، مجلات علمی و جوایز بی‌شماری همراه است. ولی این انسان وارسته، این دانشمند و استاد برجسته که با همه مشغله‌های علمی‌اش به صدها نامه پاسخ می‌داد و هیچ نامه‌ای را بی‌جواب نمی‌گذاشت، با همه شهرت و مقام شامخ علمی، انسانی بسیار فروتن و متواضع بود. هنگامی که لقب بارون که از القاب بسیار مهم اشرافی آن زمان انگلستان بود، به وی داده شد، آن را نپذیرفت و اظهار داشت: «چون این لقب چیزی به من نمی‌آموزد، از این رو فایده‌ای برای من ندارد .»

فاراده به آموزش علم و به نقش آن در خدمت به جامعه بسیار اهمیت می‌داد. او هر ساله سخنرانیهایی به نام سخنرانیهای کریسمس برای کودکان ترتیب می‌داد. پس از هر سخنرانی ضمن صحبت محبت‌آمیز با کودکانی که دور او را گرفته بودند، به آنها اجازه می‌داد به انجام آزمایشهایی بپردازند. در یک کلام می‌توان گفت که فاراده دانشمند انسانی بود که ارتباط عمیق و ارگانیک میان دست، مغز و قلب را همچون نمونه‌ای کامل، عملاً متجلی ساخته بود. در طی جنگهای کریمه، وقتی دولت بریتانیا از وی خواست مقداری گاز سمی برای استفاده در میدانهای جنگ تهیه کند، قاطعانه پاسخ داد: «گر چه انجام چنین کاری برای من بسیار آسان است ولی من هرگز وسیله کشتن بشر را فراهم نخواهم کرد.»

این مرد بزرگ تاریخ علم در 1867 در هامتن کورت- حومه لندن- وفات یافت.

آزمایشهای فاراده در سپتامبر 1821، نقطه آغازی برای تحقیقات او در زمینه الکترومغناطیس بودند. روشهای تجربی و جهت تفکر و اندیشه وی، نشانه شناخت عمیق و روشن او از رشد و گسترش علم بود. واقعیت این است که او از روز اول می‌دانست کشفی انجام داده است، و آزمایشهای بعدی او برای مقایسه مشاهداتش با کارهای آمپر بود. در حقیقت او چیزی را نوشت که بخوبی آمادگی‌اش را داشت (1823).

او شرح می‌دهد چگونه آن زمان که مقاله‌ای علمی در این زمینه آماده می‌کرد (1821)، قبلا سه ماه برای خواندن آخرین مقاله‌های منتشر شده درباره الکترومغناطیس وقت صرف کرده و بسیاری از آزمایشهای شرح داده شده در آنها را برای خودش تکرارکرده بود. او همچنین دستیار «همفری دیوی» در آزمایشهای الکترومغناطیس در 1820 بود، ضمن آنکه در زمنیه انحنای قوس الکتریکی توسط یک آهنربای گردان کار می‌کرد. لذا در 3 سپتامبر1821 برای پیگیری کار به خوبی آمادگی داشت و از کارهای تجربی و روشهای دیگر فلاسفه و استادان بخوبی آگاه بود.

این مقاله برای آشنایی با آزمایشهای اولیه خود فاراده نوشته شده است. همان گونه که «جیمز کلارک ماکسول» در مقدمه «رساله‌ای در باب الکترومغناطیس» در 1873 نوشته است: «فکر می‌کنم لذتی که از خواندن تحقیقات فاراده به من دست می‌دهد به همان اندازه برای دیگران نیز لذت بخش باشد.»

ممکن است بعضی معلمان و دانش‌آموزان کوشش کنند این آزمایشها را یا با روشهای نوین یا با حفظ امانت به همان روشهای ابتدایی خود فاراده تکرار کنند. در هر دو حالت، سودی بیشتر از افزایش دانش خویش و کسب بیشتر خواهند برد.

آزمایشهای سپتامبر 1821

در 3 سپتامبر، فاراده با تکرار یکی از آزمایشهای1820 «اورستد» که حرکت یک سیم رسانای قائم را در راستای عقربه مغناطیسی افقی بررسی می‌کرد، کار خود را آغاز نمود. در پیش نویس اولیه یادداشتهای روزانه‌اش در آن روز، سوزن یا عقربه (مغناطیسی) معلق به نظر می‌رسد، به طوری که نیروها را در مرکز آن ثبت کرده است. در آزمایشی دقیق‌تر، او دریافت که هر چه سیم به قطب عقربه نزدیکتر شود. نیروهای جاذبه یا دافعه افزایش می‌یابند، و به محض آنکه سیم از قطب عقربه گذشته و به انتهای آن نزدیک شود قضیه بر عکس می‌شود. در طرح دوم پیش نویس، نقطه‌ای ظاهر شده که می تواند دلالت بر این داشته باشد که عقربه اینک محوری شده است. این آزمایش را یقیناً با یک عقربه محور دار در عرض چند ثانیه می‌توان به سادگی تکرار کرد. در حالی که با یک عقربه معلق بسیار مشکل است. سر انجام او چرخشی را به دست آورد، یعنی سیم به طور پیوسته حول مغناطیس شروع به چرخش کرد.

روز بعد ابزار جدیدی با حساسیت بیشتری ساخت. این ابزار امروزه معمولاً برای نمایش کشف فاراده به کار می‌رود:

تشت گود پر از جیوه که در ته آن قطعه‌ای موم قرار گرفته با آهنربایی که به طور قائم در موم فرو رفته. تا حدی که قطب آهنربا از جیوه بیرون باشد. سیمی رسانا که به وسیله چوب پنبه‌ای چنان شناور شده که انتهای پایینی آن در جیوه غوطه ور است و سربالایی آن به کلاهک نقره‌ای اتصال دارد.

او همچنین موفق به ساختن عقربه شناور قائمی شد که به دور رسانا می‌چرخید، ولی نتوانست آهنربایی بسازد که به دور محور خودش بچرخد. بنابراین با یک رشته آزمایشهای مقدماتی ساده ولی قابل ملاحظه، از تجربه اورستد آغاز کرد و سر انجام به کشف چرخش رساناها و آهنرباها به دور یکدیگر نائل شد.

آزمایشهای مشابهی که توسط دانشمندان فرانسوی انجام شده بودند، نیروهای جاذبه خطی میان رساناها یا میان رساناها و آهنرباها را نشان داده بودند. ابزار آنها زمخت و با محورهای ثابت بود. آمپر، همچنین با یک سیم پیچ حامل جریان، تجربه‌ای انجام داد و معتقد شد که سیم پیچ دقیقاً نظیر یک آهنربا عمل می‌کند.

فاراده با این تجربه آشنا بود. طوری که توانست اثر دوران را که هیچ کس قبل از او گزارش نکرده بود، تولید کند. این اثر که آزادی حرکت را نشان می‌داد، با روش ابداعی او به وسیله ابزاری به وجود می‌آمد که طراحی کرده بود. او بعدها به این نکته اشاره کرد که اشکال همه آزمایشهای دورانی برای حرکت، ساختن ابزاری به قدر کافی ظریف بود که تا آن زمان جرم ماده کافی برای تماس آن به دست نیامده بود. بعدها نیز با تکرار آزمایشهای خود با این مشکل روبه‌رو شد.

فاراده چند روز بعد را به طور کامل به کاوش و پژوهش در آثار حرکتهای دورانی گذراند. او بسیاری از آزمایشهای آمپر را برای تعبیر مشاهدات نیروهای خطی توسط آمپر به آنچه در زمینه نیروهای دورانی مشاهده کرده بود، تکرار کرد. این آزمایشها مجموعه جالبی از پدیده‌ها را فراهم آورد که می‌توانست در فهم پایه آثار الکترومغناطیس به یک دانش آموز کمک کند.

فاراده در یافت که نوع اثر، دورانی یا خطی، به ترکیب «تک رسانا- تک قطب»، آثار دورانی تولید می‌کند، در حالی که ترکیب «جفت رسانا- تک قطب» یا ترکیب «تک رسانا- جفت قطب»، آثار خطی تولید می‌کند. او این آثار را در 4 سپتامبر(1821) با وصل دو سیم رسانا از یک باتری ولتا به تشت پر از آبی که ته آن برای تماس بهتر کمی جیوه ریخته بود، نشان داد. یک عقربه (سوزن) مغناطیسی که در چوپ پنبه‌ای فرو برده شده و به طور قائم شناور بود، در خط مستقیمی میان دو رسانا حرکت می‌کرد. هنگامی که سوزن به طورافقی شناور می‌شد، به سوی سیم نزدیکتر حرکت می‌کرد که این حرکت نه توسط قطب دیگر بلکه به وسیله نقطه مرکزی آن بود. در آوردن سیم و قرار دادن آن در طرف دیگر سوزن، سبب می‌شود که سوزن از سیم دور شود. او نتیجه گرفت که نیروهای ظاهر شده را می‌توان به وسیله نیروهای دورانی اطراف سیمها توصیف کرد.

در 5 سپتامبر، با ابزاری که توسط دو لاریو (dela rive) طراحی شده بود، آزمایش کرد.این ابزار چنین بود:

«یک باتری ولتای کوچک با چوپ پنبه‌ای شناور در آن و قطبهای روی و مس که سرهای دو قطب از چوپ پنبه بیرون زده است. سیمی با روکش ابریشمی که چهار یا پنج بار حول استوانه‌ای پیچیده شده به طوری که سیم پیچی به قطر تقریبا یک اینچ تشکیل داده و این سیم پیچ به دو سر قطبهای روی و مس وصل شده است. هنگامی که این سیم پیچ در آب رسانایی گذارده شود، کاملا تحت تاثیر آهنربا قرار می‌گیرد و به طرز مناسبی به جای آزمایشهای انجام شده با سیمهای مستقیم در سیم‌پیچی مشابه عمل می‌کند.

این آزمایشها نشان داد که سیم پیچ شناور از آهنربا دور شده و دور می‌زند و سپس به سوی مرکز آن حرکت می‌کند. در اینجا نیز آزادی حرکت، مجدداً مبنای آزمایش شده بود. حرکت به وسیله مقطع افقی ابزار، توضیح داده شده بود. حرکت سیم پیچ نتیجه اثر عبور قطب (آهنربا) از میان دو سیمی بود که جریانهایی در دو جهت مخالف از آنها می‌گذشت.

در 6 سپتامبر با همان ابزار نشان داد که: «یک سیم دایره شکل که بخشی از اتصال دو قطب یک باتری باشد و در صفحه عمود بر نصف‌النهار مغناطیسی قرار گیرد، هم جهت با مغناطیس زمین خواهد بود.» این ابزار با قرار گرفتن در یک ظرف کوچک آزمایشگاهی (فلاسک) که برای جلو‌گیری از تاثیر گازهای آزاد شده از قطبهای باتری تعبیه شده بود، مختصری اصلاح شد.

در روزهای بعد، فاراده ویژگیهای سیم پیچ‌های مختلف حامل جریان را با آهنرباها و از جمله با آهنرباهای استوانه‌ای تو خالی مقایسه کرد. او با نظر آمپر مبنی بر مشابهت آنها موافق نبود.

فاراده وضعیت قطبهای یک آهنربای میله‌ای را با قرار دادن آن بالای یک سوزن (عقربه آهنربا) قائم که در یک چوب پنبه شناور در آب فرو برده شده بود، آزمایش کرد. سوزن به سوی نقطه‌ای در امتداد محور آهنربای میله‌ای حرکت ‌کرده و مختصری از انتهای آهنربا دور می شود. قرار دادن یک قطعه آهن در انتهای آهنربا، سبب می‌شد که سوزن شناور به سوی انتهای قطعه آهن حرکت کند. نتایج مشابهی با آهنربای نعلی شکل به دست ‌آمد، اما هنگامی که قطعه آهن همچون پلی روی دو سر آهنربای نعلی شکل قرار می‌گرفت، عقربه مغناطیسی شناور در راستای بازوی آهنربای نعلی شکل، به سوی دیگر حرکت می‌کرد.

او همچنین این نکته را یادداشت کرد که قطبهای مشابه آهنرباها با بیشترین فاصله همدیگر را دفع و با کمترین فاصله همدیگر را جذب می‌کنند و به هم می‌چسبند. این مشاهده ممکن است شگفت‌آور به نظر آید، اما با یک آهنربای آهنی ضعیف آزمایش می‌شود. مجموعه‌ای از آزمایشها تحت عنوان «درباره بعضی حرکتهای الکترومغناطیسی» در دسامبر 1821 منتشر شد. وقتی آمپر این رساله را خواند، تمام آزمایشها را مجددا تکرار کرد و یادداشتهای خود را نیز تکمیل نمود، به طوری که قادر شد آهنربای حامل جریانی بسازد که حول محور خود بچرخد.

آزمایشهای دسامبر 1821

در ماه دسامبر فاراده آزمایشها را ادامه داد. ابتدا سیمی افقی (شبیه به میل لنگ) که روی محور یک میله شیشه‌ای تراز شده و به قطب یک باتری وصل بود، برای حرکت به بالا و پایین توسط مغناطیس زمین، ساخته شد. سپس سیمی افقی که به وسیله نخی ابریشمی از سقف آویزان شده و دو سر آن در دو تشت کوچک پر از جیوه فرو رفته بود را مورد آزمایش قرار داد که چگونه هنگام عبور جریان به طور افقی حرکت می‌کرد. جهت حرکت همیشه عمود بر خود سیم بود و نتیجه گرفت. فاراده این آزمایش را با سیمی که به وسیله یک چوپ پنبه شناور مهار شده بود تکرار کرد و مشاهده نمود که حرکت (سیم) به علت کشش سطحی جیوه روی چوب پنبه شناور، کند می‌شود.

آمپر قبلا دریافته بودکه یک حلقه سیم هنگام عبور جریان در مغناطیس زمین، حول محورش دوران خواهد کرد. فاراده این آزمایش را تکرار نمود با این فرق که او برای کاهش اثر چرخش یک تک سیم حول یک تک قطب، یک سیم افقی را به جای یک حلقه به کار برد. نهایتاً در 25 دسامبر او آزمایش دورانی 5 سپتامبر خود را تکرار نمود. اما این بار سیم با زاویه شیبی بزرگتر از زاویه عمق بود و به جای آهنربا از مغناطیس زمین استفاده کرد.

تکرار آزمایشهای فاراده برای امروز

آزمایشهای فاراده، آثار اساس الکترو مغناطیس را نشان می دهند و تکرار آنها برای دانش آموزان می‌تواند مفید باشد. ابزار مورد نیاز می‌تواند ساده و نتایج حاصل، بسیار خوب باشد. هیچ نیازی به مجموعه کامل ابزار و لوازم یا به روشهای ویژ‌ه‌ای برای گرد آوری این ابزار نیست. بنابراین هر دانش آموزی می‌تواند در همان وضعیتی باشد که یک دانشمند با خواندن یادداشتهای فاراده و تلاش برای اثبات صحت و سقم یافته‌های او دارد. در کلاس، گروههای منفرد برای انجام یک آزمایش ویژه می توانند به سلیقه خود ابزاری را انتخاب و گرد آوری کنند، یا چند گروه در مشارکت و تبادل نظر با هم می‌توانند آزمایشهای مختلفی را انجام دهند.

برای انجام این آزمایشها، این تصمیم مهم است که آیا مواد و ابزار قدیمی و سنتی را به کار ببریم، یا ابزار نوین مشابه را؟ معقولانه‌تر، آن است که ابتدا یک اثر را با ابزار نوین آزمایش کنیم و سپس ببینیم که آیا با ابزار سنتی قدیمی نیز این اثر جواب خواهد داد یا نه؟ ابزار سنتی در کتابها و مقاله‌های آن زمان شرح داده شده‌اند. کتاب خود فاراده به نام «دستکاریهای شیمیایی» (منتشر شده در 1827) مرجع بسیار خوبی در این زمینه است.

طرح یک باتری ولتایی فشرده را می‌توان در یادداشتهای روزانه‌اش به تاریخ 17 ژانویه 1834 یافت.

هر چند که سطح قطبهایی به کوچکی شش اینچ مربع (39 سانتیمتر مربع) قبلا توسط ویلیام استورجن در ابزاری که برای نمایشگاه عمومی نیمه سال 1820 طراحی کرده بود، به کار برده شده بود.

من پیشنهاد می‌کنم ابتدا یک منبع تغذیه ولتاژ مستقیم به کار برده شود. یک شارژر باتری ماشین نیز خوب کار خواهد کرد. یک آمپرسنج باید در مدار تعبیه شود که نشان دهد مدار نصب شده است، حتی اگر اثر مورد نظر برقرار نشده باشد. یک باتری ماشین می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، اما در این حالت مقاومت ابزار به کار رفته باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا جریانهای داخلی اتصال کوتاه زیادی در آزمایش وجود خواهد داشت. در بسیاری آزمایشها از جیوه استفاده می‌شد، ولی امروزه طبق مقررات ایمنی، ضروری است از محلول نمک رقیق یا اسید ضعیف استفاده شود. این دو محلول، رسانایی کمتری نسبت به جیوه دارند، و گازهای حاصل، سبب کاهش زمان عملکرد آزمایش خواهند شد. هر چند که بر عکس کردن قطبها زمان را کمی افزایش خواهد داد.

احتمالاً سریعترین و تمیزترین روش نمایش بعضی از این آثار توسط «کولین سیدنز» (1962) پیشنهاد شده است. او بسیاری از آزمایشهای1821 را تکرار کرد. و دریافت که جریان لازم برای حرکات مکانیکی یک سیم، سبب التهاب و قرمز شدن و شکم انداختن سیم می‌شود. هر چند که با ایجاد تعادل میان توان، حساسیت و آزادی مکانیکی، موفق به کاربرد نوارهای باریکی از فویل آلومینیم شد. یک نوار باریک از فویل آلومینیم که در کنار یک آهنربای میله‌ای قائم آویزان باشد، به محض اتصال به یک منبع تغذیه، بلافاصله خود را به دور آهنربا خواهد پیچاند. به همین ترتیب، قطعه‌ای از فویل آویزان بین دو پایه در میدان (مغناطیسی) زمین منحرف خواهد شد و در حالی که یک حلقه،آویزان، شل و رها باشد، به آرامی باز خواهد شد و سپس در مدار نصف‌النهار خواهد پیچید. «الیورلاج» از نخ طلای مورد مصرف در یونیفورمهای نظامی به عنوان رسانای قابل انعطاف استفاده کردکه در کتابش به نام نگرشی نوین درباره الکتریسیته چاپ 1889 منعکس است.

تلاش برای ساختن یک آهنربای حامل جریان که حول محورش دوران کند، تلاش با ارزشی است. آمپر این آزمایش را با به کار بردن یک تنگ شیشه‌ای باریک محتوی جیوه که آهنربایی تا نیمه در آن شناور و جریانی بین یک سر آهنربا و جیوه برقرار است، انجام داد. هر چند که این اثر را می‌توان با قرار دادن سیمی در انتهای یک آهنربای کوچک به طور قائم شناور در محلول نمک ضعیف آزمایش کرد که در آن، سر آزاد سیم دوران خواهد نمود. آزمایش دورانی دیگری را که می‌توان انجام داد. در یادداشتهای 22 ژانویه 1822 فاراده شرح داده شده است. او چنین استدلال کرده بود که نیروهای دورانی به جریان الکتریکی و قطب آهنربایی مربوط می‌شوند و سیم و آهن فقط موقعیت این نیروها را عینیت می‌بخشند. بنابراین در آزمایش 4 سپتامبر خود، سیم می‌بایست به دور آهنربا حرکت می‌کرد، گر چه آهنربا با آن می‌چرخید. این اثر را با پیچاندن سیم به آهنربا نیز می‌توان انجام داد. دوباره هنگام تکرار این آزمایش، وقفه مشابهی مفید است.

من در اینجا فقط جزئیاتی از آزمایشهای 1821 فاراده را ارائه داده‌ام.آزمایشهای 1831 او درباره القا را نیز می توان به آسانی با استفاده از یک گالوانومتر آینه‌ای نوین تکرار کرد. البته آزمایش این اثر با استفاده از گالوانومتر فاراده، که آن را می‌توان در عرض پنج دقیقه ساخت، بسیار جالبتر خواهد بود. سوزنی را ابتدا آهنربا کرده و دو نیمه کنید و در دو جهت مخالف در قطعه گیاه کوچک خشکی فرو ببرید که یک دو

قطبی ناپایدار ساخته شود. سپس این وسیله را به وسیله نخ ابریشم بافته نشده‌ای برای محافظت از جریان هوا در تنگی شیشه‌ای آویزان کنید و سیم پیچی را که 15 دور با سیم مسی پیچیده شده، در کنار سوزن پایینی قرار دهید. چنین گالوانومتری نسبت به چند

صدم میکرو آمپر حساس است و در آزمایش مورد نظر می‌تواند حساسیت خوبی نشان دهد. این ابزار را می توان به عنوان یک آمپر سنج نیز در آزمایشهای دوران به کار برد.

در پایان، امیدوارم این مقاله سبب تشویق دیگران به مطالعه آثار فاراده شود و در خواهند یافت که این پژوهش آنها را به سرعت در موقعیتی قرار خواهد داد که هر آنچه را درباره فاراده نوشته شده با دیدی انتقادی بررسی کنند. تکرار آزمایشها می تواند به درک و فهم دانش آموزان از کتابهای درسی بیفزاید و کار عملی برای پژوهشهای دانشجویان رشته علوم، می‌تواند بسیار سازنده باشد. این مطالعه همچنین درک و ستایش ما را از عمق مهارتهای به کار رفته در آزمایشهای اولیه نظریه الکترو مغناطیس افزونتر خواهد ساخت و گر چه واقعیات تازه‌ای در اختیار ما نخواهد نهاد، ولی ماهیت انسان و کارهایش را روشن می‌سازد.

عمل کلکتور: یک استوانه هادی، مثلاً مسی را از جهت طولی به دو نیمه مساوی تقسیم کرده، سپس عایقی بین نیمه استوانه قرار داده و دوباره آنها را به هم متصل می‌کنیم. یک کلکتور ساده به دست می آید. سپس دو سر قاب مسی را به هر یک از نیم استوانه‌ها متصل می‌کنیم. اگر جاروب‌ها را به طور قرینه روی نیم استوانه‌ها تماس دهیم، جریانی که در اثرگردش قاب به خارج هدایت می‌گردد، یک طرفه می‌شود. تجربه قبل را در نظر بگیریم، وقتی قاب دوران می‌کند در گردش نیم دور قاب، اگر جریان مثبت باشد، در گردش نیم دور بعد، سوی جریان تغییر کرده و منفی می‌شود. وقتی از کلکتور استفاده می‌شود. پس از گردش نیم دور یعنی درهمان لحظه‌ای که سوی جریان تغییر می‌کند اتصال جاروب‌ها با نیم استوانه‌ها نیز عوض می‌شود و همواره یکی از جاروبک‌ها به منزله قطب مثبت و دیگری به منزله قطب منفی خواهد بود.

نمودار تغییرات نیروی محرکه بر حسب زمان نمودار تغییرات نیروی محرکه بر حسب زمان در

برای جریان یک سو شده جریان متناوب

اگر نمودار تغییرات شدت جریان را مورد بررسی قرار دهیم، دیده می‌شود که جریان، یکسو می‌شود ولی نیروی محرکه و شدت جریان حاصل متغیر است و در هر دور دوباره جریان ماکزیمم می‌شود. برای آنکه تغییرات نیروی محرکه و شدت جریان را کمتر کنیم، بایستی عده سیم پیچ‌ها یا به عبارت ساده‌تر تعداد قاب‌ها را زیادتر کنیم. مثلاً اگر روی قسمت گردان موتور چهار سیم پیچ وجود داشته باشد، بایستی استوانه کلکتور به چهار قسمت تقسیم شده و به وسیله چهار عایق از یکدیگر مجزا شوند.

قسمت ثابت: در مولد‌های جریان دائم اولیه، میدان مغناطیسی را به وسیله مغناطیس طبیعی تولید می‌نمودند. یک آهنربای طبیعی نعلی با قطب‌های برجسته را طوری درست می کردند که استوانه سیم پیچی شده بتواند در داخل آن دوران نماید. ولی امروزه میدان مغناطیسی به وسیله آهنربای الکتریکی تولید می‌شود، زیرا علاوه بر اینکه می‌توان میدان مغناطیسی به مراتب قوی‌تری به دست آورد، با تنظیم شدت جریانی که از آهنربای الکتریکی می‌گذرد، می‌توان شدت میدان مغناطیسی حاصل را تنظیم نمود. جریانی که صرف آهنربا کردن قطب‌های آهنربای الکتریکی می‌شود (جریان تحریک)، می‌تواند بخشی از جریانی باشد که خود مولد تولید می‌کند. شکل زیر به طور ساده اساس یک ماشین با جریان دائم دو قطبی را نشان می‌دهد.

در شکل‌های زیر قسمت گردان یک ماشین جریان دائم را با طرز سیم پیچی آن نشان می‌دهد.

در این حالت تغییرات جریان کمتر می‌شود. شکل زیر چگونگی تغییرات جریان را نشان می‌دهد و به طوری که دیده می‌شود. هر چه تعداد سیم‌پیچها را زیادتر کنیم، تغییرات جریان باز هم کمتر می‌گردد.

حال قسمت‌های مهم یک ماشین جریان دائم واقعی را مورد بحث قرار می‌دهیم.

قسمت‌گردان: قسمت گردان یک ماشین جریان مستقیم، تشکیل شده است از یک استوانه آهنی که روی سطح خارجی آن شیارهائی برای عبور سیم پیچ‌ها وجود دارد و برای جلو‌گیری از جریان فوکو و گرم شدن آن، قسمت‌های مختلف استوانه به وسیله ورقه‌های نازک عایق از یکدیگر جدا می‌شوند ورقه را مستقیماً روی محور استوانه سوار کرده و به وسیله صفحات کلفت آهنی، آنها را از دو طرف به هم می‌فشارند. شکل شیارهای سطح خارجی استوانه معمولا مستطیل شکل است. کلکتور از استوانه کوچکتری درست شده و هم محور با استوانه سیم‌پیچ است.سیم پیچ‌ها را از قبل طبق روش و قاعده معینی تهیه کرده و در شیارهای استوانه قرار داده و آنها را به کموتاتور متصل می‌کنند.

روش قرار دادن سیم پیچ‌ها در شیارهای استوانه و اتصال آنها به کموتاتور، معمولاً به صورت زیر انجام می‌شود:

فرض کنیم تعداد تیغه‌های کموتاتورmبوده و سر یکی از سیم پیچ‌ها را به تیغه شماره 1 کموتاتور متصل کرده و آن را از شیار استوانه مقابل تیغه فوق عبور داده و سپس از شیار زیرین یعنی شیاری که نسبت به شیار قبلی متقارن است، برگردانیده و طرف دیگر سیم پیچ را به تیغه شماره 2 متصل می‌کنیم. سپس یک طرف سیم پیچ دوم را به تیغه شماره 2 متصل کرده و مثل سیم پیچ اولی آن را از دو شیار متقارن عبور داده و طرف دیگر آن را به تیغه سوم متصل می کنیم. این عمل ادامه می یابد تا سیم پیچی تکمیل گردد. شکل زیر به طور ساده، چگونگی سیم پیچی قسمت گردان یک مولد جریان دائم را نشان می دهد.

برای آهن ربا کردن القاء کن، سه روش وجود دارد:

الف) جریان تحریک از یک منبع جداگانه مثلاً یک باطری دریافت می‌شود.

ب) از یک مولد جریان دائم کوچکتری استفاده شود که روی محور موتور نصب شده است.

ج) جریان را از خود دستگاه دریافت کنیم، این جریان از چند درصد از جریان تولید شده به وسیله دستگاه تجاوز نمی‌نماید.

محاسبه نیروی محرکه مولد جریان دائم

اگر تعداد تیغه‌های کلکتور m باشد، تعداد سیم پیچ‌هائی که درشیار استوانه القاگر قرار می‌گیرند 2m خواهد بود. می‌توان آنها را به دو دسته تقسیم نمود: یک دسته از یک تاmو دسته دوم از +mتا2m. نیروی محرکه تمام سیم پیچ‌های دسته اول، همسو هستند و همینطور نیروی محرکه تولید شده در قاب‌های دسته دوم نیز همسو می‌باشند. ولی نیروی محرکه کل تولید شده در دو دسته از قاب‌ها، مخالف یکدیگر است. برای آنکه نیروی محرکه دو دسته سیم پیچ اثر هم را از بین نبرند، باید به صورت موازی به هم بسته شوند. در این شرایط مولد را می‌توان بهمنزله دو دسته پیل سری دانست که به طور موازی به هم متصل شده‌اند. نیروی محرکه مولد به عوامل زیر بستگی دارد:

- نیروی محرکه مولد باn، تعداد دورهای سیم پیچ در واحد زمان متناسب است.

- نیروی محرکه مولد با N، تعداد کل قاب‌های حاصل از سیم پیچ‌ متناسب است.

نیروی محرکه مولد با شار ماکزیممی که از هر قاب می‌گذرد متناسب است. بنابراین می‌توان نوشت:

مقدار ثابتی است که به دستگاه واحد‌های انتخابی بستگی دارد و در دستگاهSIمقدارK=1است.K

تذکر: اگر مقاومت کل سیم‌های القا گیر را بهRنشان دهیم، مقاومت نیمی از آنهااست و چون این دو نیمه انشعابی‌اند، مقاومت داخلی مولد برابر است با:

3- سیم پیچی مولد جریان متناوب

الف – سیم‌پیچی یک فاز: در یک مولد یک فاز، در برابر هر قطب القاءکن، در القا‌ءگیر یک سیم‌پیچ وجود دارد. می‌دانیم که در جریان القایی، سمت جریان به سمت میدان مغناطیسی بستگی دارد. بنابراین سمت جریان در سیم پیچ‌هائی که در مقابل قطب‌های شمال قرار دارند با سمت جریان در سیم‌پیچ‌هائی که در مقابل قطب‌های جنوب قرار می‌گیرند، مخالف یکدیگرند. برای اینکه جریان‌ها اثر یکدیگر را از بین نبرند، بایستی سیم پیچ‌ها را طوری به یکدیگر متصل نمود که نیروی محرکه آنها با یکدیگر جمع شود.

در شکل‌های زیر چگونگی سیم پیچی یک مولد یک فاز که شامل 8 قطب‌ آهن ربایی و هشت سیم است، چگونگی هدایت جریان حاصل از آنها به خارج دیده می‌شود.

ب) سیم‌پیچی دو فاز: در سیم پیچی دو فاز، در مقابل هر قطب القاءکن در استوانه القاگیر، دو سیم‌پیچ مستقل وجود دارد. سیم‌پیچ‌ها را درون شیارها طوری قرار می‌دهند که به اندازه نصف فاصله دو قطب، نسبت به یکدیگر انحراف داشته باشند. در نتیجه بین جریان القاء شده در سیم‌پیچ‌ها،اختلاف زمانیپریود و اختلاف

فازی برابر بابه وجود می‌آید. شکل زیر، نمای ساده‌ای در یک مولد جریان دو فاز را که شامل 8 قطب آهنربایی است، نشان می‌دهد.

اگر معادله نیروی القاء شده در یکی از آنها به صورتباشد، معادله نیروی محرکه القاء شده در دیگری عبارت است از:

پویا جمعه 4 شهریور‌ماه سال 1390 ساعت 04:53 ب.ظ