المواد العازلة والمواد الموصلة

المواد العازلة والمواد الموصلة

تختلف المواد من حيث صفاتها الطبيعيه والكيميائية وتختلف أيضا في توصيلها للكهرباء والحرارة

الموصلات الكهربائيه

هي المادة التي توصل الكهرباء, أي تسمح للكهرباء بالمرور عبرها.

وهي الأجسام التي تتوفر عليها إلكترونات حرة تسمح بنقل التيار كهربائي عن طريق ما يسمي توصيل كهربائي مثل المعادن والكربون والمحاليل والاحماض والقواعد يحتوى مدارها الاخير على إلكترونات حره قوى الترابط بينها وبين النواه صغيره وبطاقه صغيره تكفى للتغلب على قوة الربط بينهم فان الإلكترون الحر يترك الذره وتسمى الذره ايون موجب وتسمى تلك العمليه بالتأين وتسمى عمليه انتقال الإلكترونات من ذره إلى أخرى بالتيار الكهربى.

العوازل الكهربيه

هي المواد الرديئة في توصيلها للكهرباء. تقريبا لا توصل الكهرباء.

مثل الغازات في الحالة العاديه وأغلب السوائل وكل المواد الصلبة ماعدا الكربون والمعادن ويعرف بأنه المادة التي تتكون من ذرات فيها قوى الربط بين الإلكترون الحر وبين النواه كبيرة جدا حيث يكون من الصعب التغلب على طاقة الربط فيها وعادة تكون العوازل الكهربيه مواد رديئه التوصيل للحراره.

البطارية

لبطارية الكهربائية أو المدخرة الكهربائية اخترعها العالم الإيطالي ألساندرو فولتا بعد أن كانت الكهرباء تنتج بواسطة الدلك للأجسام المختلفة مثل قضيب الأيبونيت أو الشمع الأحمر بقطعة قماش من الصوف أو الحرير.

نتيجة لمناقشات عديدة بين العالم فولتا والعالم جلفاني تبين أنه بتوصيل معدنين مختلفين ببعضهما ينتج قوة كهربائية مولدة من شأنها أن تبقي المعدنين على جهد مختلف, إلا أن هذا الفرق لا يمكنه أن يعطي تيارا بكمية يعتد بها وذلك لعدم توفر احتياطي من الطاقة لتغذيته, وتبين له أن غمس شريحتين من معدنين مختلفين مثل (النحاس والزنك) في موصل مثل محلول من الماء يمكن أن يحدث طاقة كهربية كافية للإبقاء على الفارق بالجهد بين المعدنين يسمح لمرور تيار لفترة معينة عند توصيل اللوحين من الخارج بسلك. حيث يحدث بين الشريحتين المعدنيتين فارق بالجهد يقدر بحوالي فولت واحد إذ أن جهد النحاس في المحلول أكبر من جهد الزنك.

يمكن وصف ذلك بتراكم فائض من الكهيربات السلبية في الزنك الذي يتخذ بذلك شحنة سلبية. ويحدث هذا التراكم على لوح الزنك بسبب أن ذرات الزنك لها ميل للدخول في المحلول. وهي عندما تدخل المحلول تفعل ذلك كأيون موجب الشحنة وتترك 2 من كهيرباتها على اللوح. لهذا يحدث تراكم الكهيربات على لوح الزنك.وهذه الظاهرة عي ظاهرةكهركيميائية. وهل للنحاس تلك الخاصية الكهركيميائية ? نـعم، للنحاس نفس الخاصية مع الفارق أن ميل ذرات النحاس لدخول المحلول أقل من ميل ذرات الزنك. لذلك تتجمع كهيربات أكثر على لوح الزنك، وقليل منها على لوح النحاس، وينشأ بذلك فارقا في الجهد بين اللوحين. فإذا أوصلنا بسلك معدني بين اللوحين انطلقت من الزنك كهيربات نحوالنحاس وهذا الانتقال للكهيربات يحدث تيارا كهربائيا. تستمر هذه الظاهرة حتي يتآكل لوح الزنك. لأن ذراته تداوم على دخولها المحلول.

يعني ذلك أن التيار الكهربائي هو نتيجة تحول الطاقة الكيميائية التي تتحرر بواسطة التفاعل بين ألواح المعدنين (الزنك والنحاس) مع المحلول. وتتوقف كمية الكهرباء التي تعطيها المدخرة على كمية المادة التي تتحول فيها.

على هذا الأساس العلمي تم تصنيع المدخرة الكهربائية الجافة لكن الأقطاب لم تعد تغمس في سائل, حيث يتكون العمود الموجب فيها من قضيب من الفحم يحيط به بيوسيد المنكنيز والقطب السالب عبارة عن أنبوب من الزنك يحتوي على كلورور النشادر المعجون بالجيلاتين.

تعطي المدخرة الجافة جهدا كهربائياً مقداره 1,5 فولت. وتتوفر بقدرات مختلفة، وهناك مدخرات مصنوعة من النيكل كادميوم يمكن إعادة شحنها مرات عديدة, وهذا النوع من المدخرات تكون بجهد 1,2 فولت.

 

المولد الكهربائى

المولدات الكهربائية (الدينامو) هي أجهزة تحول أنواع أخرى من الطاقة الحركية إلى الطاقة الكهربائية. المولد الكهربائي جهاز ميكانيكي يعمل على تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية بوجود المجال المغناطيسي. ويعمل المولد الكهربائي على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي والذي هو الأساس في توليد التيار الحثي وقد تطورت صناعة المولدات كثيراً للأفضل من حيث إنتاج التيار الحثي المقوُم إلى درجة عالية جداُ.

الدينامو، أصلا اسم آخر للمولّد الكهربائي، يعني الآن المولّد الذي ينتج التيار المستمر باستخدام عاكس التيار.

لا يَستحدِث المولد طاقة، ولكنه يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، ولذا فإن كل مولد يديره توربين أو محرك ديزل أو أي آلة تنتج طاقة ميكانيكية. فمولد السيارة مثلاً، يدار من المحرك نفسه الذي يدفع السيارة.

ويشير المهندسون عادة إلى الأداة الميكانيكية التي تدير المولد بالمحرك الأساسي. ولكي نحصل على طاقة كهربائية إضافية من المولد يلزم للمحرك الأساسي أن يبذل طاقة ميكانيكية إضافية. فإذا كان المحرك الأساسي توربينًا بخاريًا، على سبيل المثال، يلزم زيادة سريان البخار في التوربين للحصول على كهرباء بكمية أكبر.

المغناطيسية

المغناطيس الطبيعي ما هو إلا شكل من أشكال الحديد , إلا أنه يتميّز بقدرته العجيبة التي حباه الله بها ، و تتمثل في قدرته على جذب بعض المواد المعدنية كالحديد ، و يمكن أن يتوفر المغناطيس بشكله الطبيعي ، كما يمكن أن نصنع مغناطيساً باستخدام قطعة معدنية حيث يتم تمريرها على مغناطيس في اتجاه واحد عدة مرات حتى تتحول القطعة المعدنية إلى مغناطيس

المجال المغناطيسي :

انثر برفق برادة حديد على ورقة موضوعة فوق قضيب مغناطيس

إن المغناطيس يؤثر على المواد الحديدية القريبة منه ضمن حيّز أو نطاق معين ، حيث أن لكل مغناطيس حيز محيط به تظهر فيه آثاره المغناطيسية ، و يسمى هذا الحيز المجال المغناطيسي . و تكون شدة هذا المجال المغناطيسي أكبر ما يمكن في قطبي المغناطيس و تقاس شدة المجال المغناطيسي بوحدة تسمى تسلا .

القطب المغناطيسي للأرض

هل تساءلت لماذا يشير أحد قطبي المغناطيس إلى الشمال دائماً ؟

إن الأرض تعمل كمغناطيس ضخم يقع قطباه بالقرب من القطبين الجغرافيين للأرض فبالقرب من القطب الجغرافي الشمالي للأرض يقع القطب الجنوبي لمغناطيس الأرض ، و بالتالي يقع القطب الجغرافي الجنوبي للأرض بالقرب من القطب الشمالي لمغناطيس الأرض . و تقدّر زاوية انحراف المحور الواصل بين قطبي المغناطيس الأرضي عن محور دوران الأرض بحوالي 15 درجة ، لتصنع بذلك مسافة تحدد بالمئات من الكيلومترات التي تفصل بين القطب الشمالي الجغرافي للأرض و القطب الجنوبي لمغناطيس الأرض ، لذلك فإن أي مغناطيس سينجذب قطبه الشمالي نحو القطب الجنوبي لمغناطيس الأرض .

 خصائص المغناطيس

•        له قطبان شمالي وجنوبي عند تعليقه تعليقاً حراً فانه يتجه شمالاً وجنوباً. تتركز قوة الجذب المغناطيسي في قطبيه وتقل في المناطق الأخرى.

•        الأقطاب المختلفة في النوع تتجاذب والمتشابهة في النوع تتنافر. 

•        إذا قُطع المغناطيس من أي منطقة فيه فانه يتكون له قطبان ولا يمكن أن يكون له قطب منفرد عملياً.

•       

 ما المقصود بخط المجال المغناطيسي ؟

خط وهمي يمثل مسار حركة وحدة الأقطاب الشمالية الافتراضية حيث تبدو خارجة من القطب الشمالي وداخلة إلى القطب الجنوبي خارج المغناطيس وداخلة من الجنوبي الى الشمالي.

خصائص خطوط المجال المغناطيسي :

1-خطوط وهمية تبدو خارجة من القطب الشمالي وداخلة في القطب الجنوبي خارج المغناطيس ومن الجنوبي إلى الشمالي داخلة.

2- تتكاثف وتتزاحم خطوط المجال المغناطيسي عند الأقطاب وتقل في بقية المناطق وذلك لان القوة المغناطيسية تكون اكبر ما يمكن عندهما وتقل في بقية المناطق حيث تناسب(ق مغناطيسية) طردياً مع عدد خطوط المجال التي تقطع مساحة السطح عمودياً.

3- خطوط مغلقة ( مقفلة ) وذلك لأنه لا يمكن أن يوجد قطب منفرد عملياً حيث يتواجد القطبان معاً وبالتالي فان خروج خط المجال المغناطيسي من القطب الشمالي سوف ينتهي داخلاً إلى القطب الجنوبي خارج المغناطيس وفي داخله من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي. على عكس المجال الكهربائي الذي يمكن أن توجد فيه الشحنة الكهربائية منفردة وبالتالي يكون خطاً مفتوحاً ينتهي نظرياً في المالانهاية.

4- لا تتقاطع، وذلك لأنها لو تقاطعت لأصبح للمجال المغناطيسي اكثر من اتجاه عند نقطة التقاطع وهذا معناه أن للمغناطيس اكثر من مجال عند النقطة الواحدة وهذا مرفوض عملياً لان المغناطيس له مجال واحد عند النقطة الواحدة.

5- إذا كان خط المجال المغناطيسي منحنياً فان المماس عند نقطة فيه يمثل اتجاه المجال المغناطيسي وإذا كان مستقيماً فان اتجاهه يمثل اتجاه المجال مباشرة.

6- يتناسب عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تقطع السطح عمودياً عليه تناسباً طردياً مع المجال المغناطيسي.  .

 = غ أ جتا 

حيث:

أ : مساحة السطح

جتا   : جتا الزاوية بين خط المجال المغناطيسي والعمود الخارج من السطح.

7- التدفق المغناطيسي خلال سطح مغلق = صفراً، وذلك لان عدد خطوط المجال المغناطيسي لمغناطيس موجود داخل السطح المغلق والتي تخترق السطح من الداخل إلى الخارج يساوي عددها الذي يخترق السطح نفسه من الخارج إلى الداخل.

 

تيميز الفرق بين أقطاب المغناطيس نظرياً وعملياً والعلاقة بينهما .

احضر لكل متدرب :

مغناطيسين مستقيمين ، خيطاً ، حاملاً .يقوم كل متدرب ب

ربط الخيط في منتصف أحد المغناطيسين .

تعليق المغناطيس في الحامل بحيث يكون حر الحركة و في وضع أفقي و يتركه حتى يسكن.

يحمل المغناطيس الآخر بيده .

يحاول أن يجعل القطب الشمالي للمغناطيس الذي بيده يلامس القطب الشمالي للمغناطيس المعلق دون أن يمسك المغناطيس المعلق بيده .

 يقرب القطب الشمالي للمغناطيس الذي بيده إلى القطب الجنوبي للمغناطيس المعلق .

يكرر ما سبق مستخدماً القطب الجنوبي للمغناطيس الذي بيده

يكتب ملاحظاته

يسمى قطب المغناطيس الذي يتجه إلى الشمال القطب الشمالي ، أما قطب المغناطيس الذي يتجه إلى الجنوب فيسمى القطب الجنوبي .

 أقطاب المغناطيس المتشابهة تتنافر أما المختلفة فإنها تتجاذب .

لماذا يتجه القطب الشمالي لمغناطيس حر الحركة إلى الشمال الجغرافي دائماً ؟

إن وجود مواد مغناطيسية في جوف الأرض ممتدة من شمالها إلى جنوبها يؤثر على أقطاب المغانط التي على سطحها فتتجه أقطابها الشمالية إلى الشمال الجغرافي .

عوامل فقد المغناطيسية:

قد يفقد المغناطيس خاصية الجذب بمرور الزمن أو بالطرق أو بالتسخين ، و لكي نحفظ للمغناطيس خاصيته يجب أن نضع أقطاب المغناطيس المختلفة متلامسة ونضع قطعة حديد تصل بينهما ، كما في الشكل ، كما أنحفظ المغناطيس بعيداً عن الحرارة يساعد على احتفاظه بخاصية الجذب .

يحفظ المغناطيس باستخدام قطعة من الحديد المطاوع تسمى الحافظة ، حيث يتكون بالتأثير في الحافظة (أقطابا مخالفة لأقطاب المغناطيس ) ، وهذه الأقطاب تعمل على عدم تغيير ترتيب المناطق المغناطيسية، أي تعمل على حفظ  أو ثبات مغناطيسية المغنطيس .

وإذا كان المغناطيس على شكل حذاء الفرس فيكفي توصيل قطبيه بحافظة من الحديد المطاوع. وتصنع الحوافظ من الحديد المطاوع وليس من الحديد الصلب لأن الحديد المطاوع يتمغنط بسرعة بالملامسة أو التأثير.وعند دمج الحوافظ في الدائرة المغناطيسية ، تتمغنط الحوافظ بالتأثير بملامستها لطرفي المغناطيسين وتكتمل الدائرة .وإذا حفظت المغناطيسات بهذه الطريقة ، فإنها تحتفظ بالمغنطة لمدة طويلة .

ترتبط الخواص المغناطيسية للمواد بالحركة المدارية والمغزلية للإلكترونات في ذراتها ..  حيث تتألف جميع المواد من ذرات بها نواة موجبة الشحنة تدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة ... ، وحركة هذه الشحنات السالبة تكون تيارات كهربية صغيرة microscopic electric current مما يتسبب في إحداث مجال مغناطيسي ذري atomic magnetic feild له عزم مغناطيسي ذري atomic  magnetic moment .

والمجالات المغناطيسية الذرية في محيط الذرة تعود لسببين :

1-  الحركة المدارية orbital motion :   للإلكترون حول النواة، تكافئ حركة تيار كهربي في حلقة مغلقة من موصل (تسبب تيارا له عزم مغناطيسي).

2-  غزل الإلكترون electron spin   :   حيث يدور الإلكترون حول نفسه وهذه يمكن تشبيهها بمغناطيس صغير جدا له عزم مغناطيسي محدود.( تشبه حركة تيار كهربي في ملف، أي يكون الملف على هيئة مغناطيس ذي قطب شمالي في جهة وقطب جنوبي في جهة أخرى).

3-  العزم الكلي للذرة هو محصلة العزوم المغناطيسية الناشئة عن مجموع الحركتين المدارية والمغزلية.

نظرية المناطق المغناطيسية    Magnetic domains   :

وينتج عن كل من هاتين الحركتين ( المدارية والمغزلية) مجال مغناطيسي.. فإذا كانت المجالات الناتجة تقوي بعضها بعضا فإن الذرة تكتسب خواص مغناطيسية وينتج عن ذلك المغناطيس الذري... ( تتجمع المغناطيسات الذرية على شكل بلورات صغيرة تسمى مناطق مغناطيسية وتكون محاور المغناطيسات الذرية متوازية وفي اتجاه واحد وتعمل كمغناطيس صغير قوي ... [ مادة  فيرو مغناطيسية ممغنطة ]أما إذا كانت غير ممغنطة تكون المناطق المغناطيسية غير مرتبة( يكون ترتيب الذرات بطريقة عشوائية  random  مما يؤدي إلى انعدام العزم المغناطيسي الكلي)بحيث تلاشي مجالاتها تأثير بعضها البعض وبالتالي لا يظهر للجسم خواص مغناطيسية

البوصلة :

البوصلة هي أداة ملاحية لتحديد الاتجاه بالنسبة إلى قطبى الأرض.وتتألف من مؤشر ممغنط (عادة ما يكون علامة على النهاية الشمالية) ويعدل من وضعه تبعا للحقل المغناطيسي للأرض. وتوفر البوصلة الأمن للمسافر خاصة لو كان السفر عبر المحيطات.وتستخدم البوصلة لحساب الراسية "heading"،ومع آلة السدس لحساب خطوط العرض، ومع الكرونومتر البحرية لحساب خطوط الطول. لذا فهى توفر القدرة على الملاحة بصورة مطورة، والتي لم تستبدل إلى مؤخرا بواسطة الأجهزة الحديثة كنظام تحديد المواقع العالمى GPS.و نظام جاليليو الأوربي الذي سيعمل قريبا

والبوصلة هي أي جهاز مغناطيسي حساس قادر على الإشارة إلى اتجاه شمال القطب المغناطيسي الشمال للغلاف المغناطيسى للأرض. ويسلط وجه البوصلة الضوء على النقاط الرئيسية من الشمال والجنوب والشرق والغرب. وفى الغالب يتم صناعة البوصلة من جهاز مفرد مع شريط ممغنط أو إبرة تحول بحرية بناء على المحور، أو تتحرك في السوائل، وبالتالي قادرة على الإشارة إلى اتجاه الشمال والجنوب. وقد اخترعت البوصلة قي الصين القديمة قبل القرن الثاني، وكانت تستخدم للملاحة في القرن الحادى عشر. أما البوصلة الجافة فقد اخترعت قي في العصور الوسطى قي أوربا عام 1300 وحل محل هذه البوصلة قي أوائل القرن العشرين البوصلة المغناطيسية التي تحتوى على سائل.

وقد تم اختراع أجهزة أخرى أكثر دقة لتحديد اتجاه الشمال والتي لا تعتمد على الحقل المغناطيسي للأرض (ويعرف قي هذه الحالات بالشمال الحقيقي، بدلا من الشمال المغناطيسي). والبوصلة الجيروسكوبية أو astrocompass يمكن استخدامها للعثور على الشمال الحقيقي ،وهى لا تتأثر بخطوط المجال المغناطيسى، دوائر الطاقة الكهربائية القريبة أو كتل المعادن الحديدية. والتطور الأخير لهذا الجهاز هو البوصلة الإلكترونية، أو البوصلة الجيروسكوبية البصرية، والتي تحدد الاتجاهات المغناطيسية دون التأثير على أجزائها المتحركة. هذا الجهاز كثيرا ما يظهر كنظام فرعي اختياري في أجهزة الاستقبال ال GPS. ومع ذلك، لا تزال للبوصلات المغناطيسية شعبية، وخاصة في المناطق النائية ،لأنها رخيصة، ومتينة، ولا تتطلب أي امدادات الطاقة الكهربائية.

الجرس الكهربائي :

يعتبر المغناطيس الكهربي الجزء الرئيسي في تركيب الجرس. والمغناطيس الكهربي يتكون من سلك ملفوف حول قطعة من الحديد.  حيث انه عند مرور تيار كهربي في سلك فإن مجال مغناطيسي بسيط ينشىء حول السلك في صورة حلقات تحيط به، ولتكبير هذا المجال المغناطيسي نقوم بلف السلك في شكل لولبي حول قطعة من الحديد فيتم إكساب قطعة الحديد خواص المغناطيس طالما استمر التيار بالمرور في السلك ولكن عندما يتوقف التيار الكهربي تعود قطعة الحديد إلى وضعها الطبيعي وتفقد الخاصية المغناطيسية.

وعندما تكون قطعة الحديد في الحالة المغناطيسية فإنه يكون له قطبان شمالي وجنوبي مثل المغناطيس الدائم تماماً ويستطيع المغناطيس الكهربي جذب قطع الحديد.

عندما نقوم بالضغط على زر الجرس الكهربي فإننا نقوم بإغلاق دائرة كهربية تعمل على تمرير التيار الكهربي في دائرة كهربية تحتوي على محول كهربي لخفض فرق الجهد من 220 فولت إلى 10 فولت ويمر التيار الكهربي بعد ذلك في السلك المحيط بقطعة الحديد التي تشكل المغناطيس كهربي.

المجال المغناطيسي المتولد في المغناطيس الكهربي يعمل على تحريك الجزء المسئول عن إحداث الصوت الذي يصدر عن الجرس.  وهناك عدة طرق تستخدم في تركيب الجرس لإصدار الأصوات المختلفة التي نسمعها.  وفي الجزء القادم سوف نتعرف على أربعة أنظمة مختلفة مسئولة عن إصدار أصوات مختلفة.

الجرس ذو الرنة المتصلة "المزعجة" Buzzer

وهذا يعتبر ابسط أنواع جرس الباب حيث يعتمد على مغناطيس كهربي لتشغيل دائرة كهربية كما في الشكل التالي:

عند الضغط على زر الجرس فإن الدائرة الكهربية تغلق ويتحول المغناطيس الكهربي إلى مغناطيس يقوم بجذب ذراع التوصيل للأعلى، فتفصل الدائرة الكهربية فيعود المغناطيس الكهربي إلى حالته الطبيعية غير قادر على جذب الذراع فتعود الذراع إلى وضعها الأساسي فتعود وتغلق الدائرة الكهربية مرة أخرى وتتكرر العملية وعندما تتحرك ذراع التوصيل للأعلى وللأسفل تصطدم بقطعة معدنية لتحدث الصوت المتصل

ولفهم كيف يصدر هذا الجرس الصوت المتصل سنقوم بشرح ما يحدث بالتفصيل خطوة بخطوة، عندما يمر التيار الكهربي في دائرة الجرس يعمل إكساب المغناطيس الكهربي خاصية المغناطيس في جذب ذراع التوصيل بقوة إلى الأعلى فيحدث ذلك صوتاً ناتج عن الاصطدام وفي نفس الوقت حركة الذراع للأعلى تفصل الدائرة الكهربية مما يسبب في فقد المغناطيس الكهربي خاصية الجذب فتعود الذراع إلى مكانها مصطدمة في قطعة معدنية تحدث صوتا أخر ولكن عودة الذراع تعمل على توصيل الدائرة الكهربية مرة أخرى فتنجذب الذراع مرة أخرى للأعلى وبعدها تعود إلى مكانها وفي كل مرة يحدث صوت الجرس وهذا يتكرر بسرعة باستمرار ضغطك على زر الجرس.

ذراع التوصيل مصنوع من معدن رقيق وخفيف وموصل للكهرباء ليتمكن من الحركة بين طرفي فتح الدائرة الكهربية وغلقها ووفي نفس الوقت توصيل التيار الكهربي خلال الدائرة ولذلك سمي بذراع التوصيل.

وبهذا نستنتج أن الصوت المتصل الذي نسمعه للجرس عند الضغط المستمر على زر الجرس هو ناتج عن حركة ذراع التوصيل بسرعة للأعلى وللأسفل مصطدمة بنقطتي التوصيل وينتج الصوت عن هذا الاصطدام المتكرر بمعدل يصل إلى أكثر من 12 مرة في الثانية.

الصوت

الصوت نعمة من نعم الله ، فهو وسيلة من وسائل التفاهم بين الناس ، كما أنه وسيلة للتعبير عن الرأي ، و ما يجيش في النفس من المشاعر ، و الأذن هي العضو الذي يستقبل الصوت فيتأثر به ثمّ ينتقل أثر الصوت من الأذن إِلى مركز خاصّ في الدماغ ، حيث يتمّ ترجمة ذلك الأثر فنفهم معنى الصوت .

بصورة عامّة فإِنّ الصوت يصدر عن الأجسام نتيجة اهتزازها ، فعندما تهزّ الرياح أغصان الأشجار و أوراقها نسمع حفيفها ، و عندما يمرّ الهواء عبر أسلاك شباك النوافذ نسمع صفيره ، و عندما يدور محرّك السيّارة نسمع هديرها ، و عندما يصطدم جسمٌ بآخر فإِنّنا نسمع صوت الاصطدام .

كيف ينتقل الصوت ؟

نحتاج إِلى : كرتون ، مذياع ( راديو ) ، ورقة ، قليل من الرمل .

خطوات العمل :

•        نشغل المذياع و نحرك مفتاح الصوت ليصدر صوتاً ، ثمّ نضعه داخل كرتون ، و نغطّي الكرتون بالورقة و عليها بعض الرمل ، و نراقب ما يحدث لحبّات الرمل .

 ماذا نلاحظ ؟

…………………………………………………

•        نكرر العمل مرّةً أخرى لكن بعد رفع صوت المذياع .

•        ماذا نلاحظ ؟ …………………………………

•        ما الذي سبّب اهتزاز الورقة ؟

…………………………………………………………………………………………………

•        و ما الذي يشغل الحيّز بين الورقة و سمّاعة المذياع ؟   

…………………………………………………………………………………………………………

إِنّ ما حدث هنا يشبه إِلى حدّ كبير ما يحدث عند إِلقاء الحجر في بركة الماء .

و في سمّاعة المذياع يهتز غشاء السمّاعة ، فيهزّ طبقة الهواء الملامسة له فتتقارب جزيئات الهواء ( يحدث تضاغط ) ثمّ تهزّ هذه الطبقة بدورها الطبقة التي تليها فينتقل الاضطراب إِليها ، ثمّ ينتقل الاضطراب إِلى الطبقة الثالثة ، و هكذا حتّى يصل إِلى الورقة فيهزّها . و بهذه الكيفيّة تنتقل جميع الأصوات . 

و هكذا ، ينتشر الاضطراب في الهواء في جميع الاتجاهات ، فيصل إِلى الأذن و يهزّ طبلتها و نشعر بالصوت

ما نوع موجات الصوت ؟

الموجة : هي اضطراب منتشر يقوم بنقل الطاقة في اتجاه انتشاره

أو : هي اضطراب يحدث وينتقل وينقل الطاقة من نقطة إلى أخرى في اتجاه حركتها

أنواع الحركة الموجية

1.      الحركة الموجية الميكانيكية : هي الحركة الموجية التي يلزمها وسط مادي ( هواء – ماء- حبل ) يحمل الاهتزاز وتنشأ عن مصدر مهتز أو متذبذب وتصنف إلى:

                      موجات مستعرضة        Transverse Waves

                      موجات طولية            Longitudinal Waves

                      موجات سطحية                  Surface Waves

الموجات الطولية

هي الموجات التي تهتز فيها جزيئات الوسط حول مواضع اتزانها في اتجاه انتشار الحركة الموجية وتتكون من تضاغطات وتخلخلات

 

الموجات المستعرضة :

 هي الموجات التي تهتز فيها جزيئات الوسط حول مواضع اتزانها في اتجاه عمودي على اتجاه انتشار الحركة الموجية وتتكون من قمم وقيعان

القمة : Crest-  هي أعلى نقطة يصل إليها الاضطراب الموجي أو هي النهاية العظمى للإزاحة لجزيئات الوسط في الاتجاه الموجب

القاع : Trough- هي أسفل نقطة يصل إليها الاضطراب الموجي أو هي النهاية العظمى للإزاحة لجزيئات الوسط في الاتجاه السالب

في الموجة المسافرة تهتز جزيئات الوسط حول مواقع اتزانها ولكن لا تنتقل مع الطور أو مع الطاقة التي تنقلها الموجات

وجه المقارنة   

الموجات المستعرضة  

الموجات الطولية

التعريف         هي الموجات التي تهتز فيها جزيئات الوسط حول مواضع اتزانها في اتجاه عمودي على اتجاه انتشار الموجة وتتكون من قمم وقيعان هي الموجات التي تهتز فيها جزيئات الوسط حول مواضع اتزانها في اتجاه موازي لاتجاه انتشار الحركة الموجية وتتكون من تضاغطات وتخلخلات

          

أمثلة    الموجات عبر الأوتار المهتزة عرضيا  الموجات التضاغطية في النابض الحلزوني

الموجات الصوتية في الهواء

الطول الموجي 

في الموجات المستعرضة :

هو المسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين أو أي نقطتين متتاليتين لهما نفس الطور

أو هو أقصر بعد بين نقطتين متطاورتين

في الموجات الطولية :

هو المسافة بين مركزي تضاغطين متتاليين أو مركزي تخلخلين متتاليين أو أي نقطتين متتاليتين لهما نفس الطور

أو هو أقصر مسافة بين مركزي تكثفين أو تخلخلين متجاورين

التردد  f

التردد هو عدد الاهتزازات الكاملة التي يحدثها المصدر في الثانية

أو هو عدد الأمواج التي تمر بنقطة معينة في مسار الحركة الموجية في الثانية الواحدة

ماذا نعني بان تردد شوكة رنانة 200 هيرتز ؟

المعنى أنه يصدر عن هذه الشوكة 200 موجة في الثانية الواحدة تنتشر في الوسط المحيط

السرعة v-

هى المسافة التي تقطعها الموجة في وحدة الزمن

 عرف الموجة المسافرة

ما المقصود بأن طول موجة مستعرضة = 10 cm

سؤال من امتحان الدور الأول 98/99 م ـ عمان ـ = أكمل : شوكة رنانة ترددها 250 هيرتز . عند طرقها تنتشر في الهواء موجات صوتية عددها في الثانية الواحدة يساوي –

إذا كان الزمن الذي يمضي منذ مرور القمة الأولى والقمة العاشرة بنقطة في مسار حركة موجية يساوي ( 0.2 ) ثانية فأن تردد المصدر بالهيرتز يساوي .

إيجاد العلاقة بين سرعة انتشار الموجة وترددها وسرعة انتشارها

بما أن السرعة = المسافة / الزمن

بما أن قمة الموجة تقطع مسافة =الطول الموجي خلال زمن يساوي الزمن الدوري

 

تطبيقات

 احسب عدد لموجات التي تحدثها شوكة رنانة لتصل إلى شخص يبعد عنها 90 مترا علما بأن تردد الشوكة 640 هيرتز وسرعة الصوت في الهواء m/s 320

المعطيات X= 90 m                          f= 640 Hz                            v= 320 m/s                      

  

- نقطتان س ، ص المسافة بينهما 600 مترا تتحرك موجات مسافرة بينهما بسرعة 300 m/s وتردد 1000 Hz احسب عدد الموجات الموجودة في المسافة س ص بعد مضي ثانيتين ؟

 الحـــــــــــــل

المعطيات  X = 600m          f= 1000 Hz             v= 300 m/s                    t = 2 s                                            

       

حل آخـــــــر 

________________________________________

تنتشر موجات ترددها 20 هيرتز على امتداد حبل إذا كانت المسافة بين قمة وقاع متتاليين 1.5 مترا ، احسب سرعة انتشار الموجات في الحبل ؟

________________________________________

مصدر تردده 500 Hz يصدر موجات بطول موجي 0.2 m احسب الزمن الذي تحتاجه هذه الموجات لتقطع مسافة 300 مترا ؟    

المعطــــــــيات          لمدا=    f= 500 Hz                X=300m              t=??             m 0.2                                  

  500x0.2=100 m/s= الطول الموجي × التردد =  السرعة

 t=X/v=300/100=3s

 

تعريفات:

سعة الاهتزازة-  Amplitude

هي أقصى إزاحة للجسم المهتز عن موضع سكونه أو هي المسافة بين نقطتين في مسار حركة الجسم تكون سرعته في إحداهما أقصاها وفي الأخرى منعدمة

الاهتزازة الكاملة Complete Oscillation-

هي الحركة التي يعملها الجسم المهتز في الفترة الزمنية التي تمضي بين مروره بنقطة واحدة في مسار حركته مرتين متتاليتين في اتجاه واحد

الزمن الدوري Periodic Time-

هو الزمن الذي يستغرقه الجسم المهتز في عمل اهتزازه كاملة

التردد- Frequency

هو عدد الاهتزازات الكاملة التي يحدثها الجسم المهتز في الثانية الواحدة

 التردد =  1 / الزمن الدوري

معنى ذلك أن التردد × الزمن الدوري = 1

من أنواع الحركة

الحركة الدورية

هي الحركة التي تتكرر بكيفية واحدة في فترات زمنية متساوية

ومن أمثلة الحركة الدورية   ــــــــــ الحركة الاهتزازية

الحركة الاهتزازية

هي حركة دورية يهتز فيها الجسم إلى جانبي موضع استقراره بالتناوب

بحيث يكون زمن الحركة إلى أحد الجانبين مساويا زمن الحركة إلى الجانب الآخر

 

هل ينتقل الصوت في الفراغ ؟

نحتاج إِلى : ناقوس زجاجي ، مفرّغة هواء ، جرس كهربائي ، بطاريّة ، أسلاك ، قاطع .

خطوات العمل :

 نضع قليلاً من الشحم أو الفازلين على منصّة مفرّغة الهواء ، و ننكس الناقوس فوقها ، ثمّ نعلق الجرس داخل الناقوس و نصله بالبطارّية ، و نحكم غلق فتحة الناقوس .

•        هل نسمع الصوت بوضوح ؟

...............................................................

و الآن : نشغّل مفرّغة الهواء .

•        ماذا نلاحظ ؟ ...................................

   ................................................................

إذا نجحنا في خلخلة الهواء داخل الناقوس سنلاحظ أنّ صوت الجرس يضعف تدريجياً ، و لو نجحنا في تفريغ الناقوس تماماً من الهواء فسنلاحظ أنّ الصوت ينعدم تقريباً .

•        ماذا يعني ذلك ؟ ................................

يحتاج الصوت إِلى وسط مادّي لينتقل ، و بدون هذا الوسط لا يمكن انتقاله مطلقاً ، و ذلك بالطبع عائد إِلى أنّ الصوت ينتقل على صورة سلسلة من التضاغطات ( التضاغط عبارة عن مجموعة من الجزيئات المتقاربة ) و التخلخلات ( التخلخل عبارة عن جزيئات متباعدة).