المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الصوت

المغناطيسية

الكهرباء

مقدمة

هل تحب الاستماع للموسيقى؟ هل تساءلت من قبل كيف يتمكن التلفاز، أو الحاسوب، أو الهاتف من تحويل الموسيقى إلى صوتٍ تستطيع سماعه بأذنيك؟ في هذه التجربة، ستصنع مُكبِّر صوت بنفسك باستخدام مواد منزلية، وستكتشف كيف تستطيع مكبرات الصوت تحويل الإشارات الكهربائية إلى أصوات.

معلومات عامة

يُمكن تخزين الأصوات -مثل الأغاني والمقاطع الصوتية الموجودة في الأفلام- في صورة ملف إلكتروني. وتُظهِر البيانات الموجودة في الملف كيفية تغيُّر ارتفاع الصوت ودرجته مع مرور وقت الأغنية أو المقطع. ويُمكن إرسال تلك المعلومات إلكترونيًّا عبر سلك، (أو عبر الهواء باستخدام موجات الراديو في حالة إشارات تقنية الـ«واي فاي»). وهذه العملية تنقل الصوت من مكانٍ إلى آخر في صورةٍ رقمية، ولكنَّها لا تولِّد صوتًا.

ولتوليد صوتٍ من إشارة كهربائية، نحتاج إلى قطعةٍ أخرى من الأحجية: الكهرومغناطيسية. فحين يمرُّ تيارٌ كهربائي عبر أحد الأسلاك، فإنه يُنتِج مجالًا مغناطيسيًّا حول ذلك السلك. هذا، ويكون المجال المتولِّد حول قطعة واحدة مستقيمة من أحد الأسلاك ضعيفًا إلى حدٍّ ما، ولكنَّ تكوين ملفٍّ مصنوع من سلكٍ ملفوف بإحكام يمكن أن يجعل المجال المغناطيسي أقوى بكثير. لذا، حين نُرسل الإشارة الكهربائية المتغيرة من ملفٍّ صوتي إلى ملفٍّ مصنوع من السلك، فإننا نحصل على مجالٍ مغناطيسي متغير يتوافق مع الصوت الأصلي.

ويُمكن لهذا المجال المغناطيسي المتغير أن يؤثِّر بقوة دفع وجذب في المجال المغناطيسي المتولد حول مغناطيسٍ مجاور له (ويُسمَّى ذلك المغناطيس بالمغناطيس الدائم). وحين يؤثِّر كلا المغناطيسين في الآخر بقوة دفع وجذب، يُمكن أن يولِّدا حركة. ولعلَّك لاحظت ذلك من قبل إذا كنت قد جرَّبت ربط مغناطيسين بعضهما ببعض، أو استخدمت مغناطيسًا لدفع مغناطيسٍ آخر. وحين يُوصَّل أحد المغناطيسين (سواءٌ المغناطيس الكهربائي أو المغناطيس الدائم) بغشاءٍ رقيق، فإن المجال المغناطيسي سريع التغيُّر يجعل الغشاء يهتز. ثم يصطدم الغشاء المهتز بجزيئات الهواء القريبة منه، فيجعلها تهتز هي الأخرى. وبعد ذلك، ينتقل هذا الاهتزاز عبر الهواء في شكل موجة صوتية، تصل في النهاية إلى أذنيك، فتسمع صوتًا.

وعادةً ما تكون مكبرات الصوت موضوعةً داخل صندوقٍ يغطيها، أو مدمجةً داخل جهاز إلكتروني، بحيث لا يمكنك رؤية ما بداخلها. ولكن في هذه التجربة، ستصنع مكبر صوتٍ بنفسك من نقطة الصفر، حتى يمكنك رؤية كيفية عمل تلك المكبرات!

المواد المستخدمة

  • جهاز إلكتروني (هاتف، أو جهاز لوحي، أو حاسوب، أو ما إلى ذلك) مزوَّد بمقبس مخصص لسماعة رأس، ولديه القدرة على تشغيل الموسيقى.
  • كابل صوت مُجسَّم يبلغ قطره 3.5 ملليمترات (استخدم أيَّ قابس «سماعة رأس») قابل للقص والتعديل.
  • مغناطيس نيوديميوم (يُعرف أيضًا بالمغناطيس «الأرضي النادر») قطره نحو 1.27 سنتيمتر، وطوله 1.27 سنتيمتر تقريبًا. يمكن شراء هذا المغناطيس من أحد متاجر معدات الحواسيب، أو عبر الإنترنت. (يُمكن أن تُشكِّل تلك المغناطيسات خطورةً إذا ابتُلِعَت عن طريق الخطأ. لذا، احرص على إبقائها بعيدةً عن متناول الأطفال الصغار).
  • 183 سنتيمترًا من سلك مغناطيسي عيار 30 (يُعرف أيضًا بالسلك المصقول)، ويُمكن شراؤه من أحد متاجر معدات الحواسيب، أو عبر الإنترنت. احرص على أن يكون السلك معزولًا، وألَّا يكون النحاس مكشوفًا.
  • ورقة واحدة، أو كوب بلاستيكي واحد على الأقل.
  • شريط لاصق شفَّاف.
  • مقص.
  • ورقة صنفرة ناعمة.
  • شخص بالغ للمساعدة في إجراء التجربة.
  • أداة تقشير أسلاك (اختياري).

التحضيرات

  • قُص كابل الصوت الـمُجسَّم (سلك سماعة الرأس) بحرصٍ إلى نصفين. واطلب من شخصٍ بالغ أن يساعدك في تقشير نحو 5 سنتيمترات من العزل الخارجي من جهة الطرف المقصوص. يُمكنك فعل ذلك باستخدام أداة تقشير الأسلاك، أو بكشط الطبقة العازلة وإزالتها باستخدام المقص.
  •  يجب أن يكون هناك ثلاثة أسلاك أصغر داخل الكابل: سلكٌ نحاسي مكشوف (وهذا هو السلك «الأرضي»)، وسلكان معزولان آخران: أحدهما أحمر والآخر أبيض (هذان السلكان يُمثِّلان الإشارتين الصوتيتين اليُمنى واليُسرى في نظام الصوت الـمُجسَّم).
  • قشِّر نحو 5 سنتيمترات من الجزء العازل من أيِّ السلكين الصوتيين (لا يُشتَرَط سلكٌ محدد).

الخطوات

  • اصنع ملفًّا من السلك عن طريق لفِّ السلك المغناطيسي حول إصبعك نحو 50 مرة (انتبه لئلا تلفَّه بإحكامٍ أكثر من اللازم؛كيلا تحبس الدم وتوقف الدورة الدموية!). اترك نحو 15 سنتيمترًا من السلك مفكوكةً عند طرفي الملف.
  • ألصق الملف بقعر الكوب من الخارج، بحيث تكون لفات الملف موازية للقعر. واحرص على عدم انحلال لفات الملف.
  • استخدم ورقة الصنفرة الناعمة لإزالة نحو 5 سنتيمترات من الطبقة العازلة من عند طرفي السلك.
  • لفَّ كلَّ طرفٍ من طرفي الملف بإحكام حول أحد السلكين المكشوفين من كابل الصوت المجسم، بحيث تصنع ضفيرتين مُحكمتين. يجب أن تكون الأسلاك في اتصالٍ كهربائي جيد بعضها مع بعض، لذا يجب أن تكون ملفوفةً بعضها حول بعضٍ بإحكام.
  • لفَّ جزءًا من الشريط اللاصق حول كل ضفيرة من الأسلاك. واحرص على تغطية جميع الأجزاء المكشوفة التي أزلت الطبقة العازلة من عليها بالشريط اللاصق. سيساعدك ذلك على تجنُّب دوائر القصر الكهربائية.
  • ضع الطرف الآخر من كابل الصوت في المقبس المخصص لسماعة الرأس في الجهاز الإلكتروني، ثم ابدأ تشغيل إحدى الأغاني.
  • ضع الكوب على أذنك بإحدى يديك.
  • أمسك مغناطيس النيوديميوم باليد الأخرى، وقرِّبه إلى أسفل الملف الملتصق بقعر الكوب بحيث يكون شبه ملامس له. هل يمكنك سماع الأغنية التي شغَّلتها؟
  • جرِّب تحريك المغناطيس ببطء نحو الملف أو بعيدًا عنه. كيف يتغير ارتفاع صوت الموسيقى؟
  • استكشاف الأخطاء ومعالجتها: إذا لم تسمع أي شيء، فتحقق جيدًا من أنَّ الأسلاك ملفوفةٌ بعضها حول بعضٍ بإحكام وغير مُنحَلَّة. احرص على رفع مستوى الصوت على جهازك الإلكتروني إلى أقصى درجة ممكنة.
  • نشاط إضافي: جرِّب استخدام مغناطيس أكبر (أو عدة مغناطيسات مرصوصةً فوق بعضها)، أو اصنع ملفًّا جديدًا مكوَّنًا من عدد لفاتٍ أكبر من السلك. هل تستطيع رفع صوت المُكبِّر أكثر؟
  • نشاط إضافي: جرِّد كلا السلكين الصوتيين الموجودين في كابل الصوت ذي القطر البالغ 3.5 سنتيمترات من الطبقة العازلة. ثم اصنع مكبر صوت آخر (صِل أحد طرفي سلك الملف بالسلك الأرضي، وصِل الطرف الآخر بسلك الصوت الجديد، وبذلك يُصبح كلا المكبرين متصلًا بالسلك الأرضي). هل تستطيع صُنع «سماعة رأس» حتى تتمكن من ارتداء مُكبِّري الصوت على أذنيك؟

الملحوظات والنتائج

حين تضع مُكبِّر الصوت على أذنك، وتضع المغناطيس بالقرب من الملف، يجب أن تستطيع سماع موسيقى منخفضة جدًّا. وإذا حرَّكت المغناطيس بعيدًا، فسيختفي صوت الموسيقى. يرجع ذلك إلى أنَّ القوى المغناطيسية تكون قويةً للغاية بالقرب من المغناطيس، لكنها سرعان ما تصبح أضعف بعيدًا عن المغناطيس.

وعلى عكس مكبر الصوت العادي، ربما لا يكون صوت الـمُكبر الذي صنعته مرتفعًا بما يكفي لتسمعه من جميع أنحاء الغرفة. فمكبرات الصوت العادية تحتوي على مصدر طاقة منفصل (إذ تُوصَّل بمآخذ التيار الكهربائي في الحائط، أو عبر ناقل تسلسلي عام «USB»، أو تحتوي على بطارية داخلية) ومُضخِّم صوت، ما يجعل الصوت الخارج منها أعلى بكثير. ويُمكن القول إنَّ مكبر الصوت الذي صنعته بنفسك أشبه بسماعات الرأس السلكية التي لا تحتوي على مصدر طاقة خارجي. إذ يُمكنك سماع الصوت الخارج من سماعات الرأس حين تضعها على أذنك مباشرةً، ولكن لا يمكنك سماعه من جميع أنحاء الغرفة.

More to Explore
What is a Magnet? from Physics4Kids
Make Sprinkles Dance, from Scientific American
How Loud Can Paper Speakers Get? from Science Buddies
Making Sound Waves, from Scientific American
Talk through a String Telephone, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

هذا النشاط يأتيكم بالشراكة مع «ساينس باديز».

Science Buddies