المفاهيم الرئيسية

الكهرباء

المواد الموصلة للكهرباء

المواد العازلة للكهرباء

مقدمة

الكهرباء هي مصدر الطاقة للكثير من الأجهزة التي نستخدمها في حياتنا اليومية، وتتكون هذه الأجهزة من دوائر كهربائية، تتراوح بين الدوائر شديدة البساطة (مثل المصابيح ذات اللمبة الواحدة) والدوائر شديدة التعقيد (مثل أجهزة الكمبيوتر). يمكنك تنفيذ هذه التجربة البسيطة لبناء دائرة كهربائية بسيطة واستخدامها؛ لكي تتعرف على الأدوات المنزلية الموصلة للتيار الكهربائي.

معلومات أساسية

إنك على الأرجح تسمع كلمة "كهرباء" كثيرًا، ولكن ماذا تعني فعليًّا؟ تشير كلمة "الكهرباء" في استخدامها اليومي عادةً إلى الجسيمات المشحونة كهربيًّا (الإلكترونات) التي تتحرك عبر الأسلاك المعدنية، ويُطلَق على تدفق الكهرباء اسم التيار الكهربائي. والمعادن بصورة عامة موصلات جيدة جدًّا للكهرباء، أي أنها تسمح بتدفق التيار بسهولة. أما المواد التي لا تسمح بذلك فيُطلَق عليها مواد عازلة للكهرباء، وتندرج تحتها معظم المواد غير المعدنية، كالبلاستيك والخشب والمطاط. وسوف تَلحَظ هذا إذا ما جربت إدخال شيء ما في مقبس الكهرباء في الحائط. فالشعبتان في القابس الكهربائي وكذلك الأسلاك معدنية، لكنها محاطة بعازل بلاستيكي أو مطاطي لحمايتك من التعرض لصدمة كهربائية عند لمس السلك.

ولكي يتدفق التيار الكهربائي، فإنه يحتاج إلى "حلقة" كاملة، أو ما يُطلَق عليه الدائرة المغلقة. ولذلك نجد أن مقبس الكهرباء في الحائط له شعبتان، ونجد أن للبطاريات طرفين (موجب وسالب) وليس طرفًا واحدًا. إذ نقوم بتوصيل الطرفين بدائرة وهذا يجعلها حلقة كاملة، أما إذا جرى كسر هذه الحلقة فإنها تتحول إلى دائرة مفتوحة لا يتدفق التيار الكهربائي عبرها.

في هذه التجربة، ستعمل على تكوين دائرتك المغلقة البسيطة عن طريق تفكيك مصباح يدوي (بعد الاستئذان بالطبع)، ثم تجعل من هذه الدائرة وسيلةَ اختبار لتحديد أي من الأدوات المنزلية موصل للكهرباء وأيها عازل للكهرباء. فإذا وصلت هذه الدائرة بموصل للكهرباء فستكون دائرة مغلقة وسيضيئ المصباح، أما إذا ما وصلت الدائرة بمادة عازلة للكهرباء، فستكون الدائرة الكهربائية مفتوحة وسيظل المصباح مطفأ.

أدوات التجربة

  • مصباح يدوي سهل التفكيك
  • بطاريات للمصباح
  • ثلاثة أسلاك يسهل قطعها وتقشيرها (انظر الخطوات لمزيد من المعلومات)      
  • مسطرة ذات قياسات مترية
  • شريط كهربائي (و/أو شرائط مطاطية)
  • مقص أو سكين (بمساعدة شخص بالغ)
  • مجموعة من الأدوات المنزلية المعدنية وغير المعدنية لاستخدامها في اختبار الدائرة

الإعداد للتجربة

  • لتنفيذ هذه التجربة ستحتاج إلى نزع ثلاثة أسلاك معدنية من أي جهاز إلكتروني قديم. ربما يكون لديك مجموعة من شواحن الهواتف المحمولة القديمة، والتي ستكون ممتازة لهذه التجربة؛ أو ربما يمكنك شراء الأسلاك من أحد متاجر الأجهزة أو الأدوات الكهربائية.
  • قم بتقطيع الأسلاك إلى ثلاث قطع، طول كل منها عشرة سنتيمترات على الأقل. 
  • اطلب من شخص بالغ مساعدتك باستخدام سكين حاد أو مقص لتقشير مقدار سنتيمتر من الغلاف العازل عند طرفي كل سلك من الأسلاك الكهربائية، لتكشف المعدن بداخله. (هناك أداة خاصة لتقشير الأسلاك، فإذا كانت متوفرة لديك يمكنك استخدامها بنفسك أو بمساعدة أي شخص بالغ).
  • قم بتفكيك المصباح اليدوي وإزالة البطاريات، واخلع الرأس (الجزء الذي يحتوي على اللمبة) إن أمكن ذلك، وأزل مفتاح التشغيل. تتسم معظم المصابيح اليدوية بإمكانية تفكيكها بسهولة يدويًّا، ولكن قد تحتاج إلى أداة أخرى (مفك على سبيل المثال)، و/أو مساعدة من شخص بالغ لتنفيذ هذه المهمة.
  • تحذير: الكهرباء الصادرة عن المقابس الموجودة بالحائط شديدة الخطورة وقد تكون قاتلة، فتجنب تمامًا قطع الأسلاك أو فتح الأجهزة الإلكترونية قبل فصلها عن مصدر الكهرباء.

 

خطوات التجربة

  • تفَقَّد الجزء الداخلي من المصباح وحاول تعقب الدائرة الكهربائية، وتذكر أن التيار الكهربائي يحتاج إلى دائرة مغلقة للمرور. وعادة ما تمتد الدائرة الكهربائية في المصباح اليدوي من أحد طرفي غرفة البطاريات لتمر بمفتاح التشغيل، ثم تمر باللمبة، لتعود للطرف الآخر من غرفة البطاريات. هل تراها الآن؟
  • يتمثل هدفك الأول الآن في استخدام سلكين لتوصيل غرفة البطاريات باللمبة بشكل مباشر. قد يتطلب ذلك بعض المجهود والعمل من جانبك، فليست جميع المصابيح اليدوية متشابهة. هل تجد صعوبة في تكوين الدائرة الكهربائية المغلقة؟
  • يجب أن تحتوي غرفة البطاريات على طرفين أحدهما موجب والآخر سالب. استخدم الشريط الكهربائي اللاصق لربط طرف أحد الأسلاك بالأطراف المعدنية الموجودة في نهايتي غرفة البطاريات. تأكد من ضغط الأسلاك جيدًا حتى تُحكِم ربطها بالأقطاب (ملحوظة: إذا كانت البطاريات تنزلق إلى داخل المصباح –ولا تثبُت مكانها بمشبك أو زنبرك- يمكنك استخدام شرائط مطاطية لتثبيتها معًا بعد إخراجها من المصباح، بحيث تكون نهاياتها متصلة بعضها ببعض).
  • ابحث بعد ذلك عن نقطتي توصيل معدنيتين في الجزء الخاص باللمبة، وقم بتوصيل الأطراف الأخرى من الأسلاك بتلك المربوطة بالشريط الكهربائي. ملحوظة: في بعض الأحيان يكون الجزء الداخلي من المصباح اليدوي مصنوعًا من المعدن بالكامل، فيعمل كنقطة توصيل. هل تمكنت الآن من تكوين دائرة كهربائية وإضاءة اللمبة؟
  • إذا كنت قد نفذت عملية التوصيل بشكل صحيح، فيجب أن يؤدي ذلك إلى إضاءة اللمبة. فإذا لم تضئ اللمبة فلا تقلق! إليك بعض الأمور التي تحتاج إلى تفقُّدها:
  • قد تكون لمبة المصباح لديك من نوع الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، وهو نوع خاص من اللمبات التي تعمل كصمام ذي اتجاه واحد للكهرباء. ولا تعمل إلا إذا تم توصيل قطبيها السالب والموجب بطريقة سليمة. جرب عكس توصيل السلكين بالبطاريات وانظر إذا ما كان ذلك سيؤدي إلى إضاءة اللمبة.
  • قد يكون سببًا آخر لعدم إضاءة اللمبة أن تكون الأسلاك غير متصلة بالمعدن في دائرة المصباح بشكل محكم. حاول إحكام ربط نقاط التوصيل بأصابعك، أو استخدم شيئًا كدبوس صغير أو مشبك لضغط تلك النقاط بإحكام.
  • المفترض أن تعمل الدائرة بنجاح الآن. لقد قمت بنزع البطارية واللمبة من المصباح، وأعدت تكوين الدائرة الكهربائية باستخدام سلكين. يمكنك استخدام تلك الدائرة لاختبار قابلية الأدوات المنزلية لتوصيل الكهرباء عن طريق إضافة سلك ثالث.
  • افصل طرف السلك عن إحدى نهايتي البطاريات فتصبح لديك دائرة مفتوحة؛ وبالتالي ستنطفئ اللمبة.
  • قم بلصق أحد طرفي السلك الثالث بنهاية البطاريات، ستصبح الدائرة بذلك تضم ثلاثة أسلاك، اثنان منها لديها طرف حر.
  • اجعل الطرفين غير المتصلين يتلامسان، سيؤدي ذلك لتكوين دائرة مغلقة، وبالتالي إضاءة اللمبة.
  • يمكنك اختبار قابلية الأدوات المنزلية لتوصيل الكهرباء عن طريق لمسها بطرفي السلكين غير المتصلين في الوقت نفسه.
  • ما الذي يحدث في حالة لمس المواد المعدنية، مثل مشابك الورق وورق الألومنيوم؟ إذا أضاءت اللمبة، فهل يعني ذلك أن هذه المادة موصلة للكهرباء أم عازلة للكهرباء؟
  • ما الذي يحدث في حالة ملامسة المواد غير المعدنية، مثل الخشب أو البلاستيك أو المطاط؟ هل تضيء اللمبة أم تظل مطفأة؟
  • نشاط إضافي: هل تستطيع العثور على أي مواد غير معدنية موصلة للكهرباء في منزلك؟

الملحوظات والنتائج:

قد تتطلب إعادة تركيب المصباح اليدوي بعد تفكيكه بعض المجهود. وعلى أية حال، يجب أن تكون قادرًا على تشغيل المصباح من دون مفتاح التشغيل عن طريق توصيل غرفة البطاريات باللمبة مباشرة باستخدام سلكين. ويتيح لك إضافة سلك ثالث تكوين "أداة اختبار"، فعندما تلامس جسمًا معدنيًّا بطرفي الأسلاك غير المتصلة، من المفترض أن تضيء اللمبة كما تفعل عادةً، وذلك نظرًا لأن الأجسام المعدنية موصلة للتيار الكهربائي، ومن ثَم فإنها تصنع دائرة مغلقة. أما عند ملامسة المواد العازلة للكهرباء مثل البلاستيك والمطاط والخشب، فتظل الدائرة الكهربائية مفتوحة لا تسمح بمرور التيار، وتظل اللمبة مطفأة.

من الصعب العثور على مواد غير معدنية موصلة للكهرباء. قد ينجح قلب القلم الرصاص المصنوع من الجرافيت في توصيل الكهرباء في بعض المصابيح الكهربائية، غير أن الجرافيت يتمتع بمقاومة عالية مقارنة بالمعادن، مما قد يجعل إضاءة اللمبة تبدو شديدة الخفوت أو منعدمة تمامًا.

إنهاء التجربة

قم بإعادة تجميع مصباحك اليدوي إن كنت في حاجة إليه، أو يمكنك الإبقاء على جهاز اختبار الموصلية الكهربائية الذي ابتكرته بنفسك لتجارب لاحقة.