ملف كامل عن المقاومة الكهربائية

المقاومة الكهربائية
Electrical Resistance


هي
خاصية فيزيائية ، تعني اعتراض ( إعاقة ) المادة لمرور الشحنات الكهربائية
عبرها. وتحدث المقاومة عندما تصطدم الإلكترونات المتحركة في المادة
بالذرات ، وتطلق طاقة في شكل حرارة (تغير الطاقة الكهربائية إلى حرارة ).
وتعتبر الموصلات الجيدة، مثل النحاس، ضعيفة المقاومة، مقارنة بأشباه
الموصلات، مثل السليكون. أما العوازل، مثل الزجاج والخشب، فذات مقاومة
عالية جدًا، يصعب معها مرور الشحنات الكهربائية عبرها. بينما لا تشكل
الموصلات الفائقة أي مقاومة لمرور الشحنات عبرها.

aوتقاس المقاومة الكهربائية بالأوم ويرمز لة بالحرف Ω ويقرأ اوميغا OMEGA ، ويرمز لها كما في الصورة التالية

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Resistance2.jpg

تعريف المقاومة الكهربائية :
هي خاصية ممانعة الموصل لمرور التيار الكهربائي فيه مما ينتج عنها ارتفاع في درجة حرارته







تعريف المقاومة الكهربائية :
هي خاصية ممانعة الموصل لمرور التيار الكهربائي فيه مما ينتج عنها ارتفاع في درجة حرارته


وهذه ملفات فلاش توضح ما اعنيه اضغط

thebest-engineer-1

thebest-engineer-2






http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Resistance5.jpg



أهمية المقاومة الكهربائية :
رغم أن المقاومة الكهربائية تسبب هدرا لجزء من الطاقة إلا أنها تكون ضرورية
لحماية بعض أجزاء الدوائر الكهربائية, ولذلك فهي تصنع لتوضع في بعض أجزاء
الدوائر الكهربائية حماية لها ، وتكمن أهميتها في :
أنها تتحكم في شدة التيار المار
وتتحكم أيضا في فرق الجهد بين طرفيها .



للتوضيح :
ويمكن تشبيه المقاومة الكهربائية في عملها عمل محبس الماء حيث لا تسمح إلا
بمرور كمية معينة من الكهرباء , وبعض المقاومات تتلف ( تنصهر ) إذا مر بها
تيار أكبر من مقدار معين , أما بعض المقاومات فتتميز بأنها تقطع التيار
الكهربائي تلقائيا عند تجاوزه مقدار معين , ومن الأمثلة على النوع الأول
تلك المستخدمة في السيارات والتي تسمى ( فيوز )








http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Resistance7.jpg




أما
النوع الثاني فمن الأمثلة عليه قاطع الكهرباء الذي بداخل عداد الكهرباء
الخاص بالمنزل , حيث يلاحظ تسجيل رقم مثل 200A ( 200أمبير ) أي أنه لا
يسمح بمرور أكثر من 200 أمبير ( أي 200كولوم/ث ) وفي حالة حدوث ذلك بسبب
التماس ببن بعض الأسلاك في الدائرة أو غيره ( هو ما يسمى بالدائرة القصيرة
أي عديمة المقاومة ) فإن القاطع يقطع التيار عن الدائرة الكهربائية
لحمايتها .


أنواع المقاومات الكهربائية :
وتختلف نوعيتها على حسب كيفية صنعها والمواد المركبة منها وأهم أنواع المقاومات هي:
1- المقاومة الثابتة
2- المقاومة المتغيرة
3- المقاومة الضوئية
4- المقاومة الحرارية



http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Resistance1.gif




أولا : المقاومة الثابته Resistor :

تتميز هذه المقاومات بثبات قيمتها وتختلف في استخدامها على حسب قدرتها في
تمرير التيار الكهربائي فهناك مقاومات ذات أحجام كبيرة تستخدم في التيارات
الكبيره وأخرى صغيرة للتيارات الصغيرة.

ثانيا: المقاومة المتغيرة Potentiometer or Variable Resistor VR :

مقاومة يمكن تغيير قيمتها حيث تتراوح قيمتها بين الصفر وأقصى قيمة لها
فمثلا عندما تقول أن قيمة المقاومة 10KΩ يعني أن قيمة المقاومة تتراوح بين
الصفر أوم تزداد بالتدريج يدويا حتى تصل قيمتها العظمى 10KΩ 0-10KΩ ويمكن
تثبيتها على قيمة معينة.

ويمكن مشاهدة المقاومة المتغيرة في كافة الأجهزة الصوتية فعندما نريد رفع
صوت الجهاز "الراديو" أو نخفضه فإننا نغير في قيمة المقاومة المتغيرة
فعندما تصل قيمة المقاومة أقصاها فإن الصوت ينخفض إلى أقل شدة والعكس عند
رفع الصوت.

العوامل المؤثرة في مقاومة أي موصل :.
1- نوع المادة المصنوع منها الموصل
2- طول الموصل
3- مساحة مقطع الموصل
4- درجة حرارة الموصل




http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Resistance2.gif


فالسلك
النحاسي الرقيق، على سبيل المثال، أكثر مقاومة من السلك السميك، والسلك
الطويل أكثر مقاومة من السلك القصير. و تتفاوت مقاومة المادة أيضًا حسب
درجة الحرارة ، وبما أن مقاومة الموصل ( م ) تتناسب طرديا مع طوله ( ل )
وعكسيا مع مساحة مقطعه ( س ) :



ودى ملفات فلاش توضح

thebest-engineer-3

thebest-engineer-4

م = ثابت × ل / س

وثابت التناسب هنا يعتمد على نوع مادة الموصل ويسمى المقاومة النوعية ( من )

م = من × ل / س

ومن هذه العلاقة يمكن تعريف المقاومة النوعية ( من ) بأنها :

" مقاومة موصل منتظم المقطع طوله وحدة الأطول ومساحة مقطعه وحدة المساحات "
وتتأثر المقاومة النوعية ومن ثم المقاومة الكلية لناقل ما بدرجة الحرارة
بشكل طردي حيث دلت التجارب العملية أن المقاومة النوعية تتغير مع درجة
الحرارة حسب العلاقة :

من د = من. ( أ + ثا × د )

حيث ( من د ) هي المقاومة النوعية للموصل عند درجة ( د ) المئوية .
(من. ) المقاومة النوعية للموصل عند درجة صفر المئوية .
( ثا ) المعامل الحراري للمقاومة النوعية للعنصر وهو ثابت للعنصر الواحد ويختلف من عنصر لآخر .
( د ) درجة الحرارة المئوية .


تحديد قيمة المقاومة :







http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Resistance5.gif




وهذه ملفات فلاش للتوضيح


thebest-engineer-5

thebest-engineer-6

thebest-engineer-7

قانون أوم Ohm's Law




يعد
قانون أوم من أهم القوانين في فرع الفيزياء الكهربائية ، حيث أثبت العالم
الألماني جورج سيمون أوم ( 1787- 1854 م ) بعد سلسلة من التجارب في عام
1826م أن التيار الكهربي ( ت ) المار في موصل يتناسب طرديا ( علاقة خطية )
مع فرق الجهد الكهربائي (جـ ) المطبق بين طرفيه، ويمكن تمثيلها بيانيا
كما بالشكل التالي :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/OhmsLaw6.jpg

ويمكن كتابة العلاقة البيانية بالقانون التالي :

فرق الجهد = ثابت × التيار

يعتبرهذا الثابت هو : "المقاومة الكهربائية"

خلاصة :

قانون أوم يصف العلاقة حسابيا بين كلا من فرق الجهد الكهربائي (جـ ) الذي
يعبر عن قوة تدفق الشحنات الكهربائية .. وبين المقاومة الكهربائية ( م )
التي تقاوم وتعيق هذا التدفق .. وبين النتيجة الحقيقية لهذا التدفق وهو
التيار الكهربائي ( ت ) .

نص قانون أوم :

عند ثبوت درجة الحرارة يتناسب شدة التيار المار في موصل طرديا مع فرق الجهد بين طرفيه .

جـ = م × ت

لاحظوا أن العلاقة سهلة وبسيطة جدا .. كلما زاد الجهد او قلت المقاومة كلما
زاد التيار المتدفق .. و زيادة المقاومة تحد من مرور التيار كما هو واضح
في قانون اوم

من استخدامات قانون أوم :

يستخدم المهندسون قانون أوم لتحديد فعالية الدوائر الكهربائية. فبإمكانهم،
على سبيل المثال، حساب كيف يمكن أن يتأثر سريان التيار بالترتيبات
المختلفة لمكونات هذه الدائرة مثل توصيل الأسلاك والمكثفات والمقاومات.

إثبات قانون أوم عمليا

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/OhmsLaw4.jpg

لإثبات قانون أوم عملياً اتبع الخطوات الآتية :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/OhmsLaw2.gif

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/OhmsLaw3.gif

1) أعمل الدارة الكهربائية كما في الشكل أعلاه .
2) استعن بالعرض الفلاشي التالي لاستنتاج العلاقة بين فرق الجهد وشدة التيار الكهربائيين

thebest-engineer-8

thebest-engineer-9



) حرّك المؤشر voltage لضبط فرق الجهد على القيمة 1.5 فولت
4) اضبط المؤشر resistance لضبط المقاومة الكهربائية على القيمة 200 Ω .
5 ) سجل قيمة شدة التيار current المارة ( التي تظهر أسفل الفلاش ) بعد تحويلها إلى أمبير بقسمتها على 1000 ، لتصبح بوحدة الأمبير .
6) حرّك المؤشر voltage لزيادة فرق الجهد بشكل منتظم ، و بعد كل زيادة في فرق الجهد قم بتسجيل قيمة شدة التيار
7 ) مثل القياسات التي سجلتها في الجدول بيانيا ، ثم ارسم العلاقة .

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/OhmsLaw6.jpg

http://illiweb.com/fa/i/smiles/icon_cool.gif احسب ميل الخط المستقيم ، يجب أن تكون مساوية لـ 200 Ω .

الاستنتاج

1) نلاحظ أن العلاقة بين كل من فرق الجهد وشدة التيار علاقة طردية أي انه
كلما زاد فرق الجهد زاد شدة التيار وكلما قل فرق الجهد قلت شدة التيار
2) بحساب ميل الخط المستقيم الذي بالشكل نجد أن ميل الخط المستقيم = 200 نفس قيمة المؤشر resistance

وهنا فيديو عربي لشرح تحقيق قانون أوم عمليا :

حمل من هنا

ملاحظات :

1 – يمكن تطبيق قانون أوم في جزء من الدائرة أو الدائرة ككل مع ملاحظة :
عند تطبيق قانون أوم في جزء من الدائرة يجب أن يكون تعاملنا مع التيار المار في هذا الجزء فقط وكذلك المقاومة ذات الصلة .
عند تطبيق قانون أوم على الدائرة ككل يجب حساب التيار الكلي ، و المقاومة الكلية ، وكذلك يكون تعاملنا مع قيمة جهد المصدر للدائرة .
2 – الشكل التالي يلخص قوانين أوم :
ملاحظات :

1 – يمكن تطبيق قانون أوم في جزء من الدائرة أو الدائرة ككل مع ملاحظة :
عند تطبيق قانون أوم في جزء من الدائرة يجب أن يكون تعاملنا مع التيار المار في هذا الجزء فقط وكذلك المقاومة ذات الصلة .
عند تطبيق قانون أوم على الدائرة ككل يجب حساب التيار الكلي ، و المقاومة الكلية ، وكذلك يكون تعاملنا مع قيمة جهد المصدر للدائرة .
2 – الشكل التالي يلخص قوانين أوم :

thebest-engineer-10

نتحدث الأن عن
المواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها

مقدمة عامة:

إن ظاهرة التوصيلية الفائقة مثيرة من جميع جوانبها سواء ما يتعلق بدراستها
أو ما يتعلق بتطبيقاتها. فسلوكها الكهربي (عدم المقاومة للتيار) وسلوكها
المغناطيسي (رفض المجال المغناطيسي) وهما السمتان البارزتان لها؛ جعلا منها
مواد ذات تطبيقات غير محصورة. فمن المعلوم أن مقاومة التيار الكهربي في
جميع المواد العادية هي السبب في ضياع وفقد الكثير من الطاقة الكهربائية
وهي السبب أيضاً في عطل كثير من الأجهزة الكهربائية وارتفاع حرارتها. ومن
جهة ثانية فالمجال المغناطيسي اعتاد على التغلغل في جميع المواد العادية
بدون استثناء. وأما المواد الفائقة فمقاومتها للتيار الكهربائي تصل إلى
الصفر، وهو صفر غير مبالغ فيه من الناحية العملية، مع أن البعض ذكر أنه
ربما توجد مقاومة في حدود شكل 1. ومن ناحية أخرى فالمجالات المغناطيسية
لا تستطيع الدخول إلى جسم الموصل الفائق مادام بصورته الفائقة مما يبشر
بتطبيقات كثيرة تعتمد على تلك الخاصية على وجه التحديد. ومن التطبيقات ما
يتعلق بالنواحي العسكرية ومنها ما يتعلق بالنواحي المدنية والصحية
والمواصلات وغير ذلك مما سوف نتطرق إليه في حينه.

تاريخ الموصلات الفائقة:

في عام 1908 م نجح العالم الهولندي الشهير هيك كامرلين أونيس في ضغط ثم
إسالة غاز الهليوم الذي يتحول من الحالة الغازية إلى السائلة عند درجة 4.2
كالفن (-268 درجة مئوية) وبعدها بثلاث سنوات وأثناء دراساته على مقاومية
بعض العناصر، لاحظ انعدام المقاومة لمادة الزئبق النقي عندما تقترب درجة
حرارته من الصفر المطلق .وقد استحق هذا العالم جائزة نوبل في الفيزياء بسبب
هذين الاكتشافين. واصطلح بعد ذلك على تسمية درجة الحرارة التي تفقد
المادة عندها مقاومتها وتتحول من مادة عادية إلى موصل فائق بدرجة حرارة
التحول(Critical Temperature) ، أو اختصاراً بدرجة التحول ويرمز لها بالرمز
TC . وأطلق على تلك المواد بالمواد فائقة التوصيل. وبعد هذا الاكتشاف
استمر العلماء بالبحث عن مواد ذات درجات تحول أعلى. غير أن هذا البحث استمر
لفترة طويلة دون كسر حاجز العشر درجات كالفن حتى اكتشف مركب النايوبيوم
NbN في أول الأربعينيات حيث وصلت درجة التحول إلى حوالي 15 درجة كالفن
واستمرت كذلك ولمدة ثلاثين سنة وبالتحديد حتى عام 1973 حيث أضيف مركب جديد
ذو درجة تحول تصل إلى 23 كالفن. والمركب المقصود هو Nb3Ge.
وحصلت بعد ذلك قفزة متميزة في سجل المواد فائقة التوصيل عندما قام كل
من جورج بدنورز وكارل ميولار (J. George Bednorz and Kark Alex Muller) في
عام 1986 بنشر تقرير حول نجاحهما في تحضير مركب سيراميكي هو La-Ba-Cu-O
درجة تحوله في حدود 30 كالفن تم تحضيره في معامل شركة IBM في سويسرا وقد
استحق العالمان جائزة نوبل بالمشاركة ليس للقفزة في حرارة التحول ولكن
لأنهما فتحا المجال لتحضير مواد سيراميكية لأول مرة. وسرعان ما قاد ذلك
الاكتشاف مجموعة البحث في جامعة هيوستن بالتعاون مع مجموعة مماثلة في
جامعة ألاباما الأمريكيتين إلى استبدال عنصر اللانثانيوم بعنصر اليتريوم
للحصول على السيراميك Y-Ba-Cu-O والذي فاقت حرارة تحوله ولأول مرة في
التاريخ درجة الغليان لغاز النيتروجين والبالغة 77 كالفن. لقد وصلت حرارة
التحول إلى أكثر من 90 كالفن لذلك المركب الذي اكتشف في يناير من عام 1987
والذي سرعان ما صار أساساً لعدة مركبات تلته على الفور عندما التفت عدد
ضخم من الباحثين وعلى طول العالم وعرضه إلى دراسة ذلك الجيل الجديد من
المركبات يحدوهم أمل كبير بالحصول على مركبات تتحول عند حرارة الغرفة.
وبعد سنة تقريباً تم اكتشاف مركب Bi-Sr-Ca-Cu-O ذي درجة التحول
البالغة 110 درجات كالفن وبعده بقليل اكتشف مركب الثاليوم Tl-Ba-Ca-Cu-O
والذي يفقد مقاومته الكهربائية نهائياً عند 125 كالفن وازدادت بذلك القوة
الحثية التي كانت قوية من الأصل والتي حولت الأنظار إلى تلك المركبات غير
العادية. غير أن إضافة مركبات جديدة لم يتحقق إلا بعد عدة سنوات في حوالي
عام 1993 عندما أضيف مركب الزئبق: Hg-Ba-Ca-Cu-O والذي يتحول عند 135
درجة كالفن ولم تتم أية إضافة تذكر حتى يومنا هذا. و قد يصح لي أن أقول:
إننا بدأنا بالزئبق وانتهينا به! والحق أن درجة الحرارة التحولية وصلت
إلى 160 كالفن لبعض المركبات والتي منها مركبات الزئبق خاصة، غير أنه هذا
عندما يتم تسليط ضغوط عالية جداً. أنظر شكل 2.
وباكتشاف المركبات التي تفوق حرارتها 77 درجة كالفن وهي درجة غليان
النيتروجين؛ دخلنا عصراً جديداً من الموصلات وهو ما اصطلح على تسميته
بالموصلات فائقة التوصيل عالية الحرارة High Temperature Superconductors
واختصاراً بـ HTS في حين حملت الفئات السابقة لذلك التاريخ اسم: الموصلات
فائقة التوصيل التقليدية Low Temperature Superconductors واختصاراً بـ:
LTS. إن لاكتشاف الموصلات الجديدة أهمية خاصة حيث أن استخدام النيتروجين
المسال رخيص جداً وغير مكلف في نقله وحفظه مما يبشر بتطبيقات كثيرة. لقد
كانت فكرة الحصول على موصلات فائقة عند حرارة الغرفة فكرة سخيفة تنال الضحك
من سائر العاملين في مجال المواد حتى عام 1987 عندما صار الحلم أقرب ما
يكون إلى الحقيقة!

أهمية خاصة للموصلات الفائقة عالية الحرارة:

• أنها سهلة التحضير ويستطيع جميع المهتمين بالحصول عليها بيسر.
• أنها رخيصة الثمن حيث أن أكبر مكوناتها هو النحاس والباريوم والكالسيوم وهي رخيصة ومتوفرة
• أنها تتحول فوق درجة غليان النيتروجين وهو رخيص الثمن ومتوفر في كل
مكان وسهل النقل والحمل ويبقى لفترات طويلة مقارنة بسلفه الهليوم المسال.
• أن الفرق بين درجات تحولها ودرجة الوسيط المبرد (النيتروجين) كبير (في
حالة مركبات الزئبق تفوق الخمسين درجة) مما يجعلها أكثر استقراراً حيث أن
ذلك الاستقرار يزيد بتزايد الفرق بين درجة حرارة العمل ودرجة حرارة
التحول.
• أنه يسهل تشكيلها بأشكال مختلفة مثل الرقائق والأفلام أو المواد المكدسة وكذا وحيدة التبلور.

نظرية الموصلات الفائقة:

في حين يصح القول بأن نظرية وضع أسسها ثلاثة من كبار العلماء وهم
باردين وكوبر وشريفر J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer
وعرفت باسمهم : نظرية باردين-كوبر-شريفر أو اختصاراً بـ BCS Theory ،
أقول في حين يصح القول بأن تلك النظرية التي وضعت في عام 1957 استطاعت أن
تفسر معظم جوانب الموصلات الفائقة التقليدية ؛ فإنها بالتأكيد لم تستطع
التغلب على الصعوبات التي واجهتها فيما يتعلق بالموصلات من الجيل الجديد،
الموصلات الفائقة عالية الحرارة. لقد عجزت عن تفسير الظاهرة من أساسها،
بل إنها كانت تتوقع استحالة الحصول على موصلات فائقة عند درجات عالية مثل
135 كالفن في حالة مركبات الزئبق. غير أن تلك الموصلات الجديدة حازت
مزيداً من الاهتمام من جانب النظريين من العلماء دون التوصل إلى نظرية
مرضية إلى يومنا هذا. ولذلك فإنها مازالت تحمل المزيد من التحدي العلمي و
تعطي مثالاً للتخلف الشديد للنظرية عن التطبيق في هذا المجال. ففي حين
نجحنا في جعل تلك الموصلات حقيقة قائمة؛ فإننا لم نستطع بعد فك طلاسمها.
وكلما عكف العلماء على وضع نموذج جديد؛ أصيبوا بضربة قوية من جانب
التجريبيين الذين سرعان ما يعلنون عن مواد جديدة أو خواص جديدة.
في هذه المقدمة المختصرة؛ دعونا نلقي بعض الأضواء على نظرية BCS . إنه
من المعلوم بالضرورة أن نقل التيار في الموصلات يتم عادة بواسطة
الإلكترونات الحرة، ومصدر المقاومة في الموصلات عادة هو من تصادم تلك
الإلكترونات مع إلكترونات أخرى ومع الأيونات والذرات التي تخرج عادة عن
النظام الدوري الشبيكي المنتظم للمادة. وأيضاً بالتفاعل مع ما يسمى
بالفونونات وهي عبارة عن كمات الطاقة الحرارية في داخل الموصلات. ولم يخطر
على بال أحد أن تخرج مادة من المواد عن هذا الوضع الذي يسبب حصول مقاومة
محدودة مهما كانت صغيرة. وتم وضع نظريات كثيرة يكمل بعضها بعضاً تصف ظاهرة
التوصيلية والمقاومة في الموصلات بجدارة وكفاءة تامة. إلا أن تلك
النظريات التقليدية وجدت نفسها وجهاً لوجه أمام ظاهرة لم تستطع تفسيرها
على الإطلاق، ألا وهي ظاهرة التوصيلية الفائقة. أين ذهبت التصادمات بين
الإلكترونات بعضها مع بعض؟ أين ذهبت الفونونات؟ بل أين ذهبت الحدود
الشبيكية والعيوب التي لا تخلو منها في العادة الموصلات العادية؟ والتي هي
السبب وراء حصول المقاومة.
أهم أساس قامت عليه النظرية هو فكرة الأزواج الإلكترونية (Cooper
Pairs) أو أزواج كوبر نسبة إلى العالم كوبر أحد المؤسسين. ومن المعلوم أن
الإلكترونات تحمل ذات الشحنة وبالتالي فحسب قانون كولوم يفترض أن تتنافر
عن بعضها قدر المستطاع. إلا أن الظروف المواتية تعكس نتيجة القانون
بميكانيكية خاصة لوحظت بسبب اعتماد التوصيلية الفائقة على أثر النظائر.
والنظائر هي مواد من نفس النوع ولكن تختلف في العدد الذري. فقد وجد أنه
كلما زاد العدد الذري لنظير كلما قلت (اقتربت من الصفر المطلق) درجة تحوله.
وكان في هذا دليل كاف بأن الإلكترونات المسؤولة عن التوصيلية الفائقة
لابد وأنها تتفاعل بطريقة أو أخرى مع الشبيكة بحيث تكون المحصلة لصالح
الإلكترونات نفسها. فجاءت فكرة الأزواج لتفسر الأمر. فعندما يمر الإلكترون
الأول بين الأيونات فإنه ولزمن قصير جداً يؤدي إلى انجذابها إليه ولكنه
يمر بسرعة فيتركها وهي مازالت متقاربة من بعضها مما يؤدي إلى زيادة تركيز
الشحنة الموجبة لحظياً في المنطقة. تلك الشحنة المركزة بدورها تجذب
إلكترونا آخر إليها. وبهذه الطريقة يظل الجو مهيئاً لإلكترون آخر بحيث يكون
الاثنان في وضع ارتباط دائم بصورة زوج. وهذا ما يطلق عليه حسب النظرية
الكمية بمبدأ تبادل التفاعل من خلال الفونون الذي هو وجه عملة آخر للقول
بأن الإلكترون الأول يؤدي إلى اهتزاز الأيونات لصالح الإلكترون الثاني.
بالطبع الأزواج الإلكترونية تحمل شحنة مساوية إلى ضعف شحنة الإلكترون الفرد
–2e ولفاً مغزلياً مساوياً للصفر حيث أن أحد الزوجين لفه إلى أعلى
(+1/2) والآخر لفه إلى أسفل (-1/2) ولهما اندفاعان متضادان فيلغي بعضهما
بعضاً. وكما هو معلوم في الفيزياء الإحصائية فإن الجسيمات الأولية في
تجمعها في حالة واحدة ذات ظروف متشابهة تخضع للتوزيع الإحصائي بحسب لفها
المغزلي. فإذا كان اللف كسرياً فإنه يستحيل – حسب مبدأ باولي – أن يجتمع
أكثر من جسيمين في حالة واحدة وتسمى الجسيمات من هذا النوع فرميونات. أما
عندما يكون اللف رقماً صحيحاً بما في ذلك الصفر؛ فإنه يجوز أن يجتمع عدد
غير محدود من تلك الجسيمات في نفس الحالة كما في الفوتونات التي تجتمع
فتشكل أشعة الليزر. وتسمى الجسيمات من هذا النوع بالبوزونات. وبالتالي فقد
توصلنا إلى أن عدداً غير محدود من الأزواج الإلكترونية يجوز أن يتكثف في
حالة كمية واحدة.
إن وضع الأزواج الإلكترونية جعل الشبيكة لا تؤثر في حركتها على الإطلاق
وبالتالي فهي تتحرك دون مقاومة. ومن العجيب أن تلك الشبيكة باهتزازاتها
هي المسؤولة عن المقاومة عند درجة حرارة الغرفة لنفس الموصل، فإذا هي تصبح
العلة الكامنة وراء حصول ظاهرة التوصيل الفائق بمجرد التبريد إلى درجة
حرارة معينة. وكان من جراء فكرة الأزواج الإلكترونية أن تنقسم الإلكترونات
إلى جزء فائق وآخر عادي حيث يقوم الأول بجميع الأعباء الكهربائية ويمنح
الموصل جميع الصفات. وتتكون فجوة في طاقة الموصل بين الحالات الحاوية
للأزواج وتلك الحاوية للإلكترونات العادية. وهذه الفجوة Eg هي ميزة خاصة
بالموصلات الفائقة لا يشاركها فيها غيرها، أنظر الشكل 3. حيث تتكون فجوة
في الطاقة بين الحالات المملوءة تماماً بالإلكترونات وبين الحالات الفارغة
تماماً قيمتها في حدود 1 meV . وهذه الطاقة تمثل الطاقة اللازمة لكسر
الرابطة بين الزوجين الإلكترونيين. وتتنبأ نظرية BCS بالعلاقة التالية
التي تربط بين طاقة الفجوة وبين درجة التحول للموصل عند درجة الصفر المطلق:

http://phys4arab.malware-site.www/a.jpg

حيث
k ثابت بولتزمان. إن هذه العلاقة من أهم ما جاءتنا به النظرية. إنها تنص
على أن طاقة الفجوة مرتبطة مباشرة بدرجة التحول. بمعنى آخر فإنه لكي نحصل
على مواد فائقة التوصيل ذات تحول عال فعلينا أن نوفر موصلات بطاقات فجوة
كبيرة. وقد اتفقت تلك المعادلة مع النتائج التجريبية للمواد الموصلة
الفائقة التقليدية. وهناك علاقة أخرى تتوقع قيمة للمجال المغناطيسي الحرج
للموصلات الفائقة التقليدية وهي:

http://phys4arab.malware-site.www/b.jpg

حيث تعبر T عن درجة الحرارة و HC(0) عبارة عن المجال الحرج عند الصفر
المطلق. وهي مفيدة في حساب المجال الحرج الجوهري غير المتعلق بالشوائب
والأخلاط لأن من شأن تلك الأمور أن تؤثر ظاهرياً في قيمة المجال الحرج.

طرد المجال المغناطيسي من داخل الموصلات الفائقة:
من أهم ميزات الموصلات الفائقة قدرتها على طرد المجالات المغناطيسية من
داخلها أو من الوسط الذي تحتويه. والمسألة يمكن النظر إليها بالصورة
التالية: عندما يتعرض موصل ما (من النوع الديامغناطيسي) إلى مجال مغناطيسي
خارجي فإن ذلك الموصل يحاول التخلص من المجال باستحداث تيارات كهربائية
تلف حول سطحه تسمى بالتيارات السطحية. ومن المعلوم أن التيار الكهربي يسبب
حصول مجال مغناطيسي، وهو في حالة الموصل يكون بالضبط بعكس اتجاه المجال
الأصلي (الخارجي). غير أن الموصلات العادية –كما هو معلوم – ذات مقاومة
للتيار الكهربائي بما في ذلك التيارات المضادة للمجالات المغناطيسية.
والنتيجة هي أن المجال المضاد يكون أقل كثيراً من المجال الخارجي وبالتالي
فيدخل الأخير في قلب وبنية الموصل. والصورة تختلف تماماً عند الحديث عن
الموصل الفائق. إن التيارات المضادة في هذه الحالة لا تقابل بأية مقاومة
كهربية وبالتالي فلديها القدرة على الاستجابة التامة لشدة التيار الخارجي؛
فتزيد بزيادته وتقل بنقصانه بحيث توجد مجالات تتساوى معه بالضبط وتضاده في
اتجاهها فيسلم جرم الموصل من المجال الخارجي حسب المعادلة التالية:
M=-H
حيث تمثل الـ M التمغنط (المجال المغناطيسي المضاد) وتمثل H المجال
الخارجي المطبق. و من إشارة السالب ندرك أن التمغنط مساو تماماً للمجال
الخارجي ومضاد له في الإشارة.
والعجيب في الأمر أنه حتى لو كان هناك مجال مغناطيسي يتعرض له الموصل
الفائق قبل تبريده؛ فإنه بمجرد التبريد تحت درجة التحول سوف يتم طرد المجال
المغناطيسي الذي كان في داخله وتعرف الظاهرة بظاهرة مايزنار وهي أكثر
وضوحاً في الموصلات من النوع الأول.
وهذا وتنقسم المواد الفائقة من حيث سلوكها مع المجال المغناطيسي الخارجي
إلى قسمين رئيسيين: النوع الأول Type-I والنوع الثاني Type-II . ففي النوع
الأول (معظم الموصلات التقليدية من هذا النوع)؛ يرفض الموصل المجال
الخارجي تماماً حتى الوصول إلى مجال مغناطيسي معين يسمى المجال الحرج
Critical Magnetic Field ورمزه HC وعند هذا المجال يتم تدمير التوصيلية
الفائقة تماماً ويدخل المجال المغناطيسي الخارجي إلى قلب الموصل ولا يعود
الموصل بعدها إلى التوصيل الفائق مرة أخرى إلا بعد تسخينه فوق درجة تحوله
ثم تبريده ثانية، أنظر شكل 4 ، وحيث أن التيار المار في الموصل يحدث
مجالاً مغناطيسياً؛ فإن هذا النوع من المواد غير ملائم لكثير من التطبيقات
التي تحتاج إلى تيارات عالية إذ إن تلك التيارات سوف تعود على الموصل
بالتدمير وإنهاء خاصية التوصيل الفائق.
وأما الموصلات من النوع الثاني فهي مختلفة تماماً. إن لديها مجالان
مغناطيسيان حرجان. فعند وصول المجال الخارجي إلى المجال الحرج الأول HC1
، وهو عادة صغير؛ فإن التوصيلية الفائقة لا تفقد وإنما يتحول جزء من
الموصل إلى موصل عادي. إن ذلك الجزء المتحول يظهر موزعاً بصورة بؤر منتظمة
على طول وعرض الموصل بحيث يمر خط مغناطيسي واحد فقط من خلال كل بؤرة. يطلق
على البؤرة الواحدة (فورتكس) Vortex ويطلق على الموصل الذي هو في الحالة
الجامعة للتوصيل الفائق والعادي بأنه في الحالة المختلطة: Vortex State
. إن عدد البؤر الطبيعية تزداد كلما زاد المجال المغناطيسي الخارجي
وتستمر في الزيادة حتى يأتي المجال على الموصل بكامله محولاً إياه إلى
موصل عادي عند المجال الحرج الثاني HC2 . وهذا المجال الثاني كبير جداً
إذا ما قورن بالمجال الحرج للموصلات من النوع الأول ويصل إلى عشرات
التسلا. وحيث أن جميع الخواص المميزة للتوصيل الفائق تظل موجودة أثناء
الحالة المختلطة وأن تلك الحالة تستمر إلى حصول مجالات عالية جداً؛ صار
هذا النوع من الموصلات مرشحاً لتطبيقات كثيرة جداً بغض النظر عن شدة
التيار اللازمة. أنظر شكل 5. مشكلة بسيطة حصلت بسبب الحالة المختلطة وهي
أن تلك البؤر تبدأ في الحركة عندما يمر التيار بقربها بسبب قوة لورانتس
محدثة ضياعاً في الطاقة وبالتالي مدمرة للموصل نفسه. غير أن تلك المشكلة
تم التغلب عليها بدراسة خواص الموصلات ووضع إسفينات خاصة تمسك بالبؤر كل
إسفين يمسك بواحدة. تلك الإسفينات ويطلق عليها Pinning Centers تقوم بدور
مهم وهو منع البؤر من الحركة. وزرع الإسفينات في الموصل يتم عادة بطرق
كثيرة منها الإشعاع النيوتروني العمودي ومنها إضافة مواد معدنية على شكل
مساحيق تخلط مع المادة الموصلة أثناء التحضير وغير ذلك الكثير من الطرق.
جميع الموصلات الفائقة عالية الحرارة تعد من النوع الثاني. ومن أهم فوائد
الطرد المغناطيسي الاستفادة من الموصلات من هذا النوع في صنع دروع
مغناطيسية توفر مناخاً خالياً من المجالات المغناطيسية. وبالتحديد فقد أمكن
الحصول على دروع تصل قدرتها على العزل إلى 180 dB .
ظاهرتا الطفو والتعليق المغناطيسيتان:

نتج من جراء رفض الموصلات الفائقة للمجالات المغناطيسية وتمغنطها
المعاكس ظاهرتا الطفو والتعليق على الترتيب. إن ظاهرة الطفو تحصل عندما
يتم محاولة وضع قطعة مغناطيس في أعلى موصل فائق أو العكس. سوف يظل الجسم
العلوي معلقاً في الهواء (طافياً) سواء كان المغناطيس أو الموصل نفسه.
أنظر شكل 6 . وأما في ظاهرة التعليق فيختلف الأمر في المبدأ الذي يعتمد
عليه وهو أصعب كثيراً في شرح فكرته من مسألة الطفو. في هذه الحال يتم
تقريب مغناطيس دائم من قطبه الجنوبي إلى الموصل أولاً مع إرغام الأخير على
عدم الحركة. يؤدي ذلك إلى تمغنطه سلباً، ثم يتم إبعاد المغناطيس الدائم
بسرعة معينة. أثناء ذلك تنعكس مغناطيسية الموصل الفائق (بسبب المجال
المغناطيسي المحتبس حوله) فتصبح إيجابية (شمالية) فتنجذب لقطب المغناطيس
الجنوبي. إنها قصة حب لم تكتمل! لقد أوقع المغناطيس الموصل في حباله أولاً
ثم انسحب فلحق به الموصل راغباً في القرب منه! إن وضع الموصل في هذه
الحال مختلف تماماً عن قطعة مغناطيس بقرب مغناطيس آخر حيث يؤدي ذلك – كما
هو معروف – إلى انجذاب بعضهما لبعض ولصوقهما أخيراً. أما في حالة الموصل
والمغناطيس؛ فتقل القوة الجاذبة لدى الموصل كلما اقترب من المغناطيس وتزيد
كلما ابتعد! فيظل في مكان محدد لا يتعداه معلقاً في الهواء لا هو قادر
على الاقتراب ولا على الفراق.
خاصيتان مميزتان للموصلات الفائقة لا يشاركها فيهما أي مادة أخرى عرفها
الإنسان. وسوف نتحدث عن فوائد هاتين الخاصيتين عند الحديث عن التطبيقات
بعد قليل.

ظاهرة (أو وصلات) جوزيف صن Josephson Junctions:

جوزيف صن أحد التلاميذ الإنجليز النابهين وكان طالباً في مرحلة الدراسات
العليا عندما طلب الأستاذ من الطلاب القيام بمشاريع بحثية صغيرة. فخرج
علينا هذا الطالب الذي صار بعد ذلك من أشهر العلماء وفاز بالمشاركة في
جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1973، طلع علينا بظاهرة صارت تعرف باسمه. لقد
تنبأ هذا العالم أنه عندما يتم وضع موصلين فائقين بجانب بعضهما بحيث لا
يفصل بينهما إلا شريحة رقيقة جداً من مادة عازلة؛ فإن بعض الأزواج
الإلكترونية تستطيع التملص Tunneling من خلال تلك الشريحة غير الموصلة
.وقد تم تأكيد تنبؤاته بعد فترة وجيزة من خلال التجربة.
وبالطبع فهذه الظاهرة الكمية يمكن الاستفادة منها في عمل كثير من الدوائر
الالكترونية السريعة جداً كما في الحاسبات الآلية وكذلك في صنع كواشف
للمجالات المغناطيسية المتناهية في الصغر كما سوف نرى.

ظاهرة التكميم المغناطيسي:

كما سبق فإن المواد الفائقة مثيرة في كل جوانبها. من تلك الأمور المثيرة هي
ظاهرة التكميم المغناطيسي. وفكرة الظاهرة أنه إذا تم صنع موصل فائق على
صورة حلقة (مهما كانت متناهية الصغر) فإن مقدار المجال المغناطيسي الذي يمر
من خلال تلك الحلقة يجب أن يكون مساوياً تماماً لعدد صحيح من الكمات
المغناطيسية يطلق على كل منها الرمز  ويبلغ مقدار الكمة الواحدة: http://phys4arab.malware-site.www/c.jpg
وتسمى أيضاً بالفلاكسويد ومعنى التكميم أنه لو تعرض الموصل إلى مجال
يزيد قليلاً عن عدد صحيح من الكمات ( بزيادة أقل من نصف كمة) ؛ فإن الزيادة
ترفض ولا تمر من خلاله، في حين أنه لو تعرض لمجال يقل قليلاً عن عدد صحيح
من الكمات بمقدار ضئيل (أقل من نصف كمة) فإنه يتكيف بحيث يكمل النقص من
تلقاء نفسه! من أجل أن يحافظ على العدد الصحيح من الكمات. أي لو مر مجال
يساوي إلى مائة كمة مضافاً إليها ربع كمة فإن ذلك الربع يرفض ولا يمر من
خلاله في حين لو كان بدل الربع نصف أو أكثر ولكن أقل من واحد صحيح؛ فإن
الموصل يكمله إلى واحد صحيح! وهذا بالضرورة يقتضي أن التيار الذي يلف يزيد
وينقص بمقدار ضئيل متجاوباً مع المجال الخارجي.
لقد تبين أن هذه الظاهرة ذات أهمية بالغة جداً. فهي مبدأ ما صار يعرف
بمجس السكويد Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) . إن
السكويد (بسكون السين) عبارة عن جهاز حساس جداً للمجالات المغناطيسية
وبإمكانه أن يميز التغير في المجال المغناطيسي إذا زاد عن http://phys4arab.malware-site.www/d.jpg أي بحساسية تفوق http://phys4arab.malware-site.www/e.jpg ، بمعنى آخر يستطيع قياس مجال شدته تصل إلى http://phys4arab.malware-site.www/f.jpg
والتي تساوي واحد من مليون من وحدة التكميم المغناطيسي نفسها. وهي
حساسية مفرطة أكبر بكثير من الإشارات الصادرة عن المخ أو القلب أو سائر
الجهاز العصبي في الكائن الحي.
ومجس السكويد ينقسم إلى نوعين أساسيين حيث يعتمد الأول منهما على التيار
المستمرdc-SQUID في حين يعتمد الآخر على التيار ذي التردد الراديوي
rf-SQUID . وفي حين ينتشر استخدام الأول على نطاق واسع بصور أفلام رقيقة
من المادة الفائقة يوضع بينها مواد عازلة من أجل توفير التملص الإلكتروني
فإن النوع الثاني يعمل أيضاً من الأفلام الرقيقة أو بالاعتماد على فكرة عمل
خرق أو أكثر في مادة موصلة فائقة تعمل على صورة قرص مثل حبة الأسبرين.
وقد وجد أنه كلما زاد عدد الخروم زادت الحساسية تبعاً لذلك. ووجود خرم
واحد يعني قياس المجال المغناطيسي مباشرة في حين أن وجود أكثر من خرم يعني
قياس التغير (التدرج) في المجال المغناطيسي. والفكرة الأخيرة جعلت من
المجس أهمية تطبيقية عالية، فهو لا يقيس المجال العام المتوافر، بل يقيس
التغير مهما كان صغيراً. والأجهزة المعتمدة على مجس السكويد صارت متوفرة
تجارياً وبأسعار منافسة ويقدمها عدد من الشركات العالمية.

بعض تطبيقات المواد فائقة التوصيل:

• المواصلات: وفي القطارات على وجه الخصوص:
هل تستطيع تصور قطار يطير في الهواء كما تفعل الطائرة ويسير بسرعة
كسرعتها؟ نعم إنه القطار الطافي. إن من شأن الاستفادة من ظاهرة الطفو
المغناطيسي أو التعليق أن توفر قطارات معلقة في الهواء وبالتالي فهي تسير
بدون احتكاك مما يعطي توفيراً هائلاً في الطاقة من جهة ويوفر سرعات كبيرة
إلى جانب التخلص من الضوضاء. ثم إن تلك القطارات سوف تكون مريحة جداً
وخالية من المطبات لأنها تسير على وسادة هوائية. في اليابان تم تجريب هذه
الفكرة عملياً شكل 7، حيث يرتفع القطار حوالي عشرة سنتيمترات عن المسار.
والقطار يحوي المواد فائقة التوصيل في حين تتوفر المغناطيسات الكبيرة على
الطريق. وفي داخل القطار يتوفر جهاز تبريد وهذا كل ما يلزم حيث يستفاد من
قوة التنافر مع المغناطيسات نفسها في دفع القطار وتسييره بسرعات تزيد على
500 كم في الساعة.


• عجلات الطاقة:

عندما يدور قرص ضخم الكتلة حول محوره فإنه يقال إن لديه طاقة حركية. ولديه
الاستعداد للتخلي عن تلك الطاقة لصالح شئ آخر متى ما لزم الأمر. لقد تمت
الاستفادة من هذه الفكرة في تخزين كمية كبيرة من الطاقة في عجلات ضخمة
الكتلة تدور بسرعات عالية جداً وتحفظ في داخل كبسولات خاصة، استفيد منها
ولوقت طويل في تحريك القطارات خاصة. غير أن المشكلة التي كانت تقابل دائماً
هي أن الاحتكاك الداخلي يستمر في استنزاف الطاقة الحركية مع مرور الزمن.
غير أن الاستفادة من ظاهرة الطفو المغناطيسي يجوز أن تمكننا من صنع عجلات
دوارة في جو خال من الاحتكاك تماماً مما يجعلها تحتفظ بطاقتها إلى الأبد.
وهكذا جميع الحركات والآلات يمكن أن تستفيد من الظاهرة في أن تكون لا
احتكاكية مما يقلل الحاجة إلى كثير من الصيانة والأعطال ويجعل عمرها يتضاعف
إلى عدة مرات.

• التطبيقات العسكرية:

إن قدرة الموصلات الفائقة على طرد المجالات المغناطيسية جعلت منها مرشحة
لاستعمالها في الرادارات العسكرية. فمن المعلوم أن دقة الصور التي يوفرها
الرادار تعتمد على قدرته على التحليل غير أن تلك القدرة تتأثر سلباً
بالمجالات المغناطيسية المجاورة سواء الأرضية أو غيرها. وحتى تتصور المشكلة
راقب ما يحصل لجهاز التلفاز عندما يتم تشغيل جهاز كهربائي يعتمد على
التيار المتردد، إن الصورة سوف تصاب بالتشوش والسبب هو المجالات
المغناطيسية المجاورة والتي أفسدت الجو على حركة الإلكترونات المهبطية التي
هي المسؤولة عن الصورة. وهذا هو ما يحصل مع الرادار بالضبط غير أن الأخير
أكثر حساسية بشكل كبير. وقد تم الاقتراح باستعمال الدروع المغناطيسية لحل
هذه المشكلة. والدروع المشار إليها عبارة عن اسطوانات ذات مقاسات مختلفة
مصنوعة من المواد فائقة التوصيل، يوضع بداخلها مصدر الإلكترونات المهبطية
فيحميها من المجالات الخارجية ويجعل الصورة الرادارية غاية في الوضوح.
وأيضاً فمن التطبيقات العسكرية استخدام كاشف السكويد للكشف عن أدق الأعطال
المتمثلة في الشقوق والشروخ في أجسام الطائرات العسكرية والمدنية على حد
سواء. والطريقة تسمى بأسلوب الكشف غير الضار (Non Destructive Testing
NDT) [ ]. وللكاشف القدرة التامة للكشف عن عيوب فنية أو شروخ في داخل
أجسام الطائرات ولو كانت متوغلة في عمق يزيد كثيراً عن عشرة سنتيمترات.

• التطبيقات الطبية:

يمكن الاستفادة من نفس الدروع التي سبقت الإشارة إليها في تطبيقات طبية
كثيرة. وبصورة عامة فإنه عندما يراد دراسة الإشارات الكهربائية
والمغناطيسية الصغيرة جداً المتولدة من المخ أو القلب أو الجهاز العصبي،
فإنه يفضل توفير جو خال من المجالات المغناطيسية الخارجية التي تكون عادة
أكبر كثيراً من تلك الإشارات. وقد تم الاستفادة بنجاح في بعض المناطق كما
في اليابان من خاصية الدروع المغناطيسية مما وفر قدرات فائقة على قراءة
الإشارات الصغيرة المشار إليها مما يوفر مزيداً من التشخيص لتلك الأعضاء
الحساسة من جسم الكائن الحي.
إذا تمت الاستفادة من قدرة كاشف السكويد الهائلة لقراءة المجالات
المغناطيسية المتناهية في الصغر مع استخدام الدروع المغناطيسية، نكون بذلك
وفرنا جهازاً متكاملاً يمكن أن يحل محل الأجهزة المستخدمة حالياً ويفوقها
من حيث الدقة. وقد تم بالفعل استخدام الكاشف عندما وضعت مجوعة كبيرة منها
بشكل نصف كروي تغلف رأس المريض. وصل عددها السكويدات في المجوعة الواحدة
إلى 64 في بعض التجارب.

تطبيقات أخرى:

عدد آخر من التطبيقات لم نتعرض له مثل الاستفادة من قدرات كواشف
السكويد في الدراسات الجيولوجية والدراسات المتعلقة بالنفط والكشف عنه،
وكذلك في دراسات تتعلق بقياس مغناطيسية المواد (القابلية المغناطيسية) [
]. وأما تطبيقات وصلات جوزيف صن في الإلكترونيات فلو لم يكن منها إلا
التغلب على التشتت والفقد التي تشكو منها تلك الأجهزة عندما يتم تصغيرها
بشدة لكفاها. إن من شأن تلك المشكلة في الموصلات وأشباه الموصلات العادية
أن تحد في نهاية المطاف من التردد الأعلى المسموح به في شرائح الحاسبات
الآلية على سبيل المثال. ونحن نسمع كل يوم عن زيادة هائلة في سرعات تلك
الحاسبات التي يتوقع لها أن تقف في يوم من الأيام بسبب المشاكل التي أشرنا
إليها. إن استخدام وصلات جوزيف صن من شأنه أن يوفر سرعات مضاعفة دون
التورط في مشاكل كتلك وبالتالي فمن الممكن أن تطلق للإنسان الحرية من جديد
لكي ينطلق في تطوير أجهزته لتحقق مزيداً من السرعات. على سبيل المثال فقد
نجحت شركة فوجستو اليابانية في عام 1990 في تصنيع شريحة تحتوي على 20,000
وصلة جوزيف صن وكانت سرعتها 1 جيجاهيرتز 1 GHz وهي تفوق السرعات
العادية المتوفرة آنذاك بعشرات المرات ولا تستهلك إلا 12 مللي واط! أي أقل
استهلاكاً للكهرباء من شرائح السليكون المشابهة بأكثر من سبعة آلاف مرة!
وقد تم حديثاً [11] الحصول على شرائح تعتمد على تقنية التكميم الفردي
السريع للمجال المغناطيسي Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) للحصول على
سرعات وصلت إلى 100 جيجاهيرتز 100 GHz وهي سرعات يستحيل نظرياً الحصول
عليها باستخدام التقنية القديمة، تقنية شرائح السيليكون أو الجرمانيوم.
أيضاً تستخدم المواد فائقة التوصيل كمغناطيسات قوية جداً. والسبب في
ذلك أن النوع الثاني منها Type II له قابلية على الاحتفاظ بكمية كبيرة من
المجالات المغناطيسية حيث يشكل ما يشبه المصيدة عندما تمر من خلاله ثم
تبريده بعد ذلك. وهي فكرة على بساطتها يمكن استخدامها للاحتفاظ بسجلات
إلكترونية لشدات المجال المغناطيسي الأرضي في أماكن متعددة. حيث تؤخذ
الموصلات إلى المكان المعين وعندما تتعرض للمجال يتم تبريدها بعد ذلك
وتحتفظ بالمجال المسجل أثناء عملية التبريد إلى الأبد. كذلك يمكن استخدام
الموصلات لصنع ملفات ذات تيار عال جداً مما يوفر مجالات مغناطيسية كبيرة
(ربما عشرات التسلا) بسبب شدة التيار الهائل الذي يمر دون مقاومة والذي قد
يزيد على ثلاثة آلاف أمبير للملليمتر المربع 3000 A/mm2 في المواد
الجيدة. وهناك المزيد من التطبيقات مشروحة بالتفصيل في مرجع

http://phys4arab.malware-site.www/g.jpg

يمكن إيجاد مقاومة مجهولة بعدة طرق هي :

1 - بإستخدام قانون أوم .

2- بإستخدام جسر وتيستون .

3 - بإستخدام قنطرة وتيستون المترية .

4 - بإستخدام جهاز الأوميتر مباشرة .

وسنتطرق في هذا الدرس إلى تعيين مقاومة مجهولة بإستخدام :

جسر وتيستون ..........

جسر وتيستون

جسر وتسيتون المتري ( القنطرة المترية )

wheatstone bridge

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge1.jpg

توصل العالم شارل وتيستون إلى طريقة تعين مقاومة مجهولة بإستخدام
جهاز سُميّ بإسمه " جسر وتيستون "

جسر وتيستون :
جهاز يستخدم لإيجاد قيمة مقاومة مجهولة ، بمعلومية مقاومات معلومة . ( طريقة عملية )

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge4.jpg

مبدأ عمله :
من تطبيقات قانون أوم

فكرة عمله :
عندما نمرر تيار شدته ( ت ) فإنه يتوزع في جسر وتستون
( الجسر العلوي ، والجسر السفلي )
وعندما يصل الجسر إلى حالة الأتزان نستطيع معرفة قيمة المقاومة
المجهولة من قانون أوم ( جـ = م × ت )


ملاحظة :
- قد يكون جسر وتستون :
جسر أيمن وجسر أيسر

تركيبه :
يتكون من أربع مقاومات وجلفانومتر موصلة كما في الشكل التالي :

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge3.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge2.jpg

وعادة ما تكون المقاومتان ( م1 ، م2 ) ثابتتان معلومتان
والمقاومة ( م3 ) هي المجهولة ، و المقاومة ( م4 ) متغيرة ( ريوستات ) .

أهمية الجلفامومتر :
معرفة حالة الاتزان لحساسيتها الشديدة عند مرور التيار .

أهمية المقاومة المتغيرة ( الريوستات ) :
تغيير قيمتها للوصول إلى حالة الاتزان

طريقة عمله :

( أ ) عند إغلاق القاطعة ( قبل الوصول إلى حالة الاتزان ) :
◄◄◄ يتوزع التيار بين الجسر العلوي والجسر السفلي
ويمر تيار في الجلفانومتر ( ينحرف مؤشره )
أي أن قراءة الجلفانومتر≠ صفر
◄◄◄جهد النقطة ( هـ ) ≠ جهد النقطة ( ب )
◄◄◄ جـ ( هـ ب ) ≠ صفر
ومن قانون أوم ( جـ = م × ت )
◄◄◄ جـ ( أ ب ) ≠ جـ ( أ هـ ) ← ت1 × م1 ≠ ت 2 × م4
◄◄◄ جـ ( د ب ) ≠ جـ (د هـ ) ← ت1 × م2 ≠ ت 2× م3

( ب ) عند الوصول إلى حالة الاتزان ( بتغير المقاومة م2 ) :
◄◄◄بالتحكم في الريوستات نستطيع أن نجعل
التيار لا يمر في الجلفانومتر ( لا ينحرف مؤشره )
أي أن قراءة الجلفانومتر = صفر
◄◄◄ جهد النقطة ( هـ ) = جهد النقطة ( ب )
◄◄◄ جـ ( هـ ب ) = صفر
ومن قانون أوم ( جـ = م × ت )
◄◄◄ جـ ( أ ب ) = جـ ( أ هـ ) ← ت1 × م1 = ت 2 × م4
◄◄◄ جـ ( د ب ) = جـ (د هـ ) ← ت1 × م2 = ت 2× م3
◄◄◄م1/م2 = م4/م3

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge5.gif

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge6.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge7.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...ne_bridge8.jpg

قاعدة في معرفة العلاقة الرياضية الصحيحة لجسر وتستون :
من الجسر العلوي: المقاومة على المقاومة التي تليها
تساوي
ومن الجسر السفلي: المقاومة على المقاومة التي تليها


أجرى وتستون تعديل على جسره وذلك لجعله أسهل استخداما لقياس المقاومات
المجهنلة ويتلخص هذا التعديل في استبدا الفرع السفلي ( ذراعي الجسر ) من
الجسر ( م1, م4 ) كما في الشكل أعلاه ، بموصل منتظم المقطع طوله 100 سم (
1متر ) مع جعل الجلفانومتر يتصل بهذا السلك عبر زالق يتحرك على السلك بحرية
.

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...e_bridge10.jpg

طريقة استخدام جسر وتستون المتري :
نصل الدائرة بمصدر للتيار المستمر ونغلق القاطع ثم نحرك المزالق على السلك
حتى نلاحظ عدم مرور تيار في الجلفانومتر وعندها نقول أن الجسر متزن , وحيث
إن مقاومة السلك تتناسب طرديا مع طوله فإن :

م1 / م2 = ل1 / ل2

حيث قسم الزالق السلك إلى جزئين هما ل1 , ل2 , وحيث إن ل2 = 100 – ل1 فيمكن كتابة المعادلة السابقة على الصورة :

م1 / م2 = ل1 / 100 – ل1

علل :

1 - يجب أن يكون سلك القنطرة المترية و مقياس الجهد منتظم المقطع .
وذلك حتى تكون مقاومة أجزاء السلك متناسبة طرديًا مع أطوالها .

2 - تفضل القنطرة المترية على قنطرة ويتستون عند تعيين قيمة مقاومة مجهولة بدقة .
لأنه في القنطرة المترية يمكن الحصول على نقطة الاتزان بسهولة ودقة وذلك بتحريك الزالق على سلك القنطرة.

3 - في القنطرة المترية ، تقفل دائرة العمود الكهربي قبل تحريك الزالق على السلك.
لأنه إذا حدث العكس وأدخل الجلفانومتر في الدائرة أولا فإنه عند قفل دائرة
العمود الكهربي فإن التيارات المستحثة اللحظية المتولدة في الملفات تسري
في الجلفانومتر وتحدث فيه انحرافا لحظيا حتى لو كانت الدائرة في حالة
اتزان .

4 - يفضل أن تكون نقطة الاتزان في الثلث الأوسط من سلك القنطرة المترية.
لأنه إذا بعد الزالق عن الثلث الأوسط فإن أي خطأ في قياس طول الذراع القصير يسبب خطأ كبيرا في حساب قيمة المقاومة المجهولة

[CENTER]

ملاحظة : يمكن إجراء تحقيق تجربة جسر وتيستون بأستخدام برنامج الكوركودايل Crocodile Physics 605

كما في الصورة التالية :

http://www.phys4arab.net/uploood/nas...e_bridge11.jpg

[CENTER]

جهاز الأوميتر
Ohmmeter

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter0.jpg

وهو جهاز مصمم لحساب قيمة المقاومة مباشرة في أي جزء من أجزاء الدائرة ,
ويتركب من مولد ( بطارية ) , جلفانومتر , مقاومة ثابتة , مقاومة متغيرة ,
فجوة لتثبيت المقاومة المجهولة , ويتم تدريج الجلفانومتر بوحدات المقاومة
بدلا من وحدات شدة التيار وبالتالي فإن قراءة الجلفانومتر تدل على قيمة
المقاومة المجهولة مباشرة ، كما في الشكل التالي :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter1.gif

وعند أستخدام الجهاز لقياس قيمة مقاومة موصلة بدائرة ما فيجب إزالتها من الدائرة قبل بدء القياس حتى نحصل على القراءة الصحيحة

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter2.gif



http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter3.png

ثم نقوم بلمس طرف المجس الأحمر (الموجب) بأحد أطراف المقاومة وطرف المجس
الأسود (السالب) بطرف المقاومة الآخر وسوف تظهر لنا قيمة المقاومة في شاشة
الأوميتر

مع ملاحظة عدم لمس المقاومة باليد

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter5.jpg

والطريقة الصحيحة كما ترى

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter6.jpg

أو كما في الصورة التالية :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/ohmmeter4.jpg

قانون جول
Joule's Law

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/joule1.jpg

جيمس بريسكوت جول (1818 - 1889 ) فيزيائي إنجليزي ذائع الصيت اعتمد على
نفسه في التعليم ، فلم يتلق أي تدريب أكاديمي رسمي ولا تقلد منصبا
أكاديميا. ورغم ذلك ، كانت له تجارب مذهلة منها المتعلقة بدراسة الطاقة
الحرارية المتولدة من التيار الكهربائي ، فوجد أن الطاقة الحرارية الناتجة
في الثانية الواحدة تتناسب طرديا مع مقاومة الموصل ومربع شدة التيار ،

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/joule2.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/joule3.jpg

ط = م ت2 ز = ..... جول
ولحساب الطاقة الحرارية بوحدة السُعر
ح = ط / ي = م ت2 ز /4.18 = ..... سعر

وتفسير ذلك ، أن الإلكترونات الخارجة من المولد
تصطدم أثناء حركتها بذرات الموصل ( كما ذكرنا ذلك في درس المقاومة
الكهربائية ) ، وذلك يؤدي إلى انتقال الطاقة من الإلكترونات إلى ذرات
الموصل مما يسبب رفع درجة حرارة الموصل .



thebest-engineer-11


a
ملاحظة :
يمكن تطبيق قانون جول على أي جزء من الدائرة سواءً داخل مصدر الطاقة ( البطارية ) أو في المقاومات الخارجية .

تحقيق تجربة جول :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/joule4.gif

يمكنك تحقيق تجربة قانون جول من خلال المحاكاة الفلاشية التالية :


thebest-engineer-12





فعند تشغيل المولد وفي نفس الوقت تشغيل ساعة الإيقاف ثم تسجيل القراءات كل
ثلاث دقائق نلاحظ العلاقة الطردية بين درجة الحرارة و الزمن ( يمكن
تمثيلها بيانيا ) ، وبتكرار ما سبق مع تغيير شدة التيار ثم رسم العلاقة
بين مربع شدة التيار ودرجة الحرارة نجد أن العلاقة خطية أيضا .

هذه مجموعة من التعريفات للقدرة الكهربائية التي تصب في معنى واحد :

http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%201.jpg

القدرة الكهربائية : هي الطاقة المبذولة خلال وحدة الزمن .

القدرة الكهربائية : هي استخدام الطاقة الكهربائية لأداء العمل خلال وحدة الزمن .

القدرة الكهربائية : هي قدرة الجهاز على تنفيذ العملية التي خصص من أجلها باستهلاك الطاقة اللازمة خلال وحدة الزمن .

القدرة الكهربائية : هي الطاقة الكهربائية المستهلكة خلال وحدة الزمن في دفع التيار الكهربائي عبر أجزاء الدائرة .

وأستحسن صياغة التعريف بالطريقة التالية :

القدرة الكهربائية : هي مقدار الطاقة الكهربائية التي يستهلكها الجهاز خلال وحدة الزمن.

ومن التعريفات السابقة جميعا نستطيع صياغة القدرة الكهربائية بطريقة رياضية كما يلي :

قد = ط / ز

من القانون نلاحظ أن القدرة تقاس بوحدة ( جول / ثانية ) ، وتكافئها وحدة الواط ( ط )

1 كيلو واط = 1000 واط

إذا : عندما نقرأ من الشارة الملصقة على الجهاز
أن القدرة الكهربائية للجهاز هي 100 واط ( 100 w) ، فهذا يعني أن قدرة
الجهاز على تنفيذ العمل المطلوب من تسخين أو تبريد أو إضاءة أو تحريك أو
أي عمل آخر يكون باستهلاك طاقة مقدارها 100 جول خلال ثانية واحدة .

ملاحظة :
قيمة القدرة الكهربائية مسجلة على الجهاز الكهربائي أو مذكورة في ورقة الإرشاد الخاصة به .

http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%206.jpg http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%205.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%204.jpg http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%207.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%208.jpg

الجدول التالي يوضح قدرة بعض الأجهزة الشائعة :



http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%209.jpg


ومن خلال القانون السابق ( قد = ط / ز ) نجد أن القدرة الكهربائية
المستهلكة في جهاز كهربائي تساوي حاصل ضرب الجهد المزوَّد للجهاز في قيمة
شدة التيار المار من خلاله ، كما في الاستنتاج التالي :

قد = ط / ز = جـ× ش / ز = جـ × ت × ز / ز

إذا : قد = جـ × ت

هذه العلاقة تعطي القدرة الكهربائية المستهلكة في دائرة عندما يمر بها تيار شدته ( ت ) وفرق الجهد بين طرفيها ( جـ ) .

ومن خلال قانون أوم يمكن التعويض عن جـ أو ت لنحصل على صورتين متكافئتين لقانون القدرة هما :

قد = ت2 × م ، قد = جـ2 / م

والشكل التالي يلخص جميع قوانين أوم و جول

[/size]

http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%203.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/nas..._power%202.jpg

[size=21]

ملاحظة مهمة :

لا تطبق العلاقة ( قد = جـ × ت ) على الأجهزة التي تعمل بالتيار
المتردد ، إلا بالنسبة للأجهزة التي تشتغل تحت التأثير الحراري( قانون جول )
مثل المصباح ، المكواة ، المدفأة ، الفرن الكهربائي .

لا أعلم تعليل ذلك ؟


حساب تكاليف الاستهلاك :

عندما يعمل جهاز قدرته الكهربائية ( قد ) كيلو واط خلال زمن قدره ( ز )
ساعة وكانت تكلفة ( تسعيرة ) الكيلو واط ساعة هو ( س ) هللة فإن تكاليف
استهلاك هذا الجهاز بالهللة تعطي من العلاقة التالية :

تكاليف الاستهلاك ( بالهللة )= قد × ز × س
حيث ( قد ) بالكيلو واط , ( ز) بالساعة , ( سعر الكيلو واط ساعة ) بالهللات .

توضيح :
عندما نريد معرفة تكلفة استهلاك جهاز معين مثل : تكلفة ساعة من تشغيل مكيف
هواء، فإن علينا أن نحسب هذه التكلفة بمعرفة قدرة الجهاز الاستهلاكية
بالكيلو واط ( وهي موجودة في الشارة الملصقة على الجهاز) وكذلك زمن
الاستهلاك بالساعة وتكلفة الكيلواوط ساعة بالهللة .


ملاحظة :
في الأجهزة التي يوجد فيها ثرموستات يتم ضبط عمل الجهاز وتشغيله بين فترة
وأخرى ( مثل المكيف والخزانات الكهربائية المستخدمة في تسخين الماء ) يكون
استهلاك الكهرباء الفعلي أقل من الحاصل الناتج من حساب القدرة × الزمن.


معلومة :
تباع الطاقة الكهربائية في المملكة بأسعار تقل كثيراً عن تكلفة الإنتاج ،
وذلك لتيسير حصول المواطنين على احتياجاتهم من الطاقة بسعر مناسب فهو
يتراوح ما بين 5 هللات إلى 15 هلله للكيلوواط ساعة ، بالإضافة (5) هللات
على كل كيلو واط ساعة يستهلك من الكهرباء يزيد عن (2000) كيلوواط ساعة
شهرياً .

الفلاش التالي يحاكي سبب احتراق المصباح إذا كانت
قدرته ضعيفة مقارنة بحاصل ضرب شدة التيار في فرق الجهد المسلط بدوائر
التيار المستمر.

ملف وافى ووافى عن المقاومة الكهربائية

تسلم ايدك ضيف المهاجر
جزاك الله خير