خلاصه درس فصل ۱۰ علوم هشتم؛ درسنامه و نکات مهم

یک آهن‌ربای میله‌ای را تصور کن که به ظرف گیره‌های کاغذ نزدیک می‌شود. گیره‌ها معمولاً بیشتر در دو سر آن جمع می‌شوند، نه اینکه در همه‌جای آن به یک اندازه بچسبند. پس خاصیت آهن‌ربایی در همهٔ قسمت‌ها یکسان نیست. به قسمت‌هایی که این خاصیت قوی‌تر است، قطب می‌گوییم. در آهن‌ربای میله‌ای، این قسمت‌ها در دو سر قرار دارند. اگر بخواهی با چنین آهن‌ربایی گیره‌ای را از روی میز برداری، نزدیک کردن یکی از دو سر معمولاً بهتر از نزدیک کردن بخش میانی نتیجه می‌دهد.

حالا آهن‌ربای میله‌ای را با نخ طوری آویزان کن که بتواند راحت بچرخد. پس از آرام گرفتن، یک سر آن تقریباً رو به شمال جغرافیایی و سر دیگر تقریباً رو به جنوب قرار می‌گیرد. سر رو به شمال را قطب شمال با نشانهٔ $N$ و سر رو به جنوب را قطب جنوب با نشانهٔ $S$ می‌نامیم. این رفتار، پایهٔ کار قطب‌نماست. برای مشاهدهٔ درست، آهن‌ربا یا جسم آهنی دیگری نزدیک آزمایش نباشد؛ چون می‌تواند جهت قرار گرفتن آهن‌ربا را تغییر دهد. آزاد بودن حرکت هم ضروری است.

آیا هر جسم فلزی به آهن‌ربا می‌چسبد؟ برای پاسخ، ظاهر جسم کافی نیست؛ باید آن را آزمایش کنیم. آهن‌ربا را به وسایلی مانند میخ آهنی، مداد و لیوان شیشه‌ای نزدیک می‌کنیم و نتیجه را می‌بینیم. جسم‌هایی که جذب می‌شوند در گروه مواد مغناطیسی و بقیه در گروه مواد غیرمغناطیسی قرار می‌گیرند. میخ آهنی جذب می‌شود، اما مداد چوبی و لیوان شیشه‌ای جذب نمی‌شوند. دربارهٔ وسیله‌ای مثل سکه، بدون دانستن جنس آن نباید تنها از روی فلزی بودن قضاوت کرد؛ همهٔ فلزها جذب آهن‌ربا نمی‌شوند.

وقتی دو آهن‌ربا را به هم نزدیک می‌کنی، همیشه به هم نمی‌چسبند؛ گاهی همدیگر را پس می‌زنند. نتیجه به قطب‌هایی بستگی دارد که روبه‌روی هم قرار گرفته‌اند. دو قطب همنام، یعنی شمال با شمال یا جنوب با جنوب، یکدیگر را دفع می‌کنند. دو قطب غیرهمنام، یعنی شمال و جنوب، یکدیگر را جذب می‌کنند. اگر دو آهن‌ربای اسباب‌بازی به هم نزدیک نمی‌شوند و همدیگر را پس می‌زنند، برگرداندن یکی از آن‌ها می‌تواند نتیجه را عوض کند. پس برای پیش‌بینی حرکت، اول نام دو قطب روبه‌رو را مشخص کن.

شاید فکر کنی چون قطب‌های آهن‌ربای میله‌ای در دو سر آن هستند، با شکستن آهن‌ربا از وسط می‌توان آن‌ها را جدا کرد. اما چنین اتفاقی نمی‌افتد. هر تکه خودش آهن‌ربایی با قطب شمال و قطب جنوب است؛ در محل شکست هم قطب‌های تازه‌ای پدید می‌آیند. حتی اگر تکه‌ها را باز کوچک‌تر کنیم، باز هم هر تکه دو قطب خواهد داشت. این نکته تفاوت مهمی با بارهای الکتریکی دارد: بار مثبت و منفی را می‌توان از هم جدا کرد، ولی با تکه‌کردن آهن‌ربا به یک قطب تنها نمی‌رسیم. این را با فکر دنبال کن؛ نیازی به شکستن آهن‌ربا نیست.

برای فهمیدن زنجیرهٔ میخ‌ها، اول رفتار قطب‌ها را به یاد بیاوریم. هر آهنربا دو قطب دارد: شمال با نشانهٔ $N$ و جنوب با نشانهٔ $S$. دو قطب همنام یکدیگر را می‌رانند؛ اما دو قطب غیرهمنام یکدیگر را می‌کشند. مثلاً اگر قطب شمال آهنربایی را به قطب جنوب آهنربای آویزان نزدیک کنی، آهنربای آویزان به طرف آن حرکت می‌کند.

آیا با شکستن آهنربا می‌توان یک قطب تنها ساخت؟ نه! هر تکه خودش آهنربایی با دو قطب می‌شود. پس آهنربای کوچک‌تر را با «یک قطب جداشده» اشتباه نگیر. این نکته با جدا بودن ذره‌های دارای بار مثبت و منفی تفاوت دارد.

یک آهنربا را به میخ آهنی نزدیک کن. میخ فقط جذب نمی‌شود؛ خودش هم خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و می‌تواند میخ دیگری را جذب کند. برای ایجاد این خاصیت، تماس مستقیم لازم نیست. حتی اگر مقوا یا شیشه میان آهنربا و میخ باشد، این اتفاق می‌تواند رخ دهد. نام این پدیده القای مغناطیسی است.

قطب‌های میخ هم تصادفی نیستند: سر نزدیک به آهنربا، قطبی غیرهمنام با قطب روبه‌رو پیدا می‌کند. مثلاً کنار قطب $S$ آهنربا، سر نزدیک میخ $N$ و سر دور آن $S$ می‌شود. به همین دلیل میخ به آهنربا جذب می‌شود؛ چون در محل نزدیک شدن، دو قطب غیرهمنام روبه‌روی هم قرار دارند.

حالا زنجیرهٔ میخ‌ها را دنبال کن. میخ اول بر اثر آهنربای اصلی خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند. سپس در میخ بعدی هم خاصیت مغناطیسی ایجاد می‌شود. در محل اتصال هر دو میخ، قطب‌های غیرهمنام کنار هم قرار می‌گیرند؛ بنابراین میخ‌ها یکدیگر را جذب می‌کنند.

قدرت آهنربای اصلی در این زنجیره مهم است. اگر میخ‌ها و شرایط آزمایش یکسان باشند، آهنربای قوی‌تر در میخ‌ها خاصیت مغناطیسی قوی‌تری ایجاد می‌کند و می‌تواند میخ‌های بیشتری را آویزان نگه دارد. پس برای مقایسهٔ دو آهنربا، می‌توان از میخ‌های مشابه استفاده کرد و دید هر کدام چه تعداد میخ را نگه می‌دارد؛ تغییر دادن اندازهٔ میخ‌ها مقایسه را نامطمئن می‌کند.

آیا فقط با نزدیک کردن یک آهنربا می‌توان میخ را آهنربا کرد؟ راه دیگری هم هست: دور یک میخ آهنی، سیم روکش‌دار بپیچیم و دو سر سیم را در مدار باتری و کلید قرار دهیم. با بستن کلید، جریان از سیم‌پیچ می‌گذرد و مجموعهٔ سیم‌پیچ و میخ مانند آهنربا عمل می‌کند؛ حالا میخ می‌تواند گیره‌های آهنی را جذب کند.

با باز کردن کلید، جریان قطع می‌شود و خاصیت مغناطیسیِ ناشی از جریان از بین می‌رود یا بسیار کم می‌شود. همین امکان کنترل، آهنربای الکتریکی را برای وسایلی مثل زنگ و جرثقیل مغناطیسی مفید می‌کند. اگر آزمایش می‌کنی، فقط از باتری استفاده کن، نه برق پریز؛ مدار را هم طولانی روشن نگذار، چون سیم ممکن است داغ شود.

یک میخ آهنی معمولی را کنار چند گیرهٔ کاغذ بگذار؛ معمولاً نمی‌تواند آن‌ها را مثل آهنربا بلند کند. حالا اگر دور میخ، سیم روکش‌دار بپیچیم و دو سر سیم را از راه کلید به باتری وصل کنیم، با بستن کلید جریان از سیم‌پیچ می‌گذرد. سیم‌پیچ خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و میخ آهنی داخل آن نیز آهنربا می‌شود؛ در نتیجه گیره‌ها جذب می‌شوند.

نکتهٔ مهم، وابستگی این خاصیت به جریان برق است. با باز کردن کلید، جریان قطع می‌شود و خاصیت مغناطیسی مجموعه بسیار کم می‌شود؛ ممکن است مقدار کمی آهنربایی در میخ باقی بماند. همین کنترل‌پذیری در زنگ و دربازکن کاربرد دارد.

اگر آزمایش را انجام می‌دهی، فقط از باتری استفاده کن و مدار را طولانی روشن نگذار؛ سیم و باتری ممکن است داغ شوند.

آهنربای الکتریکی هم مانند آهنربای معمولی، قطب شمال و جنوب دارد. برای تشخیص قطب‌های آن می‌توانیم از قطب‌نما یا آهنربایی با قطب‌های معلوم کمک بگیریم. از قبل می‌دانیم قطب‌های همنام یکدیگر را دفع می‌کنند و قطب‌های ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند.

حالا بدون تغییر سیم‌پیچ، جای اتصال دو سر آن به پایانه‌های باتری را عوض کن. جهت جریان برعکس می‌شود؛ در نتیجه سری که قطب شمال بود، قطب جنوب می‌شود و سر دیگر قطب شمال خواهد شد.

پس جای قطب‌های آهنربای الکتریکی همیشگی نیست و به جهت جریان بستگی دارد. حواست باشد این تغییر را با قوی‌تر شدن اشتباه نگیری: در اینجا داریم دربارهٔ جای قطب‌ها صحبت می‌کنیم، نه مقدار قدرت آهنربا.

از کجا بفهمیم آهنربای الکتریکی قوی‌تر شده است؟ در آزمایش کتاب، جذب گیره‌های بیشتر یا برادهٔ آهن بیشتر، نشانهٔ افزایش خاصیت مغناطیسی است. برای مقایسهٔ درست، باید بقیهٔ شرایط، مانند جنس و اندازهٔ گیره‌ها، یکسان باشد.

دو راه اصلی را به خاطر بسپار: افزایش جریان عبوری از سیم‌پیچ و افزایش تعداد دورهای سیم‌پیچ. در مدار سادهٔ کتاب، با افزودن باتری‌های پشت‌سرهم، جریان بیشتر می‌شود و آهنربا گیره‌های بیشتری جذب می‌کند. همچنین اگر جریان یکسان باشد، سیم‌پیچی با دورهای بیشتر خاصیت مغناطیسی بیشتری دارد.

برای بررسی اثر هر عامل، فقط همان عامل را تغییر بده. اگر هم‌زمان هم جریان و هم تعداد دورها را عوض کنی، دیگر نمی‌توانی بفهمی افزایش قدرت دقیقاً نتیجهٔ کدام تغییر بوده است.

تا اینجا جریان برق را برای جذب کردن اجسام آهنی به کار بردیم؛ اما می‌توان از اثر مغناطیسی برای ایجاد چرخش هم استفاده کرد. موتور الکتریکی همین کار را انجام می‌دهد و انرژی الکتریکی را به حرکت تبدیل می‌کند؛ مانند موتوری که چرخ‌های ماشین اسباب‌بازی را می‌چرخاند.

در موتور سادهٔ کتاب، یک سیم‌پیچ سبک میان آهنرباهای ثابت قرار می‌گیرد و دو سر آن روی تکیه‌گاه‌ها امکان چرخش دارند. با عبور جریان، سیم‌پیچ خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند. اثر متقابل آن با آهنرباهای ثابت می‌تواند سیم‌پیچ را بچرخاند.

در ساخت این مدل، روکش یک سر سیم کاملاً و روکش سر دیگر فقط از یک سمت برداشته می‌شود. این تفاوت، عبور جریان را در بخشی از چرخش قطع می‌کند و به ادامهٔ چرخش در یک جهت کمک می‌کند. برای شروع نیز گاهی یک حرکت آرام اولیه لازم است.

داخل ماشین اسباب‌بازی برقی، وسیله‌ای هست که به چرخ‌ها حرکت می‌دهد: موتور الکتریکی. برای دیدن نمونهٔ سادهٔ آن، می‌توان از سیم‌پیچ، آهنربا، باتری و چند اتصال استفاده کرد.

در آزمایش کتاب، سیم مسی لاکی را به شکل حلقه‌های کنار هم می‌پیچیم. گیره‌های کاغذ هم تکیه‌گاه سیم‌پیچ‌اند و هم بخشی از مسیر عبور جریان. آهنرباها کنار سیم‌پیچ قرار می‌گیرند و باتری جریان را فراهم می‌کند. اثر مغناطیسی جریان در کنار آهنربا، زمینهٔ چرخیدن سیم‌پیچ را فراهم می‌کند.

یک نکتهٔ مهم در ساخت این مدل، برداشتن کامل روکش یک سر سیم و برداشتن روکش فقط از نیمی از سطح سر دیگر است؛ این کار به قطع‌ووصل مناسب جریان هنگام چرخش کمک می‌کند. ممکن است برای شروع، یک تلنگر آرام هم لازم باشد. برای ساخت واقعی، از بزرگ‌تر کمک بگیر و اگر باتری یا سیم گرم شد، اتصال را قطع کن.

حالا از جزئیات ساخت کمی فاصله بگیریم: موتور چه کاری برای ما انجام می‌دهد؟ انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی تبدیل می‌کند. در مدل ساده، حرکت سیم‌پیچ را می‌بینیم؛ در وسایل روزمره، چرخش محور موتور به بخش دیگری منتقل می‌شود.

مثلاً محور موتور پنکه، پره‌ها را می‌چرخاند. در ماشین اسباب‌بازی نیز حرکت موتور به چرخ‌ها منتقل می‌شود. پس موتور فقط برای «چرخیدن خودش» ساخته نشده است؛ از چرخش آن برای انجام کار استفاده می‌کنیم.

برای تشخیص نقش موتور، دو پرسش بپرس: دستگاه چه انرژی‌ای دریافت می‌کند و چه نتیجه‌ای به ما می‌دهد؟ اگر برق دریافت می‌کند و حرکت ایجاد می‌کند، نقش موتور را دارد. موتور انرژی را از هیچ نمی‌سازد؛ انرژی دریافتی را تبدیل می‌کند.

این بار مسیر تبدیل انرژی را برعکس کنیم: به جای دادن برق و گرفتن حرکت، حرکت بدهیم و برق بگیریم. وسیله‌ای که این کار را انجام می‌دهد، مولد برق نام دارد.

در آزمایش کتاب، سیم مسی لاکی را دست‌کم $600$ دور به دور یک لولهٔ پلاستیکی می‌پیچیم. روکش دو سر سیم را برمی‌داریم و آن‌ها را به چراغ کوچک وصل می‌کنیم. آهنربا درون لوله قرار می‌گیرد و دو سر لوله بسته می‌شود تا آهنربا بیرون نیفتد.

با تکان دادن سریع لوله، آهنربا نسبت به سیم‌پیچ حرکت می‌کند و جریان الکتریکی تولید می‌شود؛ چراغ روشن می‌شود. فقط حضور آهنربا کافی نیست: در این آزمایش، حرکت نسبی مهم است. انرژی حرکت دست به دستگاه منتقل می‌شود و بخشی از آن به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. حرکت سریع‌تر آهنربا می‌تواند نور چراغ را بیشتر کند.

پنکه را در نظر بگیر: برق وارد موتور می‌شود و پره‌ها می‌چرخند؛ یعنی انرژی الکتریکی به انرژی حرکتی تبدیل می‌شود. حالا می‌خواهیم مسیر تبدیل انرژی را برعکس کنیم: از حرکت، برق بگیریم. وسیله‌ای که این کار را انجام می‌دهد «مولد برق» نام دارد.

برای ساخت یک مولد ساده می‌توان از آهنربا و سیم‌پیچ استفاده کرد. سیم‌پیچ همان سیمی است که چندین دور پیچیده شده است. وقتی آهنربا نسبت به سیم‌پیچ حرکت می‌کند، می‌توان جریان الکتریکی تولید کرد. پس نکته فقط داشتن آهنربا نیست؛ حرکت آن نسبت به سیم‌پیچ اهمیت دارد. در این آزمایش، با ثابت ماندن هر دو نسبت به یکدیگر، تولید جریان ادامه پیدا نمی‌کند.

مولد کتاب را در ذهن بساز: دور یک لولهٔ پلاستیکی، با سیم مسی نازکِ روکش‌دار، سیم‌پیچی با دست‌کم $600$ دور درست می‌کنیم. روکش لاکیِ دو سر سیم باید برداشته شود تا اتصال الکتریکی برقرار شود؛ سپس آن‌ها را به دو سر لامپ کوچک ال‌ای‌دی وصل می‌کنیم. آهنربا داخل لوله قرار می‌گیرد و سر لوله بسته می‌شود تا بیرون نیفتد.

با تکان دادن سریع لوله، آهنربا درون سیم‌پیچ جابه‌جا می‌شود و لامپ روشن می‌شود. حرکت سریع‌تر آهنربا می‌تواند نور لامپ را بیشتر کند. اگر لامپ روشن نشد، علاوه بر حرکت آهنربا، باید اتصال‌ها و برداشته شدن روکش دو سر سیم را بررسی کرد. برای ساخت واقعی، از بزرگ‌تر کمک بگیر و برای برداشتن روکش، سنباده را به ابزار تیز ترجیح بده.

وقتی لوله را تکان می‌دهی، انرژی از هیچ به وجود نمی‌آید! بدن تو انرژی لازم برای حرکت را فراهم می‌کند. انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در بدن به انرژی حرکتی دست و آهنربا تبدیل می‌شود؛ مولد این انرژی حرکتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و لامپ بخشی از آن را به نور و گرما تبدیل می‌کند.

در نیروگاه برق‌آبی هم برای تولید برق به حرکت نیاز داریم، اما به‌جای دست، آبِ در حال حرکت کار را انجام می‌دهد. آب توربین، یعنی چرخی پره‌دار، را می‌چرخاند. توربین به مولد متصل است و با چرخاندن آن، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. پس مولد دستی و نیروگاه برق‌آبی، با وجود تفاوت اندازه، هر دو برای تولید برق از انرژی حرکتی استفاده می‌کنند.