دانستنیهای علمی

بخشی از متن کتاب وسایل چگونه کار می کنند-جلد اول
نویسنده : مریم اسدی - ساعت ۱۱:۳٦ ‎ق.ظ روز ۱۳٩۳/۸/٢٠
 

مقدمه

مجموعه کتاب‌های سری How Stuff Works (وسایل چگونه کار می‌کنند) از منابع علمی و موثق، بی‌طرف و قابل فهم تهیه شده است که بیان می‌کند ابزار و وسایل پیرامون ما چگونه کار می‌کنند. این کتاب و سایت طراحی شده برای آن توانسته تاکنون میلیون‌ها نفر را در سنین مختلف جذب خود کند.
مطالب این کتاب‌ها از موتور ماشین گرفته تا موتورهای جستجوگر اینترنتی، از تلفن‌های سلولی گرفته تا سلول ساقة گیاهان و هزاران موضوع را پوشش می‌دهند. و موضوعی نیست که کارشناسان و نویسندگان این کتاب‌ها پرده از رازهای آن برنداشته باشند. این مطالب به گونه‌ای تلخیص شده‌اند تا جوانان دبیرستانی نیز به راحتی آنها را بفهمند.
مندرجات این کتاب‌ها به چند موضوع اصلی و کلی مانند خودرو، تجارت و پول، ارتباطات، کامپیوتر، الکترونیک، سرگرمی، غذا و دارو، سلامتی، خانه و باغ، مردم و حتی دانش سفر تقسیم شده‌اند.
آیا برای شما هم جالب است بدانید هلیکوپتر ، دستگاه ام آر آی (MRI) و یا حتی ستارگان مرده چگونه کار می‌کنند؟ برف‌ساز چگونه کار می‌کند؟ ، افشانه (اسپری) و یا رعد و برق و طوفان چگونه کار می‌کنند؟ شاید هم با توجه به سن و علایق شما ممکن است برایتان جالب باشد بدانید بیل مکانیکی چگونه کار می‌کند؟
بسیاری از ابزار، وسایل و یا پدیده‌های بزرگ در دنیا متکی بر یک قانون یا پدیده فیزیک کوچک هستند. سرعت یک ماشین مسابقه‌ای از یک جرقة ریز در سیلندر موتور شروع می‌شود و یا قدرت پردازش سریع‌ترین ابرکامپیوتر جهان از جابجایی یک الکترون کوچک آغاز می‌شود.
 How Stuff Works نیز، همین راه را طی کرده است. بنیانگذار این مجموعه که مارشال برین نام داشت، در سال 1998 میلادی تنها با نوشتن چند مقاله آغاز به کار کرد. او در مورد موضوعات مورد علاقه‌اش می‌نوشت. با این هدف که اطلاعاتش در دسترس همه قرار گیرد و به‌صورتی که نه برای نوجوانان پیچیده و نه برای بزرگسالان خیلی ساده باشد. او به سرعت مشهور شد و جوایز متعددی دریافت کرد. اما همان‌گونه که پیش‌بینی می‌شد، کسب درآمد کار سختی بود. مارشال برین با ساخت یک صفحة اینترنتی و تبلیغ کتابش آغاز کرد و پس از مدتی بنرهای تبلیغاتی را امتحان کرد و حتی فروشگاه اسباب بازی اینترنتی را به کارهایش افزود.
او اکنون در دفتری بر روی برج بلند آتلانتا، نشسته است و هنوز هدف اصلی خود را دنبال می‌کند. ویراستاران و نویسندگان او مقاله‌های مفیدی را می‌نویسند و به مجموعة کتاب یا سایت اینترنتی می‌افزایند. آن‌ها روش اصلی برین را با شکستن مطالب پیچیده به چند مطلب قابل فهم به کار می‌گیرند. مقالات این مجموعه به صورت حرفه‌ای نوشته شده و همراه تصاویری با کیفیت و غالباً جذاب ارائه شده‌اند. امروزه How Stuff Works میلیون‌ها خواننده از سراسر جهان دارد.
انتشارات سبزان افتخار دارد با ترجمة سری کتاب‌های « ابزار چگونه کار می‌کنند»، گامی در جهت ارائه دانش روز برای عموم مشتاقان علم و فنون برداشته باشد. به خصوص برای نوجوانانی که با مطالعة کتاب‌های درسی اقناع نشده و با بهره‌مندی از ذهنی پویا ضرورت تحقیق و بررسی هر چه بیش‌تر را در خود احساس می‌کنند و بزرگسالانی که علاقه‌مندند از چگونگی کار دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلفی که روزانه با آن‌ها سروکار دارند، آگاه شوند. و حتی سالمندانی که مطالعه و یا مشاهدة برنامه‌های علمی و رسانه‌ها جوابگوی سؤالاتشان نیست.
در واقع، مراجعه به این سری از کتاب‌ها به سن و جنس و صنف خاصی تعلق ندارد و پاسخگوی همة کسانی است که حس کنجکاوی، کاوشگری، تجربه و دانش اندوزی سرشاری دارند.
امید است این سری از کتاب‌ها، همراه با دیگر کتاب‌های انتشارات سبزان که در زمینه‌های مختلف علمی و تاریخی است، گوشه‌ای هر چند اندک از ابهامات ذهنی ما را بگشاید.

مبحث الکترومغناطیس
الکترومغناطیس چگونه کار می‌کند؟
زنگ اخبار چگونه کار می‌کند؟
موتور الکتریکی چگونه کار می‌کند؟
رادیو چگونه کار می‌کند؟
ضبط صوت چگونه کار می‌کند؟
قطار سریع‌السیر برقی چگونه کار می‌کند؟
دوربین چراغ قرمز چگونه کار می‌کند؟
دزدگیر اتومبیل چگونه کار می‌کند؟
بمب الکترومغناطیس چگونه کار می‌کند؟


آهنربای الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

ایدة اساسی آهنربای الکتریکی یا الکترومغنایس بسیار ساده است. با عبور دادن جریان الکتریکی از سیم، حول آن یک میدان مغناطیسی به وجود می‌‌آید. با استفاده از همین مفهوم ساده صدها وسیله‌ای را که امروزه با آن‌ها سر و کار داریم، ساخته شده‌اند. وسایلی مانند: آب‌میوه‌گیری، تلویزیون، ویدئو، تلفن، ضبط‌صوت، بلندگو، زنگ اخبار، دیسک‌های مغناطیسی و...

آهنربای طبیعی

بهتر است قبل از بررسی مفهوم الکترومغناطیس،‌ مطالبی را در مورد مغناطیس طبیعی (آهن‌ربا) یادآوری کنیم. حتماً یکی از بازی‌های دوران کودکی شما این بوده که در یخچال را باز می‌کردید و سپس رها می‌کردید تا درب خود به‌خود بسته ‌شود! بله، جالب بود. دور درب‌ یخچال‌ها یک ردیف آهن‌ربا کار می‌گذارند تا بدنه یخچال را جذب ‌کند و همین باعث بسته شدن درب‌ها می‌شود. حتماً می‌دانید که هر آهن‌ربا دو قطب شمال و جنوب (N و S) دارد، به طوری که قطب‌های همنام (N و N) یا (S و S) همدیگر را دفع و قطب‌های غیرهمنام (N و S) همدیگر را جذب می‌کنند.

         


حول هر آهن‌ربا، میدان مغناطیسی از قطب N به سمت قطب S (البته در داخل آن برعکس) وجود دارد. این میدان مغناطیسی خاصیت القایی دارد؛ یعنی اگر ما آهن‌ربایی را نزدیک فلزی ببریم، میدان مغناطیسی در فلز القا می‌شود و به نوعی فلز را نیز آهن‌ربا می‌کند و آن را جذب خود می‌کند. آهنربای الکتریکی هم دقیقاً خصوصیات آهن‌ربای طبیعی را دارد، با این تفاوت که خاصیت آهن‌ربایی آن ثابت نیست. یعنی با تغییر جهت جریان الکتریکی می‌توان مکان قطب‌های N و S را عوض کرد و با قطع جریان الکتریکی، خاصیت آهن‌ربایی (مغناطیسی) آن را از بین برد.

 

الکترو مغناطیس

با یک باطری و مقداری سیم می‌توانید یک آهنربای الکتریکی ساده بسازید. اگر یک سیم را به دو قطب مثبت و منفی باطری وصل کنید، با حرکت الکترون‌ها در سیم (از قطب منفی به قطب مثبت) جریان الکتریکی (از قطب مثبت به قطب منفی؛ برعکس حرکت الکترون‌ها) برقرار می‌شود. اگر قطب‌نمای ظریفی را در نزدیکی این سیم قرار دهید،‌ با قطع و وصل کردن سیم خواهید دید که جهت عقربة قطب‌نما هم تغییر می‌کند.

 با قطع و وصل کردن جریان، میدان مغناطیسی حول سیم تغییر می‌کند.

میدان مغناطیسی حولِ سیم به صورت دایره‌هایی که مرکزِ آن‌ها سیمِ حامل جریان است، به وجود می‌آید. با کمک قانون دست راست می‌توانید جهتِ میدان مغناطیسی حول سیم را پیدا کنید. اگر با دست راست، سیم حامل جریان را بگیرید، به طوری که انگشت شست شما در جهتِ جریان الکتریکی باشد، جهت بسته شدن دیگر انگشتان دست، میدان مغناطیسی حول سیم را نشان خواهد داد.


از آن‌جا که میدان مغناطیسی ایجاد شده در حولِ سیم به صورت دایره‌ای و عمود بر آن تولید می‌شود، می‌توان به کمک سیم‌پیچ این میدان مغناطیسی را تقویت کرد. همچنین با قرار دادن یک فلز در داخل سیم‌پیچ، می‌توان میدان مغناطیسی داخل آن را بیش‌تر تقویت کرد.


 


مثال عملی

مداری را مطابق شکل زیر در نظر بگیرید. در این مدار یک آهنربای الکتریکی باطری و سیم‌پیچ در نقش سوییچ برای مدار دیگری عمل می‌کند. در شکل اول،‌ مدار آهنربای الکتریکی باز (قطع) است و سیم‌پیچ خاصیت آهن‌ربایی ندارد. به همین دلیل مدار لامپ باز است و لامپ خاموش می‌باشد. در تصویر دوم با روشن شدن کلید، مدار سیم‌پیچ وصل می‌شود و چون سیم‌پیچ خاصیت آهن‌ربایی پیدا کرده است، بازوی فلزی متصل به فنر را به سوی خود جذب می‌کند. با پایین آمدن بازوی فلزی، مدار لامپ وصل شده و لامپ روشن می‌شود.

 سیم لوله چیست؟

اگر داخل سیم‌پیچِ توخالی، استوانه‌ای فلزی قرار دهیم که بتواند آزادانه داخل آن حرکت کند، نوعی سیم لوله یا سولفنوید ساخته‌ایم. همان‌طور که گفتیم با اتصال این سیم‌پیچ به باطری، داخل و خارج آن میدان مغناطیسی به وجود می‌آید. این میدان مغناطیسی باعث ایجاد خاصیت آهن‌ربایی داخل سیم‌پیچ شده و استوانة فلزی را به طرف داخل یا بیرون سیم‌پیچ هل می‌دهد.


زنگ اخبار چگونه کار می‌کند؟

زنگ اخبار از جمله وسایلی است که هر روزه از آن استفاده می‌کنیم. در دنیایی که پر از تجهیزات مدرن مثل کامپیوتر، هواپیما، تلویزیون و... است، شاید نحوة کار زنگ اخبار چندان پیچیده به نظر نرسد. ولی وقتی سرپوش جعبة آن را برداریم، با یک سری مدارات و تجهیزات مکانیکی دقیق، مواجه می‌شویم که کمی گیج‌کننده به نظر می‌رسند. سیستم کار زنگ اخبار براساس قوانین پایة الکترومغناطیس است. ما در این بخش نگاهی به نحوة کار این وسیله خواهیم انداخت تا ببینیم که چگونه جریان الکتریکی را به صداهای مختلف تبدیل می‌کند.

موتور مغناطیسی

هستة موتور زنگ اخبار، یک آهنربای الکتریکی است. همان طوری که می‌دانید با پیچاندن سیم، دور یک فلز و اتصال آن به منبع برق می‌توان یک آهنربای الکتریکی ساخت. آهنرباهای الکتریکی قوانین ساده‌ای دارند. با عبور جریان الکتریکی از یک سیم، حول آن میدان مغناطیسی کوچکی تشکیل می‌شود که با قرار دادن یک فلز در میان آن، می‌توان میدان مغناطیسی را تقویت کرد.
هنگامی که شما کلید زنگ را فشار می‌دهید، برق 220 ولت شهر توسط ترانسفورماتور موجود در مدار به برق 12 ولت تبدیل می‌شود. همین ولتاژ کم کافی است تا با عبور از سیم‌پیچ و ایجاد میدان مغناطیسی، آهنربای الکتریکی را تبدیل به یک آهن‌ربای قوی کند. همة زنگ اخبارها از یک قاعدة خاص پیروی می‌کنند، ولی برای پخش صداهای مختلف، نحوة طراحی و ساخت آن‌ها کمی با هم فرق می‌کند.

زنگ اخبار با صدای بیزززز در شکل صفحة بعد، سیستم کار یک زنگ اخبار را با صدای بیزززز می‌بینید. وقتی کلیدِ زنگ را فشار دهیم، مدار بسته می‌شود و آهنربای الکتریکی تبدیل به یک آهن‌ربای قوی می‌شود و این آهن‌ربا، بازوی

فلزی تماس را با قدرت به سوی خود جذب می‌کند. این عمل باعث می‌شود تا مدار قطع شود و آهنربای الکتریکی، خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست دهد و بازوی تماس را رها کند. به خاطر خاصیت فنری، بازوی تماس در بازگشت به شدت به فلز تماس برخورد می‌کند و صدا می‌دهد.

 زنگ اخبار با صدای بیزززز

با برخورد بازوی تماس با فلز تماس، مدار دوباره برقرار می‌شود و بازوی تماس با نیروی آهن‌ربایی الکترومغناطیس یا آهنربای الکتریکی بالا می‌رود. در این حالت دوباره مدار قطع می‌شود و بازو به فلز تماس کوبیده می‌شود و صدا می‌دهد. تا وقتی دست ما روی زنگ باشد، این برخوردها تکرار می‌شوند و ما صدای بیزززز را می‌شنویم.

زنگ اخبار با صدای دیلینگ

سیستم کار این زنگ هم مثل زنگ اخبار بالایی است، با این تفاوت که بازوی تماس به هنگام برگشت، توسط یک چکش زنگ به کاسة فلزی برخورد می‌کند و صدایی شبیه ناقوس پخش می‌شود. امروزه از این زنگ‌ها کم‌تر تولید می‌شود، چون زنگ‌هایی که صدای موسیقی پخش می‌کنند، بیش‌تر مورد استقبال مردم قرار گرفته‌اند.

 

دینگ دانگ!

در تولید زنگ اخبارهای جدید از یک نوع آهنربای الکتریکی خاص به نام سیم لوله یا سولِفوید استفاده می‌شود. یک سیم لوله از سیم‌پیچ پیچیده شده حول یک پیستون فلزی تشکیل شده است، به طوری که پیستون می‌تواند آزادانه داخل آن جلو و عقب برود. مطابق شکل صفحة بعد، وقتی جریانی در مدار نباشد، پیستون توسط یک فنر به سمت صفحة فلزی سمت چپ کشیده می‌شود. وقتی کلید زنگ را فشار دهیم، جریان در مدار سیم‌پیچ برقرار می‌شود و به خاطر وجود میدان مغناطیسی و به طبع آن میدان آهن‌ربایی در مرکز سیم لوله، پیستون فلزی به شدت به طرف راست جذب می‌شود و محکم به صفحة فلزی کوبیده می‌شود و صدای دینگ پخش می‌شود. وقتی دستمان را از روی زنگ برداریم، مدار قطع می‌شود و سیم لوله خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می‌دهد. در این حالت، فنر داخلی، پیستون آزادشده را با قدرت به سمت چپ می‌راند و با برخورد پیستون به صفحة فلزی سمت چپ، صدای دانگ پخش می‌شود.