هل تخيفكم الكهرباء؟ يتضمن الجزء التالي المفاهيم المستخدمة في الصف الابتدائي بالإضافة إلى الإجراءات الأمنية الواجب اتخاذها.
الاحتياطات الأمنية
تتلاشى المخاطر عند استخدام بطاريات كهربية (عامود جاف) من السوق بشدة ١.٥ فولت أو ٤.٥ فولت أو ٩ فولت. غير أنه لا يجب في كل الأحوال استخدام شدة التيار (٢٢٠ فولت) داخل الفصل نظراً لما يسببه من مخاطر حقيقية إذا لم تتواجد الاحتياطات اللازمة.
يفضل التنبيه على الأطفال بمثل هذه المخاطر وتوفير الإرشادات الأمنية الأساسية.
ما الذي يجب أن نعرفه عن الدوائر الكهربية؟
أ) الدوائر المغلقة:
تتكون الدائرة الكهربية من مجموعة متواصلة من العناصر تشتمل مثلاً على عامود جاف (مولد) وأسلاك كهربية ومفتاح ومصابيح وعند الضرورة قد يتواجد محرك. وترتبط هذه الأشياء معاً لتكون حلقة مغلقة واحدة على الأقل.
وفيهذه الحلقة المغلقة، يسمح العامود الجاف بمرور الكهرباء.
ويحدث ذلك بشرط:
- إذا كان العامود الجاف بحالة جيدة
- أن تكون نقاط الاتصال بين مختلف أجزاء الحلقة بحالة جيدة
- أن تكون كافة الأجزاء جيدة التوصيل مما يسمح بمرور الكهرباء.
بمجرد أن تقطع الحلقة، تفتح الدائرة ويفقد العامود الجاف قدرته على ضمان مرور التيار الكهربي. وقد يساعد المفتاح على فتح أو غلق هذه الدائرة الكهربية.
قد يفيد ملاحظة أحد المصابيح ذات غطاء زجاجي مكسور بهدف التمكن من تتبع خط السير
الذي تتبعه الكهرباء (الشكل ١ ).
لمبة ذات غطاء زجاجي مكسور تدل الخطوط المنقوطة علي مكان السلك الداخلي.ملحوظة هامة :عدم طلب من التلاميذ كسر الغطاء الزجاجي لخطورة هذه العملية .
ب) موصلات وعازلات
لا يستخدم داخل المدارس الابتدائية سوي العامود الجاف وذلك لأغراض تأمينية. ويعتبر أبسط كاشف للتيار هو المصباح الكهربي: ولمعرفة إذا كان شيء ما جيد التوصيل أو لا نضعه داخل حلقة أحد الدوائر الكهربية ونلاحظ إضاءة المصباح من عدمها. وهذه الملاحظات بطبيعة الحال ليست سوى ملاحظات نوعية ولكنها تكفي في نطاق المدارس الابتدائية. كما يجب الإشارة أمام الأطفال أنه يحذر القيام بنفس هذه الخطوات باستخدام الكهرباء المنزلية. ففي الواقع، قد يتم تصنيف الجسم البشري والماء ضمن الأشياء الرديئة التوصيل للتيار نظراً لعدم إضاءة المصباح. غير أن هذين العنصرين ليسا عازلين تماماً. بل أنهما أقل كفاءة من حيث القدرة على التوصيل مقارنة بالنحاس ولكنهما أفضل في التوصيل من معظم المواد البلاستيكية. وهذه القدرة على التوصيل تكفي لتسبب العديد من الحوادث الناتجة عن الكهرباء. وعندما تشتد خطورة مثل هذه الحوادث لتصبح قاتلة، وتسمي بالصعق الكهربي. فيحذر بتاتاً استخدام أحد الأجهزة الكهربية عندما تكون الأيدي أو الأرجل في الماء أو حتى مبللة. فالكهرباء المنزلية تتساوى من حيث الفائدة والخطورة. وفي حالة التركيبات الكهربية الجيدة التي تتبع النظم المعتادة، تزود المقابس الكهربية بمشابك أمان تمنع إدخال أي شيء معدني غير مقبس الجهاز الكهربي.
ج) دوائر متسلسلة ودوائر مشتقة
الدائرة المتسلسلة هي الدائرة الكهربية المكونة من حلقة واحدة. (الشكل ٢
الشكل ٤
تمثل القضبان المرتبطة ببعضها البعض حلقة مغلقة. يوجد على هذه القضبان عربات القطار حيث ترتبط كل منها بالأخرى مكونة جميعاً سلسلة متواصلة من العربات. وهذا هو مثال الدائرة الكهربية.
ولنتخيل الآن وجود بعض العمال (في مكان ما من الدائرة) يدفعون عربات القطار معاً وبصورة مستمرة. وهذ١ يمثل العامود الجاف ذات تيار شدته ١.٥ أو ٤.٥ فولت. فبمجرد أن يبدأ العمال في دفع العربات، تبدأ جميع العربات في الحركة في نفس الوقت. وإذا ما قمنا بوضع ملاحظين في أماكن متفرقة من هذه الدائرة حيث يقوم كل ملاحظ بحصر عدد العربات التي تمر من أمامه خلال نفس الفترة الزمنية، سيجد كل منهم نفس القيمة: وهذا يشبه شدة التيار الكهربي.
أما الطاقة، فيمثلها الجهد المبذول من قبل العمال.
ومن هنا يتضح لنا ارتباط كل من شدة التيار و الطاقة. ففي الواقع، إذا تباطأ العمال في الدفع، يقل عدد العربات التي تمر خلال وحدة زمنية محددة في نقطة ما. وإذا أصيب العمال بالإرهاق (تلف العامود الجاف)، فإنهم يدفعون العربات بطاقة اقل بكثير مما يجعلها تسير ببطء أكثر: وبهذا، يقل عدد العربات التي تمر خلال وحدة زمنية محددة في نقطة ما (تقل قيمة شدة التيار الكهربي). وهذا أيضاً ما يحدث في أي دائرة كهربية عندما نقوم باستبدال العامود الجاف ٤.٥ فولت بعامود آخر ١.٥ فولت.
ومن ناحية أخرى، إذا تم شد فرامل العربات، توجد حينئذ مقاومة أكبر أمام الحركة وبتوفير نفس الجهد المبذول حال عدم شد الفرامل، تتحرك العربات ببطء أكثر: حيث تقل قيمة شدة التيار.
استنتاجات التلاميذ
حين يطلب من أحد التلاميذ إضاءة مصباح بواسطة عامود جاف، يقوم أحياناً بتوصيل المصباح بطرف واحد للعامود الجاف (العامود الجاف المستوي) ويلاحظ أن المصباح لا يضئ.
ويتدخل الحظ أو تكرار المحاولة في أن ينجح في إضاءته. ولكن هذا لا يعني بالضرورة أن الطفل قد استوعب ضرورة وجود دائرة مغلقة.
ثم، بعد أن يتمكن التلميذ من إعداد دائرة مغلقة ويطلب منه بعد ذلك شرح ما الدور الذي تلعبه الكهرباء (أو لماذا يضئ المصباح)،
أ) يبدأ عادة التلاميذ في التفكير (بطريقة غير صحيحة) في موضوع التيارات المعاكسة":
حيث تترك الكهرباء كل طرف من أطراف العامود الجاف لتلتقي داخل المصباح (وبالنسبة لبعض التلاميذ هذا هو الذي يفسر إضاءة المصباح). ويرى بعض المعلمين أن إضافة محرك من شأنه أن يثير انتباه التلاميذ إلا أن الأمر لا يسير على هذا النحو.
ولكن في غالب الأمر، لا يغير ذلك شيئا حيث يظل بعض التلاميذ بنفس أسلوب التفكير في التيارات المعاكسة: وفي حالة وجود محرك يكون تفسيرهم أن التيار الذي يترك أحد الأطراف يكون اشد قوة من التيار الذي يترك الطرف الآخر وذلك يفسر حركة المحرك.
ومن الصعب اتخاذ اتجاه معاكس لهذا التفسير خلال المرحلة الثانية. وتتمثل الخطوة الأولى في رسم خط سير الكهرباء (يجب أن يمثل خط السير المعني حلقة مغلقة)، ولكنه أمر غير كاف. ثم قد نتمكن من اقتراح بعض المواقف الفيزيائية على التلاميذ بحيث يستحيل شرحها في إطار التيارات المعاكسة، مثل فكرة الدائرة المتسلسلة المزودة بثلاث مصابيح متطابقة. وتبدو الطريقة المثلى هي تطبيق التجربة التاريخية التي قام بها "أورستد" Oersted عام ١٨٢٠ والتي تعتبر هي الأساس في توحيد كل من الكهرباء والمغناطيسية، أي باستخدام البوصلة كوسيلة لاكتشاف التيار الكهربي. (وسوف يتم توضيح العلاقة فيما بعد بتجربة أورستد). ولا ينصح بإجراء هذه التجربة في المرحلة الابتدائية لصعوبتها: حيث تتطلب شدة تيار كهربي بصورة كافية ووضع البوصلة في مكان قريب جداً من الدائرة دون أن تؤثر أحدها على الأخرى.
ت) يعتقد التلاميذ بعد ذلك أن الكهرباء تنتقل من أحد طرفي العامود الجاف إلى الطرف الآخر ولكنهم يعتقدون أن الكهرباء لا تتوافر بصورة كافية بعد المصباح كما هو الشأن قبل المصباح وذلك نظراً لأن المصباح يستهلك الطاقة.
ومطالبة التلاميذ بإعداد دائرة متسلسلة تتألف من عدة مصابيح كهربية يسمح لهم بملاحظة أن جميع المصابيح تضئ بنفس الطريقة. وسرعان ما يلاحظ التلاميذ أن تفسيراتهم في إطار التيار الذي يقل بعد مروره داخل لمصباح لا يتوافق مع ما يلاحظونه حالياً.