Ad

تشتد المنافسة بين الساحرين«روبرت»و«بوردن» في الفيلم الرائع «The Prestige» ويحاولا إبهار الجمهور بخدعهما السحرية ويسعى كل منهما للتفرد بالشهرة فما يقدم أحدهما عرضًا حتى يأتي الآخر ليكتسحه بعرض أكثر دهشة وهكذا تستمر المنافسة حتى يقرر«روبرت» طلب مساعدة العالم تسلا بإعطائه جهاز ملف تسلا Tesla coil الذي سيستخدمه لاحقًا لخداع الجمهور بالانتقال آنيًا من مكان إلى آخر عبر الكهرباء المتولدة من ملف تسلا. حسنًا، في الحقيقة لا يعمل بنفس المنوال المذكور آنفًا إذ لا يستخدم لنقل البشر بل يستخدم في الواقع لنقل الكهرباء لاسلكيًا. عُرف العالم تسلا بابتكاره للعديد من الاختراعات المدهشة وكان يتوق لنقل الكهرباء لاسلكيا لأي مكان في العالم واقترب من تنفيذ هذه الفكرة عن طريق اختراعه المدهش ملف تسلا Tesla coil والذي يعتبر أول جهاز قادر على نقل الكهرباء لاسلكيًا والذي أحدث تغييرًا جذريًا في نظرة العالَم والعُلماء للكهرباء واستخداماتها معتمدًا على استغلال الطاقة الكهرومغناطيسية ومفهوم الرنين المغناطيسي.

ما هو ملف تسلا Tesla coil ؟

ملف تسلا هو جهاز يتكون من جزئين أساسيين ملف أولي وملف ثانوي، كلًا منهما مُتصل بالمكثِّف الخاص به، ويعمل المكَثِف عمل البطارية كمصدر لتخزين الطاقة الكهربية. يتصل الملفان ببعضهما البعض عن طريق مسافة فارغة يملأُها الهواء بين قطبين كهربيين لخلق الشرارة الكهربية والتي وتُعرف باسم «شرارة الفجوة-Spark gap». وبالرغم من أن ملف تسلا يحتاج إلى مصدر خارجي ذي جهد كهربي عالي، إلا أنه يتم توصيل مصدر خارجي للطاقة ذي جهد كهربي اعتيادي منخفض مُتصل بمحوِّل يقوم بتحويل الجهد الكهربي المُنخفض إلى جهد كهربي عالي يكفي لتغذية النظام بأكمله.

ملف تسلا Tesla coil

صورة مفصلة لمكونات جهاز ملف تسلا

كيف يعمل ملف تسلا Tesla coil ؟

في البداية لكي نوضح مبدأ عمل ملف تسلا، سنقوم بتبسيط مفهومي التيار والجهد لكهربائي. يُعرف التيار الكهربائي بأنه سيل من الشحنات الكهربائية، في حين أن الفرق في الجهد الكهربائي بين مكانين هو ما يدفع هذا التيار ويجعله يتحرك. بمعنى آخر يمكن تشبيه التيار بالماء، والجهد الكهربائي بتلة جبلية ومن هنا بالإمكان التمييز بين الجهد العالي والجهد المنخفض، فالجهد الكهربائي العالي يشبه تلة شديدة الانحدار يمكن أن يتدفق منها التيار بسرعة بينما الجهد المنخفض يشبه سهل شبه مسطح مع عدم وجود تدفق للمياه تقريبًا. تكمن قوة ملف تسلا في عملية تدعى بالحث الكهرومغناطيسي أي أن المجال المغناطيسي المتغير يولد جهد كهربائي يجبر التيار على السريان. على العكس من ذلك، يولد التيار الكهربائي المتدفق مجالًا مغناطيسيًا عندما يسري التيار عبر ملف من الأسلاك، إذ تولد مجالًا مغناطيسيًا يملأ المنطقة المحيطة بالملف في نمط معين، كما هو موضح في الصورة أدناه على شكل خطوط كهرومغناطيسية.

خطوط الفيض المغناطيسية

خطوط الفيض المغناطيسي حول الملف

وبالمثل، في حالة وجود مجال مغناطيسي متدفق عبر مركز سلك ملفوف، سيتولد جهد كهربائي في السلك، مما يتسبب في سريان التيار الكهربائي. يتناسب الجهد الكهربائي-أو التل-طرديًا مع عدد لفات السلك فعلى سبيل المثال سيولد المجال المغناطيسي المتغير داخل ملف من مكون من 50 لفة عشرة أضعاف جهد الملف ذي الخمس اللفات فقط. هذه بالضبط هي الطريقة التي يعمل بها المحول الكهربائي الذي تجده معلقًا على أعمدة خرسانية في منطقة سكنك حيث يوصل الملف الابتدائي للمحول مع مصدر للتيار المتناوب حينما يسري تيار كهربائي في لفات الطرف الابتدائي ينتج فيض مغناطيسي والمجال المغناطيسي المتردد ينشأ عنه مرور خطوط الفيض ذات قوة متغيرة بالقلب الحديدي للمحول، فتقطع هذه الخطوط ملفات الثانوي، ومن ثم ينشأ في ملفات الثانوي جهد كهربائي أي أن المجال المغناطيسي الناشئ من الملف الابتدائي يتسبب في توليد جهد في الملف الثانوي عن طريق ما يسمى بالحث الكهرومغناطيسي لذا يستعمل في رفع أو خفض الجهد الكهربائي إلى أي مستوى مرغوب وذلك بناء على عدد لفات الملف الابتدائي والثانوي. ينبغي الملاحظة هنا أن المجال المغناطيسي الناتج يمكن احتوائه عبر القلب الحديدي للمحول لكن ماذا عن ملف تسلا هل يمكن احتواء ذلك المجال الناتج؟

المحول الكهربائي

المحول الكهربائي

يتشابه ملف تسلا والمحول الكهربائي من حيث مبدأ العمل، ولكن في حالة ملف تسلا فإن الجهد الكهربائي يتغير بصورة هائلة جدًا. أولاً، يُستخدم محول أساسي عالي الجهد مصنوع مسبقًا من قلب حديدي لرفع الجهد من 120 فولت إلى ما يقرب من 10000 فولت. يتم لف السلك الذي يحتوي على 10000 فولت في ملف واحد كبير عدد لفاته قليلة-يمثل الملف الابتدائي-. يحتوي الملف الثانوي على آلاف اللفات من الأسلاك الرفيعة. يؤدي هذا إلى رفع الجهد الكهربائي إلى ما بين 100000 فولت ومليون فولت. لا يمكن احتواء هذا الجهد الهائل في القلب الحديد كما في حالة المحول الكهربائي العادي وبدلاً من ذلك، يُفصل بين الملفات بواسطة الهواء كما هو موضح في ملف تسلا أدناه:

ملف تسلا Tesla coil

الملف الابتدائي ذو الحجم الكبير وعدد اللفات القليلة أما الملف الثانوي فعدد لفاته كثيرة وسلكها رفيع

كما وضحنا سابقًا يتطلب ملف تسلا وجود مكثف حيث يعمل على تخزين الشحنات وإطلاقها في صورة شرارة واحدة ضخمة. تحتوي دائرة الملف على مكثف وفاصل صغير يسمى فجوة الشرارة. عندما يتم تشغيل الملف، تتدفق الكهرباء عبر الدائرة وتملأ المكثف بالشحنات، مثل البطارية. تولد هذه الشحنات جهدًا كهربائيًا في الدائرة، وتحاول عمل جسر اتصال عبر فجوة الشرارة يمكن أن يحدث هذا فقط عندما تتراكم كمية كبيرة جدًا من الشحن في المكثف. ومع استمرار تدفق كمية كبيرة من الطاقة يؤدي ذلك إلى انهيار المجال المغناطيسي سريعًا وتوليد تيار كهربي في الملف الثانوي. وتدافُع وتضاغُط الجهد الكهربي خلال الهواء الفاصل بين الملفين الأَوَّلي والثَانوي يُؤدي إلى خلق شرارات كهربية في منطقة فجوة الشرارة الفاصلة بين الملفين.  ويستمر تدفق الطاقة بين الملفين بسرعات هائلة مُؤديةً إلى انتقال تلك الطاقة إلى الملف الثانوي والمُكَثِّف الخاص به. مما يجعل مقدار الشُحنة الكهربية المُتجمعة في الملف الثانوي عالية جدًا، فتنطلق على هيئة انفجارات وتَشَعّبَات مذهلة للتيار الكهربي ذات جهد كهربي عالي وقادرة على إضاءة لمبات الفلورسنت على بُعد أقدام بدون استخدام أي أسلاكٍ توصيلية. وتندرج طريقة عمل ملف تسلا تحت مبدأ تحقيق ظاهرة «الرنين المغناطيسي-Resonance» إذ يتم إطلاق التيار الكهربائي من الملف الأولي للملف الثانوي في الوقت المناسب، مؤديًا إلى تَضَاعف الطاقة المُنتقلة إلى الملف الثانوي كما لو كُنت تدفع شخصًا ما على أُرجوحةٍ لتجعلها ترتفع إلى أقصى حدٍ ممكن.

تطبيقات وأمثلة عملية

لايزال ملف تسلا يستخدم بشكل أو بآخر في بعض الأجهزة والأنظمة فالراديو والتلفاز يستخدمان نوع مصغر من ملفات تسلا ويمكن استخدامه في توليد الأشعة السينية والأنوار الفسفورية وأيضًا في صناعة القداحات ذات القوس الكهربي بالإضافة إلى استخدامه في مجال الترفيه لإنشاء البرق الاصطناعي. في النهاية نتركك عزيزي القارئ مع هذه المقطوعة الموسيقية التي أولفت بمساعدة ملف تسلا.

المصادر

livescience

realclearscience

medium

power-and-beyond

سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.


هندسة تقنية

User Avatar

Qaher Naji

درست تخصص هندسة كهربائية والكترونية، حاصل على درجة الماجستير في قسم التحكم الآلي، مهتم بالتكنولوجيا والهندسة.


عدد مقالات الكاتب : 46
الملف الشخصي للكاتب :

مقالات مقترحة

التعليقات :

اترك تعليق