تكمن قدرة الروبوتات على الحركة وأداء المهام في المحركات الخاصة بها، فبدون هذه المحركات لا يمكن أن يسمّى الروبوت ذكياً. عن طريق المحركات يمكننا فتح الصمامات وإغلاقها، وتحريك عجلات روبوت أو إدارة أذرعه. يوجد العديد من أنواع المحركات التي تستخدم مع الروبوتات والتي تختلف من روبوت لآخر حسب بعض معايير التصميم، مثل خصائص الدقة والتكلفة ومتطلبات عزم الدوران والتسارع.
• المحركات الكهربائية
من أهم أنواع المحركات هي المحركات الكهربائية وهي أجهزة كهروميكانيكية تنتج الحركة عن طريق تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. هذه المحركات هي الخيار المفضل في الروبوتات، ويرجع ذلك إلى عدة أسباب:
1. الكهرباء مصدر إمداد متاح على نطاق واسع.
2. مناسبة لجميع أحجام الروبوت.
3. مدمجة وخفيفة الوزن، بالإضافة إلى أنها تتميز بنسبة تحويل طاقة كبيرة ودقة ممتازة.
4. أنظمة التشغيل الكهربائية قوية وسهلة الصيانة. [1]
أشهر أنواع المحركات الكهربائية وأكثرها استخدام
1. محرك التيار المستمر dc motor
له عدة أشكال، ويمتاز محرك التيار المستمر بالتكلفة القليلة والأداء الجيد وسهولة التحكم في سرعة المحرك. كما يمتاز بالقدرة على التحكم في سرعة الدوران باستخدام تقنية PWM (تعديل عرض النبضة). إذ يحوّل محرك DC الطاقة الكهربائية الحالية المباشرة إلى طاقة ميكانيكية وتعمل محركات التيار المستمر بشكل جيد في الروبوتات لأنها تسمح للروبوت بأن يعمل بالبطارية، مما يوفر مزايا رائعة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الروبوتية، وخاصة الروبوتات المتنقلة.[2]
2. محرك السيرفو servo motor
السيرفو عبارة عن محرك يمكنه الدوران بزاوية محددة من خلال برمجته مسبقا عبر الأردوينو أو أي متحكم. يستخدم السيرفو في العديد من التطبيقات الصناعية الصغيرة والكبيرة منها. ويمكن استخدام هذا المحرك لتشغيل سيارات الألعاب التي يتم التحكم فيها عن بُعد، والروبوتات والطائرات، وخطوط الانتاج، والصناعات الغذائية. لهذه المحركات فوائد عديدة في التطبيقات الروبوتية، فهي صغيرة وقوية وسهلة البرمجة ودقيقة. علاوة على أنها تسمح بتكرار الحركة شبه التام. غالباً ما يتم استخدامها في الأذرع الروبوتية والتطبيقات التي تحتاج دقة في العمل.[3]
3. المحرك الخطوي stepper motor
تختلف هذه المحركات بعض الشيء عن محركات التيار المستمر سواء في التطبيق أو التركيب على الرغم من اعتماد فكرة عمل كليهما على الفيض المغناطيسي المتولد في الملفات. و رغم ما يشوب هذا النوع من المحركات من صعوبة استخدام وعدم توفرها وارتفاع تكلفتها؛ فإنها تتمتع بالعديد من المميزات التي تتطلبها الروبوتات ومن ذلك: – استجابة سريعة لبدء التشغيل والتوقف وعكس اتجاه الحركة. – الدقة العالية في الحركة والقدرة التكرارية، حيث تتراوح دقتها بين 3- 5% من الخطوة وهو خطأ غير تراكمي من خطوة إلى أخرى. – توفر مدى كبير من السرعات الدورانية حيث تتناسب السرعة مع تردد نبضات الدخل.[4]
إضافةً إلى المحركات المذكورة هناك الكثير من المحركات الممكن استخدامها في صناعة الروبوتات ولكن المحركات الثلاثة السابقة هي الأشهر الأكثر وفرة.
تفسر الكهرباء الساكنة الخصائص الكهربية للأجسام دون مرور أي تيار كهربي خلالها. والحث الكهروستاتيكي هو واحد من الظواهر الهامة التي تفسر العديد من السلوكيات الكهربية للأجسام وكيف تتأثر بالشحنات الخارجية. ومن أشهر الظواهر الحياتية التي تفسرها تلك الظاهرة هي الصعق الكهربائي بالبرق. فما هو الحث الكهروستاتيكي؟ وكيف يفسر ذلك النوع من الصواعق الكهربية؟
تتكون الأجسام الكبيرة من جسيمات صغيرة لها خواص كهربية حيث تنقسم تلك الجسيمات إلى جسيمات موجبة الشحنة وجسيمات سالبة الشحنة. والجسيمات المتشابهة في الشحنة تتنافر أما المختلفة في الشحنة تتجاذب. تسمى الأجسام التي تحتوي على شحنات سالبة أكثر من الموجبة بجسم سالب الشحنة، والعكس للأجسام الموجبة الشحنة.[1]
تفاعل الشحنات الكهربية
وتتحرك الشحنات الكهربية في أي جسم حركة تساعدها للوصول إلى حالة اتزان كهروستاتيكي. والاتزان الكهروستاتيكي هو أن تترتب الشحنات ترتيب ما بحيث يكون الجسم متعادل كهربيًا. ولكن يتغير ترتيب الشحنات مع اقتراب أي مؤثر كهربي خارجي في ظاهرة تسمى الحث الكهروستاتيكي.
الحث الكهروستاتيكي
تتغير توزيعة الشحنات في الأجسام عند اقتراب جسم مشحون بشحنة ما من الجسم. فمثلًا اقترب جسم سالب الشحنة من جسم متعادل، فتترتب شحنات الجسم بحيث تكون الجسيمات الموجبة فيه في اتجاه الجسم السالب. ومعنى أن تكون ترتيب الشحنات الموجبة أكثر من السالبة في مكان ما في الجسم يترتب على التكوين الداخلي الجسم.[1]
الحث الكهروستاتيكي
تسمي الجسيمات المكونة للأجسام بالذرات وتتكون الأجسام بترتيب معين لتلك الذرات. وتحتوي الذرة على نواة موجبة وإلكترون سالب الشحنة، ولكن الإلكترون له حرية الحركة داخل الجسم. فعندما يقترب جسم سالب من الجسم المتعادل فتتنافر الإلكترونات وتبقى النوى كما هي فيكون مجموع الشحنات في تلك المنطقة موجب. أما إذا اقترب من الجسم المتعادل جسم موجب تنجذب الإلكترونات تجاه ذلك الجسم وتكون شحنة تلك المنطقة سالبة.[1]
الشحن بالحث الكهروستاتيكي
يمكن استغلال الحث الكهروستاتيكي لشحن جسم متعادل كهربيًا بشحنة أما موجبة أو سالبة. فمثلًا عند اقتراب جسم سالب من جسم متعادل فالشحنات الموجبة تتجمع تجاه الجسم السالب. فإذا وصل الجسم عندها بالأرض موجبة الشحنة فستمتص الشحنات السالبة التي نفرت في اتجاه واحد من الجسم، وسيصبح عنده الجسم مشحونًا بشحنة موجبة. تظهر الفكرة أوضح في سبب الصعق بالبرق مثلًا أو تطبيقات مماثلة لنفس الفكرة.[1]
الصعق الكهربائي بالبرق
يفقد الإنسان شحنته السالبة عندما يسير على الأرض موجبة الشحنة ويتحول جسمه لجسم موجب الشحنة. أما البرق فهو عبارة عن تفريغ كهربي للجسيمات سالبة الشحنة في السحب إلى الأرض موجبة الشحنة. ولكن عندما يكون جسم ما مشحون بشحنة موجبة، ولكنه أقرب للسحب من الأرض، كالإنسان في تلك الحالة، فإن التفريغ الكهربي يكون أقرب إلى أن يحدث بين السحب وذلك الجسم.[2]
وتلك هي فكرة صنع أجسام تمتص الصواعق، حيث توجد في معظم البيوت مثل تلك الأجسام بمقاومة عالية حتى إذا ضربت صاعقة المنزل يحمي ذلك الجسم المنزل من أي ضرر. وبالتالي أولى خطوات تجنب الصواعق هي الابتعاد عن الأشجار أو الاجسام المعزولة الطويلة نسبيًا.
المصادر
[1] Fundamentals of physics / David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. —9 th ed. Section 23 (GAUSS’ LAW).
يؤثر الجسم المشحون كهربيًا على جسم آخر مشحون كهربيًا بقوة تسمى القوة الكهربية. وينتقل تأثير القوة الكهربية للشحنة الكهربية عن طريق ما يسمى بالمجال الكهربي. فما هي طبيعة المجال الكهربي؟ وكيف يتأثر بالشحنة الكهربية؟
الشحنة الكهربية
تتواجد في الطبيعة العديد من الجسيمات الصغيرة المختلفة والتي يتكون منها الأجسام الأكبر التي نراها. وواحدة من الخصائص التي تميز تلك الجسيمات هي الشحنة الكهربية. والشحنة الكهربية أما أن تكون سالبة أو موجبة أو متعادلة كهربيًا. تتجاذب الجسيمات المتشابهة في الشحنة إلى بعضها البعض وتتنافر إذا كانت متشابهة في الشحنة. [1]
الشحنات المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب
تميل الأجسام لأن تكون متعادلة كهربيًا، أي عدد الشحنات الموجبة يساوي عدد الشحنات السالبة. وبالتالي عندما يحتوي جسم ما علي فيض من الشحنات السالبة فإنه يميل للانجذاب للأجسام التي تحتوي على فيض من الشحنات الموجبة. وتتم عملية التجاذب والتنافر عن طريق القوة الكهربية التي تنتقل بواسطة المجال الكهربي. [1] فما هو المجال الكهربي؟ وكيف تتأثر به الجسيمات المشحونة كهربيًا؟
المجال الكهربي
يمثل المجال الكهربي القوة الكهربية التي يؤثر بها جسم مشحون عل جسم مشحون آخر. وافترض العالم الإنجليزي «مايكل فاراداي – Michael Faraday » المجال الكهربي على إنه خطوط مستقيمة تخرج من الشحنة الكهربية لتنتشر في الفضاء حولها. والقوة كمية متجهة أي أنها تُعرف من خلال قيمتها واتجاهها، فمثلًا نقول الجسم “أ” يؤثر بقوة معينة في اتجاه الجسم “ب “. وبما أن المجال يعبر عن القوة الكهربية، فالمجال أيضًا كمية متجهة يتم التعبير عنه من خلال المقدار والاتجاه. تكون الشحنة الموجبة باعثة لخطوط المجال والشحنات السالبة مستقبلة لخطوط المجال. [1][2]
ينبعث المجال الكهربي من الشحنة الموجبة وتجذبه الشحنة السالبة
على رغم من تطور مفهوم المجال في الوقت الحالي إلا أن فرض فاراداي لخطوط المجال مازال يستخدم حتى الآن. ويستخدم هذا الفرض في تبسيط معظم الظواهر من حولنا، ومن أهم تلك الظواهر هي ظاهرة قفص فاراداي.
قفص فاراداي
اخترع فاراداي اعتمادًا على فرض المجال الكهربي قفص لا يتضرر ما بداخله من أي شحنات كهربية خارجية تؤثر على القفص. فعلى سبيل المثال، شخص ما يقف داخل القفص وتم التأثير على القفص بفرق جهد كبير فلن يتأثر الشخص داخل القفص بذلك الجهد. [2]
توضيح فكرة عمل قفص فاراداي
وتعتمد فكرة القفص على أن القفص مكون من معدن موصل للكهرباء عند تعرضه لفيض من الشحنات فإنها تتوزع بانتظام على كل القفص. والشحنات المُوزعة على القفص لكل منها مجال كهربي خاص بها. وجود الآن شحنتين في جهتين متقابلتين من القفص سيجعل محصلة المجال الكهربي بينهما داخل القفص تتلاشى. حدث ذلك لأنهما متساويين في المقدار، ولكنهما عكس بعضهما في الاتجاه. بتعميم تلك النتيجة على كل شحنات القفص لن نحصل على أي مجال كهربي داخل القفص. فعندما يضرب البرق السيارة وبداخلها أحد لا يتأثر الشخص بالبرق، فبنفس فكرة القفص لا يتأثر ما بداخل السيارة بالمجال الخارجي. وتستخدم أيضًا فكرة قفص فاراداي في حماية الأجهزة من أي إشارات خارجية غير مرغوب بها. [1] فبالرغم من بساطة فكرة المجال التي فرضها فاراداي ما كان وصل العالم لما هو عليه من أنظمة حماية. فبتلك الافتراضات البسيطة يتغير العالم.
أحدثت «الموصلات أو الناقلات الفائقة-Superconductors» ثورة حقيقة في تكنلوجيا القرن العشرين، وأسهمت في تطوير قطاعات النقل والتخزين وتكنلوجيا المعلومات. فهي تتيح نقل التيارات الكهربائية دون أي هدر أو ضياع في الطاقة، وكأن التيار يستمر فيها لأجل غير مسمى. كما أن لها تطبيقات عديدة في حياتنا اليومية بدءًا من التجهيزات الطبية وحتى القطارات السريعة. فما هي الموصلات الفائقة؟ كيف تعمل ؟ وما آخر ما توصل إليه العلماء حولها؟
يطلق مصطلح الموصلات الفائقة على نواقل معدنية (غالبًا) تكون في حالة فيزيائية تسمى «الموصلية أو الناقلية الفائقة-Superconductivity». تتميز المادة في حالة الموصلية الفائقة بانعدام المقاومة الكهربائية التي تطبقها على التيار المار فيها. كما أنها لا تسمح بدخول الحقول المغناطيسية داخلها. لذلك تتيح الموصلات الفائقة نقل التيارات الكهربائية القوية دون أي ضياع في الطاقة، وتتدفق فيها الكهرباء بحرية دون عوائق.
غالبًا ما نصل إلى حالة الموصلية الفائقة عند تبريد بعض المواد إلى درجات منخفضة جدًا. في حين يعمل الباحثون الآن على تطوير موصلات قادرة على العمل في درجات الحرارة العادية، مما قد يحدث ثورة تكنلوجية أكبر. [1]
يعود اكتشاف حالة الموصلية الفائقة إلى عالم الفيزياء الهولندي «كامرلنغ أونس-Kamerlingh Onnes» عام 1911. كان أونس يدرس الخصائص الكهربائية لمادة الزئبق في مختبره في «جامعة ليدن-Leiden university» في هولندا. واكتشف أن المقاومة الكهربائية للزئبق تتلاشى كليًا عند تبريده بشكل الكبير، لحوالي 4.2 درجة مئوية فقط فوق الصفر المطلق*. وليتأكد من نتيجته؛ طبق أونس تيارًا كهربائيًا على عينة من الزئبق المبرد، ثم فصل منبع التيار. استمر جريان التيار في الزئبق دون أي ضياع، مما أكد انعدام المقاومة الكهربائية، وفتح لنا أبوابًا واسعة من تطبيقات الموصلية الفائقة. [1]
*«الصفر المطلق-Absolute zero»: هو أقل درجة حرارة يمكن الوصول لها وتساوي -273.15 درجة مئوية.
تاريخ الموصلية الفائقة
أمضى الباحثون عقودًا من الزمن يبحثون في طبيعة الموصلية الفائقة وما يسببها. فوجدوا أن عدة مواد (ليس كلها) تكتسب خاصية الموصلية الفائقة عند تبريدها إلى درجة حرارة معينة. توسع فهمنا للموصلات الفائقة مع اكتشاف الفيزيائيين «والتر ميسنر-Walther Meissner» و «روبرت أوكسنفلد-Robert Ochsenfeld» أنها “تطرد” الحقول المغناطيسية قريبة. مما يعني أنها تمنع الحقول الضعيفة من التوغل فيها. وقد سميت هذه الظاهرة «تأثير ميسنر-Meissner effect» عام 1933. [2]
ثم عام 1950 نشر عالما الفيزياء النظرية «ليف لانداو-Lev Landau» و «فيتالي جينزبرغ-Vitaly Ginzburg» أول نظرية ناقشت كيفية عمل الموصلات الفائقة. نجحت نظريتهما في توقع خصائص الموصلات الفائقة. ولكنها درستها على المقياس الكبير، وأهملت ما يحدث على المستويات دون الذرية. [3]
وأخيرًا؛ طور الفيزيائيون «جون باردين-John Bardeen» و «ليون كوبر-Leon Cooper» و «روبرت شريفر-Robert Schrieffer» نظرية BCS المتكاملة عن الموصلية الفائقة عام 1957. [4]
كيف تعمل الموصلات الفائقة؟
بدايةً؛ تتولد المقاومة الكهربائية في النواقل نتيجة ارتداد الالكترونات الحرة في الناقل. وبحسب نظرية BCS؛ تقترن الالكترونات في أزواج تعرف «بأزواج كوبر-Cooper pairs» عند تبريدها، مما يمنعها من الارتداد. حيث تكون أزواج كوبر شديدة الاستقرار عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا. ولذلك تختفي المقاومة الكهربائية ويسري التيار بشكل مثالي. [4]
تعمل النواقل هكذا في درجات الحرارة المنخفضة فقط. وما إن ترتفع درجة الحرارة قليلًا حتى تمتلك الإلكترونات الطاقة الكافية لكسر روابط كوبر وتتسبب في مقاومة كهربائية. لهذا السبب وجد أونس أن الزئبق يعمل كموصل فائق عند -268.96 درجة مئوية ليختفي التأثير عند -268.95 درجة مئوية. [1]
تطبيقات الموصلات الفائقة
من المحتمل أنك ولمرة في حياتك رأيت أو استخدمت موصلًا فائقًا دون أن تعي ذلك . فهي أساس عمل عدة تجهيزات طبية مثل «جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي-MRI» و«التصوير بالطنين المغناطيسي النووي-NMRI». تعتمد هذه الأجهزة على توليد حقول مغناطيسية قوية عن طريق مغانط كهربائية. إلا أن هذه المغانط قد تذيب معادن الأجهزة وتدمرها؛ بسبب الحرارة الناتجة عن أقل مقاومة في نواقلها العادية. ولكن بفضل الموصلات الفائقة التي تتيح نقل التيارات الكهربائية دون مقاومة نولد الحقول المغناطيسية الضرورية دون إحداث ضرر في الاجهزة. [5]
كما تستخدم مغانط قوية مشابهة في «قطارات ماجليف-Maglev trains» لرفع القطارات عن سككها وتخفيف الاحتكاك. وفي المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات عالية الطاقة والدارات الرقمية السريعة وأجهزة الكشف عن الجسيمات.
كذلك تستخدم الموصلات الفائقة لإمداد المدافع الكهرومغناطيسية بالطاقة، وهي أسلحة مدفعية تستخدم القوة الكهرومغناطيسية لإطلاق القذائف بسرعات هائلة. أي أنك تحتاج إلى موصل فائق إذا أردت ألا ينصهر جهازك ذو المغناطيس أو التيار القوي حال تشغيله. [6]
مدفع كهرومغناطيسي تابع للبحرية الأمريكية حقوق الصورة: SputnikNews
الحواسيب الكمومية
تعد الحواسيب الكمومية من أهم تطبيقات الموصلات الفائقة. حيث تُستخدم النواقل الفائقة في بناء الحواسيب الكمومية وتزويدها بالطاقة لما لها من خصائص فريدة في نقل التيار. تتألف الحواسيب الكمومية من وحدات كمية تسمى «الكيوبت-Qubit». في حين يمكن ل«بت-Bit» الحاسوب العادي أن يساوي إما 0 أو 1؛ توجد الكيوبتات في حالة من التراكب الكمي وتساوي 1 و 0 في نفس الوقت. يمكن للموصلات الفائقة تزويدها بهذه السمة؛ فالتيار المار في «حلقة فائقة التوصيل-Superconducting loop» يسري وفق اتجاه عقارب الساعة وعكسها في الوقت ذاته. [7]
آخر ما توصل إليه العلماء
يواجه العلماء تحديين في مجال الموصلات الفائقة. أولهما تطوير مواد تعمل كموصلات فائقة في الظروف العادية. حيث أن الموصلات الفائقة الحالية لا تعمل سوى عند درجات حرارة منخفضة جدًا. وثانيهما شرح آلية عمل وخصائص هذه الموصلات الجديدة.
أنواع الموصلات الفائقة
تصنف النواقل الفائقة في مجموعتين رئيستين:
«الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المنخفضة-low-temperature superconductors (LTS)» والمعروفة بالموصلات الفائقة التقليدية.
«الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المرتفعة-high-temperature superconductors (HTS)» والمعروفة بالموصلات الفائقة غير التقليدية.
تشرح نظرية BCS آلية عمل موصلات LTS. في حين تختلف آلية عمل موصلات HTS ولا تزال من الألغاز الكبرى في الفيزياء الحديثة. ولعل السبب في ذلك أن معظم الأبحاث السابقة اهتمت بموصلات LTS؛ لأن دراستها أسهل وتطبيقاتها أهم.
في المقابل؛ تثير ناقلات HTS اهتمام العلماء في الوقت الحالي. وتعرف بأنها أي موصل فائق يعمل عند درجة حرارة أعلى من -196.2 درجة مئوية. وحتى مع كون الدرجة هذه باردة كثيرًا؛ إلا أنها مرغوبة أكثر. لأننا نصل إليها باستخدام النيتروجين السائل الأكثر شيوعًا من الهيليوم السائل المستخدم في موصلات LTS. [1]
مستقبل الموصلات الفائقة
يمكننا القول أن ذروة السعي للباحثين في مجال الموصلات الفائقة هي التوصل إلى ادة تعمل كموصل فائق في درجة حرارة الغرفة. وأفضل ما توصلنا إليه حتى الآن هو موصل فائق يعمل عند 15 درجة مئوية. ويتكون السابق من مادة هيدريد الكبريت الكربوني بعد ضغطها بمقدار 267 مليار باسكال (واحدة قياس الضغط وتساوي 1 نيوتن / متر مربع). تعادل هذه القيمة الضغط الجوي داخل الكواكب الغازية كالمشتري، مما يجعلها غير عملية على الإطلاق.
ستمكننا النواقل الفائقة التي تعمل في درجة حرارة الغرفة من نقل التيار الكهربائي دون خسارة أو هدر وبكل سهولة. كما ستمنحنا قطارات ماجليف أكثر فعالية، وأجهزة تصوير طبية أرخص ثمنًا، وستكون تطبيقاتها غير محدودة عمومًا. [8]
كل ما على الباحثين هو معرفة ما قد يجعلها تعمل في تلك الحرارة، وما هي المادة السحرية التي ستسمح بذلك.
