دعونا ننظر إلى القيام بتحويل الكهرباء إلى حركة. اتجهت شركات السيارات أخيرا، إلى إنفاق مليارات الدولارات لتصنيع سيارات كهربائية تحول الكهرباء إلى حركة. تسعى تلك الشركات لابتكار محركات كهربية تتسم بالقوة والكفاءة لهذه السيارات. فما المحركات؟ هي إنها آلات تعمل على تحويل الطاقة الكهربية إلى حركة. وتقوم جميع المحركات على مبدأ يبدو بسيطا لكنه بالغ التعقيد في واقع الأمر: إذا وضعت ملفًا من الأسلاك الكهربية (يسري فيه تيار كهربي) في وجود مجال مغناطيسي، فسوف يدور الملف على الأرجح. وتتوقف سرعة دورانه على عوامل مختلفة، منها شدة التيار، وشدة المجال المغناطيسي، وشكل الملف، وما إلى ذلك. ويقول علماء الفيزياء إن المجال المغناطيسي يؤثر بعزم على الملف الموصل كهربيًّا. وتشير كلمة «عزم» إلى القوة التي تجعل الأجسام تدور.

بإمكانك تصور العزم بسهولة إذا سبق لك أن غيرت إطار عجلة سيارة؛ إذ لا بد أنك تعلم أن أصعب أجزاء هذه العملية هي فك الصواميل التي تثبت العجلة في محور الدفع. ويُعزى ذلك إلى أن تلك الصواميل تكون محكمة الربط، وأحيانًا ما يبدو أنها جامدة حتى إنك تؤثر بقوةٍ مهولة على مفتاح العجل الذي يُمسك بالصامولة. وكلما زاد طول مقبض مفتاح العجل، زاد العزم. وهكذا إذا كان المقبض بالغ الطول، فسيكون بإمكانك فك الصواميل بأقل جهد ممكن. أما عند ربط الصواميل بعد استبدال الإطار الاحتياطي بالإطار المفرغ من الهواء، فإنك تؤثر بعزم في الاتجاه المعاكس.

في بعض الأحيان، قد تجد أن الصواميل لا تتزحزح مهما بذلت من جهد؛ في تلك الحالة، عليك إما رش بعض من WD-40 (وهو منتج لا ينبغي أن يخلو منه الصندوق الخلفي للسيارة لهذا الغرض ولغيره)، ثم انتظر قليلا حتى تنفك الصامولة، أو بإمكانك الدق على ذراع مفتاح العجل بمطرقة (وهو الأداة الأخرى التي لا ينبغي أن تخلو منها السيارة!).

لسنا مضطرين أن نخوض في تعقيدات العزم هنا. كل ما ينبغي أن تعرفه هو أنك إذا مررت تيارًا كهربيًّا عبر ملف كهربي (وبإمكانك استخدام بطارية في هذه الحالة)، ثم وضعت هذا الملف في مجال مغناطيسي، فسيؤثر عزم على الملف، ومن ثم سيبدأ في الدوران. وكلما زادت شدة التيار وشدة المجال المغناطيسي، يزيد العزم. وهذا هو القانون الذي يقوم عليه محرك التيار المستمر، وهو نسخة بسيطة يسهل إعدادها.

إذن، ما وجه الاختلاف بين التيار المستمر والتيار المتردد؟ إن قطبية الطرفين الموجب والسالب في البطارية ثابتة لا تتغير (حيث يظل الموجب موجبًا ويظل السالب سالبا)؛ وهكذا، عند توصيل بطارية بسلك موصل يتدفق تيار كهربي باستمرار في اتجاه واحد وهذا ما نطلق عليه التيار المستمر ومع ذلك في المنازل (في الولايات المتحدة)، يتردد فرق الجهد بين فتحتي مخرج الكهرباء بتردد يبلغ 60 هرتز. وفي هولندا، ومعظم البلدان الأوروبية، يبلغ التردد 50 هرتز. ومن ثم، عند توصيل سلك كهربي، ولنقل المصباح كهربي متوهج أو ملف تسخين بمخرج كهرباء منزلي، فإن التيار يتردد (من اتجاه إلى الاتجاه المعاكس) بتردد 60 هرتز (أي إن التيار يتردد بين الاتجاهين 120 مرة في الثانية) وهذا ما يُطلق عليه التيار المتردد.

كل عام، في مادة الكهرباء والمغناطيسية التي أدرسها، نُقيم مسابقة لإعداد محرك كهربي. (وكانت المرة التي تجرى فيها تلك المسابقة أمامي قبل سنوات طويلة بين زميلي وصديقي الأستاذين فيت بوشا وفكتور وايسكوف). يتسلم كل طالب مظروفًا يحتوي على المواد البسيطة التالية: مترين من سلك نحاسي معزول، ومشبكي ورق، ودبوسي رسم وقطعتي مغناطيس، وقطعة خشب صغيرة. ويتعين عليهم إحضار بطارية مقاس AA بجهد 1.5 فولت. وبإمكانهم استخدام أية أدوات، ويجوز لهم قطع الخشب أو حفر ثقوب، لكن المحرك لا بد أن يُعد من المواد الموجودة في المظروف (ولا يجوز استخدام شريط لاصق أو صمغ). وكانت مهمتهم تتمثل في بناء محرك يعمل بأقصى سرعة ممكنة أي ينتج أكبر عدد ممكن من الدورات في الدقيقة باستخدام تلك المواد البسيطة. والغرض من مشابك الأوراق هو أن تستخدم كدعامات للملف خلال دورانه، وأما السلك فهو ضروري لصنع الملف، وأما المغناطيس، فلا بد أن يوضع كي يؤثر بعزم على الملف عند مرور التيار الكهربي فيه من البطارية.

لنفترض أنك ترغب في الاشتراك في المسابقة، وأنه بمجرد توصيلك البطارية بالملف الذي صنعته، بدأ الملف في الدوران باتجاه عقارب الساعة؛ لا بأس إلى الآن. لكن ربما تندهش إذا لم يستمر الملف في الدوران والسبب وراء ذلك أن العزم الذي يؤثر على الملف يعكس الاتجاه كل نصف دورة؛ ويكون انعكاس العزم عكس اتجاه دوران عقارب الساعة؛ ومن ثم قد يبدأ الملف الذي صنعته في الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة ولا حاجة لقول إن ذلك ليس المطلوب من المحرك؛ فنحن نريد دورانا مستمرا في اتجاه واحد (سواء أكان في اتجاه عقارب الساعة أو عكسها). ويمكن التغلب على هذه المشكلة من خلال عكس اتجاه التيار الساري عبر الملف كل نصف دورة. وعلى ذلك النحو، سيظل العزم يؤثر في الملف في اتجاه واحد فقط، ومن ثم، يستمر الملف في الدوران في ذلك الاتجاه فحسب.

هكذا، يتعين على طلابي حتمًا التغلب على مشكلة انعكاس العزم خلال بنائهم المحركات، وقلة منهم تنجح في بناء ما يُطلق عليه المبادل الكهربائي، وهو وسيلة تعكس اتجاه التيار بعد كل نصف دورة. لكنه معقد الصنع. ومن حسن الحظ أن ثمة حلا ذكيا ويسيرًا لتلك المشكلة دون عكس اتجاه التيار، ويتمثل الحل في التالي: إذا استطعت وقف سريان التيار (ومن ثم العزم المبذول على الملف) بعد كل نصف دورة، فلن يؤثر عزم على الملف على الإطلاق خلال نصف كل دورة، وهكذا يظل العزم يؤثر في اتجاه واحد في النصف الآخر من كل دورة. والنتيجة النهائية لذلك هو استمرار دوران الملف في نفس الاتجاه.

في هذه المسابقة، أمنح درجة واحدة لكل مئة دورة في الدقيقة ينتجها المحرك الذي صممه الطالب بحيث تكون الدرجة النهائية عشرين درجة؛ ويحب الطلاب هذا المشروع.

ويستطيع جميع الطلاب تقريبًا بناء محرك قادر على إنتاج 400 دورة لكل دقيقة بسهولة تامة. فكيف يجعلون الملف يدور في الاتجاه نفسه؟ أولا: بما أن السلك معزول تمامًا، فعليهم كشط الغطاء العازل عن أحد طرفي السلك، وذلك لكي يظل موصلا بأحد طرفي البطارية – ولا يهم بالطبع أي الطرفين يختارون؛ إلا أن التعامل مع الطرف الآخر من السلك هو الأصعب. فالطالب يريد أن يسري التيار في اتجاه واحد عبر الملف لنصف دورة – بعبارة أخرى، يريد أن يقطع الدائرة الكهربية في منتصف دورتها. ومن ثم فإنه يكشط نصف العزل فقط عن الطرف الآخر من السلك. وهذا يعني أن السلك العاري يعادل نصف محيط السلك. وهكذا، خلال توقف التيار الكهربي (أي كل نصف دورة)، يواصل الملف الدوران رغم عدم وجود عزم يؤثر عليه (وذلك لعدم وجود ما يكفي من احتكاك لإيقافه خلال نصف الدورة). ولضبط كشط العزل المحيط بالسلك ومعرفة نصف السلك الذي ينبغي أن يكون عاريًا لا مفر من إجراء تجارب – لكن كما سبق أن ذكرتُ ليس بإمكان أي شخص تقريبا أن يحصل على ملف يحقق أكثر من 400 دورة في الدقيقة وهذا ما فعلته – لكني لم أستطع الحصول على محرك ينتج أكثر من 400 دورة في الدقيقة.

بعد ذلك، أخبرني بعض طلابي بمشكلتي فما إن يبدأ الملف في الدوران لما يزيد قليلا عن بضع مئات من الدورات في الدقيقة، حتى يشرع في الاهتزاز على دعامتيه (مشبكي الأوراق)، مما يقطع الدائرة الكهربية بنحو متكرر، ومن ثم، يعرقل عزم الدوران. وهكذا، فقد عرف الطلاب الأذكياء كيفية أخذ قطعتين من السلك لتثبيت طرفي الملف على مشبكي الورق مع الحفاظ على دورانه بأقل قدر من الاحتكاك. وقد أدى ذلك التعديل إلى دوران الملف، صدق أو لا تصدق، 4000 دورة في الدقيقة!

هؤلاء الطلاب شديدو الإبداع. ففي جميع المحركات تقريبا، يكون محور دوران الملف أفقيًّا؛ إلا أن أحد الطلاب بنى محركا محور دورانه رأسي؛ وقد وصل أفضل محرك بناه هؤلاء الطلاب على الإطلاق إلى 5200 دورة في الدقيقة – تذكر أن تلك المحركات تعمل ببطارية صغيرة بجهد 1.5 فولت! أتذكر الطالب الفائز؛ كان طالبًا في السنة الأولى، وقد قال لي وهو يقف معي بعد المحاضرة أمام قاعة المحاضرات: «الأمر سهل يا أستاذ لوين بإمكاني أن أبني محركا ينتج 4000 دورة في الدقيقة في عشر دقائق تقريبًا». وقد عمد إلى تنفيذ ذلك أمام عيني.

لكن ليس عليك محاولة بناء أحد تلك المحركات. فهناك محرك أبسط يمكن بناؤه في بضع دقائق، وبمكونات أقل: بطارية قلوية، وقطعة سلك نحاسي صغيرة، وبرغي (أو مسمار)، وقطعة مغناطيس مستديرة صغيرة ويُطلق عليه المحرك المتجانس.

وفي عرض تقديمي أجريه في قاعة المحاضرات لا يقل تسلية عن مسابقة المحركات، ولكن بطريقة مختلفة تمامًا، أستعين بملف كهربي يبلغ قطره قدما وبلوح موصل. يولد التيار الكهربي المار في الملف مجالا مغناطيسيا، كما صرت تعرف؛ يولد التيار الكهربي المتردد في الملف مجالا مغناطيسيا مترددا. (تذكر أن التيار الكهربي الذي تولده البطارية تيار مستمر). وبالنظر إلى أن تردد التيار الكهربي في القاعة التي ألقي بها محاضراتي يبلغ 60 هرتز كشأن كل مكان آخر في الولايات المتحدة، فإن التيار ينعكس في الملف كل 1/120 ثانية. فإذا وضعت هذا الملف على لوح معدني، فإن المجال المغناطيسي المتغير (وأطلق عليه المجال المغناطيسي الخارجي) سيخترق اللوح الموصل. ووفقًا لقانون فاراداي سيؤدي هذا المجال المغناطيسي المتغير إلى سريان التيارات الكهربية في اللوح المعدني؛ هذه التيارات نسميها التيارات الدوامية. تلك التيارات الدوامية بدورها ستولد مجالاتها المغناطيسية المتغيرة. وهكذا، يصبح لدينا مجالان مغناطيسيان المجال المغناطيسي الخارجي والمجال المغناطيسي الذي تولده التيارات الدوامية.

خلال نصف الزمن في الدورة التي تستغرق 1/60 من الثانية، يكون اتجاها المجالين المغناطيسيين متعاكسين وسينفر اللوح من الملف، أما خلال النصف الآخر من زمن الدورة، فسيكون اتجاه المجالين المغناطيسيين واحدًا وسيجذب اللوح الملف. ولأسباب دقيقة نوعا ما وتقنية للغاية لدرجة يصعب معها مناقشتها هنا، هناك محصلة قوى تنافرية تؤثر على الملف، وتلك القوى شديدة بما يكفي لرفع الملف.

أرى أنه ينبغي لنا استغلال هذه القوة لرفع شخص، وقد قررت أن أرفع امرأة في الصف الذي أدرسه، كما يفعل السحرة، وذلك من خلال بناء ملف عملاق، وحثها على الرقود فوقه، ومن ثم رفعها وهكذا اجتهدتُ أنا وصديقاي ماركوس هانكن وبيل سانفورد (من مجموعة العروض العملية الفيزيائية) بتمرير ما يكفي من تيار عبر الملفات، ولكننا في كل مرة كان الأمر ينتهي بانصهار قواطع الدائرة الكهربائية. ومن ثم تواصلنا مع إدارة مرافق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأخبرناهم بما نحتاج إليه – بضعة آلاف أمبير من التيار الكهربي – فضحكوا منا؛ وأخبرونا قائلين: «علينا إذن أن نعيد تصميم معهد ماساتشوستس من جديد للحصول على هذا القدر من التيار الكهربي!». لقد كان ذلك مؤسفًا جدا؛ إذ إن عددًا من النساء كنَّ قد راسلنني عبر البريد الإلكتروني، عارضات أن تُرفعن على الملف. فكان علي أن أرد عليهن جميعًا برسائل اعتذار. لكن ذلك لم يُثننا عن المحاولة. وقد أوفيتُ بوعدي؛ لكن تبين أن المرأة كانت أخف وزنا بكثير مما خططت له في البداية.