طريقة عمل القطارات المغناطيسية

القطارات

يعد القطار من أهم وسائل النقل، سواءً للركاب أو البضائع، ويتألف من مجموعة عربات متصلة مع بعضها، وتسير على خطوط السكة الحديدية، والتي تتكون من مسارين للذهاب والإياب تجنبًا للتصادم، أو من مسار واحد فقط، حيث تتناوب القطارات بانتظام زمني حاد تجنبً للحوادث، ويتكون القطار من قاطرة في المقدمة هي عبارة عن محرك قوي، لتجر خلفها العربات، ويسير القطار على عجلات من الحديد الصلب التي تصنع بحيث يكون لها حافة جانبية من الداخل ترتكز على القضبان الحديدية، وتمنع القطار من الخروج عن مساره، وبداية كان القطار يعمل على الفحم ومع التطور العلمي أصبح هنالك القطارات الكهربائية وقطارات الديزل والقطارات المغناطيسية وغيرها، وسوف يتم التطرق في هذا المقال لطريقة عمل القطارات المغناطيسية.^[١]

تاريخ القطارات

بدأت فكرة القطارات في أوائل القرن التاسع عشر لتسهيل حركة النقل والتجارة، حيث كانت نقلة نوعية للعالم، فأصبح نقل البضاعة والبريد بشكل أسرع وحركة السير والتنقل بين الدول أسهل، وكان لها دور في تبادل الثقافات والتطور التكنولوجي، وتم افتتاح أول سكة حديدة في ألمانيا في عام 1835م، وتم تعديل القطارات في عام 1850م حيث أصبحت أرخص وأكثر متانة ودام تطور القطارات حتى عام 1925م حيث ظهرت أول القطارات الكهربائية، وتم إضافة العديد من الميزات للقطارات لتصبح أحد أهم وسائل النقل في العالم الحديث.^[٢]

المغناطيسية

لفهم طريقة عمل القطارات المغناطيسية لا بدّ من فهم مبدأ عمل المغناطيس، فالمغناطيسية هي القوة التي يؤثر بها المغناطيس على مغناطيس آخر أو معدن فيجذبه أو يدفعه، وهي ناتجة عن حركة الشحنات الكهربائية، حيث تتكون كل مادة من وحدات صغيرة تسمى الذرات وكل ذرة يدور حولها إلكترونات، وهذه الإلكترونات هي التي تحمل الشحنة الكهربائية، فبدوران الإلكترونات حول النواة تولد حركتها تيارًا كهربائيًا، فيصبح كل إلكترون كمغناطيس مجهري^[٣].

في معظم المواد تدور أعداد متساوية من الإلكترونات في اتجاهين متعاكسين، مما يلغي مغناطيسيتها، وهذا سبب في أن مواد مثل القماش والورق وغيرها لها مغناطيسية ضعيفة، أما المعادن مثل الحديد والنيكل والكوبالت، فأكثر الإلكترونات تدور في نفس الاتجاه وهذا يجعل ذرات هذه المواد مغناطيسية بقوة ولكن هي ليست مغناطيس بعد، فالمادة تحتاج أن توضع في مجال مغناطيسي لمغناطيس قوي لتتمغنط وتنجذب، وبشكل عام فإنّ المغناطيس له قطبين، شمالي وجنوبي، وعند اقتراب قطبين متعاكسين من بعضهما تتجاذب، أما لو كانت الأقطاب متوافقة فسوف تتنافر وتبتعد عن بعضها البعض^[٣].

يمكن مغنطة بعض المواد بواسطة التيار الكهربائي، فعندما يمر التيار الكهربائي عبر لفائف الأسلاك ينتج المجال المغناطيسي، ويختفي الحقل المحيط بالملف بمجرد إيقاف التيار الكهربائي، وبذلك تم تحديد نوعين من المغناطيسات، دائمة ومؤقتة المغنطة، ويرتبط القطبان الشمالي والجنوبي للمغناطيس باتجاه التيار الكهربائي المتدفق من خلاله، حيث عند عكس اتجاه التيار تنعكس القطبية، وهذا هو مبدأ دفع القطارات المغناطيسية أو ما يسمى مبدأ ماجليف الذي سيوضح طريقة عمل القطارات المغناطيسية.^[٣]

القطارات المغناطيسية

في أواخر الأربعينيات من القرن العشرين، طور المهندس الكهربائي البريطاني إريك لايثويت، وهو أستاذ في كلية إمبريال كوليدج في لندن، أول نموذج عمل بالحجم الكامل لمحرك الحث الخطي، وأصبح أستاذًا للهندسة الكهربائية الثقيلة في الكلية الملكية في عام 1964م، حيث واصل تطويره الناجح للمحرك الخطي، ونظرًا لأنّ المحركات الخطية لا تتطلب اتصالًا ماديًا بين المركبة والمسارات، فقد أصبحت عنصرًا أساسيًا في أنظمة النقل المتقدمة في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي^[٤].

كان المحرك الخطي مناسبًا بشكل طبيعي للاستخدام مع أنظمة ماجليف أيضًا، وفي أوائل سبعينيات القرن العشرين، اكتشف لايثوايت ترتيبًا جديدًا للمغناطيس، وهو النهر المغناطيسي، الذي سمح للمحرك الخطي الواحد بإنتاج كلاً من الرفع والدفع للأمام، مما يسمح ببناء نظام ماجليف بمجموعة واحدة من المغناطيسات، وتم العمل في قسم أبحاث السكك الحديدية البريطانية في ديربي، جنبًا إلى جنب مع فرق في العديد من شركات الهندسة المدنية، وبالفعل تم تطوير نظام "التدفق العرضي" ليصبح نظام عمل معتمدًا^[٤].

تم تسمية أول محرك تجاري مغناطيسي لشركة ماجليف بويبل ببساطة باسم ماجليف وتم افتتاحه رسميًا عام 1984م بالقرب من برمنغهام، إنجلترا، حيث تمكن المحرك من رفع 600 مترًا من مسار القطار الكهربائي بين مطار برمنغهام و محطة السكك الحديدية برمنغهام الدولي، وكانت تعمل بسرعات تصل إلى 42 كم / ساعة، ولكن تم إغلاق النظام في عام 1995م بسبب مشاكل الموثوقية.^[٤]

جنبًا إلى جنب مع هذا العمل كانت العديد من الدول تجري أبحاثًا في هذا المجال حتى أنتجت فكرة القطار المغناطيسي الذي كان ضربًا من الخيال العلمي سابقًا، ولكن بسبب الثمن الباهظ جدًا لمنظومة القطارات المغناطيسية لم تلقى انتشارًا واسعًا حيث إن القطار الكهربائي الموجود في الخدمة يلبي الاحتياجات، وسرعته كبيرة تقارب سرعة القطار المغناطيسي وبتكاليف أقل بكثير. وطبعًا البحث مازال مستمرًا في هذا المجال، لذلك يجب فهم طريقة عمل القطارات المغناطيسية كونها قطارات وعربات المستقبل القريب.^[٤]

طريقة عمل القطارات المغناطيسية

حتى يسير القطار المغناطيسي للأمام بسلاسة وسرعة كبيرة دون أي أخطار، ظهرت فكرة ماجليف برفع القطار في الهواء ثم سحبه للأمام، حيث يتم التخلص من قوى الاحتكاك المعيقة، ولفهم طريقة عمل القطارات المغناطيسية يجب فهم مبدأ التعويم ومبدأ سحب ودفع القطار فيما يأتي:

طريقة تعويم القطارات المغناطيسية

بعد فهم مبدأ المغناطيسات وقطبيتها، ومبدأ التنافر والتجاذب، سيتم توضيح طريقة عمل القطارات المغناطيسية، حيث يعتمد مبدأ ماجليف على رفع القطار فوق السكة ليصبح عائمًا، وذلك باستخدام قوة التنافر المغناطيسي، وهنا تتكون السكة الموجهة للقطار من مغناطيسات كهربائية قوية تشابه بقطبيتها مغناطيسات مثبتة أسفل قاعدة القطار لتصدها نحو الأعلى ويصبح القطار عائمًا، وقاعدة القطار على السكة على شكل حرف سي بالإنجليزية، أونصف إسوار وذلك لتحافظ على مسار القطار^[٥].

تم تصميم نظام ماجليف من مجموعة من المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل وفائقة القوة، ويستخدم هذا النوع من المغناطيسات كهرباء أقل من المغناطيسات التقليدية، لكن تحتاج لتبريد حتى درجات حرارة منخفضة جدًا بين -196 و -269 درجة مئوية لتبقى فائقة التوصيل، وهذه أول خطوة في طريقة عمل القطارات المغناطيسية.^[٥]

طريقة تحريك القطارات المغناطيسية

بعد رفع القطار وتعويمه لا بدّ من جعله يتحرك للأمام وهذه الخطوة الثانية في طريقة عمل القطارات المغناطيسية، ولتخيل طريقة دفع القطار للأمام، يعتمد نظام ماجليف على ثلاث صفوف من القطبان التي تتكون من مغناطيسات موضوعة على الأرض، يتم سحب المغناطيس الموجود في مقدمة القطار عن طريق جعل القطبية متعاكسة بينه وبين المغناطيس الموجود في مقدمة القطار.^[٥]

أما المغناطيس الموجود في الخلف فيتم جعل القطبية متوافقة مع المغناطيس الموجود على السكة وبذلك يدفع القطار للأمام، وينتقل المغناطيس الموجود في المقدمة إلى الأمام ليجد مغناطيس أخر في السكة يشده أيضًا، حيث إنّ السكة تتألف من سلسلة طويلة من المغناطيسات يتم التحكم بقطبيتها بالتناوب عن طريق عكس اتجاه التيار الكهربائي بشكل سريع جدًا بواسطة الحواسيب بحيث يمكنها تغيير أقطاب السحب و الدفع بسعرة وسلاسة وبالتالي جعل القطار يتحرك بشكل مستمر، وهكذا تم توضيح طريقة عمل القطارات المغناطيسية رفعًا وتحريكًا للأمام.^[٥]

المراجع

1. ↑ "Train", wikiwand.com, Retrieved 19-11-2019. Edited.
2. ↑ "Toy Trains", encyclopedia.com, Retrieved 20-11-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت} "Magnetism", nationalgeographic.orgMagnetism, Retrieved 19-11-2019. Edited.
4. ^ ^{أ ب ت ث} "Maglev", www.wikiwand.com, Retrieved 19-11-2019.
5. ^ ^{أ ب ت ث} "How do magnetic levitation trains work?", quora.com, Retrieved 19-11-2019. Edited.