article · Issue No. 39, June 1946 · p. 12 p. 13
Science in the Service of Man
العلم في خدمة الإنسان · امين احمد الشريف
There is no doubt that modern science contributes an ample share to making life easier. Very many indeed are the inventions and scientific discoveries that find practical applications in our daily lives. Add to this that these applications have entered into the very core of our lives, to the point where they are no longer luxuries but have become necessities demanded by the pattern on which we live. Electricity and its applications — radio, telephone, and telegraph — have all become an inseparable part of our civilization. Yet many of us enjoy these inventions and discoveries and use them daily without ever having acquainted themselves with the theoretical scientific principles that made the existence of these practical applications possible. In my view, the person who knows how the electric lamp gives light, for example, enjoys it the more and trusts it the more; for the more a man satisfies his scientific curiosity, the better he understands the scientific side of modern civilization, and the more he appreciates the services that science renders toward increasing man's prosperity.
In this article I shall try to set forth for the honored readers some of the fundamental principles on which electricity rests, because electricity constitutes the greatest motive power in the modern world, and because acquaintance with its principles opens the way to understanding many of its practical applications. But we must first cast a glance at the structure of matter before beginning our inquiry into electricity.
What is matter composed of?
We know that matter is made up of molecules, and these in turn are made up of atoms. Molecules and atoms differ as matter differs: the molecules of water, for example, are composed of the two elements oxygen and hydrogen, while the molecules of petroleum are composed of the two elements carbon and hydrogen. Yet however much the molecules or atoms of matter may differ, they all resemble one another in their construction; for all atoms, whatever their kind, their source, and the matter to which they belong, are built up of similar electrical units. Just as a man can build several houses of different appearance and shape from a single kind of stone, so nature builds the different elements from these similar electrical units. And just as the difference between the houses referred to is a difference in the arrangement of the stones, according to the architectural form to be brought out — not a difference in the unit of building, which is the stone — so the difference between the elements iron and copper, for example, is a difference in the arrangement of these electrical units, an arrangement that gives iron properties and characteristics distinguishing it from the properties and characteristics of copper.
The arrangement of the electrical units in the atom:
These electrical units, then, are the foundation on which matter is built. They are either negative, and are called electrons, or positive, and are called protons. These units are exceedingly small in size; no microscope can show them to us. A single gram of matter contains millions of millions of these infinitesimally minute electrical units. And though they cannot be seen, modern science possesses various means of proving conclusively that they exist. The protons, or positive units, are larger in size and heavier than the electrons, or negative units: the weight of a single proton equals the weight of 1,845 electrons. And this great difference in weight results from the electrons being more active and more mobile than the protons.
These electrical units, the electrons and protons, join together in building the atoms of matter. The atom, then, is nothing but an organized group of these negative and positive units, which are always present in equal quantities; the number of electrons neither exceeds the number of protons nor falls short of it. The atom consists of a nucleus containing all the protons together with some of the electrons, gathered into a dense, compact mass around which the remaining electrons revolve. We may liken the nucleus to the sun, with the electrons revolving around it as the planets revolve around the sun. Whenever the number of these units differs, the kind of element, or of the matter to which they belong, differs. The oxygen atom, for example, contains sixteen electrons and sixteen protons, while the iron atom is composed of fifty-six electrons and fifty-six protons; the gold atom of one hundred and ninety-seven electrons and as many protons; and the radium atom of two hundred and twenty-six electrons and as many protons. The difference, then, is at bottom a difference of number. Everything we call "matter" is composed of these minute electrical units: stone, iron, paper, plant, animal, and man — each of them is matter, or rather materials, built at bottom of electrons and protons.
Now that we have gained this acquaintance with the structure of matter, we can inquire into electricity.
We said above that the electrons are lighter in motion and more active than the protons. But these electrons move in order within the solar system of the atom: they revolve and revolve, forever and always. If, however, we can isolate these electrons and make them all travel in a defined direction, the result is what we call the electric current. Electricity, then, is nothing but streams of these electrons as they pass from one place to another.
And just as ease of travel depends to a great extent on the roughness or the goodness of the road, so the ease with which the throngs of electrons pass through a given body depends to a great extent on the capacity of that body to facilitate the passage of these throngs. Copper wires, for example, allow them to pass with great ease, and for that reason they are much used in carrying electric power from one place to another; while air allows the electrons to pass only with great difficulty, and under the influence of an electric force greater than the force these electrons need in order to travel through the copper wire. This difference in the ease with which electricity travels through different bodies, and the light and heat generated as a result of it, is one of the theoretical foundations on which electric lighting rests.
The electric lamp, or "bulb," is composed of a fine wire, usually made of a metal called tungsten. This wire is fixed inside a glass tube of spherical shape, as we all know, and is connected at its end with the source of the electric current outside. The lamp must be tightly sealed and emptied of air, because air contains the element oxygen, which reacts with the tungsten metal and renders it unfit for lighting for any length of time. The air is replaced by a gas called argon, an inactive gas which does not combine with the tungsten but helps to preserve it longer than if the lamp were emptied of all gas; for in that case — the case of absolute vacuum — the tungsten evaporates quickly, and the wire becomes incapable of long service. The presence of argon gas, then, is of double benefit: it reduces the amount of the tungsten's evaporation, and it does not react with it as does the oxygen present in the air.
As for the reason tungsten metal was chosen, it is that it melts only under the influence of a very high temperature — 3,370 degrees centigrade.
Let us now try to picture how electricity runs through the lamp. We said that the electric current is a great multitude of electrons traveling in one direction. When the electric current reaches one of the two ends of the metal wire in the lamp, these electrons try to travel inside it so as to pass out at the other end; and in their attempt to travel through this wire they meet with some difficulty. But they are compelled to travel, because they are all pushed by the electric force drawn from the town's electricity stations. Thus the difficulty of the electrons' passage through the metal wire generates friction between them and the atoms of tungsten. This friction causes the temperature of the wire to rise, just as one of us feels heat in his palms if he rubs one against the other. The greater the friction between the electrons and the tungsten atoms, the higher the temperature of the metal wire rises, until, when this heat reaches a certain degree, the wire begins to glow. Heat and light are in truth two different expressions of a single principle: any body that sends out a ray, or light, is a body whose heat has reached the degree of incandescence. A piece of cold iron gives no light at all; but if the blacksmith's fire is turned upon it, we see it glow red and send out a shining ray.
Hence, if the tungsten metal, in the state in which it exists inside the lamp, allowed the electrons to pass with great ease, no friction would occur and no light would be generated. And since it is a metal that melts only under very high heat, the heat produced by the friction referred to does not affect this wire as it would affect a wire that melts under low heat.
This has been a very summary inquiry into the theoretical side of electricity and into one practical application of it. My great hope is that this brief exposition may serve as an incentive to the honored readers to try to widen their knowledge of this important subject. For science is a sea of vast horizons: the deeper a man plunges into it, the greater grows his passion for it and his attachment to it.
If this article has been able to spur some readers to widen their knowledge, it will have achieved the essential purpose for which it was written.
مما لا شك فيه ان العلم الحديث يساهم بقسط وافر في تسهيل الحياة . فكثيرة جدا هي المخترعات والاكتشافات العلمية التي تجد لها تطبيقات عملية في حياتنا اليومية . زد على ذلك ان هذه التطبيقات قد دخلت في صلب حياتنا لدرجة انها لم تعد من الكماليات بل اصبحت ضروريات محتملة للوتيرة التي نعيش على غرارها . فالكهرباء وتطبيقاتها من راديو وتليفون وتلغراف اصبحت جميعا قسما لا يتجزأ من مدنيتنا ، لكن الكثيرين منا ينعمون بهذه الاختراعات والاكتشافات ويستعملونها يوميا دون ان يكونوا قد الموا بالمبادئ العلمية النظرية التي جعلت وجود هذه التطبيقات العملية في حيز الامكان . وعندي ان الشخص الذي يعرف كيف يضيء المصباح الكهربائي مثلا ، يزداد تمتعه به واطمئنانه اليه . لان المرء كلما اشبع فضوله العلمي زاد تفهما للناحية العلمية من المدنية الحديثة وازداد تقديرا للخدمات التي يؤديها العلم في سبيل زيادة رخاء الانسان .
وسأحاول في هذا المقال ان ابسط للقراء الكرام بعض المبادئ الاساسية التي ترتكز عليها الكهرباء ، لان الكهرباء تؤلف اكبر القوى المحركة في العالم الحديث ، ولان الالمام بمبادئها يفسح المجال لفهم كثير من تطبيقاتها العملية . ولكنه لا بد لنا من ان نلقي نظرة على تركيب المادة قبل البدء في البحث عن الكهرباء .
مم تتركب المادة ؟
من المعلوم لدينا ان المادة تتألف من جزيئات (molecules) وهذه بدورها تتألف من ذرات (atoms) وتختلف الجزيئات والذرات بحسب اختلاف المادة فجزيئات الماء مثلا تتألف من عنصري الاكسيجين والهيدروجين بينما تتألف جزيئات البترول من عنصري الفحم والهيدروجين على انه مهما اختلفت جزيئات المادة او ذراتها فهي تتشابه جميعا من جهة تركيبها ، فجميع الذرات ايا كان نوعها ومصدرها والمادة التي تنتمي اليها تتركب جميعها من وحدات كهربائية متشابهة . فكما ان المرء يستطيع ان يبني عدة بيوت مختلفة المظهر والشكل من نوع واحد من الحجر ، كذلك فالطبيعة تبني العناصر المختلفة من هذه الوحدات الكهربائية المتشابهة ، وكما ان الفرق بين البيوت المشار اليها هو فرق في ترتيب الاحجار . بحسب الشكل الهندسي المراد ابرازه لا فرق في وحدة البناء ، وهي الحجر ، كذلك فالفرق بين عنصري الحديد والنحاس مثلا هو فرق في ترتيب هذه الوحدات الكهربائية ترتيبا يعطي الحديد خواصا ومميزات تفرقه عن خواص النحاس وميزاته .
ترتيب الوحدات الكهربائية في الذرة :
هذه الوحدات الكهربائية هي اذن اساس بناء المادة . وهي اما ان تكون سالبة (negative) وتدعى الكترونات واما ان تكون موجبة (positive) وتدعى بروتونات. وهذه الوحدات صغيرة جدا في الحجم لا يستطيع اي مجهر ان يرينا اياها فالجرام (gram) الواحد من المادة يحتوي على ملايين الملايين من هذه الوحدات الكهربائية المتناهية الدقة . وهي وان كانت لا ترى الا ان لدى العلم الحديث وسائل شتى للبرهان القاطع على وجودها والبروتونات ، او الوحدات الموجبة ، اكبر حجما واثقل من الالكترونات ، او الوحدات السالبة ، فثقل البروتون الواحد يساوي ثقل ١٨٤٥ من الالكترونات . وينتج هذا الفرق الكبير في الوزن عن كون الالكترونات اكثر نشاطا وحركة من البروتونات .
فهذه الوحدات الكهربائية ، الالكترونات والبروتونات ، تشترك معا في بناء ذرات المادة . فالذرة اذن ليست الا مجموعة منظمة من هذه الوحدات السالبة والموجبة والتي توجد دائما بكميات متساوية ، فلا يزيد عدد الالكترونات عن عدد البروتونات او ينقص عنها . والذرة تتألف من نواة (nucleus) يحتوي جميع البروتونات مع بعض الالكترونات مجموعة في كتلة كثيفة متراصة تدور حولها بقية الالكترونات فيمكننا ان نشبه النواة بالشمس والالكترونات تدور حولها كما تدور الكواكب حول الشمس . وكلما اختلف عدد هذه الوحدات اختلف نوع العنصر او المادة التي تنتمي اليها . فذرة الاوكسيجين مثلا تحتوي ستة عشر من الالكترونات وستة عشر من البروتونات بينما تتألف ذرة الحديد من ستة وخمسين الكتروناً وستة وخمسين بروتوناً ، وذرة الذهب من مائة وسبعة وتسعين الكتروناً ومثلها بروتونات . وذرة الراديوم من مائتين وستة وعشرين الكتروناً ومثلها بروتونات . فالفرق اذن في اساسه فرق عددي . فكل شيء ندعوه
« مادة » مركب من هذه الوحدات الكهربائية الدقيقة ، فالحجر والحديد والورق والنبات والحيوان والانسان كل منها مادة بل مواد مبنية في اساسها من الليكترونات وبروتونات .
اما وقد ألمنا هذا الالمام بتركيب المادة فنحن الان نستطيع ان نبحث في الكهرباء .
قلنا فيما سبق ان الاليكترونات اخف حركة واكثر نشاطاً من البروتونات لكن هذه الاليكترونات تتحرك بنظام ضمن النظام الشمسي في الذرة فهي تدور وتدور دائماً وابداً . لكننا اذا استطعنا ان نعزل هذه الاليكترونات ونجعلها تسير جميعاً في اتجاه محدود نتج عن ذلك ما نسميه بالتيار الكهربائي . فالكهرباء اذن ليست الا سبلاً من هذه الاليكترونات حين تنتقل من مكان لآخر .
وكما ان سهولة السير تتوقف الى حد بعيد على وعورة الطريق او جودتها ، كذلك فان السهولة التي تنتقل بها جموع الاليكترونات ضمن جسم من الاجسام تتوقف الى حد بعيد على مدى قابلية هذا الجسم لتسهيل مرور هذه الجموع . فاسلاك النحاس مثلاً تسمح بمرورها بسهولة كبيرة وهي لذلك تستعمل كثيراً في نقل القوة الكهربائية من مكان الى آخر . بينما الهواء لا يسمح بمرور الاليكترونات الا بصعوبة كبيرة وتحت تأثير قوة كهربائية اكثر من القوة التي تحتاج اليها هذه الاليكترونات لكي تنتقل ضمن السلك النحاسي . وهذا الفارق في سهولة انتقال الكهرباء في مختلف الاجسام وما ينتج عنه من توليد النور والحرارة هو احد الاسس النظرية التي ترتكز عليها الانارة الكهربائية .
المصباح الكهربائي ، او « اللمبة » ، يتركب من سلك رفيع يصنع عادة من معدن يدعى التنغستن (Tungsten) وهذا السلك مركز في داخل انبوب زجاجي كروي الشكل كما نعلم جميعاً ، ومتصل من نهايته بمصدر التيار الكهربائي في الخارج . ويجب ان يكون المصباح محكم الاغلاق ومفرغاً من الهواء ، لان الهواء يحتوي عنصر الاوكسجين الذي يتفاعل مع معدن التنغستن ويجعله غير صالح للانارة مدة طويلة . ويستعاض عن الهواء بغاز يدعى ارغون (Argon) وهو غاز لا فاعلية له فهو لا يتحد مع التنغستن بل يساعد في المحافظة عليه مدة اكثر مما لو كان المصباح مفرغاً من اي غاز ، فالتنغستن في هذه الحالة ، حالة التفريغ المطلق ، يتبخر بسرعة ويصبح السلك غير قادر على ان يخدم مدة طويلة . فوجود غاز الارغون اذن فائدة مزدوجة لانه يقلل من مقدار تبخر التنغستن ولانه لا يتفاعل معه كما يتفاعل الاوكسجين الموجود في الهواء .
اما السبب في اختيار معدن التنغستن فهو لانه لا يذوب الا تحت تأثير حرارة مرتفعة جداً ٣٣٧٠ درجة سنتغراد .
ولنحاول الان ان نصور كيفية مسرى الكهرباء في المصباح . قلنا ان التيار الكهربائي عبارة عن مجموعة كبيرة من الاليكترونات التي تسير في اتجاه واحد . فعندما يصل التيار الكهربائي الى احد طرفي السلك المعدني في المصباح تحاول هذه الاليكترونات ان تسير داخله لكي تنفذ من الطرف الآخر وهي في محاولتها ان تسير ضمن هذا السلك تجد بعض الصعوبة لكنها مجبرة على السير لانها تدفع جميعاً بواسطة القوة الكهربائية المستمدة من مستودعات الكهرباء في البلدة . لذلك فان صعوبة انتقال الاليكترونات ضمن السلك المعدني يولد احتكاكاً بينها وبين ذرات التنغستن . وهذا الاحتكاك يسبب ارتفاعاً في حرارة السلك كما يشعر احدنا بالحرارة في كفيه اذا فرك واحدهما بالآخر . وكلما زاد الاحتكاك بين الاليكترونات وذرات التنغستن كلما ارتفعت حرارة السلك المعدني حتى اذا بلغت هذه الحرارة درجة معينة يبدأ السلك عندئذ ان يتوهج . فالحرارة والنور في الحقيقة تعبيران مختلفان لقاعدة واحدة ، فكل جسم من الاجسام يرسل شعاعاً او نوراً هو جسم بلغت حرارته درجة التوهج . فقطعة الحديد البارد لا تنير مطلقاً ، لكنها اذا سلطت عليها نار الحداد رأيناها تتوهج احمراراً وترسل شعاعاً مضيئاً .
لذلك فلو كان معدن التنغستن في الحالة الموجود عليها في داخل المصباح يسمح بمرور الاليكترونات بسهولة كبيرة لما حصل الاحتكاك ولما تولد النور . وبما انه معدن لا يذوب الا تحت تأثير حرارة جد مرتفعة فان الحرارة الناتجة عن الاحتكاك المشار اليه لا تؤثر في هذا السلك كما تؤثر في سلك يذوب تحت تأثير حرارة منخفضة .
هذا بحث مجمل جداً للناحية النظرية من الكهرباء ولتطبيق عملي لها وجل املي ان يكون هذا العرض الوجيز حافزاً للقراء الكرام لمحاولة زيادة الاطلاع على هذا الموضوع المهم . فالعلم بحر واسع الآفاق كلما توغل المرء فيه زاد فيه شغفاً وبه تعلقاً .
فاذا استطاع هذا المقال استفزاز بعض القراء لزيادة الاطلاع يكون قد حقق الغاية الاساسية التي كتب من اجلها .
Translation and transcription are machine-made and may contain errors. See it on the page.