تبليغاتX
فیزیک والکتریسیته

فیزیک والکتریسیته

يكي از بهترين تكنيكهادر دنياي پزشكي در تشخيص بيماريها استفاده از تصويربرداري تشديد مغناطيسي(MRI)است كه بدون تابش اشعه ايكس مي توان اسكن هاي واضحي از بافتهاي مختلف بدن گرفت . پديده تشديد مغناطيسي اولين بار تو سط دو فيزيكدان بنامهاي فليكس بلاچ و ادوارد پاركل بطور جداگانه كشف گرديد با اين كشف انها در سال 1952 مفتخر به دريافت جايزه نوبل گرديدند. سرانجام در سال 1970 دكترريموند دامادين به اين فكر افتاد كه از فراواني اب در بدن براي تصوير برداري به روش تشديد مغناطيسي استفاده كند در اين روش براي ايجاد يك تصوير سه بعدي بدن از سه جهت تحت تابش يك ميدان مغناطيسي قوي قرار مي گيردكه شدت ان گاهي 60000 برابر شدت ميدان مغناطيس زمين مي باشد. وچون در تمام اندامهاي بدن به ميزان معيني اب وجوداردبديهي است كه هيدروژنهاي موجود در اب كه دوقطبي هستند تحت تاثيرميدان مغناطيسي قرار گيرندو تقريبا در يك جهت بخط شوندكهاگر در اين حالت به بدن امواج راديويي با فركانس معين بتابانيم سبب توليد يك جريان الكتريكي توسط هيدروژن خواهد شد و مي توان با يك تقويت كننده وكامپيوتر تصويري از ان ناحيه معين بوجود اورد. پزشكان با استفاده از اين تكنيك ارزشمند توانستند از بافتهاي مختلفي مانند مغز تصاوير واضحي بدست اورند در شكل زير يك اسكن از سر انسان بروش MRIرا ميبينيداگرتوموري در ان باشد ان تومور به صورت لكه اي در تصوير ظاهر خواهد شدكه رنگش با ساير نقاط سر متفاوت است زيرا ميزان هيدرژن تومور با ميزان هيدرژنهاي اطراف فرق ميكند بنابراين پس از تابش امواج راديويي سيگنالها ودر نتيجه تصوير مربوط به ان ايجاد مي شود امروزه پزشكان با استفاده از اين فناوري مي توانند با تشخيص محل لخته شدن خون در قلب و يا مغز از وقوع سكته در انسان جلوگيري كنند. هنگامي كه بيماري براي اسكن به اين روش اماده ميشود بايد دقت شود كه همراه وي هيچ گونه فلزي نباشد زيرا سبب اختلال در تصوير مي شود.همچنين افرادي كه در دستها يا پاهايشان پلاتين كار گذاشته شده ويا افرادي كه از باطريهاي قلب استفاده ميكنند نبايد از اين روش براي عكس برداري استفاده نمايند.زيرا وسايل فلزي تحت تاثير ميدان مي توانند در بدن حركت كنند.

تابش الكترومغناطيسي-تابش جسم سياه

تابش الكترومغناطيسي:

هر شي در نجوم بوسيله تابش الكترو مغناطيسي مشاهده مي شود بنابر اين توجه به برخي از مباني فيزيك درباره تابش وجذب لازم است .تابش الكترو مغناطيسي فقط يك موج متحرك در ميدان مغناطيسي و الكتريكي است كه در معادلات ماكسول به هم مربوط مي شوند.موج الكترو مغناطيسي باسرعت نور منتشر مي شود. C=2.998*108

حاصل ضرب طول موج و فركانس برابر سرعت نور است.

C = F * g

كه به صورت سنتي طيف سنجها طول موج را اندازه گيري مي كنند. با وسائل جديد تمام محدوده طيف قابل مشاهده است. تعدادي ازطول موجهايي كه فقط مي توانند در بالاي جو اندازه گيري شوند؛درفنآوري ماهواره اي به كارمي روند.

 تابش نور به چندطريق صورت مي گيرد:

 1-فرآيند پهن شدگي (فرآيند گرما يوني )-تابش جسم سياه. 2-تابش خطي . 3-تابش سينكروترون ناشي از بارهاي الكتريكي شتابدار. ما درباره’ مورد اول بحث خواهيم كرد

 تابش جسم سياه:

 جسم گرم در دماي مشخص T گستره پهني از امواج الكترو مغناطيس تابش مي كندو جسم گرمتر آبي تر تابش ميكند . براي مثال داخل زمين يك مخزن نور است كه مانند يك باطري ضعيف شده كم نورتر وقرمزتر است . اين مسئله در ابتداي قرن بيستم در فيزيك كلاسيك حل شده ويكي از موفقيتهاي مكانيك كوانتومي شكل گرفته بود. طيف تابش گسيل يافته براي فيزيك كلاسيك يك مشكل بزرگ بود . استفان و بولتزمن كشف كردند كه تمام گرماي تابش شده بوسيله سطح جسمي با مساحت A و دمايT برابر است با:

 Q=AsT4 s =5.67*108

شدت تابش درواحد حجم كه تابع طول موج است ،اندازه گيري شد. موقعيت ماكزيمم ناگهاني در طيف ،توسط قانون جابجايي وينز ((Wiens تشريح شد و مكان بيشترين شدت در طول موج

3 ^10 *2.9 كه در آن Tدر مقياس كلوين است. بنابرا ين طول موج تابش گسيل يافته، نظريه تابشي جسم را ارائه مي دهد. تلاشهاي رايلي (Rayleigh)براي توضيح مشاهدات از نظر كلاسيكي نا موفق بود .او محاسباتي انجام داد با اين فرض كه موجها درون كاواك قرار بگيرند وتابش گريزي از سوراخ كوچكي در ديواره كاواك را بدست آورد.فقط طول موجهايي مجازبودند كه دقيقا موج بر ديواره كاواك قرار مي گرفت (ديواره كاواك مكان گره ها بود).

 رايلي فرض كرد كه هر گونه طول موج داراي انرژي KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بيني مي كرد كه در دماي T تابندگي (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.

 I(l)= T/landa^4

فرض بالا يك مشكل دارد؛وقتي طول موج صفر مي شود شدت بينهايت مي گرددواين مساله به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته شد. در سال 1900م.پلانگ اين مشكل را با گسسته فرض كردن تابش الكترو مغناطيسي حل كرد.او فرض كرد كه تابش بوسيله نوسانگرهاي الكترو مغناطيسي درون ديواره كاواك توليد ميشود.انرژي نوسانگرها فقط مي توانست به صور ت گسسته مضربي از بسامد باشدn=0,1,2,3,… ; E=nhn. محا سبات پلانگ تفاوت بنيادي با محاسبا ت رايلي داشت كه مقادير انرژي را پيوسته فرض كرده بود. محاسبات پلانك تابندگي در طول موج خاص را بصورت زير داد:

 I(l)=2*π*h*c^2/[l^5[exp(hc/lkT)-1]]

فرم بالاقانون استفان بولتزمن و قانونوينز را تاييد مي كند . در طول موجهاي زياد فرمول بال منجر به نتايج رايلي مي شود. در واقع در اندازه گيري دماي يك ستاره نوعي طيف سنجي يا نور سنجي ميتواند به كار رود. مقايسه بين تابندگي نسبي مقدار نور گسيل شده يك ستاره در دو طول موج:. اين نسبت مشخصه دمايي است بنابر اين اندازه گيري تمام طيف جسم سياه الزامي نيست.چون تابندگي در هر دماي مشخص به طور نسبي در شدت 550 nm بهنجار شده است.called V or Visual Band اندازه گيري دوم در تابندگي 440nm (( called B or Blue band )) اندازه گيري دما را ممكن ميسازد.

چرا ميدان مغناطيسي زمين عوض مي شود؟

ميدان مغناطيسي يا آهنربايي كره زمين در حال ضعيف شدن است. اگر اين كاهش در شدت ميدان با همين اهنگ به پيش رود ظرف 1200 سال آينده قطب نماهاي سراسر دنيا از كار خواهند افتاد تا مدتي به طرف همه جا ولي در واقع هيچ جا منحرف خواهند شد. سپس به آهستگي پس از گذشت دهها يا صدها سال بار ديگر همراستا خواهند شد اما اين بار به سمت جنوب.

 نتيجه اين مي شود كه ميدان مغناطيسي زمين وارونه خواهد شد اين اتفاق پسشتر نيز بارها روي داده است. زمين شناسان در سنگ هاي مغناطيسي چندين ميليون ساله قرايني يافته اند كه اين را تاييد مي كند. روشن است كه اين پديده بيانگر مطلب بسيار مهمي درباره هسته دروني زمين است.اما پرسش اينجاست كه اين مطلب مهم چيست؟ هسته زمين از آهن و نيكل تشكيل شده كه بخش عمده اي از انها به حالت گداخته وجود دارد اين مايع فلزي پيوسته در جنبش است و اين جنبش به نحوي جريانهاي الكتريكي به وجود مي اورند كه ميدان مغناطيسي زمين را ايجاد مي كنند. جزئيات اين فعاليت فلزي گداخته و تغييراتي كه در ميدان مغناطيسي زمين بوجود مي اورد هنوز روشن نشده است برخي از سرنخ هايي كه درباره رويدادهاي درون زمين در اختيار داريم از بررسي ساختار بيروني اين ميدان بسيار گسترده بدست آمده اند اين ميدان زمين را در محاصره خود دارد و تا صدها هزار كيلومتر در فضا ادامه دارد. ميدان مغناطيسي را مي توان به صورت مجموعه اي از خط هاي فرضي تصور كرد كه در فضا از قطب جنوب در جنوبگان تا قطب شمال در كانادا قوس مي زند و سپس در درون هسته زمين ادامه مي يابد تا بار ديگر از قطب جنوب سر در آورد. ميدان مغناطيسي زمين همواره نابسامان است. قطب هاي مغناطيسي زمين 11 درجه با قطب هاي جغرافيايي زمين فاصله دارند در اين ميدان پيچش ها و خميدگي هايي وجود دارد كه در آن نواحي ممكن است جهت عقربه قطب نما حتي تا 20 درجه از شمال حقيقي فاصله داشته باشد. دريانوردان اين نواحي را از قرن يازدهم هجري تا كنون نقشه برداري كرده اندتا مبادا قطب نماهايشان آنان را از مسير واقعي منحرف كند. از روي نوشته هاي آنان در ميابيم كه شدت ميدان مغناطيسي زمين افت و خيز بسيار زيادي دارد.و سالانه در حدود 20 كيلومتر به طرف غرب جابجا مي شود در نظر دانشمندان امروزي اين بدان معناست كه مايع گداخته هسته زمين با سرعتي در حدود نيم ميليمتر در ثانيه در حركت است. يعني در روز تقريبا مسافتي برابر نصف طول زمين فوتبال را مي پيمايد. زمين فيزيكدانان در مقياس گسترده تر با بررسي مغناطيس هايي كه در گدازه هاي منجمد باستاني محبوس شده اند ردپاي ميدان مغناطيسي زمين را 30 تا 50 ميليون سال گذشته دنيبال كرده اند همچنانكه سنگ ها گداخته مي شوند اتم هاي آهن موجود در آنها تمايل مي يابند با راستاي ميدان مغناطيسي ان دوره همراستا شوند. اين مدارك نشان مي دهد كه در گذشته ميدان مغناطيسي زمين در فاصله هاي زماني نامعين از 30 هزار سال گذشته تا 1 ميليون سال وارونه شده است. ميدان از اين رو به آن رو مي شود. يعني در مدت نزديك به 100 هزار سال ضعيف مي شود و سپس در جهت ديگر افزايش مي يابد.

 بسياري از زمين شناسان كه درباره علت وارون شدن ها بررسي مي كنند اكنون معنقدند كه ميدان مغناطيسي ضعيفي كه بر سطح زمين مي سنجيم ( آن قدر ضعيف كه آهنرباي نعلي شكل اسباب بازي هم 100 برابر از آن نيرومند است) تنها مشتي از خروار است. بخش عمده از فعاليت مغناطيسي زمين در هسته آهني و نيكلي آن صورت مي گيرد برابر مقبول ترين توضيحي كه براي اين مساله ارائه شده و به نظريه دينامو معروف است بخشي از ميدان كه در هسته زمين امتداد دارد در مايع باردار و گداخته آن محبوس شده و با چرخش زمين كشيده مي شود. درنتيجه به طور مستقيم از هسته نمي گذرد بلكه بارها دور هسته پيچيده مي شود تا مانند دسته اي از كش هاي محكم تشكيل خطوط شار نيرومندي را بدهد. بنابر اين نظريه جريان همرفتي فلز گداخته كه از اعماق هسته بالا مي آيد حلقه هاي كوچكي از اين ماده مغناطيسي دور هم پيچيده را به سطح مي راند كه از اينجا به فضا امتداد مي يابند و تشكيل ميدان آشنايي را مي دهد كه مي سنجيم. سپس يك بار ديگر به درون هسته شيرجه مي روند و سخت دور هسته پيچيده مي شوند بدين ترتيب ميدان خود را نگه مي دارند. در اين فرضيه درباره اينكه چه چيزي ممكن است باعث وارونه شدن ميدان شود چنين استدلال مي شود كه طبيعت غير قابل پيش بيني جريان همرفتي كه نقش دارد. اگر در يك نقطه چند حلقه بيشتر از نقطه ديگر جمع شود ذره هاي ميدان كه به سطح مي رانند در جهت مخالف حلقه مي زنند. احتمال ديگر آن است كه اين وارونه شدن ها به هيچ وجه كاتوره اي و تصادفي نيست. و اگر اطلاعات كافي داشتيم مي توانستيم آن ها را پيش گويي كنيم و شايد بر همكنش هاي الكترومغناطيسي مايع جوشان درون زمين چندان پيچيده اند كه وارونگي تصادفي به نظر مي رسد اگر چنين باشد شايد روزي دانشمندان بتوانند به ما بگويند كه وارونگي بعدي چه هنگام رخ مي دهد اما اكنون تنها كاري كه مي توانيم بكنيم اين است كه قطب نماهايمان را تماشا كنيم و حدس بزنيم در دل گداخته زمين چه مي گذرد.

+ نوشته شده در چهارشنبه پانزدهم اسفند 1386ساعت 12:25 توسط راضیه شیروانی |
بنيامين فرانكلين

بنيامين فرانكلين يك ديپلمات، سياستمدار، صاحب چاپخانه و دانشمند بود. او عدسيهاي دوكانوني، فرخوراك پز فرانكلين، اختراع كرد.

آزمايشاتي در رابطه با الكتريسيته انجام داد. فرانكلين در 1706 در بوستون، ماساچوست متولد شد. او هوش و استعدادش را در خواندن و نوشتن به زودي نشان داد. در سن ده سالگي مدرسه را ترك كرد تا حرفة پدرش ساختن شمع را ياد بگيرد. بنيامين جوان از اين كار متنفر بود و در سال بعد در مغازه چاپ برادرش جيمز شروع به شاگردي كرد. بعد از 5 سال مغازه برادرش را ترك كرد و به نيويورك رفت. در نيويورك كاري پيدا نكرد. بنابراين به فيلادلفيا رفت. فيلادلفيا در آن زمان شهر بزرگتري بود. فرانكلين به عنوان يك چاپگر بسيار موفق بود. ثروت به او فرصت داد تا روي اختراعات و علاقهمنديهايش كار كند. فرانكلين فهميد كه اجاقهاي معمولي ناكارا هستند. او اجاق فرانكلين را براي استفاده بهتر از حرارت طراحي كرد. اجاق او هواي سرد را گرفته گرم ميكرد و سپس هواي گرم شده را به چرخش در ميآورد.

اين اجاقها در امريكا و اروپا بسيار رايج شدند.الكتريسيته به تازگي در اروپا كشف شده بود. فرانكلين به شدت جلب آن شد و شش سال صرف تلاش براي توليد الكتريسيته كرد. فرانكلين بر روي رعد و برق و اين ايده كه بارهاي الكتريكي سبب توليد رعد و برق ميشوند متمركز شد. فرانكلين پيشنهاد كرد كه از ميلههاي برقگير رعد و برق براي دور كردن الكتريسيته از ساختمانها استفاده شود تا از سوختن آنها جلوگيري شود. با بستن يك كليد آهني به دنبالة يك كايت در يك طوفان، او موفق به شناسايي بارهاي الكتريكي شد. اين رعد و برق الكتريسيته بود. بنيامين فرانكلين سالهاي آخر عمرش را صرف دنبال كردن علاقهمنديها و كارهايش بر روي كلونيها و توليد براي ايالات متحده كرد. فرانكلين در سال 1790 در كشوري كه در شكلگيري و بهبودش كمك كرده بود درگذشت.

+ نوشته شده در دوشنبه بیست و نهم بهمن 1386ساعت 22:59 توسط راضیه شیروانی |
الكترو مغناطيس

هر شي در نجوم بوسيله تابش الكترو مغناطيسي مشاهده مي شود بنابر اين توجه به برخي از مباني فيزيك درباره تابش وجذب لازم است .تابش الكترو مغناطيسي فقط يك موج متحرك در ميدان مغناطيسي و الكتريكي است كه در معادلات ماكسول به هم مربوط مي شوند.موج الكترو مغناطيسي باسرعت نور منتشر مي شود. C=2.998*108
حاصل ضرب طول موج و فركانس برابر سرعت نور است.
C=F*g
كه به صورت سنتي طيف سنجها طول موج را اندازه گيري مي كنند.
با وسائل جديد تمام محدوده طيف قابل مشاهده است. تعدادي ازطول موجهايي كه فقط مي توانند در بالاي جو اندازه گيري شوند؛درفنآوري ماهواره اي به كارمي روند.

تابش نور به چندطريق صورت مي گيرد:
1-فرآيند پهن شدگي (فرآيند گرما يوني )-تابش جسم سياه. 2-تابش خطي .
3-تابش سينكروترون ناشي از بارهاي الكتريكي شتابدار.
ما درباره’ مورد اول بحث خواهيم كرد
تابش جسم سياه:

جسم گرم در دماي مشخص T گستره پهني از امواج الكترو مغناطيس تابش مي كندو جسم گرمتر آبي تر تابش ميكند .
براي مثال داخل زمين يك مخزن نور است كه مانند يك باطري ضعيف شده كم نورتر وقرمزتر است . اين مسئله در ابتداي قرن بيستم در فيزيك كلاسيك حل شده ويكي از موفقيتهاي مكانيك كوانتومي شكل گرفته بود.
طيف تابش گسيل يافته براي فيزيك كلاسيك يك مشكل بزرگ بود .
استفان و بولتزمن كشف كردند كه تمام گرماي تابش شده بوسيله سطح جسمي با مساحت A و دمايT برابر است با:
Q=AsT4 s =5.67*108
شدت تابش درواحد حجم كه تابع طول موج است ،اندازه گيري شد. موقعيت ماكزيمم ناگهاني در طيف ،توسط قانون جابجايي وينز ((Wiens تشريح شد و مكان بيشترين شدت در طول موج
-3^10*2.9 كه در آن Tدر مقياس كلوين است.
بنابرا ين طول موج تابش گسيل يافته، نظريه تابشي جسم را ارائه مي دهد.
تلاشهاي رايلي (Rayleigh)براي توضيح مشاهدات از نظر كلاسيكي نا موفق بود .او محاسباتي انجام داد با اين فرض كه موجها درون كاواك قرار بگيرند وتابش گريزي از سوراخ كوچكي در ديواره كاواك را بدست آورد.فقط طول موجهايي مجازبودند كه دقيقا موج بر ديواره كاواك قرار مي گرفت (ديواره’ كاواك مكان گره ها بود).
رايلي فرض كرد كه هر گونه طول موج داراي انرژي KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بيني مي كرد كه در دماي T تابندگي (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.
I(l)= T/landa^4
فرض بالا يك مشكل دارد؛وقتي طول موج صفر مي شود شدت بينهايت مي گرددواين مساله به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته شد.
در سال 1900م.پلانگ اين مشكل را با گسسته فرض كردن تابش الكترو مغناطيسي حل كرد.او فرض كرد كه تابش بوسيله نوسانگرهاي الكترو مغناطيسي درون ديواره كاواك توليد ميشود.انرژي نوسانگرها فقط مي توانست به صور ت گسسته مضربي از بسامد باشدn=0,1,2,3,… ; E=nhn.
محا سبات پلانگ تفاوت بنيادي با محاسبا ت رايلي داشت كه مقادير انرژي را پيوسته فرض كرده بود. محاسبات پلانك تابندگي در طول موج خاص را بصورت زير داد:
I(l)=2*π*h*c^2/[l^5[exp(hc/lkT)-1]]
فرم بالاقانون استفان بولتزمن و قانونوينز را تاييد مي كند
. در طول موجهاي زياد فرمول بال منجر به نتايج رايلي مي شود.
در واقع در اندازه گيري دماي يك ستاره نوعي طيف سنجي يا نور سنجي ميتواند به كار رود.
مقايسه بين تابندگي نسبي مقدار نور گسيل شده يك ستاره در دو طول موج:.
اين نسبت مشخصه دمايي است بنابر اين اندازه گيري تمام طيف جسم سياه الزامي نيست.چون تابندگي در هر دماي مشخص به طور نسبي در شدت 550 nm بهنجار شده است.called V or Visual Band )) ((
اندازه گيري دوم در تابندگي 440nm
(( called B or Blue band ))
اندازه گيري دما را ممكن ميسازد

+ نوشته شده در دوشنبه بیست و نهم بهمن 1386ساعت 22:53 توسط راضیه شیروانی |
باريكه الكتروني

همچنانكه بشر عميق و عميق تر به مطالعه خواص مواد اطراف خود مي پردازد با تعداد بيشتري از مظاهر نيروهاي الكتريكي مواجه مي شود انرژي الكتريكي براي بشر روشهاي گوناگون و دقيقي در حل مسائل مختلف علم و انقلاب تكنولوژيك معاصر به ارمغان آورد.

ساختمان اتم:

هر اتم به صورت سيستم يكي از بارهاي الكتريكي ظاهر مي شود. هسته داراي بار مثبت و الكترون هاي در حال چرخش در اطراف آن داراي بار منفي مي باشد. چون تمركز جرم اتم در هسته اش مي باشد. چنين به نظر مي رسد كه تقريبا تمامي وجود ماده با بار مثبت توام است كه به مقدار زيادي ، خواص دنياي اطراف ما را تعيين مي كند.

اختلاف بين مواد شيميايي مثلا اكسيژن و آهن فقط به واسطه اين واقعيت است كه هسته اتمي اكسيژن محتوي 8 بار مثبت و آهن محتوي 26 بار مثبت بوده و لايه هاي هر اتم داراي همان تعداد الكترون مي باشد بيشتر واكنشهاي شيميايي در طبيعت نتيجه عكس العمل بين الكترونهاي خارجي است كه بطور نسبي بيشترين فاصله را از هسته دارا مي باشند.

براي مدتها تصور مي شد كه الكترون ساده ترين و كوچكترين ذره در جهان است. الكترون هاي تمامي مواد كاملا يكسان و مشابه هم مي باشند. چه در آب يا چوب يا آهن تحت هيچ شرايطي ممكن نيست كه بار الكتريكي مثبت يا منفي كوچكتر از بار مطلق يك الكترون وجود داشته باشد.

قوانين حاكم بر حركت الكترون:

- در طي مطالعات زياد معلوم شده كه قوانين حركتي اثبات شده براي مواد بزرگ را نمي تواند بطور كامل براي الكترونهاي داخل اتم به كار رود. در اجسامي كه يكصد ميليونيم سانتي متر بعد دارند به كلي قوانين متفاوتي مطرح مي شود. در مقايسه با منظومه شمسي يا هر سيستم مكانيكي عظيم الجثه اي كه مي تواند با توجه به سرعت اوليه اش در هر مسيري حركت كند.

- الكترون ها در اتم مجبورند كه فقط در طول مدارهايي حركت كنند كه مربوط به مقادير معين انرژي و همان مغناطيسي آنها مي شود. به طوري كه الكترون نمي تواند مقادير ديگري انرژي را جز مقادير فوق الذكر داشته باشد. طبيعت منفرد و غير متوالي مكان الكترون ها در مدارها يا به طور دقيق تر وجود مقادير دقيقاً معين از انرژي در اتم يكي از خواص اساسي تئوري مكانيك كوانتومي است.

- بر طبق تئوري كوانتومي انتقال يك الكترون از يك مدار به مدار ديگر يعني از يك حالت انرژي به حالت ديگري از انرژي در اتم با جذب يا پخش يك بار انرژي دقيقا معين همراه است. اگر يك حالت معين انرژي بوسيله يك الكترون اشغال شود، الكترون ديگر نمي تواند آن را اشغال نمايد و يك اتم نمي تواند دو الكترون با حالت انرژي يكسان داشته باشد.

- از تمام حالات ممكني كه يك الكترون مي تواند در يك اتم داشته باشد در اولين حالت آن الكترون كمترين مقدار انرژي را داشته در نتيجه به شدت جذب هسته شده و در داخلي ترين مدار الكتروني نزديك به هسته متمركز مي گردد. بنابر اين ، همه الكترونها نمي توانند در يك سطح انرژي متمركز شوند و هر الكترون بعدي سطح انرژي بيشتري را اشغال كرده و بقيه سطوح غيراشغال شده باقي مي مانند. اين قانون كه نشان دهنده پخش الكترون در تمام عناصر به ترتيب افزايش انرژي مي باشد، حالت كوانتومي نام دارد.

- خواص شيميايي يك اتم بستگي به مقدار و ترتيب الكترون ها در مدار الكتروني دارد.

مدار الكتروني عناصر در جدول تناوبي:

- هر دوره تناوب از جدول تناوبي مطابق با شباهتهاي موجود در خواص شيميايي اتمها ساخته شده است. بنابر اين ، خواص شيمايي مثلا تناوب دوم ، نزديك به خواص شيميايي تناوب اول است.

- ترتيب الكترون ها در اتم ليتيوم شبيه اتم سديم است (با سطوح انرژي متفاوت تناوب بعدي). شكل الكتروني مشابهي را براي اتم پتاسيم داريم. در مورد اتمهاي روبيديوم و سزيوم همين شباهت وجود دارد. تمامي اين عناصر متعلق به اولين گروه از جدول تناوبي يعني گروه فلزات قليايي مي باشد.

- براي جداكردن خارجي ترين الكترون ها در اتمي مثلا ليتيوم لازم است كه انرژيي معادل 5.39 الكترون ولت مصرف شود. براي دو الكتروني كه به هسته نزديك تر مي باشند، چون با قدرت بيشتري به وسيله هسته نگهداري مي شوند انرژي اتصال آنها با هسته به ترتيب برابر 75.6ev و 122.4ev مي باشد.

- جريان مستقيمي از الكترون ها (مستقل از نوع اتمهايشان) در يك هادي يا نيمه هادي جريان الكتريسته خوانده مي شود.

انتقالات مجاز الكتروني بين ترازي:

- زماني كه يك اتم از خارج انرژي دريافت مي كند اين انرژي در بسته هاي دقيقا معين كوانتا جذب اتم مي گردد و الكترون ها به مدارهاي دورتر از هسته به سطوح انرژي بالاتر جابه جا مي شوند و جذب بيشتر كوانتاي انرژي به وسيله اتم باعث انتقال بيشتر الكترون از هسته مي گردد. اين حالت كه اتم به صورت تحريك شده در آمده نمي تواند براي مدت طولاني دوام بياورد و با برگشتن الكترون به حالت قبلي اتم نيز به حالت عادي خود بر مي گردد.

- قسمت زيادي از انرژي الكترون تحريك شده به صورت كوانتايي از اشعه الكترومغناطيس پخش مي شود زماني كه اين انتقال الكتروني در خارجي ترين لايه ها انجام گيرد كه انرژي اتصال الكترون به هسته كمترين مقدار است، كوانتاياشعه مادون قرمز ، نورمرئي يا اشعه ماوراي بنفش پخش مي گردد.

- در زماني كه الكترون ها به اربيتالهاي نزديك هسته منتقل شوند (براي مثال پرش به يك يا چند مدار) كوانتاي پر انرژي تري از تشعشعات الكترومغناطيسي «اشعه ايكس محتوي انرژي چند برابر بيشتر از تابش مادون قرمز و ماوراي بنفش) منتشر مي شود.

+ نوشته شده در دوشنبه بیست و نهم بهمن 1386ساعت 22:21 توسط راضیه شیروانی |
توليد الكتريسيته با كمك نيروى جزر و مد


نيروگاه هاى توليد الكتريسيته در اعماق آب درياها با استفاده از قدرت جزر و مد مى توانند كمكى براى مسئله انرژى جامعه بشرى باشند. نخستين پروژه از اين نمونه با يك سيستم نوين، در حال حاضر مشغول به كار است.

پره هاى 11 مترى يك توربين زير آبى به آرامى و بدون سر و صدا در حال گردشند. اين نخستين پروژه توليد الكتريسيته از نيروى جزر و مد در عمق درياست كه به شيوه اى نوين به كار گرفته شده است. توربين هاى توليد انرژى، كه در عمق 20 مترى در فاصله 2 كيلومترى ساحل «دوون» واقع در جنوب غربى انگليس كار مى كنند حاصل 4 سال تلاش مهندسان و كارشناسان دانشگاه كاسل آلمان است. اين تنها نيروى جزر و مد است كه پروانه هاى عظيم اين توربين هاى زيرآبى، با نام «جريان دريايى» را به چرخش درمى آورد. اين توربين ها، برخلاف توربين هاى بادى كه وابسته به شرايط آب و هوايى هستند مى توانند در اعماق دريا و به دور از تغيير و تحولات جوى به طور دائم به كار خود ادامه داده و به توليد الكتريسيته بپردازند.

در واقع، اينجا، صحبت از يك منبع انرژى پايان ناپذير است. البته بايد خاطرنشان شد كه استفاده از اين نيرو، ايده جديدى نيست. در قرن يازدهم ميلادى نيز آسيابان هاى سواحل ولز، سنگ هاى آسياب خود را با كمك نيروى جزر و مد به كار مى انداختند و بر همين اساس هم يك نيروگاه بهره بردارى از قدرت جزر و مد در «سانت متلو»ى فرانسه از 35 سال پيش تاكنون به كار مشغول است. اما از اين روش، تنها در شمار اندكى از سواحل جهان مى توان استفاده كرد. يعنى در سواحلى كه تفاوت ارتفاع سطح آب، در حين جزر و مد بيش از چندين متر است.

توربين موسوم به «جريان دريايى» نيز، از اين تفاوت ارتفاع استفاده مى كند. اما كار اين توربين، بر اصل ديگرى استوار است. اين چرخ آسياب زير دريايى، مانند نمونه هايى كه قبلاً از آنها ياد كرديم از نيروهاى عمودى بالا و پائين رفتن سطح آب استفاده نمى كند بلكه از جريان هاى افقى اى بهره مى گيرد كه بر اثر جزر و مد به وجود مى آيند. به همين دليل اين توربين جديد مى تواند در مكان هاى ديگر با ميزان كمتر جزر و مد نيز به كار گرفته شود.

از مزيت هاى ديگر اين توربين ها مى توان به اين نكته اشاره كرد كه براى به حركت درآوردن اين توربين ها نيروى زيادى لازم نبوده و اين توربين ها قادرند با سرعت هاى بسيار پائين نيز به حركت درآيند. ميزان كار مفيد به دست آمده از اين توربين ها 2 برابر ميزان كار مفيد توربين هاى بادى بر روى زمين است چرا كه جرم حجمى آب 700 بار بيشتر از جرم حجمى هواست و به همين علت نيروهاى انتقال يافته بزرگتر هستند. بايد يادآورى كنيم كه توربين «جريان دريايى» هنوز به صورت آزمايشى و با ميزان توليد حداكثر 300 كيلووات كار مى كند اما قرار است به زودى توربين ديگرى به كار گرفته شود كه حداقل 2 برابر توربين كنونى است.

متخصصان امر، تنها در اروپا 100 محل را شناسايى كرده اند كه مى توان در آنها با كمك نيروى جريان هاى دريايى، اختلاف ارتفاع سطح آب در هنگام جزر و مد و امواج، جمعاً 12 هزار مگاوات الكتريسيته توليد كرد: يعنى به ميزان 10 نيروگاه بزرگ اتمى. انرژى توليد شده 15 تا 20 درصد انرژى مورد نياز كشورهاى اروپايى است.

در سواحل نروژ توربين هاى مشابهى به كار گرفته شده اند. اين توربين ها قرار است به صورت آزمايشى، ابتدا تامين كننده برق ،50 سپس 1000 و سرانجام 20 هزار خانه مسكونى باشند. در سواحل جزيره «شتلند» توربين ديگرى به توليد الكتريسيته مشغول است. در مقابل سواحل كاليفرنيا، فلوريدا و كرانه شرقى كانادا پروژه اى مشابه به كار گرفته شده است. كارشناسان معتقدند طى 30 سال آينده مى توان از اين توربين ها براى توليد 40 درصد از انرژى مورد نياز خانه هاى مسكونى بهره جست.

در سواحل اسكاتلند براى توليد الكتريسيته تنها از نيروى امواج استفاده مى شود. باله ها جريان امواج را به درون تونلى منتقل كرده و به اين ترتيب توده هوا را به جلو مى رانند و با كمك اين توده هوا توربينى به گردش در مى آيد. اما ساده ترين سيستم بهره بردارى از انرژى جزر و مد سيستمى است كه دانماركى ها به كار مى گيرند. در اين سيستم، امواج مستقيماً توسط يك سطح شيب دار به سوى پره هاى توربين رانده مى شوند و آن را به حركت درمى آورند. طبق محاسبات شوراى مشورتى انرژى جهانى، حركت هاى دريايى از اين پتانسيل برخوردارند كه تمامى نياز جهان به انرژى را تامين سازند. البته سواحل كشور آلمان به خاطر رفت و آمد زياد كشتى ها و سرعت اندك جريان هاى آبى براى اين منظور مناسب نيستند.

در حال حاضر تقريباً 86 درصد از انرژى مورد نياز جهانيان توسط زغال سنگ، گاز طبيعى و نفت خام تامين مى گردد. اين سوخت هاى فسيلى نه تنها اثر گلخانه اى را در اتمسفر زمين تشديد مى كنند كه به نوبه خود تغييرات آب و هوايى را به دنبال دارد، بلكه منابع پايان ناپذيرى نبوده و سرانجام، روزى به پايان خواهند رسيد. طبق ارزيابى كارشناسان امر منابع نفت خام زمين كه به تنهايى 40 درصد از انرژى جهان را تامين مى كنند طى 50 تا 70 سال آينده به پايان خواهند رسيد.

+ نوشته شده در یکشنبه بیست و هشتم بهمن 1386ساعت 21:23 توسط راضیه شیروانی |
چوپان مغناطيسي

الكترونها در محيط پلاسمايي مثل گوسفنداني هستند كه در يك مرتع باشند. آنها به اطراف پرسه مي زنند و گاهي به سقلمه اي احتياج دارند تا باعث شود در راه مشخص گله قرار گيرند. چهاردهم نوامبر، يك تيم تحقيقاتي روشي را عرضه كرد كه با آن مي توان ديواري يكطرفه ساخت كه كه اجازه ي ورود الكترونها از يكطرف را مي دهد ولي الكترونهايي كه از طرف ديگر ديوار مي خواهند وارد شوند را مانع مي شود. اين روش جديدي براي به دام انداري الكترونها در محيط پلاسمايي است. اين ايده ما را به ياد "شيطانك ماكسول(Maxwell's Demon)" مي اندازد كه مي گفت فرض كنيد يك ظرف را با تيغه اي به دو قسمت تقسيم مي كنيم و يكطرفش را تا نصف از گاز پر مي كنيم. موجود هوشياري را در جلوي سوراخ بين دو نصفه ي ظرف قرار مي دهيم و او فقط مولكولهاي پرسرعت را انتخاب و به سمت ديگر هدايت مي كند. اين آزمايش نظري عملا غير قابل اجراست اما در اينجا با احتساب اينكه مقداري گرما هدر مي رود مي توان الكترونها را به دقت تفكيك كرد. (مثل همان كاري كه شيطانك جلوي دريچه در آزمايش ذهني ماكسول مي كرد!) قصه اينگونه است كه در يك راكتور گداخت بنام توكامك، محققان ميدان مغناطيسي براي نگه داري پلاسما در يك محل خاص بكار مي برند. يعني پلاسما را (كه مجموعه اي از الكترونهاست) درون ظرفي از جنس ميدان مغناطيسي قرار مي دهند. براي اينكار تعدادي از الكترونهاي پلاسما را در ميدان مغناطيسي مي اندازند كه باعث مي شود اين الكترونها دور حلقه اي شبيه به خانه ي حلزون بچزخند و اين خانه حكم ظرفي را دارد كه درونش پلاسما حبس مي شود. اما اين روش نيازمند اينست كه مقدار بسيار زيادي امواج راديويي به درون پلاسما فرستاده شود كه اين مقدار باعث گرم شدن بسياري از الكترونها و اتلاف گرمايي مي شود. نات فيش (Nat Fisch) از دانشگاه پرينستون (Princeton University) و همكارانش تصميم گرفتند كه انرژي لازم براي ظرف را بجاي اينكه به همه جا بفرستند فقط به يك منطقه ي كوچك بفرستند. اين ايده دو نوع ميدان مي خواهد. اول، يك لايه ي نازك از ميدانهاي الكترومغناطيس نوسان كننده مي خواهد كه بطور عمودي محوطه ي پلاسمايي را نصف مي كند و دوم، يك ميدان مغناطيسي ايستا مي خواهد. الكترونها ترجيح مي دهند كه از ديواره ي قوي و نوساني الكترومغناطيسي فاصله بگيرند بنابراين به عقب برميگردند اما ميدان مغناطيسي روي الكترونهاعمل مي كند و آنها را مجددا به جلو هدايت مي كند(مثل يك درب يكطرفه). نمايي از يك پلاسماي حبس شده در يك توكامك. توضيح كاملتر و واضحتر انست كه فرض كنيد يك الكترون به ديوار نزديك ميشود. ميدان مغناطيسي ايستا كه عمود بر ديوار است باعث مي شود كه الكترون روي مسيري حلزوني شكل به سمت ديوار جلو برود. در نزديكي هاي ديوار فركانس اين چرخش رو به جلو با فركانس نوسان ميدان الكترومغناطيسي ديوار هماهنگ مي شود و باعث مي شود كه الكترونها در جاي مشخصي از مدار چرخششان ناگهاني به سمت داخل كشيده شوند. اين شوت شدگي به سمت ديگر ديواره براي تمام الكترونها در همان جهت وجود دارد. يعني فرقي نمي كند كه الكترون به ديواره از كدام سمت نزديك شود. اگر الكتروني مثلا از سمت ديگر به ديوار نزديك شود، ميدان مغناطيسي ايستايي كه الكترونها را رو به يك سمت هدايت مي كند باعث دوري آن الكترون از ديوار مي شود. بنابراين مي بينيد كه ديوار اينجا مثل شيطانك ماكسول كه به يكسو تفكيك مي كرد عمل مي كند. حالا اين تيم در حال عملي كردن اين ايده هستند تا بتوانند با دو ديوار الكترونها را بين اين دو حبس كنند.

+ نوشته شده در یکشنبه بیست و هشتم بهمن 1386ساعت 20:59 توسط راضیه شیروانی |
توليد الكتريسيته از شكلات!

به تازگي جمعي از مايكروبايولوژيست ها در يكي از دانشگاههاي انگليس يكي از باكتري هاي موجود در شكلات را كه از شكر تغذيه مي كند به وسيله اضافات شكلاتهاي يك كارخانه پرورش دادند و سپس يك باطري هيدروژني را با هيدروژن توليد شده از فعاليت باكتري ها شارژ كرده و ثابت كردند كه مي توان از شكلات انرژي الكتريكي دريافت كرد.
اين تيم تحقيقاتي باكتري اسچريچيا كولي (Escherichia coli) موجود در شكلات را با كارامل رقيق شده تغذيه كردند، باكتري مورد نظر شكر را مصرف و هيدروژن توليد كرد.
سپس محققين هيدروژن حاصل شده از باكتري را براي شارژ يك باطري هيدروژني استفاده كردند و باطري هيدروژني نيز پس از شارژ الكتريسيته كافي براي راه انداختن يك دستگاه خنك كننده كوچك را توليد كرد.
اين كشف تازه راه مصرف فوق العاده اي را براي استفاده از اضافات و زايده هاي كارخانه هاي شكلات سازي ايجاد خواهد كرد.
جالب اينجاست كه كار اين باكتري تنها با يك بار مصرف شكر و توليد هيدروژن تمام نمي شود و مي تواند همچنان درعرصه تامين سوخت هيدروژني فعال باشد. دانشمندان باكتري را در ظرف مخصوصي حاوي هيدروژن و مايع زايد حاصل شده از روند تبديل شكر به هيدروژن قرار مي دهند و دوباره آنزيم توليد كننده هيدروژن را در آنها فعال ميكنند.
محققين براي استفاده مجدد از باكتري ها ، گاز هيدروژن را به الكترون هاي تشكيل دهنده آن تجزيه مي كنند سپس الكترون هاي توليد شده را با الكترون هاي فلز پلاديوم در محلول هيدروژن و مايع زايد حاصله از فعاليت باكتري ها قرار مي دهند تا الكترون ها با هم واكنش شيميايي انجام دهند.
اين واكنش موجب مي شود تا پلاديوم از محلول جدا شده و به باكتري بچسبد و در پي اين عمل باكتري براي استفاده مجدد حفظ مي شود.

+ نوشته شده در شنبه بیست و هفتم بهمن 1386ساعت 14:42 توسط راضیه شیروانی |
طوفان مغناطيسي


همانند طرح يك فيلم علمي-تخيلي نوع ب، اتفاق عجيب غريبي در عمق زير زمين در حال اتفاق افتادن است، جايي كه چرخش پيوسته‌ي هسته‌ي مايع و فلزي زمين، ميدان مغناطيسي نامرئي‌اي توليد مي‌كند كه سياره‌ي ما را از تابش‌هاي مضر كيهاني محافظت مي‌كند. اين ميدان، به آرامي در حال ضعيف‌تر شدن است. آيا ما به سمت رستاخيز غيرمغناطيسي شدني به پيش مي‌رويم كه ما را در برابر اثرات مهلك بادهاي خورشيدي و اشعه‌هاي كيهاني بدون دفاع باقي مي‌گذارد؟ «طوفان مغناطيسي» براي آينده‌ي مبهم مغناطيسي ما محتمل به نظر مي‌رسد. دانشمنداني كه اين مسأله را مورد بررسي قرار داده‌اند در همه‌جا به مطالعه پرداخته‌اند، از مريخ، كه در چهار بيليون سال پيش دچار يك بحران مغناطيسي شده است و از آن زمان به بعد عاري از هرگونه ميدان مغناطيسي، جو قابل ملاحظه و محتملاً حيات شده است، گرفته تا آزمايشگاهي در دانشگاه مريلند، كه تيمي به سرپرستي دن لاترپ فيزيكدان، دست به شبيه‌سازي هسته‌ي مذاب آهني زمين با استفاده از 240 پوند سديم مذاب به شدت قابل انفجار زده‌اند. واضح‌ترين نشانه‌هاي ميدان مغناطيسي زمين شفق‌هاي قطبي هستند، كه در اثر برهمكنش ذرات باردار كيهاني با جو زمين در هنگام فروافتادن در قطب شمال و جنوب مغناطيسي به وجود مي‌آيند.

ليكن نشانه‌هاي تحليل ميدان مغناطيسي بسيار ظريف مي‌باشند - اگرچه آن‌ها در هر ظرف سفالي‌اي كه تا كنون در كوره پخته شده است آشكارند. در هنگام پخته شدن سفال‌ها در دماي بالا، ناخالصي‌هاي آهني موجود در خاك رس حالت دقيق ميدان مغناطيسي زمين را دقيقاً در آن لحظه به ثبت مي‌رسانند. جان شاو زمين شناس از دانشگاه ليورپول انگليس، با بررسي كوزه‌ها از عصر حجر تا زمان حال مدرن كشف كرده است كه شدت تغييرات ميدان مغناطيسي تا چه حد هيجان‌انگيز مي‌باشد. او مي‌گويد: «هنگامي كه ما نمودار نتايج حاصل از سراميك‌ها را رسم مي‌كنيم، كاهش سريعي را با حركت به سمت زمان حال مشاهده مي‌كنيم. نرخ تغييرات در 300 سال اخير از هر زمان ديگري در 5000 سال گذشته بيشتر است. ميدان مغناطيسي از يك ميدان قوي به سمت يك ميدان ضعيف به پيش مي‌رود، و اين اتفاق به سرعت در حال افتادن است.»

با نرخ كنوني، ميدان مغناطيسي زمين در عرض چندين قرن به طور كامل از بين مي‌رود، و سياره زمين در برابر جرقه‌هاي بي‌رحمانه‌ي ذرات باردار كيهاني بدون حفاظ مي‌ماند با نتايجي غير قابل پيشبيني براي جو زمين و حيات. احتمالات ممكن ديگر: ميدان مي‌تواند از ضعيف شدن دست بكشد و دوباره قوي بشود، و يا بعد از ضعيف شدن تا حد خاصي ناگهان جهت خود را تغيير دهد - يعني اين‌كه قطب‌نماها سمت قطب جنوب را نشان مي‌دهند. آثار قديمي‌تري از نوسان ميدان مغناطيسي زمين نسبت به آن‌چه از تحقيقات شاو حاصل شده است نتايجي بسيار پيچيده‌تر را نشان مي‌دهد. گدازه‌هاي آتشفشاني كهن در جزيره هاوايي هم در مورد قدرت ميدان مغناطيسي زمين با توجه به زمان سرد شدن گدازه‌ها و هم در مورد جهت قطب‌هاي شمال و جنوب مغناطيسي با توجه به جهت گدازه‌ها به ما اطلاعات مي‌دهند. مايك فولر زمين‌شناس از دانشگاه هاوايي مي‌گويد: «وقتي ما به 700,000 سال پيش بر‌مي‌گرديم پديده‌ي غير قابل باوري را مشاهده مي‌كنيم. جهت مغناطيسي صخره‌ها ناگهان در جهت معكوس قرار گرفته است. به جاي آن‌كه آن‌ها به سمت شمال مغناطيسه باشند- همانند چيزي كه امروز مشاهده مي‌كنيم - به سمت جنوب مغناطيسه شده‌اند.»

به نظر مي‌رسد كه چنان تغيير جهت ميدان مغناطيسي‌اي به طور متوسط هر 250,000 سال يك‌بار به وقوع پيوسته است، كه نتيجتاً هم اكنون براي جابه‌جايي ديگري در قطب‌هاي مغناطيسي خيلي هم دير شده است. گري گلاتزماير دانشمندي از دانشگاه سانتا كروز كاليفرنيا چنان جابه‌جايي‌هايي را بين دو قطب شمال و جنوب در شبيه‌سازي‌هاي كامپيوتري مشاهده كرده است (يكي از شبيه‌سازي‌ها را در اين‌جا مي‌بينيد). اين اتفاقات مجازي شباهت خيلي زيادي با رفتار كنوني ميدان مغناطيسي زمين نشان مي‌دهد ولذا مي‌توان نتيجه گرفت كه ما در آستانه‌ي تجربه يكي ديگر از جابه‌جايي‌هاي قطب‌هاي زمين قرار داريم، اگرچه تكميل آن چندين قرن به طول مي‌كشد.

برخي از محققان عقيده دارند كه ما در حال حاضر هم در مرحله انتقالي قرار داريم، با توجه به توسعه نواحي‌ با رفتارهاي غير متعارف مغناطيسي - كه خطوط ميدان در جهت اشتباه حركت مي‌كنند - نشانه‌هايي از حالت ضعيف‌تر و آشوبناك‌تري براي سپر محافظ ما است.

راب كو زمين شناس از دانشگاه سانتا كروز كاليفرنيا، حتي ممكن است شواهدي در گدازه‌هايي در اُرگان پيدا كرده باشد كه حاكي از ضربات مغناطيسي ناشي از دوره‌ي جابه‌جايي مي‌باشد. تصويري كه ايجاد مي‌شود ممكن است به پرسروصدايي استانداردهاي آبروريزي‌هاي هاليوودي نباشد، ليكن با توجه به اين‌كه تمدن بشري هيچ گاه در چنين موقعيتي قرار نداشته است، نسل بشر مي‌تواند دوران جالب و پرمبارزه‌اي را در پيش رو داشته باشد.

 

+ نوشته شده در جمعه بیست و ششم بهمن 1386ساعت 20:41 توسط راضیه شیروانی |
الكتريسيته و مغناطيس

اثرهای ساده الکتریکی و مغناطیسی را از زمانهای قدیم می‌شناختند. حدود 600 سال قبل از میلاد، یونانیان می‌دانستند که آهنربا آهن را جذب می‌کند و کهربای مالیده به لباس چیزهای سبک مانند کاه را به سوی خود می‌کشد. با این حال، اختلاف بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی تعیین نشده بود و این پدیده‌ها را از یک نوع در نظر می‌گرفتند.
خط فاصل روشن بین این دو پدیده را «گیلبرت» (W. Gilbert)، فیزیکدان و طبیعت شناس انگلیسی، پیدا کرد؛ و نیز در سال 1600 کتابی درباره آهنربا و «اجسام آهنربایی» و «زمین به عنوان آهنربای بزرگ» منتشر کرد. کار وی شروع بررسی در پدیده‌های الکتریکی را نشان می‌دهد. در این کتاب، گیلبرت همه خواص آهنرباهای شناخته شده تا آن زمان را تشریح کرده و نتایج آزمایشهای خیلی مهم خودش را نیز آورده است. همچنین، وی شماری از تفاوتهای اساسی بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی را مشخص و اصطلاح «الکتریسیته» را وضع کرده است.
سیر تحولی و رشد:
بعد از انتشار کارهای گیلبرت، تمایز بین پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی مسلم شد؛ اما به رغم این اختلافها، شماری از واقعیتها ارتباط ناگسستنی بین این پدیده‌ها را پدیدار ساخت. برجسته‌ترین این واقعیتها مغناطیس اشیای آهنی و وارونی عقربه قطب نما بر اثر آذرخش بودند.
«آراگو» (D. F. Arago)، فیزیکدان فرانسوی، در کتاب خود به نام «تندر و آذرخش» شرح می‌دهد که چگونه در ژوئیه سال 1681، در کشتی «راین» (reine) - واقع در دریای آزاد - حدود صدها مایل از ساحل بر اثر آذرخش دکلها و بادبانها و ... به طور جدی صدمه دیدند. وقتی که شب فرا رسید، از روی وضع ستارگان دریافت که از سه قطبنمای در دسترس دو تا به جای شمال به سمت جنوب ایستاده بودند؛ در حالی که یکی از آنها به سمت شمال بود، آراگو همچنین شرح می‌دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد و چنگال و سایر اشیای آهنی را بشدت آهنربا می‌کند.
در آغاز قرن هجدهم، ثابت شد که آذرخش در واقع جریان الکتریکی شدیدی است که از هوا می‌گذرد. بنابر این، به این نتیجه می‌رسیم که جریان الکتریکی خواص مغناطیسی دارد؛ اما این خواص جریان را فقط در سال 1820 «اورستد» (H. Oersted)، فیزیکدان دانمارکی، با آزمایش مشاهده و بررسی کرد.
همان طوری که نیروهای مؤثر در بارهای الکتریکی نیروهای الکتریکی نام دارد، نیروهای مؤثر در آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی را «نیروهای مغناطیسی» می‌گویند.
منشأ میدان مغناطیسی:
اگر در فضا نیروهای الکتریکی حاکم باشد و بر ذرات باردار نیروی الکتریکی وارد کند، می‌گوییم در این فضا میدان الکتریکی وجود دارد. از این رو، آزمایش نشان می‌دهد که در فضای اطراف جریان الکتریکی نیروهای مغناطیسی ظاهر می‌شود؛ یعنی میدان مغناطیسی به وجود می‌آید.
اولین سؤال اورستد:
آیا ماده سیم روی میدان مغناطیسی به وجود آمده از جریان اثر دارد یا نه؟ اورستد دریافت که سیمهای اتصال را می‌توان از چند سیم یا نوار باریک مختلف درست کرد و جنس فلز در نتیجه اثر نمی‌گذارد (باحتمال، اگر بزرگ باشد، اثر می‌گذارد)؛ چون فلزات مختلف مقاومتهای الکتریکی متفاوتی دارند. اگر به باتری وصل شود، ممکن است جریانهای متفاوت داشته باشد و در نتیجه اثر مغناطیسی این جریانها متفاوت خواهد بود؛ اما باید به یاد داشت که آزمایش اورستد پیش از وضع قانون اهم و دستیابی به مفهوم بستگی مقاومت رساناها به جنس ماده تشکیل دهنده آنها انجام گرفته است. اگر آزمایش اورستد با سیمهای پلاتین و طلا و نقره و برنج و آهن یا نوارهای روی و قلع یا جیوه انجام گیرد، همین نتیجه اخیر به دست می‌آید. اورستد آزمایشهایش را با فلز، یعنی رساناهایی با رسانش الکترونی، انجام داد.
اثر مغناطیسی جریان الکترولیتی:
اگر در آزمایش اورستد فلز رسانا با لوله دارای الکترولیت یا لوله‌ای استفاده شود که داخل آن تخلیه الکتریکی صورت می‌گیرد، هرچند در این حالتها جریان الکتریکی از حرکت یونهای مثبت و منفی ناشی می‌شود، اثر آنها روی عقربه مغناطیسی با اثر رسانای فلزی یکسان است. بدون توجه به رسانای حامل جریان، در فضای اطراف آن میدان مغناطیسی به وجود می‌آید. از این رو، می‌توان گفت که در اطراف هر جریانی میدان مغناطیسی ظاهر می‌شود. این خاصیت اصلی جریان الکتریکی در تأثیرات حرارتی و شیمیایی جریان الکتریکی نقش دارد.
اثر مغناطیسی جریان و خواص الکتریکی رسانا
ایجاد میدان مغناطیسی معمولترین خاصیت از سه خاصیت جریان الکتریکی است. جریان الکتریکی فقط در یک نوع رسانا (الکترولیتها) اثر شیمیایی به وجود می‌آورد، نه در دیگران (فلزات). مقدار جریان آزاد شده از جریان، بسته به مقاومت رسانا، ممکن است بیشتر یا کمتر باشد. در ابر رساناها، ممکن است همراه جریان گرما آزاد شود. از طرفی دیگر، میدان مغناطیسی با جریان الکتریکی پیوندی جدایی ناپذیر دارد. این میدان به خواص مشخصی از رسانا بستگی ندارد و فقط شدت و جهت جریان آن را تعیین می‌کند. بیشترین کاربردهای صنعتی الکتریسیته نیز به وجود میدان مغناطیسی جریان وابسته است.

+ نوشته شده در پنجشنبه بیست و پنجم بهمن 1386ساعت 20:24 توسط راضیه شیروانی |
تك قطبي مغناطيسي (Magnetic Monopole)

GUT (Grand Unified Theories) و تئوري هاي ابر ريسمان (Superstring) هر دو وجود ذره اي با يك قطب مغناطيسي را پيش بيني مي كنند اما مشكلي كه در اين مدل وجود دارد اولا توليد بار مغناطيسي و ميدان در آنهاست و ثانيا رصد نشدن اين ذرات تا به امروز بوده است.

همچنين تعريف اسپين اين ذرات هم كار مشكلي به نظر مي رسد.

اگر مقدار بار را در معادلات گاس (Gauss) و فارادي (Faraday) كه هركدام از معادلات ماكسول (Maxwell) بهره مي برند مجهول قرار دهيم  مقدار آن صفر به نظر خواهد رسيد. خود اين موضوع براي پذيرش سخت است. زيرا ذرات زيراتمي (حتي كوارك ها كه نوترون خنثي را تشكيل مي دهند) داراي بار هستند.

امروزه در نسبيت براي اثبات اينكه نيروي ميادين مغناطيسي از ديگر نيروها متفاوت است از تبديلات لورنتز (Lorentz Transformations)  استفاده مي كنيم. 

اما براي آشكارسازي اين ذرات بايد تنها از راه نسبيت وارد شويم.

از معدود افرادي كه مي خواست اين كار را كند ديراك بود.

ديراك قصد داشت با معادلات كوانتومي ديدي كاملا نسبيتي از الكترومغناطيس بدست بياورد.

او در سال 1931 نشان داد بدين منظور نمي توان از مكانيك كوانتومي استفاده كرد زيرا اثبات كرد كه حتي اگر تك قطبي مغناطيسي در دنيا وجود داشته باشد بايد داراي بار كوانتيده (Quantized) شود.

براي اين منظور بايد واحدي نيز مي بود. ديراك با نگاهي جديد سعي در شكافت مساله كرد و با انجام اعمال بسيار پيچيده در رياضي و با استفاده از تابع دلتا (تابع ديراك) دريافت كه واحد بار كوانتيده بايد عكس واحد بنيادين بار الكتريكي باشد.

ديراك در تمام اين محاسبات ذره ي فرضي را الكترون در نظر گرفته بود و لازم بود كه فضا-زمان را از يكديگر باز كنيم.

ديراك براي اين كار ريسمان ديراك (Dirac String) را بوجود آورد. رفتار اين ريسمان تقريبا همانند سيم پيچ در اثر آهارونوف – بوم (Aharonov-Bohm Effect) بود.

اثر مذكور تاثير بار بر ميادين مغناطيسي را در غياب ذره در ميدان بررسي مي كند.  

 

به دليل بيان تمام اين مطالب جديد تئوري هاي ديگري كه در راس آنها تئوري شاخص (Gauge Theory) قرار داشت سعي در شناخت ساده تر  بار كوانتيده كردند.

در سري تئوري هاي شاخص نيز فرضيه اي كه از همه بيشتر مورد توجه قرار گرفت در مكانيك هيگز (Higgs Mechanism) اين موضوع را بررسي مي كرد و تك قطبي هوفت – پولياكوف (Hooft-Polyakov Monopole) نام داشت. ويژگي قابل توجهي كه اين مدل داشت نقطه اي نبودن بررسي آن بود. به اين معنا كه ديگر ذره ي خاصي مثل الكترون ديراك را مدنظر نداشت.

در واقع اين مدل ديگر محدود به پراكندگي ايده آل لورنتز نبود.

همچنين در مدل ديراك از معادله ي ديراك استفاده شده بود كه ذره را به حركت الكتروني محدود مي كرد.

در معادله ي ديراك الكترون پس از يك چرخش به نقطه ي اول خود مي رسد در صورتيكه مشخص نبود اين ذرات تك قطبي چه نوع اسپيني دارد!

حال گفته بوديم براي بررسي مدل ديراك بايد فضا-زمان را از هم باز كنيم.

توپولوژي (Topology) فضا-زمان در حالت معمول R4 مي باشد. اگر زمان را از آن حذف كنيم تقريبا مسئله هم ارز با هوموتوپي (Homotopy) خواهد شد و توپولوژي آن برابر با كره (S2) خواهد بود.

لازم به ذكر است كه در توپولوژي هوموتوپي دو تابع پيوسته است كه از يك فضاي توپولوژي به فضاي ديگري مي رود.

تئوري شاخص با اين محاسبات نشان مي دهد كه تك قطبي ديراك الزاما نبايد داراي بار كوانتيده باشد.

اگرچه اين تئوري مسائل را در قالب يك گروه واحد (ماتريس واحد  n x n) بررسي مي كند كه اين نوع بررسي بايد الزاما جدا از توپولوژي كره باشد. اين بدان معناست كه گروه واحد U(1) در Gauge Theory اصلا مماس بر كره نيست كه توپولوژي برابري با آن داشته باشد و توپولوژي در كل اتصال و به همرسي فضاها در هندسه را بررسي مي كند.

اين خود يك خلا بزرگ بود. زيرا پيش بيني ديراك در مورد بار كوانتيده اصلا درست توجيه نمي شد.

اما در سالهاي بعد و با بدست آوردن مقدار تقريبا صفر براي يك تك قطبي از معادلات گاس و فارادي اين تئوري ارزش خود را دوباره پيدا كرد.  

بعد از مدتي تئوري هاي شاخص و كوانتومي سعي كردند كه با يكديگر يك تئوري واحد را بيان كنند و به همين ترتيب GUT بيان شد. اين تئوري ذراتي را به نام ديون (Dyon) معرفي مي كند كه هم زمان هم بار الكتريكي دارند و هم بار مغناطيسي.  طبق اين مدل تك قطبي مغناطيسي ذره اي است كه بار الكتريكي صفر و عدد لپتوني يك دارد.

اين بدان معناست كه تك قطبي مغناطيسي مانند الكترون نبايد واپاشي داشته باشد و تجزيه شود.

همچنين اين مدل طبق معادلات فريدمان (Freidmann Equations) بيان مي كند چگالي ذرات تك قطبي در دنياي ما حدودا بايد 1011 برابر چگالي چرخشي (Critical Density) باشد. بنابراين بايد به طور متداول در دنياي ما قابل رصد باشند. (در بين هر 1029 ذره يك تك قطبي بايد ديده شود).

گرچه پيش بيني مي شود اين ذرات ارتباط زيادي با X Bosons و Y Bosons داشته باشند و محدوده ي جرم آنها در آزمايشات 600 (Gev/C2) تا 1017 (Gev/C2) تعيين شده است اما از آنجا كه ايجاد اين نوع از بوزون ها حتي در CERN به دليل جرم زيادشان امكان ناپذير مي باشد هنوز اين ايده در حد يك فرض مانده است.

اما دانشمندان در تلاش هستند كه اين نوع بوزون ها را در توجيه واپاشي پروتون به كار گيرند. اين ايده ها در صورتي ببان شده اند كه در سال هاي اخير در ژاپن توانسته اند نيمه عمر تقريبي پروتون منفرد را 1035 سال پيش بيني كنند كه اين نتيجه عملا ورود اين بوزون ها را به مسئله نقض مي كند.

گرچه تا به حال ذره اي تك قطبي مشاهده نشده است و دقيقا بر همين مبنا مدل هاي كيهان شناسي پيش بيني مي كنند كه اين ذرات بعد از بيگ بنگ تنها بايد تعداد كمي را شامل شوند!

اگر اين مدل را بخواهيم بپذيريم بايد نتيجه ي آزمايشات را به دو نوع بوزون مذكور ربط دهيم كه تك قطبي ها را محدود به اجرام بسيار بالا مي كند!

 

ديدگاه VMR-PCR:

 

در "مدل كيهاني VMR-PCR" بيان كرديم كه اين نظريه تمام عالم را به دو ذره يكي بوزون و ديگري فرميون مرتبط مي كند و اين ذرات را تك قطبي و مكمل يكديگر مي خواند.

اين دو ذره در مركز عالم وجود دارند و داراي جرم زيادي متمركز در خود مي باشند (كه اين جرم و چگالي زياد باعث بيگ بنگ شده است).

از آنجاييكه دنيا در حال انبساط است پس هنوز جرم متمركز در مركز دنيا بايد مقدار عظيمي باشد.

تمام اين جرم را نمي توان به آن دو ذره مرتبط كرد اما گفتيم كه همواره مقدار اختلاف بين نيروي دافعه ي خلا و ماده ناچيز است.

همچنين اينكه تنها دو ذره موجود باشد يا اين خود نيز نياز به بررسي و تجربه ي بيشتري  است. اما اينكه چرا اين ذرات در دنيا منتشر شده نيستند تنها مي توانند يك جواب داشته باشد:

مقدار ذرات تك قطبي هميشه در مركز دنيا ثابت است و در موقعيتي قرار دارد كه وقتي نوبت به انتشار آنها مي رسد جرم متمركز در مركز آنقدر كم است كه دافعه ي خلا شروع به منقبض كردن دنيا مي كند.

اما اين مدل در هر حال مي تواند مسئله ي انتشار نيافتن اين ذرات در دنيا را توجيه كند.

تنها تفاوتي كه نمي گذارد اين مدل نظر دانشمندان را تاييد كند اين مسئله است كه مدل VMR-PCR به جاي دو بوزون X و Y يك بوزون و يك فرميون را پيشنهاد مي كند. (X Boson – Y Fermion).

 

اينكه بار و ديگر پارامترها در اين ذرات بايد كوانتيده باشد از نظر VMR-PCR كاملا صحيح است.

زيرا در "مدل ديناميك و مكانيك VMR-PCR" بيان كرديم كه كوانتوم در همرسي قطرهاي ذوزنقه هاي ايجاد شده تعريف مي شود و مركز دنيا خود راس مثلث است. پس هرچيزي كه در آنجاست بايد كوانتيده باشد.

اما مسلما بار الكتريكي براي يك ذره ي تك قطبي وجود ندارد. زيرا شارش بايد بين دو منبع غيرهمنام صورت گيرد.

چگونه بار الكتريكي در يك ذره ي منفرد تك قطبي شارش كند؟

اما بالعكس در اين مدل براي مقدار بار مغناطيسي بي نهايت پيش بيني شده زيرا همانطور كه در مدل كيهاني گفتيم قدرت ميدان اجرام سماوي از بيگ بنگ تا به حال پيوسته در حال كاهش بوده است.

اما در لحظات بعد از بيگ بنگ داراي بيشترين قدرت خود بوده اند. اين نشانه ي وجود يك شارژ مغناطيسي در مركز دنياست. بنابراين نبايد قدرت ميدان و بار مغناطيسي اي محدودي داشته باشد.

مشكل ديگري كه بيان كرديم مسئله ي اسپين است.

با فرض اينكه اين دو ذره در كنار يكديگر قرار گيرند و همديگر را مكمل شون مدلي براي چرخش و دوران آنها ايجاد نمي شود. زيرا يكي از آنها فرميون با اسپين نيمه صحيح و ديگري بوزون با اسپين صحيح است.

گفتيم كه مركز دنيا بر راس مثلث در مدل VMR-PCR قرار دارد. به همين دليل زمان سفر در نظر گرفته مي شود.

بر همين مبنا متوجه مي شويم كه سرعت اين ذرات نيز صفر است و الزاما اسپين آنها صفر مي شود.

ولي با يك مثال نتيجه را بهتر بيان مي كنيم.

اگر جرمي با سرعت بي نهايت در حال چرخش به دور خود باشد آيا ما متوجه مي شويم كه در حال چرخش است؟

ثابت به نظر مي رسد. زيرا در هر لحظه هر نقطه اي از آن در همه جا وجود دارد.  

اين خيلي بعيد است كه با چگالي زياد مركز دنيا چرخشي براي آن نداشته باشيم.

سرعت نهايت در VMR-PCR همان C2  است. بنابراين اينگونه اسپين هم بايد در نهايت خود باشد.

مقدار آن مشخص نيست. زيرا دلايل واضحي براي تعيين آن نداريم اما هرچه هست در نهايت است.

بنابراين آن را بي نهايت مي ناميم.

اين مدل ديگر جاي سوالي را باقي نمي گذارد.

+ نوشته شده در چهارشنبه بیست و چهارم بهمن 1386ساعت 8:45 توسط راضیه شیروانی |

Home
Email
Night Skin