عدسی

عدسی

عدسی، یا لنز، از ابزارهای نوری است که تقارن محوری دارد و نور را عبور می‌دهد و می‌شکند. لنزها از ماده‌های شفاف مانند شیشه و پلاستیک ساخته می‌شوند. عینک طبی و ذره‌بین و لنز دوربین‌های عکاسی و چشمی همه با لنزساخته شده‌است.  از نظر شیوه شکست نور در آن به دو دسته عدسی همگرا و عدسی واگرا تقسیم می‌شود.

عدسی
علم فیزیک – عدسی
علم فیزیک – عدسی

گونه‌های لنز

 همگرا:  پرتوهای تابش، پس از شکست و گذر از عدسی، به هم نزدیک می‌شوند (یعنی همگرا می‌شوند). در عدسی‌های همگرا، لبه‌ها نازکتر از وسط آن است و به طور معمول برای کاربردهای متفاوت به شکل‌های دو کوژ، کوژتخت و هلالی همگرا ساخته می‌شوند.این عدسی از اتّصال دو منشور که از قاعده به یکدیگر وصل شده اند تشبیه شده است. از این نوع عدسی در میکروسکوپ ها( تمام قسمت‌ها ) تلسکوپ ها( برخی قسمت‌ها ) و عینک افراد دوربین یا آستیگمات* ( ترکیب عدسی‌های محدّب با چینش مخصوص ) استفاده می‌شود
در این عینک‌ها اگر کانون مجازی را روی شیئی قرار دهید و از پشت عینک به آن نگاه کنید می بینید که شیء بزرگتر شده و حالتی کج پیدا کرده است.

 واگرا:  پرتوهای تابش، پس از شکست و گذر از عدسی، از هم دور می‌شوند (یعنی واگرا می‌شوند). لبهٔ این عدسی‌ها پهن‌تر از وسط آن است و به شکل‌های دو کاو، کاو تخت و هلالی واگرا ساخته می‌شوند. این نوع عدسی را می‌توان به دو منشور که از زاویهٔ مقابل قاعده به یکدیگر وصل شده اند تشبیه کرد. از این عدسی در تلسکوپ ها، دوربین ها، و همچنین عینک برای افراد نزدیک بین و نزدیک بین-آستیگماتپ* استفاده می‌شود
در این عینک‌ها اگر از پشت آن به شیئی نگاه کنید خواهید دید که شیء کوچکتر و مایب می‌شود.

عدسی‌های مرکب

لنزها را بر پایهٔ ساختار اینگونه بخش‌بندی می‌کنند:
کوژ – تخت: آنچنان عدسی است که یک طرف آن کوژ و یک طرف آن تخت می‌باشد. این عدسی‌ها در تلسکوپ‌ها استفاده می‌شود. در صورتی که از سمت تخت آن چیزی را مشاهده کنید اشیاء کمی حالت wide پیدا می‌کنند ( خظوظ منحنی می‌شوند)
دو کوژ: آنچنان عدسی است که هر دو طرف آن کوژ می‌باشد. این عدسی در ذرّه ین، میکروسکوپ و تلسکوپ استفاده می‌شود. تصویر از هر دو طرف یکسان است مگر این که بر آمدگی یک طرف از دیگری کمتر یا بیشتر باشد.
هلالی (کوژ): آنچنان عدسی است که یک طرف آن کوژ و طرف دیگرش کاو باشد. این عدسی در عینک‌ها استفاده می‌شود و تصویر از هر طرف آن به نوعی wide می‌باشد.
تخت – کاو: آنچنان عدسی است که یک طرف آن کاو و طرف دیگرش تخت باشد. این عدسی‌ها در برخی عینک‌های بسیار ته استکانی استفاده شده و تصویر از سمت تخت آن wide و از سمت فرو رفتهٔ آن تنها کوچک می‌شود.
دو کاو: آنچنان عدسی است که هر دو طرف آن کاو باشد. تصویر از هر دو طرف یکسان است مگر این که یک سمت از دیگری فرورفته تر یا برجسته تر باشد.
هلالی (کاو): آنچنان عدسی است که یک طرف آن کوژ و طرف دیگرش کاو باشد. این عدسی در عینک‌ها استفاده شده و تصویر از هر سمت آن به نوعی مایل می‌باشد.

تصاویر غیر واقعی

اگر ذره بینی را نزدیک صفحه‌ای از یک کتاب بگیرید، شکلی بزرگتر از آنچه روی صفحه کتاب است می بینید. زیرا پرتوهای نور بازتاب شده از صفحه کتاب، پس از عبور از لنزاز هم دور می‌شوند. پرتوهای نوری که از اجسام دور می‌آیند، پس از عبور از ذره بین به هم نزدیک می‌شوند. اگر محیط به قدر کافی تاریک باشد، می توانید این پرتوها را روی یک صفحه کاغذ ببینید. اگر کاغذ را در فاصله مناسبی از لنزبگیرید، آنها تصویری متمرکز می سازند.

دستگاه‌های نوری دارای عدسی

بیش‌تر دستگاه‌های نوری شامل دو گونه لنزمی‌باشند که یکی را که نور، نخست بر آن می‌تابد و در ورودی دستگاه کار گذاشته می‌شود لنزشیئی و دومی را که در خروجی دستگاه قرار دارد و نور از آن خارج می‌شود لنزچشمی گویند. از جمله از این دستگاه‌ها میکروسکوپ نوری، زیر دریایی، میکروسکوپ پلاریزان، دوربین‌های دو چشمی، دوربینها، انواع عینکها و… را می‌توان نام برد.

عدسی چشم

لنزچشم، یک لنزهمگرای دوکوژ بزرگ است که از ماده‌ای ژله مانند، انعطاف‌پذیر و شفاف ساخته شده‌است. ضریب شکست لنزچشم تقریباً ۴۳۷/۱ است.[نیازمند منبع]این لنزبا خم کردن پرتوهای نور، آنها را در پشت چشم متمرکز می سازد. ماهیچه‌های چشم، هنگامی که اجسام دور را می بینیم، عدسی‌ها را می‌کشند و تخت تر (نازکتر) می‌کنندهنگام دیدن اجسام نزدیک هم، عدسی‌ها را ضخیم تر می‌کنند.

عدسی
علم فیزیک – عدسی
علم فیزیک – عدسی

 

فرمول عدسی‌ها

این فرمول‌ها برای محاسبهٔ فواصل مختلف بکار برده می‌شوند:

۱: نسبت یک به روی p بعلاوه نسبت یک به روی q مساوی است با نسبت یک به روی F که در اینجا P فاصله شئ تا لنزو q فاصله تصویر تا لنزاست و F فاصلهٔ کانونی است در عدسی‌های کوژ یا محدب چون تصویر مجازی است علامت آن منفی و بقیه موارد به جز یک مورد عدسی کاو یا مقعر مثبت است.

۲: F = r / 2 یا بر عکس آن r = 2 * F توجه کنید r شعاع عدسی است.

۳: فرمول بزرگنمایی خطی آینه m برابر است با نسبت ‘A’B به AB و مساوی است با q به روی p M = بزرگنمایی خطی (میزان چند برابر شدن تصویر) AB = طول شئ و ‘A’B = طول تصویر

توجه: در همهٔ فرمولها همهٔ واحد با باید از یک نوع باشند مثلآ همهٔ موارد بر حسب سانتی متر باشند.

منبع :کتاب درسی علوم سال دوم راهنمایی ایران، سال ۱۳۸۶
         کتاب درسی فیزیک سال اول دبیرستان ایران، سال۱۳۸۷

عدسی ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

نانو تکنولوژی به زبان ساده

نانو تکنولوژی به زبان ساده
نانو تکنولوژی به زبان ساده
علم فیزیک – نانو تکنولوژی به زبان ساده
در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم، که باعث پیشرفت های عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه گذار و ایجاد فاصله شدید بین کشورهای جهان شد. متأسفانه در کشور ما بدلیل فقدان جرات علمی و عدم تصمیم گیری بموقع ، به این فرصتها پس از گذشت سالیان طلائی آن بها داده می شد که البته سودی هم برای ما به ارمغان نمی آورد، همچون فنآوری الکترونیک و کامپیوتر در دو سه دهه گذشته که امروزه علیرغم توانائی دانشگاهی و داشتن تجهیزات آن، هیچگونه حضور تجاری در بازارهای چند صد میلیاردی آن نداریم. فناوری نانو جدیدترین این فرصتها ست، که کشور ما باید برای حضور یا عدم حضور درآن خیلی سریع تصمیم خود را اتخاذ کند.علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تکنولوژی) توانائی بدست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یک حرف از علم» یکپارچه خواهد کرد.
میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملکولی ) – مثل یک درخت یا یک میکروب – ساخته می شود. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. به عنوان مثال:
o ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نو
o ورشکستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
o کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی
o همه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی، کوچک و کم مصرف
o سلاحهای سبک تر، کوچکتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار
o شناسائی فوری کلیه خصوصیات ژنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
o ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
o از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی
o از بین بردن کامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
o سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
o تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ،
o و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر!
دکترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتکنولوژی اظهار کرده است: “در جهان اطلاعات ، تکنولوژیهای دیجیتالی کپی‌برداری را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یک تن ‌تری بیت تراشه‌های RAM تقریبا” معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد می‌شود”.
دکترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و کاشف Buckyballs می‌گوید:
” نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد”. در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال ۱۹۹۳ نگاشته شده چنین آمده است :
” تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه کنید . یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی ۴ نفره که به دور مدار زمین می‌گردد با هزینه‌ای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید” .
موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند. انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از علم نانوتکنولوژی است. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند که قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا” تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.
سه فناوری تسخیرکننده
از طرفی شاید بتوان گفت تسخیرکنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانوفناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند.
قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی کوچک از ابعاد هم گرائی نانوفناوری و فناوری اطلاعات می باشد از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یک فضای بسیار کوچک موضوعی بسیار آشنا می باشد.
در کوچکترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یک موجود زنده از قبیل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار کوچکی از سلول به نام DNA که شامل حدوداً پنجاه اتم می باشد همه این اطلاعات ذخیره می گردد ( نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلکه نحوه قرار گرفتن این زنجیره ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یکی از علل هم گرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترک این سه فناوری است.
ابزارهای جدید برای کارهای ظریف ( نانو تکنولوژی به زبان ساده )
اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسید که چه پیشرفتهای عمده دستگاهی باعث شده‌اند تا نانوتکنولوژی در خطوط مقدم تحقیقات علوم فیزیکی قرار گیرد، تقریبا” همه آنها به داستان میکروسکوپ پروب اسکن‌کننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM یک پروب نانوسکوپی در ارتفاع ثابتی بر بالای بستری از اتم‌ها حفظ می‌شود. این فاصله می‌تواند آن‌قدر کم باشد که الکترون‌های اتم‌های تیرک و سطح با هم تعامل داشته باشند. این تعاملات می‌تواند آن‌قدر قوی باشد، که اتم‌ها از جا کنده شده و به جای دیگری بروند.)
اشاره می‌کنند. علیرغم تازه واردگی به عرصه تحلیل دستگاهی، استفاده از میکروسکوپی تونل‌زنی اسکن‌کننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسیله‌ای برای تهیه تصویر از اتمهای روی سطوح مواد، که نقش مهمی در درک توپوگرافی و خواص الکتریکی مواد و رفتار قطعات میکروالکترونیکی دارند. STM بر خلاف یک میکروسکوپ نوری، برای تهیه تصویر نیروهای الکتریکی را با یک پروب نازک‌شده به حد تیزی یک اتم آشکار می‌کند. پروب سطح را جاروب کرده، بی‌نظمی‌های الکتریکی حاصل از پوسته‌های الکترونی یا ابرالکترونی پیرامون اتم‌ها را به کمک یک کامپیوتر به تصویر مبدل می‌کند. به دلیل یک اثر مکانیک کوانتومی موسوم به «تونل‌زنی»، الکترون‌ها می‌توانند به سادگی از تیرک به سطح و بالعکس بجهند. درجه وضوح تصاویر در حدود nm1 یا کمتر است. از STM می‌توان برای جابجایی تک به تک اتم‌ها و تهیه نقشه‌های پروضوح از سطوح مادی استفاده کرد.) ، میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM) و دیگر تکنیکهای مشتق‌شده از این دو مورد اصلی در بسیاری از آزمایشگاهها ، به دلیل حجم زیاد اطلاعاتی که از مقیاس نانومتر به دست می دهند، متداول و حتی گریزناپذیر شده است. ریچارد فینمن طی یک سخنرانی در همایش جامعه فیزیک آمریکا در ۱۹۵۹ در مؤسسه تکنولوژی کالیفرنیا که بعد در آنجا استاد فیزیک شد ایده‌هایی بنیادی در زمینه کوچک‌سازی نوشتجات، مدارها و ماشین‌ها ایراد کرد : ” آنچه من می‌خواهم به شما بگویم، مسئله دستکاری و کنترل اشیاء در مقیاس کوچک است. تردیدی وجود ندارد که در نوک یک سوزن آنقدر جا هست که بتوان تمام دایره‌‌المعارف بریتانیکا را جا داد.” فینمن برای به تفکر واداشتن محققین و تاکید نمودن بر عقیده‌اش مبنی بر امکان فیزیکی چنین معجزه‌ای ، جایزه‌هایی ۱۰۰۰ دلاری برای اولین افرادی که به اهداف مشخص شده ای در کوچک‌سازی کتابها و موتورهای الکتریکی دست یابند تعیین کرد. فینمن تاکید کرد : ” من در حال خلق ضد جاذبه نیستم که به فرض روزی اگر قوانین (فیزیک) آنچه ما می‌پنداریم، نبودند عملی شود. من صحبت از چیزی می‌کنم اگر قوانین آنچه ما می‌پنداریم باشند، عملی خواهد بود. ما به آن دست پیدا نکرده‌ایم چون خیلی ساده هنوز درصدد انجام آن نبوده‌ایم.”
وضعیت جهانی ( نانو تکنولوژی به زبان ساده )
از فناوری نانو به عنوان “رنسانس فناوری” و” روان کننده جریان سرمایه گذاری ” یاد می شود.ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائی های بزرگ اقتصادی خواهد شد . هم اکنون بخش های دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریکا، اتحادیه اروپا، چین، هند، تایوان، کره جنوبی، استرالیا، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر میبرند . هم اکنون روی هم رفته حدود ۳۰ کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای “برنامه ملی” یا درحال تدوین آن هستند، وطی پنچ سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به ۵/۳ برابر افزایش داده اند. کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کرده اند .
و امّا بطور کلی و خلاصه اینکه:
o نانوتکنولوژی چست؟
o نانوتکنولوژی مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانوتکنولوژی شکل‌دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوتکنولوژی در الکترونیک، زیست‌شناسی، ژنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده میشود.
o چرا ” Nano”؟
o nano کلمه‌ای یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقدار یک میلیاردیم یا ۹- ۱۰ یک کمیت استفاده می‌شود. چون یک اتم تقریباً” ۱۰ نانومتر است، این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکاربرده میشود.
o تفاوت بین نانوعلم و نانوتکنولوژی چیست؟
o نانو علم صرفا” تحقیق است ولی نانوتکنولوژی کاربرد تحقیقات برای حل مسائل و ساخت مواد جدید است.
o نانوتکنولوژی از کجا آمده است؟
o برای اولین بار ریچارد فینمن برنده جایزه نوبل فیزیک پتانسیل نانوعلم را در یک سخنرانی تکان‌دهنده با نام ” درپایین اتاقهای زیادی وجود دارد”، مطرح کرد . فینمن اصرار داشت، که دانشمندان ساخت وسائلی را،که برای کار در مقیاس اتمی لازم است، شروع کنند. این موضوع مسکوت ماند، تا اینکه اریک درکسلر (دانشجوی تحصیلات تکمیلیMIT) ندای فینمن را شنید و یک قالب‌کاری برای مطالعه “وسایلی که توانایی حرکت دادن اشیاء مولکولی و مکان آنها را با دقت اتمی دارند” ایجاد کرد، که در سپتامبر ۱۹۸۱ در مقاله‌ای با نام ” پروتئین راهی برای تولیدانبوه مولکولی ایجاد میکند” آن را ارائه داد. درکسلر آن را با کتابی بنام ” موتورهای خلقت” دنبال کرد و توسعه مفهوم نانوتکنولوژی را همانند یک کوشش علمی ادامه داد. اولین نشانه های ثبت‌شده از این مفهوم نانوتکنولوژی تغییر مکان دادن اشیا مولکولی، در سال ۱۹۸۹ بود، موقعی که دانشمندی در مرکز تحقیقات آلمادنIBM اتمهای منفردگزنون را روی صفحه نیکل حرکت داد، تا نام IBM را روی سطح نیکل نقش کند.
o آیا نانوتکنولوژی خیالی‌تر از علم است؟
o از موقعی که اولین مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتکنولوژی همانند چوبدست سحرآمیزی برای ساخت کودکان طراح تا ماشینهای تولید اکسیژن برای استعمار کره مریخ، تصور می‌شد. هیجانات از واقعیات جلوتر بود، اما پیشرفت واقعی با مسائلی پیش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پیش محققین در دانشگاههای کالیفرنیا، رایس وMIT موفق به ساخت نانوذراتی شدند، که به دانشمندان کمک می‌کردند. تعدادی از اساتید این دانشگاهها شرکتهایی تأسیس کردند، که وسایل موردنیاز برای تحقیقات مقیاس نانو را می‌ساختند. اکنون آنها به شدت دنبال حفاظت کارهایشان از طریق ثبت اختراع هستند، تا زمینه تولید فرایندهایشان را فراهم کنند. کاربردهای علمی نانوعلم هنوز کم است. اما مقداری از تولیدات اولیه اکنون وارد بازار می‌شوند.

o کارهای علمی انجام‌شده بوسیله نانوتکنولوژی چیست؟
o بیشترین کار علمی روی ایجاد تغییراتی در مواد شیمیایی یا نقشه‌برداری از ترکیبات زیستی، مانند DNA و سلولهای سرطانی است. بعضی ازاولین محصولات تجاری، بهبود تولیدات شیمیایی کنونی یا روشهای پزشکی است.
نانو تکنولوژی به زبان ساده ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک
 
منبع :www.sharghian.com

ماهواره

ماهواره ( Satellite )

فرض کنید روی قله یک کوه با یک توپ جنگی گلوله ای را پرتاب می کنید. ( بدون در نظر گرفتن مقاومت هوا ) هر چه نیروی پرتاب کننده بیشتر باشد ، سرعت گلوله بهنگام خروج از لوله بیشتر خواهد بود و گلوله مسافت بیشتری طی خواهد کرد تا با نیروی جاذبه زمین سقوط کند . حال اگر سرعت پرتاب به ۷٫۹ کیلومتر در ثانیه ( ۲۸۰۰ کیلومتر در ساعت ) برسد ، گلوله دیگر به زمین سقوط نخواهد کرد و با همان سرعت دور زمین ( در مدار دایره ای شکل ) خواهد چرخید. در این حالت گلوله تبدیل به یک ماهواره شده و اگر نیروی اصطحکاک هوا نباشد ، گلوله تا ابد در مدار زمین باقی می ماند ولی بخاطر وجود اصطحکاک هوا در ارتفاعات کم ، سرعت گلوله کم شده و در نهایت سقوط خواهد کرد. اگر سرعت پرتابه را افزایش دهیم ، مدار حرکت گلوله دور زمین از حالت دایره به حالت بیضی شکل تغییر خواهد کرد و با افزایش سرعت ، مدار حرکت بیضی تر خواهد شد

ماهواره
علم فیزیک – ماهواره

برای قرار دادن ماهواره در مدار بالایی و دایره ای شکل بدور زمین از موشک های ۲ مرحله ای استفاده می کنند. به این صورت که موشک پس از بلند شدن و در ارتفاع کم ، مسیر مستقیم خود را کج می کند تا در مدار زمین قرار گیرد. در این لحظه موتور مرحله اول از موشک جدا می شود. همین لحظه موتور مرحله دوم روشن می شود و موشک در مدار بیضی شکل دور زمین شروع به گردش می کند. موتور مرحله دوم خاموش می شود و وقتی موشک به نقطه اوج ( دورترین نقطه از زمین مدار بیضی از زمین) رسید ، موتور دوم یکبار دیگر روشن می شود تا موشک در مدار دایره ای شکل بزرگ قرار گیرد. در همین لحظه ماهواره از موتور دوم جدا می شود و سپس با همان سرعت اولیه که از موشک در حال حرکت جدا شده ، در مدار دایره ای شکل دور زمین می گردد .

ارتفاع ماهواره ها از سطح زمین :

ماهوارههای جاسوسی را اغلب در ارتفاعات کم ( ۴۸۰ تا ۹۷۰ کیلومتری) قرار می دهند. این ماهواره ها می توانند در عرض کمتر از دو ساعت دور زمین گردش کنند و عکس های دقیق از مراکز نظامی بگیرند.

ماهوارههای علمی در مدارات میانی ( ارتفاع ۴۸۰۰ تا ۹۷۰۰ کیلومتری) قرار داده می شوند. از این ماهواره ها برای تحقیق در مورد مهاجرت حیوانات و بررسی فعالیت آتشفشانها استفاده می شود.

ماهوارههای سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS ) در ارتفاع ۱۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتری قرار داده می شوند.

ماهواره های ارتباطی مثل ماهواره تلویزیونی را در ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتری قرار می دهند. زمان گردش ماهوارههایی که در این ارتفاع قرار می گیرند ، با زمان چرخش زمین یکی است . به همین دلیل برای دریافت اطلاعات از این ماهواره ها ، نیازی به جابجایی مکرر گیرنده زمینی ( بشقاب ماهواره ) نیست.

کره ماه ( ماهواره طبیعی زمین ) هم ارتفاع ( فاصله ) حدود ۳۸۴۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین در حال گردش بدور زمین است ، دارای سرعتی معادل ۱ کیلومتر در ثانیه است . با این فاصله و سرعت زمان یک دور گردش ماه بدور زمین حدودا ۲۸ روز طول می کشد که همان طول ماه قمری است .

رابطه سرعت با ارتفاع :

همانطور که می دانید با افزایش ارتفاع از سطح زمین ، نیروی جاذبه کم می شود. هر مدار دایره ای ماهواره ، سرعت مخصوصی دارد که به آن سرعت پایداری مدار می گویند. در این سرعت نیروی جاذبه با نیروی گریز از مرکز در حالت تعادل قرار دارند. اگر سرعت ماهواره را به کمتر از سرعت پایداری کاهش دهیم ،‌ نیروی جاذبه بر نیروی گریز از مرکز غلبه کرده و ماهواره به مدار پایین تر ( ارتفاع کمتر ) سقوط خواهد کرد و بالعکس اگر سرعت ماهواره را افزایش دهیم ، نیروی گریز از مرکز بر نیروی جاذبه غلبه کرده و ماهواره در مدار بالاتر ( بیضی کشیده ) قرار می گیرد.

ارتفاع از سطح زمین ( کیلومتر )
سرعت پایداری مدار گردش
زمان یک گردش کامل بدور زمین
۲۰۰
۷٫۷۸ ( کیلومتر در ثانیه )
۸۸ دقیقه
۵۰۰
۷٫۶۱ ( کیلومتر در ثانیه )
۹۴ دقیقه
۱۰۰۰
۷٫۳۵ ( کیلومتر در ثانیه )
۱۰۵ دقیقه
۱۰۰۰۰
۴٫۹۳ ( کیلومتر در ثانیه )
حدود ۶ ساعت
۱۰۰۰۰۰
۱٫۹۴ ( کیلومتر در ثانیه )
حدود ۴ روز
۱۰۰۰۰۰۰
۰٫۶۳( کیلومتر در ثانیه )
حدود ۴ ماه

با کاهش سرعت پس از پایان ماموریت ، ارتفاع آن کم می شود تا وارد جو شود. از آنجا که سرعت گردش ماهواره در هنگام برخورد به ملکولهای هوای جو هنوز بسیار زیاد است ، دمای سطح ماهواره آنقدر بالا می رود که قطعات آن آتش گرفته و میسوزند .

البته برخی قطعات نسوخته ماهوارهها یا موشکها در مدار زمین باقی می مانند . این قطعات بخاطر سرعت زیادی که در گردش بدور زمین دارند ، برای دیگر ماهوارهها و نیز موشک ها و شاتل های فضایی بسیار خطرناک هستند بطوریکه اگر یک قطعه کوچک ( به اندازه یک توپ پینگ پنگ ) به شاتلی اصابت کند ، مانند یک خمپاره عمل خواهد کرد و ممکن است شاتل را منفجر کند ! دانشمندان سعی می کنند ماهوارهها را از موادی بسازند که در هنگام برخورد با جو کاملا بسوزند و قطعات خطرناک آنها در جو باقی نماند.

ماهواره ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع :www.bestofpersia.com و ملاصدرا

الفبای فیزیک

الفبای فیزیک

الفبای فیزیک
علم فیزیک – الفبای فیزیک

الفبای فیزیک نیروها……….

ماهمواره بااعمالی مانند کشیدن،هل دادن وبلندکردن یک جسم سروکارداریم.این عمل کشیدن یا هل دادن یک جسم،نیرونامیده می شود.

نیرو را بر حسب نیوتن N اندازه می گیرند .

بردارهای نیرو…

یکی از روش هایی که می توان از آن برای نمایش نیروها بهره برد،رسم برداراست.

یــک بـردار نـیرو، پاره خطی جهتدار است،که ابتدای آن از نقطه ی اثر نـیرو شروع می شود.طول این پاره خط ،اندازه ی نیـرو و فلش آن ، جهت نیـرو را نـشان می دهد.

نیرو های واکنش …

هنگامی که شما با نیرو بر یک سطح فشار وارد می کنید، آن سطح نیز نیرویی را که سطح بر شما وارد می کند،نیروی واکنش و نیرویی را که شما بر سطح وارد می کنید ، نیروی کنش(عمل) می نامند.

قانون سوم نیوتون…

برای هر کنشی یک واکنش مساوی و مخالف ان وجود دارد.

نیروی گرانشی(ثقل)

میان دو جسم دلخواه ،نیروی کوچکی وجود دارد که موجب می شود آن دو جسم به طرف هم کشیده شوند.اگر اجسام مورد نظر زمین باشد ، این نیرو قابل توجه خواهد بود.ما(جسم۱)در هر جای زمین(جسم۲) که باشیم، نیرویی نسبتا قوی ما را به طرف سطح زمین می کشد.ما این نیروی کشش رو به پایین را نیروی گرانشی می نامیم.

وزن نیرویی که از طرف زمین به یک جسم وارد می شود و آن را به طرف خود می کشد، وزن جسم نامیده می شود.آن را بر حسب نیوتون اندازه گیری می کنند.اگر زمینی نباشد که جسم را به طرف خود بکشد، جسم نیز وزن نخواهد داشت.اما همچنان جرم خواهد داشت.

مزاحمت نیروی اصطکاک احساس نیروی اصطکاک ــ اگر انگشت خود را بر روی پشت دستتان بمالید ،نیروی اصطکاک را (گرما)بر روی پوست دستتان احساس خواهید کرد.

مفید یا مزاحم بودن اصطکاک ــ وقتی که نیروی اصطکاک اعمال می شود ، می تواند برایمان مفید باشد ویا موجب اذیت وآزارمان شود. مثلاً نیروی اصطکاک این امکان را به ما می دهد که دوچرخه را به حرکت درآوریم امّا از طرف دیگه ، رکاب زدن را برایمان مشکل می کند.

اصطکاک مخالف حرکت ــنیروی اصطکاک وارد بریک جسم همواره با نیرویی که سعی می کند جسم را به حرکت درآورد یا آن را درحالت حرکت نگه دارد ، مخالفت می کند.

اندازه گیری نیروها

یکی از راههای اندازه گیری نیرو ، استفاده از یک نیروسنج یا نیوتون سنج است. یکای اندازه گیری نیرو نیوتون نام دارد.

اندازه گیری میزان کشش اجسام…

میزان کشش اجسام به جنس ونیرویی که به آنها وارد می شود ، بستگی دارد وقابلیّت کشش برخی از آنها نسبت به بقیه بیشتر است.

قانون هوک…

بنا به قانون هوک ، افزایش طول اجسام با نیروی وارد بر آنها نسبت مستقیم دارد. نمودار نیروی وارد بر آن ، بر حسب افزایش طول آن ، به صورت یک خط راست در می آید که از مبدأ مختصات مگذرد.

حد کشسانی (الاستیک) ــاجسام اگر بیش از حد معینی کشیده شوند ،نمودار نیرو بر حسب طول ، به صورت خط راست در نمی آید .در این حالت ، اگر نیروی وارد بر جسم را حذف کنیم ، جسم به شکل اولیه خود بر نمی گردد. این حد معین را حد کشسانی (الاستیک)می نامند.

نیروهای متعادل

اثر چر خشی یک نیرو…

اجسام می توانند حول یک محور بچرخند. نیروی وارد بر جسم باید تا حدی از محور فا صله دا شته باشد.

اثر چر خشی یک نیرو را گشتاور نیرو می نامند که مقدار آن برابر است با:حاصلضرب نیرو در فاصلهعمودی نیرو تا نقطه اثر آن.

گشتاورهای متعادل اگر چند نیرو بر یک جسم اثر کند ، می توان گشتاور نیروهایی را که جسم را در جهت ساعتگرد می چرخانند با هم جمع کرد و یک گشتاور کل در جهت سا عتگرد به دست آورد. اگر جسم در حال تعادل با شد، این گشتاور به دست آمده با گشتاور کلی که در جهت خلاف ساعتگرد اعمال می شود، برابر خواهد بود.

اندازه گیری حرکت

اندازه گیری حرکت…

برای اندازه گیری فواصل زمانی، همواره باید از یک زمان سنج استفاده کرد.در این زمان سنج هنگامی که نوار کاغذی از زیرهرم مرتعش این زمان سنج می گذرد، نقاطی بر روی آن چاپ می شود. این زمان سنج همیشه۵۰ نقطه در هر ثانیه بر روی نوار کاغذی چاپ می کند . بنابراین با شمردن تعداد نقطه ها، می توان مقدار گذشت زمان (بازه زمانی) را حساب کرد.

تندی تندی یک جسم ، برابر با مسافتی است که جسم در یک ثانیه (یا یک ساعت) طی می کند. تندی یک جسم را می توان از معادله زیر حساب کرد:زمان/مسافت=تندی .

تندی را بر حسب مایل بر ساعت ، یا کیلومتربر ساعت ، یا متر بر ثانیه ، یا سانتی متر بر ثانیه اندازه می گیرند.

الفبای فیزیک : تندی و زمان…

ما در مسیری که طی می کنیم ، بازگشت زمان ، تندی ما نیز تغییر می کند . اغلب مهم است که بدانیم در هر لحظه با چه تندیی حرکت می کنیم . سرعت سنج اتومبیل ، تندی لحظه ای را نشان می دهد . این سرعت سنج در زمان های (۷،…،۱،۰)ثانیه تندیهایی را که نشان می دهد،به ترتیب برابر۰،۶،۱۲،۱۸، ۱۸،۱۸،۹ و۰ متر بر ثانیه است. با توجه به زمان تندیهای داده شده ، می توان نمودار سرعت اتومبیل را رسم کرد.

سرعت …

سرعت، تندیی است دریک جهت معین (یعنی سرعت دو قسمت دارد تندی وجهت).

جابجایی مسافتی است که دریک جهت معین توسط جسم متحرک طی می شود.

جمع سرعت ها…

مثلاً سرعت یک هاورکرافت مجموع دو سرعت است. اگر سرعت موتور۴متر بر ثانیه وسرعت باد ۳متر بر ثانیه باشد ، سرعت هاورکرافت می تواند ۱ متر بر ثانیه یا ۷ متر بر ثانیه محاسبه گردد، که مقدار هر یک از این سرعتها به جهت باد بستگی دارد.

نیرو و حرکت

نیرو به دو روش بر حرکت اجسام تأثیر می گذارد :

(۱)اگر جسم سا کن با شد ، سا کن می ما ند واگر متحرک باشد ، با سرعت ثابتی به حرکت خود ادامه دهد.

(۲)همواره یک نیروی نا متعادل ( نیروی بر آیند ) شتاب ایجاد می کند.

نیرو وشتاب

قانون دوم نیوتون درباره حرکت …

شتاب یک جسم با نیروی وارد بر آن متناسب است. این امر موجب می شود که جرم جسم ضریب ثابتی باشد و تغییر نکند .

الفبای فیزیک : محاسبه شتاب …

با استفاده از معادله S=1/2at^2 ،شتاب (a) را حساب کنید. زمان لازم برای چاپ ۵۰ نقطه یک ثانیه است. بنا براین ، a=2s می شود.

معادله ای برای قانون دوم نیوتون …

شتاب×جرم= نیرو

F=m a

اندازه حرکت

وقتی توپ را در حال حرکت را متوقف کنیم ، ضربهای احساس می کنیم. زیرا توپ اندازه حرکت دارد ومقدار آن برابر «سرعت توپ×جرم توپ» است.

اندازه حرکت کسب شده = ضربه

اندازه حرکت کسب شده = زمان× نیرو

مدت زمانی که نیرو اثر می کند/اندازه حرکت = نیرو

و به طور کلی،

آهنگ تغییر اندازه حرکت =نیرو

رابطهاخیر، شکل دیگر قانون دوم نیوتون است.

الفبای فیزیک : فشار

مقدار نیروی وارد بر سطح ۱m^2 ، فشار نامیده می شود.

P=F/A یا مساحت/ نیرو = فشار

فشار در مایعات

آب در داخل آکواریوم به طور تعجب آوری سنگین است و حتی سنگین تر از مقداری که فکرش را می کنید. وزن آب آکواریوم به طرف پایین بوده وفشاری بر ته مخزن وارد می کند. شما می توانید با تقسیم کردن وزن آب بر مساحت ته مخزن، این فشار را حساب کنید.

معادله ای برای فشار مایعات…

فشار درون یک مایع برابر است با مساحت تقسیم بر نیرو ، که در آن نیرو عبارت است از وزن مایعی که بالای مساحت مورد نظر قرار دارد.

فشار از طریق مایعات منتقل می شود

تلمبه دو چرخهای را پر از آب کرده وانگشت خود را روی سوراخ انتهایی آن قرار دهید. اکنون سعی کنید که با فشار دادن دسته تلمبه، آب داخل آن را متراکم کنید.

حجم آب داخل تلمبه کمتر نمی شود ونیرویی که به دسته تلمبه وارد می کنید از طریق آب به انگشت شما وارد می شود.

فشار سنج مانومتر

مانومتر لوله U شکلی است که حاوی مایع است و برای اندازه گیری فشار گاز به کار می رود. مخزن گاز از طریق لوله رابط به لوله Uشکل وصل است. فشار گاز در یک شاخه لوله U موجب پایین رفتن مایع و در شاخه دیگر موجب بالا رفتن آن می شود تا آنکه فشار مایع با فشار گاز به حالت تعادل درآید. فشار گاز را با اندازه گیری اختلاف ارتفاع مایع در دو ستون (بر حسب سانتیمتر یا متر ) تعیین می کنند.

بارومتر فلزی

بارومتر (جو سنج ) وسیله ای است که فشار جو را اندازه می گیرد. در یک جو سنج فلزی از یک قوطی فلزی نازک و دربسته ، که هوای داخل آن خارج شده است، استفاده می شود.

اگر فشار هوا بالا برود، قسمت بالا و پایین قوطی اندکی به طرف داخل فرو می رود واهرمی که متصل به زنجیر است موجب حرکت عقربه می شود. هنگام کم شدن فشار هوا، قوطی توسط فنر محکمی به حالت اولیه خود بر می گردد.

 

الفبای فیزیک : ذخیره انرژی به شکلهای مختلف …

انری ذخیره شده در اجسام را انرژی شیمیایی می نامند. انرژی ذخیره شده در اجسامی که درارتفاع بالایی قرار دارند ، انرژی گرانشی نامیده می شود. انرژی ذخیره شده در اجسام کشسان را انرژی کشسانی می نامند.

انرژی پتانسیل

انرژی شیمیایی ، گرانشی وکشسانی می توانند توسط اجسام ذخیره شوند، این انرژیها که قابلیت انجام کار را دارند، انرژی پتانسیل نامیده می شوند.

انرژی جنبشی

انرژی یک جسم متحرک را انرژی جنبشی می نامند. انرژیهای ذخیره شده می توانند موجب حرکت اجسام شوند.

انواع دیگر انرژی

گرما، نور وصوت از انواع دیگر انرژی هستند که از جایی به جای دیگر منتقل می شوند. گرما انرژی را از اجسام گرم به اجسام سرد منتقل می کند. نور انرژی را از لا مپها یا خورشید به نقاط دورتر منتقل می کند. صوت انرژی را از ارتعاشات یک جسم صدادار به نقاط دورتر منتقل می کند. انرژی الکتریکی نوع دیگری از انرژی است که می تواند به راحتی منتقل شود.

تبدیلات بیشتر انرژی

انرژی می تواند به راحتی به نوع دیگر تبدیل می شود. انرژی ذخیره شده می تواند آزاد شده و به انرژیهایی تبدیل شود که برای ما کار مفید انجام دهند. در تبدیل انرژیها همیشه مقداری انرژی به صورت انرژی گرمایی به هدر می رود. منشأ انرژی کجاست ؟

۱ – منبع انرژی روزانه …

بخش اعظم انرژی روزانه مورد مصرف ما توسط نور خورشید تأمین می شود. ‌این انرژی باید به انواع دیگری از انرژی تبدیل شود تا بتوان از آن استفاده کرد.

فوتوسنتز ــ گیاهان سبز انرژی نور خورشید را جذب کرده و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند.

فوتوسل ــ فوتوسل وسیله ای است که انرژی نوری را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

۲ – منابع انرژی فسیلی …

نفت، زغال سنگ و گازهای طبیعی قسمت عمده ای از انرژی مورد نیاز ما را به صورت انرژی شیمیایی ذخیره شده تأمین می کنند.

۳ – چند منبع انرژی دیگر …

مواد رادیو اکتیو (پرتوزا) ، به خصوص اورانیوم، منابعی از انرژی هستند که می توانند به گرما و الکتریسیته تبدیل شوند.

هسته مذاب زمین مقدار زیادی انرژی گرمایی دارد و گاهی گرمای ن به سطح زمین نیز می رسد.

۴ – انرژی حاصل از خورشید و ماه …

از جزر و مد دریاها که توسط حرکت خورشید و ماه ایجاد می شوند، می توان برای چرخاندن توربینها و تولید الکتریسیته استفاده کرد.

پایستگی انرژی (بقای انرژی )

ماشـین کـوکی کوچـکی را در نـظر بـگیرید که فنـرش را کوک مـی کنیم و شتاب می گیـرد. انرژی کشسانی فنـر به انرژی جنـبشی و گرمـایی (که کمی ماشین را گرم می کند )تبدیل می شود. مجموع انرژی جنبشی و گرمایی ایجاد شده با مقدار انرژی کشسانی فنر (که آزاد می شود ) برابر است.

یکای اندازه گیری انواع انرژی ژول (J) است. اگر فنر ۲۰ ژول انرژی کشسانی را از دست بدهد، این ۲۰ ژول انرژی باید بهصورت گرمایی و جنبشی ظاهر شود. بنابراین انرژی از بین نمی رود بلکه از نوعی به نوع دیگر تبدیل می شود. این اصل را که انرژی از بین نمی رود وتولید نیز نمی شود، بلکه از نوعی به نوع دیگر تبدیل می شود، « اصل بقای انرژی یا پایستگی انرژی » می نامند.

انتقال انرژی

کار …

وقتی جسمی جا به جا می شود. در این حالت ، می گوییم که کار انجام داده ایم. درحین انجام کار، انرژی منتقل می شود.

مقدار کار انجام شده را با را بطه زیر می توان بدست آورد :

تغییر مسافت درجهت اعمال نیرو × نیرو = کار انجام شده

غلبه بر نیری گرانش …

برای انکه جسمی را از روی زمین برداریم باید کار انجام بدهیم. یعنی برای غلبه بر کشش گرانشی باید نیرویی مصرف کنیم و جسم را بالا ببریم.

توان

یک شخص یا یک موتور قوی می تواند کار را سریعتر انجام بدهد. توان ( یا قدرت ) به عنوان کار انجام شده در ثانیه تعریف می شود و مقدار آن را می توان از معادله زیرحساب کرد :

P =W/t یا زمان لازم برای انجام کار / کار انجام شده =توان

مثال : اگر شخصی برای بلند کردن یک وزنه ، ۸۰۰ژول کار را در مدت ۱۰ ثانیه انجام دهد، می گوییم که توان بازوهای او برابر است با : وات ۸۰ = ثانیه / ژول ۸۰ =۱۰ /۸۰۰ . ۰وات به جای ثانیه / ژول به کار می رود ).

انرژی نوری

نور حامل انرژی است …

اجسامی که از خود نور گسیل میکنند را اجسام نورانی ( منیر) می نامند. اما اغلب اجسام نورانی نیستند و نمی توانند از خود نور گسیل کنند. این نوع اجسام را غیر نورانی ( مستنیر ) می نامند. ما اجسام غیر نورانی را به دلیل بازتابانیدن نور می توانیم ببینیم.

نوری که اجسام نورانـی گسیل مـی کنند، با سرعت خیلی زیـادی ( Km/s 300000 ) از آنـها دور می شـود و انـرژی را مـانند موج الکترومغـناطیسی با خود مـنتقل می کند. برخی از مواد می توانند انرژی نوری را به انواع دیگر تبدیل کنند. در فیلمهای عکاسی برای ثبت تصویر از انرژی نوری استفاده می شود.

الفبای فیزیک : ذره بین …

یک عدسی می تواند تصویرهای متفاوتی را تشکیل بدهد. اگر یک عدسی را نزدیک چشم خود بگیرید و آن را روی شست خود کانونی کنید ( تنظیم کنید )، تصویر شست خود را به صورت مستقیم و بزرگتر خواهید دید. این نوع تصویر را نمی توان بر روی یک پرده نمایش داد وآن را تصویر مجازی می نامند.

الفبای فیزیک : تصاویر در آینه…

اگر در مقـابل یـک آینه بـایستید وچـشم چپ خـود را ببندید، خواهیـد دید که تصـویر شما چشم راسـت خود را می بندد. بنـابراین، چـهرهای که شمـا از خودتـان در آینه می بینید با چـهره ای که دیـگران از شما مـی بینند ، تفاوت دارد .زیـرا سمـت راست شما در آیـنه، می شود، می گویند تصویر در آینه دارای وارونی جانبی است.

الفبای فیزیک : کار و گرما

گرما نوعی انرژی است که از اجسام گرم به اجسام سرد منتقل می شود.

موتورهای حاوی گاز داغ …

ما بدون « موتورهای گرمایی » نمی توانیم به نقاط دور دست مسافرت کنیم. در این موتورها از سوخت برای ایجاد گازهای داغ منبسط شده ودرنتیجه ایجاد حرکت، استفاده می شود. همچنین، این موتورها توان اتومبیلها وقایقها وموشکها را تأمین می کنند وژنراتورهای برق را راه اندازی می کنند.

توربینهای بخار …

در نیروگاهها به کمک توربینهای بخار، گرمای تولید شده را به انرژی الکتریکی ( برق ) تبدیل می کنند. در مرکز این توربینها چرخی قرار دارد که از یکسری پره تشکیل شده و به یک میله گردان وصل است. درون دیگ، آب تحت فشار زیادی جوشیده وبخاری با فشار بسیار زیاد تولید می کند. این بخار با شدت به پره های توربین برخود کرده و موجب چرخش آنها می شود. در یک توربین بخار که با دقت طراحی وساخته شده باشد، تنها یک سوم انرژی بخار صرف چرخاندن پره ها می شود.

موتورهای بنزینی …

در موتورها ی بنزینی، دراثر یک انفجار، گاز بسیار داغی ایجاد می شود. این گاز به جای خروج از موتو، موجب حرکت یک پیستون می شود. در این نوع موتورها، مخلوطی از قطرات بنزین وهوا به عنوان سوخت موتور مورد استفاده قرار می گیرد. این مخلوط در داخل سیلنر ( استوانه ) توسط جرقهئ شمع منفجر می شود وگاز بسیار داغی تولید می کند. این گاز داغ، پیستون را به شدت به طرف پایین می راند.

داخل یک موتور بنزینی معمولی چه اتفاقی می افتد ؟ …

پیستون یک موتور بنزینی چهار ضربه ای به ترتیب، به طرف پایین، بالا، پایین وبالا حرکت می کند. حرکت پیستون به طرف پایین وبالا یک ضربه نا میده می شود و هر ضربه اثر متفاوتی بر گازهای داخل سیلندر دارد. این ضربه ها به همین ترتیب و مدام تکرار می شوند.

انبساط جامدات

چرا گرما جامدات را منبسط می کند ؟…

وقتی یک جسم جامد گرم می شود، مولکولهای آن با انرژی بیشتری ارتعاش می کنند وفاصله مولکولها از یکدیگر نیز بیشتر می شود. در نتیجه، این جسم جامد در تمام جهات، اندکی بزرگتر ( منبسط ) می شود.

جریانهای همرفتی ( جابجایی )

الفبای فیزیک : انبساط وهمرفتی گرمایی …

همرفت ، انتقال انرژی گرمایی توسط جریانهای مایع گرم ( یا گاز ) است.

هنگامی که یک قطره از مایع گرم شود‌، منبسط شده وحجمش افزایش می یابد. البته مقدار ماده ( جرم آن ) تغییری نمی کند و در حجم منبسط شده پخش می شود. بنابراین چگالی یک مایع گرم کمتر از چگالی مایع سرد اطراف آن می شود. پس در یک ظرف محتوی مایع گرم وسرد، مایع سرد به طرف ته ظرف پایین خواهد رفت ومایع گرم بالا خواهد آمد. این مثال ساده، علت ایجاد جریان همرفتی را نشان می دهد.

الفبای فیزیک : انبساط هوا

با گرم کردن هوا، انبساط آن وبا سرد کردن هوا، انقباض آن را خواهید دید.

وقتی یک بادکنک را در داخل ظرف آب جوش قرار دهید، هوای داخل آن منبسط می شود ( حجم بادکنک زیاد می شود ) و وقتی از ظرف خارج کنید، سرد شده وهوای داخل آن منقبض می شود ( حجم بادکنک کم می شود ). اندازه گیری انبساط هوا …

وقتی که فشار گاز ثابت نگه داشته شود، حجم جرم معینی از گاز، متناسب با دمای کلوین آن است. به عبارت دیگر،

C مقدار ثابت = T دمای گاز بر حسب کلوین / حجم گاز V

الفبای فیزیک : رسانش گرما

قطعه ای از سیم مسی را بر روی شعله چوب کبریت نگهدارید. گرما سریعأ در سیم مسی منتقل می شود. با اینکه حرکت گرما دیده نمی شود اما وقتی که به انگشت شما می رسد آن را احساس می کنید. به این نوع انتقال انرژی گرمایی، رسانش یا هدایت گرمایی می گویند.

آزمایش : آیا آب رسانای خوبی برای گرماست ؟

یک لوله آزمایش بلند را از آب سرد پر کنید وآن را بهصورت کج بر روی شعله ملایم چراغ نگه دارید. مقداری پودر رنگی را بالای آب بریزید و وسط لوله آزمایش را بهآرامی حرارت دهید. بالا وپایین لوله را با دست لمس کنید تا دمای این دو نقطه را امتحان کنید.

آیا هوا رسانای خوبی برای گرماست ؟

عایقهای گرمایی خوب، نظیر پرها، بلوز های پشمی و پلی استایرن دارای حفره های کوچک هوا هستند. این حفره های کوچک، رسانای بدی برای گرما هستند، و عایقهای بسیار مؤثری به شمار می روند.در دما در صحبتهای روزمره، اغلب می گوییم که « امروز هوا گرم است » یا « این چای سرد است ». اصطلاح علمی برای بیان میزان گرم بودن اجسام را دما می نامند.

الفبای فیزیک : اندازه گیری دما

دماسنـجها طوری مدرج می شوند که دمـا را بر حسب درجـه سیلسیوس نـشان بدهند. یخ هـمیشه در دمـای یکسانـی ذوب مـی شـود کـه آن را صفر درجه سیلسیوس می نامند. بخار بالای آب در حال جوش در فشار معمولی نیز همیشه دمای یکسانی دارد که آن را ۱۰۰ درجه سیلسیوس می نامند. این دو دما را بر روی یک دماسنج مشخص می کند وفاصله بین آنها را به ۱۰۰ قسمت تقسیم می کنند و هر قسمت را یک درجه سیلسیوس می گویند.

دماسنجهای پزشکی ــ از دماسنجهای پزشکی برای اندازه گیری دمای بدن انسان استفاده می شود.

دماسنجهای الکترونیکی ــ در دماسنجهای الکترونیکی از یک شاخص میله ای استفاده می شود، این شاخص، دما را به ولتاژ تبدیل می کند ودستگاه اکترونیکی، این ولتاژ را به صورت یک عدد نشان می دهد.

الفبای فیزیک ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع :

قانون لنز

قانون لنز

قانون لنز که در مورد جریانهای القایی بکار می‌رود چنین بیان می‌شود که جریان القایی در مدارهای بسته در جهتی است که با عامل بوجود آورنده خود مخالفت می‌کند. این قانون علامت منفی موجود در قانون فاراده را توجیه می‌کند.

قانون لنز
علم فیزیک – قانون لنز

مقدمه

طبق قوانین القای الکترومغناطیسی اگر شارمغناطیسی گذرا از مدار تغییر کند، نیرو محرکه الکتریکی در مدار جاری می شود. با برقراری نیرو محرکه القایی در مدار، جریان الکتریکی القایی در آن جاری می شود. طبق قانون لنز جهت جریان القایی در مدار در جهتی است که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییرات شار مغناطیسی گذرا از مدار مخالفت می کند. اگر چکشی را از بالای نردبانی رها کنیم، هیچ نیازی به قاعده‌ای که بگوید چکش به طرف مرکز زمین یا در جهت مخالف آن حرکت می‌کند، نداریم. اگر در این موقع کسی از ما بپرسد که از کجا می‌دانید که چکش سقوط خواهد کرد، بهترین پاسخی که می‌توانیم بدهیم این است که بگوییم، همیشه به این صورت بوده است و اگر بخواهیم جوابمان علمی‌تر باشد، می‌توانیم بگوییم که زمانی که چکش سقوط می‌کند، انرژی پتانسیل گرانشی آن کاهش می‌یابد و برعکس انرژی جنبشی آن افزایش پیدا می‌کند.

اما اگر چکش به جای سقوط ، به طرف بالا برود، در این صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آن هر دو افزایش پیدا می‌کنند و این موضوع پایستگی یا بقای انرژی را نقض می‌کند. استدلال مشابه را می‌توان در مورد تعیین جهت نیروی محرکه الکتریکی که با تغییر شار مغناطیسی در یک مدار القا می‌شود، بکار برد، یعنی در این مورد اخیر نیروی محرکه القایی باید در جهتی باشد که با اصل پایستگی سازگار باشد و این با استفاده از قانون لنز توضیح داده می‌شود.

بر اساس ‎‎قانون القای فارادی، شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه رسانا در صورتی که متغیر باشد (تغییر در اندازه و یا جهت) باعث القای یک ‎‎اختلاف پتانسیل الکتریکی در حلقه می‌شود که بوسیله رابطه زیر قابل بیان است:

d19dd5ca67a1f91fe975c0d3bf46e192 - قانون لنز

– ε ولتاٰژ القا شده
– φ شار عبوری از حلقه

این اختلاف پتانسیل باعث جاری شدن جریانی در حلقه میشود. هر جریان گذرا از یک رسانا باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف رسانا می‌شود که با توجه با رابطه زیر قابل بررسی است:

6eb7fcd66d41e30d34b11f097b6c9a5c - قانون لنز

– H میدان مغناطیسی
– I جریان عبوری از رسانا
– N تعداد دورهای سیم پیچ
– l طول یک حلقه سیم پیچ

از طرف دیگر ‎‎میدان مغناطیسی مولد شار نیرویی بر جریان القا شده در حلقه اعمال می‌کند که برابر با رابطه زیر می‌باشد:

0bb13b9c807b9eaee422df9c3b544ee4 - قانون لنز

–  نیروی اعمال شده
– I جریان عبوری از رسانا
–  پاره‌ای از سیم داخل میدان مغناطیسی
–  میدان مغناطیسی

باید توجه شود که قوانین گفته شده فقط محدود به سیم‌پیچ و حلقه نمیشوند و قابل گستره به اشکال هندسی دلخواه (به طور نمونه مربع) نیز می‌باشند

به آسانی میتوان دید که دو میدان مغناطیسی نقش مهمی را در معادلات بالا ایفا میکنند. میدان اول، میدانی است القاگر که اختلاف پتانسیلی در دو سر حلقه ایجاد می‌کند و میدان دوم، میدانی است که به دلیل جاری شدن جریان در رسانا بوجود آمده است. این دو میدان همواره در خلاف جهت یکدیگر هستند. این پدیده را قانون لنز میخوانند. با توجه به قانون لنز میتوان جهت ولتاژ القاشده را تعیین کرد

تاریخچه

در سال ۱۸۳۴ ، یعنی سه سال بعد از این که فاراده قانون القا خود را ارائه داد (قانون القا فاراده)، هاینریش فریدریش لنز (Heinrich Friedrich Lenz) قاعده معروف خود را که به قانون لنز معروف است، برای تعیین جهت جریان القایی در یک حلقه رسانای بسته ارائه داد. این قانون به صورت یک علامت منفی در قانون القای فاراده ظاهر می‌گردد. به این معنی که در رابطه نیروی محرکه القایی یک علامت منفی قرار داده و اعلام کنند که این علامت بیانگر قانون لنز است.

تشریح قانون لنز

حلقه رسانایی را در نظر بگیرید که به یک گالوانومتر حساس متصل است. حال آهنربایی را در دست گرفته و به آرامی به این حلقه ، نزدیک کنید. ملاحظه می‌گردد که با نزدیک شدن آهنربا به حلقه عقربه گالوانومتر منحرف شده و وجود جریانی را در مدار نشان می‌دهد. این جریان را جریان القایی می‌گویند. حلقه جریان ، مانند آهنربای میله‌ای ، دارای قطب‌های شمال و جنوب است.

حال اگر آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز هم گالوانومتر منحرف می‌شود، اما این بار انحراف در جهت مخالف است و این امر نشان دهنده این مطلب است که جریان در جهت مخالف در حلقه جاری شده است. اگر میله آهنربا را سر و ته کنیم و آزمایش را تکرار کنیم، باز همان نتایج حاصل خواهد شد، جز این که جهت انحراف‌های عقربه گالوانومتر عوض خواهند شد. برای تشریح این آزمایش با استفاده از قانون لنز به صورت زیر عمل می‌کنیم:

زمانی که آهنربا را به آرامی به حلقه نزدیک می‌کنیم، تعداد خطوط شار مغناطیسی که از حلقه می‌گذرد، تغییر می‌کند و همین امر سبب ایجاد یا القا جریان در حلقه می‌شود و چون در ابتدا هیچ جریانی وجود نداشت، این جریان باید در جهتی باشد که با هل دادن آهنربا به سمت حلقه مخالفت کند. برعکس ، اگر بخواهیم آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز جهت جریان در حلقه عوض شده و از دور کردن آن جلوگیری می‌کند. یعنی در حالت اول اگر قطب N آهنربای میله‌ای در طرف حلقه باشد، جریان القایی در حلقه به گونه‌ای خواهد بود که در برابر آن یک قطب N ایجاد کند تا مانع نزدیک شدن آهنربا شود.

حال زمانی که آهنربا را از حلقه دور می‌کنیم، حلقه جهت جریان خود را عوض نموده و با ایجاد قطب S ، آهنربا را جذب کرده و مانع از دور کردن آن می‌شود.

قانون لنز و پایستگی انرژی

اگر توضیحات فوق بر اساس قانون لنز نبوده و عکس آن چیزی که گفته شد، اتفاق بیفتد، یعنی اگر جریان القایی به تغییری که باعث بوجود آمدن آن شده است، کمک کند، قانون بقای انرژی نقض می‌شود، یعنی اگر هنگام نزدیک کردن قطب آهنربا به حلقه در برابر آن قطب مخالف S ایجاد شده و آهنربا را جذب کند، در این صورت آهنربا باید به طرف حلقه شتاب پیدا کند و رفته رفته انرژی جنبشی آن افزایش پیدا کند و در همین هنگام انرژی گرمایی نیز ظاهر می‌شود. یعنی در واقع از هیچ ، انرژی بوجود می‌آید. بدیهی است که چنین عملی هرگز نمی‌تواند درست باشد.

بنابراین می‌توان گفت که قانون لنز چیزی جز بیان اصل بقای انرژی نیست که بطور مناسب در مورد مدارهای حامل جریان القایی بکار می‌رود.

ویژگی قانون لنز

قانون لنز مربوط به جریانهای القایی است و در مورد نیروی محرکه القایی صادق نیست، یعنی این قانون فقط در مورد حلقه‌های رسانا بکار می‌رود. اگر مدار باز باشد، معمولا می‌توان تصور کرد که اگر بسته بود چه اتفاقی می‌افتاد و بدین وسیله جهت نیروی محرکه القایی را معین نمود. مثلا اگر شار مغناطیسی گذرا از مدار به صورت درون سو باشد و کاهش پیدا کند، جریان الکتریکی در مدار القا می شود، که جهت این جریان القایی به صورت ساعتگرد خواهد بود تا میدان مغناطیسی حاصل از آن باعث تقویت میدان مغناطیسی شار گذرا از مدار باشد.

و اگر این شار افزایش یابد، جهت جریان القایی در جهتی خواهد بود که میدان مغناطیسی حاصل از آن بر خلاف جهت میدان شار باشد. پس جهت جریان پاد ساعتگرد است. بنابراین برای تشخیص جهت جریان القایی کافیست، با توجه به میدان شار گذرا از مدار، جریان را در جهتی اختیار کنیم که میدان مغناطیسی حاصل از آن با برخلاف تغییرات میدان مغناطیسی شار باشد.

قانون لنز ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع : دانشنامه رشد

نظریه جنبشی گازها

نظریه جنبشی گازها

قوانین مکانیک را می‌توان بطور آماری در دو سطح مختلف به مجموعه‌ای از اتمها اعمال کرد در سطحی که نظریه جنبشی گازها نامیده می‌شود. به طریقی کم و بیش فیزیکی و با استفاده از روشهای نسبتا ساده میانگین گیری ریاضی ، عمل می‌کنیم. برای فهم نظریه جنبشی گازها را در فشار ، دما ، گرمای ویژه و انرژی داخلی این روش را که در سطح بکار برده می‌شود.

نظریه جنبشی گازها
علم فیزیک – نظریه جنبشی گازها

نگاه اجمالی نظریه جنبشی گازها
در ترمودینامیک فقط با متغیرهای ماکروسکوپیک ، مانند فشار و دما و حجم سر و کار داریم. قوانین اصلی ترمودینامیک‌ها بر حسب چنین کمیتهایی بیان می‌شوند. ابدا درباره این امر که ماده از اتمها ساخته شده است صحبتی نمی‌کنند. لیکن مکانیک آماری ، که با همان حیطه‌ای از علم سر و کار دارد که ترمودینامیک از آن بحث می‌کند و وجود اتمها را از پیش مفروض می‌داند. قوانین اصلی مکانیک آماری حامی قوانین مکانیک‌اند که در حدود اتمهای تشکیل دهنده سیسنم بکار می‌روند.

تاریخچه نظریه جنبشی گازها
نظریه جنبشی توسط رابرت بویل (Rabert Boyle) (1627 – ۱۶۹۱) ، دانیل بونولی (۱۷۰۰ – ۱۷۸۲) ، جیمز ژول (۱۸۱۸ – ۱۸۸۹) ، کرونیگ (۱۸۲۲ – ۱۸۷۴) ، رودولف کلاوسیوس (۱۸۲۲ – ۱۸۸۸) و کلرک ماکسول ( ۱۸۳۱ – ۱۸۷۹ ) و عده‌ای دیگر تکوین یافته است. در اینجا نظریه جنبشی گازها را فقط در مورد گازها بکار می‌بریم، زیرا برهم کنش‌های بین اتمها ، در گازها به مراتب متغیرترند تا در مایعات. و این امر مشکلات ریاضی را خیلی آسانتر می‌کند.

در سطح دیگر می‌توان قوانین مکانیک را بطور آماری و با استفاده از روشهایی که صوری‌تر و انتزاعی‌تر از روشهای نظریه جنبشی هستند بکار برد. این رهیافت که توسط جی ویلارد گیبس (J.willard Gibbs) و لودویگ بولتز مانی (Ludwig Boltz manni) (1844 – ۱۹۰۶) و دیگران تکامل یافته است، مکانیک آماری نامیده می‌شود، که نظریه جنبشی را به عنوان یکی از شاخه‌های فرعی در بر می‌گیرد. با استفاده از این روشها می‌توان قوانین ترمودینامیک را به دست آورد. بدین ترتیب معلوم می‌شود که ترمودینامیک شاخه‌ای از علم مکانیک است.

محاسبه فشار بر پایه نظریه جنبشی گازها
فشار یک گاز ایده‌آل را با استفاده از نظریه جنبشی محاسبه می‌کنند. برای ساده کردن مطلب ، گازی را در یک ظرف مکعب شکل با دیواره‌های کاملا کشسان در نظر می‌گیریم. فرض می‌کنیم طول هر ضلع مکعب L باشد. سطحهای عمود بر محور X را که مساحت هر کدام e2 است. A1 و A2 می‌نامیم. مولکولی را در نظر می‌گیریم که دارای سرعت V باشد. سرعت V را می‌توان در راستای یالهای مولفه‌های Vx و Vy و Vz تجزیه کرد. اگر این ذره با A1 برخورد کند در بازگشت مولفه X سرعت آن معکوس می شود. این برخورد اثری رو ی مولفه Vy و یا Vy ندارد در نتیجه متغیر اندازه حرکت عبارت خواهد بود :

(m Vx – m Vx) = 2 m Vx – )= اندازه حرکت اولیه – اندازه حرکت نهایی

که بر A1 عمود است. بنابراین اندازه حرکتی e به A1 داده می‌شود برابر با m Vx2 خواهد بود زیرا اندازه حرکت کل پایسته است.

زمان لازم برای طی کردن مکعب برابر خواهد بود با Vx/L. در A2 دوباره مولفه y سرعت معکوس می‌شود و ذره به طرف A1 باز می‌گردد. با این فرض که در این میان برخوردی صورت نمی‌گیرد مدت رفت و برگشت برابر با ۲ e Vx خواهد بود. به طوری که آهنگ انتقال اندازه حرکت از ذره به A1 عبارت است: mVx2/e = Vx/2e . 2 mVx ، برای به دست آوردن نیروی کل وارد بر سطح A1 ، یعنی آهنگ انتقال اندازه حرکتی از طرف تمام مولکولهای گاز به A1 داده می‌شود.

(P = M/e(Vx12 + Vx22 + Vx32

P = 1/2eV2

تعبیر دما از دیدگاه نظریه جنبشی گازها
با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 یعنی انرژی کل انتقال هر مول از مولکولهای یک گاز ایده‌آل ، با دما متناسب است. می‌توان گفت که این نتیجه با توجه به معادله بالا برای جور در آمدن نظریه جنبشی با معادله حالت یک گاز ایده‌آل لازم است. و یا اینکه می‌توان معادله بالا را به عنوان تعریفی از دما بر پایه نظریه جنبشی یا بر مبنای میکروسکوبیک در نظر گرفت. هر دو مورد بینشی از مفهوم دمای گاز به ما می‌دهد. دمای یک گاز مربوط است به انرژی جنبشی انتقال کل نسبت به مرکز جرم گاز اندازه گیری می‌شود. انرژی جنبشی مربوط به حرکت مرکز جرم گاز ربطی به دمای گاز ندارد.

حرکت کاتوره‌ای را به عنوان بخشی از تعریف آماری یک گاز ایده‌آل در نظر گرفت. V2 را بر این اساس می‌توان محاسبه کرد. در یک توزیع کاتوره‌ای سرعتهای مولکولی ، مرکز جرم در حال سکون خواهد بود. بنابراین ما باید چارچوب مرجعی را بکار ببریم که در آن مرکز جرم گاز در حال سکون باشد. در چارچوبهای دیگر ، سرعت هر یک از مولکولها به اندازه U (سرعت مرکز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مرکز جرم بیشتر است. در اینصورت حرکتها دیگر کتره‌ای نخواهد بود و برای V2 مقادیر متفاوتی بدست می‌آید. پس دمای گاز داخل یک ظرف در یک قطار متحرک افزایش می‌یابد. می‌دانیم که M V2 1/2 میانگین انرژی جنبشی انتقالی هر مولکول است. این کمیت در یک دمای معین که در این مورد صفر درجه سلسیوس است، برای همه گازها مقدار تقریبا یکسانی دارد. پس نتیجه می‌گیریم که در دمای T ، نسبت جذر میانگین مربعی سرعتهای مولکولهای دو گاز مختلف مساوی است با ریشه دمای عکس نسبت به مربعهای آنها.

T=2/3k m1 V12/2= 2/3k m2 V22/2

مسافت آزاد میانگین
در فاصله برخوردهای پی‌درپی ، هر مولکول از گاز با سرعت ثابتی در طول یک خط راست حرکت می‌کند. فاصله متوسط بین این برخوردهای پی‌درپی را مسافت آزاد میانگین می‌نامند. اگر مولکولها به شکل نقطه بودند، اصلا با هم برخورد نمی‌کردند. و مسافت آزاد میانگین بینهایت می‌شد. اما مولکولها نقطه‌ای نیستند و بدین جهت برخوردهایی روی می‌دهد. اگر تعداد مولکولها آنقدر زیاد بود که می‌توانستند فضایی را که در اختیار دارند کاملا پر کنند و دیگر جایی برای حرکت انتقالی آنها باقی نمی‌ماند. آن وقت مسافت آزاد میانگین صفر می‌شد. بنابراین مسافت آزاد میانگین بستگی دارد به اندازه مولکولها و تعداد واحد آنها در واحد حجم. و به قطر d و مولکولهای گاز به صورت کروی هستند در این صورت مقطع برای برخورد برابر با лd2 خواهد بود.

مولکولی با قطر ۲d را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در داخل گازی از ذرات نقطه‌ای هم ارز حرکت می‌کند. این مولکول در مدت t استوانه‌ای با سطح مقطع лd2 و طول Vt را می‌روبد. اگر nv تعداد مولکولها در واحد حجم باشد استوانه شامل (лd2 Vt ) nv ذره خواهد بود. مسافت آزاد میانگین ، L ، فاصله متوسط بین دو برخورد پی‌درپی است بنابراین ، L ، عبارت است از کل مسافتی که مولکول در مدت t می‌پیماید. (Vt) تقسیم بر تعداد برخوردهایی که در این مدت انجام می‌دهد. یعنی

I = Vt/πd2nv =1/√۲πnd2

I=1/√۲πnd2

این میانگین بر مبنای تصویری است که در آن یک مولکول با هدفهای ساکن برخورد می‌کند. در واقع ، برخوردهای مولکول با هدف دمای متحرک انجام می‌گیرد در نتیجه تعداد برخورد دما از این مقدار بیشتر است.

توزیع سرعتهای مولکولی
با توجه به سرعت جذر میانگین مربعی مولکولهای گاز ، اما گستره سرعتهای تک‌تک مولکولها بسیار وسیع است. بطوری که برای هر گازی منحنی‌‌ای از سرعتها مولکولی وجود دارد که به دما وابسته است. اگر سرعتهای تمام مولکولهای یک گاز یکسان باشند این وضعیت نمی‌تواند مدت زیاد دوام بیاورد. زیرا سرعتهای مولکولی به علت برخوردها تغییر خواهند کرد. با وجود این انتظار نداریم که سرعت تعداد زیادی از مولکولها بسیار کمتر از V‌rms (یعنی نزدیک صفر) یا بسیار بیشتر از Vrms ، زیرا وجود چنین سرعتهایی مستلزم آن است که یک رشته برخوردهایی نامحتمل و موجی صورت بگیرد. مسئله محتملترین توزیع سرعتها در مورد تعداد زیادی از مولکولهای یک گاز را ابتدا کلوک ماکسول حل کرد. قانونی که او ارائه کرد در مورد نمونه‌ای از گاز که N مولکول را شامل می‌شد چنین است :

N(V)=4πN(m/2πKt)3/2V2e-mv2/2kt

در این معادله N(V)dV تعداد مولکولهایی است که سرعت بین V و V+3v است، T دمای مطلق ، K ثابت بولتزمن ، m جرم هر مولکول است. تعداد کل مولکولهای گاز (N) را ، با جمع کردن (یعنی انتگرال‌گیری) تعداد موجود در هر بازه دیفرانسیلی سرعت از صفر تا بینهایت به دست می‌آید. واحد (N(V می‌تواند مثلا مولکول برا سانتیمتر بر ثانیه باشد.

N =∫∞۰N(V)dv

توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات
توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات شبیه گاز است. اما بعضی از مولکولهای مایع (آنهایی که سریعترند) می‌توانند در دماهایی کاملا پایینتر از نقطه جوش عادی از سطح مایع بگریزند. (یعنی تبخیر شوند). فقط این مولکولها هستند که می‌توانند بر جاذبه مولکولهای سطح فائق آیند. و در اثر تبخیر فرار کنند. بنابراین انرژی جنبشی میانگین مولکولهای باقیمانده نیز کاهش می‌یابد در نتیجه دمای مایع پایین می‌آید. این امر روشن می‌کند که چرا تبخیر فرایند سرمایشی است.

مثال واقعی در مورد توزیع سرعتهای مولکولی
با توجه به فرمول N(V)= Σ۴۱۰N(M/2πkT)3/2 توزیع سرعتهای مولکولی هم به جرم مولکول و هم به دما بستگی دارد هرچه جرم کمتر باشد نسبت مولکولهای سریع در یک دمای معین بیشتر است. بنابراین احتمال اینکه هیدروژن در ارتفاعات زیاد از جو فرار کند بیشتر است، تا اکسیژن و ازت. کره ماه دارای جو رقیقی است. برای آنکه مولکولهای این جو احتمال زیادی برای فرار از کشش گرانشی ضعیف ماه ، حتی در دماهای پایین آنجا نداشته باشند، انتظار می‌رود که این مولکولها یا اتمها متعلق به عناصر سنگینتر باشند. طبق شواهدی ، در این جو گازهای بی اثر سنگین مانند کریپتون و گزنون وجود دارند که براثر واپاشی پرتوزا در تاریخ گذشته ماه تولید شده‌اند. فشار جو ماه در حدود ۱۰ برابر فشار جو زمین است.

توزیع ماکسولی
ماکسول قانون توزیع سرعتهای مولکولی را در سال ۱۸۵۹ میلادی به دست آورد. در آن زمان بررسی این قانون به کمک اندازه گیری مستقیم ممکن نبود و در حقیقت تا سال ۱۹۲۰ که اولین کوشش جدی در این راه توسط اشترن (Stern) به عمل آمد، هیچ اقدامی صورت نگرفته بود. افراد مختلفی تکنیکهای این کار را به سرعت بهبود بخشیدند. تا اینکه در سال ۱۹۵۵ یک بررسی تجربی بسیار دقیق در تائید این قانون (در مورد مولکولهای گاز توسط میلر (Miller) و کاش (Kusch) از دانشگاه کلمبیا صورت گرفت.

اسبابی که این دو نفر بکار بردند در مجموعه‌‌ای از آزمایشها مقداری تالیوم در کوره قرار می‌دادند و دیواره‌های کوره O را تا دمای یکنواخت ۸۰±۴K گرم کردند. در این دما تالیوم بخار می‌شود و با فشار ۳٫۲x10-3 میلیمتر جیوه ، کوره را پر می‌کند. بعضی از مولکولهای بخار تالیوم از شکاف s به فضای کاملا تخلیه شده خارج کوره فرار می‌کند و روی استوانه چرخان R می‌افتند در این صورت استوانه که طولش L است تعدادی شیار به صورت مورب تعبیه شده که فقط یکی از آنها را می‌توان دید. به ازای یک سرعت زاویه‌ای معین استوانه (W) فقط مولکولهایی که دارای سرعت کاملا مشخص V هستند می‌توانند بدون برخورد با دیواره‌ها از شیارها عبور کنند. سرعت V را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد:

V=LW/q و L/V= φ/W = زمان عبور مولکول از شیار

 φ : تغییر مکان زاویه‌ای بین ورودی و خروجی یک شیار مورب است. استوانه چرخان یک سرعت گزین است، سرعت انتخاب شده با سرعت زاویه‌ای (قابل کنترل) W متناسب است.

نقص توزیع سرعت ماکسولی با نظریه جنبشی
اگرچه توزیع ماکسولی سرعت برای گازها در شرایط عادی سازگاری بسیار خوبی با مشاهدات دارد. ولی در چگالیهای بالا ، که فرضهای اساسی نظریه جنبشی کلاسیک صادق نیستند. این سازگاری نیز به هم می‌خورد. در این شرایط باید از توزیعهای سرعت مبتنی بر اصول مکانیک کوانتومی ، یعنی توزیع فرمی – دیراک (Fermi Dirac) بوز – انیشتین (Bose Einstein) استفاده کرد. این توزیعهای کوانتمی در ناحیه کلاسیک ( چگالی کم ) با توزیع ماکسولی توافق نزدیک دارند و در جایی که توزیع کلاسیک با شکست مواجه می‌شود با نتایج تجربی سازگارند. بنابراین در کاربرد توزیع ماکسولی محدودیتهایی وجود دارد. همانگونه که در واقع برای هر نظریه‌ای چنین است.


نظریه جنبشی گازها ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع: http://www.cloudysky.ir/data/data0121.php

عدد پی

عدد پی

عدد پی از عددهای ثابت ریاضی و تقریباً برابر با ۳٫۱۴۱۵۹ است. این عدد را با علامت π نشان می‌دهند. عدد پی عددی حقیقی و گُنگ است که نسبت محیط دایره به قطر آن را در هندسه‌ی اقلیدسی مشخص می‌کند و کاربردهای فراوانی در ریاضیات، فیزیک و مهندسی دارد. عدد پی همچنین به ثابت ارشمیدس نیز معروف است.

عدد پی
علم فیزیک – عدد پی
مقدمه:عدد پی: از عددهای ثابت ریاضی و تقریباً برابر با ۳٫۱۴۱۵۹ است. این عدد را با علامت π نشان می‌دهند. عدد پی عددی حقیقی و گُنگ است که نسبت محیط دایره به قطر آن را در هندسه‌ی اقلیدسی مشخص می‌کند و کاربردهای فراوانی در ریاضیات، فیزیک و مهندسی دارد. عدد پی همچنین به ثابت ارشمیدس نیز معروف است.تاریخچه:کمی بیش از دو قرن است که نسبت طول محیط دایره را به قطر آن ،با نشانهπ می شناسند. این نشانه حرف اول یک کلمه یونانی به معنای محیط است.برای نخستین بار «ویلیامجون»،ریاضیدان انگلیسی،در سال ۱۷۰۶ از این نشانه استفاده کرد و از میانه سده هجدهمکه« لیونارد اولر» کتاب «آنالیز» خود را چاپ کرد دیگر در همه جا به کار رفت.ولی خودمفهوم این عدد (البته بدون اینکه نشانه ای برای ان در نظر گرفته شده باشد )،بیش ازچهارهزار سال سابقه دارد.آنها که هرم مشهور « خیوپو س » رامورد بررسی قرار د ادهاند در نسبت اندازه های آن،رد پاهای اشکاری از این نسبت یعنی نسبت محیط دایره بهقطر آن دیده اند: خارج قسمتی که از تقسیم مجموع دو ضلع قاعده بر ارتفاع هرم به دستمی آید، مساوی ۱۴۱۶/۳ است واین همان مقدار عدد π است که سه رقم بعد از ممیز ان دقیقاست. «پاپیروس» معروف به «آهمس» روش زیر را برای ساختن مربعی که سطح دایره داشتهباشد ،ذکر می کند: «از قطر دایره ، یک نهم آن را کنار بگذارید و مربعی بسازید کهضلع آن مساوی اندازه بقیه قطر باشد . این مربع هم ارز دایره خواهد بود .» از اینمطلب نتیجه می شود که مقدار π برای آهمس ، برابر ۱۶۵۰/۳ بوده است . ظاهرا” سازندگانهمرم ها ، از راز این عدد آگاه بوده اندیونان باستان مساحت هر شکل هندسی را از راه تربیع آن یعنی از راه تبدیل ان به مربعی هم مساحت بدست می آوردند.از این راه توانسته بودند به چگونگی محاسبه هر شکل پهلو دار پی ببرند . آن گاه که محاسبه مساحت دایره پیش امد دریافتند که تربیع دایره مسئله ای ناشدنی می نماید . در هندسه اقلیدسی ثابت شده بود که نسبت محیط هر دایره به قطر آن عدد ثابتی است . و مساحت دایره از ضرب محیط در یک چهارم آن بدست می اید و مسئله بدان جا انجامید که خطی رسم کنند که در ازای آن با آن مقدار ثابت برابر باشد رسم این خط ناشدنی است .سرانجام راه چاره را در آن دیدند که یک مقدار تقریبی مناسب برای آن مقدار ثابت بدست آورند . ارشمیدس کسر بیست و دو هفتم را بدست آورد که سالیان دراز آن را به کار می بردند .پس از آن و برای محاسبات دقیقتر کسر سیصد و پنجاه و پنج بر روی صد و سیزده را به کار بردند. اختلاف بین عدد پی و مقدار تقریبی سیصد و پنجاه و پنج بر روی صد و سیزده فقط حدود سه ده میلیونم است . ریاضی دان بزرگ ایرانی جمشید کاشانی برای نخستین بار مقدار ثابت نسبت محیط به قطر دایره را بدست آورد که تا شانزده رقم پس از ممیز دقیق بود این ریاضی دان و منجم مسلمان ایرانی توانست مقدار دوبرابر π راتا شانزده رقم اعشار در رساله محیطیه برابر ۶٫۲۸۳۱۸۵۳۰۷۱۷۹۵۸۶۵ بدست آوردتیکوبراهه منجم دانمارکی پی را عدداعشاری ۱۴۰۹ /۳ معرفی نمود.فرانسواویت ریاضی دان فرانسوی به کمک ۳۹۳۲۱۶ ضلعی مقدار پی راتا۹ رقم اعشار محاسبه کرد.درضمن ریاضیدانانی نظیر جان والیس – آندریاس رومانوس – لودلف – ویلیام برونکر – آبراهام شارپ نیز عدد پی را تا ارقام خاصی محاسبه نمودند.در زبانهای مختلف شعرها ومتن هایی گفته اند که با شمارش کلمات وحروف آن ارقام پی مشخص می شود.درزبان فارسی نیز شعر زیر مقدارپی را تا۱۰ رقم اعشار نمایان می کند:خرد وبینش وآگاهی دانشمندان ره سرمنزل توفیق بما آموزد ۳ ۱ ۴ ۱ ۵ ۹ ۲ ۶ ۵ ۳ ۵ دراینجا مقدارپی را تا ۳۰ رقم اعشار بیان می کنیم: ۱۴۱۵۹۲۶۵۳۵۸۹۷۹۳۲۳۸۴۶۲۶۴۳۳۸۳۲۷۹ / ۳ تعریفی از عدد پی:عدد پی عدد گنگی است که در اکثر محاسبات ریاضی به نحوی حضور دارد و ازمهمترین اعداد کاربردی ریاضیات می باشد .در هندسه اقلیدسی دو بعدی این عدد را نسبت محیط دایره به قطر دایره و یا مساحت دایره به شعاع واحد تعریف می کنند.در ریاضیات مدرن این عدد را در علم آنالیز و با استفاده از توابع مثلثاتی به صورت دقیق تعریف میکنند.به عنوان نمونه عدد پی را دو برابر کوچکترین مقدار مثبت xکه به اازای آن cos(x)=0میشود تعریف می کنند.تقریب اعشاری عدد پی:اولین نظریه در مورد مقدار تقریبی عدد پی توسط ارشمیدس بیانشد.این نظریه بر پایه تقریب زدن مساحت دایره بوسیله یک شش ضلعی منتظم محیطی و یک ششضلعی منظم محاطی استوار است.ریاضیدانان اروپایی در قرن هفدهم به مقدار واقعی عدد پی نزدیک‌ترشدند.از جمله این دانشمندان جیمز گریگوری بود که برای پیدا کردن مقدار عدد پی ازفرمول زیر استفاده کرد:
یکی از مشکلاتی که در این روش وجود دارد این است که برای پیداکردن مقدار عدد پی تا ۶ رقم اعشار باید پنج میلیون جمله از سری فوق را با هم جمعکنیم.در اوایل قرن هجدهم ریاضیدان دیگری به نام جان ماشین فرمولگریگوری را اصلاح کرد که این فرمول امروزه نیز در برنامه های رایانه ای برای محاسبهعدد پی مورد استفاده قرار می‌گیرد.این فرمول به صورت زیر است:با استفاده از این فرمول یک انگلیسی به نام ویلیام شانکس مقدارعدد پی را تا ۷۰۷ رقم اعشار محاسبه کرد،در حالیکه فقط ۵۲۷رقم آن درست بود.امروزه مقدار عدد پی با استفاده از پیشرفته ترین رایانه ها تامیلیونها رقم محاسبه شده است. و تعداد این ارقام هنوز در حال افزایش است.کاربرد عدد پی:مهندسان هخامنشی راز استفاده از عدد پی (۱۴/۳ ) را دو هزار و ۵۰۰ سال پیش کشف کرده بودند. آنها در ساخت سازه های سنگی و ستون های مجموعه تخت جمشید که دارای اشکال مخروطی است، از این عدد استفاده می کردند.
عدد پی ۳/۱۴در علم ریاضیات از مجموعه اعداد طبیعی محسوب می شود. این عدد از تقسیم محیط دایره بر قطر آن به دست می آید. کشف عدد پی جزو مهمترین کشفیات در ریاضیات است. کارشناسان ریاضی هنوز نتوانسته اند زمان مشخصی برای شروع استفاده از این عدد پیش بینی کنند. عده زیادی، مصریان و برخی دیگر، یونانیان باستان را کاشفان این عدد می دانستند اما بررسی های جدید نشان می دهد هخامنشیان هم با این عدد آشنا بودند.
«عبدالعظیم شاه کرمی» متخصص سازه و ژئوفیزیک و مسئول بررسی های مهندسی در مجموعه تخت جمشید در این باره،‌ گفت: «بررسی های کارشناسی که روی سازه های تخت جمشید به ویژه روی ستون های تخت جمشید و اشکال مخروطی انجام گرفته؛ نشان می دهد که هخامنشیان دو هزار و ۵۰۰ سال پیش از دانشمندان ریاضی دان استفاده می کردند که به خوبی با ریاضیات محض و مهندسی آشنا بودند. آنان برای ساخت حجم های مخروطی راز عدد پی را شناسایی کرده بودند.»
دقت و ظرافت در ساخت ستون های دایره ای تخت جمشید نشان می دهد که مهندسان این سازه عدد پی را تا چندین رقم اعشار محاسبه کرده بودند. شاه کرمی در این باره گفت: «مهندسان هخامنشی ابتدا مقاطع دایره ای را به چندین بخش مساوی تقسیم می کردند. سپس در داخل هر قسمت تقسیم شده، هلالی معکوس را رسم می کردند. این کار آنها را قادر می ساخت که مقاطع بسیار دقیق ستون های دایره ای را به دست بیاورند. محاسبات اخیر، مهندسان سازه تخت جمشید را در محاسبه ارتفاع ستون ها، نحوه ساخت آنها،‌ فشاری که باید ستون ها تحمل کنند و توزیع تنش در مقاطع ستون ها یاری می کرد. این مهندسان برای به دست آوردن مقاطع دقیق ستون ها مجبور بودند عدد پی را تا چند رقم اعشار محاسبه کنند.»
هم اکنون دانشمندان در بزرگ ترین مراکز علمی و مهندسی جهان چون «ناسا» برای ساخت فضاپیماها و استفاده از اشکال مخروطی توانسته اند عدد پی را تا چند صد رقم اعشار حساب کنند. بر اساس متون تاریخ و ریاضیات نخستین کسی که توانست به طور دقیق عدد پی را محاسبه کند، «غیاث الدین محمد کاشانی» بود. این دانشمند اسلامی عددپی را تا چند رقم اعشاری محاسبه کرد. پس از او دانشمندانی چون پاسکال به محاسبه دقیق تر این عدد پرداختند. هم اکنون دانشمندان با استفاده از رایانه های بسیار پیشرفته به محاسبه این عدد می پردازند.
شاه کرمی با اشاره به این موضوع که در بخش های مختلف سازه تخت جمشید، مقاطع مخروطی شامل دایره، بیضی، و سهمی دیده می شود، گفت: «به دست آوردن مساحت، محیط و ساخت سازه هایی با این اشکال هندسی بدون شناسایی راز عدد پی و طرز استفاده از آن غیرممکن است.»
داریوش هخامنشی بنیان گذار تخت جمشید در سال ۵۲۱ پیش از میلاد دستور ساخت تخت جمشید را می دهد و تا سال ۴۸۶ بسیاری از بناهای تخت جمشید را طرح ریزی یا بنیان گذاری می کند. این مجموعه باستانی شامل حصارها، کاخ ها،‌ بخش های خدماتی و مسکونی، نظام های مختلف آبرسانی و بخش های مختلف دیگری است.
مجموعه تخت جمشید مهمترین پایتخت مقاومت هخامنشی در استان فارس و در نزدیکی شهر شیراز جای گرفته است.
عدد پی ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک
اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک ، فیزیک نور ، اپتیک ، فیزیک الکتریسیته ، الکترونیک ، فیزیک کوانتوم ، الکترومغناطیس ، هسته ای ، فیزیک مدرن ، صوت ، علوم

فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان

فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان

فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان
علم فیزیک – فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان
علم فیزیک – فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان

دانشجویی سر امتحان فیزیک به سوال زیر برخورد کرد:
“چگونه می توان با استفاده از یک فشارسنج ارتفاع یک ساختمان را حساب کرد”؟
او جواب زیر را برای این سوال نوشت:
“یک فشار سنج (ترجیحا خراب) را از بالای ساختمان به پایین می اندازیم و زمان رسیدن آن را به زمین محاسبه می کنیم ( t ) . با استفاده از فرمول h=1/2 at^2 + V0 t
و قرار دادن a=g=9.8 و V0=0 می توان ارتفاع ساختمان ( h ) را با دقت خوبی حساب کرد”. وی در ادامه نحوه اندازه گیری دقیق زمان و جزئیات دیگر را توضیح داد.
استاد درس که انتظار چنین جوابی را نداشت مساله را با همکارانش در میان گذاشت. تصمیم بر این شد که طی یک امتحان شفاهی از دانشجو بخواهند که جواب درست سوال را پیدا کند.
دانشجو ۱۵ دقیقه وقت داشت تا به سوال جواب دهد. او با عصبانیت کاغذ و قلمی برداشت و شروع به نوشتن کرد و توضیح داد که به دلیل جوابهای متفاوتی که در ذهن دارد باید به نحوی آنها را مرتب کند و بدون اینکه حرف دیگری بزند ۱۰ دقیقه تمام نوشت و بعد نوشته هایش را تحویل داد و رفت. پاسخ او چنین بود:

۱– جوابی که شما می خواهید این است که فشارهوا را در پایین و بالای ساختمان حساب کرده، از روی اختلاف فشار در واحد طول ارتفاع ساختمان را حساب کنبم، ولی دقت این روش بسیار پایین است و روشی که در امتحان نوشتم و روشهای دیگری که در ادامه می آیند، دقیق تر هستند.

۲- فشارسنج را با طنابی از بالای ساختمان به پایین آویزان می کنیم تا نزدیک سطح زمین برسد. اگر آنرا مانند یک پاندول با دامنه کم به نوسان درآوریم با محاسبه پریود نوسان پاندول می توان فاصله بام ساختمان تا مرکز ثقل فشارسنج را حساب کرد.

۳- فشارسنج را مانند روش قبل از بالای ساختمان آویزان می کنیم تا به سطح زمین مماس شود. با متر کردن طناب مصرفی می توان ارتفاع ساختمان را محاسبه نمود.

۴- در یک روز آفتابی فشارسنج را روی زمین می گذاریم. با اندازه گیری طول سایه فشارسنج و سایه ساختمان و با معلوم بودن ارتفاع فشارسنج، جواب مساله با یک تناسب ساده حل می شود.

۵- طول فشارسنج را با خط کش اندازه می گیریم و بعد ساختمان را با همان فشارسنج متر می کنیم.

۶- یک ستون آب به ارتفاع ساختمان درست می کنیم و فشار آب موجود در عمق انتهایی ستون را اندازه می گیریم. محاسبات بعدی بدیهی هستند.

۷- فشارسنج را می فروشیم و با مقداری از پول بدست آمده، یک متر به اندازه کافی بلند می خریم.

۸- ولی بهترین روشی که پیشنهاد می کنیم این است که به سرایداری ساختمان مراجعه کنید و از او بخواهید در ازای گرفتن یک فشارسنج نو، ارتفاع ساختمان را به شما بگوید.

نتیجه اخلاقی فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان : دانشجو نمره سوال را گرفت.
نتیجه منطقی: سعی کنید همان جوابی را که از شما می خواهند بنویسید، چون ممکن است به اندازه این دوستمان خوش شانس نباشید!

فشار سنج و ارتفاع یک ساختمان ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

فیزیک پلاسما

فیزیک پلاسما

فیزیک پلاسما (Plasma Physics) 

فیزیک پلاسما
علم فیزیک – فیزیک پلاسما

می دانیم که برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسمای داغ بزرگ است. 

تعریف پلاسما 

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود. 

حدود پلاسما 

اغلب گفته میشود که ۹۹% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است. 

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود. 

آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟ 

کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد. این کلمه از یک لغت یونانی آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است. 

حفاظ دبای 

یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلوله ها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند. 

اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند. 

معیارهای پلاسما 

طول موج دبای (لاندای دی) باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد. 

تعداد ذرات موجود در یک کره دبای (ND ) باید خیلی بزرگتر باشد. 

حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد. 

کاربردهای فیزیک پلاسما 

– تخلیه های گازی : 

قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لوله های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد. 

– همجوشی گرما هستهای کنترل شده: 

فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود. 

– فیزیک فضا: 

کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند. 

– تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ( MHD ) و پیشرانش یونی: 

دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد. 

– پلاسمای حالت جامد : 

الکترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یک پلاسمای گازی را عرضه می دارد. 

– لیزرهای گازی: 

عادیترین پمپاژ ( تلمبه کردن ) یک لیزر گازی ، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور میشود، استفاده از تخلیه گازی است. 

– شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند چاقوی پلاسما ، تلویزیون پلاسما ، تفنگ الکترونی ، لامپ پلاسما و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است. 

فیزیک پلاسما ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع : دانشنامه رشد

شناسایی سیاره زحل

شناسایی سیاره زحل

زحل که بعد از مشتری بزرگترین سیاره در منظومه شمسی به حساب می آید دارای هفت حلقه مسطح به دور خود است. این هفت حلقه در واقع شامل تعداد زیادی حلقه های باریک است که با ذرات یخی درست شده اند.

شناسایی سیاره زحل
علم فیزیک – شناسایی سیاره زحل
علم فیزیک – شناسایی سیاره زحل

این حلقه ها زحل را به یکی از زیباترین اجرام آسمان در منظومه شمسی تبدیل کرده اند. به جز زحل، سیارات مشتری، نپتون و اورانوس نیز دارای حلقه هایی هستند که نسبت به حلقه های زحل بسیار کم نورترند. قطر زحل در استوا ۱۲۰.۵۴۰ کیلومتر، تقریبا ۱۰ برابر قطر زمین است. این سیاره از زمین با چشم غیر مسلح قابل رویت است و البته حلقه های آن دیده نمی شوند. زحل آخرین سیاره ای بود که ستاره شناسان باستان موفق به کشف آن شده بودند. این سیاره به مناسبت خدای کشاورزی رومیان، ساترن نام گرفت. زحل در مداری بیضی شکل به دور خورشید در حرکت است. بیشترین فاصله آن از خورشید ۱.۵۱۴.۵۰۰.۰۰۰ کیلومتر و کمترین فاصله آن ۱.۳۵۲.۵۵۰.۰۰۰ کیلومتر است. یک سال در زحل معادل ۱۰.۷۵۹ روز و یا ۵/۲۹ سال زمینی است. بعد از مشتری، زحل سریعترین گردش وضعی در بین سیارات دیگر منظومه شمسی را دارد. یکبار گردش این سیاره به دور خود تنها ۱۰ ساعت و ۳۹ دقیقه به طول می انجامد. به دلیل این حرکت گردشی سریع، قطر استوایی این سیاره ۱۳.۰۰۰ کیلومتر از قطر قطبی آن بیشتر است. هفت حلقه زحل در حقیقت متشکل از هزاران حلقه باریک است. این حلقه های باریک از بیلیونها تکه یخ ایجاد شده اند.

شناسایی سیاره زحل

بیشتر دانشمندان معتقدند که این سیاره یک غول گازیست و هیچ سطح جامدی ندارد. به هرحال، به نظر می رسد که زحل دارای یک هسته داغ و جامد آهنیست. اطراف این هسته متراکم، هسته خارجی قرار گرفته که احتمالا ترکیبی از آمونیاک، متان و آب است. یک لایه از هیدروژن به شدت فشرده پیرامون هسته خارجی وجود دارد. در بالای این لایه، منطقه ای چسبناک (شربت مانند) متشکل از هیدروژن و هلیوم جای گرفته است. هیدروژن و هلیوم در نزدیک سطح به شکل گاز در می آیند و با اتمسفر زحل که عمدتا ترکیبی از همین دو عنصر است مخلوط می شوند. انحراف محور عمودی این سیاره منجر به اختلاف میزان تابش خورشید به قسمتهای مختلف آن و در نهایت ایجاد فصول شده است. هر فصل در این سیاره ۵/۷ سال طول می کشد چرا که مدت زمان یکبار گردش زحل به دور خورشید ۲۹ برابر زمین است. دمای زحل همیشه از دمای زمین سردتر است زیرا این سیاره از خورشید دورتر است. میانگین دما در بالای ابرها ۱۷۵- درجه سانتیگراد می باشد. در بین همه سیارات منظومه شمسی، زحل کمترین چگالی را دارد. چگالی این سیاره تنها یک دهم چگالی زمین و دو سوم چگالی آب است. به همین دلیل یک تکه از این سیاره نسبت به تکه ای برابر از زمین بسیار سبکتر است و در روی آب شناور می ماند! گرچه چگالی این سیاره بسیار کم است اما وزن آن پس از مشتری، از دیگر سیارات بیشتر است. جرم زحل ۹۵ بار از جرم زمین بیشتر است. نیروی گرانش این سیاره اندکی از گرانش زمین بیشتر است به طوری که یک جسم ۱۰۰ گرمی در زمین، در زحل ۱۰۷ گرم می باشد. هفت حلقه زحل در حقیقت متشکل از هزاران حلقه باریک است. این حلقه های باریک از بیلیونها تکه یخ ایجاد شده اند. ابعاد این تکه های یخ گاهی به اندازه یک ذره کوچکند و گاهی قطر آنها به بیش از ۳ متر می رسد.

حلقه های اصلی زحل بسیار عریضند. برای مثال عرض خارجی ترین حلقه ۳۰۰.۰۰۰ کیلومتر می باشد. با این حال در ابعاد فضا این حلقه ها بسیار باریک به حساب می آیند. آنقدر باریک که هنگامیکه این سیاره درست در مقابل و در راستای زمین قرار می گیرد نیز این حلقه ها قابل رویت نیستند. ضخامت آنها بین ۲۰۰ تا ۳۰۰۰ متر است. در بین حلقه ها فضای خالی قرار گرفته و آنها را از هم جدا می نماید. عرض هر یک از این فضاهای خالی ۳۲۰۰ کیلومتر و یا بیشتر است. البته در برخی از این فضاهای خالی حلقه های بسیار باریکی قرار دارند. حلقه های زحل در اوایل قرن ۱۶ توسط ستاره شناس ایتالیایی، گالیله، کشف شدند. گالیله نتوانست با تلسکوپ کوچک خود این حلقه ها را به وضوح و به درستی رصد کند. او فکر می کرد که حلقه ها، قمر های بسیار بزرگی هستند. در سال ۱۶۵۶، پس از به کارگیری یک تلسکوپ قوی تر، کریستیان هویگنس ستاره شناس آلمانی، یک حلقه باریک مسطح حول زحل را توصیف کرد. هایگنس فکر می کرد که این حلقه یک صفحه جامد از برخی مواد است. در سال ۱۶۷۵، دومنیکو کاسینی یک ستاره شناس آلمانی متولد فرانسه، کشف دو حلقه مجزا که با گروه هایی از اقمار کوچک شکل گرفته بودند را اعلام نمود. مشاهدات بعدی از زحل وجود تعداد بیشتر این حلقه ها را ثابت نمود. حلقه های باریکی که هفت حلقه اصلی را شکل می دهند در سال ۱۹۸۰ کشف شدند. بزرگترین قمر این سیاره تیتان نام دارد. قطر این قمر ۵۱۵۰ کیلومتر (بزرگتر از سیاره پلوتو) است. تیتان یکی از معدود اقمار موجود در منظومه شمسی است که دارای جو است. اتمسفر این قمر حاوی حجم زیادی نیتروژن است.

 شناسایی سیاره زحل ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

 

 نقل از    neophysics.ir