وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطهای نور قرار گیرد، سایهای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد میشود. این اثر به آسانی قابل روییت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک میدرخشد، این کار را به خوبی انجام میدهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطهای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.
حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل میشود. به سایهای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد میشود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمیگیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.
تاریخچه
اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.
انواع پراش
پراش فرانهوفر
فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطهای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پردهای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها میشود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظهای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بیشباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر میدهد ولی شکل آن را بدون تغییر میگذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور میگویند.
پراش فرنهوفر تک شکاف
در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار میگیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر میدهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کنارهها شدت بیشتری دارد. نقشهای پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده میشود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ییابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روییت است.
شکاف دوگانه
در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار میگیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهمهای مربوط به این دو شکاف روی هم میافتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده مینامند.
پراش فرنل
فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطهای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پردهای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده میافتد، که علیرغم وجود برخی فریزهای جزیی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور میشود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخصتری به خود میگیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر میشوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده میشود.
اصل بابینه
دو پرده پراشان را مکمل میگویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.
توری پراش
آرایهای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنهها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده میشود. غالبا توریهای تخت تراشهای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار میشوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.
کلمات کلیدی: هسته ای
جوشکاری و برشکاری با استفاده از اشعه لیزر از روشهای نوین جوشکاری بوده که در دههای اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت ، سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود .به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روی فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاری انجام می شود .
اصول کار و انواع لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری :
به طور عمده از دو نوع لیزر در جوشکاری و برشکاری استفاده می شود : لیزرهای جامد مثل Ruby و ND:YAG و لیزرهای گاز مثل لیزر CO۲ . در زیر اصول کار لیزر Ruby که از آن بیشتر در جوشکاری استفاده می شود توضیح داده می شود . این سیستم لیزر از یک کریستال استوانه ای شکل Ruby (Ruby یک نوع اکسید آلومینیوم است که ذرات کرم در آن پخش شده اند . ) تشکیل شده است . دو سر آن کاملا صیقلی و آینه ای شده و در یک سر آن یک سوراخ ریز برای خروج اشعه لیزر وجود دارد . در اطراف این کریستال لامپ گزنون قرار دارد که لامپ فوق برای کار در سرعت حدود ۱۰۰۰ فلاش در ثانیه طراحی شده است . لامپ گزنون با استفاده از یک خازن که حدود ۱۰۰۰ بار در ثانیه شارژ و تخلیه شده فلاش می زند و هنگامی که کریستال Ruby تحت تاثیر این فلاش ها قرار بگیرد اتمهای کرم داخل شبکه کریستالی تحریک شده و در اثر این تحریک امواج نور از خود سطع می کنند و با باز تابش این اشعه ها در سطوح صیقلی و تقویت آنها اشعه لیزر شکل می گیرد . اشعه لیزر شکل گرفته از سوراخ ریز خارج شده و سپس به وسیله یک عدسی بر روی قطعه کار متمرکز شده که بر اثر برخورد انرژی بسیار زیادی در سطح کوچکی آزاد می کند که باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب می شود .
محدودیت لیزر Ruby پیوسته نبودن اشعه آن است در حالیکه انرژی خروجی ان بیشتر از لیزر های گاز مانند لیزر CO۲ است که در آنها اشعه حاصله پیوسته است، از لیزر CO۲ بیشتر به منظور برش استفاده می شود و از لیزر ND:YAG بیشتر برای جوشکاری آلومینیوم استفاده میشود .
از انجا که در این روش مقدار اعظمی از انرژی مصرف شده به گرما تبدیل می شود این سیستم باید به یک سیستم خنک کننده مجهز باشد .
در جوشکاری لیزر دو روش عمده برای جوشکاری وجود دارد : یکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است تا که یک جوش پیوسته شکل بگیرد و دیگری که مرسوم تر است جوش دادن باچند سری پرتاب اشعه است .
در جوشکاری لیزر تمامی عملیات ذوب و انجماد در چند میکروثانیه انجام می گیرد و به خاطر کوتاه بودن این زمان هیچ واکنشی بین فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از این رو گاز محافظ لازم ندارد .
طراحی اتصال در جوشکاری لیزر : بهترین طرح اتصال برای این نوع جوشکاری طرح اتصال لب به لب می باشد و با توجه به محدودیت ضخامت در آن می توان ازطرح اتصال های T یا اتصال گوشه نیز استفاده نمود .
مزایای جوشکاری لیزر :
- حوضچه مذاب می تواند داخل یک محیط شفاف ایجاد شود ( باعکس روشهای معمولی که همیشه حوضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد می شود (.
- محدوده بسیار وسیعی از مواد را مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غیر همجنس و … را میتوان به یکدیگر جوش داد .
- در این روش میتوان مکان های غیر قابل دسترسی را جوشکاری نمود .
- از آنجا که هیچ الکترودی برای این منظور استفاده نمی شود نیازی به جریانهای بالا برای جوشکاری نیست .
- اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا محیط خلایی برای عملکرد ندارد .
- به خاطر تمرکز بالای اشعه منطقه HAZ بسیار باریکی در جوش تشکیل میشود .
- جوشکاری لیزر نسبت به سایر روشهای جوشکاری تمیز تر است .
محدودیت ها و معایب جوشکاری لیزر :
سیستم های جوشکاری لیزرنسبت به سایر دستگاههای سنتی جوشکاری بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثر آنها از سرعت پیشروی کمی برخوردارند ( ۲۵ تا ۲۵۰ میلیمتر در دقیقه ) . همچنین این نوع جوشکاری دررای محدودیت عمق نیز می باشد .
موارد استفاده اشعه لیزر :
از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاری استفاده می شود . این نوع جوشکاری در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصال ها کاربرد دارد . از اشعه لیزر میتوان در جوش دادن آلیاژها و سوپر الیاژها با نقطه ذوب بالا و برای جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود . به طور کلی این روش جوشکاری برای استفاده های دقیق و حساس استفاده میشود . از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژآن برای جوش دادن درزهای بلند استفاده نمود.
کلمات کلیدی: اپتیک
رسانایى خاصیتى از مواد است که باعث انتقال انرژى الکتریکى در آنها مى شود. این خاصیت در مواد مختلف، یکسان نیست. طلا و نقره رسانا هاى خیلى خوبى هستند در حالى که شیشه یا پلاستیک اصلاً رسانا نیستند. مانعى در برابر رسانش الکتریکى است که مقاومت نامیده مى شود. تغییرات جزیى ترمودینامیکى و الکترو مغناطیسى، روى آن تاثیر مى گذارد.بشر همواره مى خواسته که راه هاى تولید انرژى را ارزان تر کند و یکى از بهترین گزینه ها براى کم کردن هزینه کشف موادى است که مقاومت کمترى دارند. اما در بعضى از مواد وقتى که به یک دماى خاص برسیم، تغییرى در حالت ماده به وجود مى آید که به آن ابررسانایى مى گویند. در این حالت مقاومت الکتریکى از بین مى رود به طورى که جریانى که در یک حلقه ابررسانا تولید مى شود تا صد هزار سال بدون تغییر باقى مى ماند!
کشف ابررساناها
نرنست فیزیکدان آلمانی نشان داده بود که با کم شدن دما، مقاومت فلز باید به تدریج کاهش یابد تا سرانجام در صفر مطلق به کلى ناپدید شود. یکى از خالص ترین فلزات در آن زمان جیوه بود. به همین دلیل کامرلینگ اونس فیزیکدان هلندی به سراغ اندازه گیرى مقاومت جیوه رفت. نتایجى که وى به دست آورد تا دماى ۴ کلوین طبیعى بود اما پایین تر از این دما ناگهان مقاومت الکتریکى به حدى مى رسید که با دستگاه هایى که تا آن روز وجود داشت، قابل اندازه گیرى نبود. در سلسله مقالاتى که اونس تا سال ۱۹۱۳ در مورد این پدیده منتشر کرد، نام ابررسانایى را بر روى آن گذاشت. این خاصیت توسط خود اونس در سرب و قلع نیز مشاهده شد. البته به نظر مى رسد که اونس این کلمه را براى صرفه جویى در لغات به کاربرده در مقاله هایش به کار برد و در ابتدا درک عمیقى از آنچه که کشف کرده بود، نداشت.«کارهه کامرلینگ اونس» اصیل زاده هلندى در سال ۱۹۱۳ به خاطر کشف خاصیت ابررسانایى به دریافت بزرگترین جایزه علمى دنیا، نوبل فیزیک مفتخر شد.
اندازه گیرى مقاومت ابررسانا
اونس براى اندازه گیرى مقاومت ابررسانا آزمایشى را به این صورت طرح کرد که ابتدا جریانى را در دو سر یک پیچه برقرار کرد و سپس آن را داخل یک ظرف هلیم مایع فرو برد تا به حالت ابررسانایى درآید. سپس دو سر پیچه را به هم وصل کرد تا اتصال کوتاه شود. سپس با قرار دادن یک قطب نما، هرگونه افت در میعان مغناطیسى تولید شده توسط جریان در پیچه را اندازه گرفت. چنین آزمایشى، چندین سال بعد در MIT (موسسه فناورى ماساچوست) در ابعاد بسیار بزرگ انجام شد و پس از مدت دو سال هیچ گونه افت جریانى مشاهده نشد. اما سرانجام اعتصاب صنفى کارگران بخش حمل و نقل در ایالت ماساچوست باعث شد که هلیم مایع به موقع به آزمایشگاه نرسد و آزمایش متوقف شود.
اثر میدان مغناطیسى
کشف خاصیت ابررسانایى در نخستین مراحل، دانشمندان را مصمم به ساخت منبع لایزالى براى تولید انرژى کرد؛ یعنى ساخت سیم پیچ هایى عظیم از ابررسانا براى صرفه جویى در مصرف برق. اما این بار هم اونس بود که نشان داد زیاد شدن میدان مغناطیسى باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایى مى شود.در واقع هم دما و هم میدان مغناطیسى و هم شدت جریان الکتریکى عبورى در ایجاد خاصیت ابررسانایى در فلزات موثر است. اگر میدان مغناطیسى در محیط ایجاد شود، دماى ابررسانى پایین تر مى رود.
ماهیت ابررسانایی
از زمان کشف خاصیت ابررسانایى تا بیش از نیم قرن پس از آن هر دهه به طور متوسط ۷ یا ۸ نظریه براى توضیح ابررسانایى ارایه مى شد. اما همه این نظرات در یک نکته با هم مشترک بودند و آن عدم انطباق با واقعیت بود. کار به جایى رسید که فلیکس بلوخ، فیزیکدان حالت جامد فرضیه جدیدى را به طنز منتشر کرد که تا مدت مدیدى تنها نظر صحیح در مورد ابررسانایى بود: «مى توان ثابت کرد هر نظریه اى که براى توضیح ابررسانایى داده شود، غلط است!»
در تمام این مدت افرادى نظیر مایسنر، برادران لاندن، گورتر، کازیمیر، ابریکوسوف، لاندایو و گینزبرگ کشفیات نظرى و تجربى مهمى در مورد ابررسانایى انجام داده بودند که بعضى از آنها هم به خاطر کشفیات شان موفق به اخذ جایزه نوبل فیزیک شدند. اما سرانجام در ۱۹۵۷ سه فیزیکدان آمریکایى باردین، کوپر و شریفر در مقاله اى که ۱۵ سال بعد (۱۹۷۲) جایزه نوبل فیزیک را برایشان به ارمغان آورد، موفق به توضیح ابررسانایى شدند. این تیورى که به اختصار BCS (ابتداى نام سه نویسنده) نامیده مى شود، در مجله فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسید. ایده این نظریه را سال قبل کوپر در مقالهاى که در آن تشکیل یک زوج از الکترون ها را داده بود، فراهم کرده بود.در حقیقت تشکیل یک زوج از الکترون باعث مى شود که این زوج در هنگام حرکت در طول یک رسانا اثرات اصطکاکى ناشى از مقاومت را حس نکنند. البته این تنها یک توصیف بسیار ساده شده از آنچه که واقعاً رخ مى دهد است. پدیده هاى مهمى در این بین رخ مى دهند که باردین، کوپر و شریفر در مقاله شان توضیح دادند. لازم به ذکر است که جان باردین تنها فیزیکدانی است که دو بار موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شده است: در ۱۹۵۶ به خاطر کشف نیمرساناها و در ۱۹۷۲ به خاطر توضیح ابررسانایى.
ابر رسانا هاى دماى بالا
اما ماجرا با توضیح ابررسانایى خاتمه نیافت. در دهه ۱۹۸۰ در آزمایشگاه IBM در زوریخ فیزیکدان سوییسى، الکس مولر به همراه دستیار جوانش جورج بدنورز در حال ساخت نوعى سرامیک بودند که اشتباه این جوان در گرم نکردن یک اجاق باعث کشفى شد که هم پاى کشف آتش از بزرگترین دستاورد هاى بشر در تهیه انرژى است. این سرامیک در دماى بسیار بالاترى از صفر مطلق در حدود ۷۰ تا ۸۰ کلوین خاصیت ابررسانایى از خود بروز مى دهد. البته امروزه ابررساناهاى سرامیکى ساخته شده اند که تا بیش از ۲۰۰ کلوین (منفی ۶۰ درجه سانتیگراد) از خود خاصیت ابررسانایى نشان مى دهند. امروزه گروه هاى مختلفى از سرتاسر جهان به دنبال این هستند که بالاخره ماده اى را کشف کنند که بتواند در دماى معمولى (۳۰۰ کلوین) هم از خود خاصیت ابررسانایى نشان دهد.همان طور که از ظاهر امر برمى آید، خاصیت ابررسانایى در سرامیک ها و فلزات، سرشتى متفاوت دارند. سرامیک ها، نارسانا هستند و سپس به ابررسانا تبدیل مى شوند. در حالى که فلزات رسانا هستند و ناگهان مقاومت در آنها صفر مى شود. دماى گذار به ابررسانایى هم در فلزات بسیار پایین تر از سرامیک ها است. به این ترتیب نظریه BCS دیگر قادر به توضیح ماهیت ابررسانایى در سرامیک ها یا ابررسانا هاى دماى بالا (High TC) نیستند. دانشمندان تاکنون نظریه اى رضایت بخش براى توضیح این پدیده نیافته اند و این مسیله یکى از مهم ترین مسایل حل نشده تاریخ فیزیک است.
تکنولوژى ابررساناها
در ارتباط با ابررسانا هاى جدید در دماى بالا تاکنون هیچ کاربرد تجارى در گستره دمایى که فعلاً کشف شده (زیر ۲۰۰ کلوین) به طور کامل به منصه ظهور نرسیده است. حتى در آزمایش هاى فضایى که در دمایى پایین تر از دماى گذار به ابررسانایى در این مواد انجام مى شود، پژوهشگران ترجیح مى دهند از همان ابررسانا هاى قبلى و در محیط هلیم مایع استفاده کنند تا به تمام جنبه هاى مسیله مسلط باشند. فورى ترین کاربرد براى ابررسانا هاى دماى بالا ساخت تراشه هاى فوق سریع است که انقلابى عظیم را در فناورى اطلاعات ایجاد خواهد کرد که با اختراع ترانزیستور ها قابل قیاس است. یکى از کاربرد هاى ابررسانا ها با توجه به حساسیت آنها به میدان مغناطیسى اکتشافات معدنى، زمین شناختى و حتى ردیابى زیردریایى ها است. ساخت قطار هایى که با استفاده از خاصیت ابررسانایى میدان مغناطیسى تولید مى کنند که آنها را بالاتر از سطح زمین و بدون هیچ گونه اصطکاک با ریل که موجب تلف کردن مقدار زیادى از انرژى مى شود، قطار را به حرکت درمى آورد، یکى از شناخته شده و معروف ترین کاربرد هاى ابررسانایى است. این قطار ها قادرند مسافت بیش از ۵۰۰ کیلومتر را در کمتر از یک ساعت بپیمایند. به کار بردن ابررسانا ها در خطوط انتقال نیرو حتى با احتساب کلیه هزینه هاى سرد نگه داشتن ابررسانا رقمى معادل ۷۰ تا ۸۰ درصد صرفه جویى در مصرف برق را نشان مى دهد که بسیار عظیم است.به کار بردن ابررسانا ها در وسایل تحقیقاتى (مثل شتاب دهنده ها) و وسایل پزشکى (مثل دستگاه MRI) از کاربرد هاى عادى ابررسانا ها شده است.به کار بردن ابررسانا هاى سرامیکى مزیت دیگرى هم دارند و آن این که براى سرد کردن آنها (با توجه به دماى بالاتر نسبت به ابررسانا هاى فلزى) به جاى هلیم مایع مى توان از نیتروژن مایع استفاده کرد که بسیار ارزان تر و فراوان تر است. یکى از مهم ترین مسایل فنى، تبدیل ابررساناى سرامیکى به هلیم است که باید حل شود و تا آن زمان چاره اى جز صبر نداریم.
کلمات کلیدی: فیزیک حالت جامد
از میان مجموعه مقاله هاى اینشتین مقاله اى که او در سال ۱۹۰۵ عرضه کرد، اثر مهمى در پیشرفت علم داشته است. در آن مقاله پدیده فوتوالکتریک را شرح مى دهد و با استفاده از نظریه کوانتوم پلانک نظریه فوتونى نور را بیان مى کند. بر طبق این نظریه نور مانند انرژى هاى دیگر حالت کوانتومى دارد. کوانتوم نور را که فوتون مى نامیم مقدار مشخص انرژى است که اندازه آن، E، از رابطهhv = Eبه دست مى آید که v بسامد موج و h ثابت پلانک است.
بنابر این نظریه هر چه بسامد نور بیشتر یا طول موج آن کمتر باشد، انرژى فوتون بیشتر است. چنانچه این فوتون ها در مسیر حرکت خود به الکترون هایى برخورد کنند، جذب الکترون مى شوند و انرژى الکترون را بالا مى برند و در نتیجه الکترون مى تواند از میدانى که در آن قرار گرفته است، آزاد و خارج شود. اینشتین به مناسبت توضیح پدیده فوتوالکتریک جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ فیزیک را دریافت کرد. نظریه فوتونى او نه فقط نور بلکه سراسر طیف موج هاى الکترومغناطیسى از موج هاى گاما تا موج هاى بسیار بلند را دربرمى گیرد و توضیح مى دهد.
موضوع دومین مقاله اینشتین حرکت براونى بود. در سال ۱۸۲۷ رابرت براون (۱۸۵۸- ۱۷۷۳) گیاه شناس و پزشک انگلیسى حرکت مداوم معلق دو مایع را مشاهده کرد و متوجه شد که این ذره ها با قطرى حدود یک میکرون پیوسته به این سو و آن سو حرکت مى کنند. اینشتین همین آزمایش را در مقاله اى با استفاده از نظریه جنبشى ذره ها تعبیر و تفسیر کرد و از روى آن عدد آوودگادرو را به دست آورد.
اینشتین نظریه نسبیت خاص را در مقاله سوم معرفى کرد. در این مقاله بود که مفاهیم اساسى طبیعت موجى فضا، حجم، زمان و حرکت به طور کامل تغییر کرد. اینشتین ضمن مطالعه هاى خود توانست مسیله سرعت نور را که از مدت ها پیش تعجب دانشمندان را برانگیخته بود، حل وفصل کند. او نظریه خود را براساس دو اصل زیر قرار داد:
۱- سرعت نور در جهان ثابت است
۲- قانون هاى طبیعت براى ناظرین مختلف که یکنواخت حرکت مى کنند یکسان است.
اینشتین نشان داد که اگر ثابت نبودن سرعت نور را بپذیریم، نتیجه هاى شگفت انگیزى به بار مى آید. براى مثل هر چه سرعت حرکت جسمى بیش تر شود، طول آن کوتاه تر و جرمش بیشتر مى شود. نتیجه دیگر آنکه به زمان مطلق و فضاى مطلق به شکلى که پیشینیان تصور مى کردند نمى توان قایل شد و زمان و فضا را جدا و مستقل از یکدیگر نمى توان در نظر گرفت. دنیاى مادى یک فضا و زمان چهاربعدى است. جرم یک جسم نیز ثابت نیست و با تغییر سرعت تغییر مى کند به طورى که مى توان جرم را نوعى انرژى متراکم در نظر گرفت و یا انرژى را جرم پراکنده دانست. اینشتین با بیان نظریه نسبیت خاص، قانون بقاى ماده لاوازیه و اصل بقاى انرژى مایر را به اصل بقاى مجموع ماده و انرژى درآورد و رابطه معروف جرم و انرژى را به دست آورد. اینشتین در سال ۱۹۱۶ نظریه نسبیت عام را تنظیم و اعلام کرد. در این نظریه نه تنها حرکت با سرعت ثابت و مسیر مستقیم، بلکه هر نوع حرکتى در نظر گرفته شده بود. در بسیارى موارد دلیل آنکه سرعت و مسیر حرکت هر متحرکى تغییر مى کند، وجود نیروى جاذبه است. بنابراین در نظریه نسبیت عام باید نیروى جاذبه در نظر گرفته شود. اینشتین یک رشته معادله تنظیم کرد که نشان مى داد اگر در هیچ جا ماند و نیروى جاذبه وجود نداشته باشد، جسم متحرک مسیر مستقیمى را طى مى کند و اگر ماده وجود داشته باشد فضاى پیرامون جسم متحرک دگرگون شده، جسم مسیر منحنى را طى مى کند. نظریه نسبیت عام نشان مى دهد که این منحنى ها چگونه باید باشند و این به طور کامل با آن چه در نظریه جاذبه نیوتن پیش بینى شده بود، تطبیق نمى کرد. براى مثال بر طبق نظریه اینشتین مسیر نور تحت تاثیر میدان جاذبه قوى تغییر مى کند. در صورتى که از قانون هاى نیوتن چنین نتیجه اى به دست نمى آمد. کسوف سال ۱۹۱۹ نظریه اینشتین را ثابت کرد. در سال ۱۹۶۹ دو سفینه پژوهشى که به سمت مریخ فرستاده شدند، اثر خورشید بر مسیر موج هاى رادیویى را مورد مطالعه و مشاهده قرار دادند.
ایران و سال جهانى فیزیک
سال جهانى فیزیک فرصت مناسبى است تا در ایران به نقد آموزش علوم و پژوهش هاى علمى بپردازیم و مشخص کنیم آیا راه و روشى را که از زمان بنیانگذارى دارالفنون تاکنون برگزیده ایم درست و بجا بوده و توانسته است بسترى مناسب براى فعالیت هاى علمى و پژوهشى به وجود آورد. آیا با همه سرمایه گذارى هاى مادى و معنوى توانسته ایم جامعه ایرانى را به حالتى برسانیم که به علم باور داشته باشند، علمى بیندیشند، بتوانند تولیدکننده علم باشند و بدانند که براى رساندن جامعه به خودکفایى و توسعه پایدار، کارى مداوم و جدى و همگانى لازم است.
گرچه نمى توان منکر تلاش هاى صمیمانه افراد و سازمان هاى مؤثر در آموزش علوم جدید در ایران شد لیکن در این مدت نتوانسته ایم به سطح مورد انتظار جامعه برسیم، ولى توانسته ایم پایه هاى اولیه را طرح ریزى و شروع به سازندگى کنیم. این کار از یک سو از دبستان ها و از سوى دیگر از دانشگاه ها آغاز شده است. در دبستان ها فعالیت آموزش علوم با طرح جدیدى که هم اکنون در مدرسه ها اجرا مى شود، آغاز شد. کودکان را به مشاهده مستقیم طبیعت و کارگروهى برانگیخته اند و به جاى آنکه فقط دانستنى ها را به ذهن آنها منتقل کنند، معلمان، کودکان را به مشاهده طبیعت، جمع آورى اطلاعات، طبقه بندى و حتى طراحى آزمایش، فرضیه سازى و نتیجه گیرى تشویق مى کنند و همه اینها مقدمه اى است براى آنکه کودکان با روش علمى آشنا شوند.
در دانشگاه ها تحقیقات سازمان یافته آغاز شده است. پروژه هاى تحقیقاتى گرچه در ابتدا حالت تقلیدى و کتابخانه اى داشت، کم کم به مرحله علمى نزدیک مى شود و امید است، تحقیقات به معناى واقعى در کشور آموزش داده شود و جریان یابد.
اکنون مشکل بزرگ در برنامه دبیرستان ها وجود دارد. دانش آموزان به جاى آموختن روش حل مسیله به حفظ کردن پاسخ ها مى پردازند تا آنها را تحویل آزمون ها و کنکور دانشگاه دهند و به مدرک هاى بالاتر دست یابند. با توجه به آنکه مخاطبان سال جهانى فیزیک، دانش آموزان نیز هستند مى توان امیدوار بود که با نیروهاى مخلصى که در میان معلمان وجود دارد و نیز تشویق هایى که از طرف سازمان ها صورت مى گیرد و کارگاه هاى علمى که از سوى کشورهاى پیشرفته صنعتى در کشور تشکیل و اجرا مى شود، به هدف هاى مورد نظر دست یافت و روش علمى را در فعالیت هاى آموزشى و پژوهشى یاد گرفت و به کار برد.
نویسنده این نوشته تاکنون شاهد همایش ها و جلسه هاى متعددى بوده که از سوى دبیران فیزیک و انجمن هاى علمى تشکیل شده و دانش آموزان و دبیران به تهیه و عرضه مقاله هاى علمى و تولید نرم افزارهاى کامپیوترى و نیز ابزارهاى آزمایشگاهى و کارگاهى دست زده اند. همه این کارها به علاقه مندان این کشور امید مى دهد که جامعه علمى ما در حال بیدار شدن است. بیدارگران پرتلاش و پر امید به بیدار کردن خواب آلودگان مشغولند. گرچه برخى از سازمان ها و افراد هنوز در کار متوقف کردن جریان علمى در کشور هستند، اما در جامعه نه تنها زنگ ها بلکه ناقوس هاى بیدارى به صدا درآمده و هیچ فردى را فرصت و مهلت خوابیدن نمى دهد.
روزى که اینشتین رمق فکر کردن نداشت
اینشتین در نوجوانى علاقه چندانى به تحصیل نداشت. پدرش از خواندن گزارش هایى که آموزگاران درباره پسرش مى فرستادند، رنج مى برد. گزارش ها حاکى از آن بودند که آلبرت شاگردى کندذهن، غیرمعاشرتى و گوشه گیر است. در مدرسه او را «باباى کندذهنى» لقب داده بودند. او در ۱۵ سالگى ترک تحصیل کرد، در حالى که بعدها به خاطر تحقیقاتش جایزه نوبل گرفت!
شاید شما نیز این جملات را خوانده یا شنیده باشید و شاید این پرسش نیز ذهن شما را به خود مشغول کرده باشد که چگونه ممکن است شاگردى که از تحصیل و مدرسه فرارى بوده است، برنده جایزه نوبل و به عقیده برخى از دانشمندان، بزرگ ترین دانشمندى شود که تاکنون چشم به جهان گشوده است؟
با مطالعه دقیق تر زندگى این شاگرد دیروز، پاسخ مناسبى براى این پرسش پیدا خواهیم کرد. آلبرت بچه آرامى بود و والدینش فکر مى کردند که کندذهن است. او خیلى دیر زبان باز کرد، اما وقتى به حرف آمد، مثل بچه هاى دیگر «من من» نمى کرد و کلمه ها را در ذهنش مى ساخت. وقتى به سن چهار سالگى پاگذاشت، با بیلچه سر خواهر کوچکش را شکست و با این کار ثابت کرد که اگر بخواهد، مى تواند بچه ناآرامى باشد!
پدر و مادر آلبرت به بچه هاى کوچک خود استقلال مى دادند. آنان آلبرت چهارساله را تشویق مى کردند که راهش را در خیابان هاى حومه مونیخ پیدا کند. در پنج سالگى او را به مدرسه کاتولیک ها فرستادند. آن مدرسه با شیوه اى قدیمى اداره مى شد. آموزش از طریق تکرار بود. همه چیز با نظمى خشک تحمیل مى شد و هیچ اشتباهى بى تنبیه نمى ماند و آلبرت از هر چیزى که حالت زور و اجبار و جنبه اطاعت مطلق داشته باشد، متنفر بود. اغلب کسانى که درباره تنفر اینشتین از مدرسه، معلم و تحصیل نوشته اند، به نوع مدرسه، شیوه تدریس معلم و مطالبى که این دانش آموز باید فرا مى گرفت، کمتر اشاره کرده اند. بازخوانى یک واقعه مهم در زندگى اینشتین ما را با مدرسه محل تحصیل او آشناتر مى کند: روزى آلبرت مریض بود و در خانه استراحت مى کرد. پدرش به او قطب نماى کوچکى داد تا سرگرم باشد. اینشتین شیفته قطب نما شد. او قطب نما را به هر طرف که مى چرخاند، عقربه جهت شمال را نشان مى داد. آلبرت کوچولو به جاى این که مثل سایر بچه ها آن را بشکند و یا خراب کند، ساعت ها و روزها و هفته ها و ماه ها به نیروى اسرارآمیزى فکر مى کرد که باعث حرکت عقربه قطب نما مى شود. عموى آلبرت به او گفت که در فضا نیروى نادیدنى (مغناطیس) وجود دارد که عقربه را جابه جا مى کند. این کشف تاثیر عمیق و ماندگارى بر او گذاشت. در آن زمان، این پرسش براى آلبرت مطرح شد که چرا در مدرسه، چیز جالب و هیجان انگیزى مثل قطب نما به دانش آموزان نشان نمى دهند؟! از آن به بعد، تصمیم گرفت خودش چیزها را بررسى کند و به مطالعه آزاد مشغول شود. اینشتین ده ساله بود که در دبیرستان «لویت پولت» ثبت نام کرد. در آن موقع، علاقه بسیارى به ریاضى پیدا کرده بود. این علاقه را عمویش اکوب و یک دانشجوى جوان پزشکى به نام ماکس تالمود در وى ایجاد کرده بودند. تالمود هر پنجشنبه به خانه آنان مى آمد و درباره آخرین موضوعات علمى با آلبرت حرف مى زد. عمویش نیز او را با جبر آشنا کرده بود. اینشتین در دوازده سالگى از تالمود کتابى درباره هندسه هدیه گرفت. او بعدها آن کتاب را مهم ترین عامل دانشمند شدن خود عنوان کرد. با این که آلبرت در خانه چنین علاقه اى به ریاضیات و فیزیک نشان مى داد، در دبیرستان چندان درخششى نداشت. او در نظام خشک و کسل کننده دبیرستان، علاقه اش را به علوم از دست مى داد و نمراتش کمتر و کمتر مى شدند. بیشتر معلمانش معتقد بودند که او وقتش را تلف مى کند و چیزى یاد نمى گیرد. هرچند اینشتین به قصد این درس مى خواند که معلم شود نه فیزیکدان، اما از معلمان خود دل خوشى نداشت و از زورگویى آنان و حفظ کردن درس هاى دبیرستان، دل پرخونى داشت. از این رو، خود را به مریضى زد و با این حیله، مدتى از دبیرستان فرار کرد! چون معلم ها نیز از او دل خوشى نداشتند، شرایط را براى اخراج او از مدرسه فراهم کردند. اینشتین بعدها در این باره گفت: «فشارى که براى از بر کردن مطالب امتحانى بر من وارد مى آمد، چنان بود که بعد از گذراندن هر امتحان تا یک سال تمام، رمق فکر کردن به ساده ترین مسیله علمى را نداشتم!» اینشتین بعدها مجبور شد در دبیرستان دیگرى دیپلم خود را بگیرد و سرانجام با هزار بدبختى گواهینامه معلمى را دریافت کند. بعد از آن، مدتى معلم فیزیک در یک مدرسه فنى شد، اما چون روش هاى خشک تدریس را نمى پسندید، پیشنهادهایى در مورد تدریس به رییس مدرسه داد که پذیرفته نشدند و به این ترتیب بهانه اخراج خود را فراهم کرد.اینشتین پس از این واقعه، زندگى دانشجویى را برگزید و پس از فارغ التحصیلى، در اداره ثبت اختراعات به کار مشغول شد. او از کار کردن در این اداره راضى بود. عیب دستگاه هاى تازه اختراع شده را پیدا مى کرد و در ساعت ادارى، وقت کافى داشت تا به فیزیک فکر کند. در همین اداره بود که مقاله هاى متعددى نوشت و در مجلات معتبر منتشر کرد. جالب این که دانشمند بزرگ که با فرضیات خود انقلابى در جهان دانش به پا کرد، در شرایطى کار مى کرد که براى هر دانشمند دیگرى غیرممکن بود! او نه با فیزیکدان حرفه اى تماس داشت و نه به کتاب ها و مجلات علمى مورد نیاز دسترسى داشت. در فیزیک فقط به خود متکى بود و کس دیگرى را نداشت که به او تکیه کند! اکتشافات او چنان خلاف عرف بودند که به نظر فیزیکدانان حرفه اى، با شغلى که او به عنوان یک کارمند جزء در دفتر ثبت اختراعات داشت، سازگار نبودند.
کلمات کلیدی: فیزیک نوین
علم الکتریسته به دوران باستان بر میگردد و تاریخ دقیق آن مشخص نیست. اما برخی تولد آن را به مشاهده معروف تالس ملطی (Thales of Miletus) در ۶۰۰ سال قبل از میلاد ارجاع میدهند. که در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خردههای کاه را میرباید، یا اینکه در یک تجربه عادی دیده ایم که وقتی یک شانه کائوچو سخت را با پارچه پشمی مالش دهیم شانه ریزههای کوچک کاغذ را جذب میکند. در اثر مالش این دو جسم به یکدیگر هم کائوچو و هم پشم خاصیت جدیدی پیدا میکنند. یعنی باردار میشوند از این آزمایش برای معرفی مفهوم بار الکتریکی استفاده میشود.
منشا الکتریسته
طبق نظریه الکترونی اتم، یک اتم از ذرات کوچکتری به نامهای الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. که الکترونها دارای بار منفی و پروتونها دارای بار مثبت و نوترونها بدون بار هستند. تعداد الکترونها و پروتونهای یک اتم در حالت عادی برابر است. بنابراین، اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی است.
در اثر تماس، نزدیکی و یا برخورد اجسام بر همدیگر میان اجسام اندازه حرکت خطی مبادله میشود. در اثر تغییر اندازه حرکت نیروهایی ایجاد میشود. چگونگی شکل گیری این نیروها به ساختار اتمی تشکیل دهنده اجسام برمی گردد. به عبارتی این نیروها منشا الکتریکی و مغناطیسی دارند. در اثر مالش اجسام برهمدیگر، جسمی که در اتمهای تشکیل دهنده خود اتمی از نوع دهنده الکترون داشته باشد، الکترون خود را به جسم دیگر که خاصیت الکترونگاتیوی کمتری دارد میدهد و مبادله الکترون بین اتمها و در نهایت اجسام منجر به تولید الکتریسته میشود.
تقسیمات الکتریسته
الکتریسته ساکن)الکتریسته مالشی(
اگر یک میله شیشهای را به پارچه پشمی مالش دهیم، هردو جسم دارای بار میشوند. زیرا شیشه تعدادی الکترون از دست میدهد. و پارچه الکترون میگیرد. پس شیشه دارای بار مثبت و پارچه به همان مقدار دارای بار منفی میگردد. بار ایجاد شده در شیشه و پارچه درمحل تماس باقی میماند.
الکتریسته القایی
اگر میله با بار منفی را به دو کره فلزی بدون باری که باهم در تماس بوده و توسط پایههای عایقی از زمین جداشده باشند، نزدیک کنیم. قبل از دور کردن میله، بدون دست زدن به پوسته کرات آنها را از هم جدا کنیم. کره نزدیک به میله دارای بار مثبت و کره دور از آن دارای منفی خواهد بود که مقدار بار روی کرات برابرند. این نوع باردارشدن را باردار شدن به روش القا یا مجاورت مینامند.
الکتریسته جاری
عبور پیوسته الکترون از یک رسانا (هادی) را الکتریسته جاری گویند. خلاف جهت حرکت الکترون را جهت قراردادی جریان الکتریکی انتخاب میکنند. عامل برقراری جریان ثابت، اختلاف پتاسیل ثابتی میباشد، که در دو سر هادی برقرار است و وسایل تولید این اختلاف پتاسیل ثابت پیلهای شیمیایی، ژنراتورها و دیناموها میباشند.
اجسام رسانا و نارسانا
بعضی از اجسام مانند فلزات که الکتریسته را به خوبی از خود عبور میدهند، رسانا نامیده میشوند. در این نوع اجسام الکترون آزاد اتم به راحتی در شبکه بلوری اجسام حرکت میکنند. و عمل رسانایی را انجام میدهند.
اجسامی که الکترونهای آزاد (برای هدایت الکترون) ندارند، و نمیتوانند الکتریسته را از خود عبور دهند، نارسانا یا عایق نامیده میشوند. باید توجه نمود که رسانایی یا نارسانایی یک کمیتِ نسبی است.
توزیع بار الکتریکی در اجسام رسانا
اگر جسم رسانایی بر روی پایه عایقی قرارگیرد و در اثر مالش باردار شود بار تولیدشده در آن در سطح خارجیاش پخش میشود، به طوری که در لبهها و قسمتهای نوکتیز چگالی سطحی بار بیشتر ازسایر قسمتها میباشد.(چرا؟)
بار الکتریکی
میزان باری که ذره بنیادی الکترون دارد را مبنا قرارمی گیرد و چون مبادله بار از طریق الکترون صورت میگیرد شمارش تعداد الکترونهای مبادله شده بار الکتریکی جسم را به ما میدهد. به عبارتی اگر جسمی n تا الکترون دریافت نماید، بار الکتریکی آن از نوع منفی بوده (چون الکترون گرفته) و مقدارش n برابر بار الکترون خواهد بود.
اگر بار الکتریکی را با علامت q و بار الکترون را با e نمایش دهیم، مقدار بارالکتریکی هر جسم از رابطه q = ne تبعیت مینماید. واحد بار الکتریکی به افتخار کولن (که نخستین بار رابطهای برای نیروی بین بارهای الکتریکی کشف کرد) کولن نام دارد. بار الکتریکی یک الکترون در دستگاه SI برحسب کولن برابر است با: e = − ۱.۶ * ۱۰ − ۱۹. در نظر داشته باشید که n یک عدد صحیح بزرگتر از یا برابر با صفر است.
==اثر بارهای الکتریکی بر همدیگر==vvccvv
بر طبق قانون کولن دو بار الکتریکی همنام همدیگر را دفع و دو بار الکتریکی غیر همنام همدیگر را جذب میکنند. مقدار نیروی کشش یا رانش بین بارها بر طبق قانون کولن با حاصلضرب اندازهٔ بارها نسبت مستقیم و با مجذور فاصلهٔ بین بارها نسبت عکس دارد. اگر بارها در یک محیط مادی (محیط دی الکتریک) قرار داشته باشند (و نه در خلاء) اجزای محیط نیز قطبیده میشوند و روی مقدار نیروی بین دو بار تأثیر میگذارند، و باید اثر این نیروها را نیز بر نیروی حاصل در نظر گرفت. در محیطهای دی الکتریک خطی، اثر محیط به شکل یک ضریب ثابت روی نیروی بین دو بار تأثیر میگذارد (یعنی در محیطهای خطی، نیروی بین دو بار در محیط دی الکتریک، ضریبی از نیروی بین آن دو بار در خلاء است). در این صورت میگویند که یک محیط خطی گذردهی الکتریکی متفاوتی از خلاء دارد، و این گذردهی به شکل یک ضریب در قانون کولن ظاهر میشود.
میدان الکتریکی
میدان الکتریکی در هر نقطه، نیروی الکتریکی وارد بر یک بار آزمون در واحد بار است (البته به این شرط که آن بار به حد کافی کوچک باشد تا آرایش بار محیط را تغییر ندهد). میدان الکتریکی یک کمیت برداری است و در معادلات الکترومغناطیس (معادلات ماکسول) ظاهر میشود.
E = kq / r۲
اختلاف پتانسیل الکتریکی
اختلاف پتانسیل الکتریکی برابر است با منفی کاری که میدان الکتریکی روی واحد بار بین دو نقطه انجام میدهد. (اگر در رفتن از نقطهٔ ۱ به نقطهٔ ۲ کار انجامشده مثبت باشد، مقدار پتانسیل الکتریکیِ نقطهٔ ۱ بیشتر از ۲ است.) اختلاف پتانسیل الکتریکی به مسیری که برای رفتن از نقطهٔ اول به نقطهٔ دوم طی شده، بستگی ندارد (زیرا میدان الکتریکی یک میدان پایستار است). میتوان یک نقطه را در فضا به عنوان مبداء پتانسیل انتخاب کرد (یعنی به آن پتانسیل صفر را نسبت داد) و پتانسیل نقطههای دیگر را نسبت به آن اندازه گرفت.
کار در الکتریسیته
میزان انرژی مصرف شده برای جابجا کرد یک بار در یک میدان از یک مکان به مکان دیگر.
توان الکتریکی در الکتریسیته
کار انجام شده در واحد زمان.
کلمات کلیدی: مغناطیس