مفاهیم پایه لامپ پرتوی کاتدی

تفنگ الکترونی

طرز کار لامپ پرتوی کاتدی

نوسان نگار پرتو کاتدی

کاربردهای لامپ پرتوی کاتدی

تلویزیون

مقدمه

اتساع زمان که یکی از مهمترین نتایج نظریه نسبیت است، موجب شد که انقباض لورنتس - جرالد ، قدم به صحنه رقابت بگذارد. ناظر O در چارچوب ساکن لختی قرار دارد و می خواهد طول لوله‌ای را محاسبه کند . روش اندازه گیری او ، اینگونه است که یک شی را با سرعت ثابت v ، از یک سر لوله پرتاب می کند و با ثبت مدت زمانی که آن شیء به آن سر لوله می‌رسد ، و با استفاده از فومول‌های سینماتیک ، طول لوله را می‌یابد. او طول لوله را L محاسبه می‌کند .( L=t .v)

ناظر Z واقع در چارچوب متحرک لختی نیز می‌خواهد طول همان لوله را محاسبه کند . او برای محاسبه طول لوله از شیوه ی ناظر O استفاده می‌کند و طول لوله را L` می یابد .(L`=t` .v`) طبق نتایج قبلی نسبیت ( اتساع زمان) ، به این نتیجه رسیدیم که زمان در چارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن ، کندتر می گذرد . پس t > t` بنابراین L > L` ، که نشان دهنده انقباض طول لوله در چارچوب متحرک است . درک چنین واقعیتی بسیار دشوار و سخت است . اما لورنتس علت آن را تغییر در نیروی الکترومغناطیسی اتم ها در سرعت‌های بالا می‌داند.


در محدوده فیزیک کلاسیک یا محدوده سرعتهای پایین تر از سرعت نور ، فضا و زمان دو کمیت مطلق و پایا هستند، اما در سرعتهای نزدیک به سرعت نور ، این کمیتها مطلق بودن خود را از دست داده و نسبت به سرعت ناظر متغیر خواهند بود. بنابراین اگر فاصله بین دو نقطه در یک چارچوب مرجع برابر l باشد، این فاصله در چارچوب دیگر که نسبت به اولی دارای حرکت با سرعتی نزدیک سرعت نور است، همان l نخواهد بود و مقداری کمتر خواهد داشت. این پدیده را اصطلاحا انقباض طول یا انقباض فضا می‌گویند.

محاسبه رابطه انقباض طولی

فرض کنید در چارچوب مرجع که ساکن است، خط کشی به طول وجود دارد. یک چشمه نور به انتهای این خط کش وصل می‌‌کنیم. فرض کنید مدت زمان لازم برای اینکه نور از چشمه تا انتهای آینه‌ای که در انتهای دیگر خط کش قرار دارد، رفته و برگردد، یعنی یک حرکت رفت و برگشت در طول خط کش انجام دهد، برابر "t∆ می‌‌باشد. بنابراین می‌‌توان رابطه را نوشت که در آن C سرعت نور است. به دلیل اینکه چارچوب مرجع ساکن است، لذا این فاصله ، یعنی نقطه خروج و نقطه بازگشت نور را طول ویژه می‌‌گویند.

حال چارچوب دیگر S را در نظر بگیرید که در آن همان وضیعت برقرار است، یعنی یک خط کش به طول l و یک چشمه نور در یک سر آن و آینه‌ای در انتهای دیگر آن است. در این چارچوب خط کش با سرعت u در حال حرکت است. فرض کنید طول خط کش در چارچوب S برابر l بوده و فاصله زمانی انتقال نور از چشمه به آینه برابر t_1∆ اندازه گیری شده باشد. در این مدت خط کش همراه با چشمه و آینه متصل به آن مسافت u∆t_1 را طی می‌‌کند. بنابراین اگر کل طول مسیر را برابر d فرض کنیم، در این صورت d=l+u∆t_1 خواهد بود.

از طرف دیگر ، بر اساس اصول نسبیت خاص می‌‌دانیم که همواره سرعت نور مستقل از حرکت چارچوبهای مرجع بوده و مقداری ثابت است. بنابراین باید داشته باشیم:

حال اگر این کمیت را در رابطه بالا قرار دهیم، مقدار t₁\over C-u} حاصل خواهد شد. اگر زمان لازم برای برگشت نور از آینه به چشمه را نیز برابر t_2∆ فرض کنیم، در این صورت می‌‌توانیم را محاسبه کنیم و لذا زمان کل رفت و برگشت برابر با مجموع این دو مقدار خواهد بود. یعنی

اما از طرف دیگر می‌‌دانیم که زمان مستقل از حرکت چارچوبهای مرجع نبوده و همواره اتساع زمانی خواهیم داشت و لذا بین دو مقدار t∆ و "t∆ رابطه اتساع زمانی برقرار است. بنابراین بعد از اندکی محاسبه ریاضی ساده ، می‌‌توانیم رابطه بین فاصله مکانی دو رویداد را در دو چارچوب مرجع به صورت زیر بنویسیم:

نتیجه

بنابراین l طول خط کش در چارچوب S ، که خط کش در آن متحرک است، کوتاهتر از طول آن در چارچوب است که خط کش نسبت به آن ساکن است. طول هر جسم در چارچوبی که جسم نسبت به آن ساکن است، ویژه طول آن جسم نامیده می‌‌شود. لذا طول ویژه جسم در است و طولی که در هر چارچوب دیگر اندازه گرفته شود، از کوچکتر است. این اثر را انقباض طول می‌‌گویند.

مواردی که در آن انقباض طول وجود ندارد!

در محاسبه رابطه فوق طول مورد نظر با امتداد حرکت نسبی دو ناظر با چارچوب مرجع موازی بود. طولهایی که بر امتداد حرکت نسبی عمود باشند، منقبض نمی‌‌شوند. برای اثبات تجربی این مطلب می‌‌توان دو خط کش مدرج یکسان را در راستای محور y در نظر گرفت و به این نتیجه رسید که علی رغم اینکه برای هر یک از دو ناظر یکی از خط کشها ساکن و دیگری متحرک است، هر دو ناظر به این نتیجه می‌‌رسند که طولهای دو خط کش با هم برابرند و لذا در امتداد عمود بر حرکت نسبی دو چارچوب مرجع هیچ گونه تراکمی وجود ندارد.

مقدار سرعت نور:

نور بیشترین سرعت خود رادر خلا دارد که حدودا300000 کیلومتر بر ثانیه می باشد مقدار سرعت نور در محیط مادی غیر خلا کمتر ازمقدارش در خلا است.
با حل معادلات ماکسول و رسیدن به معادله بنیادی موج مقدار سرعت نور بر حسب گذردهی الکتریکی خلا وتراوایی مغناطیسی خلا بر طبق زابطه سرعت امواج الکترومغناطیسی ماکسول داده می شود.

اندازه گیری سرعت نور:

یکی از دقیقترین اندازه گیری های الکتریکی کمیت گذردهی الکتریکی در تراوایی مغناطیسی است که در مؤسسه ملی استاندارد ها در آمریکاه بوسیله رزا (Roza) و درسی(Dorsey) انجام شد.

نحوه اندازه گیری سرعت نور توسط رزا(Roza):

ایشان ظرفیت خازنی را که ابعاد فیزیکی آن دقیقا معلوم بود را از طریق محاسبه یافت. این ظرفیت در یکای الکتریسیته بدست آمد سپس با استفاده از پل و تستون ، ظرفیت همان خازن را در یکای الکترو مغناطیس یافت نسبت این دو مقدارظرفیت در یکای SI بصورت حاصلضرب گذردهی الکتریکی در تراوایی مغناطیسی داده شد نتیجه این اندازه گیری بسیار دقیق بود.

تاریخ اولین اندازه گیری سرعت نور:

رومر(Romer) اولین کسی بود که در سال 1676 با مطالعه گرفتگی ماه های بر جیس سرعت نور را اندازه گرفت پژوهشگران متعددی بطور مستقیم
سرعت انتشار نور را اندازه گرفته اند.نتایج این اندازه گیری ها با دخالت خطای آزمایش جواب واحدی را دنبال می کنند .

اینکه نور یک نوع آشفتگی الکترو مغناطیسی است غیر قابل انکاراست دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور که آنرا با حرف اختصاری C در خلا نشان می دهند با استفاده از لیزر (Laser)بوده که در سال 1972 بوسیله اوانسون(Evanson) و همکارن او در مؤسسه ملی استاندارد انجام شده و نتیجه آن چنین است: (29979245692 متر بر ثانیه)

بحث کلی بسیار خوبی در مقاله "سرعت نور" نوشته بر گسترند در دایره المعارف فیزیک موجوداست.

جهت دستیابی به اطلاعات بیشتر به مرجع زیر رجوع شود:


Bescancon,R.M,ed,The Encyclopedia of physicsNew York:Reinhold 1966
اندازه گیری سرعت نور به روش های مختلف در زمانهای متفاوت در جدول زیر آمده است.


تاریخ----------------آزمایش کننده----------------روش ---------------------نتیجه(km/s)


1849---------------فیزو (Fizeau)-----------------چرخ دندانه دار--------------- (5000) 31300


1880---------------مایکلسون (Micelson)----------آینه چرخان-------------------(200) 299910


1923 --------------مرسیه (Mercier) ------------موج رادیویی-----------------(30) 299782


1952 ---------------فروم (Froom) ---------------تداخل سنج میکروموجی---------(0.7) 29979.6


1907 --------------رزا و درسی (.R.& D)---------نسبت یکاهای الکتریکی--------(10) 299784

(اعداد داخل پرانتز در نتیجه ، میزان خطای اندازه گیری را نشان می دهد.)

دید کلی

پس از کشف اشعه کیهانی (جریانات ذره‌ای ، وارد شده به میدان مغناطیسی زمین از فضا) ، پیشرفت در این شاخه بی‌نهایت مهم و جدید فیزیک تقریبا بطور کامل به ارتفاعی بستگی داشت که دانشمندان دستگاههای پیچیده و شمارنده‌های خود را در سال به نمایش می‌گذاشتند. در این حال از رصدخانه‌های کوهستانهای بلند ، آزمایشگاه‌ها ، بالون ، آزمایشات و غیره استفاده می‌شده است. بنابرین حتی بالاترین ارتفاع حاصل (20 تا 80 کیلومتر) برای حمل دستگاهها به آن سوی لایه‌های نسبتا متراکم جو کافی نبوده و این مسئله تفکیک اشعه کیهانی اولیه (مهمترین جزء جریانهای ذره‌ای) را از کل جریانهای ذره‌ای ثبت شده ، مشکل می‌ساخت.

طبیعی است که قسمت حساس موشکهایی که ابتدا وارد فضای خارجی‌تر می‌شوند بطور اساسی شامل وسایل مختلفی جهت مطالعه ذرات باردار باشد. علائمی که از دستگاههای ارسالی ، بطور اتوماتیک و بسیار ابتدایی به زمین می‌رسید بسیار باعث تعجب دانشمندان گردید. در ارتفاعات معینی ، آزمایشگاههای فضایی خود را در لایه‌هایی یافتند که به شدت از ذرات باردار پر انرژی اشباع شده بود. این ذرات باردار بطور وسیعی با اشعه کیهانی اولیه و ثانویه تفاوت دارند.

تاریخچه پیدایش

این پدیده در حین پرواز اقمار مصنوعی روسی و آمریکایی آشکار شد و برای مدتها دانشمندان از اختلاف شدید در اطلاعات حاصله متعجب و حیران بودند. بنابرین ، بزودی این معما تفسیر گردید. یک دانشمند روسی ، ورنوف (vernov) و تقریبا بطور هم زمان فیزیکدان آمریکایی وان آلن (van Allen) ثابت کردند که سطح زمین در سطح استوا بوسیله دو کمربند (مطابق با اطلاعات جدیدتر حتی سه کمربند) نسبتا مجزا مگنتوسفرها احاطه شده است.

نحوه پی بردن بوجود کمربند تشعشعی زمین

• این کمربندها بطور غلیظی بوسیله ذرات باردار با بارها ، انرژیها و جرمهای مختلف اشغال شده‌اند. غلظت ذرات در هر یک از این کمربندها از مرزی به مرز دیگر تفاوت دارد و فضای اطراف قطبها عملا عاری از ذرات باردار می‌باشد.
  
• پس از اولین پرتاب موشک و پرواز اقمار مصنو عی ، به کمک اطلاعات حاصله ، معلوم شد که ذرات باردار بوسیله میدانهای مغناطیسی زمین جذب شده‌اند.
  
• هر ذره بارداری که یک مرتبه وارد میدان مغناطیسی زمین شود، شروع به پیچ خوردن حول خطوط نیرو کرده و بطور مداوم در طول آنها حرکت می‌کند.
  
• میزان پیچش مارپیچهای اولیه بستگی به سرعت اولیه جرم و بار الکتریکی آنها دارد. علاوه بر آن به شدت میدان مغناطیسی زمین در ناحیه‌ای از دایره فضایی که ذرات وارد آن شده و تغییر جهت داده‌اند، نیز بستگی دارد. زیرا میدان مغناطیسی زمین در نواحی مختلف آن یکسان نمی‌باشد. نزدیک قطب متراکمتر (غلیظتر) می‌گردد.
  
• ذره بارداری که در طول خط مغناطیسی به صورت مارپیچ حرکت می‌کند، از ناحیه نزدیک به استوا حرکت نموده و چون به یکی از قطبین می‌رسد، با مقاومت در حال افزایشی مواجه شده و متوقف می‌شود. سپس به طرف استوا برگشته و بیشتر به طرف قطب مخالف ، یعنی در جهت عکس شروع به حرکت می‌کند. بدین ترتیب ذره در چیزی به نام تله بزرگ مغناطیسی سرگردان می‌شود.

موقعیت فضایی کمربندهای تشعشعی زمین

• اولین کمربند از ارتفاعی قریب 500 کیلومتر بالای نیمکره غربی و 1500 بالای نیمکره شرقی زمین شروع می‌شود. بالاترین غلظت ذرات در این کمربند (هسته‌اش) در ارتفاع 2 تا 3 هزار کیلومتری زمین قرار دارد. مرز فوقانی این کمربند به ارتفاع 3 تا 4 هزار کیلومتری سطح زمین می‌رسد.
  
• دومین کمربند از 11 – 10 هزار کیلومتری زمین شروع شده و تا ارتفاع 60 – 40 هزار کیلومتری ادامه دارد و در ارتفاع 20 هزار کیلومتری دارای بیشترین غلظت است.
  
• کمربند خارجی‌تر (سومین کمربند) از ارتفاع 75 – 60 هزار کیلومتری شروع می‌شود.
  
• مرز کمربندهای مذکور تا کنون فقط بطور تقریبی تعیین شده‌اند و در محدوده معینی بطور تناوبی تغییر می‌کنند. دانشمندان درباره نظم و ترتیب این تغییرات در حال تحقیق هستند.

ساختار کمربندهای تشعشعی زمین

با روانه ساختن سیستماتیک اقماری که وسایلی جهت کشف ذرات پر انرژی در ارتفاعات معین با خود حمل می‌کنند، کمربندهای مذکور در حال مطالعه و بررسی می‌باشند. ماهیت هر یک از این کمر بندها نسبت به دیگری متفاوت است.

• اولین آن یعنی نزدیکترین کمربند به زمین ، محتوی پروتونهای مثبت حامل انرژی بسیار زیاد است (بالغ برMev 100) فقط متراکم‌ترین قسمت میدان مغناطیسی زمین آنها را جذب کرده و نگاه می‌دارد.
• دومین کمر بند اساسا محتوی الکترونهای با انرژی 100-30 کیلو الکترون ولت (Kev) می‌باشد.
• کمربند سوم که میدان مغناطیسی زمین در آن ضعیف‌تر است، محتوی ذراتی با انرژی ev 200 یا بیشتر است.
  
• با توجه به اینکه اشعه معمولی که در صنعت دارو سازی بکار می‌رود محتوی انرژی 30 تا 40 کیلو الکترون ولت بوده یا هنگامی که دستگاههای قوی برای تابش به قطعات بزرگ و توده‌های فلزی ، ذرات اتمی را از Mev 200 تا Mev 2 سرعت می‌دهند.
  
• خطر بزرگ این کمربندها (مخصوصا اول و دوم) برای انسان و جانوران و مسافرانی که در آینده به دیگر سیارات مسافرت می‌کنند، به سهولت حس می‌شود. به همین دلیل دانشمندان با کوشش و زحمت هر چه تمامتر ، سعی در تعیین تمر کز دقیق و شکل این کمربندها و کیفیت پخش ذرات آن دارند. تا کنون فقط یک چیز معلوم شده است.
  
• نواحی نزدیک به قطبهای مغناطیسی زمین از ذرات پر انرژی آزاد بوده و می‌توان از آنها به عنوان دالانهای هدایت کننده کشتیهای فضایی حامل سرنشین بسوی دنیاهای دیگر استفاده نمود.

منشأ پیدایش کمربندهای تشعشعی زمین

• طبیعی است که این سوال مطرح ‌شود، این ذرات تشکیل دهنده کمربندهای تشعشعی از کجا آمده‌اند؟ آنها اساسا از اعماق خورشید پرت شده‌اند. زمین علی‌رغم فاصله‌اش با خورشید ، دقیقا در خارجی ترین منطقه اتمسفر آن قرار دارد. زیرا هر زمان که فعالیت خورشیدی زیاد می شود و به تعداد ذرات منتشر شده از خورشید و نیز انرژی آنها افزوده می‌گردد. تعداد الکترونها در کمربند تشعشعی دوم نیز افزایش یافته و کمربند به طرف زمین فشرده‌تر می‌شود و مثل این است که تحت فشار این ذرات ، کمربند پیچ خورده است.
  
  
• دلیل دیگر آن که ذرات در تله مغناطیسی زمین گیر کرده ، آن دسته از ذراتی هستند که انرژی آنها برای گذشتن از کمربند غیر کافی بوده است. ذراتی که در اثر برخورد اشعه کیهانی اولیه پر انرژی با اتمهای بیرونی‌ترین و بی‌نهایت رقیق شده لایه‌های جو ، بوجود می‌آیند و در این تله بزرگ قرار می‌گیرند.
  

کمربندهای تشعشعی در نقش حفاظهای الکترومغناطیسی زمین

لایه‌های جو بیشتر از آنچه که تصور می‌شد، تقریبا تا مسافت 150 کیلومتری از سطح زمین توسعه یافته‌اند. ما حتی تجسم نکرده‌ایم که جو شفاف و تقریبا غیر محسوس و نیز میدان مغناطیسی کاملا غیر قابل روءیت و غیر محسوس سیار ، همان ، سایبانهای قابل اطمینانی برای بشر و بطور کلی موجودات زنده می‌باشند. ماده زنده نیز بطور کاملی در طول صدها میلیون سال ، خود را به قسمتهای کوچکی از تشعشعات نفوذ کرده و از دو زره طبیعی زمین تطبیق داده است مشکل است. تصور کنیم اگر زمین بطور کاملی از تمام انواع تشعشعات کیهانی حفظ نمی‌شد، زندگی از روی زمین برداشته شده بود.

بشری که در حال پرواز به فضاهای خارجی‌تر است، بطور اتوماتیک از سایبانهای نجات دهنده خویش اتمسفر زمین و میدان مغناطیسی آن) محروم شده و در نتیجه بطور ناگهانی تحت تأثیر تمام انواع تشعشعات قرار می‌گیرد. کمربندهای تشعشعی زمین به علت غلظت و انرژی زیاد الکترونهایی که درآن به دام افتاده‌اند، بسیار خطرناک هستند. تمام الکترونهای با انرژی بالای Kev 10 به دیواره‌ها و هر ماده فلزی سفینه فضایی ضربه زده و باعث تشعشع ناشی از توقف می‌شود و اشعه حاصل شبیه به ذرات ، ماده سلولها و بدن انسان را یونیزه کرده و سبب هلاک وی می‌گردد.

ساده‌ترین روش برای حفظ سرنشینان سفینه از تشعشعات مذکور افزایش ضخامت دیواره‌های سفینه و احاطه کردن آن ، مثلا با یک لایه ضخیم سرب می‌باشد و این بطور اجتناب ناپذیری کشتی فضایی را سنگین خواهد کرد. به تناسب فشار خارجی ، دانشمندان کوشش می‌کنند این اشکال را با قرار دادن یک میدان مصنوعی مغناطیسی یا الکتریکی در اطراف سفینه فضایی ، برطرف نمایند (شبیه به زمین). این میدان آنقدر قوی است که تمام ذرات مهاجم را دفع می‌کند.

در عین حال دانشمندان در حال تحقیق روشهای دیگر حفاظت می‌باشند. برای مثال داروهایی که اثرات مضر تشعشع را به روی سلولهای ارگانیسم محو کرده و یا به تندی کاهش دهد. بعضی دانشمندان معتقدند که اگر سرنشینان سفینه را در خواب هیپنوتیک فرو برند و یا به حالت آنابیوز سرد نمایند، در آن حال تمامی عوارض حیاتی بدن به مقدار زیادی کند شده و در نتیجه مقدار اکسیژن مصرفی کاهش یافته و ضرر تحمیلی حاصل از تشعشعات یونیزه کننده بر سلولها کم می‌شود.

دید کلی

چرا شمال مغناطیسی در قطب شمال نیست؟

کسانی که می‌خواهند به قطب شمال بروند، باید هنگام استفاده از قطب نما به یاد داشته باشند که قطب شمال منطبق بر شمال مغناطیسی نیست، در غیر این صورت به مقصد نخواهند رسید.

قطب‌های مغناطیسی زمین

داشتن دو قطب شمال عجیب و حیرآور تصور می‌شود، ولی کره زمین یک قطب شمال جغرافیایی و یک قطب شمال مغناطیسی دارد. قطب شمال جغرافیایی در انتهای محوری فرضی واقع است که زمین به دور آن می‌چرخد. در انتهای دیگر این محور قطب جنوب قرار گرفته است.

منشا وجودی میدان مغناطیسی زمین

چرخش زمین باعث ایجاد حرکاتی در هسته خارجی (که مذاب است) می‌شود. این حرکات یک میدان مغناطیسی بزرگ به وجود می‌آورد که در شمال و جنوب مغناطیسی متمرکز می‌شود.

موقعیت جغرافیایی قطبهای مغناطیسی زمین

• شمال مغناطیسی زمین در جزیره‌ای واقع در شمال کانادا ، در فاصله 2570 کیلومتری قطب شمال جغرافیایی ، قرار دارد.
• قطب جنوب مغناطیسی در همین فاصله از قطب جنوب جغرافیایی ، واقع است.

تغییرات قطب‌های مغناطیسی زمین

• قطب‌های مغناطیسی زمین ثابت نیستند و هر ساله اندکی تغییر می‌کنند. میزان این تغییرات در فصول مختلف سال ، متفاوت است. بیشترین تغییرات در فصول گرم مشاهده شده است.
• دریانوردان با استفاده از این تغییرات اندک می‌توانند، به کمک قطب نما راه خود را پیدا کنند. زیرا عقربه قطب نما همیشه قطب شمال مغناطیسی را نشان می‌دهد.

پدیده‌های حاصل از تغییرات قطب‌های مغناطیسی زمین

• توفان مغناطیسی :
  در اثر تغییرات ناگهانی میدان مغناطیسی زمین آشفتگی مغناطیسی ایجاد می‌گردد که به دوره 110S فعالیت خورشیدی مربوط بوده و توفان مغناطیسی نام دارد.
  
• تله مغناطیسی :
  هرگاه ذرات با سرعت پایین وارد میدان مغناطیسی زمین شود تحت تغییرات آن شروع به نوسان می‌کنند اگر سرعت مجاز لازم را برای فرار از پتانسیل میدان نداشته باشند در آن گرفتار می‌شوند که به این پدیده تله مغناطیسی گویند.
  
  
• کمربندهای تشعشعی زمین :
  تابش تله‌ای و تله مغناطیسی حاصل از آشوب میدان مغناطیسی زمین حفاظ مغناطیسی در اطراف زمین ایجاد می‌کند که علاوه از گیراندازی ذرات نقش حفاظتی را در برابر تابش‌ها ایفا می‌کنند. این لایه‌ها که در اطراف زمین شکل می‌گیرند به کمربندهای تشعشعی وان آلن معروف هستند.