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 ارایه 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 نیون 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 خلایی 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.

یکی از حرکتهای مهم ، حرکت دورانی است. نمونه‌های بسیاری از این نوع حرکت را هر روز مشاهده می‌‌کنیم. چرخش زمین به دور محور خود نمونه‌ای از حرکت دورانی است. باید توجه داشته باشیم که حرکت بر روی مسیر دایره‌ای ، با دوران یک جسم به دور یک محور تفاوت دارد. هر حرکت دورانی با محور دوران و زاویه دوران مشخص می‌‌شود. زاویه دوران در سرعت زاویه‌ای جسم لحاظ می‌‌شود.

سینماتیک دوران

جسم صلبی را در نظر بگیرید که حول محوری که بر سطح این جسم عمود است، دوران می‌‌کند. برای سادگی فرض می‌‌کنیم که محور دوران ثابت می‌‌باشد. اگر محل ذره‌ای بر روی جسم در چارچوب مرجع ما معلوم باشد، می‌‌توانیم وضعیت تمامی ‌جسم در حال دوران را در این چارچوب مرجع مشخص کنیم. لذا برای سینماتیک این مسیله ، کافی است که فقط حرکت یک ذره بر روی یک دایره را در نظر بگیریم. اندازه دوران در هر لحظه به وسیله زاویه θ ، زاویه‌ای که موضع زاویه‌ای ذره نسبت به موضع اولیه می‌‌سازد، تعیین می‌‌شود. لذا اگر جهت دوران پاد ساعتگرد را مثبت اختیار کنیم، در نتیجه θ هنگام دوران پاد ساعتگرد افزایش و هنگام دوران ساعتگرد کاهش پیدا می‌‌کند.

سرعت زاویه‌ای ω

آهنگ تغییرات جابه‌جایی زاویه‌ای ذره (θ) نسبت به زمان به عنوان سرعت زاویه‌ای متوسط تعریف می‌‌شود. در واقع اگر تغییرات زاویه‌ای را با θ∆ و مدت زمان این تغییر را با t∆ نشان دهیم، در این صورت سرعت زاویه‌ای با نسبت θ/∆t∆ برابر است. حال اگر چنانکه از این عبارت هنگامی ‌که t∆ به سمت صفر میل می‌‌کند، حد بگیریم کمیت حاصل سرعت زاویه‌ای لحظه‌ای خواهد بود. با توجه به تعریف مشتق در واقع می‌‌توان گفت که سرعت زاویه‌ای با مشتق زمانی جابجایی زاویه‌ای θ برابر است. یکای سرعت زاویه‌ای عکس یکای زمان است و معمولا یکاهای آن را رادیان بر ثانیه یا دور بر ثانیه انتخاب می‌‌کنند.

شتاب زاویه‌ای α

اگر سرعت زاویه‌ای تغییر بکند، این تغییر سبب ایجاد شتاب می‌‌گردد. این شتاب ، شتاب زاویه‌ای نام دارد. اگر و ω_۲ به ترتیب سرعتهای زاویه‌ای لحظه‌ای در زمانهای t_۱ و t_۲ باشند، در این صورت شتاب زاویه‌ای متوسط که با \bar α نشان می‌‌دهیم، به صورت زیر خواهد بود:

حال اگر از این عبارت هنگامی که t∆ به سمت صفر میل می‌‌کند، حد بگیریم، در این صورت کمیت حاصل را شتاب زاویه‌ای لحظه‌ای می‌گویند. چون سرعت زاویه‌ای (ω) برای تمام ذرات جسم صلب یکسان است، لذا شتاب زاویه‌ای (α) نیز برای تمام ذرات یکسان خواهد بود. یکای شتاب زاویه‌ای عکس مجذور زمان است و یکاهای آن را معمولا رادیان بر مجذور ثانیه یا دور بر مجذور ثانیه تعریف می‌‌کنند.

مقایسه حرکت دورانی حول محور ثابت و حرکت انتقالی

دوران ذره (یا جسم صلب) حول یک محور ثابت با حرکت انتقالی ذره (یا جسم صلب) در یک امتداد ثابت هم‌خوانی صوری دارد. متغیرهای سینماتیک در حالت اول θ (جابجایی زاویه‌ای) ، ω (سرعت زاویه‌ای) و α (شتاب زاویه‌ای) هستند، اما در حالت دوم x (جابه‌جایی خطی) ، v شتاب خطی) هستند. این کمیتها دو به دو متناظرند. البته اینها از لحاظ یکا با هم اختلاف دارند. هرگاه در حرکت انتقالی محدودیت مربوط به حرکت در امتداد خط راست را حذف کنیم و حالت کلی حرکت سه بعدی را بر روی مسیر منحنی در نظر بگیریم، متغیرهای خطی a ، v ، x به صورت مولفه‌های اسکالر بردارهای سینماتیکی ظاهر می‌‌شوند، اما در صورت حذف محدودیت دوران حول محور ثابت ، متغیرهای سینماتیک دوران به این سادگی به بردار تبدیل نمی‌‌شوند.

با استفاده از تناظری که اشاره شد، به راحتی می‌‌توان معادلات حرکت را در حرکت دورانی حول یک محور ثابت بدست آورد. فقط کافی است متغیرهای سینماتیکی حرکت انتقالی در امتداد ثابت را با متغییرهای سینماتیکی حرکت دورانی جایگزین کنیم.

نمایش برداری کمیتهای دورانی

جابجایی ، سرعت و شتاب خطی کمیتهای برداری هستند. کمیتهای زاویه‌ای متناظر آنها نیز می‌‌توانند بردار باشند، چون علاوه بر بزرگی باید جهتی نیز برای آنها در نظر گرفت. به عنوان مثال ، اگر محور دوران ثابت نباشد، در این صورت نمی‌‌توان گفت که کمیتهای α ، ω ، θ باز هم حالت اسکالر دارند، اما نمی‌‌توانیم این کمیتها را بردار تصور کنیم. به عنوان مثال ، جابجایی زاویه‌ای θ نمی‌‌تواند بردار باشد، چون به صورت برداری با هم جمع نمی‌‌شوند. از ریاضیات می‌‌دانیم که حاصل جمع دو بردار خاصیت جابجایی دارد، یعنی وقتی که دو بردار A و B را باهم جمع می‌‌کنیم، فرقی ندارد که A + B بنویسیم یا B + A. در صورتی که در مورد θ که زاویه دوران است، چنین نیست، اما اگر جابجایی زاویه‌ای بینهایت کوچک باشد، می‌‌توان آن را برداری در نظر گرفت.

رابطه سینماتیک خطی و زاویه‌ای

هرگاه جسم صلبی حول یک محور ثابت بچرخد، هر ذره از آن بر روی یک مسیر دایره‌ای حرکت می‌‌کند. لذا می‌‌توانیم حرکت این ذره را با متغیرهای خطی یا متغیرهای زاویه‌ای توصیف کنیم. با استفاده از رابطه میان متغیرهای خطی و زاویه‌ای می‌‌توانیم از توصیف یکی توصیف دیگری را نتیجه بگیریم و اگر سرعت خطی را با v و سرعت زاویه‌ای را با ω و فاصله نقطه مورد نظر از جسم صلب از محور دوران را با r نشان دهیم. در این صورت v = ω r خواهد بود. در حرکت دایره‌ای دو نوع شتاب می‌‌تواند وجود داشته باشد. یکی شتاب مماسی است که از تغییر سرعت خطی v حاصل می‌‌شود و دیگری شتاب زاویه‌ای است که از تغییرات سرعت زاویه‌ای ω بوجود می‌‌آید.

گشتاور نیرو

در حرکت انتقالی نیرو را به شتاب خطی جسم وابسته می‌‌کنیم. در حرکت دورانی کمیتی که به شتاب زاویه‌ای جسم وابسته است، گشتاور نیرو می‌‌باشد. ابتدا گشتاور نیرو را برای حالت خاص یک ذره منفرد که از یک چارچوب مرجع لخت مشاهده می‌‌شود، تعریف می‌‌کنیم. سپس آن را به دستگاههای ذرات تعمیم می‌‌دهیم. در مورد یک ذره منفرد که به فاصله r از مبدا مختصات قرار دارد و تحت تاثیر نیروی F حول محوری که از مبدا مختصات گذشته و بر صفحه شامل ذره و نیرو عمود است، دوران می‌کند، گشتاور نیرو با حاصل‌ضرب برداری r در F برابر است.

در حرکت دورانی گشتاور نیرو با شتاب زاویه‌ای ارتباط نزدیکی دارد، یعنی همان گونه که در حرکت انتقالی نیرو با حاصل‌ضرب جرم و شتاب خطی برابر است، گشتاور نیرو نیز با حاصل‌ضرب شتاب زاویه‌ای در ممان اینرسی (یعنی گشتاور لختی یا لختی دورانی) برابر است، یعنی اگر گشتاور نیرو را با T و ممان اینرسی را با I نشان دهیم، خواهیم داشت I = T .

حرکت دورانی حول محوری که حرکت انتقالی دارد

دوران حول یک محور ثابت حالت خاصی از حرکت دورانی است، اما اگر محور دوران ثابت نباشد، در این صورت شرایط فرق می‌‌کند. به عنوان مثال ، استوانه‌ای که بر روی یک سطح افقی می‌‌غلتد، نمونه‌ای از این نوع حرکت است. حرکت غلتان این جسم را می‌‌توان ترکیبی از حرکتهای انتقالی و دورانی در نظر گرفت. در مورد استوانه در هر لحظه نقطه تماس استوانه و سطح در حال حرکت است، چون جسم نمی‌‌لغزد. بنابراین در این حالت می‌‌توان حرکت را ترکیب حرکت انتقالی مرکز جرم و حرکت دورانی حول محوری که از مرکز جرم می‌‌گذرد، دانست که هم ارز است با یک حرکت دورانی محض با همان سرعت زاویه‌ای حول محوری که از نقطه تماس جسم غلتان می‌‌گذرد.

دوران جسم صلب حول محور دلخواه

در کلی‌ترین حالت دوران جسم صلب حول محوری که ثابت نبوده و حرکت دورانی دارد، مورد بحث قرار می‌‌گیرد. در این حالت برای بررسی حرکت جسم صلب به صورت زیر عمل می‌‌کنیم:

دو سیستم مختصات که یکی در خارج از جسم ثابت بوده و دیگری در روی جسم صلب قرار داشته و به همراه آن می‌‌چرخد، در نظر می‌‌گیریم. سیستم مختصات متصل به جسم را با پریم مشخص می‌‌کنیم. در این صورت سه محور چارچوب ثابت و چارچوب متصل به جسم با هم زاویه می‌‌سازد که این زوایا را زوایای اویلر می‌‌گویند. به بیان دیگر ، می‌‌توان گفت که با سه دوران پی‌درپی به اندازه این زاویه‌ها دو چارچوب پریم‌دار و بدون پریم بر هم منطبق می‌‌شوند.

بنابراین چارچوب برای نشان دادن جهت گیری جسم صلب در فضا نسبت به چارچوب ساکن در نظر گرفته می‌‌شود، اما در مورد جسم صلب می‌‌توان سه محور عمود بر هم چنان انتخاب کرد که حاصلضرب ممانهای اینرسی صفر شوند. لازم به توضیح است ممان اینرسی جسم صلب ، در حالت کلی ، به صورت یک ماتریس خواهد بود که اعضای قطر اصلی ، ممان اینرسی اصلی و سایر عناصر را حاصل‌ضرب ممانهای اینرسی می‌‌گویند. بنابراین چارچوب سومی ‌در نظر گرفته می‌‌شود که سه محور آن محورهای اصلی جسم صلب هستند.

به این ترتیب معادلات حرکت جسم صلب تنظیم می‌‌گردد و در مورد نحوه حرکت و تعادل جسم صلب بحث می‌‌شود. بدیهی است که در این حالت کمیتها به صورت تانسوری در نظر گرفته می‌‌شوند. به عنوان مثال ، اندازه حرکت خطی به صورت L = Iω بیان می‌‌شود که دراین جا I تانسور اینرسی است که نمایش آن به صورت یک ماتریس مربعی است و ω به صورت یک ماتریس ستونی می‌‌باشد. به خاطر پیچیدگیهای ریاضی از ارایه معادلات حرکت خودداری می‌‌شود.

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.

 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(جسم1)در هر جای زمین(جسم2) 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 اولیة 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 فاصلةعمودی نیرو تا نقطة 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 همیشه50 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 معادلة 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.

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 (7،...،1،0)ثانیه تندیهایی را که نشان می دهد،به ترتیب برابر0،6،12،18، 18،18،9 و0 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 موتور4متر بر ثانیه وسرعت باد 3متر بر ثانیه باشد ، سرعت هاورکرافت می تواند 1 متر بر ثانیه یا 7 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 :

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

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

نیرو وشتاب

قانون دوم نیوتون دربارة 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 .

محاسبة شتاب ...

با استفاده از معادلة S=1/2at^2 ،شتاب (a) را حساب کنید. زمان لازم برای چاپ 50 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

رابطةاخیر، شکل دیگر قانون دوم نیوتون است.

فشار

مقدار نیروی وارد بر سطح 1m^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

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

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

فشار سنج مانومتر

مانومتر لولة U شکلی است که حاوی مایع است و برای اندازه گیری فشار گاز به کار می رود. مخزن گاز از طریق لولة رابط به لولة Uشکل وصل است. فشار گاز در یک شاخة لولة U موجب پایین رفتن مایع و در شاخة 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 اولیة خود بر می گردد.