المساعد الشخصي الرقمي

مشاهدة النسخة كاملة : سلسلة ثقافية متنوعة - معارف وتطبيقات فيزيائية



أحمد سعد الدين
7th March 2006, 06:30 PM
معارف وتطبيقات فيزيائية



السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

الاخوة والأخوات
بارك الله فيكم

أقدم هذا الموضوع لمحبى الثقافة ممن عندهم الوقت الكافى للقراءة ،

ذلك أننى قمت بتجميع المادة العلمية منذ سنوات سبقت من مصادر عديدة ومتنوعة ( كتب ، مقالات ، مجلات علمية ، .. )
وأحببت نشرها لمحبى الاطلاع والثقافة العلمية لعموم الفائدة وتوفيرا للجهد فى البحث.

وأود أن أنوه على أن المعارف والمعلومات الواردة لاتعدو عن كونها معلومات عامة ،
وعلى المتخصص فى أى فرع من الفروع أن يطالع المراجع المتخصصة .


أحمد سعد الدين

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 06:32 PM
جهاز انذار الحريق




جهاز كشف الدخان المستخدم للتحذير من اندلاع حريق في غرفة أو مبني من الاجهزة الهامة والضرورية فبالرغم من انخفاض تكلفتها التي تبلغ في حدود 15 دولار فإنها تقي من نشوب حريق قد يقضي على ممتلكات مؤسسة بكاملها. يتكون جهاز كاشف الدخان Smoke Detector من جزئين اساسيين اولهما مجس حساس للضوء وهو الفوتوديود Photodiode والجزء الثاني هو جهاز الكتروني يصدر صوت منبه مرتفع. يعمل جهاز انذار الحريق من خلال بطارية 9 فولت أو من خلال مزود الكهرباء المنزلي.



فكرة عمل جهاز انذار الحريق


يعتمد هذا النوع من كاشف الدخان على فوتوديود وهو حساس للضوء، وإذا ما تم تصميم دائرة إلكترونية بحيث اذا سقط الضوء على الفوتوديود تصدر الدائرة الإلكترونية جرس منبه ذو صوت عالي. وهذه فكرة عمل جهاز انذار الحريق حيث أن الجهاز يحتوي على شعاع ضوئي عادي يصدر من ديود باعث للضوء LED مثبت في نهاية انبوبة اسطوانية الشكل وعلى زاوية 90 درجة يتفرع اسطوانة اخرى مثبت في نهايتها فوتوديود. كما في الشكل التوضيحي التالي:


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/smoke_2.jpg

في حالة تواجد دخان كثيف في الغرفة فإن هذا الدخان سيدخل من الجهة المقابلة للاسطوانة المثبت بها المصدر الضوئي وسيعمل على تشتيت الضوء ليسقط على الفوتوديود وبالتالي سيتم تفعيل الدائرة الإلكترونية التي بدورها ستطلق صفارة الإنذار



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/smoke_3.jpg

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 06:43 PM
كيف يعمل جهاز الرؤية الليلية؟




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/night_3.jpg



من المعروف أن عملية الرؤية تتم بواسطة انعكاس أشعة الضوء المرئي من الجسم الذي ننظر إليه على أعيننا والتي بدورها تكون صورة للجسم على شبكية العين وتنتقل معلومات الصورة من خلال الألياف البصرية إلى الدماغ ليترجم صورة الجسم. ومن هنا فإن عملية الرؤية تعتمد اساساً على اشعة الضوء المرئي سواء كان مصدره اشعة الشمس أو مصابيح الإضاءة الكهربية. ولهذا السبب فإن في الظلام لايمكن للعين رؤية الاشياء لعدم توفر الضوء المرئي المنعكس من الجسم إلى العين.



السؤال الآن كيف يمكن تحسين مدى الرؤية في الظلام؟

للإجابة على هذا السؤال يجب أن نلقى بعض الضوء على الطيف الكهرومغناطيسي الذي يحيطنا، وإن مانراه من ألوان هو جزء بسيط من الطيف الكهرومغناطيسي كما هو واضح في الشكل.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/night_1.gif



لكل منطقة على الطيف الكهرومغناطيسي طاقة محددة تعتمد على الطول الموجي: حيث أن الطول الموجي الأقصر له طاقة أكبر. وبالتالي يكون اللون الازرق ذو الطول الموجي الأقصر في الطيف المرئي له طاقة اكبر من اللون الأحمر لأن له طول موجي أكبر. ويأتي طيف الاشعة تحت الحمراء قبل اللون الأحمر وهذا يعني أن طاقتها أقل.

الاشعة تحت الحمراء تقسم إلى ثلاثة مناطق كما تقسم الاشعة المرئية إلى سبعة ألوان مختلفة (ألوان الطيف المعروفة) وهذه المناطق الثلاثة لطيف الاشعة تحت الحمراء هي:

المنطقة القريبة من الاشعة تحت الحمراء Near-infrared وهي أقرب مايمكن من الطيف المرئي والتي يبلغ مداها من 0.7 مايكرون إلى 1.3 مايكرون.

المنطقة الوسطى Mid-infrared وهي المنطقة من الطيف الكهرومغناطيسي في المدى 1.3 مايكرون إلى 3 مايكرون. وهذه الاشعة المستخدمة في أجهزة التحكم عن بعد الرموتكنترول.

الاشعة الحرارية Thermal-infrared وهي التي تحتل أكبر مدى من الطيف الكهرومغناطيسي من 3 مايكرون إلى 30 مايكرون.


--------------------------------------------------------------------------------

الاشعة الحرارية Thermal-infrared هي اشعة تنبعث من الاجسام نتيجة لدرجة حرارتها وليست أشعة تنعكس عن الاجسام. ويعود انبعاث الاشعة الحرارية في منطقة الأطياف تحت الحمراء من اثارة الذرات المكونة للجسم عند درجات حرارة فوق الصفر المطلق وعودتها إلى حالة عدم الاثارة وهذا يسبب إلى انطلاق الاشعة الكهرومغناطيسية في المنطقة تحت الحمراء. حيث أن الذرات في حالة اثارة مستمرة excitation إلى مستويات الطاقة العليا excited level ثم عودتها إلى مستوى الطاقة الأرضي ground-state energy level.




الذرة ومستويات الطاقة


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-atom.jpg



عند اكتساب الكترونات الذرة طاقة نتيجة لدرجة حرارتها تنتقل إلى مدارات ذات طاقة اعلى ثم ما تلبث وأن تعود إلى مستوى الطاقة الاساسي Ground State مطلقة الطاقة التي اكتسبتها في صورة طيف كهرومغناطيسي في منطقة الاشعة تحت الحمراء بطول موجي يتراوح من 3 مايكرون إلى 30 مايكرون حسب درجة الاثارة. فعلى سبيل المثال عند تسخين ملعقة على لهب تبدأ درجة حرارة الملعقة بالازدياد وينتج عند كل درجة حرارة انبعاث للاشعة تحت الحمراء (الحرارية) إلى أن تصل درجة الحرارة إلى حد معين تبدأ فيه الملعقة بالتوهج ويحمر لونها وهنا نكون قد دخلنا في الأطوال الموجية المرئية لأن درجة الحرارة تقترب من 500 درجة مئوية وتصل أقصى درجات التوهج عندما يصبح لون المعلقة قريبا من اللون الأبيض (اكثر من 1000 درجة مئوية).

نستنتج من ذلك أن كل جسم يشع طيف كهرومغناطيسي عند درجات الحرارة فوق الصفر المطلق وكلما ازدادت درجة الحرارة ازدادت درجة الاثارة وهذا يوؤدي إلى انبعاث طيف كهرومغناطيسي يكون في منطقة الاشعة تحت الحمراء عند درجات الحرارة المنخفضة وكلما ازدادت درجة الحرارة اقترب الطيف المنبعث إلى الطيف المرئي.




ومن هنا تعتمد فكرة الرؤية الليلية على الاشعة تحت الحمراء (الحرارية) المنبعثة من الأجسام، وهذا ما سنقوم بشرحه الآن.......




كيف تعمل أجهزة الرؤية الليلية



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/night_2.jpg



بواسطة نظام عدسات شبيه بعدسات كاميرا الفيديو يعمل على تجميع الاشعة تحت الحمراء المنبعثة من الاجسام.

الاشعة الحمراء المجمعة تسقط على مصفوفة من المجسات الحساسة للاشعة تحت الحمراء تعمل على رسم خريطة حرارية للجسم تسمى thermogram.

تقوم اجهزة اكترونية بتحويل الصورة الحرارية thermogram إلى نبضات الكترونية.

تقوم وحدة معالجة الاشارة signal-processing unit بترجمة الصورة الحرارية المأخوذة من المجسات إلى معلومات لتعرض على الشاشة.

ترسل وحدة معالجة الاشارة signal-processing unit المعلومات إلى الشاشة على شكل مناطق ملونة تعكس درجات الحرارة وجميع المعلومات المجمعة تكون الصورة.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-thermal.jpg



هناك نوعان من اجهزة الرؤية الليلية أحدهما يعمل عند درجة حرارة الغرفة ويعرف باسم Un-cooled وبامكانه رصد فروقات في درجة الحرارة تصل إلى 0.2 درجة مئوية وهو اكثر انتشاراً. والنوع الاخر يعمل تحت درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة وذلك بتبريده ويعرف باسم Cryogenically cooled وهو مرفع الثمن وبامكانه رصد فروقات في درجة الحرارة تصل إلى 0.1 درجة مئوية ولمسافات تصل إلى 300 متر.

يوضح الشكل التالي درجة وضوح الرؤية في ثلاث حالات مختلفة (من اليمين) رؤية بواسطة ضوء النهار وتليها صورة للرؤية الليلية بواسطة مصابيح السيارة ويليها صورة ليلية بستخدام كاميرا تعمل بالاشعة تحت الحمراء الحرارية.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-normal.jpg
الرؤية في ضوء النهار


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-night2.jpg
الرؤية في الليل


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-night.jpg
الرؤية باستخدام الاشعة تحت الحمراء الحرارية



أنواع اجهزة الرؤية الليلية

يمكن تقسيم اجهزة الرؤية الليلية إلى ثلاثة أقسام هي:

التلسكوب Scopes وهي الاجهزة التي تثبت على الاسلحة لاصابة الاهداف الليلية أو التي تحمل باليد للانتقال من الرؤية الليلية إلى الرؤية الطبيعية.

المنظار Goggles وهي في الغالب ما تثبت على الرأس وتستخدم للتجول بواسطتها خلال الليل.

الكاميرا Cameras وهي تشبه كاميرا الفيديو التقليدية ولكن تعتمد على التصوير بواسطة الاشعة تحت الحمراء وتستخدف في طائرات الهيلوكوبتر أو مراقبة الابنية.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision3.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-goggles.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/nightvision-camera.jpg



استخدامات اجهزة الرؤية الليلية

للاجهزة الرؤية الليلية العديد من التطبيقات مثل التطبيقات في المجالات العسكرية وفي الابحاث الجنائية وفي رحلات الصيد الليلية وفي البحث عن الاشياء المفقودة وفي التسلية وفي انظمة الحماية والمراقبة. وتجدر الاشارة إلى أن أول وأهم تطبيقات اجهزة الرؤية الليلية هي الاستخدامات العسكرية في التجسس على تحركات الخصم ومعداته في اثناء الليل، كما يستخدمه رجال الاعمل في مراقبة ابنيتهم من اللصوص والمعتدين. كما يستحدمه رجال التحريات الجنائية في دراسة تحركات اللصوص من الاثار الحرارية التي تركتها اقدامهم على الأرض وتحديد فترة الاعتداء ومتابعة المسروقات وغيره....

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 06:52 PM
كيف يعمل جهاز السي دي?



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/audiocd.gif



انتشر استخدام السي دي CD ليحل محل اشرطة الكاسيت المغناطيسية لما تمتاز به هذه التكنولوجيا من ميزات اهمها سعتها التخزينية الكبيرة وجودة المادة المخزنة عليها وعمرها الأفتراضي الطويل، الـ CD متعددة الاستخدامات حيث يمكن استخدامها لتخزين مواد سمعية أو معلومات، ولأهمية هذا الموضوع سنقوم بتوضيح فكرة عمل اقراص السي دي وجهاز قراءة وكتابة هذه الاقراص.

جاءت تسميتها بهذا الاسم (سي دي) من أول أحرف للاسم الإنجليزي
Compact Disk
سي دي CD

السعة التخزينية لأقراص السي دي

يمكن تخزين ما يقارب 74 دقيقة من المعلومات الصوتية على القرص الواحد، وهذا يعادل 740 ميجابيت من المعلومات على القرص الذي يبلغ قطره 12 سم، مما يعني أن المساحة المخصصة لكل بايت على القرص يجب أن تكون متناهية الصغر وبدراسة تركيب قرص لسي دي يمكن فهم كيف يمكن تخزين هذا الكم الهائل من المعلومات على المساحة الصغيرة نسبياً.

مكونات قرص السي دي

يتكون السي دي من البلاستيك بسمك قدره 1.2 مم تعرف باسم polycarbonate وعلى هذه الطبقة يوجد طبقة رقيقة من الألومنيوم اللامع بسمك 1.25 نانومتر مغطاة بطبقة حماية من مادة الاكريلاك acrylic كما في الشكل.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/cd-crosssection.gif


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/discsection.gif



السي دي يحتوي على مسار متصل من البيانات في شكل لولبي يبدأ من الداخل إلى الخارج، وهذا يعني أنه بالامكان تقليل قطر السي دي عن 12 سم إذا رغبنا في ذلك. وفي الحقيقة يوجد بطاقات بحجم بطاقة business cards يمكن وضعها في جهاز قارئ السي دي وتحتوي على بيانات بسعة تخزينية قدرها 2 ميجابيت



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/cd-spiral.gif


وبالنظر تحت المجهر على شكل هذه المسارات اللولبية التي تحتوي على البيانات نجدها تظهر كما في الشكل المقابل على صورة مرتفعات Bits عرضها لايتجاوز 0.5 ميكرون وارتفاعها 125 نانومتر ويفصل بين المسار والذي يليه مسافة تبلغ 1.6 ميكرون. وهذه مساحات متناهية في الصغر وللتوضيح أكثر نفترض أننا قمنا تحويل المسار اللولبي إلى مسار مستقيم سنحصل على شريط عرضه 0.5ميكرون وطوله يتجاوز الـ 5 كيلومتر!! ولقراءة هذه المعلومات نحتاج إلى جهاز خاص هو جهاز الـ CD ROM Drive.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/cd-bumps.gif


مشغل اقراص الـ CD

يقوم جهاز مشغل أقراص السي دي بالبحث عن المعلومات المخزنة في صورة Bits على المسارات اللولبية سابقة الذكر وقراءتها وهذا يتطلب دقة عالية. ويمكن تقسيم مشغل اقراص السي دي إلى ثلاثة اقسام رئيسية هي:

الموتور: يقوم بتدوير قرص السي دي والتحكم بسرعته التي تتراوح من 200-500 دورة في الدقيقة.

الليزر: وهو الاداة المستخدمة لقراءة البيانات من القرص.

الباحث: وهو الذي يقوم بتوجيه شعاع الليزر على المسارات المخصصة للبيانات بدقة فائقة.


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/0998working_top.jpg


كما تجدر الاشارة إلى أن مشغل الأقراص يحتوي على قطع الكترونية تقوم بتحويل البيانات المخزنة في صورة رقمية Digital إلى اشارة تناظرية Analogue كما هو الحال في استخدامه لسماع الموسيقى أو لنقل البيانات إلى الكمبيوتر.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/cd-parts.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/cdwrite3.jpg



إن الوظيفة الاساسية لمشغل اقراص السي دي هي تركيز أشعة الليزر على المسارات التي تحتوي البيانات، حيث تنفز أشعة الليزر من الطبقة البلاستيكية لتسقط على طبقة الألومنيوم العاكس، وحيث أن المسارات تحتوي على البيانات على شكل Bits متقطعة مما يسبب في اختلاف انعكاس شعاع الليزر على هذه المناطق والمناطق التي لاتحتوي على البيانات وبالتالي يكون الشعاع المنعكس عبارة عن نبضات متقطعة هي بمثابة 0 , 1 هذه النبضات المتقطعة يقرأها فوتوديود يحول النبضات الضوئية إلى تيار كهربي. تقوم اجهزة الكترونية في مشغل اقراص السي دي بتفسير هذه التيارات الكهربية الناتجة من الـ Bits المخزنة على القرص وتحويلها إلى معلومات.



من المهم التحكم في موقع شعاع الليزر على المسار اللولبي خلال دوران القرص المرن وهذا يتم من خلال موتور خاص مبرمج لتحريك الليزر بسرعات تتناسب مع سرعة دوران البيانات على القرص حيث أن سرعة تدفق البيانات تساوي حاصل ضرب السرعة الزاوية للقرص في نصف قطر المسار. ولهذا يجب على الموتور المتحكم في تحريك الليزر أن يتباطأ كلما اتجهنا من المسار الداخلي إلى المسار الخارجي. لنحافظ على معدل تدفق ثابت للبيانات.



شكل البيانات المخزنة على السي دي

يستطيع كل شخص ان يخزن البيانات التي يريدها على قرص السي دي إذا امتلك جهاز قراءة وكتابة وكل ما عليه هو تحديد نوع البيانات اذا كانت بيانات كمبيوتر CD-ROM أو موسيقى CD-DA فيقوم البرنامج بعملية الكتابة دون تدخل منا ولكن هذه العملية البسيطة تخفي تعقيدات بحاجة إلى متخصص لفهم ألية تخزين البيانات على السي دي وهذا ما يعرف بألية التشفير data encoding methodology. والتي يجب أن تراعى النقاط التالية:

توجيه الليزر بين مناطق البيانات المخزنة مثل بداية المقطوعة الموسقية ونهايتها والمقطوعة التي تليها.

أن يتضمن التشفير كاشف للخطأ الناجم عن الخطأ في تفسير بعض الـ Bits وهذا مايعرف بـ error-correcting codes.

الخدوش التي قد تحدث عن الاستخدام الخاطئ لقرص السي دي مما ينتج عنه انقطاع في تدفق البيانات.

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 06:56 PM
فكرة عمل فرن المايكروويف



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/microwve.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/microw.gif



اشعة المايكروويف هي جزء من الاشعة الكهرومغناطيسية ذات طول موجي طويل يقاس بالسنتمتر في المدى من 0.3 إلى 30 سنتمتر ولهذه الاشعة استخدامات عديدة منها في طهي الطعام وهو مايعرف بفرن المايكروويف Microwave oven كما تستخدم في الاتصالات ونقل المعلومات واجهزة الاستشعار عن بعد واجهزة الرادار ومن هنا فإن استخدامها في الطهي هو جزء بسيط من تطبيقاتها العملية العديدة، ويعتبر الطهي بواسطة اشعة الميكروويف من تكنولوجيا القرن العشرين لما توفره من سرعة في تحضير الطعام أو تسخينه وكفائته العالية في توفير الطاقة المستخدمة في الافران التقليدية التي تعمل بالكهرباء أو الغاز حيث أنها تعمل على تسخين المواد الغذائية فقط دون غيرها. وتجدر الاشارة إلى أن هذه الاجهزة موجودة في كل بيت في امريكا وأوروبا وبدأت تنتشر عندنا، ولكن كثيراً ما دار التساؤل عن خطورة استخدام هذه الاجهزة على سلامة الانسان, وقبل الاجابة على هذا التساؤل يتوجب علينا شرح فكرة عمل فرن المايكروويف.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/microwave.jpg



فكرة عمل فرن المايكروويف

يستخدم فرن المايكروويف اشعة المايكروويف لتسخين الطعام الموضوع في داخل الفرن، وللعلم فإن اشعة المايكروويف هي أمواج راديو ذات ترددات 2500 ميجاهيرتز وهذه امواج الرادي عند هذا التردد تمتلك خاصية هامة هي:


--------------------------------------------------------------------------------

الخاصية الأولى
أن أشعة المايكروويف تمتص بواسطة الماء والمواد الدهنية والمواد السكرية

وهذا يعني أن جزيئات تلك المواد التي تحتوي على الماد والدهون والسكريات تمتص هذه الاشعة من خلال ذرات وجزيئات تلك المواد وامتصاص هذه الاشعة (المايكروويف) تكسبها طاقة تجعلتا تتذبذب بدرجة كبيرة مما تتصادم مع بعضها البعض وتنتج حرارة التسخين اللازمة لطهيها.

الخاصية الثانية
أن المواد البلاستيكية بجميع انواعها والمواد الزجاجية والسيراميك والفخار لا تمتص أشعة المايكروويف ولا تتأثر بها

وهذا يعني أنها لن ترتفع درجة حرارتها، أما المواد المعدنية اللامعة مثل الالومنيوم فيعكس تلك الاشعة ولذا يحظر استخدامها داخ افران المايكروويف


--------------------------------------------------------------------------------



كيف يقوم فرن المايكروويف بالطهي

يقوم فرن المايكروويف بطهي الطعام من الداخل إلى الخارج بعكس الافران العادية التي تقوم بالطهو من الخارج إلى الداخل حيث تنتقل حرارة الفرن منه إ لى الوعاء وتنتقل الحرارة من الوعاء إلى المواد الملاصقة له بالتوصيل بينما لا يزال وسط الطعام بارداً وهذا ما يسبب احتراق الاجزاء الملاصقة للوعاء عند نهاية الطهي. في حالة الطهو باستخدانم اشعة المايكروويف فإن أمواج الراديو تمتص بواسطة جزيئات الماء والدهون المكونة للطعام وبالتالي ترتفع درجة حرارة كل جزيئات الطعام في نفس الوقت وبنفس الدرجة لأأن كل الجزيئات تثار بنفس الدرجة ولا حاجة لنقل الحرارة بالتوصيل. ومن هنا نعرف الفرق بين الطريقة التقليدية للطهو وطريقة فرن المايكروويف وهي ان الاول يعمل بنقل الحرارة بالتوصيل بينما المايكروويف يسخن من خلال اثارة جزيئات الماء المكون للطعام.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/cooktrky.gif



ومن هنا نستنتج من توضيح فكرة عمل فرن المايكروويف أن لا خطر من استخدامه حيث أن الاشعة المستخدمة هي أشعة الراديو التي تحيطنا والاشعة المنبعثة من الفرن لا تخرج إلى خارجه كما أن نظام الحماية يوقف هذه الاشعة بمجرد فتح باب الفرن.

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 06:58 PM
فكرة عمل طابعات الكمبيوتر





الطابعة الابرية Dot Matrix Printer




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Dot_Ma1.jpg




اول طابعة ابرية ظهرت فى عام 1964 وهى (Epson DP-101) وظهرت بعد ذلك (Epson FX80) فى عام 1984 وكانت هذه الطابعات بطيئة نوعا ما. سميت بالطابعات الابرية او النقطية نسبة إلى فكرة عمل هذا النوع من الطابعات حيث تستخدم ابرة متحركة لتصطدم بشريط محبر. تكون نتيجة اصطدام الابرة الواحدة على الشريط الحبري المثبت أمام الورق المراد الطباعة عليه هو ظهور نقطة بلون شريط الحبر. فإذا تخيلنا أن اى حرف أو رقم يمكن طباعته على شكل نقاط متراصة لترسم لنا الحرف على الورقة عن طريق عدة ضربات على الشريط الحبرى. وفى أغلب الأحيان يكون هناك تسع ابر او 24 ابرة مثبتة فى الرأس يتحكم بهم برنامج خاص ليرسم شكل الحرف اثناء حركة الراس والورقة.

ان الفكرة الميكانيكية فى تحريك الابر هو عن طريق مغناطيس كهربى يقوم بجذب الابر باتجاه الشريط الحبرى وتعود الابر إلى مكانها بواسطة زنبرك بعد زوال التاثير المغناطيسى.

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 07:01 PM
الطابعات قاذفة الحبر Inkjet printers



أول شركة صنعت هذا النوع الجديد من الطابعات هى شركة Hewlett-Packard عام 1984 واطلقت عليها اسم Ink jet printers وتبعتها شركة Canon عام 1986 واطلقت على هذا النوع من الطابعات اسم Bubble jet printers وكلاهما له نفس فكرة العمل. هذه الطابعات اخذت مكانه اوسع من الطابعات الابرية سابقة الذكر عند الكثير من المستخدمين للكمبيوتر خاصة بعد انخفاض سعرها فى هذه الايام.



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Printe1.jpg



تعتمد طابعة الـ inkjet على قذف قطرات متناهية في الصغر من الحبر على الورق لرسم الصورة أو طباعة النصوص ومن خصائص هذه الطابعات هي:

يصل حجم القطرات من الحبر إلى 50 مايكرون وهذا ادق من قطر شعرة.

يتم توجية القطرات إلى الورق بدقة متناهية مما يعطي وضوح يصل إلى دقة 1440x720 نقطة في الإنش. وهذا مايعرف الـ resolution والتي تقدر بوحدة dpi أي dots per inch.

يمكن الحصول على طباعة ملونة معن طريق التحكم بنسبة خلط الألوان الأساسية لكل قطرة قبل وصولها إلى الورقة.





فكرة عمل الطابعة قاذفة الحبر

تعتمد فكرة عمل هذا النوع من طابعات الكمبيوتر على تسخين جزء من مستودع الحبرإلى درجة حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية. وهذا سوف يحدث فقاعات بخار داخل مستودع الحبر مما تدفع قطرات الحبر إلى الخارج من فتحة خاصة تدعى Jet يصل عدد هذه الفتحات إلى 400 فتحة دقيقة يخرج منها الحبر قطرات الحبر في نفس اللحظة. بمجرد ملامسة قطرات الحبر الورقة تجف مباشرة. هذه العملية تتكرر عدة الاف مرة فى الثانية الواحدة.

وهنا نلاحظ أنه لايوجد أجزاء متحركة فى الرأس -ما عدا الحبر بالطبع- مما يجعل الطابعة اكثر هدوءاً وتصل دقة هذا النوع من الطابعات إلى 300dpi أى تضاهى طابعات الليزر. وهذا سبب تسمية الطابعة من هذا النوع بطابعة نصف ليزر.



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Printe3.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Inkjet4.gif
بتسخين المعدن الملامس للحبر تخرج فقاعة من بخار الحبر


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Inkjet5.gif
تدفع الفقاعة الحبر ليخرج من الفتحة الدقيقة إلى الورق



ماذا يحدث عندما نضغط على امر الطباعة في الكمبيوتر؟

عند الضغط على امر الطباعة في الكمبيوتر تحدث الخطوت التالية:

يقوم برنامج الطابعة بارسال البيانات إلى معالج الطابعة الـ Driver.

يقوم الـ Driver بمعالجة البيانات وترجمتها إلى اللغة التي تفهمها الطابعة ويتأكد البرنامج من ان الطابعة المتصلة بالكمبيوتر وانها تعمل.

ترسل البيانات عبر السلك المتصل بين الكمبيوتر والطابعة.

تخزن البيانات في ذاكرة الطابعة RAM.

يقوم البرنامج بتشغيل موتور رأس الطابعة ويحركه عبر محور الطابعة للتأكد من أنه يعمل ويتم مسح الرأس في هذه الحركة.

كذلك يتم تشغيل موتور تحريك الورقة وتجهيز الورقة في المكان المخصص للبدأ في الطباعة.

تبدأ الطابعة في العمل بتحريك كلا من الورقة ورأس الطابعة ليقوم برسم البيانات حسب تدفقها من الكمبيوتر إلى ذاكرة الطابعة ويتولى البرنامج بالتحكم بالحبر والالوان وتحريك الورقة كلما انتهى الرأس من مسح السطر وتتكرر العملية إلى ان يتم رسم كافة البيانات المرسلة من الكمبيوتر.


تكاليف الاستخدام لهذا النوع من الطابعات يعتبر الأنسب بالمقارنة بطابعة الليزر وتعتبر تكاليف الطباعة ارخص بكثير إذا ما قورنت بطابعة الليزر الملونة وفي أغلب الاحيان تباع الطابعة بأرخص من تكلفتها وهنا تعتمد الشركات المصنعة في ربحها من بيع الحبر المخصص لكل طابعة. الذي يعتبر سعره مكلفاً لأن تغير الحبر يعنى تغير الرأس.

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 07:08 PM
طابعة الليزر Laser printer




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Q1342A.gif



ان طابعة الـ Inkjet تعمل من خلال دفع قطرات الحبر إلى الورق ليتم نقل البيانات والمعلومات من الكمبيوتر إلى الطابعة ولكن كيف تعمل طابعة الليزر التي تستخدم شعاع الليزر؟؟

اخترعت شركة Xerox تكنولوجيا طابعات الليزر فى اوائل السبعينات وفى عام 1977 تم تسويق طابعات ليزر تصل سرعة طباعتها إلى 120 صفحة فى الدقيقة ومنذ 1984 سعت شركة Hewlett-Packard إلى تطوير عدة انواع من طابعات الليزر لتناسب جميع الاعمال واصبحت طابعات الليزر التى تحمل ماركة Hewlett-Packard تحتل 70% من سوق طابعات الليزر.


تختلف طابعات الليزر عن غيرها فى انها تطبع الصفحة كاملة وليس سطر سطر كما فى النوعين سابقى الذكر ولهذا السبب تحتاج طابعة الليزر إلى ذاكرة داخلية 1Mbyte على الأقل. وسعة الذاكرة تلعب دورا في سعر الطابعة.

بعض طابعات الليزر تكون مزودة بـ Post script وسعرها مرتفع عن اخرى لا تحتوى على هذه القطعة، لأنها تزيد من كفاءة الطابعة حيث يقوم الكمبيوتر بإرسال ما تحتويه الصفحة المراد طباعتها من تصاميم ورسومات وغيره فى صورة وصف دقيق إلى الـ Post script الذى بدوره يقوم بباقى العمل تاركا لك الكمبيوتر لتكمل عملك بينما الطابعات التى لا تحتوى Post script فإن البرنامج المستخدم سوف يقوم بعمل كل شئ ليرسل تفاصيل الصفحة مما يستغرق الكمبيوتر وقتا طويلاً لينهى عمله.


فكرة عمل طابعة الليزر

تعتمد فكرة عمل طابعة الليزر على الشحنة الكهروستاتيكية، مثلها مثل فكرة عمل ماكنة تصوير المستندات. والشحنة الكهروستاتيكية هي الي يكتسبها الجسم المعزول مثل الشحنة التي يكتسبها المشط عند تمشيط الشعر أو البالون عند حكة بالصوف ومن المعروف أن الشحن السالبة تجذب الشحنة الموجبة.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%201.gif



وتعمل طابعة الليزر من خلال مادة حساسة للضوء تسمي photoconductive هذه المادة تفقد شحنتها اذا سقط ضوء عليها. ففي البداية يتم شحن الدرم drum بشحنة موجبة بواسطة سلك يمر به تيار يسمى بـ charge corona wire وبدوران الدرم تقوم الطابعة بتسليط شعاع الليزر المنعكس من المرأة بمسح الاسطوانة اثناء حركتها على شكل سطور افقية حيث يحتوى كل سطر على مجموعة من النقط، يتحكم بعملية المسح هذه معالج خاص microprocessor موجود داخل الطابعة فيقوم بتشغيل الليزر عند المناطق البيضاء ويطفئه عند المناطق السوداء ليتم تفريغ الشحنة من بعض المواقع بحيث ترسم الحروف والاشكال المرسلة من الكمبيوتر فى صورة مناطق مشحونة كهربيا.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%203.gif


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%204.gif
حركة شعاع الليزر على الدرم والتحكم به بواسطة المرأة


بعد ذلك تقوم الطابعة بتمرير الدرم على حبيبات الحبر والذي يسمى بالتونر toner المشحون بشحنة موجبة نتيجة للشحنة الموجبة لحبيبات الحبر فإنها تلتصق على الدرم في المناطق التي مر عليها الليزر أما المناطق من الدرم المشحونة بشحنة موجبة فلن يلتصق بها التونر لأن الشحنات المتشابه تتنافر. وباستمرار دوران الدرم ينتقل الحبر الملتصق به إلى الورق المراد الطباعة عليه حيث تقوم الطابعة باكساب الورقة شحنة سالبة من خلال سلك يمر به تيار corona wire. وهذا يساعد الورقة على جذب حبيبات التونر المشحون بشحنة موجبة لينتقل من الدرم إلى الورقة.



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%206.gif


ولمنع الورقة من الانجذاب إلى الدرم فإن الطابعة بمجرد انتقال حبيبات التونر إلى الورقة يتم تفريغ شحنة الدرم من خلال لمبة ضوئية لتجهيز الدرم للدورة الثانية. كل ذلك يعمل خلال دوران الدرم وحركة الورقة بفس السرعة والتوقيت. وفي المرحلة الاخيرة تمرر الورقة قبل خروجها من الطابعة على فرن حراري على شكل اسطوانتين دائريتين لتثبيت التونر على الورقة. وهذا يفسر سخونة الورقة بعد خروجها من الطابعة مباشرة



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%205.gif


خصائص طابعة الليزر

كثير من الاحيان يفضل استخدام طابعة الليزر عن الطابعات الأخرى مثل Inkjet وذبك للأسباب والخصائص التالية:

تعتبر طابعات الليزر الأسرع لأن شعاع الليزر يتحرك بسرعة كبيرة لرسم بيانات الصفحة على الدرم.

تعتبر تكلفة تشغيلها طابعة الليزر اقل من تكلفة طابعات قاذفة الحبر لأن الحبر المستخدم ارخص ويخدم لفترة أطول ولهذا تستخدم طابعات الليزر في المؤسسات والمكاتب حين الحاجة إلى طباعة مستندات طويلة.

قدرة طابعة الليزر على العمل على نظام الشبكات بحيث يمكن لأكثر من مستخدم الطباعة باستخدام طابعة ليزر مركزية جعلها اكثر انتشارا.

تصل دقة الطباعة بواسطة طابعة الليزر إلى درجة تضاهي صور الكاميرا وهذا يعود إلى حزمة الليزر المركزة.

انخفاض ثمن طابعة الليزر جعل العديد من المستخدمين على الصعيد الشخصي استخدامها بدلاً من الطابعة قاذفة الحبر.

يمكن دمج طابعة الليزر وماكنة تصوير المستندات والماسح الضوئي وجهاز الفاكس في جهاز واحد لتوفير مساحة في المكتب وكذلك تقليل عدد الاسلاك المتصلة بين تللك الاجهزة والكمبيوتر.

طابعة الليزر الملونة Color Laser printer

يتواجد حالياً في الاسواق طابعات ليزر ملونة فكرة عملها شبيهة بفكرة عمل طابعة الليزر العادية سوى ان الورقة تمر بالمراحل سابقة الذكر اربعة مرات مرة للون الاسود وثلاث مرات للألوان الاساسية الثلاث الأحمر والأزرق والأصفر حيث يقوم برنامج الطابعة بفرز الالوان للصفحة المطلوب طباعتها من الكمبيوتر ويطبع كل لون على حدى في مرحلة منفصلة وفي النهاية نحصل على الورقة مطبوعة بنفس اللألون التي تظهر على شاشة الكمبيوتر.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%201.jpg
توضح الصورة شكل الدرم المستخدم في طابعات الليزر العادية


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Lase_%202.jpg
توضح الصورة شكل الدرم المستخدم في طابعات الليزر الملونة

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 07:15 PM
فكرة عمل ضوء الفلوريسنت (النيون)



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/fluorescent-lamp-intro.jpg



لا يوجد مكان لا يستخدم مصابيح الاضاءة الفلوريسنت المعروفة باسم ضوء النيون. فهي تستخدم في المنازل وفي المكاتب وفي تزيين المحلات التجارية والأعلانات التجارية. ماذا يحدث داخل انبوبة الفلوريسنت؟ وما هي فكرة عمله لاصدار الضوء الابيض الساطع؟ في هذه الاجزء سنحاول شرح فكرة عمل هذا النوع من المصابيح الذي يصدر ضوء أبيض ساطع وبكفاءة أعلى من المصابيح الكهربية العادية.



ما هو الضوء
لفهم فكرة عمل مصابيح الفلوريسنت سوف نعطي فكرة مبسطة عن الضوء اولاً. فما هو الضوء؟ الضوء هو عبارة شكل من اشكال الطاقة وهذه الطاقة هي التي تنطلق من الذرة. تنطلق الطاقة من الذرة على شكل جسيمات تسمى الفوتونات الضوئيو Light Photons وهي ابسط مكونات الضوء وليس لها كتلة ولكن لها طاقة وكمية حركة.

انبعاث الفوتونات الضوئية من الذرة
نعلم أن الذرة لها مستويات طاقة محددة تسمى مدارات تتوزع فيها الالكترونات بطريقة معينة. عندما تكتسب هذه الالكترونات طاقة فإنها تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى وعندها تصبح الذرة في حالة اثارة Excited atom، تزداد درجة اثارة الذرة كلما انتقلت الالكترونات إلى مدارات ذات طاقات اعلى وهكذا.


كيف يصدر الضوء
نستخلص من ذلك أن الذرة عندما تكتسب طاقة أو تفقدها فإن التغير يحدث على اتتقال للالكترونات على مدارات الطاقة للذرة. فالطاقة الحرارية أو التصادمات بين الذرات مع بعضها البعض تكسب الالكترةونات الطاقة الكافية لتنتقل إلى مدارات اعلى. إن وجود الذرة في حالة الاثارة تعتبر حالة غير مستقرة وما تلبث أن تعود الالكترونات المثارة من المدارات ذات الطاقة العالية إلى مداراتها الأصلية وهنا تطلق الالكترونات اثناء رجوعها كمية من الطاقة على شكل فوتون ضوئي




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore2.jpg



تختلف طاقة الفوتون المنبعث من ذرة إلى أخرى وذلك لان طاقة الفوتون تساوي الفرق بين طاقة المدرات التي ينتقل بينها الألكترون. وهذا يؤدي إلى أن ذرات مختلفة تطلق فوتونات مختلفة وهذا ينعكس على لون الضوء المنبعث لان هنالك علاقة تربط بين طاقة الفوتون وطوله الموجي وهي

hc/l = E2-E1

حيث ان h هو ثابت فيزيائي يدعى ثابت بلانك، و c هي سرعة الضوء في الفراغ، و l الطول الموجي للفوتون المنبعث، أما المقدار E2-E1 فهو فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل الالكترون بينهما.

كل مصادر الضوء تعمل بنفس الفكرة السابقة ولكن باختلاف طريقة اثارة الذرة فإحياناً تكون الطاقة حرارية مثل المصابيح العادية او مصابيح الغاز، او أن تكون الاثارة ناتجة عن التفاعلات الكيميائية مثل الاصابع المضيئة، او ان تكون الاثارة من خلال التصادمات بين الذرات كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي سنوضحها في الجزء القادم.


داخل انبوبة الفلوريسنت
العنصر الأساسي في انبوبة الفلوريسنت هي الانبوبة الزجاجية المفرغة من الهواء. هذه الانبوبة تحتوي على القليل من جزيئات الزئبق Hg وغاز خامل هو الأرجون Ar عند ضغط منخفض. كذلك تغطي سطح الانبوبة الداخلي طبقة من مادة فوسفورية. يوجد على طرفي الانبوبة الكترود للتوصيل الكهربي وفي داخل الأنبوبة يتصل الالكترود بفتيلة حرارية تطلق الالكترونات عندما تسخن بمرور التيار الكهربي بها.



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore1.jpg



ماذا يحدث عند تشغيل انبوبة الفلوريسنت
بمجرد توصيل التيار الكهربي الموصل على طرفي الالكترود تسخن الفتيلتين على طرفي الأنبوبة وتنطلق الالكترونات منها. هذه الالكترونات تتعجل (تتزايد سرعنها) تحت تأثير فرق الجهد الكهربي المطبق على طرفي الانبوبة والذي يبلغ 240 فولت. تتصادم هذه الالكترونات المعجلة بذرات غاز الارجون فتعمل على تأيينها (تنتزع منها بعض الالكترونات وتترك ذرة الارجون على شكل أيون موجب)، تحت تأثير فرق الجهد الكهربي المطبق على طرفي الالكترود فإن الالكترونات السالبة تتسارع في اتجاه الجهد العالي (الموجب) بينما الأيونات الموجبة تتسارع في اتجاه الجهد المنخفض (السالب). وهذا يشكل دائرة كهربية يمر فيها التيار خلال غاز الأرجون المتأين. (تم تجاهل دور المشغل الابتدائي starter وسيأتي شرح دوره في الجزء القادم). عندما تصطدم الالكترونات والايونات المعجلة بغاز الزئبق داخل الأنبوبة الزجاجية المفرغة تثار ذرات الزئبق حيث تنتقل الكترونات ذرة الزئبق إلى مدارات ذات طاقة اعلى. ولكن هذه الالكترونات المثارة ما تلبث إلا وتعود لمداراتها الاصلية مطلقة بذلك الفوتونات الضوئية.

هذه الفوتونات الضوئية الناتجة عن ذرات الزئبق المثارة تكون في مدى الطيف فوق البنفسجية وذلك لخاصية في مدارات ذرة الزئبق وهذا الفوتونات لا تصلح للاضاءة ولهذا يجب تحويلها إلى مدى الطيف المرئي.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore3.jpg
قبل مرور التيار الكهربي


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore4.jpg
بعد مرور التيار الكهربي
الالكترونات والايونات تتصادم مع غاز الزئبق وتسبب في اثارته


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore5.jpg
اصطدام الفونتونات المنبعثة من ذرات الزئبق المثارة بالغطاء الفسفوري لتطلق بدورها الضوء الأبيض



وهنا يأتي دور الغطاء الفسفورى المحيط بالجزء الداخلي للنبوبة الزجاجية حيث يمتص هذه الفوتونات ذات الأطوال الموجية في المدى فوق البنفسجي وتثار المادة الفسفورية ولكن عندما تعود فإن جزء من طاقة الفوتونات المنبعثة من ذرات الفسفور المثار يبد على شكل طاقة حرارية (ومن هنا نستنتج سبب الارتفاع الطيف في درجة حرارة الانبوبة الفلوريسنت) والجزء الباقي ينطلق على شكل فوتون ضوئي ذو طاقة اقل بحيث يصبح طوله الموجي في مدى الطيف المرئي. مما يعطي الضوء الأبيض والذي هو خليط لما يعرف بالوان الطيف السبعة.

ظاهرة امتصاص الطيف فوق البنفسجي وانبعاث الطيف المرئي بواسطة المواد الفسفورية يسمي بالفلوريسنت ومن هنا اطلقت على هذه المصابيح بأنابيب الفلوريسنت


ما هو دور المشغل أو ما يعرف بالستارتر
من المعروف أنه من الصعب الحصول على الضوء مباشرة من مصباح الفلوريسنت إذا كاان الستارتر Starter معطل وفي اغلب الاحيان يتم استبداله بآخر جديد ليعود المصباح للعمل من جديد.. فما هو الدور الذي يلعبة هذا العنصر في الدائرة الكهربية (موضح في الشكل التالي بالدائرة الحمراء المنقطة).



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore7.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore6.jpg



فكرة عمل ضوء الفلوريسنت (النيون)


لا يوجد مكان لا يستخدم مصابيح الاضاءة الفلوريسنت المعروفة باسم ضوء النيون. فهي تستخدم في المنازل وفي المكاتب وفي تزيين المحلات التجارية والأعلانات التجارية. ماذا يحدث داخل انبوبة الفلوريسنت؟ وما هي فكرة عمله لاصدار الضوء الابيض الساطع؟ في هذه الاجزء سنحاول شرح فكرة عمل هذا النوع من المصابيح الذي يصدر ضوء أبيض ساطع وبكفاءة أعلى من المصابيح الكهربية العادية.


ما هو الضوء
لفهم فكرة عمل مصابيح الفلوريسنت سوف نعطي فكرة مبسطة عن الضوء اولاً. فما هو الضوء؟ الضوء هو عبارة شكل من اشكال الطاقة وهذه الطاقة هي التي تنطلق من الذرة. تنطلق الطاقة من الذرة على شكل جسيمات تسمى الفوتونات الضوئيو Light Photons وهي ابسط مكونات الضوء وليس لها كتلة ولكن لها طاقة وكمية حركة.


انبعاث الفوتونات الضوئية من الذرة
نعلم أن الذرة لها مستويات طاقة محددة تسمى مدارات تتوزع فيها الالكترونات بطريقة معينة. عندما تكتسب هذه الالكترونات طاقة فإنها تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى وعندها تصبح الذرة في حالة اثارة Excited atom، تزداد درجة اثارة الذرة كلما انتقلت الالكترونات إلى مدارات ذات طاقات اعلى وهكذا.


كيف يصدر الضوء
نستخلص من ذلك أن الذرة عندما تكتسب طاقة أو تفقدها فإن التغير يحدث على اتتقال للالكترونات على مدارات الطاقة للذرة. فالطاقة الحرارية أو التصادمات بين الذرات مع بعضها البعض تكسب الالكترةونات الطاقة الكافية لتنتقل إلى مدارات اعلى. إن وجود الذرة في حالة الاثارة تعتبر حالة غير مستقرة وما تلبث أن تعود الالكترونات المثارة من المدارات ذات الطاقة العالية إلى مداراتها الأصلية وهنا تطلق الالكترونات اثناء رجوعها كمية من الطاقة على شكل فوتون ضوئي.


تختلف طاقة الفوتون المنبعث من ذرة إلى أخرى وذلك لان طاقة الفوتون تساوي الفرق بين طاقة المدرات التي ينتقل بينها الألكترون. وهذا يؤدي إلى أن ذرات مختلفة تطلق فوتونات مختلفة وهذا ينعكس على لون الضوء المنبعث لان هنالك علاقة تربط بين طاقة الفوتون وطوله الموجي وهي

hc/l = E2-E1

حيث ان h هو ثابت فيزيائي يدعى ثابت بلانك، و c هي سرعة الضوء في الفراغ، و l الطول الموجي للفوتون المنبعث، أما المقدار E2-E1 فهو فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل الالكترون بينهما.

كل مصادر الضوء تعمل بنفس الفكرة السابقة ولكن باختلاف طريقة اثارة الذرة فإحياناً تكون الطاقة حرارية مثل المصابيح العادية او مصابيح الغاز، او أن تكون الاثارة ناتجة عن التفاعلات الكيميائية مثل الاصابع المضيئة، او ان تكون الاثارة من خلال التصادمات بين الذرات كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي سنوضحها في الجزء القادم.



داخل انبوبة الفلوريسنت
العنصر الأساسي في انبوبة الفلوريسنت هي الانبوبة الزجاجية المفرغة من الهواء. هذه الانبوبة تحتوي على القليل من جزيئات الزئبق Hg وغاز خامل هو الأرجون Ar عند ضغط منخفض. كذلك تغطي سطح الانبوبة الداخلي طبقة من مادة فوسفورية. يوجد على طرفي الانبوبة الكترود للتوصيل الكهربي وفي داخل الأنبوبة يتصل الالكترود بفتيلة حرارية تطلق الالكترونات عندما تسخن بمرور التيار الكهربي بها.


ماذا يحدث عند تشغيل انبوبة الفلوريسنت
بمجرد توصيل التيار الكهربي الموصل على طرفي الالكترود تسخن الفتيلتين على طرفي الأنبوبة وتنطلق الالكترونات منها. هذه الالكترونات تتعجل (تتزايد سرعنها) تحت تأثير فرق الجهد الكهربي المطبق على طرفي الانبوبة والذي يبلغ 240 فولت. تتصادم هذه الالكترونات المعجلة بذرات غاز الارجون فتعمل على تأيينها (تنتزع منها بعض الالكترونات وتترك ذرة الارجون على شكل أيون موجب)، تحت تأثير فرق الجهد الكهربي المطبق على طرفي الالكترود فإن الالكترونات السالبة تتسارع في اتجاه الجهد العالي (الموجب) بينما الأيونات الموجبة تتسارع في اتجاه الجهد المنخفض (السالب). وهذا يشكل دائرة كهربية يمر فيها التيار خلال غاز الأرجون المتأين. (تم تجاهل دور المشغل الابتدائي starter وسيأتي شرح دوره في الجزء القادم). عندما تصطدم الالكترونات والايونات المعجلة بغاز الزئبق داخل الأنبوبة الزجاجية المفرغة تثار ذرات الزئبق حيث تنتقل الكترونات ذرة الزئبق إلى مدارات ذات طاقة اعلى. ولكن هذه الالكترونات المثارة ما تلبث إلا وتعود لمداراتها الاصلية مطلقة بذلك الفوتونات الضوئية.

هذه الفوتونات الضوئية الناتجة عن ذرات الزئبق المثارة تكون في مدى الطيف فوق البنفسجية وذلك لخاصية في مدارات ذرة الزئبق وهذا الفوتونات لا تصلح للاضاءة ولهذا يجب تحويلها إلى مدى الطيف المرئي.

قبل مرور التيار الكهربي

بعد مرور التيار الكهربي
الالكترونات والايونات تتصادم مع غاز الزئبق وتسبب في اثارته

اصطدام الفونتونات المنبعثة من ذرات الزئبق المثارة بالغطاء الفسفوري لتطلق بدورها الضوء الأبيض


وهنا يأتي دور الغطاء الفسفورى المحيط بالجزء الداخلي للنبوبة الزجاجية حيث يمتص هذه الفوتونات ذات الأطوال الموجية في المدى فوق البنفسجي وتثار المادة الفسفورية ولكن عندما تعود فإن جزء من طاقة الفوتونات المنبعثة من ذرات الفسفور المثار يبد على شكل طاقة حرارية (ومن هنا نستنتج سبب الارتفاع الطيف في درجة حرارة الانبوبة الفلوريسنت) والجزء الباقي ينطلق على شكل فوتون ضوئي ذو طاقة اقل بحيث يصبح طوله الموجي في مدى الطيف المرئي. مما يعطي الضوء الأبيض والذي هو خليط لما يعرف بالوان الطيف السبعة.

ظاهرة امتصاص الطيف فوق البنفسجي وانبعاث الطيف المرئي بواسطة المواد الفسفورية يسمي بالفلوريسنت ومن هنا اطلقت على هذه المصابيح بأنابيب الفلوريسنت



ما هو دور المشغل أو ما يعرف بالستارتر
من المعروف أنه من الصعب الحصول على الضوء مباشرة من مصباح الفلوريسنت إذا كاان الستارتر Starter معطل وفي اغلب الاحيان يتم استبداله بآخر جديد ليعود المصباح للعمل من جديد.. فما هو الدور الذي يلعبة هذا العنصر في الدائرة الكهربية (موضح في الشكل التالي بالدائرة الحمراء المنقطة).




من المعروف أن غاز الأرجون داخل الانبوبة لا يوصل التيار الكهربي إلا إذا اصبح متأين. ولحين تأينه يمرر التيار الكهربي في دائرة جانبية bypass circuit موضحة بالسلك الأزرق السماوي في الشكل أعلاه. ويستمر التيار يمر في الستارتر لفترة وجيزة وهي الفترة اللازمة لكي تسخن الفتيلتين على طرفي الأنبوبة وتنطلق الالكترونات منها لتأين غاز الأرجون وعندها يتوقف الستارتر عن العمل (يمكنك فكه بعد اضاءة ضوء المصباح وستجد أن المصباح لا زال يعمل). ماذا يحدث داخل الستارتر؟؟

ماذا يحدث داخل الستارتر؟؟
الستارتر هو عبارة عن مصباح ضوئي صغير مثل فلاش الكاميرا يحتوي على طرفين من سلكين موصلين للتيار الكهربي كما في الشكل (1) ادناه. عند بدء تشغيل مصباح الفلوريسنت يبدأ التيار الكهربي في المرور من خلال الستارتر لان الغاز داخل الانبوبة لازل عازلا للتيار الكهربي. يحدث بين طرفي سلك الستارتر تفريغ كهربي ينتج عنه بريق ضوئي يعمل على تسخين السلكين. احد هذين السلكين يتمدد في اتجاه الطرف الاخر فيتلامسان ويمر التيار الكهربي من خلالهما.

يستمر مرور التيار في الستارتر إلى أن يتأين غاز الأرجون كما ذكرنا سابقاً ويجد التيار الكهربي مقاومة أقل في غاز الارجون المتأين. عندها يتوقف مرور التيار في الستارتر ومن ثم يبرد الستارتر وينكمش السلك ليبتعد عن السلك الآخر. وينتهي دوره إلى أن يعاد تشغيل المصباح في المرة القادمة....



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore7.gif
التيار الابتدائي يعمل على توليد بريق ضوئي بين طرفي السلكين للستارتر


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore8.gif
الحرارة الناتجة عن الضوء تسخن السلك فيتمدد ليلامس الطرف المقابل للسلك.


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/Fluore9.gif
عند توقف التيار في الستارتر يبرد ويعود الطرف المتمدد إلى وضعه الطبيعي.


لا يدخل غاز النيون في فكرة عمل مصباح الفلوريسنت ولكن اشتهر اسم هذا المنوع من المصابيح بضوء النيون !!!!

أحمد سعد الدين
7th March 2006, 07:24 PM
فكرة عمل البلوتوث Bluetooth



الاتصال بين الاجهزة المختلفة بدون اسلاك



http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/howitworks03202002.jpg


http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/91147-181.jpg



تكنولوجيا الاتصال (بلوتوث) اللاسلكية هي مواصفات عالمية لربط كافة الاجهزة المحمولة مع بعضها البعض مثل الكمبيوتر والهاتف النقال والكمبيوتر الجيبي والاجهزة السمعية والكاميرات الرقمية. بحيث تتمكن هذه الاجهزة من تبادل البيانات ونقل الملفات بينها وبنها وبين شبكة الانترنت لاسلكياً. تم تطوير تكنولوجيا الاتصال اللاسلكي البلوتوث بواسطة مجموعة من المهتمين يطلق عليهم اسم Blutooth Special Interest Group GIS




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/91147-143.jpg



هناك الكثير من الطرق التي من خلالها يمكن ربط الاجهزة الالكترونية مع بعضها البعض مثل توصيل الكمبيوتر بلوحة المفاتيح او بالماوس أو بالطابعة أو بالماسحة الضوئية وذلك من خلال اسلاك التوصيل المؤلوفة. كما يمكن توصيل المفكرة الشخصية الالكترونية بجهاز الحاسوب لتبادل المعلومات من خلال اسلاك خاصة. كما ان جهاز التلفزيون وجهاز الفيديو وجهاز استقبال المحطات الفضائية كلها تتصل مع بعضها من خلال كوابل خاصة ويتم التحكم بها من خلال اجهزة الرموت كنترول التي تعمل في مدى الاشعة تحت الحمراء. اما جهاز التلفون المتنقل يتصل بالقاعدته من خلال امواج الراديو تعمل على مسافة محدودة (50 متر). وجهاز الستيريو يتصل بالسماعات من خلال اسلاك توصيل.

الاجهزة السابقة الذكر وغيرها الكثير تتواجد في كل بيت ويطلق عليها اجهزة الكترونية. وحتى هذا اليوم تترابط هذه الاجهزة من خلال اسلاك توصيل. إن توصيل هذه الاجهزة في اغلب الاحيان مزعج من الناحية الجمالية ومربك من الناحية العملية. وقد يشعر المرء أنه عليه دراسة تخصص الهندسة الالكترونية ليتمكن بنسه من ضبط هذه الاجهزة والاستفادة القصوى منها.

في هذا الموضوع من تفسيرات فيزيائية سوف نقدم شرح مبسط لتكنولوجيا جديدة تعرف باسم البلوتوث التي ستخلصنا من كل هذه المتاعب بالاضافة إلى توصيل اجهزة عديدة مع بعضها البعض لم تكن تخطر على بالنا ان ذلك سيصبح ممكنا في يوم من الايام.



توضيح مشكلة التوصيل بين الاجهزة
ان توصيل جهازين الكترونين مع بعضهما البعض يحتاج إلى توافق في العديد من النقاط، من هذه النقاط نذكر
(1) كم عدد الاسلاك اللازمة لتوصيل جهازين؟ ففي بعض الاحيان يكون سلكين فقط مثل توصيل الستيريو بالسماعات وفي احيان اخرى يتطلب الامر 8 اسلاك أو 25 سلك كالوصلات المستخدمة في الكمبيوتر واجهزته الطرفية.
(2) ما نوع التوصيل المستخدم بين الأجهزة لتبادل المعلومات؟ هل هو على التوالي أم على التوازي؟ فمثلا الكمبيوتر يستخدم الطريقتين للتوصيل من خلال المخارج المثبتة في لوحة الأم فتصل الطابعة مع الكمبيوتر على التوازي أما لوحة المفاتيح والمودم فيتصلا مع الكمبيوتر على التوالي.
(3) ما نوع البيانات المتبادلة بين الأجهزة؟ وكيف تترجم إلى اشارات خاصة تستجيب لها الاجهزة؟ هذا ما يعرف باسم البروتوكول Protocol. وهذا البروتوكولات يتم استخدامها من قبل جميع الشركات المصنعة فمثلاً يمكن توصيل جهاز فيديو من نوع Sony مع جهاز تلفزيون من نوع JVC. وذلك لان البروتوكولات المستخدمة لتبادل المعلومات موحدة مسبقاً.

هذه النقاط التي استخدمها المنتجون (الشركات المصنعة للاجهزة الالكترونية) جعلت من الصعب التحكم في كمية الوصلات المستخدمة حتى ولو تم استخدام اسلاك ملونة للتميز بينها كما أنه لا يمكن ربط كافة الاجهزة الالكترونية مع بعضها البعض مثل الكمبيوتر وملحقاته واجهزة الاتصالات واجهزة الترفيه المنزلية بعضها البعض لان ذلك يتطلب اعداد بروتوكولات جديدة واضافة المزيد من الاسلاك.




http://www.hazemsakeek.com/QandA/qaimages/91147-136.jpg



فكرة التوصيل اللاسلكي (البلوتوث Bluetooth)
البلوتوث هي تكنولوجيا جديدة متطورة تمكن من توصيل الاجهزة الالكترونية مثل الكمبيوتر والتلفون المحمول ولوحة المفاتيح وسماعات الرأس من تبادل البيانات والمعلومات من غير اسلاك أو كوابل أو تدخل من المستخدم.

وقد انضمت أكثر من 1000 شركة عالمية لمجموعة الاهتمام الخاص بالبلوتوث Bluetooth Special Interest Group وهي ما تعرف اختصارا بـ SIG وذلك لتحل هذه التكنولوجيا محل التوصيل بالاسلاك



ما الفرق بين البلوتوث والاتصال اللاسلكي
لاشك أن الاتصال اللاسلكي مستخدم في العديد من التطبيقات مثل التوصيل من خلال استخدام اشعة الضوء في المدى الاشعة تحت الحمراء وهي اشعة ضوئية لا ترى بالعين وتعرف باسم تحت الحمراء لان لها تردد اصغر من تردد الضوء الأحمر (ارجع إلى الاشعة الكهرومغناطيسة للمزيد من المعلومات).
تستخدم الاشعة تحت الحمراء في اجهزة التحكم في التلفزيون (الرموت كنترول) وتعرف باسم Infrared Data Association وتختصر بـ IrDA كما انها تستخدم في العديد من الاجهزة الطرفية للكمبيوتر. بالرغم من ان الاجهزة المعتمدة على الاشعة تحت الحمراء إلا أن لها مشكلتين هما:
المشكلة الأولى: أن التكنولوجيا المستخدمة فيها الاشعة تحت الحمراء تعمل في مدى الرؤية فقط line of sight أي يجب توجيه الرموت كنترول إلى التلفزيون مباشرة للتحكم به.
المشكلة الثانية: أن التكنولوجيا المستخدمة فيها الاشعة تحت الحمراء هي تكنولوجيا واحد إلى واحد one to one أي يمكن تبادل المعلومات بين جهازين فقط فمثلا يمكن تبادل المعلومات بين الكمبيوتر وجهاز الكمبيوتر المحمول بواسطة الاشعة تحت الحمراء أما تبادل المعلومات بين الكمبيوتر وجهاز الهاتف المحمول فلا يمكن.

تكنولوجيا البلوتوث جاءت للتغلب على المشكلتين سابقتي الذكر حيث قامت شركات عديدة مثل Siemens و Intel و Toshiba, Motorola و Ericsson بتطوير مواصفات خاصة مثبته في لوحة صغيرة radio module تثبت في اجهزة الكمبيوتر والتلفونات واجهزة التسلية الالكترونية لتصبح هذه الاجهزة تدعم تكنولوجيا البلوتوث والتي سيصبح الاستفادة من ميزاتها على النحو التالي:

اجهزة بدون اسلاك: وهذا يجعل نقل الاجهزة وترتيبها في السفر او في البيت سهلا وبدون متاعب.

غير مكلفة بالمقارنة بالاجهزة الحالية.

سهلة التشغيل: تستطيع الاجهزة من التواصل ببعضها البعض بدون تدخل المستخدم وكل ما عليك هو الضغط على زر التشغيل واترك الباقي للبلوتوث ليتحوار مع الجهاز المعني بالامر من خلال الموديول مثل تبادل الملفات بكافة انواعها بين الاجهزة الالكترونية.


تعمل وسيلة اتصال البلوتوث عند تردد 2.45 جيجاهيرتز وهذا التردد يتفق مع الاجهزة الطبية والاجهزة العلمية والصناعية مما يجعل انتشار استخدامه سهل. فمثلا يمكن فتح باب الكارج من خلال اشعة تحت الحمراء يصدرها جهاز خاص لذلك ولكن باستخدام البلوتوث يمكن فتح الكراج باستخدام جهاز الهاتف النقال.



ماذا عن التشويش الذي قد يحدث نتيجة للتداخلات بين الاشارات المتبادلة
من المحتمل أن يتسائل القارئ إذا كانت الاجهزة سوف تبادل المعلومات والبيانات باشارات راديو تعمل عند تردد 2.45 جيجاهيرتز. فماذا عن التداخلات التي قد تسبب في التشويش الذي قد نلاحظه على شاشة التلفزيون عندما تتداخل مع اشارات لاسلكية!!
مشكلة التداخل تم حلها بطريقة ذكية حيث أن اشارة البلوتوث ضعيفة وتبلغ 1 ميليوات إذا ما قورنت باشارات اجهاز الهاتف النقال التي تصل إلى 3 وات. هذا الضعف في الإشارة يجعل مدى تأثير اشارات البلوتوث في حدود دائرة قطرها 10 متر ويمكن لهذه الاشارات من اختراق جدراان الغرف مما يجعل التحكم في الأجهزة يتم من غرفة لاخرى دون الحاجة للانتقال مباشرة للأجهزة المراد تشغيلها.


عند تواجد العديد من الاجهزة الالكترونية في الغرفة يمكن أن يحدث تداخل لاننا ذكرنا أن مدى تأثير البلوتوث في حدود 10 متر وهو اكبر من مساحة الغرفة ولكن هذا الاحتمال غير وارد لان هناك مسح متواصل لمدى ترددات اشارة البلوتوث، وهذا مايعرف باسم spread-spectrum frequency hopping حيث أن المدى المخصص لترددات البلوتوث هي بين 2.40 إلى 2.48 جيجاهيرتز ويتم هذا المسح بمعدل 1600 مرة في الثانية الواحدة. وهذا ما يجعل الجهاز المرسل يستخدم تردد معين مثل 2.41 جيجاهيرتز لتبادل المعلومات مع جهاز أخر في حين أن جهازين في نفس الغرفة يستخدموا تردد آخر مثل 2.44 جيجاهيرتز ويتم اختيار هذه الترددات تلقائيا وبطريقة عشوائية مما يمنع حدوث تداخلات بين الاجهزة، لانه لا يوجد اكثر من جهازين يستخدما نفس التردد في نفس الوقت. وان حدث ذلك فإنه يكون لجزء من الثانية.



بيتك يدعم (البلوتوث Bluetooth)
لنفترض انك حصلت على بيت عصري اجهزته تعمل بتكنولوجيا البلوتوث مثل جهاز تلفزيون ورسيفر وجهاز DVD واجهزة ستيريو سمعية وكمبيوتر وهاتف نقال. كل جهاز مما سبق يستخدم البلوتوث. كيف ستعمل هذه الاجهزة؟

عندما تكون الاجهزة مزودة بتكنولوجيا البلوتوث فإن هذه الاجهزة تتمكن من معرفة المطلوب منها دون تدخل من المستخدم حيث يمكنها الاتصال فيما بينها فتعرف فيما اذا كان مطلوب منها نقل بيانات مثل بيانات البريد الالكتروني من جهاز الهاتف المحمول إلى الكمبيوتر أو التحكم بأجهزة أخرى مثل تحكم جهاز الستيريو بالسماعات. حيث تنشئ شبكة تواصل صغيرة بين الأجهزة وتوابعها تعرف باسم الشبكة الشخصية personal-area network وتختصر PAN أو باسم البيكونت piconet تستخدم كل شبكة احد الترددات المتوفرة في المدى من إلى 2.48 جيجاهيرتز.


لنأخذ على سبيل المثال جهاز الهاتف النقال وقاعدته فالشركة المصنعة قد وضعت شريحتي بلوتوث في كل منهما، وتم برمجة كل وحدة بعنوان address محدد يقع في المدى المخصص لهذا النوع من الاجهزة. فعند تشغيل القاعدة فإنها ترسل اشارة راديو لاجهزة الاستقبال التي تحمل نفس العنوان وحيث أن الهاتف النقال يحمل نفس العنوان المطلوب فإنه يستجيب للاشارة المرسلة ويتم انشاء شبكة (بيكونت) بينهما. وعندها لا يستجيب هذين الجهازين لأية اشارات من أجهزة مجاورة لانها تعتبر من خارج تلك الشبكة.

كذلك الحال مع الكمبيوتر واجهزة الترفيه الالكترونية تعمل بنفس الالية حيث تنشئ شبكات تربط الاجهزة بعضها ببعض طبقا للعناوين التي صممت من قبل الشركات المصنعة. وعندها تتواصل هذه الاجهزة التي تصبح ضمن الشبكة الخاصة وتتبادل المعلومات بينها باستخدام الترددات المتاحة. ولا تتدخل اجهزة شبكة بأجهزة شبكة مجاورة لان كل منها يعمل بتردد مختلف.

وقد تمت برمجة هذه شرائح البلوتوث بكل المعلومات اللازمة لتشغيلها وعمل المطلوب منها دون تدخل من المستخدم.



لماذا سميت هذه التكنولوجيا باسم بلوتوث؟

تعود التسمية إلى ملك الدينمارك هارولد بلوتوث Harald Bluetooth الذي وحد الدنمارك والنورويج وادخلهم في الديانة المسيحية توفى في 986 في معركة مع ابنه. واختير هذا الاسم لهذه التكنولوجيا للدلالة على مدى اهمية شركات في الدينمارك والنورويج والسويد وفنلند إلى صناعة الاتصالات، بالرغم من أن التسمية لا علاقة لها بمضمون التكنولوجيا...

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:21 AM
تواريخ مهمة في حياة الفيزياء



الحدث الفيزيائي التاريخ

قدم أرسطو نظريات في مجالات عديدة من الفيزياء
القرن الرابع قبل الميلاد

اكتشف أرخميدس قانون العتلة وقوانين تتعلق بسلوك السوائل
القرن الثالث قبل الميلاد

تصور بطليموس أن الارض ساكنة تدور حولها النجوم والكواكب والشمس والقمر
القرن الثاني قبل الميلاد

اخترع البيروني أول جهاز لقياس كثافة المواد
1017

وضع العالم العربي ابن الهيثم أساس علم البصريات في عدة كتب فيزيائية مهمة مثل كتاب المناظر الذي درس فيه الضوء وانكساراته وطبيعة الإبصار وتشريح العين
1020

أجرى الخازن أولى التجارب لإيجاد العلاقة بين وزن الهواء وكثافته
1135

أجرى روجر بيكون دراسات في البصريات
1270

نشر نيكولاس كوبرنكوس نظريته بأن الارض والكواكب تتحرك في مدارات دائرية حول الشمس
1543

اكتشف جاليلو قوانين مهمة في حقول فيزيائية كثيرة بصفة خاصة في الميكانيكا
1600

نشر نيوتن قوانينه للحركة
1687

نشر كريستيان هايجنز نظرية موجيّة الضوء
1690

ذكر بنيامين طومسون وكاونت رمفورد أن حركة الجسيمات خلال مادة تنتج حرارة
1798

أحيا توماس يونج النظرية الموجية للضوء
1801 - 1803

أعلن جون دالتون لأول مرة نظريته الذرية عن تركيب المادة
1803

أنتج مايكل فارادي وجوزيف هنري كل على حدة الكهرباء من المغناطيس
1930

اكتشف جيمس جول أن الحرارة والطاقة يمكن أن يتحول كل منهما للآخر بمعدل ثابت
1847

نشر جيمس كلارك ماكسويل نظريته الكهرومغناطيسية للضوء
1864

أثببت تجربة ماكلسون ومورلي عدم وجود الأثير
1887

اكتشف ويلهلم رونتجن الاشعة السينية
1895

اكتشف أنطوان هنري بكويريل الاشعاع الطبيعي
1896

استخلصت ماري كوري وزوجها بيير عنصر الراديوم المشع
1898

نشر ماكس بلانك نظريته الكمية
1900

نشر أينشتاين نظريته النسبية الخاصة
1905

اقترح إرنست رذرفورد ونيلز بور نماذج على شكل نظام كوكبي للذرة
1911 - 1913

أعلن أينشتاين نظريته النسبية العامة
1915

قدم لوي دي روغلي النظرية الموجية للإلكترون
1924

طوّر كل من إيرفين شرودينجر وهيسينبرج كل على حدة نظاماً لتنسيق الفيزياء الكمية
1925 - 1926

تنبأ بول ديراك بوجود البوزيترون وه إلكترون موجب الشحنة
1930

أنشأ السيرجون كو كروفت وأرنست والتن أول معجل جسيمات
1932

تمكن أوتوهان وفرتز ستراسمان من شطر ذرة اليورانيوم
1938

حقق إنريكو فيرمي وزملاؤه أول تفاعل نووي متحكم
1942

اخترع جون باردين ووالتر براتين وويليام شو الترانزستور
1947

صنع ثيودور ميمان أول ليزر
1960

اقترح موري جل - مان وجورج زفايج وجود جسيمات الكوارك جسيمات أساسية
1964

اكتشف بيرتون ريختر وصمويل سي سي تنج نوع من الجسيمات تحت الذرية سمّي بجسيم ابساي أو جسيم جي
1974

اكتشف باحثون تحت قيادة كارلو روبيا ثلاثة جسيمات تحت الذرية هي +ًW و -W و Z
1983

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:22 AM
جوائز نوبل للفيزياء الممنوحة من الأكاديمية السويدية الملكية للعلوم




( 1901 - 1999 )



الإسم
السنة

Wilhelm Konrad Rontgen
1901

Hendrik Antoon Lorentz
Pieter Zeeman
1902

Antoine Henri Bequerel
Pierre Curie
Marie Sklodowska-Curie
1903

Lord Rayleigh
(a.k.a. John William Strutt )
1904

Pilipp Eduard Anton Von Lenard
1905

J.J.Thomson
1906

A.A.Michelson
1907

G.Lippman
1908

G.Marconl
1909

J.Dvan Der Waals
1910

W.Wien
1911

G.Daien
1912

H.Kamerling . Onnes
1913

M.Von Laue
1914

W.H.Bragg
W.L.Bragg
1915

no award
1916

C.G.Barkia
1917

M.Planck
1918

J.Stark
1919

CH.E.Gulllaume
1920

A.Einstein
1921

N.Bohr
1922

R.A.Millikan
1923

M.Siegbahn
1924

J.Frank
1925

J.Perrin
1926

A.H.Compton
C.T.R.Wilson
1927

O.W.Richardson
1928

L.Vde Broglie
1929

Venkata Raman
1930

no award
1931

Wenrner Heisenberg
1932

Erwin Schrodinger
Paul Adrien Maurice Dirac
1933

no award
1934

James Chadwick
1935

Victor Franz Hess
Carl . D . Anderson
1936

Clinton Joseph Davisson
George Paget Thomson
1937

Enrico Fermi
1938

Ernest Orlando Lawrence
1939

no award
1940

no award
1941

no award
1942

Otto Stern
1943

Isador Isaac Rabi
1944

Wolfgang Pauli
1945

Percy Williams Bridgman
1946

Sir Edward Victor Appleton
1947

Patrick Maynard Stuart Blackett
1948

Hideki Yukawa
1949

Cecil Frank Powell
1950

Sir John Douglas Cockroft
Ernest Thomas Sinton Walton
1951

Felix Bloch
Edward Mills Purcell
1952

Frits Zernilke
1953

Max Born
Walther Bothe
1954

Willis Eugene Lamb
Polykarp Kusch
1955

William Shockley
John Bardeen
1956

Chen Ning Yang
Tsung Dao Lee
1957

Pavel Aleksejevic cerenkov
Il'ja Mickajlovic frank
Igor' evgen'evic Tamm
1958

Emilio Gino Segre
Owen Chamberlain
1959

Donald Arthur Glaser
1960

Robert Hofstadter
Rudolf Ludwig Mossbauer
1961

Lev Davidovic Landau
1962

Eugene P. Wigner
Maria Goeppert Mayer
J. Hans D. Jensen
1963

Charles H. Townes
Nikolai G. Basov
Alexander M. Prochorov
1964

Sin-Itiro Tomonaga
Julian Schwinger
Richard P. Feynman
1965

Alfred Kastler
1966

Hans Albrecht Bethe
1967

Luis W. Alvarez
1968

Murray Gell-Mann
1969

Hannes Alfv'en
Louis N'eel
1970

Dennis Gabor
1971

John Bardeen
Leon N. cooper
J. Robert Schrieffer
1972

Leo Esaki
Ivar Giaever
1973

Brian D. Josephson
Antony Hewish
Sir Martin Ryle
1974

Aage Bohr
Ben mttelson
James Rainwater
1975

Burton Richter
Samual Chao Chung Ting
1976

Philip Warren Anderson
Nevill Francis Mott
John Hasbrouck Van Vleck
1977

Pyotr Kapitsa
Arno A. Penzias
Robert W. Wilson
1978

Sheldon Glashow
Steven Weinberg
Abdus Salam
1979

James Cronin
Val Fitch
1980

Kai M. Seigbahn
Nicolaas Bloembergen
Arthur L. Schawlow
1981

Kenneth G. Wilson
1982

Subrahmanyan Chandrasekhar
William A. Fowler
1983

Carlo Rubbia
Simon Van der Meer
1984

Klaus Von Klitzing
1985

Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
Ernst August
1986

Georg Bednorz
Alex Kuller
1987

Leon Max Lederman
Melvin Schwartz
Jack Steinberger
1988

Hans Georg Dehmelt
Wolfgang Paul
Norman F. Ramsey
1989

Jerome Isaac Friedman
Henry Way Kendall
Richard Edward Taylor
1990

Pierre-Glles de Gennes
1991

Georges Charpak
1992

Russell A. Hulse
1993

Bertram N. Brockhouse
Clifford G. Shull
1994

Martin L. Perl
Frederick Reines
1995

David M. Lee
Douglas D. Osheroff
Robert C. Richardson
1996

Steven Chu
Claude Cohen-Tannoudji
William D. Phillips
1997

Robert B. Laughlin
Horst L. Stormer
Daniel C. Tsui
1998

Gerardus Hooft
Martinus J.G. Veltman
1999

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:24 AM
العلوم الفيزيائية




ميكانيكا كلاسيكية



يعتبر علم الميكانيك من أول العلوم الفيزيائية فقد عرف منذ القديم لكن الإنطلاقة الحقيقية له كانت في القرن السادس عشر مع أعمال كوبرنيكوس(1543-1473م) وكبلر(1630-1571م) حول حركة الكواكب حول الشمس . بعدهما جاء عهد العالم الإنجليزي إسحق نيوتن(1727-1643م)الذي أحدث ثورة في هذا العلم.

ينقسم علم الميكانيك الى علم الحركيات وعلم التحريك :

-1- الحركيات : تهتم بدراسة خواص حركة الأجسام دون النظر لمسببات الحركة .

-2- التحريك : يدرس الحركة من حيث مسبباتها أي القوى المؤثرة على الجسم


في الفيزياءِ، تعتبر الميكانيكا الكلاسيكية إحدى حقولِ الرئيسيةِ للدراسةِ في عِلْمِ الميكانيكا، التي تهتم بحركاتِ الأجسامِ، والقوى التي تَجحركهم. أما الحقل الآخر فهو ميكانيك الكمُ.

طُوّرتْ الميكانيكا الكلاسيكية تقريباً في السَنَواتِ الـ400 منذ الأعمالِ الرائدةِ ل : براه، كيبلر ، وغاليلي ، بينما ميكانيك الكم طوّرَ ضمن السَنَوات الـ100الأخيرة، بَدْء بالإكتشافاتِ الحاسمةِ بنفس الطريقة مِن قِبل بلانك، آينشتاين، وبور.

تعبير "كلاسيكيةِ" قَدْ تَكُون مشوّشا جداً، حيث أنَّ هذا التعبيرِ يُشيرُ إلى ِ العصر القديمِ الكلاسيكيِ عادة في التاريخِ الأوروبيِ.

على أية حال، ظهور الميكانيكا الكلاسيكيةِ كَانَ مرحلة حاسمة في تطويرِ العِلْمِ، وفق المعنى الحديث للكلمة. ما يميز هذا الفرع ، قبل كل شيء، إصرارُه على الرياضياتِ (بدلاً مِنْ التخمينِ)، وإعتماده على التجربةِ (بدلاً مِنْ الملاحظةِ). في الميكانيكا الكلاسيكيةِ التي أُسّستْ كَيفية صياغة تنبؤاتَ كمّيةَ نظرياً، وكَيفية اختبار هذه الصياغات الرياضية بأدوات قياس مصممة بعناية. زوّدَ الظُهُور عالمياً مسعى تعاونيةِ على نحو متزايد للفحصِ والإختبار الأقربِ الكثيرِ، كلتا مِنْ النظريةِ والتجربةِ. هذا كَانَ، وبقايا , a عنصر أساسي في تَأسيس معرفةَ مُتَأَكِّدةَ، وفي جَلْبه إلى خدمةِ المجتمعِ. معارض تأريخِ كَمْ مباشرةً الصحة وثروة a مجتمع يَعتمدانِ على تَرْبِية هذه النظرةِ الإستقصائيةِ والحرجةِ.

إنّ المرحلةَ الأوليةَ في تطويرِ الميكانيكا الكلاسيكيةِ في أغلب الأحيان مدعوَّة باسم الميكانيكا النيوتونيةِ، تتميز بالطرقِ الرياضية التيِ إخترعتْ مِن قِبل نيوتن بنفسه، بالإشتراك مع لايبنتز، وآخرون. هذه تُوْصَفُ أبعد في الأقسامِ التاليةِ. ملخّص أكثر، وتَتضمّنُ طرقَ عامّةَ ميكانيكا لاغرانج وميكانيكا هاميلتون.

تعطي الميكانيكا الكلاسيكيةُ نَتائِجُ دقيقةُ جداً توافقِ التجربةِ اليوميةِ. تم تحسين الميكانيكا الكلاسيكية عبر النسبيةِ الخاصّةِ لملائمة الأجسامِ التي تَتحرّكُ بالسرعةِ الكبيرةِ،تقارب سرعةِ الضوءِ.

الميكانيكا الكلاسيكية تُستَعملُ لوَصْف حركةِ الأجسامِ الكبيرة التي تقارب حجمِ إنسانَ، مِنْ المقذوفاتِ إلى أجزاءِ الأجسام المرئيةِ، بالإضافة إلى الأجسامِ الفلكيةِ، مثل المركبة الفضائيةِ، الكواكب، النجوم، والمجرات، والأجسام المجهرية مثل الجزيئاتِ الكبيرةِ. إضافةً إلى هذا، تتنبأ بالعديد مِنْ الخاصيّاتِ الفيزيائية،عندما يَتعاملُ مع الغازاتِ، السوائل، والمواد الصلبةا. لذا تشكل واحدة من أكبر المواضيعِ في العِلْم والتقنيةِ.

بالرغم من أن الميكانيكا الكلاسيكيةِ منسجمة كثيراً مع النظرياتِ "الكلاسيكيةِ" الأخرى مثل التحريك الكهربائية والتحريك الحراري الكلاسيكي، فإن بَعْض الصعوباتِ واجهت الميكانيكا الكلاسيكية في أواخر القرن التاسع عشرِ عندما إندمجَ مع التحريك الحراري الكلاسيكي، حيث يُؤدّي الميكانيكا الكلاسيكية إلى مفارقة جبس التي يكون فيها الإعتلاج entropy كمية غير محددة كما أدت إلى الكارثةِ فوق البنفسجيةِ التي يُتوقّعُ فيها لجسم أسود بَعْث كمياتِ لانهائيةِ مِنْ الطاقةِ. محاولات حَلّ هذه المشاكلِ أدّتْ في النهاية إلى تطويرِ ميكانيك الكمِ.


وصف النظريةِ

تُقدّمُ المتابعة المفاهيمَ الأساسيةَ للميكانيكا الكلاسيكيةِ. للبساطةِ، تَستعملُ جسيم نقطي، و هو جسم بحجم صغير جدا يمكن اعتباره بمثابة نقطةِ. إنّ حركةَ الجسيم النقطيِ يمكن تمييزها بعدد من المؤشرات :

موقع ، كتلة، والقوى المطبقّة عليه.
في الواقع، الأجسام التي تخضع للميكانيكا الكلاسيكية غالبا لا تكون نقطية معدومة الحجم

الجسيمات النقطيةِ الحقيقيةِ، مثل الألكترونِ، توصف عادة بشكل أفضل بواسطة ميكانيك الكمِ. أما أجسام الميكانيكا الكلاسيكية فغالبا ما تكون كبيرة و بالتالي تسلك سلوكا أكثر تعقيدا من الجسيمات النقطية الإفتراضية المدروسة لأن هذه الأجسام الكبيرة تمتلك درجات حرية أكبر . لكن دراسة الأجسام النقطية تساعد على أي حال في دراسة الأجسام الكبيرة باعتبارها أجسام مركبة منعدة جسيمات نقطية .


الموقع وإشتقاقه

إنّ موقعَ جسيم نقطي يحدد اعتبارا من نقطة ثابتة في الفضاء تعتبر مبدأ للإحداثيات , بالتالي يمكن تحديد الموضع عن طريق شعاع ( موجه ) يمتد من مبدأ الإحداثيات إلى موضع الجسيم , و بما أن الجسيم النقطي غير ثابت بل يتحرك مع الزمن أي أن شعاع الموضع يتغير مع الزمن مشكلا دالة زمنية . يتم حساب الزمن اعتبارا من مبدأ زمني اختياري , حيث يعتبر الزمن قيمة مطلقة موحدة بين كافة الجمل الإسنادية ( بعكس الحالة في النظرية النسبية ) .


السرعة

إنّ السرعةَ، أَو معدل تغيرِ الموقعِ مع الوقتِ، و تعرف بإشتقاق الموقعِ فيما يتعلق بالوقتَ .

. في الميكانيكا الكلاسيكيةِ، يمكن جمع و طرح السُرَع مباشرة.

على سبيل المثال، إذا كانت لديناسيارةِ تُسافرُ شرقاً بسرعة 60 كيلومتر بالساعة تجتازهاُ سيارةً أخرى تُسافرُ شرقاً بسرعة 50 كيلومتر بالساعة، مِنْ منظورِ السيارةِ البطيئة تكون السيارة الأولى مسافرة شرقاً بسرعة 60-50 = 10 كيلومتر بالساعة. أما مِنْ منظورِ السيارةِ الأسرعِ، فالسيارة الأبطأ تتُحرّكُ بسرعة 10 كيلومتر بالساعة نحو الغربِ.

ماذا لو أنّ السيارة تَمْرُّ شمالَ؟ يمكن اعتبار السرع في هذه الحالة كأشعة ( متجهات ) نطبق عليها قوانين جمع المتجهات .

رياضياً، إذا كانت سرعةِ الجسمِ الأولِ في المُناقشةِ السابقةِ ممثلة بالشعاع :

v = vd حيث أنَّ v سرعةَ الجسمِ الأولِ .
وسرعة الجسمِ الثانيِ بالشعاع :

u =ue حيث أن u سرعةُ الجسمِ الثانيِ .
وd وe أشعة وحدة في إتّجاهاتِ حركةِ كُلّ جسيم الأول و الثاني على التوالي،

تكون سرعة الجسمِ الأولِ كما يراها الجسمِ الثانيِ:

v' = v – u
بنفس الطريقة:

u' = u – v
عندما يكون كلا الجسمين يتحركان في نفس الإتّجاهِ، يُمْكِنُ أَنْ تُبسّطَ هذه المعادلةِ إلى:

v' = (v - u) d
، أَو بإهْمال الإتّجاهِ، الإختلاف يُمْكِنُ أَنْ يُسلّمَ شروطِ السرعةِ فقط:

v' = v - u
هي مقياس لتغير الموقع بالنسبة للزمن ، وتقاس بقياس المسافة المقطوعة وتقسيمها على الفترة التي لزمت لقطع هذه المسافة. وحدة قياس السرعة هي المتر على الثانية.

يمكن تقسيم السرعة الى : سرعة متوسطة وسرعة لحظية :

تحسب السرعة المتوسطة بقسمة المسافة المقطوعة بين اللحظة الإبتدائية و النهائية على المدة الزمنية للحركة, فهي لا تعطي تفاصيل الحركة في الأزمنة المحصورة بين بداية الحركةو نهايتها.

السرعة اللحظية هي تعريفا سرعة الجسم في لحظة معينة وهي تحسب بأخذ تفاضل المسافة بالنسبة للزمن. في حالة السرع الثابتة فإن السرعة المتوسطة تساوي السرعة اللحظية .


التسارع

إنّ التسارع ، أَو معدل تغيرِ السرعةِ مع الزمن ،أي إشتقاقُ السرعةِ بالنسبة للزمن أَو

. شعاع التسارع يُمْكِنُ أَنْ يُjغيّرَ بتَغير شدته ، أو تغير إتّجاهَه، أَو كلاهما. إذا كانت شدة السرعة v يتتناقص ، فإن تغير السرعة يمكن أن تدعى باسم التباطؤِ؛ لكن عموماً أيّ تغيير في السرعةِ، بما في ذلك التباطؤ، ندعوه ببساطة : ( تسارع ) .

هو مقياس تغير السرعة بالنسبة للزمن ، فإزدياد السرعة أو إنخفاضها يعتبر تسارع موجب أو تسارع سالب. وحدة قياس التسارع هي المتر على الثانية تربيع.

الحركة المتسارعة بانتظام : هي حركة يكون فيها التسارع ثابتا وموجبا بحيث في كل واحدة زمن تكون الزيادة في السرعة قيمة ثابتة.

الحركة المتباطئة بانتظام : يكون تسارعها ثابتا و سالبا أي يكون تناقص السرعة في واحدة الزمن ثابتا.


السقوط الحر
هو ظاهرة سقوط الأجسام تحت تأثير قوة جاذبية الأرض.

أثبتت التجربة أن سقوط الأجسام في الفراغ(أي في غياب الهواء أين قوة مقاومة الهواء معدومة) لا يتعلق بكتلتها.فلنتصور مثلا جسما معدنيا ثقيلا وريشة طائر,في لحظة معينة نسقطهما من نفس الإرتفاع ثم نقيس لحظة وصولهما للأرض سوف نجد أن كلا الجسمين يصلان في نفس الوقت.

زيادة على ذلك فقد وجد أن حركة السقوط الحر هي حركة متسارعة بانتظام أي أن تسارعها ثابت سمي هذا التسارع بعجلة الجاذبية ج=9.81 متر على الثانية تربيع.

حسب قانون نيوتن الثاني فإن القوة المؤثرة على الجسم هي ث= ك.ج وتسمى ثقل الجسم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:25 AM
قوانين كبلر

اثبت العالم الفلكي يوهان كبلر ان النظام الذي وضعه كوبرنيكس عن مركزية الشمس هو الوحيد الذي يعكس الحقيقة بدقة .

وعن طريق عمليات حسابية معقدة و متعددة , وضع كبلر القوانين الثلاثة الهامة فيما يتعلق بحركة الكواكب . وهذه القوانين هي :

تدور الكواكب حول الشمس بحركة ليست دائرية و لكن في قطع ناقص تحتل الشمس إحدى بؤرتيه و ليس في مركز تلك الكواكب . و القطع الناقص هو الشكل الذي نحصل عليه اذا قطعنا جسماً اسطوانياً بمنشار مائل .
تختلف سرعة الكوكب في دورانه حول الشمس تبعاً لبعده عنها , فإذا كان قريباً , فإنه يدور بسرعة أكبر , وكلما زاد بعده كلما قلت سرعته في الدوران , حيث تتساوى مساحة المثلثين المشكلين فيما بين الشمس وقوس المسافات المغطاة من كوكبين في نفس الوقت .

النسبة بين مربعي فترتي دوران أي كوكبين هي نفسها النسبة بين القيمة التكعبية للبعد المتوسط لكل منهما عن الشمس . سأقدم لكم مثال :يستغرق الكوكب عطارد 88 يوماً و الأرض 365 في مدارهما مرة واحدة حول الشمس , فإذا ما ضربنا كلا الرقمين بنفسه للحصول على مربعهما نحصل على 7744 , 133225 . ويبلغ الرقم الرقم الثاني حوالي 17 مثل للأول . و لننتقل الآن الى نسبة بعدهما عن الشمس . فبعد عطارد في المتوسط حوالي 36 مليون ميل عن الشمس أما الأرض فتبعد حوالي 93 مليون ميل في المتوسط . واذا ما ضربنا الارقام بنفسهما مرتين للحصول على القيمة التكعيبية لهما نحصل على 46656 , 804357 . وهنا نجد أن النسبة بين هذين الرقمين قريبة جداً من النسبة الأولى اي 17:1 .
وهذه القوانين لاتزال اساسية حتى يومنا هذا و تعتبر خطوةكبيرةالىالامامفيالمعرفةالبشرية



ميكانيك نيوتن

يعرف كذلك بالميكانيك الشعاعي وهو مبني على قوانين نيوتن الثلات:

قانون نيوتن الأول:
يعرف هذا القانون بقانون العطالة وينص على:

في جملة اسناد غاليلية إذا ما كان جسم ما معزول أو شبه معزول (أي محصلة القوى المؤثرة عليه معدومة), فإنه إما :

- يبقى ساكنا إلى الأبد .

-أو يتحرك بحركة مستقيمة منتظمة أي بسرعة ثابتة .

قانون نيوتن الثاني :
هذا القانون يعرف بقانون مركز العطالة, ويربط بين القوة المؤثرة على الجسم وطبيعة حركته وينص على أنه: في معلم غاليلي محصلة القوى المؤثرة على جسم صلب تساوي حاصل ضرب كتلة الجسم في تسارعه.

قانون نيوتن الثالث :
يسمى هذا القانون بقانون الفعل ورد الفعل ينص على أنه: إذا ما أثر جسم أ على جسم ب بقوة ق(أ,ب), فإن الجسم ب سيؤثر على الجسم أ بقوة ق(ب,أ) تساوي ق(أ,ب) و تعاكسها بالإتجاه .

هذا معناه أن جسم أي شخص يؤثر على الأرض بنفس القوة التي تؤثر بها الأرض عليه مما يسبب إزاحة الأرض بمسافة صغيرة جدا.



كمية الحركة
و تدعى أيضا العزم

هي حاصل جداء كتلة الجسم في سرعته. مشتق كمية الحركة بالنسبة للزمن يساوي إلى محصلة القوى المطبقة على الجسم.


الطاقة الحركية:
الطاقة بشكل عام مرتبطة بمفهوم عمل القوة الذي يساوي حاصل جداء شدة القوة في المسافة المقطوعة. جزء الطاقة المرتبط بسرعة الجسم يسمى طاقة حركية, تجريبيا وجد أن مقدار الطاقة الحركية متناسب مع كتلة الجسم ومع مربع سرعته :

طح= 1/2ك سر2
الطاقة الكامنة: == هي الجزء من طاقة الجسم المتعلقة غالبا بالمسافة فعلى عكس الطاقة الحركية فإن الطاقة الكامنة تصف عادة القوى التي تحاول إعاقة حركة الجسم. لا توجد علاقة محددة للطاقة الكامنة فهي تختلف من قوة إلى أخرى,على سبيل المثال إذا رفع جسم ذو كتلة ك إلى إرتفاع ل من سطح الأرض مثلا فإن طاقته الكامنة تساوي جداء ثقله في الإرتفاع :

طك= ك. ج . ل
المقال الرئيسي : الطاقة

إذا كانت الطاقة الكامنة لجسم ما =9810 جول وهو أعلى ارتفاع وكانت كتلتة =100 كيلو جرام فهذا يعني أن الجسم قد سقط من ارتفاع كم 10متر.


العزم الزاوي
العزم الزاوي لجسم يتحرك حركة دورانية حول مركز دوران هو تعريفا حاصل ضرب كمية حركة الجسم في نصف قطر الدوران. مشتق العزم الزاوي بالنسبة للزمن يساوي لعزم القوة المؤثرة على الجسم.


قوانين الإنحفاظ
يقال عن كمية فييزيائية أنها محفوظة إذا لم تتغير مع الزمن . تعتبر قوانين الإنحفاظ من أهم المفاهيم الفيزيائية ليس فقط في الميكانيكا الكلاسيكية ولكن في عدة فروع أخرى كنظرية الكم ونظريةالحقول وفيزياء الجسيمات العنصرية.

قانون إنحفاظ كمية الحركة
إذا ما كانت محصلة القوى المؤثرة على جسم ما معدومة فهذا يعني أن مشتق كمية الحركة بالنسبة للزمن معدومة أي أن كمية الحركة محفوظة.


قانون إنحفاظ العزم الحركي
إذا كانت محصلة عزوم القوى المؤثرة على جسم ما معدومةأو كانت محصلة القوى موازية لمحور الدوران فإن مشتق العزم الزاوي بالنسبة للزمن معدوم أي أنه ثابت , هذا هو قانون إنحفاظ العزم الزاوي.

قانون إنحفاظ الطاقة الكلية
في حالة القوى المشتقة من كمون فإن مجموع الطاقتين الحركية و الكامنة ثابت. هذا معناه أن الزيادة في مقدار أيا من الطاقتين يقابله نقصان نفس المقدار في الطاقة المقابلة.

لنأخذ مثال جسم مقذوف عموديا نحو الأعلى فكلما أرتفع الجسم نقصت طاقته الحركية وزادت بنفس المقدار طاقته الكامنة حتى تنعدم تماما طاقته الحركية هنا تكون طاقته الكامنة مساوية للكلية. بعد ذلك يعود الجسم للسقوط فتزداد طاقته الحركية على حساب الكامنة حتى تنعدم كليتا طاقته الكامنة هنا تبلغ طاقتة الحركية قيمتها القصوى أي تساوي الطاقة الكلية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:26 AM
ميكانيك لاغرانج و ميكانيك هاملتون

هما عبارة عن صياغة ثانية لقوانين الميكانيك الكلاسيكية لا تستعمل الجبر الشعاعي ولكن لها صفة تحليلية. فقد أدى إكتشاف الحساب التفاضلي إلى توسيع إستخدام الطرق التحليلية لدراسة حركة الأجسام الصلبة وكانت البداية بمدأ الفعل الأصغري:


ميكانيك لاغرانج

لنعتبر جسيما مفردا ذو كتلة m و شعاع موضع r . تطبق عليه قوة F , يمكن عندئذ أن نعبر عن هذه القوة على أنها تدرج تابع الطاقة الكامنة القياسي (V(r, t:



مثل هذه القوة تكون مستقلة عن المشتق الثالث أو المشتقات الأعلى رتبة لشعاع الموضع r , لذا فإن هذه قانون نيوتن الثاني يشكل مجموعة من ثلاث معادلات تفاضلية نظامية من الرتبة الثانية .

لذا فإن حركة هذا الجسيم يمكن وصفها بدلالة متغيرات مستقلة أو ما يدعى " درجات حرية " . درجات الحرية هذه هي مجموعمة من ستة متغيرات :

{ rj, r′j | j = 1, 2, 3},

المركبات الديكارتية لشعاع الموضع r و مشتقاته الزمنية ( مشتقاته بالنسبة للزمن ), في لحظة زمنية معينة أي أن الموضع (x,y,z) و السرعة بمكوناتها الديكارتية الثلاثة :

((vx,vy,vz ) ).

بشكل أعم , يمكننا العمل ضمن جملة إحداثيات معممة

, qj, مع مشتقاتها الزمنية , أو ما يدعى بالسرع معممة , q′j.

يرتبط شعاع الموضع r مع الإحداثيات المعممة عن طريق جملة معادلات تحويل




فمثلا من أجل نواس بسيط ذو طول l , يكون الخيار المنطقي للإحداثيات المعممة هو زاوية النواس التي يصنعها مع خطه الشاقولي ( العمودي ) , θ,

و تكون معادلات التحويل :



.
The term "generalized coordinates" is really a leftover from the period when Cartesian coordinates were the default coordinate system.

لنعتبر الإزاحة الإعتبارية للجسم δr فيكون العمل المنجز من قبل القوة F هو :

δW = F · δr.

باستخدام قانون نيوتن الثاني يمكننا أن نكتب :




بما أن العمل كمية فيزيائية قياسية ( كمية و ليست شعاعية ) يمكننا إعادة كتابة هذه المعادلات بدلالة الإحداثيات المعممة و السرع على الجانب الأيسر .



عملية تنسيق الجانب الأيمن أكثر صعوبة لكن بعد الترتيب و التبديل :



حيث هي الطاقة الحركية للجسيم T = 1/2 m r′ 2 . و معادلة العمل المنجز ستصبح بالشكل :




على أي حال , فإن هذا يجب أن يكون صحيحا بالنسبة لأي مجموعة من الإزاحات المعممة δqi, لذا يكون لدينا :



من أجل أي من الإحداثيات المعممة δqi.

يمكننا أن نبسط هذه المعادلة بملاحظة V أن هو تابع ل r و t, و شعاع الموضع r تابع أيضا للإحداثيات المعممة و الزمن t لذا فإن السرعة V تكون مستقلة عن السرع المعممة



بإدخال هذا في المعادلة السابقة و استبدال L = T - V نحصل على معادلات لاغرانج :




There is one Lagrange equation for each generalized coordinate qi. When qi = ri (i.e. the generalized coordinates are simply the Cartesian coordinates), it is straightforward to check that Lagrange's equations reduce to Newton's second law.

The above derivation can be generalized to a system of N particles. There will be 6N generalized coordinates, related to the position coordinates by 3N transformation equations. In each of the 3N Lagrange equations, T is the total kinetic energy of the system, and V the total potential energy.

In practice, it is often easier to solve a problem using the Euler-Lagrange equations than Newton's laws. This is because appropriate generalized coordinates qi may be chosen to exploit symmetries in the system.



ميكانيك هاملتوني

اعتمادا على ميكانيك لاغرانج , تكون معادلات الحركة المستندة على الإحداثيات المعممة



و التي تطابق السرعات :



يمكن لنا كتابة اللاغرانجي



يهدف ميكانيك الهاميلتوني الى استبدال متغيرات السرعة المعممة بمتغيرات العزم المعممة أو ما يدعى بعزم المزدوجة :

من اجل كل سرعة معممة هناك ما يقابلها من العزم المزدوج الذي يكتب كما يلي :



في جملة إحداثيات ديكارتية, العزم المعمم هو بالضبط العزم الفيزيائي الخطي . أما في جملة احداثيات قطبية فإن العزم المعمم المقابل للسرعة الزاوية يصبح العزم الزاوي , في جملة احداثية افتراضية توجد صياغات أخرى لإيجاد العزم المعمم .


الهاميلتوني هو عبارة [[]]:



إذا كانت معادلات التحويل المعرفة للإحداثيات المعممة مستقلة عن الزمن t , فيمكن أن نقول ان الهاميلتوني H مساو للطاقة الكلية E = T + V.


كل طرف من تعريف الهاميلتوني of H ينتج تفاضلا :



باستبدال التعريف السابق للعزم الإزدواجي ضمن المعادلة و مطابقة معاملات المعدلة , نستخرج قوانين الحركة في الميكانيك الهاميلتوني



معادلات هاميلتون تشكل معادلات تفاضلية من المرتبة الأولى , لذا هي أسهل حلا من معادلات لاغرانج التي تعطي معادلات تفاضلية من المرتبة الثانية. لكن العمليات التي تقود الى معادلات الحركة اكثر صعوبة فبداية علينا البدء من الإحداثيات المعممة و ميكانيك لاغرانج لنقوم بتشكيل الهاميلتوني , ثم علينا تحويل كل قيمة لسرعة معممة الى عزم ازدواجي , لنقوم بعد ذلك باستبدال السرع المعممة في الهاميلتوني بقيم العزم الإزدواجي .

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:27 AM
الديناميكا الحرارية
(Thermodynamics)



كلمة تحريك حراري أو ترموديناميك (Thermodynamics) تعبر عن أحد فروع الميكانيك الإحصائي الذي يدرس خواص انتقال الشكل الحراري للطاقة بشكل خاص و تحولاته إلى أشكال أخرى من الطاقة. يقوم هذا العلم باستخدام الميكانيك الإحصائي لصياغة القوانين التي تحكم انحفاظ الطاقة من شكل إلى شكل, والإتجاه الذي تفضله الطاقة الحرارية في انتقالها, والطاقة المتاح تحويلها إلى عمل (Work).

معظم هذه الدراسات تعتمد على فكرة أن أي جملة، أو نظام، معزولة في أي مكان من الكون تحتوي كمية فيزيائية قابلة للقياس ندعوها الطاقة الداخلية للجملة (System) ويرمز لها بالرمز (U). وتمثل هذه الطاقة الداخلية مجموع الطاقة الكامنة (Potential Energy) والحركية (Kinetic Energy) للذرات والجزيئات ضمن الجملة, أي جميع الأنماط التي يمكن أن تنتقل مباشرة كالحرارة, وبالتالي يتم أستثناء الطاقة الكيميائية (المختزنة ضمن الروابط الكيميائية)أو الطاقة النووية (الموجودة ضمن نوى الذرات) بإعتبارها أشكال طاقية لا يمكن نقلها ضمن الشروط الطبيعية. تبقى الطاقة الداخلية (U) ثابتة حتى يتم فك العزل عن الجملة فتصبح قادرة على تبادل الطاقة أو المادة من الجملة و إليها, عندئذ يمكن للطاقة الداخلية أن تتغير عن طريق انتقال المادة أو انتقال الحرارة أو انجاز عمل.

يهتم علم الديناميكا الحرارية كما يدل اللإسم بالحرارة أو الطاقة الحرارية بدرجة أولى وبكل الظواهر التي تتمظهرأو تتعلق بهذه الطاقة كعملية إنتقال الحرارة من جسم لآخر أو كيفية تخزين هذه الطاقة أو توليدها. يقوم علم الديناميكة الحرارية على 3 قوانين كبرى وهي القانون صفر و القانون الأول و القانون الثاني.

القانون صفر
إذا كانت حرارة الجسم أ تساوي حرارة الجسم ب وحرارة ب تساوي حرارة س فإن حرارة أ تساوي حرارة س

القانون الأول
او ان اطاقه فى النظام= اشغل المبذوت+ الطاقه الداخليه

مفاده أن تغير الطاقة في نظام ما يساوي الطاقة الحرارية ( المضافة أو المنتزعة) زائد الشغل (المضاف أو المنتزع)


القانون الثاني
يتعلق القانون الثاني بالانتروبية او الاعتلاج ومفاده أن تدفق الانتروبية إلى داخل النظام ناقص تدفق الانتروبية إلى خارج النظام زائد الانتروبية المتكونة داخل النظام تساوي صفر.

قوانين أخرى

من أهم الخصائص المدروسة

الحرارة T
الضغط P
الحجم V
الطاقة الداخلية U
الإنتروبية أو الإعتلاج S
الإنتلبية H (التغير فى الانثالبى تساوى التغير فى الطاقه عند ثبوت الضغط لان H=pv+U)
السرعة
العلو
و يمكن تقسيم هذه الخصائص إلى :

حالية حرارية(كالحرارة و الضغط و الحجم) أو حالية كالورية (كالطاقة الداخلية و الإعتلاج و الإنتلبية)
حالية ( أي انها تعبر عن حالة للمادة وهي كل الخصائص المذكورة أعلاه) و عملياتية ( أي أنها لا تو جد إلا بو جود عملية كعملية إنتقال الحرارة من جسم للآخر, وعلى ذلك فهي تمثل تغير حالة المادة. من هذه الخصائص الشغل)



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/0/04/Diag_phase_PVT2.PNG
العلاقة بين الحجم الضغط و الحرارة


المعادلة الحرارية
من أهم القوانين التي ترسم العلاقة بين الضغط و الحرارة والحجم و الكتلة في الغازات:
PV=mRiT
حيث Ri هو الثابت الغازي ولكن هذه العلاقة ليست الوحيدة وهي كذلك ليست صحيحة صحة مطلقة حيث أنه أعتمد في إشتقاقها على بعض المسلمات التي تمثل تبسيطا للواقع. حيث تم الحساب بالغازات المثالية أي أن ذرات أو موليكولات الغاز ليس لها حجم و أنه لا توجد قوى بين الموليكولات كما أن الموليكولات لا تغير شكلها أي بمعنى في حالة تصادم موليكولين فإن التصادم يكون إيلستيكي وكل هذه مسلمات غير واقعية ولكن المعادلة التي نحصل عليها تسمح لنا بإستعمالها في مجالات معينة لا نحتاج فيها لدقة كبيرة


معادلة فان دا فالس
معادلة فان دا فالس هي أيضا معادلة حرارية ( معادلة تحتوي على خصائص حرارية تسمى معادلة حرارية).
(p+(a/v²)*(v-b)=Ri*T
حيث a و b تصحيح للمسلمات الخاطئة أعلاه.


قانون بويل
قام العالم بويل بتثبيت درجة حرارة الغاز (T) و قام بعمل علاقه بين حجم الغاز (V) و ضغط الغاز (P) , و اكتشف انه هناك علاقه عكسيه بين الحجم و الغاز .

بمعنى انه اذا زاد الضغط قل الحجم و كلما زاد الحجم قل الضغط .

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:31 AM
ميكانيكا الكم



ميكانيكا الكم نظريّة فيزيائية أساسية ، جاءت كتعميم وتصحيح لنظريات نيوتن الكلاسيكية في الميكانيكا. وخاصة على المستوى الذري ودون الذري . تسميتها بميكانيكا الكم يعود إلى أهميّة الكم في بنائها(وهو مصطلح فيزيائي يستخدم لوصف أصغر كمّية يمكن تقسيم الإشياء إليها ، ويستخدم في للإشارة إلى كميات الطاقة المحددة التي تنبعث بشكل متقطع ، وليس بشكل مستمر ). كثيرا ما يستخدم مصطلحي فيزياء الكم والنظرية الكمومية كمرادفات لميكانيكا الكم. وبعض الكتّاب يستخدمون مصطلح ميكانيكا الكم للإشارة إلى ميكانيكا الكم غير النسبية .



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/0/05/Quantum.jpg
تمثيل ثنائي الأبعاد و ثلاثي الأبعاد لدالة الموجة الكمومية


أتت النظرية الكمومية في بدايات القرن العشرين مثل النظرية النسبية لحل اشكاليات مطروحة من قبل النظرية الكلاسيكية , و يمكن تلخيص هذه الاشكاليات بعدم التناسق بين درجات حرية الجسيمات (6) و درجات حرية الحقول (عدد غير محدود ) فحسب قانون توزع الطاقة بالتساوي بين مختلف درجات حرية الجملة في حالة التوازن فهذا يقتضي انتقال معظم الطاقة من الجسيمات الى الحقول , و ينتج عن هذا تصورات مخيفة مخالفة للواقع : فحسب هذه النظرة يجب على الالكترون الدائر حول النواة ( حسب نموذج رذرفورد ) أن يصدر أمواجا كهرطيسية وفقا لمعادلات مكسويل تزداد شدتها الى اللانهاية , و بهذا يقترب أكثر فأكثر من النواة حتى تنهار جميع الالكترونات ضمن النواة , لكن من المؤكد أن هذا لا يحصل في الواقع . تقول النظرية الكلاسيكية أيضا أن اصدارات الذرة الضوئية يجب أن تغطي جميع الترددات بنفس الشدة , لكن الواقع ينقض ذلك بشدة حيث تبدي الذرات المختلفة أطيافا خاصة تتضمن اصدار اماج ضوئية على ترددات خاصة و محددة جدا .

تنشأ مشكلة أخرى عندما نتأمل اشكالية الجسم الأسود حيث فشلت كل المحاولات المستندة الى الميكانيك الإحصائي الكلاسيكي في توصيف اشعاع الجسم الأسود خصوصا في الترددات العالية حيث تبدي القوانين المتوقعة انحرافا كبيرا عن الواقع و هذا ما عرف لاحقا باسم الكارثة فوق البنفسجية .


أتت بدايات الحل في عام 1900 مع ماكس بلانك الذي اقترح فكرة ثورية هدفها التنبؤ بتناقص الأنما ط العالية التردد من اشعاع الجسم الأسود بافتراض ان الاهتزازات الكهرطيسية تصدر بشكل كموم , حيث يعتبر الكم أصغر مقدار معين من الطاقة يمكن تبادله بين الأجسام وفق تردد معين , و ترتبط طاقة الكم بتواتر الاشعاع المرافق له :




حيث تعبر E عن طاقة الكم الصادر ,nu عن تواتر الاشعاع , h ثابت أصبح يدعى بثابت بلانك .

تأتي اشكاليات أخرى من التبصر في طبيعة الضوء ففي حين يؤكد نيوتن ان طبيعة الضوء جسيمية ( فهو مؤلف من جسيمات صغيرة ) يؤيده في ذلك العديد من التجارب , نجد أن يونغ يؤكد أن الضوء ذو طبيعة موجية و تؤكد تجارب يونغ حول التداخل الضوئي و الانعراج هذه الطبيعة الموجية . في عام 1923 اقترح لويس دو بروي أن ينظر الى جسيمات المادة و ذراتها أيضا على انها جسيمات تسلك سلوكا موجيا احيانا مقترحا معادلة تشابه معادلة بلانك :



حيث : λ, طول الموجة , و p العزم.

بدأت هنا تتضح ملامح صورة جديدة للعالم تتداخل فيها الجسيمات و الحقول المهتزة بحيث يصعب التمييز بينهما و كان هذا ما مهد الطريق لظهور ميكانيك الكم عندما وضع نيلز بور نظريته الذرية التي لاتسمح للاندفاع الزاوي بأخذ قيم سوى المضاعفات الصحيحة للقيمة :



حيث تعبر L عن قيم الاندفاع الزاوي ,n عدد صحيح (3,2,1,...)

و هكذا ظهرت مستويات للطاقة المستقرة يمكن توضع الالكترونات الدائرة فيها مفسرة ثبات التركيب و الخطوط الطيفية للذرات , لكن هذا لم يكن سوى البداية . في عام 1925 قام العالم الالماني هايزنبرغ بتقديم مبدأه في الارتياب الذي ينص على عدم قدرتنا على تحديد موضع و سرعة ( اندفاع ) الجسيمات الكمومية بدقة . كانت هذه بداية الصدمات التي تلقتها نظرتنا الكلاسيكية للعالم محطمة كل الصورة الميكانيكية الآلية التي سادت حول العالم بعد انتصارات فيزياء نيوتن المدوية في القرنين السابقين . قام هايزنبرغ بصياغة قواعد ميكانيك الكم بصياغة جبر المصفوفات فيما عرف بعد ذلك بميكانيك المصفوفات matrix mechanics , 1926 ظهر شرودنغر بمعادلته الموجية الشهيرة التي تبين تطور دالة موجة الجسيم الكمومي مع الزمن و عرفت تلك الصياغة بالميكانيك الموجيwave mechanics , لكن رغم الاختلاف الظاهري العميق بين الصياغتين فان نتائجهما كانت متطابقة , هذا ما دفع بول ديراك بعد ذلك لتوحيدهما في اطار شامل عرف بنظرية التحويل transformation theory.


نموذج بور للذرة
أظهرت تجارب راذرفورد أن الذرة تتكون من مركز مشحون إيجابا يسمى نواة وإلكترونات تتحرك حولها. أعمال علماء الذرة حول أطياف الإمتصاص و الإنبعاث بينت أن هذه الأطياف متقطعة وليست مستمرة. هذه الخاصية وجدت تفسيرها الأول فيما يعرف بنموذج بور للذرة. كانت أهم فرضية لبور هي أن الإلكترونات لا يمكنها سوى الحركة في مدارات دائرية يكون فيها الإلكترون مستقر أي لا يشع و إلا فإنه بعد مرور فترة من الزمن سوف يفقد كل طاقته و يسقط على النواة. هذا معناه أن الإلكترون لا يمكنه أن يحتل إلا سويات طاقة معينة أي أن طاقته مكممة. في حالة أستثارة الذرة فإن الإلكترون سوف ينتقل إلى سوية طاقة أعلى ثم يعود إلى حالته الأولى مع انبعاث فوتون ذو طاقة مساوية تماماللفرق بين طاقتي السويتين .



النظرية الكمومية حسب التصور الموجي

لا تقوم صياغات الميكانيك الكمومي بتقديم قياسات دقيقة لخواص الجسيمات المقيسة observables بل تعطي تنبؤات أي توزعات احتمالية probability distributions لجميع القيم التي يمكن أن تأخذها خاصة معينة للجسيم , فالحالة الكمومية للجسيم تتضمن احتمالات لخواصه القابلة للقياس : مثل الموضع Position , العزم Momentum , الطاقة Energy , العزم الزاوي angular Momentum . هذه الخواص يمكن أن تشكل بقيمها توابع مستمرة continuous مثل الموضع و يمكن ان تشكل توابع منقطعة discreteمثل الطاقة

بهذا لا يعطيك ميكانيك الكم الموقع الدقيق لجسيم انما يعطيك احتمال وجوده في أي نقطة من الفضاء حيث يحدد مسارات يكون فيها تواجد الجسيم أعظميا لكنه لا يلغي امكانية وجوده في أي نقطة من الفراغ و يمكنك قول نفس الكلام بخصوص جميع الخواص الأخرى .

لكن تبقى هناك حالات معينة تتضمن تحديد قيم دقيقة لبعض الخواص, تدعى هذه الحالات بالحالات الخاصة Eigenstates.

لنفترض وجود جسيم غير مقيد حر الحركة , مما يعني امكانية تمثيل حالته الكمومية بموجة ذات شكل افتراضي غير معين و تمتد على كامل الفضاء ندعوها بدالة الموجة . قياسات الجسم في هذه الحالة تتضمن موضعه و عزمه . فلو أخذت دالة الموجة سعة عالية جدا في موضع (س) و كانت قيمها معدومة ( صفر ) في كل الأماكن الاخرى فهذا يعتبر حالة خاصة للموضع : يتحدد بها موقع الجسيم بدقة لكن يجب ألا ننسى أن هذا يتضمن عدم القدرة اطلاقا على تحديد قيمة العزم حسب مبدأ الارتياب . لكن في الحقيقة لا توجد مثل هذه الحالات الخاصة للخواص المقيسة لكن تتدخلنا بعملية قياس أي من الخواص يحول تابع موجته من شكلها الأصلي الى حالة خاصة لهذه الخاصة و هذا ما يدعى بانهيار الموجة wave collapse.

لوصف الأمر بشكل أكثر دقة :

لنفترض جسيما كموميا وحيدا : من وجهة نظر كلاسيكية يلزمنا تحديد موضع و سرعة الجسيم أما النظرية الكمومية بالصياغة الموجية لشرودنغر قتعتبر ألا وجود لمثل هذا الخواص المقيسة مثل : الموضع , العزم , الطاقة فكل موضع متاح للجسيم هو موقع محتمل و كل قيمة متاحة للطاقة هي قيمة ممكنة أيضا , و الاختلافات بين قيمة و أخرى هي اختلافات في الاحتمالات . حيث يكون لهذه الدالة في كل موقع(س) قيمة معينة () تدعى سعة وجود الجسيم في الموضع (س) , فيكون احتمال وجود الجسيم في الموقع (س) هو ببساطة مربع سعة وجود الجسيم في الموقع (س) . اما عن حالات اندفاع الجسيم فسنضطر هنا الى اجراء تحليل توافقي لدالة الموجة و مجموعة توافقيات هذه الموجة يمثل الحالات الممكنة لاندفاعات الجسيم و بهذا نحصل على دالة موجية للاندفاع ضمن فضاء افتراضي للاندفاعات تكون غالبا بشكل أمواج اما شديد التراص مما يدل على حالة شديدة الاندفاع أو قليل التراص و هذا يمثل حالات قليلة الاندفاع .



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/3/3d/Wavefunction.gif
دالة و الموجة و ارتباط سعتها باحتمال وجود الجسيم


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/7/79/Eigen_state.jpg
مثيل ثلاثي الأبعاد لدالة الموجة في حالة خاصة Eigenstate


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/thumb/2/21/Harmonic.gif/402px-Harmonic.gif
دالة الموجة في الأسفل تعلوها مراحل التحليل التوافقي حتى الوصول الى مركبات الموجة الأساسية


تقوم معادلة شرودنغر بوصف تطور دالة الموجة مع الزمن و بهذا تقوم بالتنبؤ الدقيق للحالات الكمومية للجسيم في أي لحظة و بهذا تقدم لنا قانونا ثابتا يشرح تطور الدالات الموجية بكل دقة , هذه الدالات التي تكود في داخلها جميع قيم الموضع و الاندفاع المحتملة . فدالة الموجة التابعة للجسيم حر الحركة تتنبأ بان مركز الحزمة الموجية سيتحرك مع الزمن بسرعة ثابتة و بنفس الوقت سيزداد امتداد الموجة ليصبح الموضع أكثر فأكثر غير محدد . توجد أيضا بعض الجمل الكمومية المستقرة التي لا تبدي تغيرا مع الزمن كحالة الالكترون في ذرة الهيدروجين و الذي يصور في ميكانيك الكم كموجة احتمالية مستقرة دائرية : يكون تواجد الالكترون أعظميا ضمن بعد معين من النواة في حين يقل الاحتمال تدريجيا كلما ابتعدنا عن النواة . تطرح معادلة شرودنغر اذن تطورا حتميا للدالة الموجية (يدعى هذا التطور بالتطورU ) فهي تحدد بدقة قيم الدالة في جميع نقاط الفضاء في أي لحظة زمنية , لكن الطبيعة الاحتمالية لميكانيك الكم ينشأ من التدخل بعملية القياس لتحديد احدى الخواص المقيسة للجسيم عندئذ يحصل التطور R اللااحتمالي تأخذ بموجبه الخاصة المقيسة أيا من القيم المتاحة لها حسب قيمة احتمالها و هذا ما يكافئ ما دعوناه مسبقا ب ( انهيار الدالة الموجية ) .

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:33 AM
تكميم الخواص الفيزيائية

مثنوية (جسيم/موجة)و مبدأ الارتياب
لا يعطينا ميكانيك الكم تنبؤا دقيقا بنتيجة رصد أو قياس جملة كمومية أو جسيم كمومي انما يكتفي باعطاء محموعة من النتائج الممكنة و المختلفة لكل منها احتمال وجود معين . كما لا يستطيع تحديد طبيعة الجسيم ان كانت جسيمية أو موجية فهو يعتبر هذه الطبيعة نتيجة الرصد و القياس فعندما توجه اهتمامك للخاصية الموجية للجملة ترصد تلك الخواص و عندما تهتم بالخواص الجسيمية تبدو الجملة بشكل جسيم . أول ما ظهرت هذه المثنوية ( جسيم / موجة ) في تجربة يونغ الضوئية الشهيرة , فاستخدام ثقب واحد لمرور الضوء كان يؤكد الخاصية الجسيمية ( التي تجلت فيما بعد بما دعي الفوتون ) في حين كان فتح ثقبين يؤدي لظهور مناطق التداخل المضيئة و المظلمة . انعراج الضوء كان دليلا واضحا ايضا على طبيعة الضوء الموجية في حين أكدت أطياف الذرات و تفسير ماكس بلانك لها بأن الضوء عبارة عن طاقة تصدر بشكل كميات متقطعة متجانسة تدعى الكموم ( و تمثلت تلك الكموم بالفوتونات في تجربة المفعول الكهرضوئي ) الطبيعة الجسيمية للضوء . اتت بعد ذلك علاقة دوبروي و مبدأ الارتياب Uncertainity principle لهايزنبرغ ليمددا هذا التصور المثنوي باتجاه جميع الجسيمات الذرية atomic particles و تحت الذرية sub-atomic , و اصبح من الممكن الحديث عن تداخل الاجسام كما الحديث عن تداخل الأمواج , فقد أجريت تجربة مشابهة تماما لتجربة يونغ استخدم بها الالكترونات بدلا من الفوتونات الضوئية و حصلنا بالمقابل على مناطق ذات شدة الكترونية و مناطق محرمة على الالكترونات و هذا عزز التأكيد أن الالكترونات كما الفوتونات تتصرف كموجة وجسيم معا . و اذا اعتمدنا تفسير كوبنهاجن لميكانيك الكم فان كل الجمل الكمومية ليست لا موجة و لا جسيم انما دالة موجية wave function تعبر عن نفسها كموجة wave أو جسيم particle حسب توجه عملية الرصد البشري و القياس .

مبدأ الارتياب في الطاقة و الزمن

لا يقتصر دور مبدأ الارتياب لهايزنبرغ على تقييد مقدار الدقة certainty الممكنة في تحديد الموضع Position و الاندفاع بل يتعداه الى كافة الخواص الفيزيائية كالطاقة Energy و الزمن Time; فطاقة الفوتون مثلا تتحدد بتحديد تواتر frequency أمواج الضوء لكن تحديد هذا التواتر يتطلب عد الاهتزازات في فترات زمنية من مضاعفات زمن اهتزاز الموجة , الذي يمثل أصغر فترة زمنية لانجاز اهتزاز ضوئي وحيد . بالتالي هناك حدود لقياس الزمن مطلوبة لتحديد التواتر و استخدام فترات زمنية أصغر من زمن اهتزاز الموجة الضوئية يجعل طاقة الفوتون غير محددة , مما ينشيء علاقة ارتياب جديدة بين الطاقة و الزمن . تتجلى هذه العلاقة الارتيابية في ظاهرة الأطياف فاحداث تهييج قصير المدة لمجموعة متماثلة من الذرات يؤدي الى نقل بعض الالكترونات الى سويات طاقية أعلى لكن غير محددة ( بسبب قصر الفترة الزمنية ) بالتالي نحصل على طيف ضوئي متنوع الأمواج ( يغطي المجالات الضوئية السبع و فوق البنفسجية و تحت الحمراء ) , بالمقابل عندما نقوم بعملية تهييج ذرات لقترات زمنية طويلة تسمح بكون السويات الطاقية energy levels للالكترونات المهيجة excited electrons محددة , و بالتالي نحصل على طيف spectrum ذو خطوط موجية معينة تعكس البنية المدارية للذرات .

مثل هذا الاستنتاج قد يعمل على تعطيل قانون انحفاظ الطاقة في فترات زمنية قصيرة جدا , بصياغة اخرى يمكن للجملة الكمومية الحصول على قرض طاقي بشرط ان تعيده خلال مدة زمنية قصيرة جدا , تتحدد مدة القرض الطاقي بكمية الطاقة فكلما ازداد مقدار الطاقة وجبت اعادتها في زمن أقل : ينتج عن هذا ععدد من النتائج المهمة مثل : ( تبعثر الضوء بفعل الذرات , مفعول النفق و هو عملية اجتياز بعض الجمل الكمومية لحواجز طاقية مرتفعة عن طريق قروض طاقية : يفسر مفعول النفق قدرة العديد من الجسيمات الكمومية على اجتياز بعض الحواجز الطاقية رغم عدم امتلاكها للطاقة اللازمة بنسب احتمالية , و يدخل هذا في تفسير ظاهرة العناصر المشعة .

صياغة ديراك لميكانيك الكم

قام بول ديراك بوضع ميكانيك الكم بصيغتيه : ميكانيك المصفوفات Matrix Mechanics و الميكانيك الموجي Wave Mechanics ضمن صياغة أشمل جمعها بنظرية النسبية الخاصة و هذا ما أدى الى عدد من النتائج الجوهرية أولها :

ادخال خاصية دوران الأجسام الذرية حول نفسها Spin : فالالكترون يدور حول النواة كما يدور حول نفسه و هذه الخاصة دعيت ب ( السبين spin ) . كما اسند للسبين قيمة عددية تشرح خاصيات الدوران الجسيمي :



تنبأت نظرية ديراك بسويات طاقية ضمن الذرة غير مكتشفة بعد , فلكل حل يصف الكترونا في سوية طاقية يوجد حل نظير تماما ( كخبال المرآة ) يماثله في الخواص و الطاقة لكن طاقته سالبة , وجود مثل هذا الجسيم يمكن أن يؤدي في حالات معينة لظهور اجسام شبيهة بالالكترونات ذات شحنة موجبة و طاقة موجبة دعيت بالبوزيترون : و قد ثبت ظهور هذه البوزيترونات في بعض التفاعلات النووية . و كان هذا بداية اكتشاف المادة المضادة التي تنشأ عن جسيمات الطاقة السالبة .
نتج مبدأ الانتفاء لباولي عندما كان يدرس اجتماع الجسيمات ذات السبين : حيث بين انه لا يمكن لجسيمين كموميين أن يحتلا نفس السوية الطاقية , فحتى الالمترونين المحتلين لمدار ( سوية طاقية ) واحد ضمن الذرة يجب أن يكون احدهما ذو سبين +2/1 و الآخر -2/1 و بهذا تكون حالتهما الكمومية مختلفة .

تفسيرات النظرية الكمومية
تقوم النظرية الكمومية بتقديم تصور غريب عن العالم الذري و دون الذري يصدمنا و يبعدنا عن كل ما الفناه في الواقع الحياتي و ما تقدمه الفيزياء الكلاسيكية من تصورات . لكنها بالرغم من كل ذلك تنجح الى حد بعيد في تفسير حقائق العالم دون الذري و تعزز صحتها يوما بعد يوم بتقديم تنبؤات غريبة لكن كل التجارب العلمية تأتي فيما بعد لتؤكد هذه التنبؤات . كل هذا أدخل ميكانيكا الكم في عمق نقاشات فلسفية حول طبيعة ما تطرحه و مدى قربه من الحقيقة , حتى أن ميكانيكا الكم طرحت نفس قضية الحقيقة كموضع سؤال , ومن أهم هذه المناقشات و التجارب الفكرية : قطة شرودنغر و صديق فاغنر .

لقد قدمت عدة وجهات نظر لتفسير نتائج و استنتاجات النظرية الكمومية : أول هذه النظريات يعرف بتفسير كوبنهاجن و يعود بشكل أساسي الى بور و زملائه , الذين يؤكدون أن الطبيعة الاحتمالية probabilistic لتنبؤات نظرية الكم لا يمكن تفسيرها بأي نظرية حتمية deterministic أخرى , و هي صفة أصيلة في الطبيعة التي نعيش بها و ليست نتاجا لنقص في المعرفة و المعلومات نعاني منه . باختصار النظرية الكمومية ذات طبيعة احتمالية لأن الطبيعة ذات طبيعة احتمالية اساسا فما تفعله النظرية الكمومية هو تصوير الأمر كما هو .

على الطرف الآخر وقف اينشتاين أحد مؤسسي الكمومية ليعلن رفضه للاحتمية الكمومية التي تنشأعن احتمالية القياسات , قائلا ( ان الاله لا يلعب النرد God doesn’t play dice ) . كانت هذه العبارة الشهيرة بمثابة رفض قاطع لفكرة ان تكون الطبيعة أصالة احتمالية , مرجحا فكرة ان هناك نقص في المعلومات المتوفرة لدينا يؤدي الى تلك الطبيعة الاحتمالية للنتائج وعليه فنظرية الكم ناقصة ينبغي اكمالها عن طريق تعويض النقص بالمعلومات و هو ما دعاه بالمتغيرات الخفية hidden variables فعن طريق هذه المتغيرات يمكن صياغة نظرية كاملة ذات طبيعة حتمية .

ظهرت بعد ذلك بعض التفسيرات التي تضاهي بغلاابتها نتائج و نبؤات الكمومية مثل نظرية العوالم المتعددة لايفريت , حيث تقول هذه النظرية بأن جميع الاحتمالات التي تطرحها نظرية الكم تحصل فعليا بنفس الوقت في عدد من العوالم المستقلة المتوازية . و بالتالي يكون الكون المتشعب حتميا في حين أن كل كون فرعي لن يكون الا احتماليا .

هناك ايضا تفسير لبوم يعود الى ديفيد بوم و يفترض وجود دالة موجية عالمية غير محلية تسمح للجزيئات البعيدة بأن تتفاعل مع بعضها بشكل فوري . اعتمادا على هذا التفسير يحاول بوم أن يؤكد أن الواقع الفيزيائي ليس مجموعة من الجسيمات المنفصلة المتفاعلة مع بعضها كما يظهر لنا بل هو كل واحد غير منقسم ذو طبيعة حركية متغيرة دوما .


المصادر

موسوعة ويكيبيديا (الانكليزية , الالمانية)
موجز تاريخ الزمن : Brief History of Time ,

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:37 AM
النظرية النسبية


النظرية النسبية الخاصة



الابعاد الأربعة (المكانية والزمانية)

نحتاج قبل الدخول إلى مفاهيم النظرية النسبية تعريف مفهوم الابعاد المكانية والزمنية حيث أن كثيرا ما تعرف النظرية النسبية على انها نظرية البعد الرابع. فما هي هذا الأبعاد الاربعة وكيف نستخدمها ولماذا اينشتين العالم الأول الذي اكد على ضرورة استخدام البعد الرابع (الزمن) بالاضافة إلى الابعاد الثلاثة التي اعتمد عليها جميع العلماء من قبله...

تطور مفهوم الابعاد مع تطور الانسان واقصد هنا تطوره في الحياة ففي الزمن الأول كان الانسان يتعامل مع بعد واحد في حياته هذا جاء من احتياجه للبحث عن طعامه فكان يستخدم رمحه لاصطياد فريسته وبالتالي كان يقذف رمحه في اتجاه الفريسة حيث ينطلق الرمح في خط مستقيم وحركة الرمح هنا تكون في بعد واحد وسنرمز له بالرمز x. ومن ثم احتاج الانسان ليزرع الارض وبالتالي احتاج إلى التعامل مع مساحة من الأرض تحدد بالطول والعرض وهذا يعد استخدام بعدين هما x و y لأنه بدونهما لايستطيع تقدير مساحة الأرض المزروعة. وعندما احتاج الانسان للبناء أخذ يفكر ويحسب في البعد الثالث وهو الارتفاع. وهذه هي الابعاد الثلاثة x,y,z والتي كانت الاساس في حسابات الانسان الهندسية، وحتى مطلع القرن العشرين اعتبرها الانسان كافية لحل كل المسائل التي تقابله على سطح الكرة الأرضية. وحتى يومنا هذا نعتمد على الابعاد الثلاثة في تنقلاتنا وسفرنا وحساباتنا.

آينشتين هو العالم الوحيد الذي فكر في البعد الرابع (الزمن) وقال ان الكون الذي نعيشه ذو أربعة ابعاد وهي الطول والعرض والارتفاع والزمن. وادخل البعد الرابع في جميع حساباته. يستطيع الانسان تخيل البعد الواحد والبعدين ويمكن رسمهما ولكن البعد الثالث يحتاج منه إلى قدرات تخيلية إضافية ولكن من الصعب التفكير والتخيل بالابعاد الاربعة معا وخصوصا أن البعد الرابع وهو الزمن لايمكن رؤيته ولكننا نعيشه وندركه كمسلمة من مسلمات الوجود. فإذا اعتبرنا أن هندسة الكون تعتمد على اربعة ابعاد فإن حساباتها ستكون غاية في التعقيد ونتائجها غير متوقعة وهذا مافعله آينشتين في نظريته النسبية.



تمهيد

ان المقاييس من مساحات وحجوم وكتل وتحديد المكان والزمان والسرعة هي مقاييس معروفة في نظر الفيزياء الكلاسيكية (فيزياء جاليلو ونيوتن) فكلنا نقيس المسافات والزمن بنفس الطريقة والكيفية ولا يختلف في ذلك اثنان اذا كانت مقايسهما معايرة بدقة وهذا يعني أننا سلمنا بأن هذه المقاييس مطلقة ولكن هذا يخالف النظرية النسبية التي تقوم على أنه لا وجود لشيء مطلق في كل هذه الاشياء أنما هي نسبية، فالدقيقة (60 ثانية) التي نقيسها بساعاتنا يمكن ان يقيسها آخر على انها أقل من دقيقة أو أكثر، وكذلك المتر العياري طوله متر بالنسبة للشخص الذي يحمله ولكن بانسبة لآخر يتحرك بسرعة كبيرة بالنسبة لذلك الشخص يجد المتر 80 سنتمتر وكلما زادت سرعته كلما قل طول المتر ليصبح طول المتر صفر اذا تحرك الشخص بسرعة الضوء (سنجد انه من الاستحالة الوصول لسرعة الضوء) وهذا لا يعود لخطأ في القياسات بين الشخصين أو خلل في آلات الرصد التي يستخدمونها فكل منهما يكون صحيحا ولكن بالنسبة له. ولهذا سميت بالنظرية النسبية والكثير من الأمور المسلم بها في حياتنا والتي نعتبرها مطلقة تصبح نسبية في عالم النسبية.

بمفهوم اينشتين والتعامل مع الزمن على أنه بعد من الأبعاد يصبح كل شيء نسبياً فمثلاً نعرف أن الكتلة هي كمية المادة الموجودة في حجم معين مثل كتلة الماء في حجم سنتيمتر مكعب هي واحد جرام وكتلة الماء هذه ثابتة ولكن وزنها هو الذي يتغير تغيرا طفيفا نتيجة لتأثير الجاذبية عليها فيقل الوزن قليلا في المرتفعات ويزيد في المنخفضات نتيجة لتغير تأثير الجاذبية حسب بعدنا او قربنا من مركز الارض وهذا التغير يكون في حدود جرام واحد فقط، ولكن آينشتين يبين أن الكتلة تتخلى عن تأثير الجاذبية وتتغير في حدود أكبر بكثير قد تصل إلى الالاف ولا علاقة لتغير الكتلة بالجاذبية. إن ثبوت المقاييس والابعاد عند آينشتين في الكون لا وجود له حسب نظريته النسبية.

لتفصيل الموضوع اكثر سوف نقوم بشرح اوسع لمفهوم المكان في النسبية ومن ثم شرح مفهوم الزمن في النسبية.



المكان في النسبية

اذا سألت نفسك عزيزي القارئ في هذه اللحظة هل أنت ثابت أم متحرك، فستنظر حولك بكل تأكيد وتقول أنا لست متحرك فأنا ثابت امام جهاز الكمبيوتر وعلى الارض وهذا صحيح فأنت ثابت بالنسبة للكمبيوتر والارض (أي الكرة الارضية) ولكن هذا ليس صحيح بالنسبة للكون فأنت والكمبيوتر والارض التي تقف عليها تتحركوا وهذه الحركة عبارة عن مجموعة من الحركات منها حركة الارض حول نفسها وحركة الارض حول الشمس وهناك حركة للشمس والارض داخل مجرة درب التبانة ومجرة درب التبانة تتحرك بالنسبة إلى الكون.. إذا عندما اعتقدت انك ثابت فهذا بالنسبة للاشياء حولك ولكن بالنسبة للكون فكل شيء متحرك. وخذ على سبيل المثال هذه الارقام ......

سرعة دوران الأرض حول نفسها ربع ميل في الثانية وسرعة دوران الارض حول الشمس 18 ميل في الثانية والشمس والكواكب تسير بالنسبة لجيرانها النجوم بسرعة 120 ميل في الثانية ومجرة درب التبانة منطلقة في الفضاء بسرعة تصل إلى 40000 ميل في الثانية. تخيل الان كم هي سرعتك وعدد الحركات التي تتحركها بالنسبة للكون. وقدر المسافة التي قطعتها منذ بدء قراءة هذه الحلقة حتى الان.

لا احد يستطيع ان يحدد هل مجرة درب التبانة هي التي تبتعد عن المجرات الاخرى بسرعة 40000 ميل في الثانية أم ان المجرات هي التي تبتعد عنا بهذه السرعة. فعلى سبيل المثال اذا ارد شخص ان يصف لنا سفره من مطار غزة إلى مطار دبي الدولي فإنه يقول غادرت الطائرة مطار غزة في الساعة الثالثة ظهرا واتجهت شرقا لتهبط في مطار دبي الدولي الساعة السادسة مساءً.. ولكن لشخص اخر في مكان ما في الكون يرى ان الطائرة ارتفعت عن سطح الارض في غزة واخذت تتباطأ حتى وصلت مطار دبي لتهبط فيه. أو ان الطائرة ومطار دبي تحركا في اتجاهات مختلفة ليلتقيا في نقطة الهبوط.. وهنا يكون من المستحيل في الكون الواسع تحديد من الذي تحرك الطائرة ام المطار.

كذلك يجب أن نؤكد ان الاتجاهات الاربعة شمال وجنوب وشرق وغرب والكلمات فوق وتحت ويمين وشمال هي اصطلاحات لا وجود لها في الكون فلا يوجد تحت أو فوق ولاشمال أو جنوب.

ان التعامل بهذه المفاهيم الجديدة والنظرة الشاملة للكون بلاشك امر محير ولاسيما اذا ادخلنا البعد الرابع في حساباتنا فكل شيء يصبح نسبي.



مما سبق تبين أن نسبية المكان تخالف كل ما هو مألوف لنا وقد يتسائل القارئ ما أهمية ذلك بالنسبة لنا ونحن نعيش على سطح الأرض وامورنا كلها مضبوطة على نسق واحد؟ ولماذا هذا الخلط بين ما يحدث على الأرض والكون؟ وما فائدة النسبية لنا كل هذه الاسئلة سيأتي الاجابة عليها من خلال هذه الحلقات المتتابعة عن النظرية النسبية ولكن قبل ذلك يجب الخوض في نسبية الزمان وهذا سيوضح لنا أن مفهوم الماضي والحاضر والمستقبل هي من الأمور النسيبة أيضا.....



الزمان في النسبية

لم يكتف آينشتين بأن أثبت أن المكان نسبي ولكن عمم نسبية المكان على الزمان (البعد الرابع) حيث أنه قال طالما أننا نعيش في عالم ذو أربعة ابعاد ووجد أن الأبعاد المكانية الثلاثة التي تحدد بـ x,y,z هي نسبية لا بد وان يكون الزمان (البعد الرابع) نسبياً أيضا هذا هو أينشتين الذي يفكر ويضع النظريات ويحلل النتائج في عقله ويخرج للناس بمفاهيم جديدة لم يستطيع احد ان ينفيها ولا ان يبطلها ولا ان يصدقها ولكن كانت نسبية المكان والزمان منذ ذلك الوقت وحتي يومنا هذا تبرهن على صحتها من خلال تفسيرها للعديد من الظواهر الفيزيائية التي حيرت العلماء ولم يكن امامهم الا تطبيق نظرية اينشتين ليجدوها تفسر تلك الظواهر وسيأتي شرح تفصيلي لهذه الظواهر..

اعتبر العلماء ومن بينهم العالم نيوتن أن الزمن مطلق ويجري بالتساوي دون أية علاقة بأي مؤثر خارجي. ولكن اينشتين لم يتقيد بما سبقه من العلماء وفكر بالأمر من وجهة نظر مختلفة تشمل الكون الفسيح كيف ذلك؟؟...

تعودنا نحن سكان الكرة الأرضية على تقدير الزمن من خلال اليوم واجزائه (الساعة والدقيقة والثانية) ومضاعفاته (الاسبوع والشهر والسنة والقرن) ويومنا هو مقدار الزمن اللازم للأرض لتدور حول نفسها دورة كاملة والسنة هي مقدار الزمن اللازم للأرض لاكمال دورة كاملة حول الشمس وتساوي 365 يوم وربع اليوم. ولكن ماذا عن اليوم والسنة على كوكب عطارد أو كوكب بلوتو لا شك أن ذلك سيكون مختلف بالنسبة لمقايسنا فالسنة على كوكب عطارد ثلاثة أشهر من الوقت الذي نقيسه على الأرض بينما السنة على كوكب بلوتو فهي اكبر من ذلك بكثير وتساوي 248 سنة من سنوات الأرض.. الأمر عند هذا الحد معقول ولكن ماذا عن المجرات الأخرى كيف تقدر اليوم والسنة عندها؟ وهل يمكن استخدام الازمنة الأرضية كمقياس للزمن على ارجاء هذا الكون الفسيح؟ وتجدر الاشارة هنا إلى أن مصطلح فسيح لا يعبر عن مدى كبر حجم هذا الكون ...لنرى معا المقصود بكلمة فسيح.

مما سبق تبين أن هذا الكون يحتاج إلى طريقة جديدة لتقدير المسافات بين مجراته ونجومه لأن استخدام وحدة المتر أو الميل ستقودنا إلى ارقام كبيرة جدا لا يمكن تخيلها ولهذا فإن العلماء يستخدمون سرعة الضوء لقياس المسافة حيث أن سرعة الضوء 300 ألف كيلومتر في الثانية (الضوء يدور حول الأرض 7 مرات في الثانية أي عندما تقول كلمة واحدة يكون الضوء قد لف حول الارض سبع مرات) واذا حسبنا المسافة التي يقطعها الضوء في السنة نجد انها مسافة كبيرة جدا (الارقام الفلكية) فمثلا نعلم أن اشعة الشمس تصلنا خلال ثمانية دقائق وبهذا يكون بعد الشمس عنا ثماني دقائق ضوئية وهنا استخدمنا وحدة الزمن لقياس المسافة. مثال اخر على اقرب نجم إلى المجموعة الشمسية يسمى الفا قنطورس يبعد عنا اربعة سنوات ضوئية والنجوم البعيدة في مجرتنا تبعد عنا الاف السنوات الضوئية ويقدر قطر درب التبانة بـ 80 الف سنة ضوئية (تخيل ان الضوء الذي يصدر عند احد اطرافها يصل إلى الطرف الآخر بعد ثمانين الف سنة) كل هذا في مجرتنا وبعض التلسكوبات رصدت مجرات تبعد عشرة الف مليون سنة ضوئية ذلك يعني أنه اذا وقع حدث ما في طرف الكون فإنه لا يصل إلى الطرف الاخر قبل مرور عشرة الاف مليون سنة!!! وسنعلم ايضا أن الكون لا زال يتمدد وبسرعات هائلة... سبحان الله ولا نملك إلا أن نقول ذلك..

الارقام والابعاد الفلكية السابقة ضرورية لشرح الموضوع التالي والذي من خلاله سنوضح مفهوم نسبية الزمن لدى آينشتين.

افترض انك في غرفة مظلمة تماماً وتحرك جسم من مكان إلى مكان آخر في هذه الغرفة فإنك لا تعلم بذلك (على افتراض انك لا تعتمد على حاسة السمع) ولكن في وجود الضوء فإن انتقال الجسم او حركته ترصدها من خلال انعكاس الضوء من على الجسم المتحرك إلى العين. الضوء هو الوسيلة الوحيدة التي نعلم من خلالها حدوث حدث ما في الكون وهو اسرع وسيلة لنقل المعلومات بين النجوم والمجرات فحدث ما على الشمس نعلم به على الارض بعد ثمانية دقائق من وقوعه، وانفجار نجم الفا قنطورس يصلنا خبره بعد اربعة سنوات لان الضوء القادم منه سيصل الارض بعد اربعة سنوات وكذلك النجوم التي نراها في الليل قد لا تكون موجودة الان ولكننا نرى الضوء الذي صدر عنها منذ سنوات او الاف السنوات حسب بعدها عنا أما التي تبعد عنا الف مليون سنة ضوئية فإن ضوءها الذي يصلنا الآن يعطينا معلومات عنها قبل ظهور الحياة على الارض!! هذا يقودنا إلى أن كلمة الآن لا وجود لها إلا على الأرض هذا كله يدركه الناس ولا غرابة فيه لأننا نعلم كم هذا الكون واسع وفسيح.. لم تقف النظرية النسبية عند هذا الحديث فقط بل تعدته إلى القول أن الزمن نفسه لا يجري في الكون بشكل متساوي بل يقصر ويطول حسب سرعتنا ومكاننا بالنسبة للحدث. وليس المقصود هنا ان ذلك مجرد شعورنا بان الزمن يمر ببطء أو أنه يمر بسرعة حسب مشاعرنا بالسعادة أو التعاسة عندما نقوم بعمل ما. فنسبية الزمن لا تعتمد على شعورنا ومزاجيتنا انما المقصود في النظرية النسبية أن الساعة الزمنية التي تدل على فترة معينة من الزمن هي التي تطول أو تقصر حسب السرعة والمكان.

لتوضيح هذا الفكرة نفرض ان شخصين لديهما ساعات متماثلة تم ضبطهما بدقة، احد الشخصين قرر البقاء على الارض والشخص الآخر سافر في مركبة فضائية تسير بسرعة كبيرة، فإذا وفرت للشخص الارضي مرصدا يراقب من خلاله ساعة الشخص الفضائي فإنه كلما زادت سرعة الشخص الفضائي كلما تباطئت حركة عقارب ساعته بالنسبة للشخص الأرضي واذا ما وصلت سرعة المركبة الفضائية إلى سرعة الضوء فإن الشخص الارضي سوف يجد ان عقارب ساعة الشخص الفضائي توقفت عن الحركة أي أن الزمن توقف واصبح صفراً (لا يمكن الوصول بسرعة جسم إلى سرعة الضوء وسنعرف ذلك قريباً) وهذا التباطئ في ساعة الفضائي ليس بسبب خلل في الساعة انما نتيجة لسرعته..

إن الامر لا يقف عند هذا الحد في النظرية النسبية لأن ذلك انعكس على مفهومنا للماضي والحاضر والمستقبل فمثلا انفجار نجم ما قد يكون ماضي بالنسبة لشخص في هذا الكون ويكون حاضر لشخص آخر في مكان اخر وقد يكون مستقبلا بالنسبة لشخص ثالث في مكان ثالث. وهذا بسبب تباطئ الزمن. حسب سرعة كل شخص بالنسبة للحدث ومكانه. ولها لا معني للماضي والحاضر والمستقبل إلا على الارض لان الشريط الزمني المعروف لنا يتباطئ بدرجة معينة في مكان معين في الكون ويتباطئ بدرجة مختلفة في مكان آخر وهكذا..



بعيدا عن النسبية
وهنا أود ان اوضح أننا نعيش الزمن من خلال تقسيمه إلى ماضي وحاضر ومستقبل وكلنا يستطيع ان يسبح بخياله في احداث الماضي ويعيش اللحظات الحاضرة بحلوها ومرها ولكن المستقبل فلا قدرة لنا عليه وعلى توقع ماذا سيحدث فيه وذلك لاننا كمخلوقات لله سبحانه وتعالي حجب عنا احداث المستقبل (كما حجب عنا رؤية الاشعة تحت الحمراء والفوق بنفسجية وحجب عن سمعنا ترددات معينا يمكن لمخلوقات اخرى سماعها لاننا بشر محدودين لكوننا مخلوقات) أما الله سبحانه وتعالى فالازمنة والاحداث عنده كالكتاب المفتوح. الله يعلم بالماضي والحاضر والمستقبل فهو يعلم ماذا فعلنا وماذا نفعل وماذا سنفعل في أي وقت وفي اي لحظة.

كل ماذكر في نسبية المكان ونسبية الزمان هو توضيح لمفاهيم وضعها آينشتين لتكون تمهيدا للدخول إلى النظرية النسبية وفهم مضمونها وعندها ستكون الصورة اوضح.



بعد أن تكلمنا عن نسبية المكان ونسبية الزمان اصبحنا اقرب ما يكون لفرضيات النظرية النسبية ولكن من الضروري المرور عبر الملابسات التي سبقت ظهور النظرية النسبية وتوضيح التخبط الذي احاط بالعلماء الفيزيائين عند عجزهم عن الوصول إلى تفسير مقنع للتجارب التي اعتمدت على الضوء وسنركز على التجربة الشهيرة المعروفة بتجربة ميكلسون مورلي.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:38 AM
سرعة الضوء

ذكرنا سابقاً أن سرعة الضوء تبلغ 300 ألف كيلو متر في الثانية الواحدة وهذا يعني أنه يمكن للشعاع الضوئي أن يدور سبع مرات حول الكرة الأرضية في الثانية ولذلك لا نستغرب حين نشاهد في احدى المحطات الفضائية برنامجاً تلفزيونيا ويشاهده في نفس اللحظة اناس اخرون على الطرف الثاني من الكرة الارضية لأن الاشارات اللفزيونية تنتقل بسرعة الضوء (لانها اشعة كهرومغناطيسية مثل الضوء). وبالطبع نحن نسمع صوت الرعد بعد لحظات من رؤية ضوء البرق أو نرى ضوء انفجار قذيفة قبل لحظات من سماع صوتها وهذا يعود إلى الاختلاف الكبير بين سرعة الضوء وسرعة الصوت (تبلغ سرعة الصوت 330 متر في الثانية).

أجرى العلماء العديد من التجارب لقياس سرعة الضوء ووصلوا إلى القيمة التي ذكرناه سابقاً (300 ألف كيلومتر في الثانية) وهذه السرعة الكبيرة للضوء استخدمت في تقدير المسافات الفلكية بين النجوم والمجرات لأنه لا يمكن بأي حال من الاحوال الاعتماد على وحدة المتر ومضاعفاته، ولذلك اذا قرأت في كتب الفلك ستجد ان وحدة قياس المسافة هي السنة الضوئية وهي المسافة التي يقطعها الضوء خلال سنة والتي تساوي 9460000000000 كيلومتر. لاحظ هنا أن السنة الضوئية هي وحدة زمن ولكن استخدمت لتقدير المسافة أي أن الزمن بعد يضاف إلى الابعاد الثلاثة x,y,z ولهذا سمي بالبعد الرابع.



الأثير

نعلم أن الصوت ينتقل من خلال موجات اهتزازية تحدث اضطراب في الهواء وبهذا فإن الصوت ينتقل خلال وسط الهواء كما أن الامواج التي يحدثها حجر اسقط في بركة ماء فإن الاضطراب الذي احدثه الحجر ينتقل في صورة امواج اهتزازية خلال جزيئات الماء. الآن ماذا عن الضوء؟ وما هو الوسط الذي ينقله؟ وما هو ذلك الشيئ المكون لأمواج الضوء؟.. هذه اسئلة حيرت العلماء وقادتهم افكارهم إلى افتراض وسط سموه الاثير يملء فراغ الكون وقد اعطى العلماء خصائص للاثير بما يناسب تجاربهم، فالاثير له من الخصائص الكثير فمثلا الاثير يخترق جميع الاجسام والنجوم والكواكب التي تسبح فيه. الاثير ينسحب خلف الاجسام الصلبة وازدادت خصائص الأثير مع كل تجربة لا تتفق نتائجها العملية مع المتوقع من الاثير. بذلك اعتبر العلماء الاثير هو الشيء الثابت والمطلق الذي ينقل الضوء من خلاله وان كل جسم متحرك فهو متحرك بالنسبة للأثير (حتى الضوء) أي أن سرعة الأرض مثلا هي سرعتها بالنسبة للأثير وسرعة الضوء هي سرعته بالنسبة للأثير.



تجربة ميكلسون مورلي

لم يكن العلماء بحاجة إلى تجارب لاثبات فرضية وجود الأثير ولكن تجربة بسيطة تثبت وجود الأثير سيزيد من تثبيت اركان علم الفيزياء. تعتمد فكرة التجربة التي اجراها كلاً من العالمين ميكلسون ومورلي على قياس الفرق في سرعة الضوء بالنسبة للاثير وذلك من خلال جهاز يسير فيه الضوء مسافة معلومة مرة مع تيار الاثير ثم ينعكس على سطح مرآة ويعود ليتداخل مع شعاع ضوئي أخر قد انعكس عن مرآة تبعد نفس المسافة بحيث أن الشعاع الثاني يسير عموديا على اتجاه الاثير. وهذا سوف يحدث تداخل للشعاعين مما ينتج للمشاهد اهداب تداخل عبارة عن مناطق مضيئة ومناطق معتمة تتغير بتغير سرعة الضوء. وباجراء حسابات بسيطة (سيأتي ذكرها بالتفصيل من خلال محاضرات في النظرية النسبية) نجد أن الشعاع الضوئي الموازي للأثير يستغرق زمن اطول لاكمال رحلة الذهاب والاياب من الزمن اللازم للشعاع الذي يسير عمودي على الاثير. هذا الاختلاف يتغير اذا اديرت الطاولة التي تحمل التجربة بحيث يصبح الشعاع الموازي للأثير عموديا والشعاع الذي كان عمودي يصبح موازيا للأثير. ما الفائدة من ذلك؟ توقع العلماء عند دوران التجربة بالنسبة للاثير ان يحدث تغيير في الاهداب المتكونة نتيجة للتداخل بين الشعاعين الضوئيين (للاختلاف في الزمن بينهما) بحيث تحل الهدبة المضيئة مكان الهدبة المعتمة وهكذا..

ان الفارق الزمني لرحلة الذهاب والعودة للشعاعين يعود إلى فرضية أن الضوء ينتقل في وسط الأثير وبالتالي فإن سرعة الضوء سوف تعتمد على سرعة الارض بالنسبة للأثير وعلى اعتبار أن الارض تسير بالنسبة للأثير بسرعة مقدارها 30 كيلو متر في الثانية. وعليه يكون من المتوقع أن تختلف سرعة شعاع الضوء الذي يوازي اتجاه الاثير عن الشعاع العمودي عليه...

كانت نتيجة التجربة على غير المتوقع ولم يحدث تغيير في مواقع أهداب التداخل. واعيدت التجربة مرات عديدة في مناطق مختلفة على الارض وفي اوقات مختلفة ولكن دائما لم يكن هناك تغيير في مواقع الاهداب الذي كان يتوقعه العالمين من نتائج التجربة او العلماء الآخرون الذين حاولوا تكرار التجربة.

هذه النتيجة السلبية (عدم اتفاق النتائج العملية مع النظرية تسمى نتيجة سلبية) صدمت العلماء في صحة نظرياتهم الكلاسيكية وتمسك العلماء بفرضية الاثير وجعلتهم يقولون تارة ان الاثير ولا بد وانه يسير مع الارض وتارة يقولون أن الاجسام تنكمش في اتجاه حركتها خلال الاثير وغيره من الاعتقادات وذلك لرفضهم فكرة فشل فرضية الاثير وكل ما بني عليها لسنوات...

وهنا جاء آينشتين وهو في الخامسة والعشرين من عمره ليبني اسس جديدة للفيزياء سماها النظرية النسبية.....



الآن يمكن الشروع في استعراض مفاهيم النظرية النسبية التي وضعها العالم آينشتين في عام 1904 وسماها النظرية النسبية الخاصة وفي العام 1916 نشر آينشتين نظريته النسبية العامة وهنا يجب أن نوضح أن كلا النظريتين هما نظرية واحدة ولكن النظرية النسبية الخاصة تتعامل مع الأجسام المتحركة بسرعة منتظمة (بدون عجلة)، والنظرية النسبية العامة تعالج حركة الاجسام المتسارعة وهي تشمل حركة كافة مكونات الكون من نجوم ومجرات لانها تتحرك في مسارات دائرية وهذا يعني أن تلك الأجسام لها عجلة تغير من اتجاه مسارها.. ولهذا فإن النظرية النسبية العامة أشمل وأعم وسنتعرض لها بشيء من التفصيل بعد استعراض النظرية النسبية الخاصة..

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:40 AM
النظرية النسبية الخاصة

بمحاولة آينشتين تفسير نتائج تجربة ميكلسون مورلي وضع نظريته النسبية الخاصة في العام 1904. بهذه النظرية غير آينشتين مفاهيم النظرية الكلاسيكية ليأتي بمفاهيم غاية في الغرابة لم يكن احد من العلماء قد فكر بها وفتح بذلك الابواب للعلماء لعصر جديد من العلوم الفيزيائية سميت بالعصر الذري وهو الذي نعيشه الآن. فسرت النظرية النسبية العديد من الظواهر الطبيعية في الكون وشكلت قاعدة صلبة راسخة متماسكة.. وحتى يومنا هذا لازالت التجارب المختلفة التي يجريها العلماء تثبت صحة النظرية النسبية. إن النظرية النسبية غيرت مفاهيم كل شيء فخلطت المكان والزمان ووجعلت من المطلق نسبي والمستقيم محدب كما كان لها نتائج فلسفية عديدة ولكن سنحاول التركيز على الأمور العلمية.



فروض النظرية النسبية

قلنا في موضع سابق أن آينشتين استخدم عقله وتفكيره بشكل شمولي للكون وامعن التفكير والتأمل ليبني الفرضيات ويجري التحليلات الرياضية بشكل مجرد ويظهرها للعلماء لتطبيقها وهكذا هو الحال بالنسبة للنظرية النسبية حيث وضع آينشتين فرضيتين لتكون اساساً للنظرية النسبية وطلب من الكل باعتبارها من المسلمات أو البديهيات وهذا ما جعل العلماء رفض الاقتناع بصحة تلك النظرية ولكن هذه النظرية اوجدت تفسيرات وقوانين للعديد من الظواهر الكونية وفي كل مرة عقدت تجربة لابطال صحة النظرية النسبية كانت النتائج تؤكد صحتها وتعطي دليلا جديدا على دقتها وشموليتها..

فروض النظرية النسبية هما فرضيتان الأولى متعلقة بالأثير والفرضية الثانية متعلقة بالضوء.


--------------------------------------------------------------------------------

الفرضية الأولى تنفي وجود الأثير لأن حسب نسبية آينشتين لا يوجد مطلق يمكن اسناد كل شيئ إليه مثل ما فعل العلماء بفرضية الأثير.

الفرضية الثانية تقول أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة ولا تعتمد على سرعة المشاهد.



شرح الفرضية الأولى

توضح الفرضية الأولى للنظرية النسبية أن لا وجود للأثير وكان هذا مخالف لكافة العلماء ذلك الوقت... وبفرضية أن الأثير غير موجود فأن المكان المطلق لا وجود له ولا يوجد إلا المكان النسبي والسرعة النسبية. ويوضح اينشتين ذلك بمثال مركبتين فضائيتين في الكون فلا يستطيع رواد المركبة الأولى من تحديد سرعة مركبتهم إلا بمقارنتها بالنسبة للأجرام المتناثرة حولها أو بالنسبة للمركبة الثانية إذا مرت بالجوار وكذلك الحال بالنسبة للمركبة الثانية وأي شخص يحاول ايجاد سرعة المركبة فإنه سيجدها بالنسبة لسرعة أخرى. وحيث أن كل شيء في الكون يتحرك حركة دائمة ومعقدة فإن أي سرعة تحدد على اساس مقارنتها بسرعة اخرى..

مثال: اذا كنت في سفينة فضائية تسير بسرعة 10 ألاف كيلومتر في الساعة بالنسبة للأرض ولاحظت ان سفينة أخرى تقترب منك وتجاوزت سفينتك فإن اجهزة الرصد لديك سوف تقدر سرعة السفينة التي مرت بقربك على انها 2000 كيلو متر في الساعة وبما أن سرعتك بالنسبة للأرض معروفة (10 ألاف كيلومتر في الساعة) فإن سرعة السفينة الفضائية الاخرى بالنسبة للأرض ستكون 12 الف كيلو متر في الساعة.

لاحظ هنا اننا ارجعنا قياساتنا للسرعات بالنسبة للأرض فما بالك لو أننا اصبحنا لا نرى الارض في هذا الكون الفسيح وان السرعة التى انطلقنا بها تغيرت فكل ما نستطيع قوله هو أن سرعة السفينة الأخرى هو 2000 كيلو متر في الساعة. ولكن هذا الرقم يعبر عن احتمالات عديدة كأن تكون أنت واقف والسفينة مرت عنك بسرعة 2000 كيلو متر في الساعة أو أن تكون أنت متحرك بسرعة 1000 كيلو متر في الساعة وهي بسرعة 3000 كيلو متر في الساعة أو أن تكون تلك السفينة واقفة وانت متحرك في اتجاه الارض بسرعة 2000 كيلو متر في الساعة وهكذا . وهذا يعني أنك بحاجة إلى شيء ثابت ليرشدك على من هو المتحرك وكم هي سرعتك واتجاهك ولهذا اسند العلماء كل ذلك إلى الاثير ليهربوا من حقيقة النسبية.. ولكن آينشتين لم يهرب من الاعتراف بأن الأثير وهم واقر بأن كل حركة نسبية.

ماذا عن السرعة على الأرض؟ اذكر هنا ما قاله العالم نيوتن بأننا لا نعرف سفينة تتحرك في البحر أم واقفة بأي اختبار نجريه داخل السفينة ويجب علينا أن نلجأ لاختبارات تصلنا بخارج السفينة. كأن نراقب من على سطحها حركة الماء أو حركة الجبال لنحدد ما إذا كانت متحركة أم ثابتة أو هل هي تقترب من الشاطئ أم تبتعد عنه.

كما اننا عندما نقول أن سرعة السيارة 100 كيلو متر في الساعة فهذا يكون بالنسبة للأرض فإذا لم نجد ما الشيء الذي نقيس بالنسبة له فحديثنا عن السرعة لا معنى له كما لا يمكننا باستخدام كل وسائل التكنولوجيا معرفة ما اذا كنا نتحرك او لا.. لأن كل حركة نسبية ولا يمكن ان نتكلم عن حركة مطلقة.

سنأتي إلى علاقة هذا بتجربة مايكلسون مورلي ولكن بعد استعراض ما تعنيه الفرضية الثانية.



شرح الفرضية الثانية

لم يكن من الصعب فهم المقصود بالفرضية الأولى للنظرية النسبية بالرغم من صعوبة قبول هذه الفرضية من قبل العلماء في ذلك الوقت لأن العديد من الظواهر التي قابلت العلماء فسرت على اساس وجود الأثير ونسب كل شيء إليه، ولهذا كان من الصعب الاعتراف بفشل فرضية الأثير وهدم كل استنتاجاتهم، فحاول الكثير من العلماء اثبات خطأ النظرية النسبية. أما الفرضية الثانية والمتعلقة بثبات سرعة الضوء ثابتة في الفراغ مهما تغير مكان المشاهد او الراصد لسرعة الضوء.

لتوضيح الجملة الأخير سوف نضرب مثالين من واقع الحياة اليومية.

مثال (1)

عندما نكون في سيارة سرعتها 100 كم/ساعة فإننا نرى الاجسام الثابتة وكأنها هي التي تتحرك بنفس السرعة وفي الاتجاه المعاكس. ولكن عندما تأتي سيارة من الاتجاه المعاكس تسير بسرعة 100 كم/ساعة فإن سرعتها بالنسبة لنا تكون 200 كم/ساعة (لا حظ هنا اننا جمعنا السرعتين في حالة اقتراب السيارة منا)، وإذا تجاوزنا سيارة سرعتها 80 كم/ساعة نقيس سرعتنا بالنسبة لهذه السيارة على أنها 20 كم/ساعة (لاحظ هنا أننا طرحنا السرعتين في حالة ابتعادنا عن السيارة الاخرى). وإذا كانت السيارة الأخرى تسير بنفس سرعة سيارتنا فإننا نقيس سرعة تلك السيارة بالنسبة لنا على انها صفر أي انها ثابتة بالنسبة لنا.

مثال (2)

لنفرض سيارة تسير بسرعة 100 كم/ساعة كما في الشكل وقام شخص باطلاق رصاصة من مسدس في اتجاه حركة السيارة علماً بأن سرعة الرصاصة بالنسبة للمسدس هي 1000 كم/ساعة ثم استدار نفس الشخص وأطلق رصاصة أخرى في اتجاه معاكس لحركة السيارة.



فإذا ما قام شخص على الطريق وقاس سرعة الرصاصة في الحالة الأولى سيجد أنها 1100 كم/ساعة وفي الحالة الثانية سيجد سرعة الرصاصة 900كم/ساعة. وهذا يعود إلى أن سرعة السيارة تجمع مع سرعة الرصاصة في الحالة الأولى وتطرح منها في الحالة الثانية.



هذا التسلسل المنطقي للموضوع محسوس لنا ونعرفه جيداً ولا غرابة في ذلك ولكن ماذا يحدث اذا استبدل المسدس بمصدر ضوئي هنا يتدخل آينشتين ويقول أن الوضع مختلف فسرعة الضوء تبقى ثابتة في كلا الحالتين وتساوي 300 ألف كم / الثانية وهذا لا يتغير مهما بلغت سرعة السيارة ولو فرضنا جدلاً أن السيارة تسير بسرعة الضوء فإن الضوء المنبعث من المصباح سينطلق أيضا بنفس سرعة الضوء.

بالطبع هذا غريب على مفاهيمنا ويتحدى آينشتين بذلك مفاهيم العلماء السابقين ويقول لهم عندما سألوه كيف يمكن تصديق هذا ((ما العمل إذا كان هذا هو من قوانين الكون الأساسية؟)) لم يتوصل آينشتين لهذه الفرضية باجراء التجارب وتحليل النتائج أنما توصل إليها بعد طرح اسئلة لنفسه حول ثبات الكون والتفكير فيه ليصل إلى هذه الفرضية التي طلب من العلماء التسليم بها ليبنوا عليها العديد من التفسيرات للظواهر الكونية. ولكن العلماء كانوا بحاجة إلى أدلة وبراهين للاقتناع بهذه الفرضية فقام الفلكيون برصد الضوء الواصل إلى الأرض من أحد النجوم في الفضاء وكان الهدف من هذه التجربة اثبات خطأ فرضية ثبات سرعة الضوء. وذلك بالاعتماد على أن النجم عندما يدورر حول مركزه يكون مرة مبتعد عنا ومرة أخرى يكون النجم مقترب منا. وعلى هذا الاساس توقع العلماء أن يرصدوا سرعتين مختلفتين للضوء في حالة اقتراب النجم وابتعاده (توقع العلماء ان تكون سرعة الضوء وهو مقترب أكبر منها وهو مبتعد). ولكن المراصد الفلكية لم تقيس أي تغير في سرعة الضوء.



تفسير تجربة ميكلسون مورلي على اساس النظرية النسبية

نعود الآن لتجربة ميكلسون مورلي والتي كانت نتائجها العملية مخالفة للحسابات النظرية المبنية على فرضية الأثير وقلنا أن النتائج كانت سلبية ولم يتمكن العلماء من ايجاد تفسير علمي مناسب مهما عدلوا في فرضية الأثير واضافوا عليه من الخصائص التي ذكرنا بعضا منها. وبتطبيق فروض النظرية النسبية نجد ان المعضلة محلولة لان الاثير غير موجود أصلا وان سرعة الضوء لا تتغير في اي اتجاه. وهذا اثبات آخر لصحة النظرية النسبية



قد يتبادر إلى ذهن القارئ الان عدم تصديق ما سبق ولكن المهم هو فهم الفرضيتين على النحو الذي شرحناه وذلك لأننا سنقوم بتطبيق الفرضيتين معا لشرح النتائج المترتبة على النظرية النسبية وهذا يشمل العناوين التالية:

التأخير الزمني

الانكماش الطولي

القانون العام لجمع السرعات

زيادة الكتلة مع السرعة (الكتلة النسبية)

الطاقة والكتلة

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:42 AM
التأخير الزمني والانكماش الطولي



وصف حدث في النسبية

قبل البدء في مناقشة النتائج المترتبة عن النظرية النسبية الخاصة، يجب ان نوضح بعض المفاهيم الاساسية لكيفية قيام شخص (سنطلق عليه مراقب) برصد حدث ما في الفراغ.

المراقب هو شخص يمتلك آلات علمية دقيقة ليقوم برصد الحدث. وتحديد ابعاده المكانية Dx وابعاده الزمنية Dt .
الحدث هو أي شيء تحت الدراسة من قبل المراقب وللحدث بداية ونهاية. مثل سقوط كرة الى الارض، فبداية الحدث هو بدأ سقوط الكرة ونهاية الحدث هو وصول الكرة إلى الأرض.
محاور الاسناد وهي الاحداثيات المعروفة (x,y,z) التي تحدد موقع الحدث بالنسبة للمراقب، ولكل مراقب محاور اسناد خاصة به.

فمثلا وانت جالس في الغرفة الآن فإنك تستخدم احد اركان الغرفة لتجعلها محاور اسناد لك تستخدمها في وصف الاحداث وتحديد موقعها. اما اذا كنت في سيارة تسير بسرعة v فإن محاور اسنادك تكون ثابتة بالنسبة لحدث ما في السيارة لأن بداية الحدث ونهايته لم تغير من الأبعاد المكانية، أما بالنسبة لشخص خارج السيارة فإن الحدث داخل السيارة يعتبر متحرك بالنسبة له لأن بداية الحدث ونهايته كانتا في مكانين مختلفين بالنسبة لذلك المراقب.




مثال
لنخذ على سبيل المثال حدث يتمثل في انفجار قنبلة على مكان ما على سطح الأرض هذا الحدث له ابعاد مكانية وابعاد زمنية تحدد بواسطة المراقب الذي يقوم برصد ذلك الحدث.
لنفرض أن هنالك مراقبين كان احدهما ثابت والاخر متحرك بسرعة v بالنسبة للحدث. كلا المراقبين يمتلك آلات دقيقة لا تخطئ لرصد الحدث وذلك لتحديد الابعاد المكانية والزمنية للحدث.
المراقب الثابت قام برصد الابعاد المكانية والزمنية للحدث لتحديد بداية الحدث (انفجار القنبلة) وتحديد نهاية الحدث (نهاية الانفجار). وبما أن هذا المراقب كان ثابتاً بالنسبة للحدث فإنه يقيس التغير في الابعاد المكانية على انها صفر لأنه لم يتحرك خلال الحدث اما بالنسبة للابعاد الزمنية فإنه يقيسها على أنها Dt وهي الفترة الزمنية التي استغرقها الحدث.
أما بالنسبة للمرااقب المتحرك فكانت احداثياته (ابعاده) المكانية بالنسبة للحدث متغيرة بمقدار Dx' وكذلك يقيس الابعاد الزمنية على انها Dt'.



في المثال السابق قام مراقبين برصد الحدث (انفجار القنبلة) وكانت النتيجة أن كل منهما حدد الفترة الزمنية للحدث. فكانت للمراقب الثابت Dt وللمراقب المتحرك Dt' وفي حياتنا العادية تكون الفترة الزمنية المقاسة للحدث متساوية لكافة المراقبين، ولا يكون هناك فرق بين قياسات زمن الحدث عند المراقب الثابت أو عند المراقب المتحرك.

ولكن هذا لا يتفق مع آينشتين ولا نظريته النسبية حيث أنه يثبت أن الزمنيين المقاسين بواسطة المراقب الثابت والمتحرك يختلف وأن المراقب المتحرك يقيس زمن الحدث أكبر من المراقب الثابت، ولذلك يعتبر المراقب الثابت ان ساعات المراقب المتحرك تؤخر ولهذا اطلق عليها آينشتين التأخير الزمني Time dilation.



نسبية الزمن (التأخير الزمني)

لتوضيح المقصود بالتأخير الزمني نستخدم التجربة التي استخدمها آينشتين لتوضيح الفكرة حيث أعتبر وجود نبضة ضوئية تنطلق من ارضية قطار يتحرك بسرعة v إلى لتسقط على مرآة مثبتة في سقف القطار على ارتفاع d وتنعكس لتعود على أرضية القطار.

بداية الحدث هو انطلاق النبضة الضوئية من أرضية القطار.
نهاية الحدث هو عودة النبضة الضوئية إلى ارضية القطار بعد انعكاسها على سطح المرآة.

افترض وجود مراقبين أحدهما داخل القطار O' وهو الثابت بالنسبة للحدث والآخر خارج القطار O وهو المتحرك بالنسبة للحدث.



قياسات المراقب الثابت O'
المراقب O' سوف يقيس الزمن اللازم للحدث على أنه المسافة المقطوعة مقسوما على سرعة الضوء. لاحظ هنا ان المراقب O' ثابت بالنسبة للحدث وذلك الاحداثيات المكانية له لم تتغير بين بداية الحدث ونهايته كما هو موضح في الشكل المقابل.

المسافة المقطوعة هي ضعف ارتفاع السقف 2d وتكون الفترة الزمنية للحدث بالنسبة للمراقب O' على النحو التالي:

قياسات المراقب المتحرك O
المراقب O يجري قياساته ولكن هو متحرك بالنسبة للحدث (أو أن الحدث متحرك بالنسبة له) حيث أن بداية الحدث ونهايته تحدثان في مكانين مختلفين بالنسبة للمراقب O كما في الشكل. فخلال الفترة الزمنية التي استغرقها الحدث يكون القطار قد تحرك إلى اليمين مسافة vDt. حيث Dt زمن الحدث الذي يقيسه المراقب O. يوضح الشكل المقابل مسار النبضة الضوئية بالنسبة للمراقب O. وهنا يكون مسار النبضة الضوئية أضول من مسارها بالنسبة للمراقب O'.



من الفرضية الثانية للنظرية النسبية تكون سرعة النبضة الضوئية ثابتة بالنسبة للمراقبين وتساوي سرعة الضوء c. وحيث أن المسار الذي يسلكه الضوء بالنسبة للمراقب O أطول من المسار للمراقب O' فإن الزمن الذي يقيسة O يكون أكبر من الزمن الذي يقيسه O'.



العلاقة الرياضية بين قياسات المراقب O' والمراقب O

لنعتبر أن الخط الأصفر يحدد مسار الضوء كما يرصده المراقب O' والخط الاسود المتقطع هو المسار الذي يرصده المراقب O. من المثلث الأيسر يمكن تطبيق نظرية فيثاغورس على النحو التالي:




حيث d هو ارتفاع سقف القطار. وبحل المعادلة لايجاد الفترة الزمنية Dt


نحصل على العلاقة الرياضية بين القياسات الزمنية لكل مراقب.


g = (1 - v2/c2)-1/2


--------------------------------------------------------------------------------

ملاحظات

(1) حيث أن السرعة التي يسير بها القطار لا يمكن ان تصل إلى سرعة الضوء لذا يكون المقدار g اكبر من الواحد.

g > 1

ولهذا تكون القياسات الزمنية لمراقب O أكبر من O'.

Dt > Dt'

(2) في حالة السرعات العادية مثل سرعة سيارة او سرعة طائرة أو سرعة صاروخ فإن هذه السرعة تعتبر صغيرة جداً بالمقارنة بسرعة الضوء أي v<
(3) نستنتج أن في حالة السرعات الكبيرة تكون ساعات المراقب المتحرك بالنسبة للحدث تقيس زمن اطول من ساعات المراقب الثابت بالنسبة للحدث.

(4) سوف نعتبر الزمن الحقيقي proper time لحدث ما هو الزمن الذي يقيسه المراقب الثابت بالنسبة للحدث.



التأخير الزمني في ساعة المراقب المتحرك بالنسبة للحدث لها تأثير على العديد من الظواهر الطبيعية مثل زمن التفاعلات الكيميائية والبيولوجية، فعلى سبيل المثال نبضات قلب الانسان في مركبة فضائية تسير بسرعة كبيرة قد تصل إلى 60% من سرعة الضوء يقيس نبضات قلبه طبيعية، بينما لمراقب على الارض يقيس نبضات قلب الشخص في المركبة الفضائية أقل من معدلها الطبيعي وذلك نتيجة للتأخير الزمني وكلما زادت سرعة المركبة الفضائية كلما قل معدل نبضات قلب الرجل في المركبة الفضائية بالنسبة المراقب الأرضي.



ظاهرة علمية لم تفسر إلا من خلال التأخير الزمني

التأخير الزمني ظاهرة حقيقية وتم اختبار صحتها من خلال العديد من التجارب العملية. ونستشهد هنا بالتجربة التي جرت على جسيمات أولية تدعى ميونز muons (الجسيمات الأولية مثل الألكترون والبروتون والنيوترون والكوارك وجسيمات بيتا).

الميون هو جسيم غير مستقر (يتحول إلى الكترون بعد فترة زمنية محددة) من الجسيات الأولية يحمل شحنة تساوي شحنة الألكترون وكتلته تعادل 207 كتلة الألكترون. تنتج هذه الميونات في طبقات الغلاف الجوي العليا نتيجة لامتصاص الغلاف الجوي الأشعة الكونية. هذه الميونات لها عمر يساوي 2.2 ميكروثانية كما قيست في المختبر، أي أن المراقب (العالم في المختبر) الذي حدد زمن بقاء هذه الجسيمات كان ثابت بالنسبة لتلك الجسيمات.

فإذا علمنا أن هذه الجسيمات تسير بسرعة قريبة من سرعة الضوء ومن عمر بقائها يمكن حساب المسافة التي يمكن ان تقطعها في الغلاف الجوي باتجاه الكرة الارضية. وهذه المسافة تقدر بـ 600 متر وهذه المسافة قصير جدا بالنسبة لسمك الغلاف الجوي ولا يمكن بالتالي من أن تصل هذه الجسيمات إلى سطح الأرض.


المراصد الأرضية رصدت وجود هذه الميونات على سطح الأرض.. السؤال الآن كيف وصلت هذه الميونات إلى سطح الأرض وهذا يعني أنها قطعت مسافة 4800 متر مما يتعارض مع كون عمرها 2.2 ميكروثانية.

ظاهرة التأخير الزمني لديها الحل في تفسير وصول هذه الجسيمات لسطح الأرض حيث أن الجسيمات تسير بسرعة قريبة من سرعة الضوء أي 0.99c فإن زمن بقائها يكون أطول بالنسبة للمراقب على الأرض وبالتعويض في معادلة التأخير الزمني (معادلة 3) يكون عمر الميونات بالنسبة للمراقب على الأرض 16 ميكروثانية. وهذا يفسر وصول تلك الميونات إلى سطح الأرض.



تجارب أخرى جرت على الميونات في العام 1976 في مختبرات CERN بجنيفا وذلك بتعجيل ميونات منتجة في المختبر إلى سرعات تصل إلى 99% من سرعة الضوء وتم قياس عمر بقاء هذه الميونات قبل أن تتحول إلى الكترونات وكانت نتائج القياسات منطبقة تماماً مع معادلة التأخير الزمني.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:43 AM
نسبية اللحظة

لاحظنا في الموضوع السابق أن الزمن نسبي ويعتمد على محاور اسناد المراقب بالنسبة للحدث كما وان المراقب المتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء بالنسبة للحدث يجد أن الزمن المقاس يتباطئ عنه بالنسبة للمراقب الثابت بالنسبة للحدث. وهذا يعود إلى الفرضية الثانية للنظرية النسبية في ثبات سرعة الضوء في كافة الأتجاهات. في الموضوع الحالي سوف نتعرض إلى موضوع جديد وهو نسبية اللحظة أو الآنية.. فكثيرأ ما نقول أن حدثين ما قد حدثا في نفس اللحظة وهذا لا يختلف عليه اثنان كان يرصدا هذين الحدثين. ولكن آينشتين من خلال نظريته النسبية يبين لنا أن ذلك نسبياً أيضأ فحدثين آنيين بالنسبة لمراقب (الفارق الزمني بينهما صفر) قد يكون غير ذلك بالنسبة لمراقب متحرك. ولتوضيح ذلك نأخذ المثال التالي:

مثال

لنفترض قطار طويل جدا يبلغ طوله (5400000 كيلومتر) يسير في خط مستقيم بسرعة منتظمة تبلغ (240000 كيلومتر في الثانية). ولنفترض ان مصباحاً ضوئيا اوقد في منتصف القطار في اللحظة الزمنية التي تقابل فيها المراقب O' داخل القطار والمراقب O على الرصيف. ولنفترض أنه يوجد باب الكتروني في مقدمة القطار وباب آخر في مؤخرة القطار يفتحا تقائيا عند وصول النبضة الضوئية. ما الذي سيراه كلا من المراقب O' داخل القطار والمراقب O خارج القطار.

بما أن الضوء ينتشر في الفراغ بسرعة ثابتة وهي 300000 كيلومتر في الثانية لكل المراقبين مهما بلغت سرعتهم بالنسبة لبعضهم البعض أو بالنسبة للضوء.

بداية الحدث انطلاق الضوء من المصباح المثبت في وسط القطار.
نهاية الحدث وصول الضوء إلى باب القطار الأمامي والخلفي.



وصف ما يراه المراقب الثابت O'
حيث أن المراقب O' هو المراقب الثابت بالنسبة للحدث لأن مكانه لم يتغير بين بداية الحدث ونهايه، لذا فإنه سيرى أن الباب عند مقدمة العربة سيفتح في نفس الوقت الذي يفتح فيه الباب عند مؤخرة العربة أي ان البابين يفتحا في نفس اللحظة بالنسبة للمراقب O'. ويقيس الفترة الزمنية لوصول النبضة الضوئية للباب الأمامي بقسمة نصف طول القطار على سرعة الضوء فتكون النتيجة تسعة ثواني وكذلك الحالة للزمن المقاس للنبضة الضوئية لتصل إلى الباب الخلفي. وبهذا يرى المراقب O' أن البابين يفتحا معا بعد 9 ثواني.


قياسات المراقب المتحرك O
المراقب O يرى الحدث بطريقة مختلفة فالضوء ينتشر بالنسبة له بسرعة ثابتة (300000 كيلومتر في الثانية) ولكن الباب الخلفي يقترب من الضوء في حين الباب الأمامي يبتعد عنه بسرعة القطار (240000 كيلومتر في الثانية). ولهذا يرى المراقب O أن الباب الخلفي يفتح أولاً ثم بعد فترة زمنية يفتح الباب الأمامي دلالة على أن الضوء وصله. وبالتالي لا يكون حكمه على الحدث أنه في نفس اللحظة.

المراقب O يقيس الزمن اللازم لوصول النبضة الضوئية للباب الخلفي =



ويقيس الزمن اللازم لوصول النبضة الضوئية للباب الأمامي =



إذا فسيبدو للمراقب O على الرصيف أن بابي القطار لم يفتحا في نفس اللحظة. ففي البداية سيفتح الباب الخلفي للقطار بعد زمن 5 ثواني من انطلاق النبضة الضوئية بينما الباب الأمامي فلن يفتح إلا بعد مضي (5-45 =40) 40 ثانية.

وبهذا فإن الحدثين المماثلين، أي فتح بابي القطار الامامي والخلفي لمراقب يكونا في آن واحد. أما لمراقب آخر فإنهما يبدوان منفصلين بفترة زمنية.



نسبية الطول (الإنكماش الطولي)

كما وجدنا في الموضوعات السابقة أن الفترة الزمنية بين حدثين هو نسبي وتعتمد على محاور اسناد المراقب، وكذلك وجدنا أن حدوث حدثين في نفس اللحظة هو امر نسبي أيضاً لان نفس اللحظة لمراقب تكون غير ذلك لمراقب آخر متحرك بسرعة بالنسبة للحدثين. في هذا الموضوع سنجد أيضا ان الطول أو المسافة بين نقطتين هي من الأمور النسبية وتعتمد على محاور اسناد المراقب الذي يقيس المسافة.

في البداية سنعرف الطول الأصلي proper length على انه الطول الذي يقيسه المراقب الثابت بالنسبة للجسم المراد قياس طوله أو الثابت بالنسبة للنقطتين المراد تحديد المسافة بينهما. ولا يعني الطول الاصلي بأنه المسافة التي يقيسها المراقب بين نقطتين في نفس اللحظة. حيث تثبت النظرية النسبية الخاصة أن الاجسام تنكمش في اتجاه حركتها. وهنا لا نقصد بالانكماش الناتج عن تغير درجات الحرارة أو غير ذلك، وولكن الانكماش هنا يعتمد فقط على سرعة الجسم بالنسبة للمراقب الثابت مهما كاانت نوع مادة الجسم.

اذا افترضنا جسم طوله الاصلي هو 'L وأن هذا الجسم يسير بسرعة v بالنسبة للأرض فإن المراقب الارضي سيقيس طول هذا الجسم على أنه L والعلاقة بين الطولين كما سنثبتها لاحقا في (محاضرات في النسبية) هي على النحو التالي:



ويكون الطول L أقل من الطول الذي يقيسه المراقب الارضي 'L حيث أن المقدار تحت الجذر يكون دائماً أفل من الواحد.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:45 AM
المادة المضادة
Antimatter



المادة المضادة مادة مؤلفة من جسيمات أولية، نقيض للجسيمات العادية. هذه الجسيمات النقيضة تدعى الجسيمات المضادة. يشابه الجسيم المضاد نظيره الجسيم العادي تمامًا في كل خواصه عدا شحنته، فهي معكوسة. فالإلكترون مثلاً جسيم عادي ذو شحنة كهربائية سالبة، وجسيمه المضاد، البوزيترون، يشبهه تمامًا، غير أن البوزيترون يحمل شحنة كهربائية موجبة. كذلك تتحد الجسيمات المضادة تمامًا مثلما تفعل الجسيمات العادية. فمثلاً، قد يتّحد نيوترون مضاد مع بروتون مضاد، وبذلك يكونان الديوترون المضاد (نواة ذرة ديوتريوم مضاد).

كان الفيزيائي البريطاني بول ديراك أول من وصف المادة المضادة عام 1930م، قبل أن يكتشفها أو ينتجها أي باحث. ومنذ ذلك الحين أنتج الفيزيائيون مستخدمين معجلات جسيمات عالية الطاقة، العديد من الجسيمات المضادة، بما فيها البوزيترونات، والنيوترونات المضادة، والبروتونات المضادة.

وعندما يصطدم جسيم عادي بجسيمه المضاد، فإن الجسيمين يدمران بعضهما بعضًا، وتنتج طاقة أو جسيمات أخرى، ويسمى هذا الاصطدام الفناء. ويرى العديد من العلماء أن مثل هذه الاصطدامات قد تفسر الاختفاء الظاهري للمواد المضادة الموجودة بصورة طبيعية في الكون. ويرون أن الكون بدأ بانفجار يُدعى الانفجار العظيم، وأن المادة كانت موجودة بكميات أوفر من المادة المضادة بعد الانفجار. انظر: الكونيات، علم. ووفقًا لهذه النظرية، فإن المادة الموجودة في الكون اليوم هي بقايا صغيرة بعد أن فنت معظم المادة مع المادة المضادة





الجاذبية المضادة
Antigravity



الجاذبية المضادة قوة طرد فرضية. وقد تم وصفها في بعض قصص الخيال العلمي، لكن لم يتم رصدها بوساطة العلماء. ونظريًا، فإن الجاذبية المضادة تشابه الجاذبية، عدا أنها تجعل الأشياء تتنافر، بدلاً من أن يتجاذب بعضها نحو بعض. مثلاً، تسحب الجاذبية على الأرض الأشياء في اتجاه مركز الكوكب. لكن الجاذبية المضادة، إذا كانت موجودة، تدفع الأشياء بعيدًا عن مركز الأرض، وعليه فإن الأشياء "تسقط" إلى أعلى بدلاً من السقوط على الأرض.

يخمن بعض الناس أنه، مادامت القوى الكهربائية يمكن أن تكون جاذبة أو طاردة، فإن قوى الجاذبية أيضًا يمكن أن تكون إما جاذبة أو طاردة. ولكن القوى الكهربائية يمكن أن تكون جاذبة أو طاردة، لأنها تُنْسب إلى الشحنة الكهربائية الموجبة أو السالبة. ولهذا السبب فإن الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المختلفة تتجاذب. ومن ناحية أخرى، فإن قوى الجاذبية تتناسب مع الكتلة، أي كمية المادة التي تشكل الجسم، والكتلة دائمًا موجبة. كذلك ليس للمادة مقابل سالب معروف. لذا يبدو أن قوى الجاذبية يجب أن تظل دائمًا جاذبة. ووفقًا لهذا الرأي، فإن الجاذبية المضادة ليست احتمالاً عمليًا.

ومن الممكن على كل حال، تقديم دليل على الجاذبية المضادة برصد المادة المضادة. انظر: المادة المضادة. ويخمن القليل من العلماء أن المادة المضادة تسقط إلى أعلى. ولم يستطع أحد حتى الآن أن يرصد مادة مضادة ساقطة بحريَّة. لكن بعض التجارب الأخرى، قادت أغلب الفيزيائيين إلى أن يستنتجوا أن المادة المضادة، مثل المادة يجب أن تسقط في اتجاه مركز الأرض.




الأبسيلون
Upsilon particle



الأبسيلون أثقل جُسيم تحت ذري معروف حتى الآن.كتلته تساوي كتلة البروتون مضروبة في عشرة تقريبًا. وجُسيم أبسيلون جُسيم غير مستقر، يتفكك بسرعة إلى جسيمات أخف، وهو خالٍ من أي شحنة كهربائية.

وجُسيمات أبسيلون من طراز ميزون ، وهو جُسيم يتكون من وحدات تُسمى كواركات . ويتكون جُسيم الأبسيلون من كوارك ونظيره المضاد المسمى مضاد الكوارك ، وعندما يتفكك جُسيم أبسيلون فإن الكوارك ومضاد الكوارك يحطم كل واحد منهما الآخر. ونتيجة للتحطيم تتحرر طاقة وتتكون جُسيمات أخف.

اكتشف جُسيم أبسيلون عام 1977م فريق من الفيزيائيين الأمريكيين بقيادة ليون ليدرمان، حيث أنتجوا هذا الجسيم عن طريق صدم نويات ذرية خفيفة ببروتونات عالية الطاقة. يتفكك جسيم أبسيلون بسرعة فائقة لدرجة تصعب معها رؤيته. وقد تم الكشف عنه بمراقبة الجسيمات الأخف الناتجة عن تفككه. وتشير كتلة الأبسيلون الكبيرة إلى أن كواركه أثقل من الكواركات الأخرى. وقد سمي هذا الكوارك الجديد الكوارك ـ ب




الأثير
Ether



الأثير مادة في علم الفيزياء. كان يُعتقد أنها تملأ كل الفضاء. وفي أواخر القرن السابع عشر اعتقد بعض علماء الفيزياء أن الضوء يسير في موجات، وعرفوا أن الضوء يمكن أن يسير خلال فراغات توجد صناعيًا، وخلال فراغ الفضاء الخارجي. ولكنهم لم يستطيعوا أن يفسروا كيف أن الضوء يمكنه أن يسير بدون وسط (مادة يسير خلالها). ولذلك فقد افترضوا وجود أثير حامل للضوء بوصفه مادة تختلف عن كل المواد الأخرى. وهو لا يمكن أن يُرى أو يُحَس أو يُوزن، ونجده في الفراغات والفضاء الخارجي وخلال كل مادة. واعتقد العلماء أن الأثير ثابت وأن الكرة الأرضية والأجسام الأخرى في الفضاء - تتحرك خلاله.

وفي عام 1864م، اقترح الفيزيائي كلارك ماكسويل أن موجات الضوء كهرومغنطيسية، وتسير كاضطرابات للمجال الكهرومغنطيسي. ولذلك، فإنها لا تحتاج إلى وسط لتسير فيه. ولكن ماكسويل وفيزيائيين آخرين ظلوا يعتقدون بوجود الأثير.

وفي عام 1887م، قام عالمان أمريكيان، هما ألبرت مايكلسن، وإدوارد مورلي بإجراء تجربة لقياس سرعة الكرة الأرضية بالنسبة للأثير. وقد أوضحت اكتشافاتهم أن الكرة الأرضية لا تتحرك خلال الأثير. ولكن الفيزيائي الهولندي هندريك لورنتز، شرح الكشف بافتراض أن الأثير يؤثر في المادة بطريقة معقدة. وفي عام 1905م، نشر الفيزيائي الألماني المولد ألبرت أينشتاين، نظريته الخاصة في النسبية التي تُظهر كيف يسلك الضوء، وأنه لا يعتمد على وجود الأثير.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:46 AM
البصريات الليفية




البصريات الليفية فرع من علم الفيزياء يرتكز على ظاهرة انتقال الضوء عبر ألياف شفافة من الزجاج أو البلاستيك. وتستطيع هذه الألياف البصرية، أن تحمل الضوء عبر مسافات تتراوح بين سنتيمترات قليلة وأكثر من 160كم. ومثل هذه الألياف يُمْكن أن تعمل بشكل فردي أو في شكل حزَم، وبعض الألياف الفردية يبلغ طول قطرها أقل من 0,004مللم.

والألياف البصرية لها لُبٌ من الزجاج أو اللدائن، ولها درجة عالية من الشفافية ومحاطة بغطاء يسمى الغلاف.

ويصل الضوء الصادر من جهاز الليزر، أو من مصباح كهربائي، أو من بعض المصادر الضوئية الأخرى إلى إحدى نهايتي الليف البصري. وعندما ينتقل عبر اللُب، يحبسه الغلاف في الداخل. ويقوم الغلاف بعملية ثني أو عكس ـ إلى الداخل ـ لأشعة الضوء المصطدمة بسطحها الداخلي.

وعند النهاية الأخرى لليف يستَقْبل الضَوء كشافٌ مثل نبيطة حساسة للضوء أو العين البشرية.


أنواع الألياف الصناعية. يوجد نوعان رئيسيان من الألياف البصرية، هما الألياف الأحادية الشكل والألياف المتعددة النمط. وتُستَعْمل الألياف أحادية الشكل في عملية النقل طويل المسافة. ولهذه الألياف لُبٌّ صغير جدًا. وهي تتلقى الضوء في محاذاة المحور فقط. ونتيجة لهذا فإن الألياف أحادية الشكل تستلزم استعمال نوع خاص من أجهزة الليزر كمصدر للضوء، كما تحتاج كذلك إلى أن تكون مُتَّصلة بدقة بجهاز الليزر، وبنوع آخر من الألياف وبكشاف.

أما الألياف المتعددة النمط فلها لُب أكبر من لُب الألياف أحادية النمط، وهي تتقبل الضوء من زوايا مختلفة. وفي الألياف متعددة النمط يمكن استعمال أنواع أكثر من المصادر الضوئية، ومُوَصِّلات أرخص من تلك التي تُستعْمل في الألياف أحادية النمط، إلا أنها لايمكن استعمالها عبر مسافات طويلة.


استعمالات الألياف البصرية. للألياف البصرية استعمالات كثيرة. منها ما يستعمل في أنظمة اتصالات الألياف البصرية، حيث يقوم جهاز ليزر خاص بنقل الرسائل المُشفَّرة عن طريق ومضات ضوئية عالية السرعة. وتنتقل الرسائل عبر الألياف البصرية إلى نبائط حل شفرة الرسائل التي تحولها إلى الإشارة الأصلية.

وأنظمة اتصالات الألياف البصرية لها عدة مميزات، تجعلها مُتفوِّقة على الأنظمة، التي تَستخدِم الأسلاك النحاسية التقليدية؛ إذ إن لها قدرة على حمل معلومات أكبر. وهي كذلك ليست عُرضةً للتداخل الكهربائي،كما أن الإشارات المُرْسلَة لمسافات طويلة عبر كبلات الألياف البصرية، تحتاج إلى تقوية أقل من الإشارات المرسلة عبر الكبلات النحاسية لمسافة مماثلة. وكثيرٌ من شركات الاتصالات أسست لها شبكة كبلات من الألياف البصرية. وتحمل أسلاك الألياف البصرية الإشارات تحت الماء عبر المحيطين الأطلسي والهادئ.

وكذلك فإن الألياف البصرية مناسبة جدًا للاستعمالات الطبية؛ حيث يمكن صناعتها على شكل خيوط مرنة ودقيقة جدًا لإدخالها في الأوردة الدموية والرئتين، وفي الأجزاء المجوفة الأخرى من الجسم.كما أنها تُستعْمَل في كثير من الأدوات التي تساعد الأطباء على رؤية الأجزاء الداخلية من الجسم دون حاجة إلى إجراء جراحة.
كما تُستخدم الألياف البصرية في جراحة الليزر أو أجهزة قياس درجة الحرارة أو الضغط.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:46 AM
الاتصالات السلكية واللاسلكية



الاتصالات السلكية واللاسلكية بث واستقبال الرسائل عبر مسافات بعيدة. وأول أشكال الاتصالات كان الإشارة بوساطة الأعلام أو المصابيح أو الدخان. وفي الوقت الحاضر أصبحت الاتصالات تشير إلى أنواع واسعة من أنظمة الاتصال الكهربائية والإلكترونية التي تقوم ببث المعلومات إلى جميع أنحاء العالم. ترسل أنظمة الاتصالات الحديثة الرسائل وتستقبل الأصوات والمواد المطبوعة والصور المرئية في جزء من الثانية.

تضم أجهزة الاتصالات السلكية واللاسلكية العامة الهواتف وأجهزة التلفاز والراديو. وتُستعمل أنواع أخرى من الأنظمة في الصناعة. وهذه الأنظمة يمكن أن تبث معلومات مثل الحجز على الطائرات والعمليات المصرفية، وتقارير البورصات. وتعتمد الصحف على الطابعة عن بعد (التيليبرنتر) والهواتف الناقلة للصور الضوئية للحصول على الأخبار والصور من جميع أنحاء العالم. ويتم الاتصال بين المحطات الفضائية والمحطات الأرضية عن طريق الاتصالات.

وتبث معظم أنظمة الاتصالات السلكية واللاسلكية الرسائل بوساطة الأسلاك والراديو والأقمار الصناعية، كما أن العديد من رسائل البرق أو التلغراف والمحادثات الهاتفية وبالذات المحادثات المحلية، تتم عبر الأسلاك التي توضع في كبلات تحت الأرض. وتضطلع الكبلات في أعماق البحار بالاتصالات الخارجية. ويتم بث الإرسال التلفازي والراديوي في الهواء بوساطة موجات الراديو. فموجات الراديو المعروفة بالموجات المتناهية الصغر أو الدقيقة أو المايكروويف تبث الإشارات التلفازية إلى مسافات بعيدة للغاية. وتبث أقمار الاتصالات التي تتخذ مداراتها حول الأرض إشارات الهاتف والتلفاز وإشارات الاتصالات الأخرى إلى جميع أنحاء العالم. هناك وسيلتان لبث الاتصالات هما البث النظير والبث الرقمي . ويستخدم البث النظير إشارات مطابقة للصوت أو الصورة التي يتم بثها. فالهاتف المعتمد على البث النظير مثلاً، يبث تيارًا كهربائيًا يحاكي نمط موجات صوت المتحدث. وهذا التيار ينتقل عبر الأسلاك ويتم تحويله مرة أخرى إلى موجات صوتية في سماعة الهاتف. وتتحول الإشارات في البث الرقمي إلى شفرة.

وللشفرة في معظم الحالات عنصران مثل عنصر النقطة ـ الشرطة كما هو في شفرة مورس أو وميض الضوء وانطفائه. وفي أحد أنواع أنظمة الهواتف الرقمية ترسل الشفرة بوساطة عمود من النور سريع الومض، ويقوم جهاز الاستقبال بإعادة فك رموز الشفرة
وتنتج نبيطة (جهاز) تسمى الليزر الضوء الذي ينتقل عبر خيوط دقيقة من الزجاج تسمى الألياف البصرية.

وعندما يتم بث محادثة هاتفية فإن الضوء في هذا النظام يومض وينطفئ حوالي 45 مليون مرة في الثانية. وهذا المعدل العالي يمكِّن اثنين من الألياف البصرية من حمل حوالي 6,000 محادثة في نفس الوقت. ولو نقلت هذه المحادثات على نظام البث النظير لتطلبت 250 سلكًا نحاسيًا. كما أن البث الرقمي أقل ضوضاء واختلالاً من نظام البث النظير. ويجري الآن تحويل العديد من أنظمة الاتصالات من البث النظير إلى البث الرقمي.

وتعتمد الاتصالات الآن على الإنترنت، وهي شبكة ضخمة من الحواسيب تربط بين المؤسسات التجارية والمعاهد والأفراد حول العالم. وتقوم الانترنت أو الشبكة المترابطة للشبكات، بربط عشرات الألوف من شبكات الحاسوب الصغيرة، وتمكن مستخدمي الحاسوب في جميع أرجاء العالم من إرسال الرسائل واستقبالها، وتبادل المعلومات بأشكالها المختلفة وغير ذلك. وتحتاج الحواسيب إلى معدات وبرمجيات خاصة للاتصال بالإنترنت أهمها جهاز المودم،

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:48 AM
المودم



المودم نبيطة أو جهاز يساعد الحاسوب (الكومبيوتر) في إرسال البيانات واستقبالها عبر شبكة الهاتف. وكلمة مودم تعني المُعدِّل أو الكاشف. ويعمل المودم على ترجمة الإشارات الكهربائية الرقمية للحاسوب إلى نغمات يمكن انتقالها على خطوط الهاتف. ويعمل المودم في الطرف الآخر على ترجمة هذه النغمات مرة أخرى إلى بيانات حاسوبية. ولا يقتصر عمل المودم على إرسال واستقبال البيانات المكتوبة، ولكنه يستقبل الصوت أيضًا، والصور، والصور المتحركة.

سهلت المودمات والبرمجيات الحاسوبية اتصال مستخدمي الحاسوب بعضهم ببعض في جميع أرجاء العالم. ولبدء الاتصال يقوم المودم أولاً بإرسال إشارة تمثل رقم الهاتف. ثم توجه شبكة الهاتف الإرسال إلى الجهاز ممثلاً بالرقم نفسه. ويمكن إجراء الاتصال مباشرة مع المودم في حاسوب آخر، أو عبر شبكة الحاسوب الواسعة التي يطلق عليها الإنترنت.

ومتى كان عمل المودم سريعًا كان استقبال المعلومات المعقدة سهلاً. ويتم قياس سرعة المودم بوحدات بت (نبضة) في الثانية. ساعدت المودمات السريعة رخيصة الثمن الملحقة بالحاسوبات الشخصية على انفجار ثورة الاتصالات المعروفة باسم خدمة على ـ الخط في نهاية القرن العشرين.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:49 AM
الأشعة تحت الحمراء



الأشعة تحت الحمراء تسمى في الغالب الأشعة الحرارية، وتشبه أشعة الضوء، ولكن لا يمكن رؤيتها بالعين البشرية. وهي شكل من الإشعاع الكهرومغنطيسي، وتعمل بطريقة مماثلة لأشعة الضوء فيما يتعلق بالانعكاس على حد سواء. انظر: الضوء.

وأي شيء مثل الكرسي على سبيل المثال، يطلق أشعة تحت حمراء لها علاقة بدرجة حرارته. وعندما تزداد حرارة الشيء فإنه يطلق المزيد من الأشعة تحت الحمراء. وهنالك نبائط مثل مرقب القناص، الذي اختُرع أثناء الحرب العالمية الثانية (1939-1945م) يستطيع التقاط الأشعة تحت الحمراء من الأشياء التي تكون درجة حرارتها أعلى من محيطها. وبهذه الطريقة فإن تلك النبائط تستطيع رؤية مثل هذه الأشياء في الظلام أو من خلال الضباب.

ويستخدم المصورون الأفلام الحساسة للأشعة تحت الحمراء لالتقاط الصور في الأماكن التي لا يوجد فيها ضوء مرئي.كما يستخدم الأطباء مصابيح الأشعة تحت الحمراء لعلاج أمراض الجلد والعضلات المتقرِّحة. وبهذه العلاجات، تمر الأشعة تحت الحمراء عبر جلد المريض، وتولد حرارة عندما تصيب أعضاءه المتأثرة بالمرض.

وتوجد الموجات تحت الحمراء خلف النهاية الحمراء لطيف الضوء المرئي مباشرة. وكان السير وليم هيرشيل، عالم الفلك البريطاني هو الذي اكتشف هذه الأشعة عام 1800م بملاحظة أثر الحرارة الذي تخلفه





أشعة جاما



أشعة جاما شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغنطيسي يشبه الأشعة السينية. ولأشعة جاما طول موجي أقصر من الطول الموجي للأشعة السينية،كما أنهما يختلفان في أصلهما أيضًا. تنتج الأشعة السينية خلال عدة عمليات مختلفة مرتبطة بالإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة بينما تنبعث أشعة جاما من النواة نفسها.

تنبعث من نوى اليورانيوم وعناصر إشعاعية طبيعية أخرى جسيمات ألفا أو بيتا مع انبعاث أشعة جاما في الوقت نفسه، وتتحول العناصر بذلك إلى عناصر جديدة. ويمكن أن تنبعث أشعة جاما بمفردها من خلال ما يعرف باسم التحولات التماكبية. ولا يغير بث أشعة جاما تركيب النواة. وبدلاً من ذلك، تفقد جزءًا محدودًا من الطاقة

ربما تحمل أشعة جاما ملايين الإلكترون فولت من الطاقة وباستطاعتها اختراق أنواع عديدة من المواد. ولكن باستطاعة بعض المواد امتصاص أشعة جاما. على سبيل المثال، تستطيع شريحة من الحديد سمكها 1,3سم امتصاص 50% من أشعة جاما ذات مليون إلكترون فولت. وتعادل هذه القدرة الامتصاصية قدرة 10سم من المياه أو 0,65سم من الرصاص.

تفقد أشعة جاما الطاقة عندما تصطدم مع الذرات خلال مرورها عبر المادة. وخلال هذه الاصطدامات، ربما تفصل أشعة جاما الإلكترونات من الذرات الأم. تُدعى هذه العملية التأين (التحويل إلى أيونات)، لأنها تحول الذرة المتعادلة إلى ذرة مشحونة تدعى الأيون. يُدعى الإلكترون الحر والذرة المشحونة الموجبة الأيون المزدوج. وقد تنبعث أشعة جاما ذات الطاقة العالية من المادة الموجودة بقرب النواة، وذلك بتكوين زوج من الإلكترونات يسميان البوزيترون (جسم موجب ذو كتلة تعادل كتلة الإلكترون) والنقترون (إلكترون عادي ذو شحنة سالبة). وفي هذه العملية يتم امتصاص أشعة جاما. وعملية إيجاد زوج الإلكترونات هذه بوساطة أشعة جاما هي عكس ما يحدث عندما يتحد النيوترون والبوزيترون.فعندما يتحد هذان الجسيمان فإنهما يتلاشيان وينتج عن ذلك شعاعان من أشعة جاما ذوا طاقة متساوية. وتدعى هذه العملية الفناء، وغالبًا ما تدعى أشعة جاما الناتجة أشعة الفناء.

تقذف كميات ضئيلة من أشعة جاما الصادرة عن المواد المشعة الطبيعية في الصخور والتربة أجسامنا بشكل ثابت. تمر بعض هذه المواد يوميًا إلى أجسامنا عبر الهواء الذي نتنفسه والماء الذي نشربه. تُنتج أشعة جاما التي تمر داخل الجسم تأيّنًا في الأنسجة. وإذا كانت بكميات كبيرة فإنها تضر خلايا الجسم. ورغم خطورتها فقد تكون ذات فائدة في معالجة الأورام الحميدة والخبيثة.كما أنها تستخدم أيضًا في الكشف عن صدع الفلزات وحفظ الأطعمة.





الإشعاع الضوئي




الإشعاع الضوئي أو الضيائية، هو انبعاث الضوء بطرق أخرى غير الحرارة. ويعرف انبعاث الضوء بوساطة الحرارة بالتوهج الحراري. والإشعاع الضوئي غالبًا، يشمل الضوء المنظور. ويمكن أن يشير أيضًا إلى الأشعة تحت الحمراء وأشكال أخرى من الإشعاع لا تُرى بالعين.

ولكي تصبح المادة ذات إشعاع ضوئي لابد أن تتشبع إلكترونات الذرّات بالطاقة. وتتخلص الإلكترونات من الطاقة الزائدة بإطلاق الضوء. والطاقة المنتجة للضوء تأتي من مصادر متنوعة منها: التيار الكهربائي، الأشعة السينية، الأشعة فوق البنفسجية، ومن تفاعلات كيميائية معينة.

أما الضوء الذي يصدر عن اليراع، وبعض الكائنات الحية فيسمى التفسفر الأحيائي. ويسمى الإشعاع الذي يتوقف بمجرد إزالة مصدر الطاقة الفلورة. أما الإشعاع الضوئي الذي يستمر لحظات أو حتى أيامًا بعد إزالة مصدر الطاقة فيسمى وميضًا فسفوريًا.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:52 AM
الأشعة السينية



الأشعة السينية وتسمى أيضًا أشعة إكس، واحدة من أكثر أنواع الطاقة فائدة. وقد اكتشفها العالم الفيزيائي الألماني ويلهلم رونتجن في عام 1895م. ولأنه لم يكن يعرف كنهها في البداية، فقد أطلق رونتجن على هذه الأشعة اسم أشعة x؛ أي الأشعة السينية، لأن (س) في العربية و (x) في الإنجليزية رمزان علميان يطلقان على المجهول.

والآن يعرف العلماء أن الأشعة السينية هي نوع من الإشعاع الكهرومغنطيسي الذي يتضمن الضوء المرئي، وموجات الراديو وأشعة جاما. وتشترك الأشعة السينية والضوء المرئي في كثير من الخصائص. فمثلاً تنتقل الأشعة السينية بسرعة الضوء 299,792كم/ث، كما أن كلاً من الأشعة السينية والضوء المرئي، يتحركان في خطوط مستقيمة على هيئة طاقة كهربائية وطاقة مغنطيسية مرتبطتين بعضهما ببعض تسببان معًا الموجات الكهرومغنطيسية. ومن جهة أخرى فإن الأشعة السينية تعتم أفلام التصوير الضوئي مثلما يفعل الضوء.

ومع ذلك فإن الأشعة السينية والضوء يختلفان في الطول الموجي وهو المسافة بين ذُروتين لموجة كهرومغنطيسية. فالطول الموجي للأشعة السينية أقصر كثيرًا من الطول الموجي للضوء. ولهذا السبب يمكن للأشعة السينية أن تخترق مواد كثيرة لا ينفذ منها الضوء. وقد أدت قوة الاختراق بالإضافة إلى خصائص أخرى، أن تكون الأشعة السينية ذات فائدة قصوى في الطب والصناعة والبحث العلمي.

وتسبب الأشعة السينية تغييرات حيوية وكيميائية وفيزيائية في المواد؛ فإذا امتص نبات أو حيوان هذه الأشعة، فإنها من الجائز أن تتلف الأنسجة الحية وأحيانًا تدمرها. ولهذا السبب يمكن أن تكون خطيرة. فقد تسبب جرعة زائدة من الأشعة السينية إصابة الإنسان بالسرطان، أو بحروق في الجلد، أو بانخفاض في إمداد الدم أوحالات خطيرة أخرى. وتسبب الأشعة السينية أيضًا طفرات في الكائنات الحية. وهذا يحدث من جراء تغير في جزيئات الحمض الأميني د.ن.أ الذي يكون الصبغيات في شكل جزيئات. وتحمل جزيئات الحمض الأميني د.ن.أ، المعلومات الوراثية للكائن الحي. وفي العادة تقوم الطفرات بتغيير الطبائع الوراثية في الكائن الحي، وكذلك تغيير الخصائص مثل الحجم
ويجب على أطباء الأسنان واختصاصيي الأشعة الاهتمام الخاص بعدم تعريض المرضى أو تعريض أنفسهم لجرعات زائدة من الأشعة.

وتُنتج الأشعة السينية طبيعيًا في الشمس والنابضات ونجوم أخرى، وأجسام سماوية معينة أخرى. وأغلب الأشعة السينية التي تنشأ عن مصادر في الفضاء، يتم امتصاصها في الغلاف الجوي قبل أن تصل إلى سطح الأرض. وتُنتج الأشعة السينية آليًا بوساطة أنابيب الأشعة السينية التي تمثل جزءًا رئيسيًا من أجهزة الأشعة السينية. كما أن النبائط التي تسرع الجسيمات الذرية تنتج أيضًا الأشعة السينية وتتضمن هذه النبائط البيتاترونات، والمعجلات الخطية




استخدامات الأشعة السينية

صورة صدر بالأشعة السينية (إلى اليمين)، توضح ظلال القلب، والرئتين والضلوع. تساعد هذه الصورة الأطباء في كشف أمراض الرئة والعظام المكسورة والحالات الشاذة داخل جسم المريض. ويتم تصوير صور الأشعة السينية بوساطة جهاز الأشعة السينية (إلى اليسار)، والذي يق
في الطب. تستخدم الأشعة السينية على نطاق واسع لعمل المرسمة الإشعاعية (صور الأشعة السينية) للعظام وأعضاء الجسم الداخلية. ويستفيد الأطباء من المرسمة الإشعاعية في كشف الحالات الشاذة وحالات الأمراض، مثل العظام المكسورة أو أمراض الرئة، داخل جسم المريض، ويستفيد أطباء الأسنان من صور الأشعة السينية للكشف عن الفراغات والأسنان المحشوة. انظر: الأسنان.

يتم إعداد المرسمة الإشعاعية بتمرير شعاع من الأشعة السينية خلال جسم المريض إلى جزء من فيلم ضوئي. تمتص العظام من الأشعة أكثر مما تمتص العضلات أو الأعضاء الأخرى، ولذلك تلقي العظام بظلال كثيفة على الفيلم، بينما تسمح الأجزاء الأخرى من الجسم بمرور كمية من الأشعة أكثر مما تسمح به العظام، وتكون ظلالها بدرجات مختلفة من الكثافة. وتظهر ظلال العظام بوضوح على هيئة مساحات مضيئة على المرسمة الإشعاعية، بينما تظهر الأعضاء على هيئة مساحات أكثر ظلمة. ويمكن لاختصاصي الأشعة أن يرى أعضاء جسم المريض أثناء تأدية وظائفها باستخدام جهاز للأشعة السينية يسمى المكشاف الفلوري. تجعل الأشعة السينية شاشة خاصة في هذا الجهاز تتوهج عندما تصطدم بها.
وأحيانًا يتم إدخال مادة غير ضارة إلى جسم الإنسان، تؤدي إلى ظهور أعضاء معينة بوضوح على المرسمة الإشعاعية أو الصورة الفلورية. فقد يناول الطبيب المريض محلول كبريتات الباريوم ليشربه قبل تعريض أمعائه للأشعة السينية فتمتص كبريتات الباريوم الأشعة السينية، فتظهر الأمعاء بوضوح على صورة الأشعة.

وتُستخدم الأشعة السينية على نطاق واسع في علاج السرطان، فهي تقتل الخلايا السرطانية أيسر من قتلها الخلايا العادية. ويمكن تعريض الورم السرطاني لجرعة محدودة من الأشعة السينية. وفي حالات كثيرة تدمر الأشعة السينية الورم، ولكنها تتلف الأنسجة السليمة القريبة منه بدرجة أقل.

وتؤدي الأشعة السينية أغراضًا أخرى في الطب. فهي تستخدم لتعقيم المعدات الطبية مثل القفازات الجراحية اللدنة أو المطاطية والمحقنات. فهذه المعدات تتلف عند تعرضها للحرارة الشديدة ولذا فلا يمكن تعقيمها بالغليان



في الصناعة. تستخدم الأشعة السينية لفحص المنتجات المصنعة من أنواع مختلفة من المواد، منها الألومنيوم والصلب وغيرها من الفلزات المصبوبة. تكشف الصور الإشعاعية عن الشروخ والعيوب الأخرى في هذه المنتجات، التي لا تظهر على السطح. وكثيرًا ما تستخدم الأشعة السينية لفحص جودة اللحامات في الصلب والتركيبات الفلزية الأخرى. كما تستخدم الأشعة السينية لفحص جودة العديد من المنتجات المصنعة بكميات ضخمة مثل الترانزستور والنبائط الإلكترونية الصغيرة الأخرى. وتعمل بعض نبائط فحص الفلزات باستخدام الأشعة السينية، مثل الماسحات المستخدمة في المطارات للبحث عن الأسلحة في الأمتعة.

ويعالج الصناع أنواعًا معينة من اللدائن بالأشعة السينية حيث تحدث الأشعة تغييرًا كيميائيًا في هذه المواد فتجعلها أقوى. وقد استخدمت الأشعة السينية القوية للمساعدة في التحكم في حشرة وبائية تسمى ذبابة السروء. فذكور هذه الحشرة لا يمكنها إنتاج ذرية بعد تعرضها للأشعة السينية. وبالإضافة إلى ذلك، فقد استخدمت الأشعة السينية لإجراء تغيير في الصفات الوراثية للشعير. ولقد أنتج هذا الشعير المعدل نوعيات جديدة من الحبوب، يمكن لبعضها أن ينمو في تربة ضعيفة غير قادرة على إنتاج الشعير العادي.



في البحث العلمي. استخدمت الأشعة السينية لتحليل ترتيب الذرات في أنواع كثيرة من المواد، وخاصة البلورات. وتنتظم الذرات في البلورات على مستويات تفصل بينها مسافات منتظمة. وعندما يسقط شعاع من الأشعة السينية على بلورة، فإن مستويات الذرات تعمل كمرايا صغيرة تحيد أي تنشر الأشعة على نمط نظامي. وكل نوع من البلورات له نمط حيود مختلف. وقد تعلم العلماء كثيرًا حول ترتيب الذرات في البلورات بدراسة مختلف أنماط الحيود. وتعرف دراسة الكيفية التي تُحِيِّد بها البلورات الأشعة السينية بعلم البلوريات الإشعاعية السينية. ويستخدم العلماء أيضًا الأشعة السينية للمساعدة في تحليل تركيب وتكوين مواد كيميائية معقدة كثيرة مثل الإنزيمات والبروتينات والحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (د.ن.أ).

وتطلق مواد معينة أشعة ذات طول موجي خاص بالمادة عندما تتعرض لإشعاع من إلكترونات أو بروتونات عالية الطاقة أو للأشعة السينية. وتسمى هذه الطريقة لتحليل المواد قياس الطيف بالأشعة السينية. ولقد أدت هذه التقنية إلى توصل العلماء إلى اكتشاف بعض العناصر الكيميائية الجديدة.

وقد استخدم علماء الآثار الأشعة السينية لفحص الأشياء العتيقة المغطاة بقشرة سميكة من التراب أو التآكل. وتسمح هذه الطريقة للباحثين برؤية صورة لشيء بدون محاولة رفع القشرة التي قد تودي إلى إتلاف العينة.كما تستخدم الأشعة السينية، أيضًا للكشف عن أصل لوحة غطيت صورتها الأصلية برسومات أخرى.

ويستخدم الفلكيون كشافات الأشعة السينية ومناظير الأشعة السينية لمتابعة الأشعة السينية الواردة من الأجسام السماوية. ومن الوجهة العملية فإن جميع الأشعة السينية الموجودة على الأرض هي من اكتشاف الإنسان، ولكن في كثير من الأجسام السماوية مثل الشمس أو الثقوب السوداء تتم عمليات فيزيائية عند طاقة عالية جدًا تنتج الأشعة السينية. وتتكون مناظير الأشعة السينية من مرايا مصممة خصيصًا لكي تعكس الأشعة السينية بالإسقاط المماسي. تمر الأشعة السينية في العادة خلال المرآة دون أن تنعكس. ولكن إذا كانت الزاوية بين اتجاه الأشعة السينية وسطح المرآة صغيرة جدًا، فإن الأشعة السينية ترتد من السطح. وقد استخدمت مناظير الأشعة السينية للحصول على صور للشمس تظهر فيها مساحات ذات نشاط شمسي عال.



خصائص الأشعة السينية

كيفية عمل جهاز الأشعة السينية
يحتوي الإشعاع الكهرومغنطيسي ذو الطول الموجي القصير على طاقة أكبر من الإشعاع الكهرومغنطيسي ذي الطول الموجي الطويل. وللأشعة السينية أقصر الأطوال الموجية وأعلى الطاقات مقارنة بغيرها من أنواع الإشعاع الكهرومغنطيسي. ويتراوح الطول الموجي للأشعة السينية من حوالي أنجستروم إلى 100 أنجستروم. وتحتوي الموسوعة على مقالة عن الموجات الكهرومغنطيسية بها رسم بياني يقارن بين الأشعة السينية والأنواع المختلفة للإشعاع الكهرومغنطيسي.

ويرجع كثير من الخصائص المهمة للأشعة السينية إلى قصر طولها الموجي وكبر طاقتها. ويمكن مقارنة سلوك الأشعة السينية بسلوك الضوء المرئي. فعلى سبيل المثال، تخترق الأشعة السينية المواد بعمق أكثر من اختراق الضوء العادي لها، بسبب ارتفاع طاقتها عن طاقة الضوء بدرجة كبيرة. كما أنه لا يمكن عكسها بسهولة بوساطة مرآة، كما يحدث للضوء لأن طاقتها العالية تجعلها تخترق المرآة بدلا من انعكاسها على السطح.

ولا تنكسر أي لا تنحني الأشعة السينية كثيرًا عندما تنتقل من مادة إلى مادة أخرى، كما يفعل الضوء عندما ينتقل من الهواء إلى الزجاج. فالضوء ينكسر بوساطة العدسة بسبب تفاعل موجات الضوء مع الإلكترونات الموجودة في ذرات العدسة. ولكن للأشعة السينية طولاً موجيًا قصيرًا بحيث إنها تمر من خلال مواد كثيرة دون أن تتفاعل مع الإلكترونات فيها. وعندما تسقط الأشعة السينية على مادة فإن المادة تمتصها عند اصطدامها بالإلكترونات الموجودة في ذرات المادة. وعدد الإلكترونات في ذرة يساوي عددها الذري.
ولذا فإن المواد التي تكون ذراتها ذات عدد ذري كبير تمتص الأشعة السينية بدرجة أكبر من المواد التي تكون ذراتها ذات عدد ذري صغير. فالرصاص، وله عدد ذري 82 ويمتص الأشعة السينية بدرجة أكبر من مواد أخرى كثيرة.

ولذا فهو يستخدم عادة للوقاية من الأشعة السينية. أما البريليوم الذي يبلغ عدده الذري 4 فيمتص قدرًا ضئيلاً من الأشعة السينية.

ويعتمد امتصاص الأشعة السينية على كثافة المادة، وعلى عوامل أخرى مركبة، فالمواد ذات الكثافة العالية تمتص الأشعة السينية بدرجة أكبر من المواد ذات الكثافة الأقل. وإذا امتصت المادة أشعة سينية ذات طاقة كافية فإنها تتمكن من طرد الإلكترونات من ذرات المادة. وعندما تكتسب الذرة المحايدة كهربائيًا، أو تفقد إلكترونات فإنها تتحول إلى جسيم مشحون بشحنة كهربائية يسمى الأيون. وتسمى هذه العملية التأين. ويسبب التأين أنواعًا مختلفة من التغييرات الحيوية والكيميائية والفيزيائية، مما يجعل الأشعة السينية مفيدة وخطرة في نفس الوقت.



كيفية إنتاج الأشعة السينية
تنتج الأشعة السينية كلما تعرضت الإلكترونات ذات الطاقة العالية لفقد فجائي للطاقة. وتقوم أجهزة إنتاج الأشعة بزيادة سرعة الإلكترونات إلى سرعات عالية جدًا، ثم جعلها ترتطم بقطعة من مادة صلبة تسمى الهدف، حينئذ تبطىء الإلكترونات فجأة بسبب اصطدامها بالذرات في الهدف، ويتحول جزء من طاقتها إلى أشعة سينية. ويسمي الأطباء الأشعة السينية الناتجة برمشتراهلونغ وهي مأخوذة من الكلمة الألمانية التي تعني كبح الإشـعاع.

تطرد بعض الإلكترونات ذات الطاقة العالية إلكترونات أخرى من مواقعها المعتادة، في ذرات الهدف. وعندما تعود هذه الإلكترونات المطرودة إلى مواقعها أو تحتل هذه المواقع إلكترونات أخرى تنتج أشعة سينية أيضًا. ويسمي الفيزيائيون هذه الأشعة الأشعة السينية المميزة. وللبرمشتراهلونغ مدى واسع من الطول الموجي، أما الأشعة السينية المميزة فلها طول موجي معين يعتمد على التركيب الإلكتروني للذرة الصادرة عنها الأشعة.
وتنتج الأشعة السينية بوساطة أنابيب الأشعة السينية ذات التفريغ العالي للاستخدامات الطبية والصناعية العديدة. وتتركب هذه الأنابيب من إناء زجاجي محكم بداخله قطبان كهربيان أحدهما موجب والآخر سالب، مثبتان داخليا بإحكام.
ويحتوي المهبط أي القطب السالب، على ملف صغير من السلك بينما يتكون المصعد أي القطب الموجب من كتلة من فلز. ويكون المهبط والمصعد في معظم أنابيب الأشعة السينية من التنجستن، أو فلز مشابه يمكن أن يتحمل درجات الحرارة العالية.

وعندما يتم تشغيل أنبوبة الأشعة السينية، يسري تيار كهربائي خلال المهبط يسبب توهجًا حتى يصير أبيض بسبب الحرارة. وتسبب الحرارة انطلاق الإلكترونات من المهبط. وفي نفس الوقت يسلط جهد عال جدًا بين المهبط والمصعد. ينتج عن الجهد العالي تحريك الإلكترونات الحرة بسرعات عالية للغاية نحو المصعد الذي يقوم بدور الهدف. وتتحرك الإلكترونات بسهولة خلال الفراغ بين المهبط والهدف، لأن الأنبوبة لا تكاد تحتوي على هواء يعوق حركتها.

وعندما تصطدم الإلكترونات بالهدف، تنتج الأشعة السينية كما تنطلق حرارة. وتنطلق الأشعة السينية من الهدف في اتجاهات كثيرة، ولكن معظمها يتم امتصاصه بوساطة غطاء الأنبوبة، وهو صندوق فلزي يحيط بالأنبوبة. ويوجد بأحد جوانبه نافذة صغيرة يخرج منها شعاع دقيق من الأشعة السينية، يمكن تصويبه إلى أي جسم يراد تسليط الأشعة السينية عليه. ويبطن صندوق الأنبوبة بالرصاص لامتصاص الأشعة السينية الشاردة، كما يحتوي الصندوق على زيت أو ماء لعزل وتبريد الأنبوبة. وتعتمد طاقة، أو قوة اختراق، الأشعة السينية التي تنتجها الأنبوبة على قيمة الجهد الكهربائي بين المهبط والهدف. ويدفع الجهد العالي الإلكترونات بقوة نحو الهدف، وبطاقة أعلى مما يحدث في حالة الجهد الضعيف. وتصبح الأشعة السينية أكثر اختراقًا كلما زادت سرعة الإلكترونات. ويتم التحكم برفع أو خفض الجهد عن طريق صندوق تحكم.

وفي معظم أنابيب الأشعة السينية يتراوح الجهد الكهربائي بين حوالي 20,000 و 250,000 فولت. وهذا المدى من الجهد يولد أشعة سينية ذات قدرة كافية لمعظم الأغراض الطبية. كما يمكن التوصل إلى جهود مقدارها 300 مليون إلكترون فولت (300 ميغافولت)، أو أعلى من ذلك في البيتاترونات والمعجلات الخطية. وتستخدم الأشعة السينية الناتجة من هذه الأجهزة في الأغراض الطبية وأغراض البحث العلمي



نبذة تاريخية

الأشعة السينية تساعد علماء الآثار في فحص الآثار القديمة مثل هاتين المومياوين. والصورة تبين الهيكل العظمي لفتى وفتاة تحت الأربطة القماشية السميكة.
كتشف العالم رونتجن الأشعة السينية في عام 1895م، وبعد ذلك قام بإجراء تجارب عليها وتوصل إلى معظم خصائصها. ولقد أحدث هذا الاكتشاف دويًا بين العلماء ولدى الجمهور. وفي خلال بضعة أشهر بدأ الأطباء في استخدام الأشعة السينية لفحص العظام المكسورة.

وفي عام 1896م قام المخترع الأمريكي توماس أديسون بتطوير المكشاف الفلوري، بهدف استخدامه لرؤية صور الأشعة السينية. وخلال السبعة عشر عامًا التالية قام العلماء والمخترعون بتحسين أداء أنبوبة الأشعة السينية. وفي عام 1913م ابتكر الفيزيائي الأمريكي وليم كوليدج طريقة لرفع كفاءة أنبوبة الأشعة السينية. وأنبوبة الأشعة السينية الحديثة هي في الأساس النوع الذي طوره كوليدج.

وفي السبعينيات من القرن العشرين بدأ اختصاصيو الأشعة في استخدام عمليات جديدة لتسجيل صور الأشعة السينية. وتسمّى إحدى هذه الطرق التصوير الإشعاعي الجاف، وتقوم بتسجيل الصورة على لوح من اللدائن الشفافة بدلاً من الفيلم الضوئي. ويتميز التصوير الإشعاعي الجاف بأنه أقل تكلفة ويتطلب تعريضًا للأشعة السينية أقل مما في العملية القديمة. وفي عملية أخرى تسمى التصوير الرقمي، تستخدم الكشافات لقياس الأشعة السينية التي تمر خلال الجسم. وترسل هذه المعلومات إلى الحاسوب الذي يقوم بتحويل البيانات إلى صورة تنقل لتعرض على شاشة التلفاز. ويتم تخزين الصورة على قرص مغنطيسي.

ويستخدم التصوير الرقمي في ماسح التصوير المقطعي الحاسوبي وهو آلة أشعة سينية تعطي صورًا مقطعية لجسم المريض. ويطلق ماسح التصوير المقطعي الحاسوبي حزمة من الأشعة السينية في دقة الخط المرسوم بالقلم الرصاص، خلال الجسم من زوايا مختلفة. وتقيس الكواشف الأشعة التي تمر، ويقوم الحاسوب بتحويل الصور الكثيرة من الوجهات المختلفة إلى صورة مقطعية واحدة. ويساعد ماسح التصوير المقطعي الحاسوبي الأطباء على رؤية صور تفصيلية للأعضاء المختلفة والأنسجة، بتباين فيه تحسين فائق

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:54 AM
الأشعة فوق البنفسجية



الأشعة فوق البنفسجية شكل غير مرئي من الضوء. وتقع هذه الأشعة مباشرة بعد النهاية البنفسجية للطيف المرئي. والشمس هي المصدر الطبيعي الرئيسي للأشعة فوق البنفسجية. وتنبعث الأشعة البنفسجية أيضًا من الصواعق أو أية شرارة كهربائية أخرى في الهواء. ويمكن توليد هذه الأشعة صناعيًا بإمرار تيار كهربائي خلال غاز أو بخار مثل بخار الزئبق.

ويمكن أن تسبِّب الأشعة فوق البنفسجية حروقًا شمسية. كما أن التعرُّض الزائد لهذه الأشعة قد يسبب سرطان الجلد. ومن ناحية أخرى، فإن الأشعة فوق البنفسجية تُحطِّم الكائنات الحية الضارة ولها تأثيرات مفيدة أخرى.

والأطوال الموجيَّة للأشعة فوق البنفسجية أقصر من الأطوال الموجية للضوء المرئي. والطول الموجيّ، أي المسافة بين قمتين متتاليتين للموجة، يقاس عادة بوحدات تُسمَّى نانومترات، حيث يساوي النانومتر واحدًا من المليون من المليمتر. وتتراوح الأطوال الموجيَّة للضوء المرئي بين 400 و700 نانومتر، بينما تمتد الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية من حوالي 1 إلى 400 نانومتر
وعند إضاءة مادة ما بالأشعة فوق البنفسجية فإن مدى امتصاص الأشعة في المادة أو النفاذ منها يحدده الطول الموجي للأشعة. فعلى سبيل المثال، الأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية الكبيرة يمكنها النفاذ خلال زجاج النوافذ العادي. ويمتص الزجاج الأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية الأقصر، مع أن هذه الأشعة يمكنها أن تنفذ خلال مواد أخرى




استعمالات الأشعة فوق البنفسجية. تعتبر الأشعة فوق البنفسجية التي أطوالها الموجية أقصر من 300 نانومتر فعّالة في قتل البكتيريا والفيروسات. وتستعمل المستشفيات مصابيح مبيدة للجراثيم تولِّد هذه الأشعة القصيرة لتعقيم الأجهزة الجراحية، والمياه، والهواء في غرف العمليات. كذلك يستخدم كثير من شركات المواد الغذائية والأدوية هذه المصابيح لتطهير الأنواع المختلفة من المنتجات وعبواتها.

ويؤدي التعرُّض المباشر للأشعة فوق البنفسجية التي أطوالها الموجية أقصر من 320 نانومتر إلى توليد فيتامين د (d) في الجسم البشري. واستخدم الأطباء ذات مرة المصابيح الشمسية التي تولِّد الأشعة فوق البنفسجية لمنع كساح الأطفال ومعالجته، ذلك المرض الذي يصيب العظام نتيجة نقص فيتامين د (d). وتُستخدم هذه المصابيح في أيامنا هذه لمعالجة بعض الاضطرابات الجلدية مثل العُد (حبُّ الشَّباب) والصُّدَاف.

وتستعمل بعض أجهزة الأشعة فوق البنفسجية للتعرف على التركيب الكيميائي للمواد المجهولة. ويستخدم الباحثون من الأطباء هذه الأجهزة لتحليل بعض المواد في الجسم البشري بما في ذلك الأحماض الأمينية والإنزيمات والبروتينات الأخرى. وفي صناعة الإلكترونيات، تُستخدم الأشعة فوق البنفسجية ضمن مراحل صناعة الدوائر المتكاملة.



التأثيرات الضارة. الأشعة فوق البنفسجية الأقصر الصادرة عن الشمس التي أطوالها الموجية دون 320 نانومترًا ـ ضارة خصوصًا للكائنات الحية. فالتعرض الزائد لهذه الأشعة يمكن أن يسبب تهيجًا مؤلمًا للعين أو التهابها. وتقي النظارات الشمسية العالية الجودة العين من هذه الأشعة. كما يسبب التعرض الزائد لهذه الاشعة حروقًا مؤلمة. ويوفر الملانين (القتامين)، وهو خضاب بني اللون في الجلد، بعض الوقاية ضد الحروق الشمسية. وتقوم الغسولات الحاجبة للشمس بامتصاص أشعة الشمس الحارقة هذه.

والتعرض لأشعة الشمس فوق البنفسجية لمدة طويلة يمكن أن يؤدي إلى سرطان جلدي وإلى تغيُّرات أخرى في الخلايا البشرية. كما يمكن أن يؤدي هذا التعرض أيضًا إلى تدمير أو قتل النباتات. ويقوم غاز الأوزون، وهو واحد من صور الأكسجين في طبقات الجو العليا، بامتصاص معظم إشعاع الشمس فوق البنفسجي. وبدون طبقة الأوزون هذه، من المحتمل أن تدمر الأشعة فوق البنفسجية معظم الحياة الحيوانية والنباتية.



الأبحاث العلمية. تنشأ الأشعة البنفسجية داخل ذرات كل العناصر. وبدراسة هذه الأشعة يتعرَّف العلماء على بِنْيَة الذرات وعلى مستويات الطاقة فيها. كما يتعرف الخبراء على النجوم والمجرَّات البعيدة عن طريق تحليل الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عنها.

ولقد تركَّزت أبحاث كثيرة على الدور الذي تؤديه الأشعة فوق البنفسجية في التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى انهيار أو تآكل طبقة الأوزون الواقية للأرض. وتقلُّ فعالية طبقة الأوزون كمانع أو حاجز للأشعة فوق البنفسجية الضارة باستمرار تآكلها.

وتشير التجارب إلى أن النحل والفراش وحشرات أخرى يمكنها رؤية الضوء فوق البنفسجي. فانعكاس الأشعة فوق البنفسجية من الأجنحة يُظهِر أنماطًا تساعد الحشرات على التعرف على أقرانها.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:56 AM
أشعة الكاثود



أشعة الكاثود اسم لأشعة غير مرئيّة منبثقة عن الكاثود القطب الكهربائي السالب لأنابيب كروكس
ويمكن الحصول على الأشعة بتوصيل الأقطاب الكهربائية السالبة بمصادر الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي. تؤدّي أشعة الكاثود إلى إحداث فلورة خضراء مائلة للصفرة حين تصطدم بطلاء زجاج الأنبوب. يكون هذا الطلاء في معظم الأحيان من كبريتيد الزّنك. وينتج ظل كثيف في الفلورة في نهاية الأنبوب عند وضع شريحة فلزية في ممرّ هذه الأشعة. وتُستَخدم أشعة الكاثود في أجهزة التلفاز وأنظمة الرّادار والعديد من الأجهزة العلمية.

تُعَدّ أشعة الكاثود تيارا من وحدات كهربائيّة سالبة مُرْسَلة من سطح الكاثود بسرعة عالية. تماثل أشعّة الكاثود تمامًا أشعة بيتا المنبثقه من الرّاديوم والعناصر المُشّعة الأخرى



كروكس، أنبوب. قام السير وليم كروكس ـ وهو فيزيائي بريطاني ـ بتطوير هذا الأنبوب، المفرغ من الهواء، في السبعينيات من القرن التاسع عشر، باعتباره جزءاً من دراسته لما عرف فيما بعد بأشعة الكاثود. وقد أدى عمله إلى اكتشاف أن هذه الأشعة تتألف من حزم من الإلكترونات.

ولأنبوب كروكس قطبان كهربائيان في كل طرف من طرفيه وفيه ضغط هوائي منخفض. وعندما ينتقل تيار كهربائي قوي من الكاثود؛ أي القطب السالب إلى الأنود، أي القطب الموجب، يظهر تفلور (توهج) في نهاية الأنبوب المقابلة للكاثود. واستنتج كروكس أن هناك أشعة غير مرئية صادرة عن الكاثود هي التي تسبب التفلور. ولكي يدرس كروكس الأشعة وضع أجساماً صغيرة في مسارها داخل الأنبوب. وفي عام 1879م توصل كروكس إلى أن الأشعة تتألف من حزم من جسيمات ذات شحنة سالبة. وقد أكد الفيزيائي البريطاني السير جوزيف تومسون أن الأشعة كانت جسيمات مشحونة من المادة عام 1897م. وكانت صمامات كروكس بدايات صمامات الصور في التلفاز. أما اليوم فيستعمل أنبوب كروكس وسيلة إيضاح في المدارس.



الفَـلْوَرَةُ عمليةٌ تشعُّ بها عدة مواد ضوءًا، أو شكلاً آخر من الإشعاع الكهرومغنطيسي، وذلك عندما تمتص طاقةً. ويشير اصطلاح الفَلْورة أيضًا إلى الضوء الذي ينبعث من هذه المواد. وكثير من الغازات، والسوائل والمواد الصلبة تصير فلورية عندما تتعرّض لإشعاعٍ، أو لجسيمات مشحونة كهربائيًا.

والإضاءة الفلورية واسعة الاستعمال في المصانع، والمكاتب والمدارس، وبعض المساكن. وتحتوي بعض إنارات الشوارع على غاز زئبق فلوري. ولقنوات الصور التلفازية، والمجاهر الإلكترونية شاشات عرض فلورية. ويلون علماء الأحياء الخلايا والأنسجة بأصباغ فلورية لرصد العمليات الأحيائية، ويكتشف الكيميائيون بعض ملوثات الهواء، والماء باستخدام الفلورة. والفلورة مستخدمة أيضًا لفحص التسمم الرصاصي وتمييز الفلزات.

ويتوقف لون الضوء الفلوري على المادة المستخدمة، وعلى نوع الطاقة الممتصة. وفي أغلب الأحيان تكون أطوال موجات الضوء الفلورية أطول من تلك الموجات الضوئية المنبعثة من الإشعاع الممتص. لكن التفلور لوحظ في كل الجزء المرئي من الطيف الكهرومغنطيسي، وكذلك في الأجزاء فوق البنفسجية وتحت الحمراء.

تنتج الفلورة عن كثير من أنواع الطاقة. فمثلاً ينتج التيار الكهربائي فلورة في لافتات النيون، وكذلك تنتج الفلورة عن الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة السينية وأشكال الإشعاع الأخرى.

وعندما تمتص مادة فلورية طاقة، تستثار الإلكترونات في الذرة، أي يزداد معدل طاقتها. وفي بعض الحالات تبقى الإلكترونات في حالة إثارة لمدة 1/1,000,000,000,000 من الثانية، ثم تنبعث الطاقة الزائدة على صورة ضوء. وتتوقف العملية عندما يزال مصدر الطاقة.

وقد توصل العلماء إلى الفلورة منذ منتصف القرن السادس عشر الميلادي. وكان أول من أوضحها الفيزيائي البريطاني، السير جورج ستوكس ـ عام 1852م. وهو الذي أطلق عليها هذا الاسم



المصباح الفلوري أداة في شكل أنبوب تنتج ضوءًا كهربائيًا تستعمل على نحو واسع في المصانع والمكاتب والمدارس. والمصابيح المتوهجة أكثر استعمالاً في المنازل من المصابيح الفلورية. ويستهلك المصباح الفلوري من الكهرباء حوالي خُمس ما يستهلكه المصباح المتوهج لإعطاء نفس كمية الضوء. وهو أيضًا ينتج خمس ما ينتج من حرارة، مع مقدار الضوء نفسه. ولهذا السبب، تسمى المصابيح الفلورية أحيانًا الأضواء الباردة. وفضلاً عن ذلك، تعيش المصابيح الفلورية لمدة أطول بكثير من المصابيح المتوهجة.

ويتكون المصباح الفلوري من أنبوبة زجاجية تحتوي على كمية قليلة من بخار الزئبق، وغاز آخر خامل تحت ضغط منخفض، غالبًا ما يكون غاز الأرْجُوْن. وعلى السطح الداخلي للأنبوبة طبقة من مادة كيميائية تسمى المادة الفسفورية. انظر: المادة الفسفورية. وعلى كل من طرفي الأنبوبة قطب من سلك التَنْجِستِن مغطى بمواد كيميائية تسمى أكاسيد الأتربة النادرة. وتشمل الدورة الفلورية جهازًا يسمى الكابح ، وهو الذي يمد المصباح بالجهد الكهربائي لتشغيله. وينَظِّم الكابح أيضًا سريان التيار الكهربائي في دورة المصباح.

وهناك ثلاثة أنواع من دوائر المصباح الفلوري هي: 1- المسبق التسخين 2- السريع التشغيل 3- الفوري التشغيل. فالتركيبات التي تستعمل الدوائر المسبقة التسخين أقلها تكلفة، وتوجد في بعض المساكن. وتركيبات الدوائر السريعة التشغيل أكثر كفاءة من تركيبات الدوائر المسبقة التسخين وأقل تكلفة من حيث التشغيل والصيانة، ويكثر استعمالها تجاريًا.

وعند تشغيل المصباح المسبق التسخين أو المصباح السريع التشغيل يسري التيار الكهربائي عبر سلك التنجستن. ويصير السلك ساخنًا وتطلق أكاسيد الأتربة فيه إلكترونات. وتصطدم بعض الإلكترونات بذرات الأرجون وتؤينها ـ أي تعطي الإلكترونات للذرات شحنة كهربائية موجبة أو سالبة. وعندما يتأين الأرجون يمكنه توصيل الكهرباء، فيسري تيار عبر الغاز من قطب إلى قطب مشكِّلاً قوسًا (سيلاً من الإلكترونات). والمصابيح الفورية التشغيل تعمل بجهد كهربائي عالٍ، بحيث يتكوَّن القوس على الفور. وعندما يصطدم إلكترون في القوس بذرة زئبق فإنها ترفع من مستوى طاقة إحدى الإلكترونات في الذرة. وعندما يعود هذا الإلكترون إلى حالته الطبيعية يطلق أشعة فوق بنفسجية غير مرئية، تمتصها المادة الفسفورية الموجودة على الجدران الداخلية للأنبوبة. وتتفلور (تتوهج) المادة الفسفورية نتيجة لذلك محدثة ضوءًا مرئيًا. يتوقف لون الضوء الناتج على نوع المادة الفسفورية المستعملة



الكشْف الفَلْوَريّ طريقة تشخيص طبية تستخدم الأشعة السينية. تمكن الطبيب من رؤية التركيب الداخلي والعمليات في الجسم، وتعطي صورة بالأشعة السينية لأعضاء الجسم، تعمل بالفعل. يختلف الكشف الفلوري عن التصوير بالأشعة، وهو عملية الأشعة السينية الشائعة التي تعطي صورة ثابتة على فيلم. ويستخدم الجراحون الكشف الفلوري لرؤية الأعضاء القاصرة عن الأداء، ولمراقبة الإجراءات الطبية، مثل إدخال قثطار، (أنبوب) في شريان وإزالة الأجسام الغريبة من الرئتين، أو المعدة.

وقبل إجراء الكشف الفَلْوَريّ على القناة الهضمية، يشرب المريض سائلا يحتوي على إحدى مركبات البَارْيُوم. فالباريوم يمتص الأشعة السينية بقوة، ولذلك تظهر الأعضاء الهضمية بوضوح أكثر في الصورة. يرقد المريض علي طاولة، وتُركَّب أنبوبة الأشعة السينية تحت الطاولة. ويعلَّق جهاز يسمى مكثف الصورة فوق المريض. فتشكل الأشعة السينية المارة عبر جسد المريض صورة غير مرئية على مكثف الصورة. ويحول مكثِّف الصورة الأشعة السينية إلى صورة مرئية تسجلها آلة تصوير تلفازية، فيري الطبيب هذه الصورة على شاشة التلفاز.

يستعمل الكشف الفلوري جرعات مخففة من الأشعة السينية. ونتيجة لذلك، تقل مخاطر الآثار الجانبية السلبية. وقد طور المخترع الأمريكي توماس أديسُون أول مكشاف فَلْوَريّ عملي عام 1896م.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:58 AM
الكهرباء



الكهرباء من الخصائص الأساسية للمادة المكونة لكل الأشياء في الكون. وعندما يسمع الناس كلمة كهرباء يتبادر إلى أذهانهم الضوء والتلفاز وفرن المايكرويف والحاسوب وغيرها من النبائط المفيدة. ولكن الكهرباء أهم من ذلك بكثير. فالكهرباء والمغنطيسية تكونان معًا قوة تسمى الكهرومغنطيسية، وهي من القوى الأساسية في الكون. والقوة الكهربائية مسؤولة عن إمساك الذرات والجزيئات المكونة للمادة معًا، وبهذه الطريقة تحدد الكهرباء تركيب وخصائص كل الموجودات.

ترتبط الكهرباء أيضًا بالعديد من العمليات البيولوجية. ففي جسم الإنسان تنتقل الإشارات الكهربائية عبر الأعصاب، حاملة المعلومات من الدماغ وإليه، حيث تساعد هذه الإشارات الدماغ على تحديد ما تراه العين، وتسمعه الأذن، وتتحسسه الأصابع. وهذه الإشارات هي التي تسبب حركة العضلات ونبض القلب، كما تنظم معدل النبض.

ومن أهم خصائص الكهرباء الطاقة الكهربائية. فقد استطاع الناس خلال القرن التاسع عشر تسخير الكهرباء لأداء الأعمال. وكان لهذا المصدر الجديد للطاقة تطبيقات عملية كثيرة، ساهمت كثيرًا في تغيير حياة الناس، حيث تمكن المخترعون والعلماء من توليد الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة، واكتشفوا طرق استخدام هذه الطاقة في إنتاج الضوء والحرارة والحركة، وصمموا نبائط كهربائية مكنت الناس من الاتصال عبر المسافات البعيدة، ومعالجة المعلومات بسرعة فائقة. وقد ازداد الطلب على الكهرباء خلال القرن العشرين إلى درجة أن الناس اليوم لايستطيعون تخيل شكل الحياة في حالة عدم وجود الطاقة الكهربائية.




مصطلحات تستخدم في الكهرباء


الإلكترون جسيم تحت ذري يحمل شحنة كهربائية سالبة.
الأمبير هو الوحدة المستخدمة في قياس معدل سريان التيار الكهربائي.
الأوم هو الوحدة المستخدمة في قياس مقاومة مادة ما لسريان التيار الكهربائي.
الأيون ذرة أو مجموعة ذرات اكتسبت إلكترونات أو فقدتها، واكتسبت بذلك شحنة كهربائية.
البروتون جسيم تحت ذري يحمل شحنة كهربائية موجبة.
التيار الكهربائي هو سريان الشحنات الكهربائية.
الدائرة الكهربائية هي المسار الذي يتبعه التيار الكهربائي.
الشحنة الكهربائية خاصية أساسية لجسيمات مادية معينة، تجعلها تجذب الجسيمات المشحونة الأخرى أو تتنافر معها.
العازل مادة تقاوم سريان التيار الكهربائي.
الفولتية نوع من "الضغط" يدفع الشحنات الكهربائية عبر دائرة.
القطب الكهربائي قطعة من فلز أو أي موصل آخر يدخل عبره التيار إلى نبيطة كهربائية، أو يخرج منها.
الكهرباء الساكنة هي الشحنة الكهربائية غير المتحركة.
الكهرومغنطيسية قوة أساسية في الكون تشتمل على كل من الكهرباء والمغنطيسية.
الكيلواط-ساعة هو كمية الطاقة الكهربائية التي تستهلكها نبيطة قدرتها 1000 واط في ساعة واحدة.
المجال الكهربائي هو تأثير الجسم المشحون على الحيز المحيط به، والذي يؤدي إلى اكتساب الأجسام المشحونة الأخرى في الحيز قوى كهربائية.
المقاومة هو اعتراض مادة ما لسريان التيار الكهربائي.
الموصل مادة يسري التيار الكهربائي عبرها بسهولة.
النيوترون جسيم تحت ذري لا يحمل شحنة كهربائية.
الواط هو الوحدة المستخدمة في قياس معدل استهلاك الطاقة، بما في ذلك الطاقة الكهربائية




استخدامات الطاقة الكهربائية
تعتمد معظم مناحي حياتنا على الطاقة الكهربائية، حيث يستخدم سكان الدول الصناعية الكثير من النبائط التي تدار بالكهرباء كل يوم. ومن أهم هذه النبائط الحاسوب، الذي يستخدم الطاقة الكهربائية في معالجة المعلومات. فقد غيرت الحواسيب حياتنا داخل منازلنا ومدارسنا وأماكن أعمالنا.




الأجهزة المنزلية
في المنازل. توفر الأدوات الكهربائية مثل غاسلات الأطباق والمحامص والمكانس والغسالات الكهربائية الكثير من الوقت والجهد. وتساعد أجهزة الطبخ الكهربائية وأفران المايكرويف ومعالجات الطعام في تحضير الوجبات بسرعة وسهولة، كما تحفظ الثلاجات والمجمِّدات الطعام. وتبرِّد المكيفات والمراوح الكهربائية منازلنا، بينما توفر السخانات الكهربائية الدفء والماء الساخن. ويتيح التلفاز والراديو وألعاب الفيديو وحاكيات القرص المدمج ومسجلات شريط الفيديو فرص التسلية. ويمكننا الضوء الكهربائي من الاستفادة من ساعات الليل.






أنبوب انسياق لمعُجل جُسيمات
في الصناعة. لولا الكهرباء لما كان للصناعة الحديثة وجود. فالمصانع تنتج الكثير من المنتجات على خطوط التجميع، باستخدام الأحزمة الناقلة التي تعمل بالكهرباء والمعدات الكهربائية. ويستخدم المصنعون الأجهزة الكهربائية لضبط أحجام المنتجات ونوعياتها. وتعمل المثقابات والمناشير والعديد من الأدوات الصغيرة بالطاقة الكهربائية. وتدير المحركات الكهربائية المصاعد والروافع وغيرها من المعدات الكبيرة.





كاميرا التلفاز
في الاتصالات. تعمل كل النبائط التي يستخدمها الناس في الاتصالات تقريبًا بالطاقة الكهربائية. فالهواتف والتلفازات والراديوهات وأجهزة الفاكس والمودمات الحاسوبية تعمل كلها بالطاقة الكهربائية. وتستخدم أقمار الاتصالات الطاقة الكهربائية التي تولدها نبائط تسمى الخلايا الشمسية، لنقل المعلومات إلى كل أنحاء العالم. والإشارات التلفازية والراديوية إشارات كهربائية جزئيًا، وكذلك الإشارات الهاتفية والحاسوبية والفاكسية، التي تنتقل عبر أسلاك أو جدائل رقيقة من الزجاج تسمى الألياف البصرية.






القطار الكهربائي
في المواصلات. توفر الطاقة الكهربائية القدرة اللازمة لتحريك القطارات وعربات الترام التي تنقل ملايين الناس إلى أعمالهم ومنها إلى منازلهم. وتستخدم معظم السيارات الشرارة الكهربائية لقدح البترول الذي يوفر قدرة تشغيل المحرك. وتساعد النبائط الكهربائية في تقليل استهلاك المحركات البترولية للوقود وتلويثها للهواء. وتدار العديد من أجهزة الضبط في الطائرات والسفن بالكهرباء.






لحام السيارات بالربوت
في الطب والعلوم. يستخدم العاملون في مجال العناية الصحية أجهزة كهربائية عديدة لفحص المرضى وإجراء الاختبارات الطبية. فأجهزة الأشعة السينية وأجهزة التصوير بالرنين المغنطيسي، على سبيل المثال، تمكن الأطباء من رؤية أجهزة الجسم الداخلية. وتسجل مرسمات كهربائية القلب الإشارات الكهربائية الدقيقة الصادرة عن القلب، مما يساعد الأطباء على تشخيص أمراض القلب.

ويستخدم العلماء في المجالات العلمية كافة النبائط الكهربائية في إجراء البحوث. فعلماء الأحياء الدقيقة، على سبيل المثال، يستخدمون جهازًا قويًا يسمى المجهر الإلكتروني المسحي لدراسة أسرار الخلايا الحية.

ويستخدم الفيزيائيون معجلات الجسيمات التي تدار بالكهرباء لفحص التركيب الداخلي للذرات. وتساعد التلسكوبات الضخمة التي تدار بالكهرباء الفلكيين في دراسة الكواكب والنجوم والمجرات




الشحنة الكهربائية
تتكون كل المواد في الكون، من جسم الإنسان إلى النجوم البعيدة، من نوعين من الجسيمات الدقيقة هما الإلكترونات والكواركات. وتكوِّن الكواركات بدورها جسيمات أكبر، تنقسم إلى نوعين هما البروتونات والنيوترونات. وللإلكترونات والكواركات خاصية تسمى الشحنة الكهربائية، حيث تحمل الإلكترونات نوعًا من الشحنات يسمى الشحنة السالبة، بينما تحمل الكواركات إما الشحنات السالبة أو النوع الآخر من الشحنات الذي يسمى الشحنة الموجبة. وتساوي الشحنة الموجبة على البروتون الشحنة السالبة على الإلكترون، وذلك لأن البروتون يحتوي على كواركين يحمل كل منهما ثلثي وحدة شحنة موجبة، وكوارك يحمل ثلث وحدة شحنة سالبة. أما النيوترون فيحتوي على كواركين يحمل كل منهما ثلث وحدة شحنة سالبة وكوارك يحمل ثلثي وحدة شحنة موجبة. وتلغي الشحنات بعضها بعضًا لأن إجمالي الشحنة الموجبة على النيوترون يساوي إجمالي الشحنة السالبة. ولذلك يقال أن النيوترون متعادل كهربائيًا، أي لايحمل شحنة كهربائية إجمالية.

والشحنات المتضادة، أو غير المتشابهة ـ السالبة والموجبة ـ تتجاذب، بينما تتنافر الشحنات المتشابهة ـ الموجبة والموجبة أو السالبة والسالبة. وتنتج قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات عن قوى غير مرئية تسمى المجالات الكهربائية، تحيط بكل جسيم مشحون. وبسبب وجود المجالات، تتجاذب الجسيمات المشحونة أو تتنافر، حتى عندما تكون غير متلامسة.



تتحول الذرة إلى أيون عندما تكتسب أو تفقد إلكترونًا، وتكتسب بذلك شحنة كهربائية. وتحتوي الذرة العادية (إلى اليسار) على عدد مساو من البروتونات الموجبة والإلكترونات السالبة. وإذا فقدت إلكترونًا (إلى اليمين) تتحول إلى أيون موجب الشحنة.
الذرات. تتحد الكواركات لتكوين البروتونات والنيوترونات. وتتحد البروتونات والنيوترونات بدروها مع الإلكترونات لتكوين الذرات. وفي الذرة تترابط النيوترونات والبروتونات لتكوين لب دقيق يسمى النواة.

وتجذب النواة الموجبة الشحنة في الذرة الإلكترونات السالبة الشحنة. والنواة موجبة الشحنة لأنها تحتوي على بروتونات، ولا تحتوي على إلكترونات. وتدور الإلكترونات السالبة حول النواة الموجبة فيما يشبه دوران الكواكب حول الشمس.

ولكل نوع من الذرات عدد مختلف من البروتونات. فالهيدروجين، على سبيل المثال، وهو أبسط الذرات، يحتوي على بروتون واحد في النواة، بينما تحتوي ذرة الأكسجين على 8 بروتونات، والحديد على 26 بروتونًا، واليورانيوم على 92 بروتونًا. وتحتوي الذرة عادة على عدد مساو من البروتونات والإلكترونات. ونتيجة لذلك، تلغي الشحنات السالبة للإلكترونات الشحنات الموجبة للبروتونات، وتصبح الذرة متعادلة كهربائيًا.



الأيونات. تفقد الذرة أو تكتسب أحيانًا إلكترونًا واحدًا أو أكثر. فإذا اكتسبت إلكترونًا تصبح الذرة سالبة الشحنة، بينما تصبح موجبة الشحنة إذا فقدت إلكترونًا. وتسمى الذرات التي تحمل شحنة كهربائية الأيونات. ومعظم الأيونات موجبة الشحنة، ولذلك تعني كلمة أيون، عندما تستخدم بمفردها، الذرة التي فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر. وتتجاذب الأيونات الموجبة والسالبة، ويمكنها أن تتحد لتكوين المواد الصلبة. فملح الطعام العادي، على سبيل المثال، يتكون من الصوديوم والكلور. وفيه تفقد كل ذرة من ذرات الصوديوم إلكترونًا لتكوين أيون صوديوم موجب. وتتلقى كل ذرة من ذرات الكلور هذا الإلكترون لتكوين أيون كلوريد سالب. وبسبب قوة الجذب الكهربائي بين الأيونات يكون ملح الطعام صلبًا، ودرجة انصهاره عالية.



الجزيئات. تتقاسم الذرات المتعادلة الإلكترونات مع غيرها من الذرات. وتكون الذرات التي تتقاسم الإلكترونات منجذبة بعضها نحو بعض. ويجعل هذا التجاذب الذرات مرتبطة بعضها ببعض لتكوين جزيئات. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تتقاسم ذرتا هيدروجين الإلكترونات مع ذرة أكسجين لتكوين جزئ ماء. وتميل الإلكترونات إلى البقاء قرب ذرة الأكسجين معظم الوقت، مما يعطيها شحنة كهربائية سالبة. وتكتسب ذرتا الهيدروجين شحنتين موجبتين. وتمسك قوة الجذب الكهربائي بين هذه الذرات المشحونة جزئ الماء في حالة ترابط.



الكهرباء الساكنة. في بعض الأحيان يفقد عدد كبير من ذرات جسم ما الإلكترونات أو يكتسبها. وعندما يحدث مثل هذا الفقدان أو الاكتساب يكتسب الجسم كله شحنة كهربائية. ويصف مصطلح الكهرباء الساكنة الأوضاع التي تحمل فيها الأجسام شحنة كهربائية.

تحدث الكهرباء الساكنة، على سبيل المثال، عندما تفرك قميصك ببالون، حيث يسبب احتكاك البالون بالقميص انتقال الإلكترونات من القميص إلى البالون، مما يؤدي إلى اكتساب القميص لشحنة كلية موجبة، نظرًا لاحتوائها على عدد من البروتونات أكبر من الإلكترونات، واكتساب البالون لشحنة كلية سالبة لاحتوائها على إلكترونات زائدة. ولذلك يلتصق البالون بالقميص أو بأي سطح آخر مثل الجدار.

ويشبه ذلك ما يحدث عندما تمشي فوق سجاد في يوم جاف، حيث يؤدي الاحتكاك بين حذائك والسجاد إلى انتقال الإلكترونات من جسمك إلى السجاد، معطيًا جسمك شحنة كهربائية موجبة. وعندما تلمس مقبض الباب أو أي جسم فلزي آخر، تقفز الإلكترونات من الجسم الفلزي إلى جسمك، وحينئذ قد تشاهد شرارة وتحس بصدمة خفيفة.

وينتج البرق عن الكهرباء الساكنة. فالعلماء يعتقدون أن قطرات المطر المحمولة في رياح السحب البرقية تكوِّن شحنات كهربائية، حيث تصبح أجزاء من السحاب مشحونة بشحنة موجبة، بينما تصبح أجزاء أخرى مشحونة بشحنة سالبة. وقد تقفز الشحنات بين أجزاء السحاب المختلفة، أو من السحاب إلى الأرض، مما يؤدي إلى توليد الشرارة الكهربائية الضخمة التي نسميها البرق.

وللكهرباء الساكنة استخدامات عديدة في المنازل والمؤسسات والمصانع. فأجهزة النسخ التي نراها في المكاتب، على سبيل المثال، ناسخات كهروستاتية، تصنع نسخًا من المادة المطبوعة أو المكتوبة بجذب جسيمات التونر (الحبر المسحوق) إلى الورقة الموجبة الشحنة. وتستخدم الكهرباء الساكنة أيضًا في المنظفات الهوائية المسماة المرسِّبات الكهروستاتية. فهذه النبائط تشحن جسيمات الغبار والدخان والبكتيريا وحبوب اللقاح في الهواء بشحنات كهربائية موجبة. وتنقي ألواح تجميع سالبة الشحنة الهواء بجذب هذه الجسيمات الموجبة الشحنة إلى داخل المنظف.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 08:59 AM
الموصلات والعوازل
تنتقل الشحنات الكهربائية عبر بعض المواد بدرجة أفضل من انتقالها عبر مواد أخرى، حيث تنتقل بسهولة عبر مواد تسمى الموصلات. وتقاوم مواد تسمى العوازل انتقال الشحنات الكهربائية.




التيار الكهربائي في الفلزات
الموصلات. تحتوي المواد الموصلة للكهرباء على جسيمات مشحونة تتحرك بحرية عبر المادة. وعند تطبيق شحنة كهربائية إضافية على الموصل تنتشر الجسيمات المشحونة على سطح المادة. والجسيمات الحرة في معظم الموصلات إلكترونات غير مرتبطة بالذرات، وأيونات في موصلات أخرى.

والفلزات موصلات جيدة لأنها تحتوي على عدد كبير من الإلكترونات الحرة، ولذلك تصنع معظم الأسلاك المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية من الفلزات، وخاصة النحاس. وبعض السوائل أيضًا موصلات. فالماء المالح، على سبيل المثال، موصل للكهرباء لأنه يحتوي على أيونات صوديوم وكلوريد حرة الحركة داخل السائل.

وبعض الغازات أيضًا موصلات. ففي حالة تسخين غاز ما إلى درجات عالية تتحرك ذراته بسرعة عالية تؤدي إلى تصادمها، بعضها ببعض، بشدة، مما يجعل الإلكترونات تنفلت منها، وعندئذ يتحول الغاز إلى نوع من الموصلات الكهربائية يسمى البلازما. ومن أمثلة البلازما الغاز الساخن المتوهج داخل المصباح الفلوري، والغازات الساخنة التي تكوِّن الشمس والنجوم الأخرى.

وفي معظم الموصلات تتصادم الإلكترونات المتحركة مع الذرات باستمرار، وتفقد الطاقة، ولكنها تتحرك بحرية تامة، ولا تفقد أي طاقة، في بعض المواد التي تسمى الموصلات الفائقة. وتتطلب الموصلات الفائقة درجات منخفضة جدًا لتؤدي وظيفة توصيل الكهرباء، ولذلك يستخدم هذا النوع من الموصلات في بعض الحالات الخاصة، وقد يستخدم في المستقبل في صناعة المحركات ذات الكفاءة العالية والمولدات وخطوط القدرة.



العوازل. في العوازل تكون الإلكترونات مرتبطة بإحكام بذراتها، ولا تستطيع التحرك بحرية. وعند تطبيق شحنة كهربائية إضافية على العازل تبقى الشحنة في مكانها، ولا تتحرك عبر المادة. ومن أمثلة العوازل الزجاج والمطاط والبلاستيك والهواء العادي الجاف.

والعوازل مهمة في السلامة الكهربائية، حيث تصنع معظم الحبال الكهربائية من مادة موصلة مغطاة بمادة عازلة مثل المطاط أو البلاستيك. ويستطيع الشخص لمس الحبل المغطى بالمادة العازلة حتى في حالة اتصال الحبل بمأخذ التيار.



أشباه الموصلات. توصل بعض المواد الشحنة الكهربائية أفضل من العوازل، ولكن ليس بمستوى الموصلات. وتسمى هذه المواد أشباه الموصلات، ومن أكثرها استخدامًا السليكون. وبإضافة كميات صغيرة من مواد أخرى إلى شبه الموصل يستطيع المهندسون ضبط قدرتها على توصيل الشحنة الكهربائية. وأشباه الموصلات مهمة في تشغيل الحواسيب والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو والتلفاز وألعاب الفيديو ونبائط أخرى عديدة.



المقاومة. تعني اعتراض المادة لمرور الشحنات الكهربائية عبرها. وتحدث المقاومة عندما تصطدم الإلكترونات المتحركة في المادة بالذرات، وتطلق طاقة في شكل حرارة. والموصلات الجيدة، مثل النحاس، ضعيفة المقاومة، مقارنة بأشباه الموصلات، مثل السليكون. أما العوازل، مثل الزجاج والخشب، فذات مقاومة عالية جدًا، يصعب معها مرور الشحنات الكهربائية عبرها. ولا تشكل الموصلات الفائقة أي مقاومة لمرور الشحنات عبرها.

ولا تتوقف المقاومة على نوع المادة فحسب، بل على حجمها وشكلها أيضًا. فالسلك النحاسي الرقيق، على سبيل المثال، أكثر مقاومة من السلك السميك، والسلك الطويل أكثر مقاومة من السلك القصير. وقد تتفاوت مقاومة المادة أيضًا حسب درجة الحرارة.



التيار الكهربائي
يسمى سريان الشحنة الكهربائية عبر موصل التيار الكهربائي تيارًا كهربائيًا. وترتبط الطاقة بسريان التيار. فعند مرور التيار عبر نبيطة كهربائية تحوَّل الطاقة الكهربائية إلى أشكال مفيدة. فهي مثلاً تحول إلى حرارة في جهاز الطبخ الكهربائي، وإلى ضوء في المصباح الكهربائي.




مصباح متوهِّج
التيار المستمر والتيار المتناوب. يسمى التيار الذي يسري باستمرار في اتجاه واحد التيار المستمر، ومن أمثلته التيار الذي تنتجه البطارية. ويسري التيار أحيانًا إلى الأمام ثم إلى الخلف، مغيرًا اتجاهه بسرعة، ويسمى هذا النوع من التيار التيار المتناوب، ومن أمثلته التيار الذي يسري إلى المنازل. ففي بعض الدول يغير تيار المنازل اتجاهه مائة مرة في الثانية، مكملاً بذلك 50 دورة كاملة. وفي دول أخرى يغير التيار اتجاهه 120 مرة في الثانية، مكملاً 60 دورة كاملة.



مصادر التيار. لا يحمل الموصل في حد ذاته أي تيار كهربائي، ولكن عند تطبيق شحنة موجبة على أحد طرفيه، وشحنة سالبة على طرفه الآخر، تسري شحنة كهربائية عبر الموصل. ولأن الشحنات المتضادة تتجاذب، يتحتم استخدام نوع من الطاقة للفصل بين الشحنات، وحصرها في طرفي الموصل. ويمكن الحصول على هذه الطاقة من التفاعلات الكيميائية أو الحركة أو ضوء الشمس أو الحرارة.

البطاريات. تنتج البطاريات الطاقة الكهربائية من التفاعلات الكيميائية. ولكل بطارية تركيبان يسميان القطبين، يصنع كل منهما من مادة مختلفة فاعلة كيميائيًا. وبين القطبين تحتوي البطارية على سائل (أو عجينة) موصل للتيار الكهربائي، يسمى الإلكتروليت، يساعد في إحداث تفاعل كيميائي عند كل قطب. ونتيجة للتفاعلات عند القطبين يكتسب أحد القطبين شحنة موجبة، بينما يكتسب القطب الآخر شحنة سالبة، وعندئذ يسري التيار الكهربائي من القطب الموجب، عبر الموصل، إلى القطب السالب.

والطرف المسطح في بطارية الكشاف الضوئي هو القطب السالب، بينما يتصل الطرف المزود بنتوء بالقطب الموجب. ويسري التيار عند وصل القطبين بسلك، حيث يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء بإمرار التيار عبر مصباح كهربائي صغير. وتبقي التفاعلات الكيميائية في الإلكتروليت القطبين مشحونين بشحنتين متضادتين، وبذلك تحافظ على استمرار سريان التيار.

وفي النهاية تنفد الطاقة الكيميائية، وتصبح البطارية غير قادرة على إنتاج الطاقة الكهربائية. وتُلقى بعض البطاريات بعد استكمال طاقتها، ولكن بعضها يمكن إعادة شحنها بإمرار التيار الكهربائي عليها، وتسمى البطاريات القابلة للشحن.

المولدات. تغير المولدات الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. يحرك مصدر طاقة ميكانيكية في المولد ملفات سلكية بالقرب من مغنطيس لإنتاج تيار كهربائي، حيث يعمل المولد بمبدأ توليد تيار كهربائي في موصل بتحريك الموصل قرب مغنطيس. وتنتج معظم المولدات تيارًا متناوبًا.

توفر المولدات معظم الطاقة الكهربائية التي يستخدمها الناس. ففي السيارة، يدير المحرك مولدًا صغيرًا يسمى المنوِّب، لإنتاج الطاقة الكهربائية اللازمة لإعادة شحن بطارية السيارة. وبإمكان مولد كبير في محطة قدرة كهربائية إنتاج طاقة كهربائية تكفي مدينة يقطنها مليونا شخص. ويصل التيار الكهربائي الناتج عن المولد إلى المنازل والمصانع والمكاتب عبر شبكات ضخمة من خطوط القدرة الكهربائية.

الخلايا الشمسية. تحول الخلايا الشمسية، والتي تسمى أيضًا الخلايا الفولتية الضوئية، ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. وهي تمد معظم الأقمار الصناعية، وغيرها من المركبات الفضائية، وكذلك بعض الآلات الحاسبة، بالقدرة. وتصنع الخلايا الشمسية من أشباه الموصلات، وخاصة السليكون المعالج بطريقة خاصة، حيث تؤدي الطاقة المأخوذة من الشمس إلى انفصال الشحنات السالبة والموجبة في شبه الموصل، ومن ثم تسري الشحنات في موصل.

البلورات الكهروإجهادية. البلورة الكهروإجهادية معدن لافلزي يكتسب شحنة كهربائية على سطحه عند تمديده أو ضغطه. وتستخدم البلورات الكهروإجهادية في بعض الميكروفونات لتحويل الطاقة الصوتية إلى طاقة كهربائية تستخدم في أغراض التسجيل والبث الإذاعي. وتستخدم معظم أجهزة الطبخ الحديثة البلورات الكهروإجهادية لإنتاج الشرارة الكهربائية التي تشعل الغاز. وأكثر البلورات الكهروإجهادية استخدامًا الكوارتز.




الدوائر الكهربائية

الدائرة الكهربائية هي المسار الذي يتبعه التيار الكهربائي بين نبيطة مثل المصباح الضوئي ومصدر طاقة مثل البطارية. وعندما يكون المفتاح الكهربائي مفتوحًا تفصل فجوة بين الأسلاك الموصلة، ولا يستطيع التيار إكمال مساره.
لاستخدام الطاقة الكهربائية توصل النبيطة الكهربائية بمصدر الطاقة، ويبنى مسار مكتمل للتيار الكهربائي، ليسري من مصدر الطاقة إلى النبيطة، ثم يعود مرة أخرى إلى المصدر. ويسمى هذا المسار الدائرة الكهربائية.



الدائرة البسيطة. افترض أنك تريد أن تولد إضاءة في مصباح كهربائي صغير باستخدام بطارية. سوف لن يمر التيار الكهربائي إلا في حالة إيجاد دائرة كاملة لسريان التيار من البطارية إلى المصباح ومنه إلى البطارية. ولتكوين هذه الدائرة، صل المصباح بالطرف الموجب للبطارية بسلك، ثم صل الطرف السالب للبطارية أيضًا بالمصباح بسلك. سوف يسري التيار عندئذ من الطرف الموجب للبطارية، عبر المصباح، إلى الطرف السالب.

يوجد في داخل المصباح الكهربائي سلك يسمى الفتيلة، يصنع من مادة ذات مقاومة أعلى من مقاومة السلكين الموصلين بين المصباح والبطارية. وتصطدم الإلكترونات المكونة للتيار بذرات الفتيلة، وتطلق معظم طاقاتها. وتسخن هذه الطاقة الفتيلة، التي تتوهج وتبعث الضوء.



الدوائر المتوالية والدوائر المتوازية. توفر البطارية أو المولد القدرة عادة لأكثر من نبيطة كهربائية. وفي مثل هذه الحالات تستخدم تصاميم دوائر تسمى الدوائر المتوالية والدوائر المتوازية. وللدائرة المتوالية مسار واحد، حيث يسري نفس التيار عبر كل أجزاء المسار وكل النبائط الكهربائية الموصلة إليه. وتستخدم الدوائر المتوالية في الكشافات الضوئية وبعض أضواء شجرة عيد الميلاد ونبائط أخرى بسيطة. وفي الدوائر المتوازية ينقسم التيار ليسري عبر مسارين أو أكثر. وتمكن هذه الدوائر مصدر الطاقة من مد نبائط كهربائية كثيرة بالتيار، مقارنة بالدوائر المتوالية. ولذلك توصل المصابيح والأجهزة الكهربائية في المنازل على التوازي.

وتحتوي معظم الدوائر الكهربائية على كلا نوعي الدوائر، كما تحتوي بعض الدوائر المعقدة جدًا، مثل دوائر الحاسوب أو التلفاز، على ملايين الأجزاء الموصلة بتوليفات متنوعة من الدوائر المتوالية والدوائر المتوازية.



المجالات الكهربائية والمغنطيسية. عندما يتذكر الناس التيار الكهربائي يتبادر إلى أذهانهم الإلكترونات التي تحمل الشحنات عبر الأسلاك. وفي الواقع، تسري معظم الطاقة عبر المجالات الكهربائية والمغنطيسية المحيطة بالأسلاك. وتدخل هذه الطاقة إلى السلك، وتحل محل الطاقة التي تفقدها الإلكترونات للتغلب على المقاومة. وتعوض البطارية أو المولد أو أي مصدر طاقة آخر الطاقة المفقودة من المجالات باستمرار.

وفي دوائر التيار المستمر تسري الإلكترونات من أحد طرفي البطارية، عبر الدائرة، إلى الطرف الآخر. ولكن طاقة المجالين الكهربائي والمغنطيسي تسري في نفس الوقت من كلا الطرفين إلى النبيطة الكهربائية. وفي دوائر التيار المتناوب تتحرك الإلكترونات المفردة في السلك إلى الأمام ثم إلى الخلف، ولا تنتقل عبر الدائرة كلها. وبالرغم من ذلك تسري الطاقة الكهربائية من مصدر الطاقة إلى النبيطة في شكل مجالين كهربائي ومغنطيسي.




تأثيرات الكهرباء
التحكم في التيار الكهربائي. المفتاح الكهربائي هو أبسط وسائل إيقاف التيار المار عبر دائرة، ويتكون من موصلين كهربائيين، يمكن المباعدة بينهما لتكوين فجوة في الدائرة. فعند غلق المفتاح تنفتح الفجوة، ويتوقف مرور التيار. وعند فتح المفتاح يتصل الموصلان ويسري التيار.

وتصبح الأسلاك والنبائط الكهربائية ساخنة إلى درجة الخطورة في حالة مرور كمية كبيرة من التيار عبرها. وتحمي مفاتيح تسمى الصهائر والقواطع الكهربائية التوصيلات في معظم الأبنية، حيث تقطع الصهيرة أو القاطع الكهربائي التيار عندما يكون عدد كبير من النبائط الكهربائية موصلاً إلى مأخذ التيار. وتحتوي العديد من النبائط الكهربائية أيضًا على صهائر.

وفي بعض الأحيان يحتاج الناس تغيير قوة التيار بدلاً من مجرد قطعه أو وصله. ومن طرق ضبط قوة التيار تغيير المقاومة داخل الدائرة. فعلى سبيل المثال، تؤدي إدارة مقبض الصوت في المذياع إلى تشغيل مقاوم متغير، حيث تضبط هذه النبيطة مقاومة سريان التيار عبر المذياع، وترفع بذلك الصوت أو تخفضه.

ولا تستطيع المفاتيح والمقاومات المتغيرة تغيير التيار بسرعة، ولذلك تستخدم نبائط شبه موصلة دقيقة تسمى الترانزستورات، لضبط التيار بسرعة أكبر، حيث تقطع الترانزستورات التيار وتصله بلايين المرات في الثانية الواحدة. وتحتوي بعض النبائط على ملايين الترانزستورات في رقاقة دقيقة واحدة من السليكون تسمى الدائرة المتكاملة، أو باختصار الرقاقة. وتشكل الدوائر المتكاملة منطقة القلب في الحواسيب والآلات الحاسبة وألعاب الفيديو والعديد من النبائط الأخرى.

ويقال عن النبائط التي تدار بالكهرباء إنها إلكترونية إذا كانت تحمل إشارات كهربائية يمكن تغييرها بطريقة أو أخرى لتمثيل المعلومات. وتشمل النبائط الإلكترونية الترانزستورات والثنائيات والمكثفات والمحاثات والدوائر المتكاملة. وقد تمثل الإشارات أصواتًا أو صورًا أو أرقامًا أو حروفًا أو تعليمات حاسوبية أو أي معلومات أخرى. ففي مضخم حاكي القرص المدمج، على سبيل المثال، توفر الترانزستورات سلسلة متصلة من التيارات لتقوية الإشارات الكهربائية الممثلة للأصوات التي يعاد الاستماع إليها.




السلامة الكهربائية

السلامة مع الكهرباء قد يشكل الكهرباء خطورة على حياتك، ولكن اتباع موجهات معينة قد يساعدك على تجنب الإصابة الكهربائية.
يعرف معظم الناس أن التيار الكهربائي يمكن أن يمثل خطرًا. وقد تساعد معرفة سبب الخطورة على تلافي الإصابات الكهربائية واستخدام الطاقة الكهربائية بأمان.



الصدمة الكهربائية. تنتج الصدمة الكهربائية عن مرور التيار الكهربائي في الجسم. فالإشارات الكهربائية الخاصة بالجسم تنتقل عادة عبر الأعصاب حاملة المعلومات من الدماغ وإليه. وتنظم هذه الإشارات الكهربائية نبض القلب وغيره من الوظائف الحيوية. ويؤدي التيار المنساب عبر الجسم إلى تعطل عمل هذه الإشارات، مما يؤدي بدوره إلى تقلص العضلات وفشل القلب والرئتين والوفاة. وقد يحرق التيار الكهربائي الجلد وأنسجة الجسم الأخرى.

وتقيس الفولتية قوة الدفع التي يوفرها مصدر الطاقة الكهربائية لتحريك الشحنة عبر الدائرة. وقوة دفع بطارية الكشاف الضوئي أو المذياع صغيرة جدًا عادة، ولا تسبب أي إصابات تذكر. أما الفولتية المتاحة عبر مآخذ التيار في المنازل، والبالغة 240 فولت، فخطيرة جدًا، وقد تؤدي إلى الوفاة. وتشتد خطورة الصدمة الكهربائية عندما يكون جلد الشخص مبللاً بالماء، وذلك لأن الماء المخلوط بأملاح الجلد يضعف مقاومة الجسم للتيار الكهربائي، مما يؤدي إلى مرور تيار كهربائي كبير عبر الجسم. وللحصول على بعض المعلومات المرتبطة بالإسعافات الأولية الخاصة بالصدمة الكهربائية
وتحتوي معظم النبائط الكهربائية على وسائل أمان تمنع حدوث الصدمات الكهربائية، كما تحتوي الكثير من الأجهزة والأدوات على قابس ذي مشبك ثالث يربط الأجزاء الفلزية للنبيطة إلى سلك يقود إلى الأرض. وفي حالة تعطل التوصيلات داخل النبيطة يسمح المشبك الثالث للتيار بالإنسياب إلى الأرض.



أخطار الكهرباء خارج المنازل. إذا تسلقت شجرة قريبة من خط قدرة كهربائية، قد تصاب بصدمة إذا لامست الشجرة خط القدرة. وتسقط العواصف أحيانًا خطوط القدرة، وقد يصاب الشخص أو يقتل إذا لامس هذه الخطوط وهي مشحونة بالكهرباء.

وقد تبلغ فولتية التعريفات الكهربائية الناتجة عن الصواعق 100 مليون فولت، وهي كافية لإمرار تيار كهربائي عبر الجسم، يمكنه قتل الشخص. ويمكنك تجنب ضربات الصواعق بالمكوث داخل المنزل أثناء العواصف. أما إذا صادفتك الصاعقة خارج المنزل فابتعد عن الحقول المكشوفة والأماكن العالية. والغابة أكثر أمنًا من الأرض المكشوفة، ولكن ينبغي تجنب الوقوف تحت الشجرة الطويلة أو المعزولة، والتي تكون أكثر عرضة للصواعق. ومن أكثر الأماكن أمنًا أثناء الصواعق السيارات، حيث يمتص السطح الفلزي الخارجي للسيارة الشحنات الكهربائية، تاركًا الأجزاء الداخلية بعيدة عن تأثير التيار.



الحريق الكهربائي. من أخطار الكهرباء. فعند مرور تيار كهربائي عبر موصل، تسبب المقاومة الناتجة ارتفاع درجة حرارة الموصل. وقد تكون الحرارة الناتجة مفيدة أحيانًا، حيث تستخدم الحرارة الناتجة عن تسخين الأسلاك في بعض أجهزة الطبخ. ولكن التسخين الزائد للأسلاك قد يؤدي إلى حدوث حريق، حيث تدمر الحرائق الكهربائية الكثير من المنازل كل عام. ولتجنب الحرائق ينبغي عدم توصيل نبائط عديدة إلى مأخذ تيار واحد، وتجنب استخدام النبائط ذات الأسلاك المتقطعة أو البالية

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:00 AM
الكهرباء والمغنطيسية
المغنطيس الذي تثبته على ثلاجتك قد لا يبدو ذا علاقة بالكهرباء. ولكن المغنطيسية في الواقع ذات علاقة وثيقة بالكهرباء. فكما يحيط المجال الكهربائي بالشحنة الكهربائية، وينتج قوة تؤثر على الشحنات الأخرى، يحيط المجال المغنطيسي بالمغنطيس، وينتج قوى تؤثر على المغانط الأخرى. ومثل الشحنة الكهربائية، يستطيع المغنطيس جذب مغنطيس آخر أو إبعاده. وبالإضافة إلى ذلك، تنتج المغنطيسية عن التيارات الكهربائية. وفي المغانط الدائمة تنتج التيارات عن حركة الإلكترونات في بعض الذرات. فالإلكترونات تتحرك على محاورها، وتحيط بالنويات الذرية.

تكوِّن المغنطيسية والكهرباء معًا قوة أساسية في الكون تسمى الكهرومغنطيسية. وتعتمد هذه القوة على حقيقة أن حركة الشحنات الكهربائية تنتج مجالات مغنطيسية، وأن المجالات المغنطيسية المتغيرة تنتج تيارات كهربائية.

فإمرار تيار كهربائي عبر ملف سلكي، على سبيل المثال، يحول الملف إلى مغنطيس مؤقت يسمى المغنطيس الكهربائي، حيث يولد التيار الكهربائي مجالاً مغنطيسيًا حول الملف السلكي. ويظل الملف مغنطيسيًا طالما استمر مرور التيار الكهربائي فيه.

وتستطيع المغنطيسية بدورها إنتاج تيار كهربائي عن طريق الحث الكهرومغنطيسي. وفي هذه العملية يتحرك ملف سلكي قرب مغنطيس، حيث تسبب هذه الحركة مرور تيار كهربائي عبر السلك، يستمر مع استمرار الحركة. وتنتج المولدات التيار الكهربائي بهذه الطريقة.

وتنتج المجالات الكهربائية والمغنطيسية المتغيرة معًا الموجات الكهرومغنطيسية، التي تسمى أيضًا الإشعاع الكهرومغنطيسي. وتنقل هذه الموجات طاقة تسمى الطاقة الكهرومغنطيسية بسرعة الضوء. وتكوِّن الموجات الكهرومغنطيسية الضوء والإشارات الإذاعية والتلفازية والموجات الدقيقة، كما تكوِّن الأشعة تحت الحمراء التي تحس بها في شكل حرارة عند وقوفك قرب موقد ساخن، والأشعة فوق البنفسجية التي تسبب حرق الشمس. والأشعة السينية التي يستخدمها الأطباء في فحص الأجزاء الداخلية لجسمك تتكون أيضًا من الموجات الكهرومغنطيسية، كما تتكون منها أيضًا أشعة جاما الصادرة عن المفاعلات النووية، أو القادمة من الفضاء الخارجي.



نبذة تاريخية



إنجازات تاريخية في الكهرباء
الاكتشافات المبكرة. لاحظ الإغريق القدماء قبل بضعة آلاف سنة أن مادة تسمى الكهرمان تجذب إليها المواد الخفيفة مثل الريش والقش، بعد دلكها بقماش. والكهرمان مادة أحفورية ناتجة عن تصلب أشجار الصنوبر التي عاشت قبل ملايين السنين. وهو عازل جيد للكهرباء، ولذلك فهو يمسك الشحنة الكهربائية بسهولة. وبالرغم من أن الإغريق لم يعرفوا الشحنة الكهربائية فقد كانوا في الواقع يجرون تجارب على الكهرباء الساكنة عندما كانوا يدلكون الكهرمان بالقماش.

وعرف بعض القدماء، ومنهم الإغريق والصينيون القدماء، أيضًا مادة صلبة أخرى يمكنها جذب الأشياء، وهي المادة المسماة اللودستون أو الماجنتيت. وهو معروف اليوم بأنه مغنطيس طبيعي ميال إلى جذب الأجسام الحديدية الثقيلة، بينما يجذب الكهرمان الأشياء الخفيفة مثل القش. وفي عام 1551م أثبت عالم الرياضيات الإيطالي جيرولامو كاردانو، والمعروف أيضًا باسم جيروم كاروان، أن التأثيرات الجذبية لكل من الكهرمان والماجنتيت لابد أن تكون مختلفة. وكان كاردانو أول من لاحظ الفرق بين الكهرباء والمغنطيسية.

وفي عام 1600م، أوضح الفيزيائي البريطاني وليم جيلبرت أن بعض المواد، مثل الزجاج والكبريت والشمع، ذات خواص شبيهة بخواص الكهرمان. فعند دلكها بقماش تكتسب هذه المواد خاصية جذب الأشياء الخفيفة. وقد سمى جيلبرت هذه المواد الكهربيات، ودرس خواصها، وخلص إلى أن تأثيراتها ربما تُعزى إلى نوع من السوائل. ونحن نعرف اليوم أن ما سماها جيلبرت الكهربيات هي عوازل جيدة للكهرباء.



تجارب الشحنة الكهربائية. في ثلاثينيات القرن الثامن عشر وجد العالم الفرنسي تشارلز دوفاي أن القطع الزجاجية المشحونة تجذب المواد الشبيهة بالكهرمان، ولكنها تتنافر مع المواد الشبيهة بالزجاج، واستنتج من ذلك أن هناك نوعين من الكهرباء سماهما الكهرباء الزجاجية (للمواد الشبيهة بالزجاج)، والكهرباء الراتينجية (للمواد الشبيهة بالكهرمان). وبذلك استطاع دوفاي التوصل إلى نوعي الشحنات الكهربائية السالبة والموجبة، بالرغم من أنه اعتقد أنهما نوعان من "السوائل الكهربائية".

بدأ العالم ورجل الدولة الأمريكي بنجامين فرانكلين تجاربه على الكهرباء في عام 1746م. وقد بنى هذه التجارب على اعتقاد مفاده أن هناك نوعًا واحدًا من السوائل الكهربائية. فالأجسام التي تحمل كمية كبيرة من السائل تتنافر، بينما تتجاذب الأجسام التي تحمل كمية قليلة من السائل. وإذا لامس جسم به فائض من السائل جسمًا آخر قليل السائل يتقاسم الجسمان السائل. وقد أوضحت فكرة فرانكلين كيف تلغي الشحنات المتضادة بعضها بعضًا عندما تتلامس.

استخدم فرانكلين مصطلح موجب للإشارة لما اعتقد أنه فائض من سائل، كما استخدم مصطلح سالب لنقصان السائل. ولم يعرف فرانكلين أن الكهرباء ليست سائلاً، بل يرتبط بشحنات الإلكترونات والبروتونات. ونحن نعرف اليوم أن الأجسام المشحونة بشحنة موجبة تحمل عددًا قليلاً من الإلكترونات، بينما تحمل الأجسام المشحونة بشحنة سالبة فائضًا من الإلكترونات.

وفي عام 1572م، أجرى فرانكلين تجربته الشهيرة التي أطلق فيها طائرة ورقية أثناء عاصفة برقية، حيث اكتسب كل من الطائرة والخيط شحنة كهربائية، فاعتقد فرانكلين أن السحب نفسها مشحونة أيضًا بالكهرباء، كما رسخ في اعتقاده أن البرق شرارة كهربائية هائلة. ومن حسن حظ فرانكلين أن البرق لم يمس الطائرة، إذ ربما أدى ذلك إلى قتله.

وفي عام 1767م، صاغ العالم الإنجليزي جوزيف بريستلي القانون الرياضي الذي يوضح كيف تضعف قوة الجذب بين الجسمين المشحونين بشحنات متضادة كلما زادت المسافة بين الجسمين. وفي عام 1785م، أكد العالم الفرنسي شارل أوغسطين دو كولمبو قانون بريستلي، بنفس الشحنة. ويطلق على هذا المبدأ اليوم اسم قانون كولمبو.

وفي عام 1771م، وجد عالم التشريح الإيطالي لويجي جالفاني أن رجل الضفدعة المقتولة حديثًا ترتعش إذا لُمست بفلزين مختلفين في الوقت نفسه، وحظيت هذه التجربة بانتباه شديد. وفي أواخر تسعينيات القرن الثامن عشر قدم الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا تفسيرًا لذلك، حيث أوضح أن تفاعلاً كيميائيًا يحدث في المادة الرطبة الملامسة لفلزين مختلفين، وينتج عن التفاعل الكيميائي تيار كهربائي. وهذا التيار هو الذي أدى إلى ارتعاش رجل الضفدعة في تجربة جالفاني. جمع فولتا أزواجًا من الأقراص يتكون كل منها من قرص من الفضة وقرص من الخارصين، وفصل بين الأزواج بورق أو قماش مبلل بالماء المالح. وبرص عدد من هذه الأقراص صمم فولتا أول بطارية، وأطلق عليها اسم عمود فولتا.

وتلا ذلك العديد من التجارب على عمود فولتا وعلى الدوائر الكهربائية. واستنبط الفيزيائي الألماني جورج أوم قانونًا رياضيًا يحدد العلاقة بين التيار والفولتية والمقاومة لمواد معينة. وحسب قانون أوم، الذي نشر في عام 1827، تدفع الفولتية الكبيرة تيارًا كبيرًا عبر مقاومة معينة. وبالإضافة إلى ذلك تدفع فولتية معلومة تيارًا كبيرًا عبر المقاومة الصغيرة.



الكهرباء والمغنطيسية. في عام 1820م، وجد الفيزيائي الدنماركي هانز أورستد أن التيار الكهربائي الذي يسري قرب إبرة بوصلة يجعل الإبرة تتحرك. وقد كان أورستد أول من أوضح وجود علاقة محددة بين الكهرباء والمغنطيسية. وخلال عشرينيات القرن التاسع عشر اكتشف أندريه ماري أمبير العلاقة الرياضية بين التيارات والمجالات المغنطيسية. وتعد هذه العلاقة، التي عرفت بقانون أمبير، أحد القوانين الأساسية في الكهرومغنطيسية.

وفي أوائل ثلاثينيات القرن التاسع عشر اكتشف العالم الإنجليزي مايكل فارادي والفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري، كل على انفراد، أن تحريك مغنطيس قرب ملف سلكي، يولد تيارًا كهربائيًا في السلك. وأوضحت تجارب تالية أن تأثيرات كهربائية تحدث في أي وقت يحدث فيه تغيير في مجال مغنطيسي. وتبنى التسجيلات السمعية والبصرية والأقراص الحاسوبية والمولدات الكهربائية على هذا المبدأ.

وقد جمع الفيزيائي الأسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل كل القوانين المعروفة، ذات العلاقة بالكهرباء والمغنطيسية، في مجموعة واحدة من أربع معادلات. وتصف قوانين ماكسويل، التي نشرت في عام 1865م، بوضوح، كيف تنشأ المجالات الكهربائية والمغنطيسية وتتداخل. وقدم ماكسويل طرحًا جديدًا يقضي بأن المجال الكهربائي المتغير ينتج مجالاً مغنطيسيًا، وقاده ذلك إلى افتراض وجود الموجات الكهرومغنطيسية، المعروفة الآن بأنها تشمل الضوء والموجات الراديوية والأشعة السينية. وفي أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر أوضح الفيزيائي الألماني هينريتش هرتز كيفية توليد الموجات الراديوية، والكشف عنها، ودعم بذلك افتراض ماكسويل. وفي عام 1901م، استطاع المخترع الإيطالي جوليلمو ماركوني نقل الموجات الكهرومغنطيسية عبر المحيط الأطلسي، ممهدًا بذلك لمرحلة الإذاعة والتلفاز وأقمار الاتصالات والهواتف الخلوية.




إنجازات تاريخية في الكهرباء
العصر الإلكتروني. اعتقد الفيزيائي الأيرلندي ج. جونستون ستوني أن التيار الكهربائي ينتج عن حركة جسيمات صغيرة جدًا، مشحونة كهربائيًا. وفي عام 1891م، اقترح أن تسمى هذه الجسيمات الإلكترونات. وفي عام 1897م، أثبت الفيزيائي الإنجليزي جوزيف جون طومسون وجود الإلكترونات، وأوضح أنها تدخل في تركيب كل الذرات. وفي بحث نشر في عام 1913م، قاس الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان بدقة شحنة الإلكترون.

وفي أواخر القرن التاسع عشر، اكتشف العلماء أن الإلكترونات يمكن فصلها عن أسطح الفلزات وتفريغها في صمام مفرغ. والصمام المفرغ أنبوب زجاجي أزيل عنه معظم الهواء، ويحتوي على أقطاب متصلة بأسلاك تمتد عبر الزجاجة. ويؤدي ربط بطاريات إلى الأقطاب إلى سريان تيار من الإلكترونات داخل الصمام. ويمكن ضبط التيار بالتحكم في الفولتية. وتستطيع الصمامات المفرغة تضخيم التيارات الكهربائية الضعيفة ودمجها والفصل بينها. وقد مهد هذا الاختراع الطريق لصنع أجهزة المذياع والتلفاز وغيرها من التقنيات.

وفي عام 1947م، اخترع الفيزيائيون الأمريكيون جون باردين ووالتر براتين ووليم شوكلي الترانزستور. وتؤدي الترانزستورات نفس وظائف الصمامات المفرغة، ولكنها أصغر من الصمامات المفرغة، وأكثر تحملاً، وتستهلك طاقة أقل. وبحلول ستينيات القرن العشرين حلت الترانزستورات محل الصمامات المفرغة في معظم المعدات الإلكترونية. ومنذ ذلك التاريخ تمكنت شركات الإلكترونات من تصغير حجم الترانزستور إلى حد كبير. واليوم توضع ملايين الترانزستورات، المتصلة بعضها ببعض، في رقاقة واحدة تسمى الدائرة المتكاملة.



التطورات الأخيرة. يزداد الطلب العالمي على الطاقة الكهربائية عامًا بعد عام. وتأتي معظم الطاقة الكهربائية التي نستخدمها من محطات القدرة التي تحرق الوقود الأحفوري مثل الفحم والزيت والغاز الطبيعي. ويأتي جزء من الطاقة الكهربائية من المحطات النووية والكهرمائية (محطات القدرة المائية)، بينما تأتي كميات صغيرة من الخلايا الشمسية وطواحين الهواء وغيرها من المصادر.

وتثير محدودية مخزون الأرض من الوقود الأحفوري، واحتمال نفاده، قلق الكثيرين. ومن المشاكل الأخرى أن طرق توليد الطاقة الكهربائية المستخدمة حاليًا قد تضر البيئة. ولذلك يحاول العلماء والمهندسون، كما تحاول شركات القدرة الكهرمائية، إيجاد مصادر بديلة للطاقة الكهربائية. ومن هذه البدائل الطاقة الشمسية والجيوحرارية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر. انظر: مخزون الطاقة (المشكلات؛ التحديات).

ويأمل العديد من العلماء أن يؤدي استخدام نبائط كهربائية جديدة إلى الحد من الطلب المتزايد على الطاقة الكهربائية. فالحواسيب على سبيل المثال، قد تتحكم في أنظمة الإنارة التي توفرها المصابيح الضوئية العادية، ولكنها تستهلك خمس الطاقة الكهربائية التي تستهلكها هذه المصابيح. وتمكن الحواسيب ونظم الاتصالات الحديثة الناس من العمل في المنازل، مما يوفر الطاقة المستهلكة في المواصلات

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:02 AM
الليزر
Laser



الليزر نبيطة (أو أداة ) تنتج حزمة ضوئية رفيعة جدًا وقوية. وبعض الأحزمة رفيعة لدرجة أنها قادرة على ثقب مائتي حفرة فوق نقطة في حجم رأس الدبوس. وبسبب إمكانية تبئير (تركيز) أشعة الليزر إلى هذا الحد من الدقة فإن هذه الأشعة تكون قوية جدًا. فبعض الأحزمة، على سبيل المثال، تستطيع اختراق الماس، وهو أصلب مادة في الطبيعة، وبعضها تستطيع إحداث تفاعل نووي صغير. ويمكن أيضًا نقل حزمة الليزر إلى مسافات بعيدة دون أن تفقد قوتها، حيث وصلت بعض الأحزمة إلى القمر.

ويستخدم ضوء الليزر في تطبيقات متنوعة نظرًا لما يتميز بها من خواص. فبعض أنواع الليزرات، على سبيل المثال، تستخدم في الموسيقى وقراءة شفرات الأسعار وقطْع الفلزات ولحمها ونقل المعلومات. وبالإضافة إلى ذلك، توجه الليزرات الصواريخ إلى أهدافها، وتعالج العيون، وتنتج عروضًا ضوئية مثيرة، كما تستخدم في رص جدران وأسقف المباني وفي طباعة الوثائق. وتستطيع بعض الليزرات تتبع أقل حركة تحدث للقارات.

وتتفاوت الليزرات في الحجم، حيث يبلغ طول نوع من الليزر طول ميدان كرة القدم، بينما لا يزيد حجم نوع آخر عن حجم حبة الملح.


في جراحة العيون يستخدم الجراحون حزمة مضبوطة التركيز من ليزر غازي لإصلاح الأنسجة التالفة.
ولليزر العادي ثلاثة أجزاء رئيسية، هي 1- مصدر الطاقة 2- مادة تسمى الوسط الفعال 3- تركيب يغلف الوسط الفعال يسمى الفجوة البصرية. ويؤدي مصدر الطاقة وظيفة توفير التيار الكهربائي أو الضوء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة. وتمتص ذرات الوسط الفعال الطاقة، وتخزنها لفترة، ثم تطلقها في شكل ضوء. ويحفز بعض هذا الضوء ذرات أخرى لإطلاق طاقتها، ويعوَّض هذا الضوء بإضافة مزيد من الضوء إلى الضوء الحافز، حيث تعكس مرآتان مثبتتان على طرفي الفجوة البصرية الضوء مرة أخرى إلى الوسط الفعّال، ويسبب الضوء المنعكس انطلاق الضوء من مزيد من الذرات وبذلك يقوى الضوء، ويبرز جزء منه من الليزر في شكل حزمة رفيعة. وبعض الأحزمة ترى بالعين المجردة، بينما تتكون أحزمة أخرى من أشكال غير مرئية من الإشعاع.

وهناك أربعة أنواع أساسية من الليزرات، هي ليزرات حالة الصلابة وليزرات أشباه الموصلات والليزرات الغازية والليزرات الصبغية.

بنى الفيزيائي الأمريكي ثيودور مايمان أول ليزر في عام 1960م. وكانت استخدامات الليزر في البداية محدودة، حيث كان العلماء ينظرون إلى الليزر باعتباره "حلاً ينتظر مشكلة". ولكن الليزر اليوم يعد أحد أهم أدوات الحياةالحديثة وأكثرها استعمالاً.



كيف تستخدم الليزرات
تستطيع الليزرات أداء العديد من المهام غير العادية. وهي ذات خواص تجعلها مفيدة بصفة خاصة في تسجيل أنواع متعددة من المعلومات، وتخزينها ونقلها. وهي أيضًا مفيدة في أنشطة مثل المسح والتسخين والقياس والتوجيه. ونظرًا لاستخداماتها المتعددة يوجد الليزر في العديد من المعدات المستخدمة في المنازل والمصانع والمكاتب والمستشفيات والمكتبات.



أداة قياس ليزرية تكشف المرتفعات والفجوات الموجودة في حقل مزارع، وترسل المعلومات التي تحصل عليها إلى آلة تسمى مسوية الأرض. وبعد ذلك تسوي هذه الآلة الحقل لضمان ري متوازن بعد زراعة المحاصيل.
تسجيل المعلومات وتخزينها ونقلها. من أكثر استخدامات الليزر شيوعًا استخدامه في تسجيل الموسيقى والأفلام والبيانات الحاسوبية وغيرها من المواد في أقراص خاصة، حيث تسجل دفعات من ضوء الليزر هذه المواد على الأقراص في أنماط من حفر صغيرة. وتسمى الأقراص التي تسجل عليها الموسيقى والبيانات الحاسوبية الأقراص المدمجة.

وتسمح إمكانية التبئير المحكم لحزمة الليزر بتخزين كمية من المعلومات على القرص المدمج أكبر بكثير من تلك التي يمكن تخزينها على شريط الحاكي، مما يجعل القرص المدمج مفيدًا في تخزين البيانات والموسيقى. فبعض الأقراص المدمجة يمكنها احتواء موسوعات كاملة. ويسمى القرص المستخدم في تخزين البيانات اختصارًا سي دي روم، وهو اختصار لعبارة إنجليزية تعني: القرص المدمج - ذاكرة القراءة فقط-. وتختزن مثل هذه الأقراص قواعد البيانات (ملفات ضخمة من المعلومات مختزنة في الحواسيب)، وتستخدم عادة في الأعمال التجارية والمكتبات والدوائر الحكومية.

وبإمكان الليزر أيضًا قراءة المعلومات المسجلة في الأقراص واستعادتها. ففي حاكي القرص المدمج تعكس حزمة ليزر نمط الحُفَر أثناء دوران القرص المدمج. وتغير نبائط أخرى في الحاكي الانعكاسات إلى إشارات كهربائية، وتعيد تشفيرها في شكل موسيقى. وتستخدم ليزرات كثيرة في حاكيات القرص المدمج مقارنة بالمنتجات الأخرى.

وتستخدم الليزرات في تسجيل الأفلام على أسطوانات كبيرة تسمى أقراص الفيديو. وبالإضافة إلى ذلك تستطيع أحزمة الليزر إنتاج صور ثلاثية الأبعاد في عملية تصوير ضوئي تسمى التصوير التجسيمي. وتسمى الصور ـ المسجلة على لوحة التصوير الضوئي ـ الصور المجسمة، وتظهر في عروض الإعلانات والأعمال الفنية والمجوهرات، وتثبت بعضها على البطاقات الإئتمانية لمنع التزوير.

ومن أهم استخدامات الليزر استخدامه في مجال الاتصالات الليفية البصرية، حيث تغير هذه التقنية الإشارات الكهربائية للمكالمات الهاتفية والصور التلفازية إلى نبضات من ضوء الليزر. وتوصل جدائل زجاجية تسمى الألياف البصرية الضوء. ويبلغ سمك الليف البصري سمك شعرة الإنسان تقريبًا، ولكن الليف البصري الواحد يستطيع حمل كمية من المعلومات تساوي كمية المعلومات التي تستطيع حملها عدة آلاف من الأسلاك الهاتفية النحاسية. وضوء الليزر مناسب في هذه التقنية، لأنه قابل للتبئير بدقة متناهية، ولأن كل طاقته يمكن نقلها إلى الألياف. ويسمح الإرسال الليفي البصري لضوء الليزر بربط أعداد هائلة من الهواتف والتلفازات وغيرها من البيانات بتكلفة منخفضة نسبيًا.


المسح. ينطوي المسح على حركة حزمة ليزر على سطح ما. وتستخدم أحزمة المسح عادة في قراءة المعلومات. فقد اعتاد الناس، على سبيل المثال، على الماسحات الليزرية المستخدمة عند نقاط الدفع في الأسواق المركزية، حيث يرى الشخص ما يشبه الخط الضوئي، والذي هو في الواقع حزمة ليزر متحركة بسرعة لمسح ما يسمى الكود القضيبي، الذي يتكون من نمط من الخطوط والفراغات، في مجموعات ممثلة لكل منتج. ويقرأ الماسح النمط ويرسل المعلومات إلى حاسوب في السوق، والذي يتعرف على سعر المنتج، ويرسل المعلومات إلى موظف الدفع.

وتستخدم أنواع أخرى عديدة من المحلات التجارية ماسحات الكود القضيبي. وبالإضافة إلى ذلك، تحتفظ هذه الماسحات بسجل للكتب الخاصة بمكتبة ما، وتفرز الخطابات في مكاتب البريد، وتقرأ أرقام الحسابات على الشيكات في البنوك. وتستخدم الطابعات الليزرية حزمة ليزر ماسحة لإنتاج نسخ من الوثائق. وتصنع ماسحات أخرى ألواح الطباعة الخاصة بالصحف.

ولأغراض الترويح تنتج عروض الأضواء الليزرية بأحزمة ليزر ماسحة، حيث "ترسم" هذه الأحزمة أنماطًا رائعة من الألوان، تتراوح بين الأحمر والأصفر والأخضر والأزرق، على المباني والسطوح الخارجية. وتتحرك هذه الأحزمة بسرعة هائلة منتجة ما يشبه الصور الثابتة. وتنتج الماسحات الليزرية أيضًا أنماطًا من الألوان المبهرة في موسيقى الروك.


التسخين. تنتج طاقة حزمة الليزر ذات التبئير الدقيق كمية كبيرة من الحرارة. فالليزرات الصناعية، على سبيل المثال، تنتج أحزمة ذات قدرة تبلغ عدة آلاف واط، ويمكنها قطع الفلزات ولحمها، وثقب الحفر، وتقوية المواد بتسخينها. وبإمكان الليزرات الصناعية قطع السيراميك والقماش والبلاستيك.

وفي الطب تستخدم القوة التسخينية لليزرات في جراحة العيون. ففي إمكان أحزمة الليزر الدقيقة التبئير رتق الأوعية الدموية المتهتكة في الشبكية، وهي نسيج يقع في الجزء الخلفي من مقلة العين. وتستطيع الليزرات أيضًا إعادة تثبيت الشبكية المتخلخلة. فأحزمة الليزر تمر عبر القرنية (السطح الأمامي للعين)، دون أن تسبب ألمًا أو إصابة، لأن القرنية شفافة ولا تمتص الضوء.

ويستخدم الأطباء الليزرات أيضًا في علاج الاضطرابات الجلدية وإزالة علامات الولادة وتفتيت حصوات المرارة. وتحل أحزمة الليزر محل المشرط الجراحي في بعض العمليات، حيث يتيح الليزر دقة عالية في قطع الأنسجة ووصل الأنسجة المقطوعة، مما يقلل النزيف أو التدمير الذي يمكن أن يصيب الأنسجة المجاورة.

وفي أبحاث الطاقة النووية يستخدم العلماء الليزرات لإحداث انفجارات قنابل هيدروجينية صغيرة ومضبوطة. يركز العلماء عددًا من أحزمة الليزر القوية على كرية مكونة من أشكال مجمدة من الهيدروجين. وتضغط الأحزمة المكثفة على الكرية وتسخنها إلى ملايين الدرجات، مما يؤدي إلى اندماج (اتحاد) ذرات الكرية، وانطلاق طاقة. وقد تستخدم هذه العملية المسماة الاندماج النووي في إنتاج طاقة تكفي لحل مشكلة الطاقة في العالم. واليوم تنتج الليزرات الطاقة الهائلة المطلوبة لإحداث الاندماج النووي، ولكنها لم تنتج بعد كميات الطاقة التي يمكن الاستفادة منها فعلاً.



المسافة إلى القمر يمكن قياسها بدقة باستخدام حزمة ليزر ترسل من الأرض، حيث لايزيد هامش الخطأ عن 5سم. ترتد الحزمة عن عاكس ليزري موضوع على القمر، وتعود إلى الأرض.
القياس. تستخدم الليزرات أيضًا في قياس المسافات، حيث يمكن تحديد بُعد أي جسم بقياس الزمن الذي تستغرقه نبضة من ضوء الليزر للوصول إلى الجسم والانعكاس عنه عائدة إلى مصدرها.

وفي عامي 1969 و1971م، وضع الرواد الأمريكيون نبائط مزودة بمرايا، تسمى العاكسات الليزرية، على سطح القمر. وباستخدام ليزر مدفوع بقدرة عالية، قاس العلماء المسافة بين الأرض والقمر ـ أكثر من 383,000كم ـ بهامش خطأ قدره 5 سنتميترات. وقد أجروا القياس بتسليط ضوء الليزر من تلسكوب على الأرض إلى العاكسات على القمر.

وبإمكان أحزمة الليزر الموجهة عبر مسافات بعيدة الكشف عن الحركات الأرضية الصغيرة، حيث يساعد ذلك الجيولوجيين المعنيين بنظم الإنذار الزلزالية.

وتسمى النبائط الليزرية المستخدمة في قياس المسافات القصيرة معيِّنات المدى. ويستخدم المساحون هذه النبائط للحصول على المعلومات المطلوبة لتصميم الخرائط، كما يستخدمها العسكريون لحساب المسافات المؤدية إلى الأهداف العسكرية.


التوجيه. الليزر أداة توجيه قيمة لقوة أحزمته واستقامتها. فعلى سبيل المثال، يستخدم العاملون في مجال المباني أحزمة الليزر ـ باعتبارها خيوطًا عديمة الوزن ـ لرص جدران وأسقف المباني ومد أنابيب المياه والمجاري.

وتستخدم أجهزة تسمى الجيروسكوبات الليزرية أحزمة الليزر لتقصي التغيرات التي تطرأ على الاتجاهات. وتساعد هذه النبائط السفن والطائرات والقذائف الموجهة على البقاء في مساراتها. ومن الاستخدامات العسكرية الأخرى لليزرات استخدامها في نبيطة توجيه تسمى معيِّنة الأهداف. وفي هذا الاستخدام تُوجَّه حزمة ليزرية من النبيطة إلى الهدف. وتتبع الصواريخ وقذائف المدفعية والمتفجرات المزودة بكاشفات الأحزمة الليزرية الحزمة المنعكسة، وتضبط اتجاهاتها لضرب النقطة التي تشير إليها الحزمة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:04 AM
الليزر
Laser



الليزر نبيطة (أو أداة ) تنتج حزمة ضوئية رفيعة جدًا وقوية. وبعض الأحزمة رفيعة لدرجة أنها قادرة على ثقب مائتي حفرة فوق نقطة في حجم رأس الدبوس. وبسبب إمكانية تبئير (تركيز) أشعة الليزر إلى هذا الحد من الدقة فإن هذه الأشعة تكون قوية جدًا. فبعض الأحزمة، على سبيل المثال، تستطيع اختراق الماس، وهو أصلب مادة في الطبيعة، وبعضها تستطيع إحداث تفاعل نووي صغير. ويمكن أيضًا نقل حزمة الليزر إلى مسافات بعيدة دون أن تفقد قوتها، حيث وصلت بعض الأحزمة إلى القمر.

ويستخدم ضوء الليزر في تطبيقات متنوعة نظرًا لما يتميز بها من خواص. فبعض أنواع الليزرات، على سبيل المثال، تستخدم في الموسيقى وقراءة شفرات الأسعار وقطْع الفلزات ولحمها ونقل المعلومات. وبالإضافة إلى ذلك، توجه الليزرات الصواريخ إلى أهدافها، وتعالج العيون، وتنتج عروضًا ضوئية مثيرة، كما تستخدم في رص جدران وأسقف المباني وفي طباعة الوثائق. وتستطيع بعض الليزرات تتبع أقل حركة تحدث للقارات.

وتتفاوت الليزرات في الحجم، حيث يبلغ طول نوع من الليزر طول ميدان كرة القدم، بينما لا يزيد حجم نوع آخر عن حجم حبة الملح.


في جراحة العيون يستخدم الجراحون حزمة مضبوطة التركيز من ليزر غازي لإصلاح الأنسجة التالفة.
ولليزر العادي ثلاثة أجزاء رئيسية، هي 1- مصدر الطاقة 2- مادة تسمى الوسط الفعال 3- تركيب يغلف الوسط الفعال يسمى الفجوة البصرية. ويؤدي مصدر الطاقة وظيفة توفير التيار الكهربائي أو الضوء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة. وتمتص ذرات الوسط الفعال الطاقة، وتخزنها لفترة، ثم تطلقها في شكل ضوء. ويحفز بعض هذا الضوء ذرات أخرى لإطلاق طاقتها، ويعوَّض هذا الضوء بإضافة مزيد من الضوء إلى الضوء الحافز، حيث تعكس مرآتان مثبتتان على طرفي الفجوة البصرية الضوء مرة أخرى إلى الوسط الفعّال، ويسبب الضوء المنعكس انطلاق الضوء من مزيد من الذرات وبذلك يقوى الضوء، ويبرز جزء منه من الليزر في شكل حزمة رفيعة. وبعض الأحزمة ترى بالعين المجردة، بينما تتكون أحزمة أخرى من أشكال غير مرئية من الإشعاع.

وهناك أربعة أنواع أساسية من الليزرات، هي ليزرات حالة الصلابة وليزرات أشباه الموصلات والليزرات الغازية والليزرات الصبغية.

بنى الفيزيائي الأمريكي ثيودور مايمان أول ليزر في عام 1960م. وكانت استخدامات الليزر في البداية محدودة، حيث كان العلماء ينظرون إلى الليزر باعتباره "حلاً ينتظر مشكلة". ولكن الليزر اليوم يعد أحد أهم أدوات الحياةالحديثة وأكثرها استعمالاً.



كيف تستخدم الليزرات
تستطيع الليزرات أداء العديد من المهام غير العادية. وهي ذات خواص تجعلها مفيدة بصفة خاصة في تسجيل أنواع متعددة من المعلومات، وتخزينها ونقلها. وهي أيضًا مفيدة في أنشطة مثل المسح والتسخين والقياس والتوجيه. ونظرًا لاستخداماتها المتعددة يوجد الليزر في العديد من المعدات المستخدمة في المنازل والمصانع والمكاتب والمستشفيات والمكتبات.



أداة قياس ليزرية تكشف المرتفعات والفجوات الموجودة في حقل مزارع، وترسل المعلومات التي تحصل عليها إلى آلة تسمى مسوية الأرض. وبعد ذلك تسوي هذه الآلة الحقل لضمان ري متوازن بعد زراعة المحاصيل.
تسجيل المعلومات وتخزينها ونقلها. من أكثر استخدامات الليزر شيوعًا استخدامه في تسجيل الموسيقى والأفلام والبيانات الحاسوبية وغيرها من المواد في أقراص خاصة، حيث تسجل دفعات من ضوء الليزر هذه المواد على الأقراص في أنماط من حفر صغيرة. وتسمى الأقراص التي تسجل عليها الموسيقى والبيانات الحاسوبية الأقراص المدمجة.

وتسمح إمكانية التبئير المحكم لحزمة الليزر بتخزين كمية من المعلومات على القرص المدمج أكبر بكثير من تلك التي يمكن تخزينها على شريط الحاكي، مما يجعل القرص المدمج مفيدًا في تخزين البيانات والموسيقى. فبعض الأقراص المدمجة يمكنها احتواء موسوعات كاملة. ويسمى القرص المستخدم في تخزين البيانات اختصارًا سي دي روم، وهو اختصار لعبارة إنجليزية تعني: القرص المدمج - ذاكرة القراءة فقط-. وتختزن مثل هذه الأقراص قواعد البيانات (ملفات ضخمة من المعلومات مختزنة في الحواسيب)، وتستخدم عادة في الأعمال التجارية والمكتبات والدوائر الحكومية.

وبإمكان الليزر أيضًا قراءة المعلومات المسجلة في الأقراص واستعادتها. ففي حاكي القرص المدمج تعكس حزمة ليزر نمط الحُفَر أثناء دوران القرص المدمج. وتغير نبائط أخرى في الحاكي الانعكاسات إلى إشارات كهربائية، وتعيد تشفيرها في شكل موسيقى. وتستخدم ليزرات كثيرة في حاكيات القرص المدمج مقارنة بالمنتجات الأخرى.

وتستخدم الليزرات في تسجيل الأفلام على أسطوانات كبيرة تسمى أقراص الفيديو. وبالإضافة إلى ذلك تستطيع أحزمة الليزر إنتاج صور ثلاثية الأبعاد في عملية تصوير ضوئي تسمى التصوير التجسيمي. وتسمى الصور ـ المسجلة على لوحة التصوير الضوئي ـ الصور المجسمة، وتظهر في عروض الإعلانات والأعمال الفنية والمجوهرات، وتثبت بعضها على البطاقات الإئتمانية لمنع التزوير.

ومن أهم استخدامات الليزر استخدامه في مجال الاتصالات الليفية البصرية، حيث تغير هذه التقنية الإشارات الكهربائية للمكالمات الهاتفية والصور التلفازية إلى نبضات من ضوء الليزر. وتوصل جدائل زجاجية تسمى الألياف البصرية الضوء. ويبلغ سمك الليف البصري سمك شعرة الإنسان تقريبًا، ولكن الليف البصري الواحد يستطيع حمل كمية من المعلومات تساوي كمية المعلومات التي تستطيع حملها عدة آلاف من الأسلاك الهاتفية النحاسية. وضوء الليزر مناسب في هذه التقنية، لأنه قابل للتبئير بدقة متناهية، ولأن كل طاقته يمكن نقلها إلى الألياف. ويسمح الإرسال الليفي البصري لضوء الليزر بربط أعداد هائلة من الهواتف والتلفازات وغيرها من البيانات بتكلفة منخفضة نسبيًا.


المسح. ينطوي المسح على حركة حزمة ليزر على سطح ما. وتستخدم أحزمة المسح عادة في قراءة المعلومات. فقد اعتاد الناس، على سبيل المثال، على الماسحات الليزرية المستخدمة عند نقاط الدفع في الأسواق المركزية، حيث يرى الشخص ما يشبه الخط الضوئي، والذي هو في الواقع حزمة ليزر متحركة بسرعة لمسح ما يسمى الكود القضيبي، الذي يتكون من نمط من الخطوط والفراغات، في مجموعات ممثلة لكل منتج. ويقرأ الماسح النمط ويرسل المعلومات إلى حاسوب في السوق، والذي يتعرف على سعر المنتج، ويرسل المعلومات إلى موظف الدفع.

وتستخدم أنواع أخرى عديدة من المحلات التجارية ماسحات الكود القضيبي. وبالإضافة إلى ذلك، تحتفظ هذه الماسحات بسجل للكتب الخاصة بمكتبة ما، وتفرز الخطابات في مكاتب البريد، وتقرأ أرقام الحسابات على الشيكات في البنوك. وتستخدم الطابعات الليزرية حزمة ليزر ماسحة لإنتاج نسخ من الوثائق. وتصنع ماسحات أخرى ألواح الطباعة الخاصة بالصحف.

ولأغراض الترويح تنتج عروض الأضواء الليزرية بأحزمة ليزر ماسحة، حيث "ترسم" هذه الأحزمة أنماطًا رائعة من الألوان، تتراوح بين الأحمر والأصفر والأخضر والأزرق، على المباني والسطوح الخارجية. وتتحرك هذه الأحزمة بسرعة هائلة منتجة ما يشبه الصور الثابتة. وتنتج الماسحات الليزرية أيضًا أنماطًا من الألوان المبهرة في موسيقى الروك.


التسخين. تنتج طاقة حزمة الليزر ذات التبئير الدقيق كمية كبيرة من الحرارة. فالليزرات الصناعية، على سبيل المثال، تنتج أحزمة ذات قدرة تبلغ عدة آلاف واط، ويمكنها قطع الفلزات ولحمها، وثقب الحفر، وتقوية المواد بتسخينها. وبإمكان الليزرات الصناعية قطع السيراميك والقماش والبلاستيك.

وفي الطب تستخدم القوة التسخينية لليزرات في جراحة العيون. ففي إمكان أحزمة الليزر الدقيقة التبئير رتق الأوعية الدموية المتهتكة في الشبكية، وهي نسيج يقع في الجزء الخلفي من مقلة العين. وتستطيع الليزرات أيضًا إعادة تثبيت الشبكية المتخلخلة. فأحزمة الليزر تمر عبر القرنية (السطح الأمامي للعين)، دون أن تسبب ألمًا أو إصابة، لأن القرنية شفافة ولا تمتص الضوء.

ويستخدم الأطباء الليزرات أيضًا في علاج الاضطرابات الجلدية وإزالة علامات الولادة وتفتيت حصوات المرارة. وتحل أحزمة الليزر محل المشرط الجراحي في بعض العمليات، حيث يتيح الليزر دقة عالية في قطع الأنسجة ووصل الأنسجة المقطوعة، مما يقلل النزيف أو التدمير الذي يمكن أن يصيب الأنسجة المجاورة.

وفي أبحاث الطاقة النووية يستخدم العلماء الليزرات لإحداث انفجارات قنابل هيدروجينية صغيرة ومضبوطة. يركز العلماء عددًا من أحزمة الليزر القوية على كرية مكونة من أشكال مجمدة من الهيدروجين. وتضغط الأحزمة المكثفة على الكرية وتسخنها إلى ملايين الدرجات، مما يؤدي إلى اندماج (اتحاد) ذرات الكرية، وانطلاق طاقة. وقد تستخدم هذه العملية المسماة الاندماج النووي في إنتاج طاقة تكفي لحل مشكلة الطاقة في العالم. واليوم تنتج الليزرات الطاقة الهائلة المطلوبة لإحداث الاندماج النووي، ولكنها لم تنتج بعد كميات الطاقة التي يمكن الاستفادة منها فعلاً.



المسافة إلى القمر يمكن قياسها بدقة باستخدام حزمة ليزر ترسل من الأرض، حيث لايزيد هامش الخطأ عن 5سم. ترتد الحزمة عن عاكس ليزري موضوع على القمر، وتعود إلى الأرض.
القياس. تستخدم الليزرات أيضًا في قياس المسافات، حيث يمكن تحديد بُعد أي جسم بقياس الزمن الذي تستغرقه نبضة من ضوء الليزر للوصول إلى الجسم والانعكاس عنه عائدة إلى مصدرها.

وفي عامي 1969 و1971م، وضع الرواد الأمريكيون نبائط مزودة بمرايا، تسمى العاكسات الليزرية، على سطح القمر. وباستخدام ليزر مدفوع بقدرة عالية، قاس العلماء المسافة بين الأرض والقمر ـ أكثر من 383,000كم ـ بهامش خطأ قدره 5 سنتميترات. وقد أجروا القياس بتسليط ضوء الليزر من تلسكوب على الأرض إلى العاكسات على القمر.

وبإمكان أحزمة الليزر الموجهة عبر مسافات بعيدة الكشف عن الحركات الأرضية الصغيرة، حيث يساعد ذلك الجيولوجيين المعنيين بنظم الإنذار الزلزالية.

وتسمى النبائط الليزرية المستخدمة في قياس المسافات القصيرة معيِّنات المدى. ويستخدم المساحون هذه النبائط للحصول على المعلومات المطلوبة لتصميم الخرائط، كما يستخدمها العسكريون لحساب المسافات المؤدية إلى الأهداف العسكرية.


التوجيه. الليزر أداة توجيه قيمة لقوة أحزمته واستقامتها. فعلى سبيل المثال، يستخدم العاملون في مجال المباني أحزمة الليزر ـ باعتبارها خيوطًا عديمة الوزن ـ لرص جدران وأسقف المباني ومد أنابيب المياه والمجاري.

وتستخدم أجهزة تسمى الجيروسكوبات الليزرية أحزمة الليزر لتقصي التغيرات التي تطرأ على الاتجاهات. وتساعد هذه النبائط السفن والطائرات والقذائف الموجهة على البقاء في مساراتها. ومن الاستخدامات العسكرية الأخرى لليزرات استخدامها في نبيطة توجيه تسمى معيِّنة الأهداف. وفي هذا الاستخدام تُوجَّه حزمة ليزرية من النبيطة إلى الهدف. وتتبع الصواريخ وقذائف المدفعية والمتفجرات المزودة بكاشفات الأحزمة الليزرية الحزمة المنعكسة، وتضبط اتجاهاتها لضرب النقطة التي تشير إليها الحزمة.



أنواع الليزرات
تنتج معظم الليزرات الضوء في شكل حزمة متصلة أو نبضات. وتطلق الليزرات المولدة للنبضات، والتي تسمى الليزرات المنبَّضة، كل طاقتها في جزء من الثانية فقط. ونتيجة لذلك تنتج هذه الليزرات قدرة أكبر بكثير من القدرة التي تنتجها الليزرات المولدة للأحزمة المتصلة، والتي تسمى ليزرات الموجات المتصلة، حيث تتراوح القدرة الناتجة عن معظم ليزرات الموجات المتصلة بين أقل من 0,001 واط وأكثر من 10,000 واط، بينما تنتج بعض الليزرات المنبضة أحزمة ذات قدرة تبلغ عدة ترليونات واط لكل جزء من بليون جزء من الثانية.

وهناك أربعة أنواع أساسية من الليزرات، هي: 1- ليزرات حالة الصلابة 2- ليزرات أشباه الموصلات 3- الليزرات الغازية 4- الليزرات الصبغية.


ليزرات حالة الصلابة. تستخدم قضيبًا من مادة صلبة وسطًا فعالاً، حيث يصنع القضيب في العادة من مادة بلورية أو زجاجية. ويحتوي أكثر الليزرات البلورية شيوعًا على كمية صغيرة من عنصر النيوديميوم (رمزه الكيميائي Nd)، ضمن بلورة من غارنيت اليتريوم والألومنيوم (YAG). ويسمى هذا النوع من الليزرات ليزرات النيوديميوم: غارنيت اليتريوم والألومنيوم. وفي بعض الليزرات يذاب النيوديميوم في الزجاج. وتستخدم المصابيح الومضية بصفة عامة لضخ الوسط الفعال في ليزرات حالة الصلابة.

وأكبر الليزرات في العالم وأقواها ليزر نيوديميوم: زجاج، يوجد في معمل لورنس ليفرمور الوطني في ليفرمور بكاليفورنيا بالولايات المتحدة. ويبلغ طول هذا الليزر المسمى نوفا طول ملعب كرة القدم، وينتج ضوء الليزر في شكل نبضات، ويستخدم في أبحاث الطاقة النووية. وينشطر ضوء هذا الليزر إلى 10 أحزمة، تُضخَّم لتبئير (تركيز) أكثر من 100 ترليون واط من القدرة على هدف في كل جزء من بليون جزء من الثانية.

وتُستخدم ليزرات النيوديميوم: غارنيت اليتريوم والألومنيوم وليزرات النيوديميوم: الزجاج بكثرة في الصناعة، لثقب ولحم الفلترات، كما تستخدم أيضًا في معينات المدى ومحددات الأهداف.



ليزر شبه الموصل. يتكون من طبقتين من المواد مختلفتين كهربائيًا. ينتج التيار الكهربائي المار عبر الطبقتين ضوء الليزر في المنطقة الفاصلة بين الطبقتين.
ليزرات أشباه الموصلات. وتسمى أيضًا ليزرات الثنائيات، تستخدم أشباه الموصلات، وهي مواد توصل التيار الكهربائي، ولكن ليس بمستوى جودة توصيل الفلزات مثل النحاس والحديد. وتشمل أشباه الموصلات المستخدمة في الليزرات مركبات فلزات مثل الجاليوم والإنديوم والزرنيخ. ويتكون شبه الموصل المستخدم في الليزر من طبقتين مختلفتين في خصائصهما الكهربائية. وتؤدي الوصلة الفاصلة بين المنطقتين وظيفة الوسط الفعال. فعند مرور التيار عبر الوصلة ينشأ انقلاب سكاني، وتعكس مرآتان عند طرفي شبه الموصل الفوتونات، ويحدث ابتعاث محفَّز في منطقة الوصلة.

وليزرات أشباه الموصلات هي أصغر أنواع الليزرات، حيث يعادل حجم أحد الأنواع حجم حبة الملح، بينما يبلغ نوع آخر حدًا من الصغر بحيث لا يرى إلا بالمجهر (الميكروسكوب). وهي أكثر أنواع الليزرات استخدامًا لصغر أحجامها، وخفة أوزانها، واحتياجها قدرة أقل، مقارنة بالليزرات الأخرى. وتجعلها أحجامها الصغيرة مناسبة للاستخدام في حاكيات الأقراص المدمجة وحاكيات أقراص الفيديو وفي الاتصالات الليفية البصرية.


الليزرات الغازية. تستخدم غازًا أو خليطًا من الغازات داخل أنبوب وسطًا فعالاً. وتشمل أكثر الأوساط الفعالة استخدامًا ثاني أكسيد الكربون والأرجون والكريبتون وخليط الهيليوم والنيون. وتثار الذرات في الليزرات الغازية بنفس الطريقة التي تضاء بها إشارات النيون. وتستخدم الليزرات الغازية عادة في الاتصالات وجراحة العيون والترويح والتصوير التجسيمي والطباعة والمسح.

وتنتج العديد من الليزرات الغازية أحزمة تحت حمراء. وأهم أنواعها ليزرات ثاني أكسيد الكربون. فهي من أقوى الليزرات، وأكثرها كفاءة، حيث تحول ما بين 5% و30% من الطاقة المأخوذة من مصدر الطاقة إلى ضوء ليزر، بينما تحول العديد من الليزرات الأخرى حوالي 1% فقط من الطاقة التي تحصل عليها. وبإمكان ليزرات ثاني أكسيد الكربون إنتاج أحزمة تتراوح قدرتها بين واط واحد ومليون واط، ولذلك تستخدم هذه الليزرات في قطع ولحم الفلزات، كما تستخدم أيضًا مشارط ليزرية وفي معيِّنات المدى.


الليزرات الصبغية. تستخدم الأصباغ وسطًا فعالاً. ويمكن استخدام عدد من أنواع الأصباغ، حيث يذاب الصبغ في سائل، وخاصة الكحول. ويستخدم ليزر آخر عادة لضخ ذرات الصبغ. وأهم خواص الليزرات الصبغية قابليتها للموالفة، أي إمكانية ضبط الليزر لإنتاج أحزمة أحادية اللون، مختلفة الأطوال الموجية أو الألوان. وتفيد الليزرات القابلة للموالفة الباحثين في تقصي كيفية امتصاص المواد للألوان المختلفة من الضوء.



نبذة تاريخية

أول أنواع الليزرات. استخدم فيه قضيب من الياقوت وسطًا فعالاً، وأنبوب ومضي ملفوف مصدرًا للطاقة.
لم يُخترع الليزر قبل القرن العشرين لأن العلماء لم يكن لديهم معلومات عن الابتعاث المحفز. وجاء أول وصف للعملية في عام 1917م على يدي الفيزيائي الألماني المولد ألبرت أينشتاين. ولم يحدث التقدم الجذري التالي في مجال الليزر إلا في عام 1954م، عندما أنتج الفيزيائي الأمريكي تشارلز تاونز انقلابًا سكانيًا في نبيطة تضخم الموجات الدقيقة، وهي إحدى أشكال الإشعاع غير المرئية. وقد أطلق على النبيطة اسم الميزر، حيث صكت التسمية بجمع الحروف الأولى للكلمات المكونة للعبارة الإنجليزية التي تعني تضخيم الموجة الدقيقة بالابتعاث المحفَّز للإشعاع.

وخلال أواخر خمسينيات القرن العشرين اقترح الباحثون تصميمات لنبيطة تستخدم الإشعاع المحفَّز لتضخيم الضوء. وينسب إنشاء التصميم الأساسي لليزر إلي عدد من الأشخاص، منهم تاونز والفيزيائي الأمريكي آرثر شاولو والفيزيائيان الروسيان ألكسندر بروخروف ونيكولاي باسوف والمخترع الأمريكي جوردون جولد.

وقد شيد الأمريكي ثيودور مايمان أول ليزر في عام 1960م، استخدم فيه قضيبًا من الياقوت وسطًا فعالاً. وفي أواخر ذلك العام شيد الفيزيائي الأمريكي علي جافان أول ليزر غازي. وفي عام 1962م تمكنت ثلاث مجموعات من العلماء الأمريكيين، تعمل كل منها على حدة، من تشغيل أولى ليزرات أشباه الموصلات. وفي عام 1966م بنى الفيزيائي الأمريكي بيتر سوروكين أول ليزر صبغي.

ومنذ أوائل سبعينيات القرن العشرين حدث تقدم هائل في تقنية الليزرات واستخداماتها. واليوم، وبفضل سعة نقل المعلومات الهائلة للألياف البصرية، ينفتح عصر جديد في مجالات الترويح المنزلي والاتصالات وتقنية الحاسوب. والباحثون على اقتناع بأن أكثر استخدامات الليزر إثارة وثورية لم يحن أوانها بعد.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:06 AM
الطاقة


الطاقـة تُعرَّف في الفيزياء بأنها القدرة على أداء شغل. فمثلاً زيادة سرعة سيارة أو رفع حجر يتطلب شغلاً. وتقاس الطاقة والشغل بالوحدات نفسها. ويخلط الناس كثيرًا بين الطاقة والقدرة والقوة. فالقدرة هي معدّل بذل الشغل. والقوة هي الدفع أو الجذب المبذول على الجسم. وتؤدي القوة شغلاً طالما أنها تحرّك الجسم، ويمكن تعيين كمية الشغل بشدة القوة المستخدمة والمسافة التي يتحركها الجسم. والطاقة التي تقترِن بالحركة تُسمّى الطاقة الميكانيكية



أشكال الطاقة

الطفلة الموجودة على الأرجوحة توضح كيف تتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية وبالعكس. في الرسم إلى اليمين نرى أن الطفلة هي في وضع الحد الأقصى للطاقة الكامنة، ولكن دون طاقة حركية في الوضع (ب). وفي الرسم إلى اليسار فإن الجاذبية تؤرجحها إلى أسفل من الوضع (ب) وفي الوضع (ج) لا توجد للطفلة طاقة كامنة وإنما أقصى طاقة حركية هي التي تؤرجحها إلى النقطة (د).
الطاقة إحدى المفاهيم الأساسية في الفيزياء، وكذلك الكتلة. وتوجد الطاقة في عِدّة أشكال. وكل شكل من أشكال الطاقة يمكن أن يتحوّل إلى آخر، في عملية تُسمّى تحوُّل الطاقة. فمثلاً الطاقة الحرارية التي نشعر بها قادمة من النار تصلنا في صورة إشعاع. والأجسام القريبة من النار تسخَنُ بوساطة الأشعة تحت الحمراء، وهي إحدى أشكال الأشعة الكهرومغنطيسية. وهذه الأجسام تكتسب الطاقة في شكل حرارة. والضوء أيضاً موجات كهرومغنطيسية، ولهذا فهو أحد أشكال الطاقة. وهناك أشكال أخرى من الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والطاقة النووية والطاقة الكهربائية والكتلة.

والحياة الإنسانية كلُّها تعتمد على الطاقة التي نستقبلها من الشّمس على هيئة إشعاعات. فالأشعاعات الشمسية تحت الحمراء تدفئ الأرض وأشعتها الضوئية تعطي النبات الطاقة اللازمة لنموه. والنباتات تختزن الطاقة الشمسية في شكل طاقة كيميائية في عملية التركيب الضوئي
والمواد الغذائية التي يكونها النبات هي الغذاء الذي تعتمد عليه جميع الكائنات الحية. وتستخدم الحيوانات والكائنات الحية الأخرى الطاقة الناتجة من الغذاء لدفع العمليات الجسمية وتحريك العضلات. وتختزن طاقة الشمس أيضاً في شكل طاقة كيميائية في الزيت والغازات والفحم الحجري. وقد نتجت هذه الأنواع من الوقود الأحفوري عن تآكل النباتات والكائنات الحية التي عاشت منذ ملايين السنين. ونحن نحرق هذا الوقود لاستخلاص الطاقة منه. ويحوّل الاحتراق الطاقة الكيميائية في الوقود إلى حرارة. والحرارة بالتالي يمكن أن تُحوَّل إلى طاقة ميكانيكية. فاحتراق الفحم الحجري مثلاً يمكن أن يُدير العنفات (التوربينات) البخارية التي تنتج الكهرباء في محطات توليد الطاقة الكهربائية. وفي هذه المحطات تتحول الطاقة الكيميائية في الفحم الحجري إلى طاقة حرارية تتحوّل بدورها إلى طاقة ميكانيكية. وتتحول الطاقة الميكانيكية في العنفات بوساطة المولدات إلى طاقة كهربائية.



والطاقة النووية شكل آخر من أشكال الطاقة، وتُختزن في نَوَى الذرات. وتنتج التفاعلات النووية، مثل الانشطار والاندماج طاقة في شكل حرارة وإشعاع. وتُنتج التفاعُلات الانشطارية الحرارة في المفاعلات النووية، وتولد التفاعلات الاندماجية حرارة شديدة في باطن الشمس. وفي الطبقات الخارجية للشمس تتحول الحرارة إلى الإشعاع الذي ينبعث من الشمس في كافة الإتجاهات، ونحن نستقبل جزءًا ضئيلاً فقط من هذا الإشعاع. وفي التفاعلات الانشطارية والاندماجية، تكون كتلة المواد الناتجة من التفاعل أقلّ بقليل من كتلتها قبل التفاعل، ولذا فإن جزءًا صغيراً من المادة يكون قد تحول إلى طاقة. وقد استنتج العلماء أنّ المادة والطاقة متكافئتان. وجميع العمليات محكومة بالتغيُّرات التي تحدث في الطاقة من شكل إلى آخر.



الطاقة الكامنة والطاقة الحركية
الطاقة الميكانيكية هي الطاقة الناتجة عن الحركة، أي بسبب تأثير القوة على الأجسام. والطاقة الحركية هي الطاقة التي يتمتع بها الجسم لأنه يتحرك. وتتناسب طاقة حركة الجسم طردياً مع كتلته ومربع سرعته. ولهذا، فإنّ للقطار الذي يتحرّك بسرعة 80 كم في الساعة طاقة تعادل أربعة أمثال طاقة قطار آخر يتحرّك بسرعة 40كم في الساعة. والقطار الساكن ليس له طاقة حركة. فكل طاقة الحركة التي اكتسبها أثناء حركته قد تحولت إلى حرارة، تولدت عن الاحتكاك في المكابح التي أوقفت القطار.


الطاقة الكامنة هي الطاقة الموجودة في الجسم بسبب وضعه أو حالته. وهي تمثل الشغل الذي بُذِل فعلاً، وتسمّى أحياناً الطاقة المختزنة. فإذا رفعنا صندوقاً من الأرض إلى منضدة، فإن طاقة وضع الجسم سوف تزداد بمقدار كمية الشغل اللازمة لرفعه إلى منضدة. ويمكن تحويل الطاقة الكامنة إلى أشكال أخرى من الطاقة. فإذا ما دفعنا الصندوق من فوق المنضدة فسوف يبدأ في السقوط وتتحول طاقته الكامنة إلى طاقة حركية. وعندما يصطدم الصندوق بالأرض يحدث اهتزازات على الأرض والهواء المحيط بها. وتسخن هذه الاهتزازات الأرض والهواء، وبهذا تكون الطاقة الحركية للجسم قد تحوّلت إلى طاقة حرارية.


الطاقة الكيميائية. أحد أشكال الطاقة الكامنة. فالجزيئات يمكن أن تخزّن الطاقة نتيجة لطاقة وضع الذرات التي تنشأ عن تأثير القوى بين الذرات في الجزيئات. وأثناء التفاعلات الكيميائية تأخذ الذرات في الجزيئات مواقع مختلفة، وتحدث تغيرات في الطاقات الكامنة لهذه الذرات. وإذا قلت الطاقة الكامنة فإن التفاعل ينتج طاقة تَظهر على شكل حرارة.



بقاء الطاقة

الإشعاع الشمسي يتحول إلى حرارة.

الطاقة الميكانيكية الناتجة عن دوران المراوح تتحول إلى طاقة كهربائية.
لاحظنا أنّه خلال زمن سقوط الصندوق من المنضدة قلت طاقته الكامنة، بينما زادت طاقته الحركية. ولكن يظل مجموع الطاقتين ثابتاً أثناء السقوط. ويعبّر العلماء عن ذلك بقانون ينص على أنّ الطاقة تظلّ باقية. ولا ينطبق قانون بقاء الطاقة على حالة الصندوق الساقط فقط، ولكنه ينطبق على حالة الكون كلّه. وينص هذا القانون على أن الطاقة الكلية للكون ذات قيمة ثابتة دائمًا.

ويُمكن أن يُعدّ البندول مثالاً لكيفية تحوُّل الطاقة من شكل إلى آخر بينما تظلّ الطاقة الكلية ثابتة. فعندما يصل البندول إلى نهاية اهتزازاته تكون له طاقة حركية فقط. وتتحوّل هذه الطاقة إلى طاقة كامنة عندما يصل البندول مرة أخرى إلى أعلى نقطة في اهتزازاته.وسوف يستمر البندول في الاهتزاز طالما لا يوجد هناك احتكاك أو مقاومة من الهواء. ولكن الطاقة التي تستخدم في التغلب على مثل هذا الاحتكاك لا تُفقد، وإنما تتحول إلى حرارة، ونحن نعلم الآن أن المادة والطاقة ترتبطان ارتباطاً وثيقاً. ولذا فإن قانون بقاء الطاقة يشمل المادة أيضاً. فالطاقة لا تفنى ولا تأتي من العدم، ولكنها يمكن أن تنشأ من المادة وتتحوّل إليها. فهي مثلاً قد تتحول إلى مادة في معجّلات الجسيمات عند ظهور جُسيمات جديدة أثناء تصادم الجسيمات المعجَّلة عند سرعات فائقة. انظر : ط= ك ث2؛ الكتلة.



قياس الطاقة. تقاس الطاقة في النظام المتري بالجول. والجول الواحد هو كمية الشغل المبذول لتحريك جسم مسافة متر واحد ضد مقاومة قوة مقدارها نيوتن واحد. وتقاس الطاقة الكامنة للجاذبية بحاصل ضرب وزن الجسم في المسافة الرأسية التي يُمكن تحريكها أثناء سقوطه حتى يصل إلى حالة السُّكون. وتُقاس الطاقة الحركية بالعلاقة : الطاقة الحركية = ½ ك ع²، حيث ك هي كتلة الجسم، وع² هي مربع سرعته. والقدرة هي معدل أداء الشغل، ووحدتها الواط. وتساوي قدرة الآلة واط واحد إذا كانت تنتج جولا واحداً في كل ثانية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:08 AM
القدرة الكهربائية



القدرة الكهربائية تَعْـني استخدام الطاقة الكهربائية لأداء العمل. ففي كثير من المنازل تستخدم الكهرباء في الإضاءة والتدفئة والتبريد. وتمدنا الكهرباء أيضًا بالقدرة لتشغيل أجهزة التلفاز والثلاجات والمكانس وأجهزة منزلية أخرى متعددة. وبالقدرة الكهربائية تدار الآلات في المصانع. وتستخدم القدرة الكهربائية في السلالم المتحركة والمصاعد والحواسيب وأجهزة أخرى في المحلات والمكاتب الإدارية. وتحرك الكهرباء القطارات ونُظم النقل في الأنفاق. وفي المزارع تؤدي الآلات الكهربائية أعمالاً مختلفة مثل ضخ المياه وحلب الأبقار وتجفيف العلف.

وتنتج بعض المصانع والمنازل النائية ما يلزمها من القدرة الكهربائية بمولِّد يدار بمحرك ديزل. ويكون لدى المستشفيات عادة مولدات لتزويدها بالقدرة الكهربائية لتشغيل غرف الطوارئ والعمليات في حالة حدوث انقطاع القدرة الكهربائية.وتوفر محطات القدرة الكهربائية الضخمة معظم احتياجات المستهلكين من القدرة الكهربائية.

وتدار المولدات في معظم محطات القدرة الكهربائية بالفحم الحجري أو النفط أو الغاز الطبيعي. وتدار مولدات محطات أخرى باستخدام الطاقة النووية أو بقوة الشلالات. وتنتقل الكهرباء من محطات القدرة إلى المدن ومناطق أخرى حسب الحاجة بأسلاك، حيث توزع لكل مستهلك على حدة.

وتقاس القدرة الكهربائية بوحدات يطلق عليها الواط. وعلى سبيل المثال، يلزم 100 واط من القدرة الكهربائية لإنــارة مصباح كهربـائـي قـدرتـه 100 واط، كـمـا أن 10 مصابيح قدرة كل واحد منها 100 واط تحتاج 1,000 واط، أو كيلوواط واحد. ويُعبَّر عن كمية الطاقة المستخدمة بالكيلوواط ـ ساعة، ويعادل الكيلوواط ـ ساعة مقدار الشغل المبذول بوساطة كيلوواط واحد في ساعة واحدة. فعندما تضيء عشرة مصابيح ذات 100 واط لمدة ساعة واحدة، أو تضيء مصباحًا واحدًا ذا 100 واط لمدة عشر ساعات، فإنك تستهلك كيلو واط ـ ساعة واحدًا من القدرة الكهربائية.

وتنتج محطات القدرة الكهربائية في العالم أكثر من 2,25 بليون كيلوواط من الكهرباء في أي وقت، وتأتي الولايات المتحدة الأمريكية في مقدمة الدول من حيث توليد السعة الكهربائية. كذلك تنتج روسيا واليابان وكندا وألمانيا كميات كبيرة من السعة الكهربائية.



مصادر القدرة الكهربائية
تمد محطات القدرة الكهربائية الضخمة السكان بمعظم ما يحتاجونه من الكهرباء. وفي محطات القدرة يتم أولاً تسخير ضغط البخار أو اندفاع المياه لإدارة عمود آلة يطلق عليه التوربين (العنفة). ويدير هذا العمود مولدًا كهربائيًا يُحوِّل الطاقة الميكانيكية فيه إلى طاقة كهربائية.

والمولد الكهربائي له جزء ثابت يعرف بالعضو الساكن وجزء متحرك يعرف بالعضو الدَوَّار. وفي المولدات الكهربائية الضخمة بمحطات القدرة يتكون العضو الساكن من مئات من لفات السلك. والعضو الدوَّار مغنطيس كهربائي كبير يُمَد بالكهرباء من مولد منفصل صغير يطلق عليه المستثير. ويدار العضو الدوار بطاقة ميكانيكية خارجية، ويتولد منه مجال مغنطيسي يدور مع دورانه. وينتج من دوران المجال المغنطيسي تولُّد جهد في لفات السلك الموجودة في العضو الساكن، مما يسبب سريان التيار الكهربائي



وتصنف محطات القدرة الكهربائية إلى: 1- محطات بخارية تعمل بالوقود الأحفوري؛ 2- محطات كهرومائية؛ 3- محطات نووية. وتنتج محطات أخرى متنوعة كميات صغيرة من الكهرباء.



محطة قدرة كهربائية بخارية
محطات القدرة الكهربائية البخارية التي تعمل بالوقود الأحفوريّ. تُولِّـد هذه المحطات حوالي 66% من إجمالي القدرة الكهربائية العالمية. وتحرق هذه المحطات الفحم الحجري أو النفط أو الغاز الطبيعي. ويطلق على هذه المواد الوقود الأحفوري لأنها تكونت من مواد أحفورية (بقايا من نباتات وحيوانات ما قبل التاريخ). ويحرق الوقود في غرفة احتراق لإنتاج حرارة، وتحوّل تلك الحرارة بدورها الماء إلى بخار في المرجل. ثم يمر البخار خلال أنابيب في جهاز يسمى السخان الفائق. وتحيط غازات الاحتراق الساخنة بالأنابيب المملوءة بالبخار في السخان الفائق لرفع ضغط البخار في الأنابيب ودرجة حرارتها.

ويستخدم البخار فائق الحرارة، عالي الضغط لإدارة توربين بخاري ضخم. والتوربين له مجموعة من العجلات ذات الرّيَش المروحية مُركبة على عمود. وعندما يندفع البخار خلال التوربين يدفع الريش مما يسبب دوران كل من العجلات وعمود التوربين. ويدير عمود التوربين العضو الدوار للمولد الكهربائي، وبالتالي تتولد الكهرباء
وبعد مرور البخار خلال التوربين يدخل إلى مكثّف حيث يمر البخار حول أنابيب تحمل ماءً بارداً. وتمتص المياه الموجودة في الأنابيب الحرارة من البخار. وعندما يبرد البخار يتكثف إلى ماء. ويعاد ضخ هذا الماء إلى المرجل ليتحول إلى بخار مرة أخرى.

وفي محطات قدرة عديدة تضخ مياه أنابيب التكثيف التي امتصت الحرارة من البخار إلى برك الرش أو برج التبريد، لتبريدها. وفي برك الرش تدفع المياه خلال فوهات ضيقة لتتحول إلى قطرات من الرذاذ. ويزيد الرذاذ من مساحة سطح المياه التي تتعرض للهواء، مما يؤدي إلى سرعة تبريدها. أما برج التبريد فله عدد من الأسطح المتتالية حيث تسقط المياه من سطح إلى آخر فتبرد نتيجة تعرضها للهواء. وبعد ذلك تُضخ المياه مرة أخرى إلى المكثف أو تصرف إلى بحيرة أو نهر أو تجمع مائي آخر.

والمحطات التي تعمل بالوقود الأحفوريّ ذات كفاءة وموثوق بها ولكنها تتسبب في تلوث البيئة. وبعض المحطات لا تستخدم أبراج التبريد أو برك الرش فهي تصرف المياه الساخنة إلى البحيرات أو البرك أو الأنهار أو الجداول. ويؤدي ذلك إلى التلوث الحراري وإلى الإضرار بالحياة الحيوانية والنباتية في التجمعات المائية. وفي مناطق عديدة تحد القوانين من صرف المياه الساخنة لمحطات القدرة.

ويحتوي الدخان المنبعث من احتراق الوقود الأحفوريّ على مواد كيميائية وجسيمات صغيرة تتسبب في تلوث الهواء في حالة خروجها إلى الغلاف الجوي. وتستخدم معظم محطات القدرة التي تحرق هذا الوقود معدات تحكم في التلوث للحد من مثل هذه الملوثات. وبرغم استخدام تلك المعدات، لم يقض تمامًا على تلوث الهواء بسبب حرق المحطات للوقود الأحفوري.



محطات القدرة الكهرومائية. تُولِّد هذه المحطات حوالي22% من إجمالي القدرة الكهربائية العالمية. وتُحول تلك المحطات الطاقة الناتجة من سقوط المياه إلى طاقة كهربائية. وتستخدم محطة القدرة الكهربائية المياه المخزونة خلف السد. ويتدفق الماء خلال مجرى أو أنبوب إلى توربين مائي أو توربين هيدروليكي بالمحطة. وعندما يندفع الماء خلال التوربين يدُوَّر عمود التوربين الذي يدوّر المولد الوتستطيع محطات القدرة الكهرومائية ـ والتي يطلق عليها محطات كهرومائية ذات ضخ وتخزين ـ تخزين الطاقة بالأداء العكسي. فعندما يقل الطلب على الكهرباء تعمل المولدات في تلك المحطات كمحركات لإدارة التوربينات. وتعمل التوربينات عندئذ كمضخات لرفع الماء إلى الخزان ويستخدم الماء فيما بعد لتوليد الكهرباء.

ومحطات القدرة الكهرومائية أقل تكلفة من المحطات التي تعمل بالوقود الأحفوري، ولا تسبب تلوث الهواء، ومع ذلك فإن عدد تلك المحطات محدود بسبب محدودية مصادر القدرة المائية والاختيار المناسب لمواقع السدود والخزانات.



محطات القدرة النووية. تُولِّد هذه المحطات 11% من إجمالي القدرة الكهربائية العالمية، وتنتج المحطات النووية الكهرباء بنفس الطريقة المتبعة في المحطات التي تعمل بالوقود الأحفوري، ولكنها تستخدم جهازًا يسمّى المفاعل النووي بدلاً من غرفة احتراق الوقود. وينتج المفاعل النووي طاقة حرارية هائلة عن طريق انشطار نويات ذرات عنصر ثقيل. وتستخدم معظم المحطات النووية عنصر اليورانيوم وقودًا لمفاعلاتها.

وتستغل الحرارة الناجمة من الانشطار النووي لتحويل الماء إلى بخار. ويدير البخار التوربين البخاري فيدير بدوره المولد الكهربائي. وبعد مرور البخار على التوربين يكثف ويعاد مرة أخرى إلى المحطة. وتستخدم معظم محطات القدرة النووية أبراج التبريد لتبريد المياه في أنابيب المكثف.

تتطلب محطة القدرة النووية كمية من الوقود أقل كثيرًا من محطات الوقود الأحفوري لإنتاج كمية مماثلة من الكهرباء، كما أنها أقل تلويثًا للهواء، ولكنها تحتوي على مواد مشعة خطرة. ونتيجة لذلك فإنه يلزم لتشغيل تلك المحطات توفير أنظمة خاصة للسلامة لتساعد على منع الحوادث التي تؤدي إلى تسرب الإشعاع وسرعة التعامل معها. ويكلف إنشاء المحطات النووية أكثر من المحطات التي تعمل بالوقود الأحفوري بالنظر إلى التكاليف الإضافية لمعدات السلامة بها. وينتج من المحطات النووية نفايات مشعة تبقى لآلاف السنين مصدرًا للخطر ويجب التخلص منها بطريقة آمنة.



مصادر أخرى للقدرة الكهربائية. تنتج مصادر أخرى كميات صغيرة نسبيًا من الكهرباء. فمحطات القدرة الحرارية الجوفية تستخدم البخار من أعماق الأرض لدفع التوربينات (العنفات) التي تدير بدورها المولد الكهربائي. وكانت المحطة الحرارية الجوفية، وكاتو، في نيوزيلندا التي افتتحت عام 1958م، هي المحطة الثانية في العالم من هذا النوع بعد المحطة الأولى التي أقيمت في لاندريلو بإيطاليا. وتسخِّر بعض محطات القدرة طاقة الرياح باستخدام طواحين الهواء لتدير المولدات الكهربائية. ويوجد في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية العديد من الحقول الهوائية التي تحتوي على مئات من التوربينات الهوائية الصغيرة التي تمدّ المنازل بالكهرباء حول مدينة لوس أنجلوس. ويستخدم عدد من محطات القدرة طاقة المد والجزر بالمحيط في تحريك التوربينات التي تدير المولدات. ويوجد أكبر تلك المحطات في العالم على نهر رانس بالقرب من سانت مالو بفرنسا. وقليل من محطات القدرة يحوِّل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بوساطة الخلايا الشمسية. ولكن هذه الطريقة باهظة التكاليف. ومع ذلك فإن العلماء والمهندسين يدرسون طرق تحسين الخلايا الشمسية لإنتاج كميات كبيرة من القدرة الكهربائية بتكلفة أقل. وهناك طريقة بديلة لتسخير طاقة الشمس باستخدام مرايا لعكس أشعة الشمس إلى مرجل لتوليد البخار الذي يدير التوربين والمولد. وفي بارستو بكاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية توجد محطة للطاقة الشمسية قـدرتها 10 ملايين واط، تستخدم 1,200 مرآة لتركيز الضوء على مرجل فـي قمة البرج، ويتـم التحكم في دوران المـرايا بحاسوب يتتبع أشعة الشمـسولدى العديد من محطات القدرة الكهربائية توربينات غازية أو محركات ديزل لإدارة مولدات إضافية في أوقات ازدياد الطلب على القدرة الكهربائية. وتستخدم محركات الديزل أيضًا لإدارة المولدات في المناطق المعزولة التي لا تصل إليها خدمات شركات الكهرباء. ويوجد في العديد من المستشفيات والمصانع والبنايات السكنية محركات ديزل لإدارة المولدات في حالة حدوث عطل في توزيع الكهرباء المولدة من محطات القدرة الكهربائية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:10 AM
نقل وتوزيع القدرة الكهربائية
تنقل الكهرباء المولدة من محطات القدرة الكهربائية إلى المدن أو مناطق أخرى، ثم توزع في المنازل والمصانع والمزارع و المكاتب ولكل مستهلك فردي.


النقل. تنقل معظم الكهرباء من محطات القدرة عبر أسلاك معلقة يطلق عليها خطوط النقل. وتمديد الكبلات تحت الأرض أو الماء أكثر تكلفة من الأسلاك المعلقة، ولذا فإن استخدام الكبلات أقل من استخدام تلك الأسلاك. وعندما ينتقل تيار كهربائي عبر خطوط نقل فإن الخطوط تقاوم سريان التيار، وتتسبب المقاومة في فقدان التيار للطاقة. وللحد من الطاقة المفقودة تنقل الكهرباء من محطات القدرة الكهربائية بجهود عالية. وعندما يزداد الجهد فإن كمية التيار اللازم لنقل كمية محددة من القدرة الكهربائية تقل. وعندما يقل سريان التيار خلال خط فإن الطاقة المفقودة بسبب المقاومة تقل.

والتيار الكهربائي إما أن يكون تيارًا مستمراً أو تيارًا متناوبًا. ويسير التيار المستمر في اتجاه واحد فقط، بينما يغير التيار المتناوب اتجاهه عدة مرات كل ثانية. ورفع جهد التيار المتناوب أسهل من رفع جهد التيار المستمر. ولذا فإن نقل التيار المتناوب أسهل من نقل التيار المستمر، ولهذا السبب فإن محطات القدرة الكهربائية تولد تياراً متناوباً.

وتنتج محطة نموذجية لتوليد القدرة مليون كيلو ـ واط من القدرة الكهربائية عند جهد يصل إلى 22,000 فولت. ويُرفع الجهد باستخدام جهاز يُسمى محول رفع حيث يُرفع إلى 765,000 فولت لنقله.



نظام توزيع القدرة الكهربائية له خطوط قدرة لحمل التيار ومحولات لتغيير الجهد. ترفع محولات الرفع الجهد بحيث يمكن نقل التيار إلى مسافات بعيدة. وتخفض المحطات الفرعية والمحولات الجهد إلى مستويات تناسب المستهلك. ويمتلك بعض المستهلكين الصناعيين وأنظمة النقل التي تحتاج إلى جهد عال محولات خاصة بهم.
التوزيع. تحتاج بعض الصناعات الكبيرة إلى تيار ذي جهد عالٍ يصل إليها مباشرة من خطوط النقل. ولكن الجهد العالي غير آمن في المنازل والمكاتب ومعظم المصانع، لذا يلزم تقليل الجهد قبل توزيع الكهرباء عليها.

وتنقل الكهرباء بجهد عالٍ بوساطة خطوط نقل إلى محطات نقل فرعية بالقرب من المناطق التي تستخدم القدرة الكهربائية. ويوجد في تلك المحطات الفرعية أجهزة تسمى محولات الخفض، تخفض الجهد إلى 12,500 وإلى 138,000 فولت. ثم يخفض الجهد مرة أخرى في محطات توزيع فرعية إلى2,000 فولت وإلى 34,500 فولت. وتحمل خطوط التوزيع تيار الجهد المتوسط مباشرة إلى مستهلكين تجاريين وصناعيين ومؤسسات. وتنقل خطوط التوزيع القدرة الكهربائية إلى محولات التوزيع على الأعمدة فوق الأرض أو في أقبية تحت الأرض. وتخفض محولات التوزيع الجهد إلى مستويات تناسب معظم المستهلكين. وتمد الأسلاك من المحولات إلى المنازل والمحلات والمكاتب وإلى مستهلكين آخرين. ويتلقى معظم هؤلاء المستهلكين القدرة الكهربائية ذات جهد 110 أو 220 فولت.


تقديم خدمة موثوق بها. ينتج عن فشل أو تلف المعدات بسبب العواصف أو الحوادث انقطاع الخدمة المحلية للقدرة الكهربائية. ويطلق على هذا الانقطاع التعتيم. ويتابع المهندسون الذين يطلق عليهم موزعو الأحمال سريان التيار في شبكة التوزيع. وعندما يحدث التعتيم يقوم موزع الأحمال بإعادة الخدمة إلى المناطق المتأثرة عن طريق تعديل مسار التيار إلى تلك المناطق عبر خطوط نقل سليمة.

ويتغير الطلب على الكهرباء غالباَ وبشكل كبير بين ساعة وأخرى. فعلى سبيل المثال، يسبب وجود سحب سوداء عاصفة مفاجئة زيادة الطلب نظرًا لأن مصابيح كهربائية عديدة سوف تضاء. ويتنبأ موزع الأحمال بتغيرات الطلب، ويعدل تبعًا لذلك توليد ونقل القدرة. وعندما يتجاوز الطلب سعة التوليد في محطة ما يمكن لموزع الأحمال أن يخفض الجهد لمنع حدوث التعتيم. وفي هذه الحالة يمكن أن يؤدي ذلك إلى تلف الأجهزة الكهربائية أو قلة كفاءتها في العمل.

يمكن ربط شبكات النقل لشركات الكهرباء لتكوّن ما يعرف بمجمع القدرة. وتمكّن مجمعات القدرة الشركات من تلقي قدرة إضافية بعضها من بعض أثناء الطوارئ. وتستخدم شركات الكهرباء الحاسوب للتحكم في إمداد وتدفق الكهرباء خلال شبكات النقل.



صناعة القدرة الكهربائية

منجم فحم حجري حديث مثل الذي في غرب يوركشاير بإنجلترا يزود محطات توليد القدرة الكهربائية ومصانع إنتاج الحديد والصلب بالفحم الحجري.
يطلق على الهيئات التي تولد وتنقل وتوزع القدرة الكهربائية المصالح الكهربائية. وتكون كل مصلحة كهربائية تقريبا هي المزود الوحيد للكهرباء في منطقة معينة. وفي معظم الأقطار تقوم الجهات الحكومية بتنظيم المصالح الكهربائية لضمان متطلبات الخدمة للجمهور، وفي بعض الأقطار تمتلك الحكومة جميع المصالح الكهربائية. وفي بعض الأقطار الأخرى ربما يشارك مساهمون أو جمعيات تعاونية الحكومة في امتلاك المصالح الكهربائية.

وتعتبر الولايات المتحدة الأمريكية أكبر مستهلك ومولد للكهرباء في العالم، حيث يوجد بها 3,300 مصلحة كهربائية ويمتلك القطاع الخاص منها حوالي 200 مصلحة، وتشكل هذه المصالح نحو 75% من سعة التوليد الكهربائية للبلاد. وتمتلك باقي المصالح جمعيات تعاونية أو مؤسسات قدرة عامة أو هيئات حكومية. وتستطيع بعض الأقطار توليد كهرباء أكثر من حاجتها حيث يكون الفائض متاحًا للتصدير. وتصدر كندا الكهرباء إلى الولايات المتحدة، وتصدرها فرنسا إلى المملكة المتحدة، وتصدرها ـ كذلك ـ العديد من الدول الإفريقية إلى جيرانها.



نبذة تاريخية
كانت إضاءة المصابيح الخاصة بالمنارات إحدى التطبيقات العملية الأولى لاستخدام القدرة الكهربائية. ففي عام 1858م كانت المنارة المقامة في جنوب فوريلندا بالقرب من دوفر ببريطانيا أول منارة تعمل بالكهرباء، حيث كان مولدها يغذي مصباحًا قوسيًا. وينتج المصباح القوسي ضوءًا ساطعًا من القوس الكهربائي.
ومع بداية سبعينيات القرن التاسع عشر الميلادي استخدمت تلك المصابيح في إضاءة بعض المناطق كمحطات السكك الحديدية والمصانع والميادين العامة في المدن الكبرى بأوروبا والولايات المتحدة.

وفي عام 1879م بدأت شركة كاليفورنيا للكهرباء والإضاءة بسان فرانسيسكو بالولايات المتحدة بتشغيل أول محطة قدرة مركزية في العالم لبيع الكهرباء للمستهلكين. وفي عام 1879م أيضًا تمكن المخترع الأمريكي توماس أديسون من تصميم مصباح مثالي يعطي ضوءًا من فتيلة عندما تسخن بمرور التيار الكهربائي.

وفي عام 1881م بدأ الإمداد العام للكهرباء ببريطانيا في جودالمنج بمقاطعة سري، وظلت الشركات الخاصة والهيئات المحلية تزود بريطانيا بالكهرباء حتى عام 1948م حيث انتقل النظام الكهربائي إلى إشراف الدولة. ولكن، في عام 1990م وعام 1991م عادت معظم نظم التوليد والتوزيع في بريطانيا إلى ملكية القطاع الخاص.

وفي عام 1956م بدأ تشغيل أول محطة قدرة نووية كبيرة في كالدر هول بشمال غربي إنجلترا. وفي عام 1966م افتتحت أول محطة في العالم تعمل بقدرة المد والجزر في نهر رانس بشمال فرنسا.



القدرة الكهربائية حاليًا. يستمر الطلب على القدرة الكهربائية في النمو. ولذا يجب على شركات الكهرباء التخطيط الجيد في التوسع لمقابلة هذه الزيادة المستمرة في الطلب. ولكن بناء محطات قدرة جديدة مكلف ويستغرق سنوات عديدة. ولقد ألغيت عدة خطط لمحطات نووية نظرًا للارتفاع الهائل في تكلفة الإنشاءات بالإضافة إلى خوف الرأي العام من عدم سلامتها بسبب النفايات النووية. وهناك بحوث مكثفة تجري على الاندماج النووي لكن سوف تمضي سنوات قبل أن يكتب لها النجاح.

ومصادر الوقود الأحفوري ستئول إلى التوقف فيما بعد، ولكن العلماء يعتقدون أن الطاقة من باطن الأرض والشمس والرياح والمحيطات يمكن أن تُستخدم على نطاق واسع لإنتاج القدرة الكهربائية بشكل أرخص وأكثر كفاءة في المستقبل.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:10 AM
الحث الكهربائي



الحث الكهربائي عملية يشحن بموجبها جسم مشحون كهربائيًا شيئًا آخر دون لمسه. ويحدث الحث الكهربائي بوساطة الجاذبية الكهروستاتيكية وهي جاذبية الشحنات الكهربائية المتعارضة، بعضها إلى بعض. وتختلف الجاذبية الكهربائية عن الحث (التأثير) الكهرومغنطيسي، أو القوة المولدة في جسيم مشحون كهربائيًا، بوساطة حقل مغنطيسي متغير.

يمكن استخدام الحث الكهربائي لشحن جسم فلزي مدعوم بعازل. وعلى سبيل المثال، فإن أي قضيب زجاجي عندما يحك بالحرير يصبح مشحوناً بشحنة موجبة. وإذا وضع بالقرب من أي جسم فلزي معزول دون أن يلامسه، فإن القضيب سيجذب الإلكترونات الموجودة في الفلز إلى جانب الجسم الأقرب إلى القضيب. وسيفتقر الجانب المقابل من الجسم للإلكترونات. وإذا كان بالجانب المقابل توصيلات أرضية، فإن الإلكترونات ستنساب إلى الجسم وتحيد الشحنة الموجبة عن ذلك الجانب. وبعد إزالة الاتصال بالأرض وقضيب الزجاج، تبقى الشحنة السالبة الزائدة التي تلقاها من عملية الحث في الجسم.

تستخدم بعض الآلات الحث الكهربائي مثل مُولد فَان دو جراف. وفي هذا المولد، يشحن حزام عازل متحرك قبة فلزية جوفاء بملايين الفولتات. وتُستخدم هذه الفولتات العالية لتسريع الجسيمات المشحونة المستخدمة في التجارب الفيزيائية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:12 AM
الإضاءة



الإضاءة مصطلح يُسْتخدمُ عادةً للدّلالة على الإضاءة الاصطناعية، وفي أغلب الأحيان تَعْني الإضاءة الكهربائية. كما أننا نستخدم الإضاءة الاصطناعية في الداخل والخارج، إضافة إلى الإضاءة الطبيعية من الشمس. فبفضل الإضاءة يمكننا استغلال مساحات دون نوافذ في البيوت والمستشفيات والمكاتب والمدارس والدكاكين ومبان أخرى طوال اليوم. كذلك تمكننا الإضاءة من استخدام مساحات رياضية خارجية مثل ملاعب كرة القدم وملاعب التنس خلال ساعات الليل.

ُتوفر الإضاءة الأمان في عدة أماكن وفي أماكن العمل لأنها تساعدنا على الرؤية الواضحة وتجنبنا الحوادث. وتساعدنا إضاءة الشوارع وإضاءة السيارات على السفر في أمان. أما الإشارات الضوئية فتوجّه حركة المرور في الشوارع، وعلى أرض المطارات، وعلى طرق السكك الحديدية كما أنها تكون عونًا لبحّارة السفن.

تستخدم الشركاتُ والمحلاتُ التجارية الإشارات المضاءَةَ للتعريف بأسمائها والإعلان عن منتجاتها، كما أن الإضاءة تُضْفي على البيوت ومبان أخرى وعلى المتنزهات لمسات من الجمال.

تعين الإضاءة الجيدة العين على العمل براحة. فالقراءة والعمل تحت ظروف إضاءة ضعيفة قد لا يتسبب في الضرر المباشر للعين، لكنّ ذلك قد يسبِّب تعبًا أو ضغطًا على العيون مما يَنْتجُ عنه دوار أو صداع أو نعاس



كيف نستخدم الإضاءة
نستخدم الإضاءة الاصطناعية في أربعة مجالات رئيسية: 1- في البيت 2- في المكاتب والمحلات التجارية والمصانع 3- في الشوارع والطرق الرئيسية 4- في النشاطات الخارجية (خارج البيت). وبغض النظر عن مكان استخدام الإضاءة فالناس يعتمدون عليها للرؤية والأمان وللقيام بنشاطات معينة وللزينة (ديكور).


في البيت. تُوفّر المصابيح الكهربائية المختلفة الإضاءة والأمان لينتقل الناس من غرفة إلى أخرى، أو ليصعدوا دَرَجًا أو يهبطوه. فكل غرفة أو ممر بحاجة إلى إضاءة عامة، حتى نتمكن من رؤية الأشياء وتجنب الحوادث. وكل مساحة يجب أن يكون فيها ضوء يمكن إشعاله قبل دخولها.

هناك العديد من النشاطات تتطلب إضاءة إضافية بجانب الإضاءة العامة المتوافرة، فالحمامات مثلاً غالبًا ما تتوافر فيها إضاءة خاصة يستخدمها الإنسان عند الحلاقة، أو وضع المكياج. وقد تتوافر في غرف النوم أو غرف المعيشة إضاءة إضافية تستخدم عند القراءة والدراسة أو الخياطة.

يستخدم مصممو الديكورات الداخلية الإضاءة لخلق أجواء مختلفة ولإبراز الألوان في الجدران والأثاث في البيوت. فالمصابيح المتوهجة والمصابيح الفلورية البيضاء الدافئة، يمكن أن تُستخدم لإبراز الألوان الحمراء والصفراء والبرتقالية
أما المصابيح الفلورية البيضاء الباردة فتبرز الألوان الزرقاء والخضراء. وكثير من الناس ينسقون مصابيح الإضاءة لخلق ظلال ممتعة، وآخرون يستخدمونها لجلب الانتباه إلى بعض الأشياء كالصور والزَّهريات.



في المكاتب والمحلات التجارية والمصانع. تساعد الإضاءة المناسبة العاملين على القيام بواجباتهم بكفاءة وتجنبهم الحوادث المكلفة. كذلك توفر الإضاءة الجيدة الجو المبهج، وتقلل من التعب الناجم عن إجهاد البصر. أما في المحلات التجارية فإن الإضاءة المناسبة تجذب الزبائن، وتبرز أفضل ما في المنُتجات المعروضة.

وتُزوَّد معظم المكاتب والمحلات التجارية بإضاءة عامة كافية، وتُدعَّم هذه الإضاءة بإضاءة إضافية للأشغال التي تتطلب ذلك، مثل إصلاح الساعات وصنع الخرائط. كما يتطلب الكثير من أعمال المصانع عملاً بصريًا باستخدام العين أكثر من العمل المكتبي. لذا فإن المصانع تحتاج إلى إضاءة جيدة لضمان عمل متقن وآمن.

وتحسين الإضاءة يمكن أن يؤدي إلى تحسين نوعية الإنتاج في شركة ما، ذلك أن العاملين قد يتجنبون أخطاء، ماكانوا ليتجنبوها لولا وجود إضاءة جيدة. فقد ذكر مسؤول أحد المصانع الألمانية أن نسبة رفض الزبائن لمُنْتجاته انخفضت بنسبة 50% عما كانت عليه سابقًا، وذلك بعد تحسين الإضاءة في المصنع.



في الشوارع والطرق الرئيسية. تساعد الإضاءة الناس على السفر بأمان. فقد انخفضت نسبة الحوادث في كثير من مدن العالم بعد تحسين الإضاءة في شوارعها، وقد تصل نسبة الانخفاض هذه إلى 50%، وينطبق القول نفسه على الطرق الخارجية عند تحسين الإضاءة فيها. كذلك فإن إضاءة الشوارع تقلل من حوادث الإجرام.

وقد تقلل إضاءة الزينة على المباني من الحاجة إلى إضاءة الشوارع. ففي بعض المدن يقوم مصممو الإضاءة بإبراز معالم البناية في الوقت ذاته يوفرون إضاءة للشوارع والأرصفة القريبة من المبنى.


في النشاطات الخارجية. تستخدم الإضاءة الشديدة في الليل في إضاءة ملاعب كرة القدم وساحات الجولف ومسارات السباق وبرك السباحة وملاعب التنس وغير ذلك من المساحات الرياضية. وبعض هذه النشاطات الرياضية كالجولف والسباق تحتاج إلى إضاءة قليلة، وبعضها الآخر مثل كرة القدم تحتاج إلى إضاءة أكثر، لأنها رياضة تستخدم مساحات أوسع وتجذب مشاهدين أكثر، كذلك نحتاج إلى إضاءة لنقل المباريات تلفازيًّا.

وتُمكننا الإضاءة الخارجية كذلك من القيام بنشاطات مختلفة في الليل، مثل المعارض المفتوحة والمسارح الخارجية. كما تستخدم الإضاءة في الزينة الخارجية في النوادي والمتنزهات وحدائق البيوت.



ما الإضاءة الجيدة

أمثلة على الإضاءة الجيدة
ُتمكِّن الإضاءة الجيدة العيون من العمل براحة واتقان. فالعيون تحتاج إلى كميات وأنواع مختلفة من الإضاءة، للقيام بأعمال مختلفة. ونتيجة لذلك فإن إضاءةً كافية للقيام بعمل ما قد لا تكفي للقيام بعمل آخر.


كمية الضوء. تعتمد كمية الإضاءة المطلوبة للقيام بأعمال مختلفة على أربعة عوامل رئيسية: 1- حجم الأشياء التي نود رؤيتها 2- الزمن الذي نصرفه في الرؤية 3- التباين بين الأشياء وخلفياتها، 4- قدرتنا البصرية. فمُصلح الساعات، الذي يشتغل عادة بأجزاء دقيقة يحتاج إلى إضاءة أكبر مما يحتاج إليه السمكري الذي يشتغل في وصل أنابيب كبيرة. ويحتاج الشخص الذي يقود سيارة مسرعة إلى إضاءة أكثر لقراءة الإشارات على جانب الطريق مما يحتاج إليها لو كان ماشيًا. والخياط يحتاج إلى إضاءة أكثر عند خياطة قماش أسود بخيوط سوداء عما يحتاج إليه عند خياطة هذا القماش بخيوط بيضاء. ويحتاج كبار السن إلى إضاءة أكثر مما يحتاج إليه الشباب عند قيامهم بالأعمال نفسها.

ولا يوفر معظم الناس في البيوت الأنواع المتباينة من الإضاءة التي يحتاجون إليها للقيام بأعمال مختلفة. فمثلاً، تستخدم امرأة الضوء نفسه في القراءة أو في حياكة ثوب أسود بخيط أسود مع أن عينيها تحتاجان إلى سبعة أضعاف كمية الضوء في أعمال الحياكة عما تحتاج إليه في القراءة.

ويستخدم المهندسون وحدة اللكس أو القدم ـ شمعة لقياس كمية الضوء الساقطة على سطح ما. فوحدة اللكس هي وحدة مترية، أما القدم ـ شمعة فهي وحدة في نظام القياس الإمبراطوري. وهناك جهاز قياس يُسمَّى مقياس الضوء يسجل كمية الضوء التي يستقبلها سطح ما عند نقطة ما



وهناك ثلاثة عوامل تحدد كمية الضوء الواصلة إلى جسم ما وهي: 1- شدة أو قوة الضوء 2- بُعْد الجسم عن مصدر الضوء 3- توزيع الضوء.

شدة الضوء. يقيس العلماء شدة الضوء بوحدة تسمى اللومن. في معظم الأقطار يُؤشّر على المصابيح الكهربائية بقدرتها من وحدات واط. لكن هذه الوحدات لا تدلنا على مقدار الضوء الناتج، وإنما تدل على كمية الكهرباء التي يستهلكها المصباح. فمثلاً ينتج مصباحان بقدرة 50 واط لكل منهما كمية إضاءة ـ بوحدات لومن ـ أقل مما ينتجه مصباح واحد قدرته 100 واط.

كذلك فمصباح عادي قدرته 100 واط قد لا يعطينا إضاءة تزيد على ربع ما يعطيه مصباح فلوري أنبوبي بالقدرة نفسها؛ لكن في الولايات المتحدة الأمريكية ينص عادة على مقدار القدرة بالواط والإضاءة باللومن ويذكر ذلك على صناديق المصابيح.

المسافة. تعتمد كمية الإضاءة التي يستقبلها جسم ما على بعده عن مصدر الضوء، وذلك استنادًا إلى قانون التربيع العكسي. فمثلاً يستقبل جسمٌ موضوع على مسافة مترين ربع كمية الضوء التي يستقبلها الجسم نفسه إذا وضع على مسافة متر واحد من المصباح.

توزيع الضوء. تمتص الألوان الداكنة الضوء، وهكذا فإن السجاد والأسقف والأثاث ذوات الألوان الداكنة تحد من كمية الضوء في الغرف، لكن الألوان الفاتحة تعكس الضوء إلى الغرفة، وتساعد بذلك على إضاءة أفضل فيها.

ويوزِّع مُظلّ المصباح الضوء من مصباح عار ويحجب المصباح عن الرؤية المباشرة. فالمظل يوجه الضوء إلى أسفل نحو الجسم المراد رؤيته وكذلك إلى أعلى لإضاءة الغرفة. ترسل المظلات غير الشفافة الضوء إلى أعلى وإلى أسفل؛ ولكن المظلات الشفافة ترسل أيضًا بعض الضوء إلى فسحة الغرفة. أما المظلات الملونة فتميل إلى تلوين الضوء؛ ولذا يفضل استخدام المظلات البيضاء أو ذات اللون القريب من ذلك.



الاستخدام الكفء للإضاءة. يمكن التقليل من الحاجة إلى الطاقة بالاستخدام الكفء للإضاءة، فهناك أنواع مختلفة من الإضاءة توفر لنا كميات مختلفة من الضوء، لكنها تستخدم كمية الطاقة نفسها. فمثلاً يعطينا المصباح المتوهج حوالي 20 لومن لكل واط من القدرة بينما يعطينا المصباح الفلوري 70 لومن لكل واط.

يسعى المهندسون والعلماء على الدوام لإيجاد طرق تُحسِّن من كفاءة المصابيح. فقد طوروا مصابيح بخارية أدت إلى كفاءة تزيد على ما توفره المصابيح المتوهجة. فمثلاً يعطينا مصباح بخار الزئبق حوالي 50 لومن لكل واط، ويعطينا مصباح الهاليدات الفلزية حوالي 90 لومن لكل واط، وتصل كفاءة مصباح الصوديوم عالي الضغط إلى 110 لومن لكل واط. كذلك تُعمَّر المصابيح البخارية فترة أطول من المصابيح المتوهجة. كما يسعى العلماء كذلك إلى إنتاج مصابيح فلورية أقل حجما وأكثر كفاءة.


مشكلات في الإضاءة. قد تَحْدُث بعضُ المشكلات في الإضاءة حتى في حال توفّر إضاءة كافية للقيام بنشاط ما. فمثلاً، يمكن أن يسبب ضوء ساطع أو ضوء ينعكس مباشرة إلى العين نوعاً من الإجهاد للعين وبهرًا شديدًا كالذي تسببه أضواء عالية آتية من السيارات، ويمكن أن يتسبب في عمى مؤقت. وتُنْتج المصابيح التي توزِّع الضوء إضاءة أكثر راحة للعين. أما الإضاءة غير المباشرة حيث ينعكس الضوء من الأسقف والجدران فتوفر إضاءة مريحة دون بهر للعين.

ويُعطي المصباح غير المظلل ضوءًا قاسيًا غير موزَّع مما يسبب البهر للعين. أما المصابيح البيضاء أو المطلية بلون ثلجي فتُعطي شيئًا من التوزيع للضوء، ومع ذلك فلا تزال هناك حاجة لتظليلها أو ترتيبها بحيث لايُسلََّط ضوؤها مباشرة على العين. وقد يُستخدم صحنٌ لاحتواء المصباح فيساعد على توزيع ضوئه. وإن لم يتسبب مصدر الإضاءة في بهر العين مباشرة فقد يكون ذلك عن طريق سطوح أخرى لامعة مثل سطح جدار، أو الأثاث أو الورق. كذلك يمكن أن يتسبب التباين الحاد في الألوان على سطوح ما في نوع من عدم الراحة للبصر. في البداية يساعد مثل هذا التباين العين في الرؤية. لكن بعد مرور مدة من الزمن يتسبب هذا التباين في إجهاد العين التي تجد لزامًا عليها إعادة التركيز كلما انتقل البصر من سطح باهت إلى سطح داكن.

كما يمكن أن يتسبب التباين الحاد في الإضاءة في إجهاد العين. ولهذا السبب يجب ألا يُشاهد المرء التلفاز في غرفة مظلمة تمامًا، أو أن يدرس بمساعدة ضوء مصباح وحيد عالي الشدة. ولتلافي مثل هذه الأوضاع تحتاج العين إلى إضاءة عامة إضافة إلى الإضاءة المُنبْعثة من التلفاز أو المصباح.



نبائط الإضاءة
يستخدم كثير من الناس خليطًا من مصابيح متوهجة وفلورية بعضها مثبت وبعضها متنقل، إذ يحاولون بذلك إيجاد إضاءة جذابة. يمكن تركيب المصابيح المتوهجة والفلورية على حائط أو سقف، أو في تجويف فوق السقف أو متدلية من السقف. والنوع المنزلي يوفر إضاءة عامة جيدة للغرف والممرات ذات الأسقف العالية. أما المصابيح المثبتّة في نُقَر فتستخدم فوق المغاسل مثلاً، وتوفر إضاءة جيدة. وكثير من المكاتب وغرف المعيشة يتوافر فيها أسقف مضاءة حيث تعلق أنابيب فلورية فوق أسقف شفافة أو شبه ذلك. مثل هذه التركيبات تعطي ضوءًا عامًا جيد التوزيع. وتستخْدِم كثير من المؤسسات بما في ذلك المستشفيات والمكتبات والمدارس الأسقف المضاءة.

تزودنا المصابيح المتنقلة بإضاءة عامة خفيفة وإضاءة إضافية للقيام ببعض الأعمال كالحياكة والدراسة.

في البيوت والمكاتب الصغيرة يمكن أن يقوم مصممو الإضاءة بإخفاء أنابيب فلورية خلف مساند مثبتة عند أطراف الجدران أو الأسقف. مثل هذه الإضاءة الإنشائية تعطي إضاءة خفيفة غير مباشرة وتشد الانتباه إلى الجدران والستائر. وإذا وضعت مثل هذه الإضاءة على جدارين متقابلين فإنها تعطي الانطباع بأنهما متباعدان أكثر مما لو كانا غير مضاءين. وعند تركيب مثل هذه الإضاءة على سقف منخفض فإنها تعطي الانطباع بأن السقف أعلى مما هو عليه.

تستخدم معظم المصانع و المكاتب الكبيرة والمحلات التجارية الأضواء الفلورية أو البخارية المثبتة لأغراض الإضاءة العامة. فالمصابيح الفلورية تعطي حوالي ثلاثة أضعاف الإضاءة التي تعطينا إياها المصابيح المتوهجة ذات القدرة (واط) المماثلة. أما المصابيح البخارية فقد تعطي ستة أضعاف ما تعطيه المصابيح المتوهجة من الإضاءة. لذا تُعتبر تكلفة المصابيح الفلورية والبخارية أقل من مثيلاتها المتوهجة. وهي كذلك تنتج حرارة أقل لكن مهندسي الإضاءة يفضلون أحيانا استخدام المصابيح المتوهجة لصغر حجمها وسهولة استعمالها وألوانها الدافئة المألوفة. وبعض المحلات التجارية تَسْتَخْدم خليطًا من المصابيح الفلورية والبخارية لغرض الإضاءة العامة، بينما تُسْتخدم المصابيح المتوهجة لأغراض الزينة، أو لغرض التركيز على الإضاءة نفسها.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:16 AM
الضوء الكهربائي



الضوء الكهربائي نبيطة تستخدم الطاقة الكهربائية لإنتاج ضوء مرئي. وإلى أن أصبح الضوء الكهربائي شائعًا في بدايات القرن العشرين كان الناس يرون في الليل بالاعتماد على أضواء الشموع والنار ومصابيح الغاز أو مصابيح الزيت.

وتدل كلمة مصباح إما على مصدر ضوءٍ كهربائي وإما على الهيكل الذي يحوي المصدر. وتبحث هذه المقالة في مصادر الضوء الكهربائي وتستخدم كلمة مصباح لتدل على مصدر ضوئي. وهناك نوعان رئيسيان من المصابيح
1ـ مصابيح متوهجة
2ـ مصابيح التفريغ الغازي. لمزيد من المعلومات عن استخدامات الضوء الكهربائي



المصابيح المتوهّجة

أجزاء المصباح المتوهج تشتمل على فتيلة واحدة أو أكثر ودعامة داخلية وزجاجة وقاعدة.
تُعَدُّ المصابيح المتوهجة أكثر مصادر الضوء الكهربائي شيوعًا، وتوجد في كل بيت تقريبًا. كذلك فإن أضواء السيارة، ومصابيح اليد الكهربائية، هي أيضاً أنواع من المصابيح المتوهجة.

وتعتمد كمية الإضاءة المنبعثة من مصباح متوهج على كمية الكهرباء التي يستهلكها. ومعظم المصابيح المستخدمة في البيوت تتراوح قدرتها بين 40 و150 واطًا من القدرة. ويقيس مهندسو الإضاءة كمية الضوء المنبعثة من مصباح ما بوحدة تُدعى لومن. فمصباح عادي قدرته 100 واط يُعطي نحو 1,750 لومن. وتُطبع كمية القدرة التي يستهلكها مصباح ما بالواط على المصباح نفسه.

يتكوّن كل مصباح متوهج من ثلاثة أجزاء أساسية 1ـ الفتيلة 2ـ الزجاجة 3ـ القاعدة. وتُصدر الفتيلة الضوء، أما الزجاجة والقاعدة فتساعدان في القيام بهذا العمل.


الفتيلة (خيط المئبر). سلك رفيع ملولب. تسري الكهرباء في السلك عند إشعال المصباح. لكن على هذه الكهرباء التغلب على مقاومة الفتيلة. وفي سبيل ذلك تُسخن الكهرباء الفتيلة إلى أكثر من 2,500°م. ودرجة الحرارة العالية هذه تجعل الفتيلة تبعث الضوء.


المصباح المتوهج ذو الثلاثة ممرات تستخدم فيه فتيلتان لتزويد ثلاثة مستويات مختلفة من قوة الضوء. وتساعد الوصلات المختلفة الموجودة في القاعدة على توهج إحدى الفتائل لتعطي ضوءًا بمقدار 50 أو 100 واط، أو توهج كلتا الفتيلتين لتعطيا قوة 150 واط.
يستخدم صانعو المصابيح فلز التنجستن في صنع الفتائل؛ لأن قوة هذا الفلز تجعله يصمد أمام درجات حرارة عالية دون أن ينصهر. ويتألف الضوء المنبعث من فتيلة تنجستن من خليط من كل ألوان الضوء المنبعث من الشمس.

تتألف بعض المصابيح من أكثر من فتيلة واحدة. ويمكن إشعال هذه الفتائل فرديًا، حتى يمكن للمصابيح إنتاج كميات مختلفة من الضوء. فمثلاً يمكن أن يحتوي مصباح ما على فتيلة قدرتها 50 واطًا وأخرى قدرتها 100 واط. وتبعًا لطريقة إشعال الفتيلتين منفردتين أو معًا يمكن الحصول على ضوء يقابل 50 واطًا أو 100 واط أو 150 واطًا.


الزجاجة. تعمل على إبعاد الهواء عن الفتيلة فتحفظها من الاحتراق. وتحتوي معظم المصابيح على خليط من الغازات غالبها من غازي الأرجون والنيتروجين، وذلك بدلاً من الهواء. وتساعد هذه الغازات في إطالة عمر الفتيلة وتمنع الكهرباء من الانتشار داخل الزجاجة.

ُتغطَى زجاجة المصباح عادة بطبقة من طلاء يساعد في بعثرة الضوء من الفتيلة، ويقلل من بهره للعين. وتستخدم لذلك مادة السليكا، أو يمكن حفر الزجاجة بحمض ما. أما المصابيح الملونة، فتُطلى بلون يحجب كل الألوان إلا لون الطلاء. وتنتج المصابيح في أشكال عدة بما في ذلك أشكال كشعلة النار، وأشكال كمثرية، وأخرى مستديرة أو أنبوبية.

وعندما تحترق المصابيح المتوهجة يكون السبب غالبًا التبخر التدريجي للفتيلة، وفي النهاية انقطاعها. وقبل أن يحدث ذلك، فإن تيارات من الغاز داخل الزجاجة تقوم بنشر التنجستن المتبخر على السطح الداخلي للزجاجة. ويتسبب التنجستن المتبخر في ترسيب طبقة سوداء على السطح تدعى اسوداد جدار الزجاجة. وهذا الترسب يحجب بعضًا من الضوء وبالتالي يقلل من كفاءة المصباح.

وفي أحد أنواع المصابيح ويُدعى مصباح التنجستن ـ الهالوجين يمكن تجنب عملية الاسوداد المذكورة آنفًا. ويحتوي مثل هذا المصباح على زجاجة كوارتزية تحتوي على كمية قليلة من عائلة الهالوجين مثل البروم أو اليود. ويتحد الهالوجين داخل الزجاجة مع بخار التنجستن ويكوِّن غازًا. ويتحرك هذا الغاز حتى يلامس الفتيلة لكن حرارة الفتيلة العالية تعمل على حل الغاز. وبذا يعاد ترسيب التنجستن المتبخّر على الفتيلة وينطلق الهالوجين ليتحد مرة أخرى مع التنجستن المتبخر من الفتيلة.


القاعدة. تحمل المصباح قائمًا وتثبته وتقوم بوصل المصباح بالدائرة الكهربائية.



مصابيح التفريغ الغازي
تقوم مصابيح التفريغ الغازية بإنتاج الضوء عن طريق مرور الكهرباء خلال غاز تحت الضغط، بدلاً من توهج الفتيلة . ومثل هذه العملية تدعى تفريغًا كهربائيًا. وتُسمى مثل هذه المصابيح أحيانًا مصابيح تفريغ كهربائي. وتضم هذه العائلة من المصابيح: المصابيح الفلورية ومصابيح النيون ومصابيح الصوديوم منخفضة الضغط ومصابيح بخار الزئبق ومصابيح الهاليد المعدنية ومصابيح الصوديوم عالية الضغط. ويُعَدُّ ضوء القوس الكهربائي نوعًا من مصابيح التفريغ الغازي. ولكن التفريغ في هذه الحالة لا يتم داخل زجاجة.
لا تُستخدم المصابيح الفلورية كثيرًا في المنازل، لكنها كثيرة الاستخدام في المكاتب والمدارس والمحلات التجارية. ويقوم مهندسو الإضاءة بتركيب أنواع أخرى من مصابيح التفريغ الغازي في المساحات الداخلية و الخارجية الواسعة، وتشمل مثل هذه المساحات المصانع والطرق ومواقف السيارات ومراكز التسويق والملاعب المدرَّجة. وتستخدم معظم مصابيح النيون في الإعلانات التجارية.

وباستثناء المصابيح الفلورية فإن مصابيح التفريغ الغازي لا تستخدم في المنازل. فلون الأشياء يبدو مختلفًا عند إضاءة هذه المصابيح، كذلك تزيد تكلفة هذه المصابيح على مثيلتها من المصابيح المتوهجة، لكنها تُعَمِّر أطول وتعطي ضوءًا أشد مقابل كل واط من القدرة. ولذا فإن حسابًا جامعًا لكل هذا قد يجعلها أرخص من المصابيح المتوهجة.



مصابيح التفريغ الغازي المنخفضة الضغط. تستخدم غازات الأرجون أو النيون أو غازات أخرى تحت ضغط منخفض لتقوم بإنتاج الضوء. وتضم هذه العائلة المصابيح الفلورية ومصابيح النيون ومصابيح الصوديوم منخفضة الضغط.

المصابيح الفلورية. يتكوّن المصباح الفلوري من أنبوب زجاجي يحتوي على غاز الزئبق وغاز الأرجون تحت ضغط منخفض. وتُسبب الكهرباء التي تسري في الأنبوب انبعاث الطاقة فوق البنفسجية من الزئبق المتبخر. والعين لا ترى طاقة الأشعة فوق البنفسجية في صورة ضوء. كما أن السطح الداخلي للأنبوب مغطى بمادة مفسفرة تبعث ضوءًا مرئيًّا عندما تصيبها طاقة الأشعة فوق البنفسجية



مصابيح النيون. أنابيب مملوءة بالغاز، تتوهج عندما تحدث عملية تفريغ كهربائية داخلها. فغاز نيون نقي في أنبوب صاف يُعطي ضوءًا أحمر اللون. ويمكن إنتاج الضوء في ألوان أخرى بمزج غاز النيون بغازات أخرى، أو استخدام أنابيب ملونة أو مزيج من هاتين الطريقتين.

مصابيح الصوديوم المنخفضة الضغط. تتألف مثل هذه المصابيح من أنبوبين زجاجيين واحد منهما داخل الآخر. يحتوي الأنبوب الداخلي على صوديوم صلب ومزيج من غازي النيون والأرجون. وعند إشعال المصباح في البداية فإنه يبعث ضوءًا برتقاليًّا مائلاً إلى الاحمرار متطابقًا مع خصائص غاز النيون. ولكن كلما سخن الصوديوم، فإنه يتبخر ويصبح الضوء بعد ذلك أصفر اللون.

مصابيح التفريغ الغازي عالية الضغط. تستخدم مثل هذه المصابيح الزئبق، أو مركبات معدنية أو مركبات كيماوية أخرى تحت ضغطٍ عالٍ من أجل إنتاج الضوء. وتُسمَّى هذه المصابيح أيضًا مصابيح التفريغ عالية الشدة وتضم مصابيح بخار الزئبق ومصابيح الهاليد الفلزية ومصابيح الصوديوم العالية الضغط.

مصابيح بخار الزئبق. ولها زجاجتان إحداهما داخل الأخرى. وتُسمى الزجاجة الداخلية ـ وهي مصنوعة من الكوارتز ـ الأنبوب القوسي، أما الزجاجة الخارجية فتقوم بحماية الأنبوب القوسي. ويحتوي الأنبوب القوسي على بخار زئبقي تحت ضغط أعلى مما يوجد في المصباح الفلوري؛ وبذا فإن المصباح البخاري هذا يستطيع إنتاج الضوء دون الحاجة إلى طلائه بمادة فوسفورية. وينبعث من البخار الزئبقي ضوء أزرق اللون مائل إلى الاخضرار إضافة إلى الأشعة فوق البنفسجية. وإذا كان مصباح بخار الزئبق مصنوعًا من زجاجٍ صافٍ فإنه لا ينتج ضوءًا أحمر، وبذا فإن الأجسام الحمراء تبدو معه بنية اللون، أو رمادية، أو سوداء. أما مصابيح بخار الزئبق التي يُُغَطَّى فيها سطح الزجاجة الخارجية بمادة فوسفورية فإنها تقوم بإنتاج ضوء ذي عدة ألوان؛ إذ إن مادة الفوسفور تبعث ضوءًا أحمر عندما تقع عليها الأشعة فوق البنفسجية. وتُعمّر مصابيح بخار الزئبق أكثر من غيرها من المصابيح ذات القدرة المماثلة، ولكن هذه المصابيح تتطلب زمناً يبلغ نحو خمس إلى سبع دقائق لبناء ضغط البخار الزئبقي والوصول إلى سطوعٍ كاملٍ للضوء.

مصابيح الهاليد الفلزية. تحتوي هذه المصابيح على مركبات كيماوية من أي فلز مع الهالوجين. وتعمل مثل هذه المركبات على إنتاج ضوء متوازن من ألوان الضوء الطبيعي أكثر مما يتوافر في حالة مصابيح بخار الزئبق، ودون الحاجة إلى استخدام مادة فوسفورية. كذلك فإن هذه المصابيح تتمتع بحياة طويلة، وإنتاج ضوء عال، مقابل كل واط من القدرة. وتُعدُّ هذه المصابيح مثالية للاستعمال الخارجي وأحيانًا داخل المنازل.

مصابيح الصوديوم عالية الضغط. تشبه هذه المصابيح مصابيح بخار الزئبق، لكن أنبوبها القوسي مصنوع من أكسيد الألومنيوم بدلاً من الزجاج أو الكوارتز. وتحتوي على مزيجٍ صلبٍ من الصوديوم والزئبق إضافة إلى غاز نادر. وينبعث من المصباح ضوءٌ برتقالي أبيض يعمل على إكساب الألوان الزرقاء والخضراء نوعاً من الدُّكنة، كما أنه يحوِّل اللون الأحمر إلى لون برتقالي. ولهذا المصباح حياة طويلة وكفاءة ضوئية عالية



مصادر أخرى للضوء الكهربائي
هناك مصدرا ضوء كهربائي ينبعث منهما ضوء خافت نتيجة استخدام الطاقة الكهربائية، وهما الصمام الثنائي مشع الضوء، واللوحات الكهروضوئية. ولا تتطلب هذه المصابيح زجاجةً أو تفريغًا أو فتيلةً لكن ضوءَها لا يكفي لإضاءة غرفة.


الصمَّامات الثنائية المشعة للضوء. وهي شرائح صغيرة من مادة زرنيخيد الجاليوم ـ أو أي مادة شبه موصلة أخرى صلبة. وتعطي هذه الصمامات ضوءًا أحمر أو أصفر أو أخضر اللون عندما تُهَيج ذراتها بطاقة كهربائية انظر: الضوء. وتستهلك هذه الصمامات طاقة قليلة، كما أنها تدوم طويلاً جدًا. وتستخدم مجموعات من هذه الصمامات في الحواسيب وحاسبات الجيب والساعات الرقمية لتكون أرقاماً أو حروفًا. يتألف إظهار نمطي مبني على هذه الصمامات من عدد من صمامات صغيرة يتم التحكم فيها فرديًّا بدوائر حاسوبية. وتعمل هذه الدوائر على إشعال نموذج معين من هذه الصمامات لتشكل حرفًا أو رقمًا.

ويعتمد العديد من الحواسيب الحديثة والساعات الرقمية على مُظْهِرَات بلُّورية سائلة. وتستهلك هذه المُظهِرَات الأخيرة قدرة أقل من الصمامات الثنائية المذكورة، لكنها لا تُرى إلا في وجود ضوء مباشرٍ؛ نظرًا لأنها لا تبعث الضوء من نفسها.


اللوحات الكهروضوئية. تتألف من طبقات من مواد فسفورية تحشر بين صفيحةٍ معدنيةٍ وطلاءٍ شفافٍ يوصل الكهرباء. وعندما تسري الكهرباء خلال الصفيحة ومادة الطلاء فإن المواد الفوسفورية تنتج سطوعًا ذا لونٍ أخضر مائل إلى الزرقة. وتستهلك هذه اللوحات طاقةً قليلة. ولكن لوحةً عالية السطوع لا تنتج ضوءًا أكثر مما ينتجه أصغر مصباح عادي. وتستخدم مثل هذه اللوحات أضواء ليلية وفي لوحات القياس والأجهزة في بعض الطائرات والسيارات.



نبذة تاريخية

منظر ليلي في مدينة جدة بالمملكة العربية السعودية. ويظهر رشاش من الأضواء الباهرة بعضها للإعلان التجاري وبعضها للإضاءة على مجمع تجاري.
خلال منتصف القرن التاسع عشر الميلادي قام عدد من المخترعين بمحاولة إنتاج الضوء من الكهرباء. فتمكن العديد من الرواد من تطوير مصابيح متوهجة. وكانت مثل هذه المصابيح تعمل في البداية على البطاريات لكنها كانت سريعًا ما تحترق.

لم يتطلب الاستخدام الشائع للضوء الكهربائي مجرد توافر مصباح، وإنما تطلّب أيضًا طريقة رخيصة لتوزيع الكهرباء على أصحاب المصابيح. لذا طوّر المخترع الأمريكي توماس أديسون طريقة كهذه. وأصبح بالتالي مكتشف الضوء الكهربائي. ففي عام 1879م، اخترع إديسون مصباحه المتوهج وكان من مكوناته الرئيسية فتيلة مكوّنة من خليط كربوني. وخلال السنوات الأولى من القرن التاسع عشرالميلادي طور أديسون أول محطة كهربائية تقوم بتوليد الكهرباء وتوزيعها. وكانت هذه المحطة تقع في شارع بيرل بمدينة نيويورك. وبدأت عملها عام 1882م.

وبعد ذلك، وفي أوائل سني القرن العشرين، بدأ المهندسون يُجْرُون التجارب لتطوير مناحي الإضاءة الكهربائية، باستخدام مصابيح التفريغ الغازي. وقد أدّى عملهم هذا إلى تطوير المصابيح الفلورية ومصابيح بخار الزئبق في الثلاثينيات من القرن العشرين.

وقد تم اكتشاف الإضاءة الكهربائية في عام 1936م. أما المُظهِرَات البلّورية السائلة والصمامات الثنائية المشعة الضوء، فقد تم تطويرها نتيجة للأبحاث التي أُجريت باستخدام نبائط شبه موصلة في الستينيات من القرن العشرين. أما في السبعينيات من القرن العشرين فقد تمكن الباحثون من تطوير مصادر ضوء فعالة مثل، مصابيح الهاليد المعدنية ومصابيح تفريغ الصوديوم العالية الضغط.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:17 AM
الإشعال



الإشعال أي نظام لحرق خليط من الوقود والهواء لتوليد الطاقة في المحرك. والنظامان الرئيسيان للإشعال هما: الشرارة والضغط. ونظام إشعال الشرارة هو أحد أجزاء المحركات التي تُدار بالبترول مثل السيارات. أما الإشعال بالضغط فهو الاحتراق الذي نجده في محركات الديزل، مثل قطارات السكك الحديدية والسفن والشاحنات. وهذه المقالة تناقش الإشعال بالشرارة، وهو النظام الأكثر استخدامًا. ولمزيد من المعلومات عن الإشعال بالضغط



ويستخدم نظام الإشعال بالشرارة قابس إشعال يولد شرارة كهربائية تقوم بإشعال النار في الوقود. وتوجد قوابس الإشعال في جدار حجرة الاحتراق. ويوجد في نهاية كل قابس قُطبان كهربائيان بارزان في الحجرة. ويُصدِر نظام الإشعال تيارًا كهربيًا عالي الفولطية إلى القابس فيقفز التيار من خلال فتحة توجد في القطبين. وهذه القفزة تُولّد شرارة كهربائية تُشعل النار في خليط الوقود والهواء.

وتولّد معظم أنظمة الإشعال بالشرارة تيارًا من بطارية قوتها 6 أو 12 فولتًا، أما الأنظمة الأخرى فتستخدم جهازًا مغنطيسيًا كهربائيًا يسمى المغنيط.



الإشعال بالبطارية. يُستخدم الإشعال بالبطارية في السيارات. وتتكون أجزاؤه من البطارية وملف الإشعال والموزّع وقوابس (شمعات) الإشعال ونقط الفصل.

وعند إدارة مفتاح الإشعال يسري التيار في ملف الإشعال وهو جهاز يزيد من قوة تيار نظام الإشعال. ويتكون هذا الجهاز عادة من مجموعتين من الأسلاك الكهربائية يُطلق عليهما اللفات، وتوجد اللفة الابتدائية داخل اللفة الثانوية. وتتكون اللفة الابتدائية من حوالي 100-200 لفة من سلك رفيع بسمك الدبوس العادي، ويتصل بالبطارية. وتوجد باللفة الثانوية ما يتراوح بين 15,000-20,000 لفة من سلك أدق من سُمك شعرة الإنسان. وهي متصلة بالموزع الذي يرسل تيارًا ذا جهد عال إلى شموع الإشعال.

تحمل اللفة الابتدائية تيارًا كهربائيًا منخفضًا. وعندما يوقف هذا التيار، يتم توليد تيار قوي من خلال اللفة الثانوية. ويتم إيقاف التيار عن اللفة الابتدائية عن طريق مفتاح الفصل الذي يتكون من قطعتين معدنيتين تُعرفان بنقطتي الفصل. وتتصل نقطتا الفصل باستمرار أو تنفصلان عن طريق ترس دائري يُطلق عليه كامة الفصل، ويسري التيار في اللفة الابتدائية عندما تكون القطعتان المعدنيتان متصلتين. وعندما تنفصلان، تنقطع الدائرة الابتدائية وبذلك يتوقف التيار. وفي الحال يتولد تيار قوته حوالي 30 ألف فولت في اللفة الثانوية. ويختزن جهاز يُطلق عليه اسم المُكثّف كمية من التيار. واختزان التيار يمنع قفز الشرارة بين نقطتي الفصل، وتلفها عندما تكون منفصلة. كما يساعد أيضا على زيادة قوة التيار في اللفة الثانوية.

وتُطلق شحنة من التيار العالي عند كل انقطاع للدائرة في اللفة الابتدائية. ونقط القطع مضبوطة بدقة للعمل عندما يكون الوقود جاهزًًا للإشعال.

وتذهب كل شحنة من التيار العالي إلى الموزّع، فيقوم ذراع دوّار بتوزيع التيار على قوابس الإشعال كلٍ بدورها. ويستقبل كل قابس شحنة تيار عال بمجرد أن يتم ضغط الوقود والهواء بشدة في غرفة الاحتراق. ولأجهزة الإشعال في السيارات آليات للتأكد من أن قوابس الإشعال تنطلق في التوقيت المناسب. وهذه الآليات تساعد على تخفيض استهلاك الوقود وتخفيض مُلوثات الهواء في دُخان العادم.

في منتصف السبعينيات من القرن العشرين، بدأ تزويد السيارات بجهاز إشعال إلكتروني. وفي هذه الأنظمة استبدل المفتاح الكهربائي بنقطتي الفصل.كما استُبدل الترس الحديدي بكامة الفصل. وتفتقر الأعداد المتزايدة من أنظمة الإشعال الإلكتروني إلى موزع آلي، حيث يتم التحكم في وقت وتوزيع التيار بوساطة الحاسوب أو جهاز إلكتروني دقيق يُسمّى ميكروبروسسور (المعالج الدقيق). ويحتاج الإشعال الإلكتروني إلى صيانة أقل من جهاز الإشعال التقليدي. كما يمكنه توليد تيار أقوى لتشغيل أسهل.



الإشعال المغنطيسي. يشبه الإشعال المغنطيسي الإشعال الذي يتم بوساطة البطارية. إلا أنه أصغر وحجمه مضغوط. ومعظم أجزاء الجهاز المغنطيسي توجد في وحدة واحدة، بينما مثيلاتها في نظام البطارية تكون منفصلة وتأخذ مساحة أكبر. وتُستخدم هذه الأجهزة في العديد من المحركات ذات الجنزير كالمناشير وآلات قص الحشائش والدراجات البخارية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:18 AM
الاستشعار عن بعد



الاستشعار عن بُعد تقنية لجمع معلومات عن جسم بدون لمسه فعلاً. ونُطبق الاستشعار عن بعد بالعيون والآذان وبجلودنا كذلك. فهذه المجسات تحصل على المعلومات عن حجم الأشياء ولونها وموقعها ودرجة حرارتها.

والتلفاز أيضًا نمط من نظام الاستشعار عن بعد، فكاميرا التلفاز جهاز حسّاس يلتقط الصورة ويحولها إلى استديو، وتنقل الصورة عبر كبل أو محطة إذاعة أو قمر صناعي إلى منازل المشاهدين. وتُحمَل الأجهزة الحساسة المشابهة لكاميرا التلفاز في الطائرات والأقمار الصناعية لتنتقل عبرها الصور للأرض (المحطات الأرضية). كما أن خرائط السُّحب المستخدمة في نشرات الطقس والتنبؤات هي صور منقولة عبر الأقمار الصناعية الدائرة في مدار ارتفاعه نحو 35,900كم فوق الأرض.

أما الأجهزة الحساسة فإنها تلتقط أشكالاً خفية للطاقة، خصوصًا الأشعة تحت الحمراء التي تبثها الأرض. ويُحوّل الحاسوب هذه البيانات إلى صور للدراسة على شاشات التلفاز أو إلى صور فوتوغرافية. والألوان التي تتولد بوساطة الحاسوب تُسمى الألوان الصناعية لأنها لا تُطابق الألوان التي نراها عادة. والرادار جهاز حساس يستخدم الموجات الراديوية لعمل صور الكواكب. انظر: الرادار. والسُّونار يستخدم الموجات الصوتية لسبر غور قاع المحيط والبحث عن السفن الغارقة. انظر: السونار.

والاستشعار عن بعد مفيد في الحصول على معلومات عن الأرض. وتُستخدم صور الأقمار الصناعية لتقدير إنتاجية المحاصيل والبحث عن مواد التعدين والرواسب النفطية. وهو يساعد العلماء على فهم كيفية تأثير النشاط الإنساني في البيئة. فمثلاً هناك أجهزة حساسة مركبة تراقب سلامة الغابات التي يهددها التلوث وتعطي صورة عن تدمير الغابات المدارية المطيرة، وتقيس مدى دفء الغلاف الجوي المعروفة بتأثير البيت المحمي.
كما نستطيع أن نتعلم أكثر من ذلك عن البيئات السابقة. وقد قام الرادار التصويري باختبار قنوات الانسياب في باطن الصحراء في جنوب مصر ووضّح أن هذه الصحراء كان مناخها أكثر رطوبة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:20 AM
الديناميكا الهوائية



الديناميكا الهوائية تُعنَى بدراسة القُوى المؤثرة على جسم ما أثناء حركته في الهواء أو أي نوع آخر من الغازات. وتؤثر قُوى الديناميكا الهوائية على الطائرات وأية أجسام أُخرى متحركة في الهواء. ويدرس العلماء والمهندسون قُوى الديناميكا الهوائية، ويهتمون بها لأنها هي القُوى التي تؤثر في حركة الأجسام.

وقد درس الأَخَوان رايت الديناميكا الهوائية قبل أن ينجحا في صنع أول طائرة تتمكن فعليًا من الطيران. وفي الوقت الراهن، يستخدم صنّاع الطائرات أساسيات الديناميكا الهوائية في تصميم جميع أنواع الطائرات. وتنطبق أساسيات الديناميكا الهوائية نفسها أيضًا على انسياب الهواء أثناء مروره حول المباني والجسور. ونتيجة لذلك، فعلى المهندسين المعماريين استخدام مبادئ الديناميكا الهوائية للتأكد من صمود ناطحات السحاب ومقاومتها لقوة الرياح. ومن هذا المنطلق، فإن الديناميكا الهوائية تساعد مصمِّمي السيارات في تحسين أدائها.

يستخدم المهندسون أيضًا أساسيات علم الديناميكا الهوائية في تصميم المضخات والمُكرْبنات والتوربينات (العَنَفات) الغازية. ويعد علم الديناميكا الهوائية جزءًا من فرع الهندسة المعروف باسم ديناميكا الموائع.

هناك بعض أنواع الطيران التي لايدخل فيها علم الديناميكا الهوائية. ومن أمثلة ذلك حركة سفن الفضاء السابحة في الفضاء الخارجي التي لاتتحكم فيها أساسيات علم الديناميكا الهوائية، ويرجع ذلك لعدم وجود هواء يولد قُوى الديناميكا الهوائية. وعلى الرغم من ذلك، فإن سفن الفضاء تخضع لعلم الديناميكا الهوائية أثناء طيرانها خلال الغلاف الأرضي أو أثناء مرورها في مجالات بعض الكواكب الأخرى.



قواعد الديناميكا الهوائية
ترتبط معظم قواعد الديناميكا الهوائية بقوتي الديناميكا الهوائية الأساسيتين وهما: الرَّفْع والسَّحب.


الرفع قوة ديناميكية هوائية تنتج عن حركة سطح انسيابي رافع كجناح الطائرة في الهواء. وتؤثر قوة الرفع بزاوية قائمة بالنسبة لاتجاه الحركة. وتعطي قوة الرفع الطائرة المقدرة على الارتفاع والبقاء على السرعة نفسها في الهواء. ويُحدث السطح الانسيابي عند حركته في الهواء قوة رفع لأن القوة الناتجة تكون ذات ضغط أكبر على السطح السفلي للسطح الانسيابي مقارنة بالضغط الناتج عن السطح العلوي. وينتج عن الاختلاف في الضغط أعلى السطح الانسيابي وأسفله اختلاف في سرعة سريان الهواء على السطحين، وذلك طبقًا للمبادئ التي اكتشفها دانيال برنولي، وهو عالم رياضيات سويسري، والتي تنص على أن ضغط السائل يقل مع زيادة سرعته



وللسطح المنساب النموذجي حافة متقدمة أمامية مدورة وحافة خلفية حادة. وعند اقتراب الهواء المنساب من الحافة المتقدمة، فإنه يتشعب ويتفرق ليتجه نحو السطح المنساب. وللحصول على قوة رفع، لابد أن يكون انسياب الهواء حول السطح العلوي والسطح السفلي للسطح الانسيابي عديم التناظر (غير متماثل)، أي ليست له أيّ منظومة محددة. ويمكن أن يتولد الانسياب عديم التناظر عند استعمال سطح انسيابي ذي شكل منحن. ويُطلق على الانحناء في هذه الحالة اسم التقوس. ويحدث الانسياب عديم التناظر عند التقاء سطح انسيابي رافع مع الهواء بزاوية معينة. ولابد من تزاوج الانسيابين واندماجهما بأسلوب سلس منتظم عند تركهما للحافة الخلفية. وقد اكتشف هذا الشرط عالم الرياضيات الألماني ك. و. كوتا. وينتج عن الشرط الذي وضعه كوتا وانسياب الهواء عديم التناظر جريان الهواء بسرعة أعلى على السطح العلوي للسطح الانسيابي مقارنة بالسطح السفلي له، وهكذا يقل ضغط الهواء على السطح العلوي مقارنة بالسطح السفلي. ونتيجة لذلك، يُرفَع السطح الانسيابي إلى أعلى في الهواء.

ويمكن شرح قوة الرفع أيضًا بمقدرة السطح الانسيابي على تحويل اتجاه الهواء إلى أسفل. ويحول السطح الانسيابي اتجاه الهواء من خلال زاوية التقوس بالإضافة إلى لقاء الهواء عند زاوية معينة. وينص القانون الثالث من قوانين الحركة الذي وضعه العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن على أن كل فعل له رد فعل مساو له في المقدار ومضاد له في الاتجاه. وعندما يقوم السطح المنساب بتحويل اتجاه الهواء إلى أسفل، فإن رد الفعل لهذه الحركة يدفع هذا السطح المنساب إلى أعلى ـ ومن ثم ينتج قوة الرفع.

تعتمد كمية الرفع الناتجة عن الجناح أساسًا على زاوية الهبوب ونبائط (معدات) الرفع العالي كما يؤثر أيضًا كل من كثافة الهواء ومساحة السطح وسرعة الجناح على مقدار الرفع.



زاوية الهبوب. هي الزاوية التي يحدثها الجناح مع الهواء المنساب المار به. ويمكن للطيار تغيير زاوية الهبوب بتغيير وضع الطائرة (موضع الطائرة في الفضاء). ويمكن إلى حد ما زيادة قوة الرفع الناتجة عن الجناح بزيادة زاوية الهبوب. وأي زيادة في قوة الرفع تعني إمكانية زيادة سرعة صعود الطائرة أو التحليق بسرعة أبطأ.

تؤدي زاوية الهبوب دورًا مهمًا في سلامة الطيران. ولايمكن للهوا ء أن ينساب بسلاسة حول الجناح إذا أصبحت زاوية الهبوب حادة أو شديدة الانحدار. وإذا أصبحت زاوية الهبوب حادة فبدلاً من انسياب الهواء بسلاسة، فإنه ينقطع فجأة ويصبح في صورة دوامات صغيرة، يطلق عليها اسم الدوامات الهوائية، على الجناح . وتقلل هذه الدوامات من قوة الرفع إلى درجة كبيرة جدًا، وتجعل الطائرة تهبط لأسفل نحو الأرض. ويطلق على هذه الحالة اسم الهَوَيان. ويمكن أن تتحطم الطائرة مالم تخفض زاوية الهبوب على وجه السرعة. وتحلق الطائرة بزاوية هبوب تتراوح بين 4 درجات و15 درجة، ويمكن أن تهوي الطائرة إذا أصبحت الزاوية أكثر من 15 أو 20 درجة.



نبائط الرفع العالي. تعتمد قوة الرفع للسطح الانسيابي على سرعة الجناح في الهواء. وإنْ لم يتحرك الجناح بسرعة كافية، فإن الاختلاف في الضغط بين أسفل الجناح وأعلاه لن يؤدي إلى توليد قوة الرفع الكافية للاحتفاظ بالطائرة في الهواء. وأثناء عمليات الهبوط والإقلاع، يحاول الطيارون أن يطيروا بأقل سرعة ممكنة، ولهذا تزود الطائرة بأجزاء خاصة يطلق عليها نبائط الرفع العالي لتمد الطائرة بقوة رفع كافية لكي تطير بأقل سرعة ممكنة. وتشتمل هذه النبائط على كل من:1- قلابة 2- سدفة 3- شق خدي.

والقلابة مقطع متصل بمفصلات في ظهر كل جناح. وفي أثناء رحلة الطيران الاعتيادية، تتوافق القلابة بسلاسة مع الجناح. ويقوم الطيار بإنزال القلابات وذلك للهبوط، وفي بعض الأحيان أيضًا أثناء الإقلاع. وعند إنزال القلابات، فإنها تزيد من نسبة التقوّس للجناح، ويعطي ذلك قوة رفع للطائرة، وبالتالي يساعد على تخفيض سرعة الطائرة استعدادًا للهبوط.

والسدفة جزء متصل بمفصل بالقرب من مقدمة طرف كل جناح. وعندما تخفض الطائرة من سرعتها، فإن السدفة تتحرك بصورة تلقائية إلى الأمام لزيادة التقوس للجناح، وبالتالي تعمل السدفة على زيادة قوة الرَّفْع.

والشق الخدي فتحة على طول الحافة الأمامية للجناح. ويساعد الشق الخدي الهواء في الانسياب بسلاسة أعلى الجناح، وبهذا يمكن للطائرة أن تطير بزاوية هبوب كبيرة دون أن تهوي، وبالتالي فإن زواية الهبوب هذه تزيد قوة الرفع.



السَّحب. قوة ديناميكية هوائية تقاوم الحركة الأمامية للجسم. ويؤثر شكل الجسم بقدر كبير على مقدار السحب. ويطلق على الأجسام التي يتولد عنها أقل قدر من السحب أجسام الخط الانسيابي أو الأجسام الخالية من الديناميكية الهوائية. ويبني المصممون الطائرات بحيث يكون السحب فيها أقل قدر ممكن. وتحتاج الطائرات ذات السحب المنخفض إلى محركات أقل طاقة، كما يحسن السحب المنخفض أيضًا من أداء الطائرة. وينطبق هذا المفهوم على الناقلات والمركبات والقطارات لأنها تواجه سحبًا.

ويوجد نوعان من السحب ـ السحب الاحتكاكي والسحب الشكلي، وتؤثر هاتان المقاومتان على جميع الأجسام المتحركة. كما يوجد نوع ثالث من السحب يطلق عليه السحب المحرِّض. وهو يؤثر فقط على الأجسام أثناء عملية الرفع. ويظل هناك نوع رابع من السحب يظهر فقط عندما تطير الطائرة بسرعة تفوق سرعة الصوت.

السحب الاحتكاكي يتولد مباشرة بين سطح الجسم وطبقة الهواء الرقيقة المتاخمة له ويطلق على طبقة الهواء تلك اسم الطبقة المتاخمة. ويحدث الاحتكاك في جميع الظروف عندما تنزلق طبقة من وسط مائع على طبقة أخرى منه. وتتحرك جزيئات الهواء في الطبقة المتاخمة لأي جسم بإحدى طريقتين: 1- مسارات منتظمة موازية للسطح، أو 2- مسارات غير منتظمة. ويطلق المهندسون على الحركة المنتظمة للجزيئات اسم الانسياب الطبقي، بينما يعرف السريان غير المنتظم باسم الدفق المضطرب. ويزيد الدفق المضطرب من السحب الاحتكاكي.

تكون الطبقة المتاخمة في صورة الانسياب الطبقي في مقدمة أي جسم متحرك. ويمكن أن يصبح انسياب الهواء في صورة دفق مضطرب عند بعض النقاط عندما يتحرك الهواء على طول الجسم. ويحاول مصممو الطائرات تأخير تغير السريان من حالة الانسياب الطبقي إلى الدفق المضطرب لأطول فترة ممكنة، وذلك لتخفيض السحب الاحتكاكي إلى أقل قدر ممكن، وإحدى الطرق المتبعة لذلك هي جعل السطح المتحرك أملس ناعمًا قدرالمستطاع.

السحب الشكلي ينتج عندما ينفصل الهواء المنساب عند مروره بجسم ما منتجًا دوَّامات هوائية. وهي تمتص طاقتها من الجسم مسببةً السحب الشكلي، وبهذا تقلل من سرعة الجسم المتحرك. ويحدث السحب الشكلي في الأجسام ذات الأشكال عديمة الخط الانسيابي. وعلى سبيل المثال، يشعر سائق سيارة تسير خلف شاحنة كبيرة تتحرك بسرعة شديدة أن سيارته تهتز بالدوامات الهوائية الناتجة عن الشاحنة غير ذات الخط الانسيابي.

يُخفض المهندسون من السحب الشكلي من خلال تصميم أجسام ذات خطوط انسيابية. كما يضعون مولدات الدوامات على أجنحة الطائرة. ومولدات الدوامات أسطح انسيابية رافعة تُلصق على هيئة صفوف طويلة أعلى الجناح الرئيسي. وتنتج مولدات الدوامات قدرًا قليلاً من الاضطراب أو التشويش في الطبقة المتاخمة التي تحفظها من الانفصال.

السحب المحرِّض ويُطلق عليه أيضًا اسم السحب الناتج. وينشأ السحب المحرض نتيجة الفرق بين الضغط أعلى الجناح وأسفله الناتج عن ميل الهواء للانسياب في اتجاه عكسي على طول الجناح. ويميل الهواء على طول السطح السفلي للجناح للاتجاه نحو الخارج، بينما يميل الهواء على السطح العلوي للجناح للاتجاه نحو الداخل. ويطلق مهندسو الطيران على هذه الحركة اسم الانسياب في اتجاه مستقيم. ويؤدي هذا الانسياب إلى تكوّن دُوامة هوائية خلف طرف كل جناح. ويحاول التدويم الهوائي في الدوامة دفع الطائرة للخلف وتسبب هذه الظاهرة خطورة على أية طائرة تحلّق بالقرب من مؤخرة هذه الطائرة.

يخفِّض مصصمو الطائرات مقدار السحب المحرَّض بالتحكم في أجنحة الطائرة. فهم يصممون الجناح بحيث يكون طويلاً وضيقًا، كما يمكن للمصممين أيضًا وضع شرائح من فلز ما على السطح العلوي للأجنحة لمنع الانسياب في الاتجاه المستقيم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:22 AM
الموجات الصدمية والفرقعات الصوتية

كيف يحدث الدوي الصوتي

الطائرة التي تطير بسرعة بطيئة تحدث اضطرابات في ضغط الهواء ، وهذه الاضطرابات تسير بسرعة الصوت، وهكذا تتحرك أمام الطائرة.


الطائرة التي تطير بسرعة الصوت أي بنفس سرعة الاضطرابات الهوائية التي تسببها، ينتج عنها تراكم تلك الاضطرابات في مقدمة الطائرة فتؤدي إلى حدوث موجه صدمية.


الطائرة التي تخترق حاجز سرعة الصوت تتسبب في إحداث موجه صدمية تصل إلى الأرض حيث يسمع الناس على الأرض دويًا صوتيًا حالما تصل إليهم تلك الموجة.


تولد الطائرة المتحركة اضطرابات في ضغط الهواء في المناطق التي تمر بها. وتنتج اضطرابات الضغط من سريان الهواء وانسيابه حول أجنحة الطائرة وجسم الطائرة (الهيكل). وتنتقل اضطرابات الضغط مبتعدة عن الطائرة تمامًا، كما تنتقل الموجات في البركة من موضع قذف حجر في الماء الساكن. وتنتقل اضطرابات الضغط بسرعة الصوت ـ أي بنحو 1,225كم/س عند مستوى سطح البحر. والصوت هو اضطرابات الضغط وتشويشه، ومن أنواع الأصوات الأخرى الناتجة عن اضطرابات الهواء الموجات الصدمية والفرقعات الصوتية (دوي اختراق حاجز الصوت).

تنتقل اضطرابات الضغط الناتجة عن تحليق الطائرة بسرعة أقل من سرعة الصوت بسرعة أعلى من سرعة الطائرة نفسها. ولهذا فإن صوت الطائرة في هذه الحالة يتقدم على الطائرة نفسها، ويسمع الناس على الأرض صوت الطائرة قبل رؤيتهم إياها. أما صوت الطائرة التي تطير بسرعة أسرع من سرعة الصوت فلايسمع صوتها على الأرض إلا بعد مرور الطائرة فوق هذا الموقع.

يستخدم المهندسون والطيارون الأعداد الماخيَّة لوصف سرعة الطائرات التي تطير بسرعة قريبة أو أعلى من سرعة الصوت. والطائرة التي تحلق بسرعة تعادل ضعفي سرعة الصوت يعني أنها تطير بسرعة ماخ 2. وتستخدم أعداد ماخ لأن سرعة الصوت في الهواء ليست مقدارًا ثابتًا على الدوام، حيث تعتمد سرعة الصوت على ارتفاع الطائرة ودرجة حرارة الهواء في الجو المحيط. ينتقل الصوت عند مستوى سطح البحر وعند درجة حرارة 15°م بسرعة تبلغ 1,190 كم/س. وتقل سرعة الصوت عند الارتفاعات العالية حيث تكون درجة الحرارة أقل من درجة الحرارة عند مستوى سطـح البـحر. وعلى سبيـل المثـال، ينـتـقل الصـوت عنـد ارتفاع 12,000م فوق سطح البحر بسرعة 1,060كم/س.

ويمكن الحصول على العدد الماخي بقسمة سرعة الطائرة على سرعة الصوت عند مستوى ارتفاع الطائرة. وعلى سبيل المثال، فإن العدد الماخي لطائرة تطير بسرعة 1,190 كم/س عند ارتفاع 12,000م هي 1,190 كم/س مقسومة على 1,060كم/س أو 1,12 ماخ. ويعرف الطيران بسرعة أعلى من ماخ واحد، وهي سرعة الصوت باسم الطيران فوق الصوتي. أما الطيران بسرعة أقل من ماخ واحد فيعرف باسم الطيران الأبطأ من الصوت.



الموجات الصدمية. هي اضطرابات الضغط الشديدة الناتجة عن طيران الطائرة بسرعة أعلى من سرعة الصوت. ولايمكن لاضطرابات الضغط أن تتحرك أمام الطائرة لأن الاضطرابات تنتقل بسرعة أبطأ من سرعة الطائرة. وتتراكم اضطرابات الضغط مكونة موجة صدمية، وتتداخل الموجات الصدمية بعضها ببعض في مقدمة الطائرة ومؤخرتها.

تزيد الموجات الصدمية من قوة السحب على الطائرة. وتُصمَّم الطائرات الأسرع من الصوت بمميزات تساعدها في تخفيض قوة السحب، وأهم سمات التصميم في هذه الطائرة أن تكون ذات مقدمة مدببة حادة، وحواف أجنحتها حادة ورقيقة مما يمكنها من اختراق الهواء بسهولة. ويمكن للأجنحة أن تأخذ زوايا في الاتجاه الخلفي من جسم الطائرة لتقليل قوة السحب بصورة أكبر. وتحتاج الطائرات الأسرع من الصوت إلى نفاثات قوية أو محركات صاروخية للتغلب على قوة السحب العالية الناتجة عن الموجات الصدمية



الفرقعة الصوتية. بعد طيران الطائرة الأسرع من الصوت على مكان ما، يسمع الناس في هذا المكان دويًا أو (فرقعة). وهذا الصوت المسمى بالفرقعة الصوتية يماثل صوت الانفجار. وتنتج الفرقعات الصوتية عن الموجات الصدمية من الطائرة. ويمكن سماع انفجارين صوتيين صادرين من الطائرة نفسها بفاصل دقيقة أو دقيقتين بين كل انفجار وآخر. وتولد الطائرة التي تطير بسرعة أعلى من سرعة الصوت في الأقل موجتين صدميتين إحداهما في مقدمة الطائرة والثانية في مؤخرتها. لكن يمكن أن تصل كلتا الموجتين في وقت متقارب بحيث يسمع دوي صوتي واحد.

يمكن أن تكون الفرقعات الصوتية قوية إلى درجة تؤدي إلى تحطيم زجاج النوافذ وتصدع المباني. وتعتمد قوتها على العدد الماخي لطيران الطائرة وارتفاعها وشكلها. وكلما زادت السرعة وانخفض مستوى الطيران زادت قوة الموجة الصدمية وارتفعت الفرقعة الصوتية



نبذة تاريخة

رواد علم الديناميكا الهوائية. يأتي في أول هذه القائمة الفنان والعالم الإيطالي ليوناردو دافينشي، ويعد أول إنسان درس حركة تحليق الطيور بأسلوب علمي. وقد رسم دافينشي في الثمانينيات من القرن الخامس عشر الميلادي رسومًا توضيحية تبين حركة الطيور أثناء طيرانها ورسومًا تخطيطية لآلات يمكنها الطيران.

وفي أواخر القرن السابع عشر الميلادي، قام العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن بوضع القانون الرابع من النظرية الأساسية لمقاومة الهواء. وقد شرح نيوتن في هذا القانون ماتفعله القُوى المؤثرة بين الجسم ووسط مائع مثل الهواء. ولاحظ عدم وجود أي فرق بين تحرك الجسم خلال الوسط المائع وحركة الوسط المائع حول الجسم.

ولم يبدأ الناس في استخدام قواعد الديناميكا الهوائية والاستفادة منها إلا في القرن التاسع عشر الميلادي؛ وذلك عند محاولة الإنسان الطيران مستخدمًا طائرة أثقل من الهواء. وفي عام 1853م، تمكن السير جورج كايلي في إنجلترا من بناء أول طائرة شراعية، وقد حملت هذه الطائرة سائق عربة السير كايلي الذي ركبها مضطرًا ليعبر واديًا صغيرًا. وقد أصبح أوتو ليلينتال، وهو مهندس ألماني، أول من قاد طائرة شراعية بالفعل، وكان ذلك عام 1891م. وفي عام 1891م أيضًا نشر العالم الأمريكي صمويل لانجلي أول ورقة بحث علمي عن علم الديناميكا الهوائية بعنوان تجارب في الديناميكا الهوائية. وقد بنى نموذج طائرة تُدفع بالبخار، نجحت في الطيران فعلاً، ولكن عند تطبيق قواعد النموذج الصغير نفسها على طائرة بمقياس كبير تعمل بقوة النفط تحطمت. وكانت محاولات لانجلي قبل فترة قليلة من نجاح الأخوين رايت في الطيران مستخدمين نموذجًا للطائرة المروحية عام 1903م. وقد استخدم الأخوان رايت معدات مثل الأنفاق الهوائية ونظم موازين مختلفة لتقدير قوتي الرفع والسحب. انظر: الأخوان رايت.

وفي بداية القرن العشرين، طور المهندس الألماني لودفيج براندتل نظرية الطبقة المتاخمة للسحب، كما أسهم في فهمنا لقوة الرفع.



علم الديناميكا الهوائية حاليًا. أظهر استخدام الطائرات في الحرب العالمية الأولى في الفترة من 1914م - 1918م، وكذلك في الحرب العالمية الثانية في الفترة من 1939م - 1945م الحاجة إلى أبحاث متقدمة وعديدة في مجال علم الديناميكا الهوائية. وبعد تطوير الطائرات النفاثة في الأربعينيات من القرن العشرين، بدأ المهندسون بدراسة الطيران الأسرع من الصوت. وقد شهد عام 1947م أول طائرة تطير بسرعة أسرع من الصوت مستخدمة في ذلك قوة الدفع الصاروخية.

وفي الخمسينيات من القرن العشرين، طور مصممو الطائرات مقدمات الطائرات لتصبح حادة كالسكين والأجنحة ذات الامتداد التراجعي، وكل ذلك لتخفيض قوة السحب. وفي بداية الستينيات من القرن الحالي توصل المهندسون إلى أجنحة ذات امتداد تراجعي يمكنها الطيران المستقيم والمستوي. ومكّنت الأجنحة متغيرة الاتجاه من الطيران بسرعات عالية، كما وفَّرت الأمان ويسَّرت الهبوط بسرعات منخفضة. وفي بداية السبعينيات من القرن العشرين عملت كل من فرنسا وبريطانيا معًا، والاتحاد السوفييتي (السابق) منفردًا، وتمكنت هذه الدول من بناء الطائرات الأسرع من الصوت.

بدأت الولايات المتحدة الأمريكية في الثمانينيات من القرن العشرين الميلادي اختبارات على الطائرة إكس ـ 29 المجهزة بأجنحة ذات امتداد تقدمي. وكان من المتوقع أن يعطي التصميم ثباتًا أكبر للطائرة وقدرة أفضل للمناورة، وخاصة عند زوايا الهبوب العالية. وفي عام 1986م، بدأت الولايات المتحدة الأمريكية برنامج أبحاث عن طائرة الفضاء الخارجي، ويهدف هذا البرنامج إلى بناء طائرة يمكنها الإقلاع من مطار عادي، وتطير بسرعة أعلى من سرعة الصوت مرات عديدة (ماخ 5 أو أعلى) إلى المدار الأرضي ثم تعود إلى الأرض لتهبط في المطار نفسه.

على الرغم من تقدم علم الديناميكا الهوائية وازدهاره، إلا أنه مازال هناك عدد من المشكلات الخاصة بالديناميكا الهوائية التي لم تحلّ حتى الآن. وتشمل هذه الصعوبات: 1- تصميمات جديدة بصورة أفضل للطائرات فائقة السرعة تقل فيها انفجارات جدار الصوت 2- تطوير طائرات ذات مقاومـــة سحب منخفضـــة لأسباب اقتصاديـــة بالطيران 3ـ تحسين تصميم المحركات النفاثة لتخفيض الضوضاء الناتجة عن الطائرات

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:24 AM
الأشعة الكونية



الأشعة الكونية جسيماتٌ عالية الطاقة، منشؤها الفضاء الخارجي. ويعتقد العلماء أن هذه الأشعة تملأ درب اللبّانة (اسم المجرة التي ننتمي إليها وتسمى أيضًا درب التّبانة)، وكذا المَجَرات الأخرى. وتتكون الأشعة الكونية من جسيمات تحت ذرية تحمل شحنة كهربائية، تمامًا مثل البروتونات والإلكترونات ونوى الذرات. وتتحرك هذه الجسيمات في الفضاء الخارجيّ بما يقارب سرعة الضوء ومقدارها 299,792كم/ث.

يقيس الفيزيائيون طاقة الأشعة الكونية بوحدات تُسمًّى إلكترونفولت (إف). وتتراوح طاقة معظم الأشعة الكونية بين بضعة ملايين إلكترونفولت (ماف) وبضعة بلايين إلكترونفولت (جاف).

والواقع أنَّ بليون إلكترونفولت تضيء مصباح بطارية لمدة جزء من مائة مليون جزءٍ من الثانية تقريبًا. إلا أنَّ بروتون أشعة كونية له هذه الطاقة، يستطيع أن يخترق صفيحةً من الحديد سمكها نحو 60سم.

تنشأ الأشعة الكونية من مصادر عديدة في الفضاء. ويعتقد العلماء أنَّ النجوم المنفجرة المسماة السوبرنوفا، والنجوم عالية الكثافة المسماة المنبضات، تنتج كمياتٍ كبيرةً من الأشعة الكونية.كما أن بعض الأشعة الكونية تنتجها الشمس. لكنَّ الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية جدًّا هي فقط التي تستطيع اختراق الغلاف الجويّ للأرض، وأقل من واحد في المليون من الأشعة المُخْتَرقة هو الذي يصل إلى سطح الأرض دون أن يصطدم بذرة في الهواء. وتؤدي هذه التصادمات إلى تحطيم كلٍّ من الشعاع الكونيّ والذرة، مولدًا فيضًا من الجسيمات تحت الذرية ذات الطاقة العالية. تصل بعض هذه الجسيمات بالفعل إلى سطح الأرض، بل إن منها ما يخترق الأرض إلى عمقٍ كبير. يطلق على الأشعة الكونية التي تتولد في الفضاء الخارجي اسم الأشعة الكونية الأولية، بينما يُطلق على الفيض المتولِّد في الغلاف الجويّ اسم الأشعة الكونية الثانوية.

ويهتم العلماء بدراسة الأشعة الكونية، لأنها تمدُّنا بعينة من مادة انتقلت عبر الفضاء لملايين من السنين الضوئية. والسنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنةٍ واحدة، وهي تقريبًا 9,46 تريليون كم. ولقد أتاحت أبحاث الأشعة الكونية للعلماء أن يعرفوا الكثير عن الظروف الفيزيائية في المناطق البعيدة عن المجموعة الشمسية.



الأشعة الكونية الأولية
وتسمى أيضًا الأوليات. وهناك نوعان من الأوليات هما المجرية والشمسية.


الأشعة الكونية المجرِّية. وتأتي هذه الأشعة من خارج المجموعة الشمسية، وهي تُشِّكل معظم الأوليَّات. في أثناء فترات خمول الشمس، يسقط في المتوسط شعاعٌ كونيُّ مجرِّيُّ واحد على كل سنتيمتر مربع من السطح الخارجيّ للغلاف الجويّ في الثانية.

تتكوَّن الأشعة الكونية المجرية من نوى الذرات بنسبة 98%، والنسبة الباقية وهي 2% مكونة من إلكترونات وبوزيترونات، وهي إلكترونات تحمل شحنة موجبة. أما النوى، فمنها البروتونات (نوى الهيدروجين) بنسبة 87% تقريبًا، ومنها نوى الهيليوم بنسبة 12%، والباقي هي نوى كل العناصر الأثقل من الهيليوم.

يعتقد الفيزيائيون أنَّ معظم الأشعة الكونية اكتسبت طاقتها العالية نتيجة لتسارعها بسبب موجاتٍ صدميةٍ صادرة عن السوبرونوفا (فائق الاستعار) أو بسبب وجود مجالات مغنطيسية قوية حول النابضات. ويمكن أيضًا للأشعة الكونية المَجَريَّة أن تكتسب طاقةً نتيجةً لتصادماتها مع تصدعاتٍ متحركة في المجالات المغنطيسية الواقعة في الفضاء البيني للنجوم. ويمكن تصوير المجال المغنطيسي على أنه مجموعة خطوط تخيلية للقوة المغنطيسية تمتد في الفراغ حيث تستطيع الجسيمات أن تتحرك بيسر على خطوط المجال مثلما تتحرك حُبَيبات مسبحة على خيطها، إلا أنَّ الجسيمات تقابل صعوبةً في الانتقال عبر الخطوط. وعندما يتحرك أحد خطوط المجال، تتحول بعض الطاقة الناشئة عن حركته إلى الجسيمات المتحركة عليه.

ومتى تسارعت الأشعة الكونية المجريَّة في مجرتنا، فإنها تظلُّ في المتوسط لمدة عشرة ملايين سنة تنتقل عشوائيَّا في المجالات المغنطيسية للمجرة، ومصيرها في النهاية إمَّا الهروب من المجرة، أو فُقدان سرعتها نتيجةً لتصادمها مع مادة الفراغ البيني للنجوم.

تعمل الرياح الشمسية على منع بعض الأشعة الكونية المجريِّة من دخول المجموعة الشمسية، وتتكون هذه الرياح من ذرات مشحونة كهربائيًّا تنطلق خارجة من الشمس إلى المجموعة الشمسية. يُصاحب الرياح الشمسية مجالٌ مغنطيسيٌّ يمنع كثيرًا من الأشعة الكونية المجريَّة من دخول المجموعة الشمسية. ويصدق هذا، على وجه الخصوص، في فترات النشاط المتزايد على سطح الشمس. ومن ثم، يقلُّ تركيز الأشعة الكونية المجرية بالقرب من الأرض كلما زاد النشاط الشمسيّ، وهذا ما يحدث دوريَّا كل إحدى عشرة سنة فيما يُسمَّى دورة الكلف الشمسي



الأشعة الكونية الشمسية. وتصدر عن الشمس أثناء التوهج الشمسيّ. والتوهج الشمسيّ هو فورانٌ على سطح الشمس له مظهر خلاَّب، ويحدث على وجه الخصوص أثناء فترات النشاط العالي في دورة الكلف الشمسيّ. وتكون طاقة الجسيمات المُطْلقة في هذه التوهُّجات في حدود بضع مافات (mev) إلا أنَّ طاقة الجسيمات المطلقة في توهجات كبيرة قد تصل إلى بضع جافات(gev). وأكثر الأشعة الشمسية هي البروتونات، ذلك أنَّ بعضها يتكون من النوى الثقيلة، ويتكوَّن بعضها من الإلكترونات



جسيمات أخرى ذرية (ذات طاقة عالية) في الفضاء. تصل طاقة بعض الجسيمات المسرَّعة في الغلاف المغنطيسي للأرض إلى بضع مافات. والغلاف المغنطيسي هو منطقة الفضاء التي يشغلها المجال المغنطيسيّ للكوكب. ولكلٍّ من كواكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتونْ غلافٌ مغنطيسي تتسارع فيه الجسيمات لطاقة تبلغ عدة مافات، لكن معظم الجسيمات تظل أسيرة الغلاف المغنطيسي للكوكب مكونةً أحزمة من الإشعاع حوله.

كذلك تعمل الموجات الصدمية من الرياح الشمسية على تسارع الجسيمات إلى بضع مافات. تتولد هذه الموجات الصدمية من التوهج الشمسيّ أو من التيارات السريعة في الرياح الشمسية التي تسلك سلوك العاصفات والنفاثات.



الأشعة الكونية الثانوية
الأشعة الكونية الثانوية، أو الثانويَّات، تنتج عن تصادم الأشعة الكونية الأولية بالنّوى الذرية الموجودة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض.

ينشأ عن هذه التصادمات تفتُّت الأوليَّات وتحوُّل جزء من طاقتها إلى جسيمات تحت ذرية. يتصادم عددٌ من الجسيمات الجديدة بالنّوى الأخرى في الغلاف الجويّ منتجةً المزيد من الجسيمات. وتنتج مثل هذه التصادمات المتتالية فيضًا من الثانويات التي تحتوي على كافة أنواع الجسيمات تحت الذرية. وهذه الأشعة الكونية الثانوية توجد بدءًا من أعلى طبقات الجو، وحتى أعمق المناجم في الأرض.

يعمل الغلاف الجويّ على إبطاء الثانويات، وعلى ذلك فلا يصل إلى الأرض إلا نسبة صغيرة. في المتوسط، يصل جسيم واحد إلى كل سنتيمتر مربع من سطح الأرض في الدقيقة. ومعظم هذه الجسيمات جسيمات تحت ذرية تُسَمَّى ميونات.

يؤثر المجال المغنطيسيّ للأرض على كثافة الثانويات في الغلاف الجويّ. وخطوط هذا المجال منحنيات من القطب المغنطيسيّ الشماليّ إلى القطب المغنطيسي الجنوبي ولا يستطيع اختراق المجال المغنطيسيّ بالقرب من خط الاستواء إلا الأوليّات ذات الطاقات العالية جدًّا؛ وذلك لأنها تُضطر هناك إلى عبور خطوط المجال. أما عند القطبين، فحتى الأوليات ذات الطاقة المنخفضة تستطيع أن تتحرك على خطوط المجال وتخترق الغلاف الجويّ. وعلى ذلك، فإنَّ كثافة الثانويات تكون أقل ما يمكن عند خط الاستواء، وتتزايد كلما اتجهنا نحو القطبين.



تأثير الأشعة الكونية
مستوى الإشعاع الناتج عن الأشعة الكونية على الأرض أقل بكثير من أن يسبِّب أضرارًا للكائنات الحية. يقيس العلماء جرعة الإشعاع بوحدة تُسَمَّى الراد، وتعتبر الجرعة طويلة المدى التي تزيد على بضعة رادات في السنة غير مأمونة. أما عند مستوى سطح البحر، فإنَّ الجرعة الناتجة عن الأشعة الكونية المجرية تقل عن عشرة رادات في السنة. على أن مستوى الإشعاع في الأحزمة الإشعاعية للأرض يمكن أن يشكِّل خطورةً على رجال الفضاء، كما أنه يضرُّ بالأجهزة. كذلك يحدث إشعاعٌ نتيجة تهيج شمسي شديد في أيّ مكان خارج الغلاف الجويّ. لذلك، يلزم تهيئة سفن الفضاء التي يحتمل تعرضها لمثل هذا الإشعاع بدروع تقيها منه. وتحاول مركبات الفضاء الحاملة للبشر أن تتجنب أحزمة الإشعاع وكذا حالات التوهج الشمسي الشديد.

لقد تعرضت بعض مركبات الفضاء لمشاكل نتيجة لتأثير الأشعة الكونية المجرية على الدوائر الإلكترونية للمركبة. ويستطيع شعاعٌ كونيُّ منفرد نجح في اختراق قطعة صغيرة من دائرة أن يُغيِّر المعلومات المحفوظة على هذه القطعة. ويكاد يكون من المستحيل إيجاد حماية ضد الأشعة الكونية المجرية نظرًا لطاقتها العالية، ولذلك فقد اضطر العلماء والمهندسون إلى تطوير مكوِّنات للدوائر أقل حساسية لتأثيرات الأشعة الكونية.

يأتي أحد التأثيرات المفيدة للأشعة الكونية من تفاعل الثانويات مع نوى النيتروجين في الغلاف الجويّ للأرض. هذا التفاعل يُنتج نوعًا مشعًّا من الكربون يُسمَّى الكربون الإشعاعي. وتقوم الكائنات الحيَّة، باستمرار، بإدماج الكربون، بما في ذلك الكربون الإشعاعيّ، في خلاياها. ونظرًا لأن الكربون الإشعاعي يتحلل بمعدل ثابت، فإن القدر المتبقي منه في المادة الحية يدل العلماء على عمر هذه المادة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:25 AM
أبحاث الأشعة الكونية


الدراسات الأولى. استعمل العلماء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي أجهزة تُسمَّى المناظير الإلكترونية (الكشافات الكهربائية) في دراسة النشاط الإشعاعيّ. وحتى عندما دُرِّعت الأجهزة ضد أكثر الأشعة قوةً، فإنها ظلَّت تسجل وجود نوعٍ مجهولٍ من الإشعاع النافذ. وفي عام 1912م، قام الفيزيائيّ النمساوي فيكتور هِسّ بحمل منظار إلكترونيّ على منطاد، فلاحظ أنَّ الإشعاع يتزايد مع الارتفاع. ومن ذلك، استنتج هس أنه لا بد أن يكون مصدر الإشعاع في الغلاف الجوي أو فيما وراءه. ولقد حصل هس على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936م لاكتشافه الأشعة الكونية.

ظنَّ الفيزيائيون في البداية أنَّ الأشعة الكونية هي أشعة جاما
وفي أواخر العشرينيات من القرن العشرين، اكتشف العلماء أنَّ الأشعة الكونية تتأثر بالمجالات المغنطيسية بخلاف أشعة جاما وقد أوضح هذا التأثر أن الأشعة يجب أن تكون جسيمات مشحونة. وفي أواخر الأربعينيات، أوضحت الدراسة الضوئية للأشعة الكونية أنَّ الأوليَّات تتكون أساسًا من نوى الهيدروجين ونوى الهيليوم. وفي خلال الخمسينيات، درس الفيزيائيون تأثيرات الشمس على الأشعة الكونية. وفي عام 1961م، لاحظ هؤلاء الفيزيائيون لأول مرة وجود إلكترونات بين الأوليَّات. ومنذ الستينيات، فإنَّ سفن الفضاء قد مكَّنت العلماء من دراسة الأوليَّات خارج الغلاف الجوي وخارج المجال المغنطيسيّ للأرض



الأبحاث الراهنة. تتضمن الكثير من بحوث الأشعة الكونية المعاصرة الطبيعة الفيزيائية للنجوم والأجسام الأخرى في المجرات. وإذا ثبت ما يعتقده العلماء من أنَّ الأشعة الكونية تتسارع بفعل السوبرنوفا (فائق الاستعار) والنابضات، فإنه يمكن القول بأن هذه الجسيمات تمثل عيِّناتٍ من المادة الموجودة بالقرب من هذه الأجرام. وكذلك فإن دراسة مثل هذه الأشعة الكونية تساعد العلماء في التعرف على العمليات النووية التي تتم عندما ينفجر نجم سوبرنوفا وعلى الظروف بالقرب من أي نابض. وكذلك، فإنَّ أبحاث الأشعة الكونية تكشف عن الدلائل حول تركيب وتوزيع المادة والمجالات المغنطيسية التي تمر بها الأوليات في الفضاء البيني للنجوم.

ويجري حاليًّا تصميم أجهزة جديدة لإمدادنا بمعلومات أكثر تفصيلاً عن أصل الأشعة الكونية وتسارعها والمدى الذي تصل إليه. وسوف تمكننا هذه الأجهزة أيضًا من الفحص الأدق للتركيب النووي للأوليات المنخفضة الطاقة.

في الماضي كانت الأشعة الكونية الثانوية هي المصدر الوحيد للجسيمات تحت الذرية المستخدمة في الأبحاث. إلا أنَّ الفيزيائيين اكتشفوا خلال الفترة من الثلاثينيات إلى الخمسينيات من القرن العشرين كثيرًا من الجسيمات تحت الذرية بين الثانويات. ويستخدم الفيزيائيون حاليًّا أجهزة تُسمَّى مُعجلات الجسيمات في معظم أبحاث الجسيمات. غير أن دراسة الأشعة الكونية قد تكشف أنواعًا جديدة من جسيمات تحت ذرية توجد فقط عند طاقات أعلى بكثير من تلك التي يمكن للمُعجلات تحقيقها.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:26 AM
الموجات الكهرومغنطيسية



الطيف الكهرومغنطيسي
الموجات الكهرومغنطيسية أنماط مرتبطة من القوى الكهربائية والمغنطيسية. تتولد هذه الموجات نتيجة لتذبذب الشحنات الكهربائية وحركتها للأمام وللخلف. وهي تنتقل خلال الفضاء بسرعة الضوء وهي 299,792كم في الثانية. وأبسط الموجات الكهرومغنطيسية هي الموجات المستوية التي تنتقل عبر الفضاء في خطوط مستقيمة. وتتغير شدة الموجة في الفضاء وعبر الزمن بقمم وقيعان متناوبة. وتُسمى المسافة من قمة إلى قمة بالطول الموجي.



الطيف الكهرومغنطيسي يتكون من نطاقات من الأطوال الموجية المختلفة. وأهم أنواع الموجات الكهرومغنطيسية مرتبة ترتيبًا تصاعديًا حسب الطول الموجي هي أشعة جاما، فالأشعة السينية، فالضوء فوق البنفسجي، فالضوء المرئي فالأشعة تحت الحمراء، فالموجات المتناهية الصغر، ثم موجات الراديو. ويبلغ طول أشعة جاما حوالي10-11 م بينما يبلغ طول بعض موجات الراديو الطويلة أكثر من 10,000كم.

ولكل أنواع الموجات الكهرومغنطيسية خواص الضوء المرئي. فهي تنعكس وتنتشر وتنكسر. ويكون اتجاه المغنطيسية في كل الموجات الكهرومغنطيسية عموديًا على اتجاه حركتها، بينما يكون اتجاه القوة الكهربائية عموديًا على اتجاه القوة المغنطيسية واتجاه حركة الموجات. وتساوي شدة القوة المغنطيسية دائمًا شدة القوة الكهربائية.



استخدامات الموجات الكهرومغنطيسية. يستخدم الأطباء أشعة جاما، التي يشعها الراديوم، في علاج السرطان. ويستخدمون كذلك الأشعة السينية لعلاج السرطان، كما يستخدمونها في تحديد مكان الاضطرابات الداخلية وتشخيصها. وتُستخدم الأشعة فوق البنفسجية في المصابيح الشمسية، وفي المصابيح الفلورية، وكمطهر. أما الموجات تحت الحمراء، التي تنبعث من الأجسام الساخنة، فتُستخدم في علاج الأمراض الجلدية، وصقل المينا. وتستخدم موجات المايكروويف؛ أي الموجات المتناهية الصغر، لطهو الطعام، بينما تُستخدم موجات الراديو في الإذاعة المسموعة والمرئية.

ويعتمد الاستخدام التقني للموجات الكهرومغطيسية على السهولة التي يمكن بها التعرف على الأطوال الموجية المختلفة وإنتاجها. ويرتبط الطول الموجي بمعدل اهتزاز الإلكترونات في مصدر الطاقة، فكلما كان الاهتزاز أبطأ ازداد الطول الموجي. وأسهل الموجات إنتاجًا هي الموجات الطويلة. وقد بدأ استخدام موجات الراديو في الاتصالات في أوائل القرن العشرين، ولم يحدث استغلال فعّال للموجات القصيرة إلا بعد تطوير بعض النبائط كالكلايسترون وهو نوع من أنواع صمامات الموجات الدقيقة

وقد أدى تطوير الليزر في أوائل الستينات من القرن العشرين إلى استخدامات جديدة للموجات القصيرة. فعلى سبيل المثال، يمكن الليزر الأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء من نقل الرسائل الصوتية والإشارات التلفازية.



نبذة تاريخية. في عام 1864م توقع العالم الفيزيائي البريطاني كلارك ماكسويل وجود الموجات الكهرومغنطيسية. افترض ماكسويل أن المجالين المغنطيسي والكهربائي يعملان سويًا على إنتاج طاقة إشعاعية. وعرف الضوء على أنه أحد أنواع الموجات الكهرومغنطيسية كما توقع وجود موجات غير مرئية.

وفي عام 1887م أكد عالم الفيزياء الألماني هينريتش هرتز ما توقعه ماكسويل. فقد بيّن أن تذبذب شحنة كهربائية تنتج عنه موجات كهرومغنطيسية أطول بكثير من موجات الضوء المرئي. وقد قاد اكتشاف هرتز هذا إلى تطوير المذياع والتلفاز.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:28 AM
الدائرة الكهربائية



الدائرة الكهربائية المسار الذي يتبعه تيار كهربائي، حيث لابد للكهرباء من السريان في دائرة كهربائية لتعطي قدرة كهربائية. وتحتوي كل نبيطة كهربائية على دائرة كهربائية واحدة على الأقل.

تشتمل الدائرة الكهربائية على ثلاثة أجزاء رئيسية: 1- مصدر للطاقة الكهربائية كبطارية أو مولد، 2- نبيطة خرج كمحرك أو مصباح، 3- توصيلة بين المصدر ونبيطة الخرج كسلك أو كبل.

يقوم المصدر بتغيير نوع من الطاقة غير الكهربائية إلى طاقة كهربائية؛ فعلى سبيل المثال يقوم المولد الكهربائي بتغيير الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ويقوم المصدر الكهربائي بإنتاج قوة دافعة كهربائية (ق د ك) تسبب سريان تيار كهربائي في الدائرة. تُقاس القوة الدافعة الكهربائية بوحدات تسمى فولت، ويُقاس التيار المار الناتج عنها بوحدات تُسمى أمبير. توصل الكهرباء إلى المنازل في كثير من الأقطار عند فرق جهد 220 أو 240 فولت، ولكن فرق الجهد المقنن في الولايات المتحدة الأمريكية، وكندا، وبعض البلدان الأخرى هو 110 أو 120 فولت. ولا يعتبر الخرج الكهربي نفسه مصدرًا، بل تقوم خطوط النقل بتوصيله إلى مولد في محطة لتوليد القدرة الكهربائية التي ُتعد المصدر.

تقوم نبيطة الخرج باستخدام الطاقة الكهربائية التي تأتي من المصدر لعمل شيء مفيد، فالمصباح يمدنا بالضوء وينتج المحرك الكهربائي حركة ميكانيكية تُشغل مكنسة كهربائية على سبيل المثال. ولابد من توصيل المصدر بنبيطة الخرج حتى يتسنى للتيار الكهربائي أن ينساب من المصدر إلى النبيطة وبالعكس، ويُعتبر مسار العودة ضروريًا حتى لا تتجمع شحنات كهربائية عند أي نقطة في الدائرة، حيث أن أي تجمع للشحنات من شأنه أن يعوق سريان التيار، ويمنع الدائرة من تأدية وظيفتها.

يمكن إضافة نبائط مختلفة إلى دائرة كهربائية للتحكم في التيار المار فيها. فقد تحتوي دائرة مصباح كهربائي مثلاً على مفتاح كهربائي لتوصيل المصباح أو فصله بسهولة. فعندما يكون المفتاح في وضع الفصل تقوم الفجوة التي تفصل الأسلاك الموصلة بمنع التيار من إتمام مساره. وتسمى الدائرة التي تحتوي على هذه الفجوة بالدائرة المفتوحة. أما الدائرة التي لا تحتوي على فجوة فتسمى الدائرة المغلقة.

تُجهَّز بعض الدوائر الكهربائية بما في ذلك تلك المستخدمة في المنازل بصمام كهربائي (صهيرة) أو قاطع الدائرة الكهربائية. وتعمل كل واحد من هاتين النبيطتين عمل المفتاح فتفتح الدائرة إذا مر بها تيار بالغ القوة. فمرور تيار زائد عن الحد يؤدي إلى زيادة تسخين الأسلاك، وقد يتسبب ذلك في إشعال حرائق أو إتلاف نبائط الخرج. وقد تكون الدائرة الكهربائية بسيطة التكوين أو معقدة. فالدائرة البسيطة المستخدمة في المشاعل الكهربائية والمصابيح قد تحتوي فقط على الأجزاء الثلاثة الرئيسية للدائرة. أما الدائرة المعقدة، كتلك التي تُستخدم في الحواسيب، وأجهزة التلفاز، فتحتوي على مئات الأجزاء، بل ربما على الآلاف منها. ومهما تعددت أجزاء الدائرة الكهربائية فإن جميع الدوائر، عدا أبسطها، يُمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع: 1- دوائر توال، 2- دوائر تواز، 3- دوائر مركبة تتكون من كل من النوعين السابقين.



دوائر التوالي. تُستخدم هذه الدوائر مسارًا منفردًا لتوصيل المصدر أو المصادر الكهربائية إلى نبيطة أو نبائط الخرج. فإذا رسمت دائرة توال على الورق، فإن أي خط يبدأ عند أي جزء من الدائرة يمر خلال كل الأجزاء الأخرى مرة واحدة قبل أن يعود إلى نقطة البدء. ففي الدائرة المستخدمة في مشعل كهربائي ذي بطاريتين على سبيل المثال يوصل الطرف الموجب للبطارية الأولى بالطرف السالب للبطارية الثانية، ويلمس الطرف الموجب للبطارية الثانية الطرف الأوسط من مؤشر المشعل. فإذا أُغلق المفتاح الكهربائي فإن الطرف الخارجي للمؤشر سوف يتصل بالطرف السالب للبطارية الأولى مكملاً بذلك مسار الدائرة فيضيء المشعل.

توجد دوائر التوالي أساسًا في المشاعل الكهربائية وبعض أنواع أضواء الزينة، وفي بعض التجهيزات البسيطة الأخرى.

ولهذه الدوائر استخدامات محددة لأن أي تغير في أحد أجزاء الدائرة يؤثر على كل أجزائها الأخرى. فإذا احترق المؤشر في دائرة توال فستنطفئ كل المصابيح الأخرى، لأن المؤشر عندما يحترق فإنه يفتح الدائرة.

وفرق الجهد الناتج عن مجموعة من المصادر المتصلة على التوالي هو مجموع فروق جهد كل هذه المصادر. ولكن نفس التيار ينساب خلال كل مصدر وخلال نبيطة الخرج أيضًا. فعلى سبيل المثال تقوم كل بطارية من بطاريات المشعل الكهربائي وحدها بإمداد المشعل بفرق جهد مقداره فولت واحد ونصف، وتمده البطاريتان معًا بثلاثة فولتات بينما يمر نفس التيار بكل بطارية بالمؤشر. وتوصل المصادر الكهربية على التوالي للحصول منها على فرق جهد أعلى من ذلك الذي يستطيع مصدر كهربائي واحد إمداده.



دوائر التوازي. تقدم هذه الدوائر أكثر من مسار للتيار، فبعد أن يتحرك التيار من مصدر معين يتبع مسارين أو أكثر قبل عودته إلى المصدر. فإذا ما وصل مؤشر مشعلين كهربائيين متماثلين على التوازي، فإن التيار يسري من البطارية خلال كل مصباح على حدة ثم يعود إلى البطارية. ويمكن استبعاد أي من هذين المؤشرين من الدائرة دون قطع دائرة المؤشر الأخرى.

توفر دوائر التوازي نفس فرق الجهد لكل مصدر، وكل نبيطة خرج في الدائرة. فإذا ما وصلت بطاريتان لكل منهما فرق جهد مقداره فولت واحد ونصف على التوازي فإن فرق الجهد المحصل لهما هو أيضًا فولت واحد ونصف. توصل المصادر الكهربية على التوازي لإنتاج تيار أكبر من ذلك الذي يستطيع مصدر واحد إمداده، ولكن لا توصل على التوازي إلا المصادر متساوية فرق الجهد، وإلا فإن تيارًا قد ينساب من مصدر إلى آخر مسببًا فقدًا في القدرة الكهربائية.

توصل جميع الأنوار والأجهزة المنزلية على التوازي، لأن دوائر التوازي تسمح لجميع هذه النبائط بالعمل بنفس فرق الجهد، كما لا يتغير فرق الجهد بإضافة معدّة أو باستبعاد أخرى. ومع ذلك فقد يزداد أو يقل التيار الكلي المار عبر الصمام الكهربائي أو قاطع الدائرة، إذ يساوي هذا التيار مجموع التيارات المارة بكل عنصر متصل على التوازي.



رياضيات الدوائر. يستخدم الكهربائيون والمهندسون صيغًا رياضية متعددة لحساب التيار وفرق الجهد في كل جزء من أجزاء دائرة كهربائية. وأهم هذه الصيغ هو قانون أوم وقانوني كيرتشوف. وقد تم اكتشاف هذه القوانين بوساطة عالمين ألمانيين هما جورج. أوم وجوستاف. كيرتشوف.

يربط قانون أوم بين فرق الجهد والتيار في الدائرة ومقاومة الدائرة. تضاد المقاومة سريان الكهرباء، وتستهلك قدرة كهربائية من الدائرة بتغيير الطاقة الكهربائية إلى حرارة. ويقيس الكهربائيون المقاومة بوحدات تسمى أوم. ويُعبر عن قانون أوم بالمعادلة ق= ت م. ينص هذا القانون على أن فرق الجهد ق يساوي حاصل ضرب التيار ت في المقاومة م التي يمر خلالها التيار. فإذا مر تيار مقداره ثلاثة أمبيرات مثلاً في مقاومة مقدارها أربعة أوم فإن فرق الجهد هو 3 × 4 = 12 فولتًا.

والمقاومة الكلية في دائرة توال تساوي مجموع مقاومات كل النبائط في الدائرة. وعلى هذا تؤدي إضافة نبائط إلى دائرة توال إلى زيادة المقاومة الكلية للدائرة ويقلل ذلك من التيار المار. بينما تؤدي إضافة نبائط إلى دائرة تواز إلى تقديم مسارات جديدة للتيار مما يُسبب نقصًا في المقاومة الكلية للدائرة.

ينص قانون كيرتشوف الأول على أن مجموع التيارات الداخلة إلى أي نقطة في دائرة مقاومات يساوي مجموع التيارات الخارجة من هذه النقطة. وقد بُني هذا القانون على مبدأ عدم قدرة الشحنات الكهربائية على التجمع عند أي نقطة في دائرة مغلقة.

أما قانون كيرتشوف الثاني فينص على أن مجموع التغير في فروق الجهد حول أي دائرة كهربائية يساوي صفرًا. وبتعبير آخر فإن فرق الجهد يزداد عبر المصادر بنفس القيمة التي ينخفض بها عبر نبائط الخرج. فإذا بدأنا مثلاً عند قاعدة إحدى بطاريتي مشعل كهربائي، فإن القوة الدافعة الكهربائية ترتفع خلال كل بطارية بمقدار واحد ونصف لكل بطارية، وبالتالي تصبح الزيادة الكلية ثلاثة فولتات. ويكون مقدار الهبوط في فرق الجهد ثلاثة فولتات تسري خلال المصباح.



قنطرة وينستون



قنطرة ويتستون نوع من الدوائر الكهربائية، تستخدم للكشف عن مقاومة مجهولة للتيار الكهربائي

وهي تتكون من أربع مقاومات على شكل الماسة، اثنتان منها تمثلان مقاومتين معلومتين، وتلتقيان في شكل زاوية لتشكِّلا النصف الأعلى للماسة. أما في النصف الأسفل فيلتقي مقاوم يمثل مقاومة مجهولة مع مقاوم متغير يمكن ضبطه إلى مقاومة معلومة. وبعد ذلك يوصل الركنان العلوي والسفلي للماسة بنبيطة تسمى مقياس جلفاني ـ وهو جهاز يقيس التيار ـ لربط جزئي الدائرة الكهربائية، بينما يوصل الركنان الآخران ببطارية تَبُث تيارًا كهربائيًا عبر المقاومات، ويتم بعد ذلك ضبط المقاومة المتغيرة حتى يتساوى جهدا التيار على الركنين العلوي والسفلي للدائرة الكهربائية. وفي هذه المرحلة لا يشير المقياس الجلفاني إلى مرور أيِّ تيار، ويُعرف ذلك بتوازن التيار.

ويُمْكنُ تحديدُ المقاومة المجهولة باستخدام المعادلة التالية: مس = ( م ¢/م &iexcl; ) مت

حيث يمثل مس ـ المقاومة المجهولة.

م &iexcl;، م ¢ ـ المقاومتان المعلومتان.

مت ـ المقاومة المتغيرة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:30 AM
المقياس الجلفاني



المقياس الجلفاني أداة حساسة تستخدم بشكل رئيسي للكشف عن التيارات الكهربائية الصغيرة، وقياسها. وتعمل معظم هذه المقاييس على أساس المبدأ الذي يقول بأن التيار الكهربائي المار عبر الأسلاك مع وجود حقل مغنطيسي ينتج قوة على السلك.

وللمقياس الجلفاني النموذجي تدريج يكون الصفر في مركزه، وفواصل رقمية منتظمة على كلا الجانبين. وله مؤشر كالإبرة أو شعاع من الضوء. ويبقى المؤشر على الصفر، ما لم يمر خلاله تيار كهربائي. ويجعل التيار في اتجاه واحد المؤشر يتحرك إلى جانب من نقطة الصفر. وكلما قوي التيار يتحرك المؤشر على التدريج إلى مدى أبعد. وعندما يُعيَّر الميزان بوحدات تيار مقننة كالأمبير أو الملي أمبير، فإن الآلة تدعى أميتر أو ملي أميتر (مقياس قوة التيار الكهربائي بالأمبير أو الملي أمبير).
وأكثر مقاييس الجلفنة المستخدمة شيوعًا هو مقياس دارسنفال الجلفاني. وتستخدم هذه الآلة ملفًا من أسلاك دقيقة معلقة بين قطبي مغنطيس دائم. ويمر التيار عبر سلك فلزي صغير متصل بأعلى الملف، ويخرج عبر سلك شبيه باللولب متصل بأسفل الملف. وبدون مرور التيار، فإن السلك الشبيه باللولب يبقي على الملف في موضع الصفر. وعندما يتم إدخال التيار ينشأ مجال مغنطيسي في الملف. ويتعامل هذا المجال مع المجال المغنطيسي الدائم، جاعلاً الملف يدور. وفي بعض مقاييس دارسنفال الجلفانية توجد إبرة دقيقة متصلة بالملف المتحرك لتعمل كمؤشر. وفي بعض المقاييس الأخرى توجد مرآة صغيرة متصلة بالملف، وبالتالي فإن المرآة تعكس شعاع الضوء الذي يتحرك مبتعدًا عن التدريج.

بحث الفيزيائي والكيميائي الدنماركي هانزكريستيان أورستد، تأثير التيارات الكهربائية على الإبر المغنطيسية عام 1820م. وفي عام 1820م أيضًا، صمم الفيزيائي الألماني جون سالومو كريستوفر شويقر، أول مقياس جلفاني بسيط. وفي عام 1882م، حقق عالم وظائف الأعضاء الفرنسي جاك أرسين دارسنفال، تحسينًا متميزًا في أداء المقياس الجلفاني. وسُميت باسمه أكثر أنواع المقاييس الجلفانية شيوعًا.





مقياس فرق الجهد



مِقْيَاسُ فَرْقِ الجُهْدِ جهازٌ يقيس التَّيار الكهربائي والفولتية (فرق الجهد) والمقاومة بدقة. ويبيِّن تدنِّي الفولتية أو الاختلافات في الجهد الكهربائي بمقارنة قوة دافعة كهربائية غير معلومة بقوة معلومة. ويُستخدم لتقويم مقياس الفولت أو الأميتر (مقياس شدة التيار الكهربائي).





الفولت، مقياس



الفولت، مقياس. مقياس الفولت أداة لقياس الفولتية (الفرق في الجهد) بين نقطتي تيار كهربائي. ومعظم مقاييس الفولت التجارية مقاييس جلفانية (جلفانومترات) موصلة بمقاومة عالية وبها تدريج يقرأ بالفولت. ومقياس الفولت ذو التيار المباشر به مغنطيس على شكل حذوة حصان. ويلحق بكل قطب (طرف) من قطبي المغنطيس قطعة حديد رخو شبه دائرية ممغنطة أيضًا. وهذه القطعة من الحديد الرخو (قليل الصلابة نسبياً) توجه الحقل المغنطيسي تجاه أسطوانة حديدية صغيرة موضوعة بين قطبي المغنطيس. ولأن الحديد الرخو يكون ممغنطاً بدرجة عالية، فإن هذه الأسطوانة تعمل على تركيز الحقل المغنطيسي.

ويحيط بالأسطوانة ملف من سلك نحاسي رقيق ملفوف على إطار مستطيل خفيف. وهذا الملف قابل للحركة ويتدفق من خلاله التيار الكهربائي. وكل طرف من ملف السلك موصل إلى زنبرك. وعند تحرك الملف، تتحرك إبرة ملحقة بالملف أيضاً، عبر قرص مدرج مشيرة إلى القراءة بالفولتات. وهناك ملف آخر ذو مقاومة عالية جداً، تصل إلى عدة آلاف أوم، موصول بالملف المتحرك.

وحين يكون مقياس الفولت قيد الاستخدام، لايتحرك الإطار وتقرأ الإبرة صفرًا. وعندما يمر تيار من خلال الملف المتحرك، ينشأ حقل مغنطيسي حول الملف. ونتيجة لذلك يعمل الحقل المغنطيسي لمغنطيس حدوة الحصان على أسلاك الملف الحاملة للتيار لإنتاج قوة في الملف. وهذه القوة تجعل الملف يدور. وتقاوم الزنبركات حركة الملف وتضبط بحيث يشير موقع الإبرة إلى الفولتية الصحيحة. وعند أخذ قراءة الفولتية، يوضع مقياس الفولت دائماً على جزء الدائرة المراد قياسه.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:31 AM
التيار الكهربائي



التَّيَّار الكهربائي حركة أوسريان الشحنات الكهربائية التي قد تكون موجبة أو سالبة. فشحنة البروتونات التي تكون جزءًا من نواة كل ذرة هي شحنة موجبة، بينما شحنة الإلكترونات التي تحيط بالنواة، سالبة. ويمكن أن يتكون التيار الكهربائي من شحنات موجبة أو سالبة أو من النوعين معًا.

وضع العالم والسياسي الأمريكي بنجامين فرانكلين مبدأ سريان الكهرباء من الموجب إلى السالب. ولكن علماء آخرين أثبتوا فيما بعد أن الكهرباء تنساب في الاتجاه المعاكس من السالب إلى الموجب.

وفشلت فكرة فرانكلين أيضًا في وصف الطريقة التي تسري بها الكهرباء خلال الفلزات، إذ تحتوي كل ذرة من سلك فلزي على إلكترون واحد على الأقل غير مرتبط ارتباطًِا وثيقًا بالنواة كارتباط غيره من الإلكترونات. وتستطيع هذه الإلكترونات ضعيفة الارتباط بالنويات التجول بحرية خلال الفلز، بينما لا تستطيع النواة ذاتها التحرك خلال السلك. وهكذا فإن التيار المار في سلك فلزي يتألف من إلكترونات حرة.




الموصِّلات والعوازل. يسري التيار الكهربائي أسهل ما يمكن في مواد تسمى الموصلات. ويحدد عدد الإلكترونات الحرة في مادة ما مدى قدرتها على توصيل الكهرباء. فبعض الفلزات، كالألومنيوم، والنحاس، والفضة، والذهب، موصِّلات جيدة لأن لها على الأقل إلكترونًا واحدًا حرًا بكل ذرة من ذراتها. أما بعض الفلزات الأخرى كالرصاص والقصدير، فهي أقل قدرة على توصيل الكهرباء لأن عدد الإكترونات الحرة بها أقل من واحد لكل ذرة. وتقاوم الموصلات الرديئة مرور الكهرباء أكثر من الموصلات الجيدة، وتتسبب هذه المقاومة في استهلاك الطاقة الكهربائية على هيئة حرارة. ويستخدم المهندسون وحدة الأوم لقياس المقاومة




والمواد التي لا تحتوي على إلكترونات حرة مثل، الزجاج والمطاط، لا توصل الكهرباء عادة. وتسمى هذه المواد العوازل، وبعض المواد كالسليكون والجرمانيوم لا تعتبر عازلة أو موصلة بل تسمى شبه موصلة
ولكي يَنتج تيار كهربائي فلابد من تغيير نوع ما من أنواع الطاقة اللاكهربائية إلى قوة دافعة كهربائية. فالبطارية مثلاً تنتج قوة دافعة كهربائية بتغيير الطاقة الكيميائية إلى طاقة وضعية كهربائية. وبذلك يصبح للبطارية فرق جهد في الطاقة بين أطرافها يسبب سريان الإلكترونات في الموصِّل. وتُقاس القوة الدافعة الكهربائية بالفولت. وعندما توصل قوة دافعة كهربائية مقدارها فولت واحد إلى موصِّل مقاومته أوم واحد ينساب عدد من الإلكترونات مقداره6,241,500,000,000,000,000 إلكترون في الموصِّل خلال ثانية واحدة. وتسمى كمية الكهرباء المارة في هذه الثانية الأمبير.




التيار المستمر والتيار المتناوب. ينقسم التيار الكهربائي إلى نوعين؛ فهو إما أن يكون مستمرًا أو متناوبًا وذلك حسب مصدره. يسري التيار المستمر في نفس الاتجاه دائمًا، وينتج من البطاريات ومولّدات التيار المستمر. ويقوم التيار المتناوب بعكس اتجاه سريانه بصورة نظامية، وينتج من مولدات التيار المتناوب ويُستخدم في معظم المنازل.

وفي كل مرة يكمل فيها التيار المتناوب تغييرين في اتجاه سريانه فإنه يكون قد أتم دورة. ويُسمى عدد الدورات في كل ثانية بتردد التيار المتناوب. ويقاس التردد بوحدات تسمى هرتز. وتُوَلَّد الطاقة في كثير من الأقطار، عند تردد 50 هرتز وفي البعض الآخر عند تردد 60 هرتز.


التيار المستمر. وهو يدير النظام الكهربائي للسيارات، والقاطرات وبعض أنواع المحركات في الصناعة. وتستخدم أجهزة المذياع والتلفاز وأجهزة إلكترونية أخرى التيار المتناوب، ولكنها تحتاج أيضًا إلى التيار المستمر لتشغيل دوائرها الداخلية. وتستطيع المقوِّمات تغيير التيار المتردد إلى تيار مستمر بسهولة.


التيار المتناوب. وهو يتفوق على التيار المستمر بعدة مزايا منها سهولة وكفاءة نقله من محطات القوى. وتُفقد أقل كمية ممكنة من الطاقة الكهربائية عندما تُنقل عند فروق جهد مرتفعة. ولكن فروق الجهد المرتفعة تشكل خطرًا عند استخدامها في المنازل. وتستطيع أجهزة تسمى المحوِّلات تقليل أو زيادة فرق الجهد المتناوب بسهولة، بينما لا يمكن تغيير فرق الجهد المستمر بنفس السهولة والكفاءة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:32 AM
المغنطيس الكهربائي



المغنطيس الكهربائي مغنطيس مؤقت يتكون فقط عندما يمر تيار كهربائي خلال سلك أو موصل آخر. تتكون معظم المغانط الكهربائية من سلك ملفوف حول قلب حديدي. يُصنع هذا القلب من حديد خفيف المغنطة، أي يفقد المغنطة بسرعة حالما يتوقف سريان التيار المار في السلك. وتقوم المغانط الكهربائية بتشغيل أجراس الأبواب ومرحلات التيار وتنتج المجالات المغنطيسية اللازمة لتشغيل المحركات والمولدات الكهربائية. وتُستخدم المغانط القوية لرفع الأجزاء الثقيلة من المخلفات الحديدية. وهناك مغانط كهربائية مصممة خصيصًا لإنتاج مجالات مغنطيسية بالغة القوة، تُستخدم لتوجيه الجسيمات الذرية في مسارات محددة في معجلات الجسيمات.

اكتشف العالم الفيزيائي الدنماركي هانز أورستد في عام 1820م، أن التيار الكهربائي يستطيع إنتاج مجال مغنطيسي. وأوضح الكهربائي الإنجليزي وِليم سترجون أن القلب المغنطيسي يقوي المجال المغنطيسي الناشئ عن ملف لولبي. وتمكن العالم الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري من عمل أول مغنطيس كهربائي عملي في أواخر العشرينات من القرن التاسع عشر.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:32 AM
الكهرومغنطيسية


الكهرومغنطيسية فرع من فروع الفيزياء يدرس العلاقة بين الكهرباء والمغنطيسية. وتستند المغنطيسية الكهربائية إلى حقيقتين هما: 1ـ التيار الكهربائي ينتج مجالاً مغنطيسيًا 2ـ المجال المغنطيسي المتغير ينتج مجالاً كهربائيًا.

في عام 1820م، اكتشف العالم الدنماركي هانز أورستد أن أي موصل يحمل تيارًا كهربائيًا يُحاط بمجال مغنطيسي. فعندما أحضر إبرة ممغنطة ووضعها بالقرب من سلك يمر به تيار كهربائي تحركت الإبرة، ونظرًا لأن الإبرة الممغنطة لاتتحرك إلا بتأثير قوة مغنطيسية فإن التجربة أوضحت أن التيار الكهربائي ينتج مجالاً مغنطيسيًا.

أعلن العالم الفرنسي أندريه ماري أمبير في العشرينيات من القرن التاسع عشر الميلادي أن التيار الكهربائي هو المسؤول عن إنتاج كل المغنطيسية. واستنتج أن المغانط الدائمة تسري بداخلها تيارات ضئيلة. وقاد العمل الذي قام به كل من أورستد وأمبير إلى تطوير المغنطيس الكهربائي الذي يُستخدم في بعض الأجهزة، كالتلغراف، وجرس الباب. وتتكون معظم المغانط الكهربائية من سلك لولبي ملفوف حول قلب حديدي. ويتمغنط المغنطيس الكهربائي في نفس اللحظة التي يمر فيها تيار كهربائي خلال السلك. وإذا عكس اتجاه مرور التيار الكهربائي انعكست إشارة الأقطاب المغنطيسية المتكونة فيصبح الشمالي جنوبيًا والجنوبي شماليًا.

تنتج المغنطيسية تيارًا كهربائيًا بوساطة الحث (التأثير) الكهرومغنطيسي. وقد اكتشف العالم الإنجليزي مايكل فارادي والعالم الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري، كل على حدة، الحث الكهرومغنطيسي عام 1831م. وفي الحث الكهرومغنطيسي يقوم أي مجال مغنطيسي متغير بإنتاج مجال كهربائي داخل موصل. فعلى سبيل المثال، تسبب حركة مغنطيس داخل لفيفة من السلك تغيُّر فرق الجهد من نقطة إلى أخرى على طول السلك. ويمر تيار في السلك طالما ظلت كمية المغنطيسية متغيرة. ويُعتبر الحث الكهرومغنطيسي أساس عمل المولد الكهربائي. أما في المحرك الكهربائي فتنعكس هذه العملية، إذ يقوم التيار المار خلال السلك بإنشاء مجال مغنطيسي يُسبب حركة السلك.

وفي عام 1864م، استخدم جيمس كلارك ماكسويل التجارب السابقة ليُبين أن المجالين الكهربائي والمغنطيسي يعملان معًا على إنتاج طاقة إشعاعية في شكل موجات كهرومغنطيسية. وأثبت العالم الفيزيائي الألماني هينريتش هرتز، صحة ما توصل إليه ماكسويل عندما اكتشف الموجات الكهرومغنطيسية بعد عشرين سنة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:33 AM
الأميتر




الأميـتر آلة لقياس التيار الكهربائي الذي يمر في دائرة، بوحدات تُسمى الأمبير. وهناك نوعان أساسيان من الأميترات: القياسية والرقمية.

تتألف معظم الأميترات القياسية المستخدمة بشكل واسع، من ملف ذي سلك دقيق ملفوف حول قلب حديدي طري. يُعلَّق هذا القضيب أو العمود بين قطبيْ مغنطيس دائم. وعندما يسري التيار في الملف يدور الملف والعمود معًا، بحيث يُصبِح المجال المغنطيسي للملف موازيًا لمجال المغنطيس الدائم. ويوجد مؤشر على العمود يتحرك على تدريج يشير إلى القراءة بالأمبير. ويجزِّيء مُفرِّع الأميتر (سلك ثقيل) معظم التيار حول المقياس. وباستخدام مفرعات مختلفة، يستطيع الأميتر أن يقيس مجالاً واسعًا من التيارات ـ من أجزاء الملايين القليلة للأمبير إلى الأمبيرات المتعددة على جهاز متعدد الأغراض.

يعمل الأميتر ذو الملف المتحرك فقط على تيار مستمر، أي التيار الذي يسري دائما في الاتجاه نفسه. ويستطيع المقياس تحويل التيار المتناوب (منعكس باستمرار) إلى تيار مباشر بوساطة المقومات الموجودة فيه.

لا يحتوي الأميتر الرقمي على أي أجزاء متحركة. وعندما يمر تيار من خلال المقياس فإنه يحول الجهد الكهربائي بين نقطتين إلى رمز رقمي ثم يعالج هذا الرمز إلِكترونيًا لحساب التيار.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:35 AM
الإشعاع


الإشعاع. طاقة تطلق في شكل موجات، أو جسيمات صغيرة من مادة. يوجد الإشعاع في كل أنحاء الكون، وله أشكال عديدة. فالناس يعرفون بعض أنواع الإشعاع، مثل الأشعة السينية وأشعة جاما والإشعاع الصادر عن المفاعلات النووية. وتوصف هذه الأنواع عادة بأنها ضارة بالصحة، بالرغم من أن الأشعة السينية وأشعة جاما ذات استخدامات مفيدة في الطب. وبالإضافة إلى هذه الأشكال المعروفة من الإشعاع توجد أشكال أخرى كثيرة.

وأكثر أنواع الإشعاع شيوعًا الضوء الذي نراه حولنا، مثل ضوء الشمس وضوء البرق وغيرها. ومن أشكال الإشعاع أيضًا الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس، والتي تسبب السفع وحرق الشمس. وبالإضافة إلى ذلك هناك أشكال أخرى كثيرة، مثل الحرارة المنبعثة عن النار، والإشارات الراديوية الحاملة للموسيقى، والضوء المكثف من الليزر، والموجات الدقيقة (المايكروويف) المستخدمة في الطبخ.

يوجد الإشعاع حيثما كان هناك انتقال للطاقة من مكان إلى آخر. فالذرات والجزئيات تطلق الطاقة الزائدة في شكل إشعاع. وقد ينقل الإشعاع، عند اصطدامه بمادة ما، جزءًا من طاقته إلى المادة، وتكون هذه الطاقة عادة في شكل حرارة ترفع درجة حرارة المادة. ومعظم أنواع الإشعاع، باستثناء الضوء، غير مرئية.

وهناك نوعان أساسيان من الإشعاع، حيث يتكون أحد النوعين، والذي يسمى الإشعاع الكهروضوئي من طاقة على هيئة موجات، بينما يتكون النوع الآخر، أي الإشعاع الجسيمي، من حبيبات دقيقة من المادة.

وتوجد عدة مصادر للإشعاع الكهروضوئي. فكل المواد التي تُعرَّض للتسخين تصبح مصادر لمثل هذا النوع من الإشعاع. وتنتج الشمس إشعاعًا كهرومغنطيسيًا من التفاعلات النووية التي تحدث في مركزها، وتسخن هذه الطاقة الطبقة الخارجية من الشمس، مما يؤدي إلى توهج الغازات الساخنة، منتجة الضوء وغيره من أنواع الإشعاع. وينتقل هذا الإشعاع الشمسي عبر الفضاء إلى الأرض وغيره من الكواكب.

ويأتي الإشعاع الجسيمي من المواد النشطة إشعاعيًا، التي يوجد بعضها في الطبيعة، ومنها، على سبيل المثال، الراديوم واليورانيوم وغيرهما من العناصر الثقيلة التي توجد في الصخور والتربة. وبالإضافة إلى ذلك يستطيع العلماء تحضير أشكال العناصر النشطة إشعاعيًا في المعمل بقذف العنصر بالجسيمات تحت الذرية، أي الحبيبات الدقيقة من المادة التي تكوِّن الذرات.

وتعتمد كل أشكال الحياة على الأرض على الإشعاع، ولكن بعض أنواع الإشعاع قد تكون خطرة إذا لم يتم التعامل معها بحذر. فالأشعة السينية، على سبيل المثال، تساعد الأطباء على تحديد الأمراض الدفينة وتشخيصها، ولكنها قد تؤدي إلى تدمير الخلايا الحية، مما يؤدي بدوره إلى إصابتها بالسرطان أو موتها. ويمكِّن ضوء الشمس النباتات من النمو، وتدفئ الأرض، ولكنه يسبب أيضًا حرق الشمس وسرطان الجلد. وتستخدم أشعة جاما لعلاج الأمراض بقتل الخلايا السرطانية، ولكنها قد تسبب أيضًا تشوهات الولادة. وتنتج محطات القدرة النووية الطاقة الكهربائية، ولكنها تنتج أيضًا نفايات مشعة قد تؤدي إلى موت الكائنات الحية.



استخدامات الإشعاع


التصوير المقطعي الإشعاعي يستخدم لفحص الفولاذ عند إنتاجه. يعطي الجهاز سمك الفولاذ بقياس مقدار الإشعاع الذي يخترقه.

محطة إعادة إرسال الموجات الدقيقة تبعث الرسائل بوساطة موجات الراديو مما يسمح باتصال فوري بين موقعين.

ماسح يعطي صور أشعة سينية لأعضاء الجسم وهي تؤدي وظائفها. هذا الفني يفحص قلب مريض، وهو يخفق، على جهاز العرض الماسح.
في الطب. يستخدم الإشعاع ـ وكذلك المواد المشعة ـ في التشخيص والعلاج والبحوث. فالأشعة السينية، على سبيل المثال، يمكنها اختراق العضلات والإنسجة اللينة الأخرى، ولكن المواد الصلبة توقفها. وتمكن هذه الخاصية الأطباء من التعرف على العظام المكسورة، وتحديد السرطانات التي ربما تكون آخذة في النمو داخل الجسم. ويتعرف الأطباء على بعض الأمراض أيضًا بحقن مادة مشعة، ومراقبة الإشعاع المنطلق أثناء حركة المادة داخل الجسم.


في الاتصالات. تستخدم كل نظم الاتصالات الحديثة الإشعاع الكهرومغنطيسي، حيث تمثل اختلافات شدة الإشعاع التغيرات في الصوت أو الصورة أو الأشكال الأخرى المنقولة. فعلى سبيل المثال، يمكن إرسال الصوت البشري في شكل موجة راديوية أو موجة دقيقة بجعل الموجة تتغير حسب اختلافات طبقة الصوت.


في العلوم. يستخدم الباحثون الذرات النشطة إشعاعيًا لتحديد أعمار المواد التي كانت يومًا ما جزءًا من كائنات حية، حيث يمكن تقدير أعمار مثل هذه المواد بقياس كمية الكربون المشع في المادة، بالعملية المسماة التأريخ بالكربون المشع. ويستخدم علماء البيئة ذرات نشطة إشعاعيًا تسمى الذرات الاستشفافية، للتعرف على المسارات التي تتخذها الملوثات في البيئة.

ويستخدم الإشعاع لتحديد تركيب المواد، بعملية تسمى التحليل بالتنشيط النيوتروني. وفي هذه العملية يقذف العلماء عينة من المادة بجسيمات تسمى النيوترونات، حيث تمتص بعض الذرات هذه النيوترونات وتصبح نشطة إشعاعيًا. وبإمكان العلماء التعرف على العناصر المكونة للعينة بدراسة الإشعاع الناتج.


في الصناعة. للإشعاع عدة استخدامات في الصناعة. فمصنعو الأغذية، على سبيل المثال، يضيفون جرعات قليلة من الإشعاع لقتل البكتيريا في بعض الأغذية، وبالتالي حفظ المادة الغذائية. ويستخدم الإشعاع في صنع البلاستيك لأنه يسبب ترابط الجزئيات وتصلبها، كما يستخدم أيضًا للكشف عن الشقوق في المواد المصنعة، بالعملية المسماة التصوير الإشعاعي الصناعي.

وتحصل وحدات القدرة النووية على الطاقة من الانشطار النووي، أي انقسام نواة الذرة إلى نواتي ذرتين خفيفتين حيث تنطلق عن الانشطار كمية كبيرة من الإشعاع، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء التي تستخدم في تحويل الماء إلى بخار، والذي يستخدم بدوره في إدارة العنفة (التوربين) المنتجة للطاقة الكهربائية.

وتحدث العملية المضاءة، أي الاندماج النووي، عندما تتحد نواتا عنصرين خفيفين، لتكوين نواة عنصر أثقل. وتنطلق عند الاندماج أيضًا كمية كبيرة من الإشعاع، مثل الحرارة والضوء الصادرين عن الشمس وغيرها من النجوم، والقوة الانفجارية للقنبلة الهيدروجينية. ويحاول العلماء التوصل إلى طرق استخدام الاندماج النووي في إنتاج الطاقة الكهربائية. انظر: الطاقة النووية (نبائط الاندماج التجريبية).


في العمليات العسكرية. تستخدم الموجات الراديوية في النظم الرادوية، لتحديد أماكن الطائرات والسفن، كما يستخدم الضوء الصادر عن الليزرات في الاتصالات وفي توجيه الصواريخ إلى أهدافها. وتعتمد النبائط الحساسة للحرارة، في الكشف الليلي، على الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن الأجسام الحية.



الإشعاع والنشاط الإشعاعي
يفرق العلماء بين الإشعاع والنشاط الإشعاعي، الذي يمثل إحدى خواص بعض أنواع المواد، ويسبب انطلاق أشكال معينة من الإشعاع من المادة، نتيجة تغيرات في نوى الذرات المكونة للمادة.

ولفهم الفرق بين الإشعاع والنشاط الإشعاعي لابد من فهم تركيب الذرة وكيفية تغيرها. فالذرة تتكون من جسيمات دقيقة، ذات شحنة كهربائية سالبة، تسمى الإلكترونات، تحيط بنواة ثقيلة موجبة الشحنة. والشحنات المتضادة يجذب بعضها بعضًا، بينما تتنافر (تتباعد) الشحنات المتشابهة، وعليه فإن النواة الموجبة الشحنة تجذب إليها الإلكترونات، وتبقيها داخل الذرة.

وتتكون نوى كل الذرات، باستثناء أكثر أشكال الهيدروجين شيوعًا، من جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات (تتكون نواة الهيدرجين العادي من بروتون واحد فقط). وتحمل البروتونات شحنات موجبة، بينما لاتحمل النيوترونات أي شحنات. فأكثر أشكال الهيليوم شيوعًا، على سبيل المثال، يحتوي على بروتونين ونيوترونين في النواة، وإلكترونين خارج النواة. وتتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات أصغر تسمى الكواركات.
وفي داخل النواة تتنافر البروتونات الموجبة الشحنة لأنها تحمل شحنات متشابهة. وتبقى البروتونات والنيوترونات معًا في النواة لأن قوة عنيفة، تسمى القوة النووية العنيفة أو التفاعل القوي، تمسك بها.

وتستطيع الذرة تغيير عدد البروتونات والنيوترونات في النواة بإطلاق جسيمات ذرية أو دفعات من الطاقة، أو أخذ هذه الجسيمات أو الدفعات ـ أي بإطلاق أو أخذ الإشعاع. ولكن أي تغيير في عدد البروتونات في النواة يؤدي إلى إنتاج ذرة عنصر آخر، ولذلك تطلق الذرات النشطة إشعاعيًا الإشعاع تلقائيًا للوصول إلى وضع أكثر استقرارًا. وتسمى عملية إطلاق الذرات للجسيمات الانحلال الإشعاعي. وعندما ينحل العنصر النشط إشعاعيًا يتغير إلى شكل آخر من نفس العنصر، أو إلى عنصر آخر، حتى يستقر نهائيًا ويصبح غير نشط إشعاعيًا.

ويحدث الانحلال الإشعاعي بمعدلات مختلفة في العناصر المختلفة أو الأشكال المختلفة من نفس العنصر. ويقاس معدل الانحلال بالعمر النصفي، أي الفترة الزمنية التي يحتاجها نصف عدد الذرات في العينة لينحل. فالعمر النصفي للسيزيوم 137 مثلاً، وهو أحد أشكال السيزيوم النشطة إشعاعيًا، يبلغ حوالي 30 عامًا. ويعني ذلك أن حوالي ربع كمية السيزيوم 137 الأصلية سيتبقى بعد حوالي 60 عامًا. وبعد 30 عامًا أخرى سيتبقى حوالي ثمن الكمية فقط، وهكذا. ويبلغ العمر النصفي للرادون 222 حوالي 3,8 أيام. وتتراوح الأعمار النصفية بين أجزاء من الثانية وبلايين الأعوام.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:36 AM
الإشعاع الكهرومغنطيسي
يتكون الإشعاع الكهرومغنطيسي من الطاقة الكهربائية والمغنطيسية. فكل جسم مشحون كهربائيًا محاط بمجال كهربائي، وهو المنطقة التي تؤثر فيها لاقوة الكهربائية للجسم. وكل جسم مغنطيسي محاط أيضًا بمنطقة مشابهة تسمى المجال المغنطيسي. ويولد التيار الكهربائي، أو المجال الكهربائي المتغير، مجالاً مغنطيسيًا، كما يولد المجال المغنطيسي المتغير مجالاً كهربائيًا. ويعمل المجالان الكهربائي والمغنطيسي معًا لإنتاج الإشعاع الكهرومغنطيسي.

ويتحرك الإشعاع الكهرومغنطيسي عبر الفراغ في شكل موجات، ولكنه ذو خصائص جسيمية أيضًا. وتطلق الذرات الإشعاع الكهرومغنطيسي في شكل حزمة دقيقة من الطاقة تسمى الفوتون. ومثل الجسيم، يشغل الفوتون مساحة محددة من الفراغ، ولكنه، مثل الموجات، ذو تردد وطول موجي يمكن قياسهما. والتردد هو عدد المرات التي تمر فيها الموجة في الثانية الواحدة عبر دورة واحدة. أما الطول الموجي فهو المسافة التي تقطعها لموجة في الزمن الذي تستغرقه للمرور عبر دورة واحدة. وتتفاوت طاقة فوتون للإشعاع الكهرومغنطيسي حسب التردد والطول الموجي، حيث ترتفع بارتفاع تردد الإشعاع وقصر طوله الموجي، وتنخفض بانخفاض التردد وطول الطول الموجي.

وفي الفراغ تنتقل كل أنواع الإشعاع الكهرومغنطيسي بسرعة الضوء، أي 299,792 كيلومترًا في الثانية، ولكن الأنواع المختلفة من الإشعاع تختلف في التردد والطول الموجي، وتصنف حسب ترتيب يسمى الطيف الكهرومغنطيسي. والأنواع المختلفة للإشعاع الكهرومغنطيسي حسب ازدياد الطول الموجي هي: أشعة جاما والأشعة السينية والأشعةفوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة والموجات الراديوية. وأعلى هذه الأنواع من حيث الطاقة هما أشعة جاما والأشعة السينية. أما الموجات الراديوية، في الطرف الآخر من الطيف، فهي أقلها طاقة.



الإشعاع الجسيمي

جسيمات ألفا. تتكون من بروتين ونيوترونين تعمل كلها جسيمًا واحدًا. وعندما تبث نواة ذرة مشعة جسيم ألفا تفقد بروتونين ونيوترونين. أشعة جاما. جسيمات من طاقة كهرومغنطيسية تسمى الفوتونات. تُطلق أشعة جاما عندما تكون النواة في حالة طاقة عالية بعد الانحلال الإشعاعي. وتنتقل أشعة جاما بسرعة الضوء.

جسيمات بيتا. إلكترونات عالية السرعة تُطلق من نوي بعض العناصر المشعة. وقد تكون جسيممات بيتا سالبة أو موجبة.
يتكون الإشعاع الجسيمي من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، وهي الجسيمات الدقيقة التي تمثل الكتل البنائية للذرة. ولكل نوع من أنواع الإشعاع الجسيمي كتلة وطاقة، ومعظمها تنتقل بسرعات عالية، ولكنها أقل من سرعة الضوء. وهناك نوع من أنواع الجسيمات يسمى النيوترينو، ذو كتلة غير قابلة للقياس، وينتقل بسرعة تعادل سرعة الضوء، أو أقل بقليل.

وقد اكتشف العلماء أن البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، التي نعتقد أنها جسيمات، تسلك أيضًا سلوك الموجات. فهذه الموجات، التي تسمى موجات المادة ذات طول موجي، وكلما ازدادت سرعة الجسم قل طوله الموجي. ويعني هذا أن الإشعاع الجسيمي، مثل الإشعاع الكهرومغنطيسي، يجمع بين خواص كل من الجسيمات والموجات. وهناك أربعة أنواع شائعة من الإشعاع الجسيمي هي: 1- جسيمات ألفا 2- جسيمات بيتا 3- الفوتونات 4- النيوترونات.


جسيمات ألفا. يتكون جسيم ألفا من بروتونين وإلكترونين، ويشبه نواة ذرة الهيليوم. وهو يحمل شحنة كهربائية موجبة، وتساوي كتلته كتلة 7300 إلكترون. وتنطلق جسيمات ألفا عن نوى بعض الذرات النشطة إشعاعيًا، وتصبح معظمها في النهاية مكونة من إلكترونين فقط متحولة إلى ذرات هيليوم.


جسيمات بيتا. هذه الجسيمات إلكترونات، وتنتج معظمها عندما تتعرض ذرة نشطة إشعاعيًا إلى تحول نووي. وفي العملية يتغير نيوترون في نواة الذرة إلى بروتون وينطلق جسيم بيتا.

ومعظم جسيمات بيتا سالبة الشحنة، ولكن بعضها موجبة الشحنة، وتسمى البوزيترونات، حيث ينتج البوزيترون عندما يتحول بروتون إلى نيوترون. والبوزيترونات أحد أشكال المادة المضادة، وهي مادة تشبه المادة العادية، غير أن شحنتها معكوسة. وعندما يصطدم البوزيترون بإلكترون سالب الشحنة يدمر كل من الجسيمين الجسيم الآخر، وينتج عن ذلك فوتونان أو ثلاثة فوتونات من أشعة جاما.

ويصاحب إشعاع بيتا جسيمان صغيران آخران هما النيوترينو والنيوترينو المضاد. فعندما تنتج النواة بوزيترونًا، تطلق أيضًا جسيم نيوترينو، والذي لا يحمل أي شحنة، وكتلته غير محددة، وعندما تولد النواة جسيم بيتا سالب الشحنة وتطلقها، تطلق معه أيضًا جسيم نيوترينو مضاد، وهو الشكل المضاد للنيوترينو.
البروتونات والنيوترونات. يمكن إطلاقها أيضًا من بعض النوى النشطة إشعاعيًا. وتبلغ كتلة كل من البروتون أو النيوترون كتلة 1850 إلكترونًا تقريبًا، ولكن كتلة النيوترون أكبر قليلاً من كتلة البروتون. والإشعاع النيوتروني أكثر شيوعًا من الإشعاع البروتوني، الذي ينتج في الطبيعة نادرًا.



مصادر الإشعاع
تشمل مصادر الإشعاع الطبيعية الشمس وغيرها من النجوم والعناصر الطبيعية النشطة إشعاعيًا. وهناك أيضًا مصادر صناعية أخرى للإشعاع.



الاندماج النووي
الشمس والنجوم الأخرى. تطلق الشمس والنجوم الأخرى كلاً من الإشعاع الكهرومغنطيسي والإشعاع الجسيمي. وينتج هذا الإشعاع عن اندماج نوى الهيدروجين في النجمة، حيث يؤدي هذا الاندماج إلى تحول الهيدروجين إلى هيليوم مطلقًا كمية كبيرة من الطاقة، ومنتجًا إشعاعًا كهرومغنطيسيًا يشمل كل أنواع الطيف الكهرومغنطيسي. فبجانب الضوء المرئي تنتج النجمة كل أنواع الإشعاع، ابتداء من الموجات الضوئية وانتهاء بإشعاع جاما ذي الطاقة العالية. وينتج إشعاع جاما عن تكون العناصر الجديدة في الأعماق البعيدة من لب النجمة، ولايصل إلى الأرض مباشرة.

تنتج النجوم أيضًا جسيمات ألفا وبيتا والبروتونات والنيوترونات وغيرها من أنواع الإشعاع. وتسمى الجسيمات عالية الطاقة، التي تنتجها النجوم، الأشعة الكونية. وحتى الشمس تطلق ومضات قصيرة تسمى الوهج الشمسي، تغطي الأرض بأشعة كونية قوية قد تتداخل مع الاتصالات.



الانحلال الإشعاعي تعرَّف سلسلة الانحلال الإشعاعي بأنها العملية التي تطلق بها ذرة مشعة الإشعاع، ومن ثم تتغير إلى أشكال مختلفة من نفس العنصر أو إلى عناصر أخرى. فسلسلة اليورانيوم مثلاً تبدأ باليورانيوم 238، والذي يتغير بفقدان جسيم ألفا، إلى التوريوم 2.
المواد الطبيعية النشطة إشعاعيًا. تنتمي معظم المواد الطبيعية النشطة إشعاعيًا إلى ثلاث سلاسل تغيرات تسمى سلاسل الانحلال الإشعاعي، وهي : 1- سلسلة اليورانيوم 2- سلسلة الثوريوم 3- سلسلة الأكتينيوم. وفي كل من هذه السلاسل تنحل نظائر (أشكال العنصر التي تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات) ثقيلة إلى نظائر متنوعة أخف، بإطلاق الإشعاع، حتى تصل إلى حالة الاستقرار.

تبدأ سلسلة اليورانيوم باليورانيوم 238، وهو أثقل نظائر اليورانيوم، ويحتوي على 92 بروتونًا و146 نيوترونًا. وبعد أن يفقد اليورانيوم 238 جسيم ألفا، والذي يحتوي على بروتونين ونيوترونين، تصبح نواة الذرة محتوية على 90 بروتونًا و144 نيوترونًا، وبذلك يتحول اليورانيوم 238 إلى أحد نظائر الثوريوم المشعة ويسمي العلماء هذه العملية التي يتحول بها العنصر إلى عنصر آخر التحول النووي. ويتفكك الثوريوم بدوره بعدة خطوات إلى الراديوم 226، الذي ينحل إلى الرادون، وهو غاز مشع يوجد طبيعيًا. وقد يشكل الرادون خطرًا صحيًا إذا ازدادت كميته في مبنى معين، وخاصة المباني السيئة التهوية. وتستمر السلسلة حتى يتحول النظير إلى شكل مستقر من الرصاص.

وتبدأ سلسلة الثوريوم بالثوريوم 232، وهو أحد نظائر الثوريوم، بينما تبدأ سلسلة الأكتينيوم باليورانيوم 235، وهو أحد نظير آخر لليورانيوم. وينتهي كل من هاتين السلسلتين أيضًا بالرصاص.

وتشتمل مجموعة رابعة من العناصر الطبيعية النشطة إشعاعيًا على عدد كبير من المواد التي لا تنتمي إلى سلاسل الانحلال الإشعاعي. وينتج عدد من هذه العناصر، بما في ذلك الكربون 14 والبوتاسيوم 40 والساماريوم 146، عن الإشعاع الكوني الذي ينفذ خلال الغلاف الجوي الأرضي. ويوجد الكربون 14 والبوتاسيوم 40 في جسم الإنسان أيضًا.



الانشطار النووي
المواد الصناعية النشطة إشعاعيًا. هذه المواد يصنعها الإنسان بعمليات مثل الانشطار الذي يحدث في الأسلحة النووية والمفاعلات النووية أو في المعامل. فعندما تنقسم النواة بالانشطار تنطلق عدة أنواع من الإشعاع، مثل النيوترونات وإشعاع جاما وجسيمات بيتا. وينتج الانشطار أيضًا ذرات مشعة جديدة تسمى المنتجات الانشطارية، مثل المنتج الانشطاري السيزيوم 137، وهو نظير مشع للسيزيوم غطى الأرض في خمسينيات وستينيات القرن العشرين ناتجًا عن اختبارات القنابل النووية. ويحتوي الوقود المستهلك في محطات القدرة النووية، مثل البلوتونيوم 239 والسترونتيوم 90 والباريوم 140، أيضًا على منتجات انشطارية عديدة. ويظل هذا الوقود المستهلك، الذي يطلق عليه اسم النفايات النووية، نشطًا إشعاعيًا لسنوات عديدة، ويمثل ذلك خطورة كبيرة على الحياة.

وبالإضافة إلى ذلك، تولد المحطات النووية عناصر مشعة جديدة تسمى منتجات التنشيط، التي تتكون عندما تمتص الأنابيب وغيرها من المواد المكونة للمفاعل النووي النيوترونات وغيرها من أنواع الإشعاع، متحولة بذلك إلى مادة مشعة.

وينتج النشاط البشري أنواعًا أخرى عديدة من الإشعاع. فالفيزيائيون مثلاً، يستخدمون نبائط قوية تسمى معجلات الجسيمات لتسريع حركة الجسيمات المشحونة كهربائيًا مثل الإلكترونات والبروتونات والنوى الكاملة، ثم يقذفون الذرات المستقرة، غير المشعة، بحزم من هذه الجسيمات العالية الشحنة، حيث تنتج عن التصادمات ذرات مشعة جديدة، ويساعد ذلك العلماء على فهم تركيب الذرات وخصائصها.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:37 AM
أسباب الإشعاع
تنحصر الإلكترونات داخل الذرة في مناطق تسمى مدارات الإلكترونات، تحيط بالنواة حسب طاقاتها، حيث تتحرك الإلكترونات ذات الطاقة الأقل في المدارات الداخلية، بينما تتحرك الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى في المدارات الخارجية. وتنتظم البروتونات والنيوترونات في النواة أيضًا حسب مستويات طاقاتها في طبقات تسمى المدارات النووية. ولكل البروتونات والإلكترونات والنيوترونات التي تشغل مدارًا معينًا نفس كمية الطاقة تقريبًا.

وكما يبحث الماء دائمًا عن أدنى مستوى ممكن تبحث الإلكترونات أيضًا عن أدنى مستويات الطاقة. وعندما يتحول الإلكترون من مدار خارجي إلى مدار أقرب إلى النواة، يطلق حزمة من الطاقة تسمى الفوتون، والتي تهرب من الذرة. وتساوي طاقة الفوتون الفرق في طاقة الإلكترون عندما يقفز من المدار الأصلي إلى مدار جديد. وإذا كان الفرق في الطاقة صغيرًا تطلق الذرة الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء أو كليهما، ولكنها قد تنتج الأشعة السينية إذا كان الفرق كبيرًا.

وعندما يتحرك البروتون أو النيوترون من مدار نووي إلى آخر تطلق النواة إشعاع جاما. وتنتج معظم الذرات التي تطلق الإشعاع الجسيمي أثناء الانحلال الإشعاعي إشعاع جاما أيضًا، لأن بروتوناتها ونيوتروناتها تتحرك إلى مدارات جديدة. وينتج الإشعاع الصادر عن التفاعلات النووية أيضًا من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات المتحركة إلى مدارات جديدة. ففي الانشطار النووي، على سبيل المثال، تتحرك الجسيمات إلى مدارات نوى جديدة، تتكون عندما تنشطر النواة إلى نواتين صغيرتين.

وينتج الإشعاع الكهرومغنطيسي أيضًا عندما يغير جسيم مشحون كهربائيًا اتجاهه أو سرعته أو كليهما. فالجسيم الذي يدخل مجالاً كهربائيًا أو مغنطيسيًا، على سبيل المثال، تنخفض سرعته ويتغير اتجاهه، ونتيجة لذلك يطلق الجسيم إشعاعًا. وتنتج الأشعة السينية حيثما كان هناك انخفاض مفاجئ في سرعة الإلكترونات، مثلما يحدث عند اصطدام الإلكترونات بالذرات الفلزية، لتوليد الأشعة السينية في ماكينة الأشعة السينية. وتنتج الإلكترونات الأشعة السينية أيضا عندما تمر قرب نواة كبيرة، حيث تنجذب الإلكترونات السالبة الشحنة نحو النواة الموجبة الشحنة، منتجة الأشعة السينية عندما تغير اتجاهاتها. وتسمى الأشعة السينية المنتجة بهذه الطريقة الإشعاع الكاسر.



تأثيرات الإشعاع

التأثيرات القاتلة نتيجة التعرض لإشعاع جاما على مدى طويل يمكن أن تلاحظ في صورة الغابة أعلاه. وفي تجربة علمية، عُرَِّضت الأشجار التي تقع في المركز لأشعة جاما لنحو ستة شهور.
ينتج الإشعاع تأثيرين رئيسيين في الذرات والجزئيات 1- الإثارة 2- التأيين. وفي الإثارة تمتص الذرة (أو الجزيئ) الطاقة من الإشعاع، وتتحرك إلكتروناتها إلى مستويات الطاقة الأعلى. وفي معظم الحالات تستطيع الذرة المثارة الإمساك بالطاقة الزائدة لجزء من الثانية فقط، قبل أن تطلق الطاقة في شكل فوتون وتعود مرة أخرى إلى مستوى الطاقة الأدنى. وفي التأيين ينقل الإشعاع طاقة كافية إلى الإلكترونات في الذرة، تمكنها من ترك الذرة والانتقال في الفضاء. وتتحول الذرات التي تفقد إلكترونات إلى جسيمات موجبة الشحنة تسمى الأيونات الموجبة. أما الإلكترونات المفقودة فقد تنتقل إلى ذرات أخرى.

تؤثر الإثارة والتأيين على الأنسجة الحية أيضًا. فخلايا الجسم تحتوي على جزئيات تترابط الكثير منها معا بإلكترونات. وقد تتفكك هذه الروابط الكيميائية، ويتغير شكل الجزيء، عندما يثير الإشعاع جزئيات الخلايا أو يؤينها، ويؤدي مثل هذا التغيير إلى تعطل العمليات الكيميائية العادية للخلايا، وتصبح الخلايا شاذة، أو تموت.

وعندما يؤثر الإشعاع على جزيئات د ن أ (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين)، أي المادة الوراثية في الخلايا الحية، تسبب أحيانًا تغيرًا دائمًا يسمى الطفرة. وفي بعض الحالات النادرة قد تنقل الطفرات الناتجة عن الإشعاع خصائص غير مرغوبة إلى الجيل الجديد. وحتى الفوتونات المنخفضة الطاقة، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية من الشمس، قد تسبب تدميرًا عن طريق الإثارة. وإذا كان تدمير المادة الوراثية للكائن الحي كبيرًا، تصبح الخلفية سرطانية، أو تموت أثناء محاولتها الانقسام. ويتوقف التأثير الناتج على القدرة التأيينية للإشعاع والجرعة المأخوذة ونوع النسيج المتأثر.


القدرة التأيينية. يمكن تصنيف الإشعاع إلى إشعاع مؤيِّن وإشعاع غير مؤيِّن. والإشعاع المؤين هو أشد أنواع الإشعاع خطرًا، وبعضها ذات طاقة تكفي لنزع الإلكترونات مباشرة من الذرات التي تعترض طريقها. ومن أمثلة هذا النوع من الإشعاع جسيمات ألفا وبيتا والبروتونات. وبعض أنواع الإشعاع، بما في ذلك الأشعة السينية وإشعاع جاما والإشعاع النيوتروني، لابد أن تنقل الطاقة أولاً إلى الذرة، حيث تسبب الطاقة المضافة فقدان الذرة لإلكترون.

ويتكون الإشعاع غير المؤين من فوتونات ذات طاقة منخفضة جدًا، لا تمكنها من إحداث الإثارة، ومن أنواعه الموجات الراديوية والموجات الدقيقة والإشعاع تحت الأحمر والضود المرئي، حيث يسبب كل منها الإثارة فقط.



أثناء العمل قرب الإشعاع يضع الفني مقياس الجرعة الإشعاعية على قبعته. يقيس هذا الجهاز كمية الإشعاع التي يتعرض لها الفني أثناء تأدية عمله في مفاعل لإنتاج الطاقة النووية.
الجرعة. يستخدم العلماء نظامين لقياس كمية أو جرعة الإشعاع التي تمتصها المادة. ففي النظام القديم، الذي ما يزال شائع الاستخدام، تقاس الجرعات بوحدة تسمى الراد، وهو اختصار لعبارة إنجليزية تعني : الجرعة الإشعاعية الممتصة. ويعرف الراد بأنه الجرعة التي يمتصها كيلوجرام واحد من المادة عندما يمتص 0,001 جول من الطاقة الإشعاعية



أما في النظام الجديد، المستخدم منذ عام 1975م، فيقاس الإشعاع بوحدة تسمى الجراي، والتي سميت على اسم عالم الأحياء الإنجليزي لويس جراي. ويساوي الجراي 100 راد أو 1 جول لكل كيلوجرام من المادة.

وتنتج الجرعات المتساوية من الأنواع المختلفة من الإشعاع تأثيرات مختلفة، ولذلك طور العلماء ما يعرف باسم العامل النوعي، والذي يحدد حجم التدمير الذي يسببه الإشعاع في النسيج الحي مقارنًا بجرعة مساوية من الأشعة السينية. فالجرعة الواحدة من جسيمات ألفا، على سبيل المثال، يسبب حوالي عشرة أضعاف حجم التدمير الذي تسببه نفس الجرعة من الأشعة السينية، ولذا يقال إن لجسيمات ألفا عاملاً نوعيًا قدره 10. وللأشعة السينية وإشعاع جاما وجسيمات بيتا عامل نوعي قدره 1، بينما يتراوح العامل النوعي للنيوترونات بين 2 و11.

ويعطي حاصل ضرب الجرعة في العامل النوعي مقياسًا للتدمير يسمى مكافئ الجرعة. وعند احتساب الجرعة بالراد، يحتسب مكافئ الجرعة بوحدة تسمى الرم، وهو اختصار لعبارة إنجليزية تعني : مكافئ رونتجن في الإنسان، ويُعرَّف بأنه كمية الإشعاع التي تُحدث في الإنسان نفس التأثير الذي يحدثه راد واحد من الأشعة السينية. وفي حالة احتساب الجرعة بالجراي يحتسب مكافئ الجرعة بوحدة تسمى السيفرت، والتي سميت على اسم عالم الإشعاع السويدي رولف سيفرت.

الجرعات الكبيرة. تسبب مجموعة من التأثيرات تسمى مرض الإشعاع. وتدمر الجرعات التي تزيد عن 100 رم خلايا الدم البيضاء والحمراء، ويسمى هذا التدمير تأثير تكون الدم. وقد تؤدي الجرعات الزائدة عن 300 رم إلى الموت خلال بضعة أسابيع. وتسبب الجرعات الزائدة عن 100 رم موت الخلايا المبطنة للقناة الهضمية وانتقال بكتيريا الأمعاء إلى مجرى الدم، وقد يؤدي هذا التأثير، الذي يسمى التأثير المعوي المعدي، إلى الموت خلال أسبوع. أما الجرعات الزائدة عن 1000 رم فتسبب جرح الدماغ، وقد تؤدي إلى الموت خلال ساعات.

والوفيات الناجمة عن مرض الإشعاع قليلة جدًا، ولم يحدث أن عانى الناس من مثل هذه الجرعات الكبيرة إلا في حالات حوادث المفاعلات، وفي حالات قليلة عوملت فيها المواد المشعة بإهمال، وعندما ألقيت القنبلتان النوويتان في هيروشيما وناجازاكي باليابان في الحرب العالمية الثانية، عام 1945م. وحدثت أسوأ حوادث المفاعلات عام 1986م، عندما انفجرت محطة تشيرنوبل للقدرة النووية في أوكرانيا، والتي كانت جزءًا من الاتحاد السوفييتي آنذاك، حيث توفي 31 عاملاً.

الجرعات الصغيرة. الجرعات التي نستقبلها يوميًا، والتي تسمى أحيانًا جرعات الخلفية قليلة جدًا، حيث يقدر العلماء متوسط جرعة الخلفية بما يترواح بين حوالي 0,3 و0,4 رم سنويًا. ويأتي نصف هذه الكمية من استنشاق غاز الرادون، الذي ينطلق من الصخور المشعة والتربة، بينما يأتي حوالي 0,04 رم من الأشعة السينية المستخدمة في الطب، وحوالي 0,01 من مصادر أخرى مثل محطات القدرة النووية وأماكن النفايات. ويصاب المدخنون بجرعات أكبر من النظائر المشعة الموجودة في الدخان.

ويزيد تراكم الجرعات الصغيرة من الإشعاع احتمال الإصابة ببعض الحالات، ولكن ليس حدة الحالات. وأهم الحالات الناتجة عن الجرعات الصغيرة المتكررة من الإشعاع هي السرطان وتشوهات الولادة.

ولحماية الناس من تأثيرات الإشعاع تضع الهيئة الدولية للحماية الإشعاعية، والتي تضم خبراء من دول عديدة، توجيهات لتأمين سلامة المعرضين للإشعاع. وتوصي الهيئة العاملين في المجال النووي بألا يتجاوز التعرض الجرعة القوصى المسموح بها، وهي 5 رم كل عام، كما توصي الجمهور أيضًا بألا تزيد الجرعة السنوية المأخوذة عن 0,5 رم في أي عام. وتضع وكالات أخرى موجهات مماثلة، ومن هذه الوكالات: المنظمة الأسترالية للعلوم النووية والتقنية، ومركز بهابها للبحوث الذرية بالهند، ومجلس السلامة النووية بجنوب إفريقيا، والهيئة القومية للحماية الإشعاعية بإنجلترا.



نبذة تاريخية


النظريات والاكتشافات المبكرة. درس العلماء الإشعاع منذ القدم. ففي القرنين الثالث والرابع قبل الميلاد كتب الفيلسوف الإغريقي أبيقور عن جسيمات "تنبعث" من سطوح الأجسام. واعتقد إقليدس، وهو رياضي إغريقي عاش في نفس تلك الفترة، أن العين ترسل إشعاعًا يمكنها من رؤية الأجسام.

واعتقد روبرت جروستست، وهو عالم وأسقف إنجليزي عاش في القرن الثالث عشر الميلادي، أن الضوء هو أصل كل أنواع المعرفة، وأن فهم القوانين التي تحكم الضوء سوف يكشف الغطاء عن كل قوانين الطبيعة.

ودار حوار حول تركيب الضوء في القرن السابع عشر بين أتباع العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن والفيزيائي الهولندي كريستيان هايجنز، حيث أصر نيوتن على أن الضوء يتكون من جسيمات دقيقة، بينما أشار هايجنز إلى أنه يتكون من موجات. وقد اختلف العلماء حول هاتين النظريتين لفترة امتدت إلى أكثر من مائة عام. وفي أوائل القرن التاسع عشر أوضح الفيزيائي البريطاني توماس يونج أن الضوء ذو خصائص شبيهة بخصائص موجات الصوت والماء. وبعد ذلك بسنوات قليلة أعطى الفيزيائي الفرنسي أوغسطين فرسنل أدلة جديدة على ذلك. وبحلول خمسينيات القرن التاسع عشر كان معظم العلماء قد قبلوا نتائج كل من هايجنز وفرسنل حول الطبيعة الموجية للضوء.

وفي عام 1864 اقترح الفيزيائي البريطاني جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء يتكون من موجات كهرومغنطيسية، كما تنبأ باحتمال اكتشاف أشكال أخرى غير مرئية من الإشعاع الكهرومغنطيسي. وقد تأكدت هذه التنبؤات بعمل اثنين من العلماء الألمان هما هينريتش هرتز وويلهلم رونتجن، حيث اكتشف هرتز الموجات الراديوية في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر، بينما اكتشف رونتجن الأشعة السينية في عام 1895.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:38 AM
اكتشاف النشاط الإشعاعي. في عام 1896، اكتشف الفيزيائي الفرنسي أنطوان هنري بكويريل أن بلورات بعض مركبات اليورانيوم يمكن أن تظلل الألواح الفوتوغرافية، حتى في حالة عدم تعرضها للضوء، وافترض أن اليورانيوم يطلق طاقة في شكل إشعاع. وأوضحت تجارب لاحقة أجراها الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد أن هذا الإشعاع يتكون من جسيمات سماها جسيمات ألفا وبيتا.

وفي عام 1898، اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان ماري وبيير كوري مادتين أخريين ينتجان الإشعاع، أطلقا عليهما اسمي البلوتونيوم والراديوم. وبعد ذلك بسنوات قليلة أوضح رذرفورد أن المواد المشعة يمكن أن تتغير إلى عناصر جديدة بعملية التحول النووي.

وقد أثار عمل كل من رذرفورد وبيير وماري كوري اهتمامًا واسعًا بتركيب الذرة، حيث استطاع رذرفورد وزملاؤه وغيرهم من العلماء إثبات أن الذرة تتكون من نواة ذات كتلة عالية وشحنة كهربائية موجبة، تحيط بها إلكترونات سالبة الشحنة.


نظرية الكم. في عام 1900، درس الفيزيائي الألماني ماكس بلانك الإشعاع المنبعث من الأجسام الساخنة، وأوضح أن الأجسام تبث وتمتص هذا الإشعاع في شكل حزم من الطاقة سماها الكمات، والتي تغيرت فيما بعد إلى الفوتونات. وفي عام 1905 استخدم الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين نظرية بلانك لتوضيح ظاهرة تسمى التأثير الكهروضوئي. وكان العلماء السابقون قد اكتشفوا هذا التأثير، الذي ينتج عنه انطلاق إلكترونات من الفلز عند سقوط حزمة ضوئية مضيئة عليه. وقد افترض أينشتاين أن الطاقة التي يعطيها فوتون واحد يمكن أن تحرر إلكترونًا من ذرة فلز. ولإنتاج التأثير الكهروضوئي تعمل الفوتونات بطريقة موضعية أقرب إلى خصائص الجسيمات منها إلى خصائص الموجات. وهكذا أحيت أفكار أينشتين النظرية الجسيمية للضوء، حيث يعرف العلماء اليوم أن الإشعاع يجمع بين خصائص الجسيمات وخصائص الضوء. ويمكن ملاحظة كلا نوعي الخصائص عند إجراء تجارب مختلفة، ولكن ذلك غير ممكن في التجربة الواحدة. فإذا أعد العلماء اختبارًا لتتبع التأثير الكهروضوئي تسلك الفوتونات سلوك الجسيمات المفردة، ولكن عند إمرار حزمة من الجسيمات عبر فتحة صغيرة تسلك الفوتونات سلوك الموجات الكهرومغنطيسية المتصلة.

وفي عام 1913 استخدم الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نظرية الكم لتوضيح تركيب ذرة الهيدروجين، وأوضح أن الإلكترونات ذات طاقات معينة، وأن الذرات تطلق فوتونات من الإشعاع عندما تسقط الإلكترونات من مدار طاقة عالية إلى مدار أقل طاقة. وفي عام 1924 تنبأ الفيزيائي الفرنسي لويس دي بروجلي أن الإلكترونات نفسها تعمل في شكل موجات تسمى موجات المادة.



العصر النووي. بدأ العصر النووي في عام 1942 عندما أنتج الفيزيائي الإيطالي المولد إنريكو فيرمي والعاملون معه في الولايات المتحدة أول تفاعل سلسلي نووي صناعي. ومنذ ذلك التاريخ، وجه الكثيرون من العلماء انتباههم نحو إيجاد استخدامات للنشاط الإشعاعي والإشعاع، وانتجوا الأسلحة النووية المبنية على الانشطار ـ مثل القنبلة الذرية ـ والاندماج ـ مثل القنبلة الهيدروجينية. وقد بدأت أول محطة قدرة نووية مكتملة العمل في عام 1956. ومنذ ذلك التاريخ دخل استخدام كل أشكال الطيف الكهرومغنطيسي في الاتصالات والطب والصناعة والبحوث.

وفي ستينيات وسبعينيات القرن العشرين نما مجال فيزياء الصحة بسرعة. وفيزياء الصحة هو المجال العلمي الذي يعنى بحماية الناس من مخاطر الإشعاع، ويدرس أيضًا تسخير استخدامات الإشعاع لصالح الإنسان.

فمنذ سبعينيات القرن العشرين أشارت عدة دراسات إلى أن التعرض المتكرر لجرعات صغيرة من الإشعاع المؤيِّن يمكن أن يسبب متاعب صحية خطيرة. ونتيجة لذلك يطالب الكثيرون بأن يحاط إنتاج واستخدام الإشعاع ذي الطاقة العالية بضوابط صارمة. ويجري العلماء مزيدًا من الدراسات لتحديد تأثيرات المستويات المنخفضة من الإشعاع على الناس والبيئة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:40 AM
الدفع النفاث



الدّفع النفّاث يستخدم في إنتاج الحركة في اتجاه ما بواسطة تيار من الغازات تندفع بضغط عال في الجهة المضادة للحركة. وتعتمد الصواريخ والقذائف الموجهة وكثير من الطائرات على الدفع النفاث لتزويدها بالقدرة اللازمة لحركتها.

ويمكن للطائرة التي تسير بالدفع النفاث (الطائرة النفاثة) أن تصل إلى سرعات تفوق سرعة الطائرة التي تسير بدفع المراوح. كما يمكن لبعض الطائرات النفاثة عند طيرانها في الهواء أن تصل إلى سرعات تزيد على سرعة انتقال الصوت في الهواء. وبوساطة الدفع النفاث صار من الممكن الطيران في أقصى الارتفاعات وكذلك الوصول إلى الفضاء الخارجي.

ولا يصدر عن المحركات النفاثة نفس الاهتزازات التي تحدثها المحركات المكبسية التي تستخدم في إدارة مراوح بعض الطائرات. ونتيجة هذا الانتظام والهدوء في عملها فإن استخدامها يحقق الأمان في ركوبها. وبوجه عام فإن المحركات النفاثة تعد أصغر وأقل وزنا من المحركات المكبسية التي تعطي نفس القدر من قوة الدفع ¸القوة التي تدفع الطائرة إلى الأمام·، إلا أن استهلاك المحركات النفاثة من الوقود يزيد عن استهلاك المحركات المكبسية التي تعطي أيضًا نفس القدر من قوة الدفع.

ومن المحتمل أن يكون أول محرك نفاث تم إنشاؤه هو تلك الآلة الصغيرة التي تحاكي لعب الأطفال والتي صنعها هيرو الإسكندري عام 60م. كما استخدم الصينيون الصواريخ في عتادهم الحربي خلال القرن الثالث عشر. وقد تم تحليق أول طائرة يدفعها محرك نفاث في ألمانيا عام 1939م. ومنذ ذلك الحين صارت المحركات النفاثة مصدرًا للتزويد بالقدرة للطائرات من جميع الأنواع، بما فيها الطائرات الأسرع من الصوت والتي تستخدمها خطوط الطيران العالمية، وكذلك سفن الفضاء التي تطير إلى الكواكب الأخرى.



كيف يعمل الدفع النفاث


كيف يعمل المحرك النفاث يدخل الهواء إلى المحرك فينضغط ثم يتم خلطه بالوقود ويحترق، ثم تندفع غازات الاحتراق في اتجاه مؤخرة المحرك، وما تحدثه الغازات أثناء اندفاعها وخروجها من المحرك هو فعل يقابله رد فعل يدفع المحرك في الاتجاه المضاد.
المبدأ الأساسي للدفع النفاث يمكن توضيحه من خلال تجربة بخرطوم المياه المستخدم في ري الحدائق. فعند توصيله بمصدر مياه مع غلق فوهة الخرطوم عند نهايتها، يؤدي ارتداد الماء إلى الخلف نتيجة غلق الفوهة إلى دفع الماء على السطح الداخلي للخرطوم في كل الاتجاهات. ويؤدي ذلك إلى الدفع عكس اتجاه المياه في الخرطوم في محاولة للضغط على الفوهة. وعند فتح الفوهة فإن هذا الضغط سيدفع بالماء إلى الخارج، مما يؤدي إلى فقدان اتزان الضغط داخل الفوهة. ويؤدي هذا إلى خفض الضغط الذي يدفع للأمام في منطقة الفوهة، بينما يستمر الماء في الضغط على الخلف والجوانب. وإذا ما تركت الفوهة تتحرك كيف تشاء فإن عدم اتزان الضغط داخل وخارج الفوهة، وكذلك اندفاع الماء منها، سيدفع بالفوهة إلى الخلف، وستتحرك الفوهة عكس اتجاه اندفاع الماء منها.


اختبار المحرك النفاث يتطلب غرفًا مجهزة وإعدادًا خاصًا. محرك توربيني تضاغطي مثبت أثناء تشغيله فوق منصة اختبارات لقياس قوة الدفع (القوة التي تدفع بالمحرك للأمام ) التي ينتجها المحرك.
وقد وضع العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن المبدأ الأساسي للمحركات النفاثة في عام 1687م من خلال القانون الثالث للحركة. وينص هذا القانون على أن لكل فعل رد فعل مساوياً له في المقدار ومضاداً له في الاتجاه. وفي المثال السابق فإن الفعل يمثله اندفاع الماء من فوهة الخرطوم ورد الفعل هو القوة التي دفعت الخرطوم في الاتجاه المضاد. ويعتمد الدفع النفاث على نفس المبدأ في تغذية محركات الطائرات، حيث يتم رفع ضغط الهواء داخل المحرك. ويدفع هذا الضغط تيارًا من غازات الاحتراق بسرعة كبيرة من مؤخرة المحرك، ويمثل هذا التيار المندفع من غازات العادم الفعل. ويؤدي هذا الفعل إلى حدوث رد فعل مساو له في المقدار ومضاد له في الاتجاه يتمثل في قوة تدفع المحرك إلى الأمام



تستخدم الصواريخ والمحركات النفاثة نفس المبدأ الأساسي للدفع النفاث، إلا أنهما تختلفان في مصدر الأكسجين اللازم لاحتراق الوقود في كل منهما. ففي حين تستخدم المحركات النفاثة أكسجين الهواء الجوي لحرق وقودها، فإن الصواريخ تحمل بداخلها الأكسجين اللازم لاحتراق الوقود بها. ولهذا فإنه يمكن للصواريخ أن تنطلق إلى الفضاء الخارجي الذي لا يحتوي على هواء جوي، بينما تعجز المحركات النفاثة عن الطيران خارج هذا الغلاف الجوي



قدرة المحركات النفاثة. تتولد هذه القدرة من قوة دفع النفاث، أي من دفع الغازات التي ينتجها احتراق الوقود في الهواء داخل غرفة الاحتراق والتي تنطلق من خلال فوهة المحرك فتعطيه قوة الاندفاع إلى الأمام. ويدخل الهواء إلى المحرك النفاث من خلال فتحة دخول في مقدمة المحرك ثم يتم ضغطه حتى يصل إلى ما بين 3 و 30 ضعف ضغط الهواء الجوي. ثم يندفع جزء من هذا الهواء إلى داخل غرفة الاحتراق حيث يتم خلطه بالوقود واحتراقه فيه. وتستخدم معظم المحركات النفاثة مستخلصات النفط السائلة المشابهة للكيروسين كوقود لها. ويصاحب اشتعال الوقود في الهواء المضغوط خروج كمٍ كبيرٍ من الطاقة التي تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الغازات الناتجة عن هذا الاشتعال إلى 1,800 - 2,000 درجة مئوية. ويمكن أن تؤدي هذه الدرجة المرتفعة إلى تدمير أجزاء المحرك، إلا أن خلط هذه الغازات مع باقي الهواء المضغوط يؤدي إلى خفض هذه الدرجة إلى الحدود المناسبة، كما يقوم جزء آخر من الهواء بتبريد جدران غرفة الاحتراق. وتتجه هذه الغازات إلى نهاية المحرك حيث تنطلق من فوهته بأقصى سرعة فتنتج الدفع المطلوب.

يتضح من هذا أن إنتاج الدفع في المحركات النفاثة يعتمد على زيادة سرعة كمية من الغازات داخل المحرك، ولكن هناك كمية كبيرة من الطاقة الحرارية في غازات العادم لا يتم استغلالها. ويفقد المحرك هذه الطاقة نتيجة خروج تلك الغازات من فوهة المحرك بدرجة حرارة عالية. أما إنتاج الدفع بوساطة المراوح، فيعتمد على حركة كمية كبيرة من الهواء بسرعة قليلة، ولا يدع مجالا لفقد كمية كبيرة من الطاقة في الهواء. وبهذا فإن استخدام المراوح يقلل من كمية الطاقة المفقودة ويحقق كفاءة أعلى في إنتاج قوة الدفع.

وبالنظر إلى قوة الدفع التي نحصل عليها من المحركات النفاثة فسنجد أن لها قيمة ثابتة تقريبا مهما تغيرت سرعة الطيران. أما قدرة الدفع الناتجة من المراوح فإنها تتعرض لهبوط حاد عند زيادة سرعة الطيران، وعليه فإن الطائرات التي تسير بالدفع النفاث تفوق في سرعتها الطائرات المروحية.

ويتم قياس قوة دفع المحركات النفاثة في غرفة قياس ذات تجهيز خاص يسمح بضبط الظروف المحيطة بالمحركات بحيث تحاكي خصائص الهواء في طبقات الجو العليا التي يطير إليها المحرك، كما يندفع الهواء في هذه الغرفة إلى المحرك بطريقة مماثلة لما يحدث أثناء الطيران عند سرعات وارتفاعات مختلفة، وتقاس قوة دفع المحرك بوحدة الرطل أو النيوتن، وكمثال فإن المحركات الأربعة النفاثة التي تعمل في الطائرة البوينج 747 ينتج كل منها قوة دفع قدرها 51,600 رطل (230,000 نيوتن).



أنوع المحركات النفاثة
تقسم المحركات النفاثة إلى أربعة أنواع أساسية: 1- محرك توربيني نفاث، 2- محرك توربيني مروحي، 3- محرك توربيني تضاغطي مروحي، 4- محرك نفاث تضاغطي. ووجه الاختلاف بين المحركات السابقة يعتمد على مدى إسهام الدفع النفاث؛ أي دفع تيار الغازات المنطلقة من فوهة المحرك بالنسبة للدفع الكلي للمحرك. ففي المحرك التوربيني المروحي تنشأ معظم قوة الدفع من دفع مروحي، ولا تمثل قوة الدفع النفاث أيضًا النصيب الأكبر من الدفع الكلي للمحرك التوربيني التضاغطي المروحي. وهناك أيضا أوجه أخرى للاختلاف بين تلك المحركات مثل طريقة زيادة ضغط الهواء بداخل كل منها.



التوربين النفاث. يعد أول أنواع المحركات التي استخدمت في تغذية الطائرات النفاثة بالقدرة على الطيران، ولاتختلف الأنواع الأخرى من المحركات النفاثة عن التوربين النفاث إلا في بعض الإضافات.

وفي هذا المحرك يتم اندفاع الهواء من خلال أنبوب إدخال ليصل إلى الضاغط. وقد أصبحت وظيفة أنبوب الإدخال أكثر تعقيدًا بعد أن زادت سرعة المحركات النفاثة في بعض الطائرات الأخرى عن سرعة الصوت، حيث تؤدي هذه الزيادة في السرعة إلى انتشار موجات تصادمية في الهواء عند دخوله المحرك. وتحد هذه الموجات التصادمية ـ بشكل كبير ـ من سريان الهواء إلى الضاغط. ويمكن للتوربين النفاث تقليل تأثير هذه الموجات بالتعديل المستمر للشكل الداخلي لأنبوب الإدخال.

ويقوم الضاغط برفع ضغط الهواء داخل المحرك، وتتشابه ضواغط المحركات التوربينية في هيكلها مع التوربينات (كمعدة دوارة). وهناك نوعان من الضواغط يمكن أن يزود بأحدهما المحرك النفاث، حيث يختلف اتجاه سريان الهواء في كل منهما، فإما أن يكون ضاغطًا محوري السريان أو ضاغطًا مركزي السريان.

ويتكون الضاغط المحوري السريان من عدة عجلات دوارة، يثبت في كل منها مجموعة من الرِّيَش الصغيرة التي تأخذ شكل الأجنحة كما في حالة المروحة الكهربائية. وهذه العجلات مرتبة على التوالي بعضها خلف بعض على امتداد عمود الضاغط الذي يدور بسرعة كبيرة حول محوره. وبين كل عجلتين متواليتين دوارتين توضع مجموعة ثابتة من الريش مثبتة في الجسم الخارجي للضاغط. وعند سريان الهواء في اتجاه يوازي محور الضاغط، ينحصر الهواء بين ريش العجلات الدوارة والريش الثابتة فيرتفع ضغطه. ويمكن أن يرتفع ضغط الهواء الخارج من بعض الضواغط المحورية إلى حوالي 30 ضعف ضغط الهواء الداخل إليها.

ويكبس ضاغط السريان المركزي الهواء في اتجاه مركز عجلة سريعة الدوران، ثم يدفع الهواء في اتجاه الطوق الخارجي للضاغط. ولا يسمح تصميم الضاغط المركزي بوجود عدة صفوف أو مراحل متتالية من العجلات كما هو الحال في الضغط المحوري. ولهذا فإن أقصى ارتفاع في ضغط الهواء يمكن أن يحدثه هذا الضاغط هو ستة أضعاف الهواء الخارجي.

وبعد خروج الهواء من الضاغط يتجه إلى غرفة الاحتراق حيث يختلط جزء منه، تتراوح نسبته بين 25 و40 في المائة من الهواء الكلي، مع الوقود الذي يحقن ويحرق فيه. وباحتراق الوقود تزداد درجة الحرارة وضغط الغازات الناتجة من الاحتراق. وباختلاط هذه الغازات مع باقي الهواء القادم من الضاغط تنخفض درجة حرارتها بدرجة معقولة. وباندفاع تلك الغازات الساخنة إلى التوربين فإنها تدفع عجلات ريش التوربين إلى الدوران، فتنتج القدرة المطلوبة بحيث تدفع الضاغط الأمامي إلى الدوران معها.

ثم تتجه غازات الاحتراق بعد دفعها للتوربين إلى فوهة المحرك. وبهذا فإن الهدف من الأجزاء المختلفة للمحرك النفاث هو رفع طاقة الغازات عند فوهة المحرك لتحقق عند انطلاقها قوة الدفع المطلوبة. وتصل سرعة الغازات عند خروجها من فوهه توربين نفاث إلى 1,600 كم في الساعة. وفي التوربينات المصممة لسرعة أقل من سرعة الصوت تضيق مساحة الفوهة تدريجيًا حتى فتحة الانطلاق. أما بالنسبه للفوهات المصممة لسرعات أكبر من سرعة الصوت فإن فوهتها تضيق ثم تتسع مرة أخرى حيث يساعد اتساع الفوهة مرة أخرى على زيادة سرعة الغازات عن سرعة الصوت عند خروجها.

تستخدم بعض التوربينات النفاثة نبائط إضافية تسمى الحارقات اللاحقة لزيادة قوة دفع المحرك في فترات زمنية قصيرة. وتوضع الحارقات اللاحقة بين التوربين وفوهة خروج الغازات. ولأن هذه الغازات تحتوي على نسبة عالية من الأكسجين، فإن هذا يتيح استغلالها في حرق كمية إضافية من الوقود في الحارقة اللاحقة مما يرفع كثيرا درجة الحرارة. وهذا يمثل إضافة طاقة أخرى إلى تلك الغازات، فتعمل على تحقيق زيادة في السرعة تحقق للمحرك قدرًا كبيرًا من قوة الدفع. ولكن استخدام الحارقة اللاحقة يؤدي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الوقود، ولهذا يقصر استخدامها على فترات زمنية قصيرة، حيث يمكن استخدامها في الصعود السريع أو الرأسي أو أثناء القيام بالمناورات.

تستخدم الطائرات العسكرية المحركات النفاثة لإمدادها العاجل بالقدرة اللازمة لها. فالطائرة الأمريكية النفاثة (نورثروب اف ـ5 إي) تستخدم محركين من النوع التوربيني النفاث ذي الحارقة اللاحقة حيث ينتج كل منهما قوة دفع تعادل 15,600 نيوتن أو(3,500 رطل). وعند استخدام الحارقة اللاحقة تصل قوة دفع كل محرك إلى 22,200 نيوتن أو (5,000 رطل). وهناك بعض طائرات الركاب الصغيرة التي تستخدم أيضًا التوربين النفاث.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:41 AM
التوربين المروحي. هو في الأساس توربين نفاث و لكن يتم استغلال معظم القدرة الناتجة منه في إدارة مروحة. ويتشابه مع التوربين النفاث في أنه يتكون من ضاغط ثم غرفة احتراق ثم توربين، ولكن يضاف إليه توربين آخر في مؤخرة التوربين الذي يدوّر الضاغط. وتدير غازات الاحتراق هذا التوربين الثاني، ويسمى توربين القدرة الذي يغذي بالقدرة الناتجة منه عمود دوران المروحة من خلال صندوق تروس.

وبعد استنفاد الجزء الأكبر من طاقة غازات الاحتراق في إدارة توربين القدرة الذي يدير المروحة، يمكن استغلال ما تبقى منها من طاقه باندفاعها بسرعة محدودة من فوهة المحرك، فتضيف قدرًا ضئيلاً من قوة الدفع إلى الدفع المروحي، حيث يكون الاعتماد الأساسي في هذه الحالة على الدفع الناشئ من دوران المروحة.

تتميز التوربينات المروحية بالسلاسة في إدارتها، كما أنها اقتصادية في استهلاكها، وتتميز أيضا بقلة الأعطال، ولكن يعيبها عدم القدرة على الطيران بسرعة تزيد على سرعة الصوت. وهي أصغر حجما و أخف وزنا من المحركات المكبسية التي تعطي نفس القدرة، ولهذا فإنها تستخدم في طائرات النقل الضخمة، وكذلك طائرات الركاب الصغيرة والمتوسطة، كما تستخدم في إدارة مراوح الطائرات المروحية، وتسمى في هذه الحالة التوربينات الغازية


التوربين التضاغطي المروحي. هو أيضا توربين نفاث يستخدم جزءًا من قدرته في إدارة ضاغط مروحي كبير موضوع في مقدمة المحرك داخل ظرف كبير يحيط بهذا الضاغط. يدور هذا الضاغط سريعًا مدفوعًا بوساطة توربين مشابه للمستخدم في التوربين المروحي. ويُدْخِل إلى المحرك كمية من الهواء، حيث يتم ضغطه، ثم يحقن فيه الوقود ويُحرَق، ثم يمر على التوربين فيعطي أثناء خروجه من فوهة المحرك قدرًا من قوة الدفع، إلا أن الجزء الأكبر من الهواء الذي يدفعه الضاغط المروحي يمر حول المحرك. وباستغلال اندفاعه إلى الخلف فإنه ينتج دفعًا آخر يضاف إلى دفع غازات الاحتراق. وباستخدام هاتين الطريقتين للحصول على قوة دفع من مصدرين مختلفين، فإن كفاءة هذا التوربين يمكن أن تقترب من كفاءة التوربين المروحي دون الإخلال بقدرة التوربينات النفاثة على الطيران بسرعة أكبر من سرعة الصوت. ويمكن تجهيز هذه التوربينات أيضًا بحارقة لاحقة تعمل على رفع قوة دفع هذه المحركات عند اللزوم.

من المميزات التي يحققها استخدام هذا النوع من المحركات انخفاض درجة الضوضاء التي يحدثها أثناء التشغيل، حيث يعتمد مستوى الضوضاء في المحركات النفاثة على سرعة خروج تيار غازات العادم من فوهة المحرك. وحيث إن سرعة خروج الغازات من التوربين ذي الضاغط المروحي تقل عن سرعة الغازات من التوربين النفاث، فإن أداء هذا التوربين أكثر هدوءًا من التوربين النفاث.

وتعد التوربينات ذات الضاغط المروحي أكثر المحركات النفاثة شيوعًا. فهي التي تستخدم في الطائرات البوينج 747، كما تستخدم في كل الطائرات الكبيرة التي تعمل على الخطوط الجوية، وفي تغذية الطائرات العسكرية النفاثة بالقدرة اللازمة لها.



المحرك النفاث التضاغطي. يعد أبسط أنواع المحركات النفاثة. وهو بصفة أساسية محرك توربيني نفاث بدون توربين أو ضاغط، حيث يدخل الهواء إلى المحرك مع الطيران. وأثناء مروره في مساره في أنبوب الإدخال يتم إبطاء تدفقه، فيرتفع ضغط الهواء داخل المحرك بالتأثير التراكمي؛ أي باستخدام اندفاع الهواء الجوي إلى المحرك في الضغط على الهواء عند المدخل أثناء طيران المحرك بسرعات عالية. ثم تحقن كمية من الوقود في هذا الهواء المضغوط، وبهذا يمكن الحصول على غازات ذات طاقة عالية، فيتم زيادة سرعتها لتطلق من فوهة المحرك محققة قوة الدفع المطلوبة. ونتيجة بساطة مكونات النفاث التضاغطي فقد أطلق بعض العلماء عليه اسم الشعلة الطائرة. ولا تستطيع النفاثات التضاغطية أن تؤدي عملها عند طيرانها بسرعة أقل من سرعة الصوت. ويعد هذا عيبًا أساسيًا في استخدامها، حيث يجب أن تفوق سرعتها سرعة الصوت حتى يحدث عند مدخل الهواء تأثير تضاغطي يكون قادرا على رفع الضغط بداخلها إلى القدر الذي يسمح للمحرك بأن يؤدي عمله. ولهذا يلزم استخدام صاروخ أو محرك توربيني آخر يدفع المحرك النفاث التضاغطي في البداية حتى يصل إلى سرعة تشغيل تفوق سرعة الصوت.

عمومًا فإن المحرك النفاث التضاغطي لا يستخدم في الطائرات، ولكن له تطبيقات خاصة مثل استخدامه في دفع المعدة الأمريكية المسماة تيليدين ريان فيربراند. وهي تستخدم كهدف طائر يسير بسرعة تفوق سرعة الصوت، ويتم التحكم فيه عن بعد ليحاكي القذائف المضادة للقطع البحرية أثناء التدريب.



تطور المحركات النفاثة

أول طائرة نفاثة الطائرة الألمانية هينكل هي ـ 178، وكان أول طيران لها في 27 أغسطس عام 1939، وقد قام الفيزيائي الألماني فانز فون أوهين بتصميم محرك توربيني نفاث لهذه الطائرة.
يتكون المحرك النفاث الصغير الذي قام العالم هيرو الإسكندري بإنشائه عام 60 م من كرة جوفاء يتدفق من داخلها بخار ماء من خلال فوهتين في جهتين متقابلتين منها، ويؤدي انطلاق البخار من هاتين الفوهتين إلى دورانها بنفس الطريقة التي يؤدي بها اندفاع الماء من رشاشات الري المحورية إلى دورانها حول نفسها. وقد زادت معدلات تطور المحرك النفاث واستخداماته في دفع الطائرات نتيجة للتوتر المتزايد الذي أدى إلى قيام الحرب العالمية الثانية (1939 - 1945م). فقد تم طيران أول طائرة نفاثة في ألمانيا وأطلق عليها اسم هينكل عام 1939م وكانت تُغَذَّى بمحرك نفاث وضع تصميمه الفيزيائي الألماني هانز فون أوهين، وفي إيطاليا تم بناء وطيران الطائرة النفاثة كابروني ـ كامبيني (س س 2) عام 1940م.

ولم تتمكن أي من هاتين الطائرتين من إثبات قدرتهما العملية، وسرعان ما ظهرت الطائرة النفاثة جلوستر 28/39 الأكثر تطورًا، وقد لاقت نجاحًا أكثر من سابقتيها على يد فرانك ويتل، وهو من ضباط السلاح الجوي الملكي في بريطانيا، وقد تم أول طيران عملي لها عام 1941م.

وقد كان لألمانيا السبق في استخدام المحركات النفاثة لدفع القذائف الموجهة أثناء الحرب العالمية الثانية، ثم قامت الولايات المتحدة في عام 1947م ببناء الطائرة بل إكس ـ1، وهي أول طائرة تطير بسرعة تفوق سرعة الصوت باستخدام الدفع الصاروخي.

بدأ استخدام التوربينات النفاثة والتوربينات المروحية في تغذية طائرات الخطوط الجوية التجارية بالقدرة خلال الخمسينيات من القرن العشرين. وفي نفس الوقت اعتمد دفع القذائف الموجهة الأمريكية مثل البومارك والتولوز على النفاثات التضاغطية. وفي الستينيات حلت التوربينات التضاغطية المروحية محل التوربينات النفاثة في الطائرات التجارية والعسكرية.

وقد انتشر استخدام التوربينات التضاغطية المروحية خلال السبعينيات نتيجة ارتفاع كفاءتها وهدوء تشغيلها. وقد أجريت أبحاث مكثفة خلال السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين لتطوير عمل المحرك النفاث التضاغطي كوحدة دفع للقذائف الموجهة. ويعمل الباحثون، اليوم، على زيادة كفاءة المحركات النفاثة مع تقليل تكلفتها والحد من درجة التلوث الذي ينبعث منها.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:42 AM
القوة المائية



القوة المائية مصدر نافع للطاقة. فعندما يحترق الوقود مثل الفحم الحجري والنفط ـ بل وحتى الوقود النووّي ـ ليكون مصدرًا للطاقة فإنه لا يمكن إعادة استخدام ذلك الوقود مرة أخرى. من أجل ذلك تم التفكير في استخدام الماء طاقة غير مستهلكة عن طريق تدفقه المستمر في الأرض من أجل إنتاج قدرة ميكانيكية وكهربائية مفيدة.

وكانت العجلات المثبتة، على قاعدة فوق أحد الأنهار، من الوسائل الأولى المستخدمة لاستغلال القدرة المائية. وكانت الرفاصات الموجودة خارج العجلات مغمورة في الماء بحيث ترتطم بها المياه المتدفقة، فتدير العجلات. وكان الرومانيون القدماء يصلون السواقي بأحجار الرّحى، ويستخدمون القدرة الناتجة في طحن الحبوب.

وخلال الثورة الصناعية، كانت السواقى الضخمة تُستخدم لإدارة الآلات في المصانع. وعلى أية حال، لم تكن تلك القدرة مما يمكن الاعتماد عليها كلية، إذ كانت مياه الفيضان تُعطي قدرة أكبر من الحاجة، كما أن الجفاف كان يترك المصانع بدون قدرة. وبحلول نهاية القرن التاسع عشر الميلادي حل المحرك البخاري محل القدرة المائية في معظم المصانع. وفي عام 1882م، تم بناء أول محطة تُدار بالقدرة المائية لتوليد الكهرباء في بلدة بولاية وسكنسن في الولايات المتحدة الأمريكية. وكانت هذه المحطة الكهرومائية قد أثبتت أن القدرة المائية مصدر مهم للكهرباء. وتستخدم القدرة الكهرومائية الآن في كل أنحاء العالم. وكثير من محطات القدرة الكهرومائية مضمومة مع محطات القدرة الحرارية (تلك التي تستخدم الوقود). وبهذا الضم يمكن لمحطة القدرة الحرارية، أن توفر الطاقة إذا ما تأثرت المحطات الكهرومائية بالجفاف. ومحطات القدرة الكهرومائية مفيدة على وجه الخصوص في إنتاج الكهرباء أثناء الفترات التي تكون فيها الحاجة شديدة لها، حيث يمكن تشغيلها وإيقافها بسرعة



ميكانيكا القدرة المائية. لايمكن للماء أن يُنتج القدرة، مالم يكن ينساب من مكان مرتفع إلى مكان منخفض، مثلما يحدث في حالة النهر أو الشلال أو السدّ. ويستخدم الناس تأثير الجاذبية (الجذب الذي تمارسه الأرض على الأشياء) لسحب الماء إلى أسفل، عندما يسخرون الماء لإنتاج القدرة. ففي النظام المتري للقياس على سبيل المثال، نجد أن كل متر مكعب من الماء يزن طنًا متريًا واحدًا. وعلى ذلك فإن شد جاذبية الأرض يحدث ضغطًا مقداره 100 طن متري لكل متر مربع، عند قاع كتلة من الماء ارتفاعها 100متر. وإذا ما تم إطلاق هذا الماء من خلال فوهة من عند قاع مصدره فإن تدفق الماء سوف يتحرك بسرعة حوالى 80م في الثانية. وتتسبب قوة هذا التدفق عند ارتطامه برفاصات الساقية في تدوير الساقية، لتُنْتِج طاقة ميكانيكية.

وفي النظام المتري يتم قياس القدرة بالواط. والكيلو واط (1000واط)، هو القدرة اللازمة لرفع متر مكعب من الماء عبر مسافة متر واحد في الثانية. ويتم حساب قدرة الشلال بالكيلو واط بضرب تدفق الماء بالأمتار المكعبة لكل ثانية، في ارتفاع السقوط بالأمتار. وبالنسبة لشلال ارتفاعه 100 متر وله تدفق مقداره 10م§ في كل ثانية فإن القدرة الكامنة الكافية (أقصى قدرة ممكنة) هي 100 × 10، أو 1,000 كيلو واط.

غير أنه لابد من استخدام نظام ميكانيكي، من أجل الحصول على طاقة مفيدة من قدرة الشلال. ولا يمكن لأي نظام ميكانيكي الاستفادة من كل القدرة الكامنة. ويتم حساب القدرة التي يقوم النظام الآلي بتطويرها عن طريق ضرب القدرة الكامنة لسقوط الماء، في النسبة المئوية للقدرة الكامنة التي يستخدمها النظام.



الإنتاج العالمي للقدرة المائية. تبلغ القدرة المائية الكامنة في العالم حوالي 2,25 بليون كيلو واط من القدرة الكهربائية. وهذا تقدير عام حيث إنه لم يتم حتى الآن قياس تدفق كثير من الأنهار الكبيرة. ولقد تم استثمار حوالي 600 مليون كيلو واط من تلك القدرة الكامنة.

ويوجد لدى الولايات المتحدة الأمريكية حوالي سدس القدرة المستثمرة، في حين يوجد لدى كندا وأستراليا وأوروبا معظم بقية القدرة المستثمرة. أما القدرة في آسيا وإفريقيا وأمريكا اللاتينية فما زالت في مرحلة بداية الاستثمار.

ومن أكبر محطات القدرة الكهرومائية العاملة في العالم محطة جراند كولي على نهر كولومبيا في الولايات المتحدة الأمريكية، ومحطة سايانو شو شنسك على نهر الينيسي في الاتحاد السوفييتي (سابقًا). ولكل من هذه المحطات قدرة على إنتاج 6,5 ملايين كيلو واط، وسيكون لمحطة طاقة إيتايبو في البرازيل وباراجواي على نهر بارانا قدرة مقدارها حوالي 12,5 مليون كيلو واط عندما تكتمل في التسعينيات من القرن العشرين الميلادي

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:44 AM
الطاقة الشمسية
Solar energy



الطاقة الشمسية طاقة تطلقها الشمس، وتتألف من ضوء الشمس و حرارتها وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغنطيسي. وتنتج الطاقة الشمسية التفاعلات النووية التي تحدث داخل الشمس. وترسل الشمس في كل 40 دقيقة كمية من الطاقة مساوية للطاقة التي يستهلكها جميع سكان الأرض خلال سنة كاملة. ويستخدم الناس جزءًا من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض بصورة مباشرة. ويطور العلماء طرقاً جديدة لاستغلال الطاقة الشمسية واستخدامها عند الحاجة



كيف تؤثر الطاقة الشمسية على الأرض
الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة لجميع أنواع الحياة على الأرض. وتعتمد الحياة على الشمس، تستمد منها الحرارة والضوء، وتعتمد أيضاً عليها لإمدادها بالغذاء، إذ تستخدم النباتات الطاقة الشمسية لإنتاج الغذاء خلال عملية التركيب الضوئي و تأكل الحيوانات النباتات، والحيوانات بدورها تأكلها حيوانات أخرى.

تجعل الطاقة الشمسية مناخ الأرض في تغيّر مستمر. فعلى سبيل المثال، يحدث المطر عندما يتبخر الماء بوساطة حرارة الشمس، ثم يتكثف ويسقط مرة أخرى على الأرض. وتحدث الرياح بسبب أن أشعة الشمس أقوى عند خط الاستواء منها عند القطبين. ولذلك فهي تسخن الهواء في المناطق الاستوائية فيرتفع، مما يتيح الفرصة للهواء البارد من المناطق القطبية ليحلّ محله. وهذه التحركات تسبب تيارات هوائية تدور حول الأرض. وتتأثر هذه التيارات بدوران الأرض، وهيئة سطح اليابسة، واختلاف كمية الرطوبة في الجو. وبالطريقة نفسها تتكون تيارات المحيطات بوساطة الرياح وتدفئة الشمس للمياه الاستوائية مما يؤدي لسريان المياه القطبية الباردة تحتها



الطاقة الشمسية المختزنة
يمكن النظر إلى التساقط والرياح وتيارات المحيطات جميعها على أنها طاقة شمسية مختزنة. ويصب كثير من المطر النازل على الأرض في الأنهار. وتجمع محطات القدرة الكهرومائية التي تُبنى على ضفاف الأنهار طاقة المياه المتحركة. ويستخدم الناس الرياح لتحريك المراكب الشراعية والطواحين الهوائية. ويمكن إنشاء مجموعة كبيرة من الطواحين الهوائية تسمى حقول الرياح لتوليد الكهرباء في المناطق التي تكون فيها الرياح مستقرة وقوية. ويطور العلماء والمهندسون طرقاً لاستخدام طاقة أمواج المحيطات، كما يقومون بدراسات للاستفادة من الطاقة الحرارية في مياه المحيطات.

والطاقة الشمسية مختزنة أيضًا في النباتات والحيوانات. ويمكن استخدام هذه الطاقة بعدّة طرق مختلفة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تُحرق الأشجار كحطب للوقود. ويمكن تخمير الغلال كالذرة وقصب السكر لإنتاج الكحول، وهو وقود شبيه بالبترول. والنفط والفحم الحجري والغاز الطبيعي أنواع من الوقود تكوّنت من بقايا النباتات التي عاشت قبل ملايين السنين، لذلك فهي تحتوي على طاقة شمسية كانت مختزنة في الأرض منذ عهود بعيدة. وما لدينا من هذا الوقود يتضاءل بمرور الزمن. لذا فإن الناس يعملون على زيادة الاستخدام المباشر لطاقة الشمس.



أسر الطاقة الشمسية
اخترع الناس عدة طرق لاستخدام الطاقة الشمسية بصورة مباشرة. وتشمل هذه الاستخدامات، تسخين المياه، وتدفئة المباني وتبريدها، وتوليد الكهرباء وطبخ الطعام.



كيف تسخن الطاقة الشمسية البيت
التسخين الشمسي. يسخن كثير من الناس في المناطق الدافئة الماء بسخانات دفعية بسيطة قليلة التكلفة. ويتألف السخان الدفعي بصورة رئيسية من صهريج معزول مع عدة طبقات من الزجاج تغطي جانب الصهريج المتجه نحو الجنوب. ويصبغ المصنعون الجزء الخارجي من الصهريج باللون الأسود، وذلك لأن اللون الأسود يمتص ضوء الشمس أكثر من الألوان الأخرى. وتحوّّل السطوح السوداء أشعة الشمس إلى حرارة تسخن المياه. ويمنع الزجاج الجزء الأكبر من الحرارة من التسرب من الصهريج. ويرتفع الماء الساخن إلى أعلى الصهريج ويسير من هناك مباشرة إلى الصنبور.

وتُُستخدم نبائط تسمى المجمعات المستوية الألواح لتسخين الماء والهواء داخل المباني. ويتألف المجمع المستوي اللوح بصورة رئيسية، من صندوق معزول مغطى بطبقة واحدة أو عدة طبقات من الزجاج النظيف أو البلاستيك. وفي داخل الصندوق لوح من حديد أسود أو بلاستيك أسود. ويمتص اللوح أشعة الشمس ويحولها إلى حرارة تحبس تحت الزجاج. ويدور الهواء أو الماء أو سائل آخر خلال أنابيب ملتحمة مع اللوح ويمتص الحرارة من اللوح، ثم ينساب الماء الساخن إلى مبادل حراري حيث ينقل حرارته الى الماء. ويُخزن الماء الساخن في صهريج يُضخ منه إلى الصنابير في البيت.

وتستخدم مبانٍ عديدة أنظمة الطاقة الشمسية المنفعلة لتسخين الهواء. ولهذه المباني، في معظم الحالات، نوافذ واسعة باتجاه الجنوب لأسر الحرارة. وأثناء النهار يمر ضوء الشمس خلال هذه النوافذ ويسخّن الجدران والأرضيات المصنوعة من الحجر أو الطوب. وتطلق هذه الجدران والأرضيات الحرارة أثناء الليل. ويمكن تخزين مزيد من الحرارة بوضع الماء أو بعض المواد متغيرة الطور داخل الجدران. وتنصهر المواد متغيرة الطور عند درجة حرارة الغرفة تقريباً. وعند انصهارها، تخزن هذه المواد كميات كبيرة من الطاقة. انظر: الحرارة. وتطلق هذه المواد فيما بعد هذه الحرارة عندما تصبح صلبة مرة أخرى. وفي المباني التي تحتوي على أنظمة طاقة شمسية سلبية، تساعد الأغطية والستائر العازلة على حفظ الحرارة ومنعها من التسرب خلال الشبابيك أثناء الليل.


التكييف الشمسي. تستخدم أغلب أنظمة التكييف الشمسي مجمّعات شمسية ومواد خاصة تسمى المجفّفات باستطاعتها أن تمتص كميات كبيرة من الماء. وتبدأ عملية التكييف عندما تدفع المراوح الهواء من الخارج خلال المجفّفات التي تزيل الرطوبة من الهواء. ويسير بعدها الهواء خلال عجلة دوارة تعمل كمبادل حراري يزيل الحرارة. ويمر الهواء بعدها فوق سطح مبلل بالماء. وعندما يلامس الماء الهواء الجاف يتبخر ويمتص مزيداً من الحرارة من الهواء. ويمرّ الهواء البارد خلال المبنى، وعندما يغادر الهواء المبنى يسخنه المجّمع الشمسي مرة أخرى. ويُجفِّف المجفف بدفع الهواء الساخن خلاله مرة أخرى، وتبدأ العملية من جديد.



إنتاج الكهرباء. يمكن استخدام الطاقة الشمسية المباشرة لتوليد كهرباء. ويُستخدم نوعان أساسيان من النبائط لهذا الغرض هما الخلايا الضوئية ومجمّعات الحرارة العالية.

الخلايا الضوئية الفلطية. وتسمى كذلك الخلايا الشمسية. تتألف من شرائح رقيقة من مواد شبه موصلة. انظر: شبه الموصل. عندما تسطع الشمس على الخلايا الضوئية الفلطية، فإن هذه الخلايا تغيّر جزءاً من الطاقة الشمسية الساقطة عليها إلى طاقة كهربائية. ويمكن استخدام صف من هذه الخلايا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. وتُستخدم الخلايا الضوئية في معظم الأقمار الصناعية وفي بعض الحاسبات الإلكترونية.

مجمعات الحرارة العالية.وتسمى أيضاً الأفران الشمسية. تولد هذه المجمّعات كميات كبيرة من الكهرباء. وفي أحد أنواع مجمعات الحرارة العالية، يركِّز عدد كبير من المرايا المسطحة أو المنحنية قليلاً أشعة الشمس على هدف، مثل قطعة فلزية. ويُضخّ سائل مثل الماء، داخل الهدف حيث يسخن. ويحمل البخار أو الغاز الناتج من تسخين السائل الطاقة الحرارية إلى التوربينات التي تولد الكهرباء.


الطبخ الشمسي. يتم الطبخ الشمسي باستخدام عاكسات مكافئية الشكل (على شكل صحن) لتركيز أشعة الشمس على الطعام أو على القدر الذي يحتوي عليه. ويمكن كذلك استخدام الفرن الشمسي وهو صندوق معزول يحتوي على نافذة وعدة سطوح عاكسة داخلية. ويسخن الفرن عندما توضع النافذة باتجّاه الشمس.



نبذة تاريخية

أستراليا متقدمة جدًا في استخدام الطاقة الشمسية حيث يقوم مجمّع أشعة الشمس بمنطقة هوايت كليف، بنيوساوث ويلز بمدها بالطاقة لتوليد الكهرباء للمدينة.
استفاد الناس من الطاقة الشمسية منذ العهود القديمة. ففي القرن الخامس ق.م كان الإغريق يعرفون أن الكرات الزجاجية الممتلئة بالماء تستطيع أن تركّز أشعة الشمس وتشعل النيران. وبحلول القرن الثالث ق.م استخدم الإغريق والصينيون المرايا المنحنية لتركيز أشعة الشمس لإشعال النار. و في الفترة الواقعة بين القرن العاشر الميلادي وسنة 1300م كان هنود الأناسازي ـ الذين عاشوا في الجنوب الغربي للولايات المتحدة ـ يبنون بيوتهم بجدران ضخمة من الحجارة أو الطوب على الجهة الجنوبية للبيت. وكانت هذه الجدران تمتص الحرارة خلال النهار وتُشُّعها خلال الليل.

وتطورت مجمعات اللوحات المستوية الحديثة من التجارب الأولية على الصناديق الحارة. وبنى العالم السويسري هورس بيندكت دي سوسير أول صندوق حراري في سنة 1767م، مستخدماً صندوقاً خشبياً مغطى بالزجاج، مع عازل من الفلين، لتجميع ضوء الشمس. وطوّر المهندس الأمريكي ويليم ج. بيلي أول مجمع لوحي مسطح حديث في كاليفورنيا سنة 1909م.

وفي سنة 1940م، بنى المهندس المعماري الأمريكي جورج فرد كيك أول بيت شمسي سلبي في إحدى ضواحي مدينة شيكاغو، وغطى الجزء الأكبر من الجدار الجنوبي بنوافذ مصنوعة من طبقتين من الزجاج بينهما طبقة رقيقة من الهواء محبوسة بإحكام. وفي عام 1954م، صنع مهندسو معامل بل للهاتف خلية ضوئية فلطية ذات كفاءة عالية.

وخلال السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين الميلادي، أدى النقص في البترول والغاز الطبيعي إلى تطوير تقنية الخلايا ذات الكفاءة الأفضل. وفي بعض مناطق العالم أصبحت البيوت الشمسية الجديدة بديلاً اقتصادياً عن البيوت التي تدفأ بوساطة الغاز أو الكهرباء. يعتقد المختصون أن استخدام الناس للطاقة الشمسية المباشرة في زيادة مطردة. وإنتاج الأجهزة الشمسية بالجملة وتطوير أجهزة أفضل، سوف يحسِّن باطراد الميزات الاقتصادية لاستخدام الطاقة الشمسية المباشرة.




البيوت المحمية تمكن الناس من زراعة النبات طوال العام. تحمي المباني النبات من تقلبات الجو، وتهيئ الحرارة والضوء والرطوبة المطلوبة لنموِّه.
البيوت المحمية مبان يمكن للناس فيها زراعة النباتات طوال العام. صُنِعَت حوائطها وسقوفها من الزُّجاج أو البلاستيك. ويُعدُّ البيت المحمي شكلاً من أشكال بيئة الزراعة المحميَّة حيث يمكن تنظيم درجة الحرارة والضوء والرطوبة والتربة والشُّروط الأخرى الضرورية لنموِّ النبات. وتُسمَّى البيوت المحمية أحيانًا البيوت الحارة أو البيوت الزجاجية، كما يطلق عليها أحيانا الصُّوبات.

وتُزرع الزهور والشُّجيرات وأنواع النباتات الأخرى في البيوت المحمية، كما تنمو أنواع من الخضراوات مثل الخيار والخسِّ والطماطم في هذه المنشآت، وتُباع في غير موسمها الطبيعي للمستهلكين.

صُمِّمت سطوح البيوت المحمية لتسمح بأكبر قدر من أشعة الشمس. فهي تحتجز حرارة الشمس، وتتسرب الحرارة للخارج خلال السًَّقف والحوائط ببطء شديد. وتمثل هذه العملية طريقة احتفاظ التربة بالحرارة باحتجاز الحرارة المأخوذة من الشمس. وفي الحقيقة، فإن العلماء يستخدمون مصطلح تأثير البيوت المحمية لعملية تسخين التُّربة.

أما في الأجواء الباردة، فإن الأفران تقدِّم مزيدًا من الحرارة للبيوت المحمية، فترسل البخار والماء الساخن، أو الهواء السَّاخن من خلال أنابيب لتدفئة المباني. وقليل من البيوت المحمية يحتوي على سخَّان شمسي خاص يقوم بامتصاص طاقة حرارة الشمس وتحويلها إلى ماء في خزان قوي، بين أرضيَّة البيوت المحمية، وتقوم المياه الساخنة المخزونة بتسخين البيوت المحمية في الليالي الباردة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:52 AM
اللون
Colour



اللون يملأ عالمنا بالجمال. فنحن نبتهج بألوان غروب الشمس البهيّ وباللون الأحمر اللامع واللون الأصفر الذهبي لأوراق الخريف، ونُسْحَر ونُفتن بالنباتات الزهرية الجميلة وألوان قوس قزح المتلألئة.كما تؤدي الألوان دورًا مهمًا في إضافة البهجة والأهمية لحياتنا. فمثلا يختار كثير من الناس ألوان ملابسهم بعناية تامة، ويزينون منازلهم بألوان تحدث آثارا جميلة أو مسرة أو متعةً للناظرين. يحاول الفنانون جعل رسوماتهم أكثر واقعية وتعبيرًا باختيارهم وترتيبهم للألوان بتمعن.

تصلح الألوان وسيلة للاتصال والإخبار. ففي الرياضة توضِّح الألوان المختلفة لأزياء اللاعبين الفرق التي ينتمون إليها. في الطرق، تفيد إشارات المرور الحمراء السائقين الأمر بالوقوف، والخضراء السماح بالمرور. في الخريطة الملونة، يمكن أن يرمز اللون الأزرق للأنهار ومصادر مياه أخرى، واللون الأخضر للغابات والحدائق، واللون الأحمر للطرق.. إلخ.

تُستخدم أسماء الألوان في عدة تعبيرات شائعة لوصف الأمزجة والأحاسيس.

تؤدي الألوان أيضًا دورًا مهما في الطبيعة. فالألوان البراقة لعدد كبير من أكمام الأزهار تجذب نحوها الحشرات. ويمكن أن تساهم هذه الحشرات في تلقيح الأزهار، وبالتالي، تجعل النباتات تنتج بذورًا وثمارًا. وتجذب الفواكه الزاهية الألوان، العديد من أنواع الحيوانات آكلة الفواكه والتي تلفظ بذور الفواكه عبر الرَّوث، فتنبُت هذه البذور أينما وقع روثها. وبهذه الكيفية يمكن أن تنتشر النباتات المنتجة للفواكه انتشارًا طبيعيًا إلى مساحات جديدة.


الاتصال بوساطة الألوان. تستخدم الألوان عادة لتعبر عن الأمزجة ولتوصيل المعلومات. فاستخدام الألوان الزرقاء في لوحة الفنان بابلو بيكاسو المسماة عازف الجيتار العجوز ـ الشكل الأيمن أعلاه ـ يحدث شعورًا بالحزن والوحدة. تلفت الألوان المثيرة لإشارات النيون ـ الشكل العلوي الأيسر ـ انتباه الناس. وتساعد ألوان زي لاعبي كرة الرجبي ـ الشكل السفلي الأيسر ـ المشاهدين في معرفة الفرق التي ينتمي لها اللاعبون.
وتساعد الألوان بعض الحيوانات في جلب قرائن لها. فمثلا، ينشر الطاووس ريشه ذا الألوان الساطعة الزاهية عندما يغازل أنثاه. وتساعد ألوان عدد كبير من الحيوانات في الهروب وتفادي الأعداء. فمثلا، أرانب القطب الشمالي لها فراء ذات ألوان سمراء داكنة في الصيف. ويتحول لون فرائها في الشتاء إلى اللون الأبيض مما يجعل من الصعب رؤية الأعداء لهذه الأرانب في الثلج.

وبالرغم من أننا نتحدث عن رؤية الألوان أو الأشياء إلا أننا لا نراها حقيقة، بل نرى الجانب من الضوء الذي تعكسه أو تصدره هذه الأشياء.

تستقبل أعيننا هذا الضوء، وتحوله إلى إشارات كهروكيميائية. وتنتقل هذه الإشارات خلال أعصاب العين إلى الدماغ؛ الذي يترجمها صورًا ملونة. ومع ذلك مازال هناك الكثير الذي يجهله العلماء عن الكيفية التي تمكننا بها أعيننا وأدمغتنا من الإحساس بالألوان.



العلاقة بين الألوان والضوء

الطيف المرئي
لكي ندرك كيفية رؤية الألوان يجب علينا أن نعرف أولا شيئًا عن طبيعة الضوء. فالضوء صورة من صور الطاقة، وله سلوك مماثل لسلوك الموجات من أوجه مختلفة. وللموجات الضوئية مدى من الأطوال الموجية. والطول الموجي هو البعد بين أي نقطة في موجة والنقطة المناظرة لها في الموجة التالية. وتبدو لنا الموجات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة بألوان مختلفة. ويبدو الضوء الذي يحتوي على كل الأطوال الموجية بنفس النسب، كضوء الشمس، أبيض. وتوجد بعض الخلائط من الأطوال الموجية التي تبدو أيضًا بيضاء.
وعندما يمر شعاع من ضوء الشمس، خلال قطعة من الزجاج مُشكّلة بطريقة خاصة، تسمى المنشور، فإن الأشعة المختلفة للموجات تخرج منه منحنية بزوايا مختلفة. تحلل هذه الانحناءات ضوء الشمس إلى مجموعة من الألوان الزاهية. وتحتوي هذه المجموعة على كل ألوان قوس قُزَح وتُسمى الطيف المرئي. ويبدو الضوء بنفسجيًا عند أحد طرفي الطيف المرئي. ويمثل هذا الطرف البنفسجي أقصر طول موجي يمكن أن نراه. وعند الابتعاد عن هذا الطرف خلال الطيف، فإن الطول الموجي للضوء يزداد، ويبدو الضوء بالتدريج ـ أزرقَ ثم أخضرَ ثم أصفرَ ثم برتقاليًا ثم أحمرَ، ويكون الانتقال من لون لآخر بالتدريج حيث يتداخل كل لون مع الألوان المجاورة له من الطيف. ويمكن أن نرى لون الضوء ذي الطول الموجي الطويل أحمر قاتمًا.

والموجات الضوئية عبارة عن موجات كهرومغنطيسية، تتكون من أنماط من الطاقة الكهربائية والطاقة المغنطيسية. ويمثل الطيف المرئي جزءًا من الطيف الكهرومغنطيسي ـ الذي يحوي مدى الأطوال الموجية للموجات الكهرومغنطيسية. وتوجد الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما بعد الطرف البنفسجي وخارج الطيف المرئي، كما توجد الأشعة دون الحمراء والموجات الراديوية بعد الطرف الأحمر وخارج الطيف المرئي



الموجات الكهرومغنطيسية أنماط مرتبطة من القوى الكهربائية والمغنطيسية. تتولد هذه الموجات نتيجة لتذبذب الشحنات الكهربائية وحركتها للأمام وللخلف. وهي تنتقل خلال الفضاء بسرعة الضوء وهي 299,792كم في الثانية. وأبسط الموجات الكهرومغنطيسية هي الموجات المستوية التي تنتقل عبر الفضاء في خطوط مستقيمة. وتتغير شدة الموجة في الفضاء وعبر الزمن بقمم وقيعان متناوبة. وتُسمى المسافة من قمة إلى قمة بالطول الموجي.



الطيف الكهرومغنطيسي يتكون من نطاقات من الأطوال الموجية المختلفة. وأهم أنواع الموجات الكهرومغنطيسية مرتبة ترتيبًا تصاعديًا حسب الطول الموجي هي أشعة جاما، فالأشعة السينية، فالضوء فوق البنفسجي، فالضوء المرئي فالأشعة تحت الحمراء، فالموجات المتناهية الصغر، ثم موجات الراديو. ويبلغ طول أشعة جاما حوالي10-11 م بينما يبلغ طول بعض موجات الراديو الطويلة أكثر من 10,000كم.

ولكل أنواع الموجات الكهرومغنطيسية خواص الضوء المرئي. فهي تنعكس وتنتشر وتنكسر. ويكون اتجاه المغنطيسية في كل الموجات الكهرومغنطيسية عموديًا على اتجاه حركتها، بينما يكون اتجاه القوة الكهربائية عموديًا على اتجاه القوة المغنطيسية واتجاه حركة الموجات. وتساوي شدة القوة المغنطيسية دائمًا شدة القوة الكهربائية.



استخدامات الموجات الكهرومغنطيسية. يستخدم الأطباء أشعة جاما، التي يشعها الراديوم، في علاج السرطان. ويستخدمون كذلك الأشعة السينية لعلاج السرطان، كما يستخدمونها في تحديد مكان الاضطرابات الداخلية وتشخيصها. وتُستخدم الأشعة فوق البنفسجية في المصابيح الشمسية، وفي المصابيح الفلورية، وكمطهر. أما الموجات تحت الحمراء، التي تنبعث من الأجسام الساخنة، فتُستخدم في علاج الأمراض الجلدية، وصقل المينا. وتستخدم موجات المايكروويف؛ أي الموجات المتناهية الصغر، لطهو الطعام، بينما تُستخدم موجات الراديو في الإذاعة المسموعة والمرئية.

ويعتمد الاستخدام التقني للموجات الكهرومغطيسية على السهولة التي يمكن بها التعرف على الأطوال الموجية المختلفة وإنتاجها. ويرتبط الطول الموجي بمعدل اهتزاز الإلكترونات في مصدر الطاقة، فكلما كان الاهتزاز أبطأ ازداد الطول الموجي. وأسهل الموجات إنتاجًا هي الموجات الطويلة. وقد بدأ استخدام موجات الراديو في الاتصالات في أوائل القرن العشرين، ولم يحدث استغلال فعّال للموجات القصيرة إلا بعد تطوير بعض النبائط كالكلايسترون وهو نوع من أنواع صمامات الموجات الدقيقة انظر: الصمام المفرغ. وقد أدى تطوير الليزر في أوائل الستينات من القرن العشرين إلى استخدامات جديدة للموجات القصيرة. فعلى سبيل المثال، يمكن الليزر الأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء من نقل الرسائل الصوتية والإشارات التلفازية.



نبذة تاريخية. في عام 1864م توقع العالم الفيزيائي البريطاني كلارك ماكسويل وجود الموجات الكهرومغنطيسية. افترض ماكسويل أن المجالين المغنطيسي والكهربائي يعملان سويًا على إنتاج طاقة إشعاعية. وعرف الضوء على أنه أحد أنواع الموجات الكهرومغنطيسية كما توقع وجود موجات غير مرئية.

وفي عام 1887م أكد عالم الفيزياء الألماني هينريتش هرتز ما توقعه ماكسويل. فقد بيّن أن تذبذب شحنة كهربائية تنتج عنه موجات كهرومغنطيسية أطول بكثير من موجات الضوء المرئي. وقد قاد اكتشاف هرتز هذا إلى تطوير المذياع والتلفاز.



وتبدو بعض الأشياء كإشارات المرور وإشارات النيون ملونة نظرًا لأن الضوء الذي تبعثه يحتوي على مدى محدود من الأطوال الموجية. ومع ذلك، تبدو معظم الأشياء ملونة؛ بسبب تركيبها الكيميائي. وتمتص الأشياء أطوالاً موجية معينة من الضوء، وتعكس الأطوال الموجية المتبقية. فعندما تسقط أشعة الشمس على جسم نباتي كالجزر، مثلا، فإن مكونات الجزر، تمتص معظم الضوء ذي الطول الموجي القصير، وتعكس معظم الضوء ذي الطول الموجي الأطول. وعندما يصل هذا الضوء، ذو الطول الموجي الأطول، إلى أعيننا فإن نبات الجزر يبدو لنا برتقاليًا.

ويبدو الجسم الذي يعكس معظم الضوء الذي يحتوي على كل الأطوال الموجية بكميات متساوية، بالتقريب، أبيض، بينما يبدو الجسم الذي يمتص معظم الضوء الذي يحتوي على كل الأطوال الموجية بكميات متساوية، بالتقريب أسود.



كيف نرى الألوان


رؤية الألوان تحتاج لحدّ معين من الإضاءة. تبدو الأجسام الملونة كالرخام، (إلى اليمين)، في الضوء الخافت رمادية. وتبدو نفس هذه الأجسام، (إلى اليسار)، في الضوء الساطع ملونة.
مهمة العين ومهمة الدماغ. تعتمد مقدرتنا لرؤية الألوان على عدة وظائف للأعين والدماغ. هذة الوظائف معقدة. فعندما ننظر إلى جسم ما فإن ضوءًا منعكسًا من الجسم نفسه يدخل أعيننا. تركز كل عين على حدة الضوء مكوِِّّنةً صورة للجسم على الشبكية. والشبكية طبقة رقيقة من الأنسجة تغطي مؤخرة وجوانب تجويف العين من الداخل، وتحتوي على ملايين الخلايا الحساسة للضوء. وتمتص هذه الخلايا معظم الضوء الذي يسقط على الشبكية، وتحوله إلى إشارات كهربائية. وتنتقل هذه الإشارات الضوئية، إلى الدماغ بوساطة أعصاب تنقلها إليه عن بُعد.

تحتوي الشبكية على نوعين رئيسيين من الخلايا الحساسة للضوء ـ العصي والمخاريط. ويُعزى سبب التسمية إلى أشكال هذه الخلايا. فالخلايا القضيبية حساسة لأقصى درجة للضوء الخافت، ولكنها لا تستطيع تمييز الأطوال الموجية. ولهذا السبب، نرى فقط مساحات من اللون الرمادي في الغرفة خافتة الإضاءة. تبدأ الخلايا المخروطية في الاستجابة للضوء عندما يصير الضوء أكثر إضاءة وسطوعًا، وفي الوقت نفسه تكف الخلايا القضيبية عن العمل. وتحتوي شبكية الشخص ذي الإبصار الطبيعي للألوان على ثلاثة أنواع من الخلايا المخروطية. يستجيب أحد هذه الأنواع بأقصى شدة للضوء ذي الطول الموجي القصير والذي يقابل اللون الأزرق. ويوجد نوع ثان يتفاعل رئيسيًا مع الضوء ذي الطول الموجي الوسط أي اللون الأخضر. أما النوع الثالث فهو أكثر حساسية للضوء ذي الطول الموجي الطويل، أي اللون الأحمر.


آثار الألوان المتجاورة
يرتب الدماغ الإشارات التي تحملها إليه الأعصاب من العين، ويترجمها صورًا بصرية ملونة. ولا تزال الكيفية التي يمكِّننا بها الدماغ من أن ندرك الألوان، سرًا غامضًا لم يكشف تمامًا بعد. وقد طوّر العلماء عدة نظريات لتوضيح رؤية الألوان.قُدمت بعض هذه النظريات ونوقشت في الجزء الخاص بتاريخ دراسة الألوان.

وبعض الناس ليس لديه إبصار تام للألوان. ويقال: عن أمثال هؤلاء الناس أنهم مصابون بعمى الألوان. وتوجد أنواع ودرجات مختلفة لعمى الألوان، تعتمد على أنواع الخلل في الخلايا المخروطية في الشبكية. وقد يكون أحد أنواع الخلايا المخروطية مفقودًا أو معطلاً، وهي أشدّ الحالات استفحالاً. ويخلط الناس المصابون بسبب هذا الخلل بين ألوان معينة وبقية الألوان. وهناك عدد قليل جدًا من الناس لا يستطيع أن يبصر الألوان كلية. ومعظم مشكلات إبصار الألوان وراثية ولا يمكن معالجتها

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:54 AM
آثار مدهشة لإبصار الألوان. تحدث معظم العمليات في الأعين والدماغ تلقائيًا، وتكاد تكون لحظية عند تزويدها لنا بإبصار الألوان. وقد تعلمنا دون أن نعي ألا نرى آثارًا إبصارية معينة لهذه العمليات، وعلى الأخص تلك التي تحدث عندما تتكيف أعيننا لتغيير الألوان. وقد تبدو لنا هذه الآثار مفاجئة أو مثيرة ومفزعة عندما ندركها. ويمكن بسهولة توضيح بعض آثار إبصار الألوان، التي لا نلاحظها طبيعيًا بأمثلة عملية.

يمكننا أن نوضح عمليًا واحدًا من آثار الإبصار بتغطية نصف صحيفة من ورق ملون بألوان ساطعة بورقة أخرى، لونها أبيض خالص. فإذا أطلنا النظر إلى المساحة الملونة لنحو 30 ثانية، ثم بعد ذلك أبعدنا الورقة البيضاء، فإن المساحة التي كانت غير مغطّاة ستبدو أكثر سطوعًا من النصف الذي كان مغطى. وتبدو تلك المساحة أكثر سطوعًا لأن أعيننا تتكيف (تصير معتادة) للألوان. ويسمى مثل هذا الأثر الإبصاري للألوان التكيف اللوني.


الألوان الوهمية هي الألوان التي تظهر في مساحات من اللونين الأسود والأبيض فقط. يمكن رؤية مساحة وردية وهمية باهتة، في مركز المثلث الذي تشكله الدوائر المبينة أعلاه.
وإذا حدقنا في صورة ملونة لنحو 30 ثانية، ثم بعد ذلك نظرنا إلى سطح أبيض فإننا سنرى شبحًا للصورة. ويكون لشبح الصورة نفس شكل الصورة الأصلية ولكن ألوانه مختلفة. فعندما تكون الصورة الأصلية حمراء فإن شبحها يكون أخضر، وعندما تكون الصورة خضراء يكون شبحها أحمر. وتصير المساحات الزرقاء في الشبح صفراء، والمساحات الصفراء تصير زرقاء. ويتناظر أيضًا اللونان الأبيض والأسود في الصورة وشبحها. ويُطلق على هذا الأثر المدهش لإبصار الألوان مصطلح التباين المتسلسل.

ويمكننا أيضًا أن نبين عمليًا أن مظهر أي لون يتأثر بالألوان المحيطة به. فإذا وضعنا نفس اللون ملامسًا لخلفيات مختلفة الألوان، فإنه سيظهر وكأنه مختلف في كل حالة. وبالإضافة إلى ذلك، يظهر أي لون عندما يحاط بخلفية مظلمة أكثر سطوعًا مما سيكون عليه، عندما يحاط بخلفية مضيئة. ويسمى هذا الأثر لإبصار الألوان الحث اللوني أو التباين الآني. ويُحتمل أن نرى في بعض الأحيان ألوانا في مساحات سوداء وبيضاء. وتسمى مثل هذه الألوان ألوانًا وهمية.

ربما نشاهد الألوان الوهمية بتركيز النظر في أنماط سوداء وبيضاء ذات وميض كالتي تنتج عند إدارة صورة التلفاز غير الملون بسرعة كبيرة



إبصار الألوان عند الحيوانات
للنسانيس والقرود وكثير من أنواع الطيور وبعض أنواع الأسماك إبصار للألوان يشابه كثيرًا مالدينا من إبصار للألوان. ومع ذلك، فهناك عدد كبير من الحيوانات الأخرى بيصر الألوان بكيفية مختلفة عن كيفيتنا. مثلاً، تدل البحوث على أن التماسيح ترى الألوان في شكل ظلال متعددة الغمام رمادية اللون. وأعين بعض حيوانات أخرى حساسة لضوء لا نستطيع أن نراه نحن. مثلا، يستطيع النحل أن يرى أشعة الضوء فوق البنفسجية والتي هي غير مرئية للآدميين. ومن الناحية الأخرى، لا يستطيع النحل أن يرى اللون الأحمر



طرق إنتاج اللون
ينتج أصحاب الصناعات والفنانون والحرفيون عدة أشياء بألوان مختلفة. ولكي يوفِّروا مثل هذا العدد الكبير من الألوان المختلفة، فإنهم يستعملون إحدى طريقتين أساسيتين. هاتان الطريقتان هما : 1ـ خلط المصبغات 2ـ خلط الضوء الملون.



كيف ينتج خليط من خضابين لونًا ثالثًا ؟
خلط المُصبغات. يمكن تحضير عدد كبير من الألوان المختلفة بخلط المصبغات. والمصبغات عبارة عن مواد كيميائية تُكْسِب اللون لعدد من المواد كالحبر والطلاء وأقلام التلوين والطباشير. وتتكون معظم المصبغات من مساحيق ناعمة تخلط مع سوائل أو شمع أو مواد أخرى حتى يسهل استخدامها في تلوين الأشياء. وتسمى المصبغات التي تذوب في السوائل الصبغات. والمصبغات التي لا تذوب ولكن تنتشر خلال السوائل أو خلال مواد أخرى في شكل جسيمات صلبة متناهية الصغر تسمى خضابًا.




الألوان الأولية والثانوية في الطلاء. الأحمر والأصفر والأزرق ألوان أولية شائعة. ويمكن أن تخلط هذه الألوان لتكون الألوان الثانوية البرتقالي والأخضر والبنفسجي.
عندما يخلط مصبغان مختلفان ـ ينتج لون ثالث. مثلا، عند خلط طلاء من خضاب أزرق مع طلاء من خضاب أصفر، فإن الطلاء الناتج يظهر كأنه أخضر. وعندما يسقط ضوء على الطلاء الناتج، فإن كثيرًا منه يخترق طبقة الطلاء ويصطدم بجسيمات الخضاب. وتمتص جسيمات الخضاب الأزرق معظم الضوء ذي الطول الموجي الطويل، أي الضوء الذي يظهر أحمر وبرتقاليًا وأصفر. ويمتص الخضاب الأصفر معظم الضوء ذي الطول الموجي القصير، أي الضوء الذي يظهر أزرق أو بنفسجيًا. ولا يمتص معظم الضوء ذي الطول الموجي المتوسط، ولكن يعكس خلال سطح الطلاء. وعندما يصل هذا الضوء المنعكس إلى أعيننا فإننا نرى الطلاء أخضر. ويمتص كل مصبغ في خليط من مصبغات مختلفة بعض الأطوال الموجية للضوء الذي يسقط عليه. ولهذا السبب يُشار في بعض الأحيان لأخلاط المصبغات باسم الأخلاط الطارحة للون. ويسمى التلوين بهذه الكيفية تلوينًا بالطرح أي بالامتصاص.

تُعرف أي ثلاثة مصبغات يمكن خلطها بتراكيب مختلفة لتنتج تقريبًا أي لون آخر بالمصبغات الأولية أو الألوان الأساسية في الطلاء. وتتكون إحدى مجموعات المصبغات الأولية الشائعة من الأحمر والأصفر والأزرق.




مثلث الألوان يحتوي مثلث الألوان على لون أبيض وأسود وأي لون آخر عند كل رأس. وإضافة اللون الأبيض تنتج لونًا خفيفًا. كما أن إضافة الأسود تنتج غمامة. أما إضافة الرمادي (خليط من الأسود والأبيض) فتنتج مسحة لونية.
وتسمى الألوان الناتجة من خلط أزواج من المصبغات الأولية ألوانًا ثانوية. ويتكون البرتقالي من خلط الأحمر والأصفر، ويتكون الأخضر من خلط الأصفر والأزرق، ويتكون الأرجواني من خلط الأزرق والأحمر. وقد وجد خبراء الألوان أن الأحمر الأرجواني والأصفر والأزرق الداكن (الأزرق ـ الأخضر) تكوِّن كذلك مجموعة من المصبغات الأولية. ويمكن خلط هذه المصبغات الثلاثة لإنتاج مدى واسع من الألوان.

يُنتِج خلط كميات متساوية من ثلاثة مصبغات أولية لونا يكاد يكون أسود. ولكن نوعًا خاصًا من المصبغات السوداء، مثل المسحوق الأسود الناعم الذي يسمى أسود الكربون، يمدنا بألوان أكثر سوادًا. أما خلط الأسود مع لون آخر فينتج غمامة. وتمتص المصبغات الأولية ضوءًا كثيرًا، لذا لا يمكن أن تُخلَط لتنتج ألوانا ساطعة. لمثل هذه الأغراض، إما أن يضاف مركب كيميائي يسمى ثاني أكسيد التيتانيوم أو نوع خاص من مصبغ أبيض آخر. وينتج خلط اللون الأبيض مع لون آخر لونًا خفيفًا. وتكوِّن تركيبة اللون الأسود مع اللون الأبيض لونا رماديًا. ويحدث خلط اللون الرمادي مع لون آخر مسحة لونية.



خلط الضوء الملون. عندما تسقط ألوان مختلفة من الضوء معًا على شاشة فإنها تختلط، وتكون ألوانًا أخرى.

تختلف الكيفية التي يُنتِج بها خلط ألوان مختلفة من الضوء ألوانًا جديدة عن تلكم التي في حالة خلط المصبغات. ينتج خلط المصبغات ألوانًا جديدة؛ لأن كل مصبغ يطرح بعض الأطوال الموجية للضوء. ولكن خلط الضوء الملون ينتج ألوانًا جديدة بإضافة ضوء ذي أطوال موجية مختلفة. لهذا السبب، تسمى أخلاط الضوء الملون، في بعض الأحيان، أخلاط الألوان التجميعية أو التلوين بالإضافة.

وتختلف الألوان الأولية في خليط ألوان تجميعية عن تلكم التي في الطلاء. والألوان الأولية في الضوء هي الأحمر والأخضر والأزرق. وعندما يُخلَط ضوء أحمر مع أخضر يكون الناتج ضوءًا أصفر. ويكوِّن خليط من ضوء أزرق وضوء أخضر ضوءًا أزرق ـ أخضر، ويكوّن خليط من ضوء أزرق وضوء أحمر ضوءًا بنفسجيًا. وفي حالة الضوء، يُنْتج خلط جميع الألوان الأولية بالنسب المضبوطة ضوءًا أبيض.




الألوان المتتامة في الضوء ينتج متمم أي لون أولي في الضوء بخلط اللونين الأوليين بالآخرين. والألوان التي تنتج موضحة في الشكل أعلاه.
ويكون لونا أي ضوءين متممين لبعضهما إذا كانا يُكوِّنان الضوء الأبيض عند خلطهما. وعليه فإن اللون المتمم لأي لون أوَّلي من الضوء، هو اللون الذي ينتج من خلط اللونين الأوليين الآخرين. فمتمم الأزرق هو الأصفر (ضوء أحمر + ضوء أخضر). ومتمم الأحمر هو الأزرق ـ الأخضر (ضوء أزرق + ضوء أخضر). ومتمم الأخضر هو البنفسجي (ضوء أحمر + ضوء أزرق).

تحدث صور التلفاز الملون من أخلاط تجميعية للألوان الأولية الثلاثة للضوء. وتحوي شاشة التلفاز الملون آلافًا من المساحات الصغيرة جدًا، والتي تتوهج عندما تصدمها حزمة إلكترونات. وتنتج بعض المساحات ضوءًا أحمر، وتنتج مساحات أخرى ضوءًا أخضر ومساحات أخرى ضوءًا أزرق. وعندما نشاهد برنامجًا ملونًا فإننا لا نرى كل مساحة حمراء أو كل مساحة خضراء أو كل مساحة زرقاء. وبدلاً من ذلك نرى مدى من ألوان كثيرة تُنتِج عندما يختلط الضوء الأحمر والأخضر والأزرق في أبصارنا. ونرى ضوءًا أبيض عندما تختلط كميات محددة من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق مع بعضها.

وينتج خلط الألوان الأولية ضوءًا أبيض يجعل من الممكن للتلفاز الملون عرض الصور البيضاء والسوداء (غير ملونة).



إنتاج الانسجام اللوني

دائرة الألوان
عندما يكون لألوان متقاربة تأثير سار فإننا نقول إنها تحدث انسجامًا لونيًا. وعند اختيار الملابس أو في تزيين المنازل يبحث معظم الناس عن الألوان التي تظهر معًا منسجمة ومتسقة. وقد طوّر الفنانون والعلماء خطوطًا عريضة يُهْتَدى بها في تركيب الألوان. ولكن لا توجد قواعد ثابتة لانسجام الألوان؛ نظرًا لأن هناك عوامل كثيرة جدًا تؤثر على ما إذا كانت ألوان ما ستنسجم معًا أم لا.

توضح دائرة الألوان أو إطار الألوان العلاقات بين الألوان. وتتكون دائرة الألوان من مدى من الألوان في شكل دائرة. وتدور الألوان مبتدئة من الأحمر، خلال ألوان الطيف الأخرى، ثم ترجع إلى الأحمر ثانية. وتسمى كل ثلاثة ألوان متساوية البعد عن بعض في دائرة الألوان مثلث الألوان.

وغالبا ما تنسجم الألوان المكونة لمثلث الألوان بعضها مع بعض. وتكوِّن الألوان الأولية في دائرة الألوان ـ الأحمر والأصفر والأزرق ـ مثلث ألوان. أما الألوان الثانوية ـ الأخضر والبرتقالي والأرجواني فكلّ منها خليط من لونين أوليين. وتقع هذه الألوان على أبعاد متساوية من الألوان الأولية وتكوِّن هي أيضًا، مثلث ألوان. والألوان المتوسطة عبارة عن خليط من لون أولي وآخر ثانوي. وهي تقع بين الألوان الأوَّلية والثانوية في دائرة الألوان. ويكوِّن خليط لونين ثانويين لونًا من الدرجة الثالثة.


توليفات الألوان المنسجمة
ويسمى أي لونين يقعان متقابلين تقابلاً مباشرًا في دائرة، الألوان المتتامة في الطلاء. وتتضمن مثل هذه الأزواج زوج الأحمر والأخضر، وزوج البرتقالي والأزرق، وزوج الأصفر والبنفسجي، وغالبًا ما تنسجم هذه الألوان بعضها مع بعض. وكذلك ربما ينسجم لون مع لون يقع بعد اللون المتمم له مباشرة، كالأحمر مع الأزرق ـ الأخضر أو مع الأصفر ـ الأخضر. وتسمى مثل هذه الألوان، الألوان شبه المتتامة أو الألوان مشطورة التتميم. وربما تُكَوِّن الألوان التي تقع متتالية في دائرة الألوان، كالأزرق ـ الأخضر، والأزرق، والأزرق البنفسجي، توليفات ألوان مبهجة. ويتكون مشروع الألوان أحادية اللون من ظلل من غمام ومسحات لونية، وألوان خفيفة للون واحد فقط. ويمكن أن تُحدث مثل هذه التوليفات اللونية آثارًا سارة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:54 AM
مميزات اللون
لكل لون ثلاث مميزات أساسية وهي: 1ـ النقبة 2ـ الإضاءة 3 ـ كثافة اللون (درجة التلون).

يصف خبراء الألوان لون جسم ما بدلالة هذه المميزات الثلاثة.


النِّقْبة. هي الخاصية التي تعطي لونًا ما اسمه؛ فاللون أحمر أو برتقالي أو أصفر أو أخضر أو أزرق أو بنفسجي أو له اسم مستمد من هذه الأسماء. تَنتُج الفروقات الهائلة التي نراها بين ألوان الطيف من اختلافات طفيفة جدًا في الطول الموجي للضوء. مثلا، الأطوال الموجية التي تُظْهر لونا أصفر فقط أقصر بقليل من تلك التي تظهر لونا برتقاليا. ولكن يوجد فرق إبصاري هائل بين البرتقالي والأصفر، وهذا الفرق هو فرق في النقبة للّونين.


الإضاءة. هي مقياس لكمية الضوء المنعكس من جسم ملون. ويمكن أن يعبّر عن إضاءة لون بمقارنة مستوى لون الضوء المنعكس من الجسم الملون مع مستوى اللون المنعكس من عينات معيارية على تدريج الإضاءة. ويتراوح تدريج الإضاءة من اللون الأسود، خلال غمام من اللون الرمادي، إلى اللون الأبيض. ويعكس اللون الأسود كمية بسيطة جدًا من الضوء الذي يسقط عليه. ويكون للون الذي يعكس كمية من الضوء مساوية أو مساوية بالتقريب للكمية التي يعكسها اللون الأسود مستوى إضاءة منخفض جدًا. ويعكس اللون الرمادي كمية من الضوء أكثر من تلك التي يعكسها الأسود. إذن يمكن أن يكون للون الذي يعكس كمية من الضوء مقاربة أو مساوية للكمية التي يعكسها غمام من الرمادي مستوى إضاءة متوسط. ويعكس اللون الأبيض تقريبًا، كل الضوء الذي يسقط عليه، وعليه، يكون للون الذي يعكس كمية من الضوء مقاربة أو مساوية للكمية التي يعكسها اللون الأبيض مستوى إضاءة مرتفع جدا. ويستعمل خبراء الألوان لفظ النصوع للتعبير عن مستوى إضاءة مصدر ضوء ملون.


كثافة اللون. هي مقياس التشبع (التركيز) للون ما. فمثلاً، عندما يخلط مقدار ملعقة شاي من مسحوق طلاء الملصقات الأحمر بمقدار ملعقة شاي من الماء ينتج طلاء ذا لون أحمر قان. وللطلاء الناتج درجة تركيز مرتفعة من المصبغ الأحمر، وبالتالي تكون له كثافة لون مرتفعة. وإذا خفَّفنا هذا الطلاء بكوب من الماء، فإن الخليط الناتج ستكون له درجة تركيز منخفضة من المصبغ الأحمر، وعليه، ستكون له كثافة لون منخفضة



كيف تُصنَّف الألوان
يعتقد الخبراء أنه ربما يمكننا أن نميز عددًا من الألوان يُقدر بنحو 10 ملايين. يختلف كل لون من هذه الألوان عن بقية الألوان في واحد من درجات النقبة أو الإضاءة أو كثافة اللون أو اثنين منها أو جميعها. وتسمياتنا للألوان غير مضبوطة؛ حيث إنها لا تسمح لنا أن نصف بدقة كل الألوان التي نراها. ونتيجة لذلك، يجد الناس غالبًا صعوبة عندما يحاولون وصف أو تناسب لون محدد. فتناسب الألوان مهم جدًا وبالأخص في صناعات مثل صناعتي الطلاء والنسيج. ومن مهام صانعي الطلاء أو النسيج تقليل الفروق في لون مخصوص لطلاء أو قماش من دفعة طلاء أو ثوب قماش إلى دفعة أخرى أو ثوب آخر.

وقد طوّر خبراء الألوان طرقًا وأسسًا مختلفة لتصنيف الألوان حتى يتسنى لهم التغلب على مشكلات وصف الألوان وتناسبها.

وهناك اثنان من نظم التصنيف المستخدمة على نطاق واسع هما: 1ـ نظام ميونسل لتصنيف الألوان 2ـ نظام الوكالة الدولية لمواصفات الألوان.



نظام ميونسل للألوان
نظام ميونسل لتصنيف الألوان. أحد وسائل تصنيف الألوان المفيدة والأكثر رواجًا.طُوِّر هذا النظام في أوائل القرن العشرين بوساطة ألبرت ميونسل، وهو رسام ُصورٍ شخصية، أمريكي الجنسية.

ويمكن عرض نظام ميونسل بأساليب مختلفة. يَعْرِض أحد الأساليب الشائعة عينات مختلفة من الألوان مرتبة حول محور رأسي. والنُّقَب المختلفة مرتبة حول هذا المحور مثل القضبان الإشعاعية لإطار مستدير، بحيث يكَوِّن كل قضيب إشعاعي نقبة مختلفة. (القضيب الإشعاعي لإطار يشبه نصف القطر في الدائرة). ويمثل المحور تدريج القيمة، أو الإضاءة. وهو مقسم إلى عشرة أجزاء. وتمثل هذه الأجزاء مستويات للقيمة مبتدئة من الأسود بأسفل المحور وعابرة خلال ظلل الرمادي ومنتهية بالأبيض بأعلى المحور. ولكل عينات الألوان الواقعة عند نفس المستوى القيمة نفسها. والألوان التي تقع بالقرب من المحور لها كثافة لون منخفضة. وكلما كان موقع اللون أبعد من المحور كانت كثافته أكبر.


شجرة ميونسل للألوان تعرض عدة عينات لونية مرتبة حول محور مركزي. ويمكن أن تكون مثل هذه الشجرة ذات فائدة في مساعدة من يحاول موافقة لون مخصوص.
ولمضاهاة لون معين باستخدام نظام ميونسل أو أي نظام آخر، يجب إيجاد ذلك اللون من بين عينات الألوان المتاحة. ولكن عدد العينات في هذا النظام لا يمكن أن يعادل أو يقترب من عدد الألوان التي يمكننا أن نميزها. ولهذا السبب يستحيل في بعض الأحيان إيجاد تناسق لوني دقيق.


نظام الوكالة الدولية لمواصفات الألوان. غالبًا ما يحتاج صانعو المنتجات، كالأطعمة والطلاء والورق والمواد البلاستيكية والمنسوجات، لتناسب الألوان بدقة تامة. ولأن إبصار الألوان يختلف بين الناس، فإن اللونين اللذين يكونان متوافقين لشخص ما، ربما لا يكونان متوافقين لشخص آخر. ولهذا السبب لا يعتمد أصحاب الصناعات على العين البشرية في موافقة الألوان بدقة تامة، بل يستخدمون نظام الوكالة الدولية لمواصفات الألوان. وهذه الوكالة منظمة دولية تطوّر وتخترع طرقًا معيارية لقياس الألوان.

ويمكن لصانع الطلاء الذي يريد إنتاج نفس اللون لطلاء أخضر في مصنعين مختلفين استخدام نظام الوكالة الدولية. ولكي يتم التأكد من أن اللونين متوافقان أولا، يحلل خبراء الألوان لون الطلاء الأخضر المنتج في أحد المصنعين لتحديد الأطوال الموجية للضوء المكون له. ويُجري الخبراء هذا التحليل بمقياس الضوء الطيفي (السبكتروفوتومتر). ويفصل هذا الجهاز الأطوال الموجية المختلفة للضوء المنعكس من الطلاء، ويقيس شدتها بعد ذلك. وتُستخدم جداول عددية لتحويل هذه المعلومات إلى ثلاث قيم عددية ـ قيمة لكل من الألوان الأولية للضوء، التي توافق اللون الأخضر الأصلي عندما تخلط. وتعرِّف هذه الجداول العددية ـ والتي تسمى الراصدات القياسية ـ خواص مضاهاة الألوان لعين إنسان ذي إبصار طبيعي لها.

ويُحَلَّل، أيضًا، الطلاء المنتج في المصنع الآخر بمقياس الضوء الطيفي. وبعد ذلك تضاف كميات صغيرة من الخضاب لضبط ومعايرة لون الطلاء. وتستمر إضافة الخضاب حتى يسفر التحليل عن نفس القيم العددية الثلاث للألوان الأولية التي حُصِّلت في المصنع الأول. وعندما يُحصل على هذه القيم الثلاث للألوان الأولية فإن الطلاءين الأخضرين يتوافقان، بالرغم من أنهما ربما يحتويان على تركيبات مختلفة من الخضابات.



تاريخ دراسة الألوان

النظريات المبكرة لإبصار الألوان. طور عدد كبير من المفكرين في قديم الزمان نظريات حول طبيعة الألوان. ومنذ ذاك الزمن، أيدت التجارب العلمية بعض أفكارهم ودحضت أفكارًا أخرى.

وقد اعتقد إمبيدوقليز، وهو فيلسوف إغريقي من فلاسفة القرن الخامس قبل الميلادي أن إبصار الألوان يحدث بوساطة جسيمات صغيرة جدًا، تبعث بها الأجسام وتمر خلال العينين. وظن أن العينين إما أن تُنتجا ردّ فعل لونيًا للجسيمات، أو تدركاها ملونة. ورأى الفيلسوف الإغريقي أفلاطون، في أوائل القرن الرابع قبل الميلاد، أن إبصار الألوان يحدث بوساطة أشعة ترسل من العينين نحو الجسم. ويحتمل أن يكون أرسطو ـ وهو فيلسوف إغريقي من فلاسفة أواخر القرن الرابع قبل الميلاد ـ أول إنسان يدرك وجود علاقة بين اللون والضوء. ومع ذلك، فلقد اعتقد هو أيضًا أن اللون يحدث بوساطة شيءٍ شفاف يوجد بين الجسم والعين.

واعتقد الطبيب الإغريقي جالينوس، المنسوب للقرن الثاني الميلادي، أن إبصار الألوان ينشأ لأن أشعة تصدر من العينين تعطي الهواء المحيط بها مقدرة لحمل صور متناهية الصغر للأجسام إلى العينين. وظن أن هذه الصور تحلَّل بعد ذلك بوساطة أشباح بصرية تتحرك بين العينين والدماغ.


ابن الهيثم. خلال أوائل القرن الحادي عشر الميلادي، أدرك الفيزيائي العربي أبو علي الحسن بن الهيثم أن الإبصار يحدث نتيجة انعكاس الضوء من الأجسام إلى أعيننا. وقرر أن هذا الضوء المنعكس يكوِّن صورًا بصرية في العينين. كما أدرك أبو الحسن أن الألوان التي نراها في الأجسام تعتمد على الضوء الذي يسقط على هذه الأجسام، وعلى بعض خواص هذه الأجسام نفسها



نيوتن وجوته. خلال أواخر القرن السابع عشر وأوائل القرن الثامن عشر الميلاديين، أجرى العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن عدة تجارب لبحث طبيعة الضوء. وضح نيوتن عمليًا، باستخدام منشور، أن الضوء الأبيض يحتوي على كل ألوان قوس قزح. كما كان نيوتن أول من أثبت أن الضوء الملون يمكن تركيبه ليكون ضوءًا أبيض. وأدرك نيوتن أن الأشعة الضوئية ذاتها ليست ملونة ولكن الإحساس باللون ينتج في الدماغ.

وخلال أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر الميلاديين، أجرى الشاعر الألماني، جوهان فلفجانج فون جوته تجارب بالضوء الملون والظلام. وكتب كتابًا في البصريات، بدا فيه وكأنه يناقض كثيرًا من النتائج التي تحصَّل عليها نيوتن. لم يصدق جوته أن الضوء الملون يمكن توليفه ليكون ضوءًا أبيض. فقد ظن أن كل الضوء الملون كان في الحقيقة خليطًا من الضوء والظلام. وكانت تجارب جوته مفيدة في توضيح كثير من جوانب الإبصار اللوني عمليًا. وعلى كُلِّ، فلم تعد نظريات جوته لإبصار الألوان والمبنية على هذه التجارب، مقبولة عند العلماء.


نظرية المكونات الثلاثة. افتُرضت في عام 1801م بوساطة الفيزيائي الإنجليزي توماس يونج وطورت خلال الخمسينيات من القرن التاسع عشر الميلادي بوساطة الفيزيائي الألماني هيرمان فون هيلمولتز. وتعرف نظرية المكونات الثلاثة، أيضًا بنظرية يونج ـ هيلمولتز أو النظرية اللونية الثلاثية.

تفترض هذه النظرية أن للعين ثلاثة أنواع من الألياف حساسة لأطوال موجية مختلفة من الضوء. وعندما يسقط الضوء على هذه الألياف، تولد إشارات كهربائية تنتقل مباشرة إلى الدماغ. وطبقًا لنظرية المكونات الثلاثة، تقابل الأحاسيس اللونية التي تنشأ في الدماغ هذه الإشارات الكهربائية بطريقة بسيطة ومباشرة. وقد أكدت التجارب العلمية وجود الأنواع الثلاثة من الألياف، والتي يُطلق عليها الآن لفظ مخاريط.وكل نوع من المخاريط حساس بصفة خاصة لإحدى ثلاث مجموعات من الأطوال الموجية للضوء، تمثل الألوان: الأحمر والأخضر والأزرق.


نظرية اللون المضاد. اقتُرحت في عام 1874م بوساطة عالم وظائف الأعضاء الألماني، إفالد هيرنج. افترض هيرنج أنه يوجد في مكان ما في أعصاب العينين والدماغ آليتان للاستجابة، تحتوي كل منهما على زوج من الألوان المتضادة. وهذا يعني أن آليتي الاستجابة يمكنهما إرسال إشارة بأحد اللونين فقط في وقت ما. وترسل إحدى آليتي الاستجابة إشارة إما باللون الأحمر أو الأخضر، وترسل الأخرى إشارة إما باللون الأصفر أو الأزرق. وتوجد آلية ثالثة ترسل إشارة بمستوى الإضاءة. ويفسر الدماغ هذه الإشارات وينتج إحساسنا باللون. تفسر نظرية اللون المضاد كثيرًا من جوانب إبصار الألوان أحسن مما تفعل نظرية المكونات الثلاثة. فعلى سبيل المثال، تقدم نظرية اللون المضاد تفسيرًا لحقيقة عدم استطاعتنا رؤية ألوان مثل الأخضر المائل إلي الأحمر أو الأزرق المائل إلى الأصفر.


النظريات الحديثة. توحِّد النظريات الحديثة بين أفكار مأخوذة من نظرية المكونات الثلاثة ونظرية اللون المضاد لتصف المراحل المختلفة لإبصار الألوان. ففي المرحلة الأولى من إبصار الألوان تمتص ثلاثة أنواع من المخاريط الموجودة في الشبكية الضوء، وتولد إشارات كهربائية ـ كما افترضت نظرية المكونات الثلاثة. وخلال المرحلة الثانية من إبصار الألوان، تُحدث أعصاب في العين والدماغ ثلاث إشارات جديدة - تقابل الإشارات التي وصفت بوساطة نظرية اللون المضاد. ويُحتمل أن تمر إشارات الأعصاب بمراحل إضافية قبل أن يفسرها الدماغ في النهاية بالإحساس باللون.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:57 AM
الذرة
Atom



ذرّات مفردة لعنصري البلاتين والبلاديوم مكبَّرة ثلاثة ملايين مرة، وهي تبدو كنقط صفراء في الصورة التي التُقطت بوساطة مجهر إلكتروني. وتمثِّل المساحات الصفراء ذات المراكز الحمراء أو الأرجوانية تجمعات للذرات. وقد أضيف اللون إلكترونيًا لتحسين الصورة بينما الذرّات نفسها عديمة اللون.
الــــذَّرَّة إحدى الوحدات الأساسية لبناء المادة. فكل شيء حولنا مكون من ذرَّات. والذرَّة الواحدة بالغة الصِّغر، فهي لاتتعدى واحدًا على مليون من سُمْك شعرة . وتحتوي أصغر عيِّنة يمكن رؤيتها بمجهر عادي على ما يزيد على عشرة بلايين ذرة.

وتكوّن الذرات القوالب البنائية لأبسط المواد، وهي العناصر الكيميائية. وتشمل العناصر الشائعة : الهيدروجين والأكسجين والحديد والرصاص. ويتكون كل عنصر كيميائي من نوع أساسي واحد من الذرّات. أما المركَّبات الكيميائية، فهي مواد أكثر تعقيدًا من حيث تركيبها الكيميائي؛ إذ تتألف من نوعين أو أكثر من الذرّات مرتبط بعضها ببعض في وحدات تُسمَّى الجزيئات. فالماء، على سبيل المثال، مركب يتكون كل جزيء منه من ذرتين من الهيدروجين مرتبطتين بذرة واحدة من الأكسجين.

وتتفاوت الذرات كثيرًا في الوزن، ولكنها جميعًا تتساوى تقريبًا في الحجم. فذرّة اليورانيوم، على سبيل المثال، وهي أثقل الذرّات الموجودة في الطبيعة، يبلغ وزنها مائتي ضعف وزن ذرّة الهيدروجين الذي يُعدُّ أخف العناصر المعروفة حتى الآن. ومع ذلك فإن قطر ذرّة اليورانيوم لا يتعدى ثلاثة أمثال قطر ذرّة الهيدروجين تقريبًا.

وبالرغم من أن الذرّات تُعدُّ من أدق الأشياء في العالم إلا أنها تُعدُّ أيضًا من أعظمها قوة، فبداخلها كمية هائلة من الطاقة الكامنة. وقد استطاع العلماء تسخير هذه الطاقة في إنتاج أسلحة الدمار البالغة التأثير كما استطاعوا أيضًا الاستفادة منها في توليد الكهرباء.




أجزاء الذرّة

أجزاء الذرة. تتكون الذرة من ثلاثة أنواع أساسية من الجُسيمات، هي البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات. للبروتونات شحنة موجبة وللإلكترونات شحنة سالبة بينما النيوترونات متعادلة كهربائيًا. تتجمع البروتونات والنيوترونات داخل النواة، وهي منطقة صغيرة جدًا بالقرب من مركز الذرة. وتدور الإلكترونات بسرعات بالغة خلال الفضاء الفارغ خارج نواة الذرة.
بالرغم من ضآلة الذرّة إلا أنها تتكون من جُسيمات أكثر صغرًا منها. والجسيمات الثلاثة الأساسية هي: البُروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات. ولكل ذرة عدد محدد من هذه الجُسيمات تحت الذرية.

تزدحم البروتونات والنيوترونات داخل النواة، وهي منطقة بالغة الصغر في مركز الذرة. فلو كان قطر ذرة الهيدروجين ستة كيلومترات، على سبيل المثال، فإن النواة لا يتعدى حجمها حجم كرة المضرب العادية. وما يتبقى من حجم الذرة خارج النواة هو في أغلبه فضاء فارغ. وفي هذا الفضاء، تدور الإلكترونات حول النواة بسرعة بالغة تقطع بها بلايين الرحلات في كل جزء من المليون جزء من الثانية.

وبسبب سرعة الإلكترونات البالغة، تبدو الذرّة وكأنها جامدة، وذلك بنفس المبدأ الذي يمنع مرور قلم رصاص خلال أنصال مروحة تدور بسرعة عالية.

وكثيرًا ما تقارَن الذرّات بالنظام الشمسي، فتُعتبر النواة مناظرة للشمس، والإلكترونات مناظرة للكواكب التي تدور حولها. لكن هذه المقارنة ليست صحيحة على إطلاقها. فعلى عكس الكواكب، لا تتبع االإلكترونات مسارات منتظمة مرتبة. بالإضافة إلى أن البروتونات دائمة التحرك عشوائيًا داخل النواة.



مقارنة الذرات من حيث الوزن والحجم.تتباين الذرات بدرجة كبيرة في الوزن لكنها جميعًا لها نفس الحجم تقريبًا. وأصغر وأخف الذرات على الإطلاق هي ذرة الهيدروجين. وهي تحتوي على بروتون واحد وإلكترون واحد. أما أكبر وأثقل ذرة موجودة في الطبيعة فهي ذرة البلوتونيوم. ولهذه الذرة 94 بروتونًا، و150 نيوترونًا و94 إلكترونًا. وتزن ذرة البلوتونيوم ما يعادل وزن 200 ذرة هيدروجين تقريبًا. لكن قطر ذرة البلوتونيوم يبلغ نحو ثلاثة أضعاف مقدار قطر ذرة الهيدروجين فقط.
النواة. تشكِّل النواة تقريبًا كل كتلة الذرة. والكتلة هي كمية المادة في ذرة. وتبلغ كتلة البروتون 1,836 ضعف كتلة الإلكترون. وكذلك من 1,839 إلكترونًا نحصل على كتلة النيوترون. ويحمل كل بروتون وحدة واحدة من وحدات الشحنة الموجبة، بينما يحمل الإلكترون وحدة واحدة من وحدات الشحنة السالبة. أما النيوترونات فهي غير مشحونة. وتحتوي الذرّة في أغلب الأحوال على نفس العدد من البروتونات والإلكترونات، وبالتالي فالذرّة متعادلة كهربائيًا.

البروتونات والنيوترونات أصغر بـ 100,000 مرة تقريبًا مقارنة بوزن الذرة، ولكنها تتألف بدورها من جُسيمات أكثر صغرًا يسمى كل منها كوارك. ويتكون كل بروتون وكل نيوترون من ثلاثة من جسيمات الكوارك. ويستطيع العلماء في المختبر جعل جسيمات الكوارك تتجمع وتكوّن أنواعًا أخرى من الجسيمات تحت الذرية بجانب البروتونات والنيوترونات. ولكن كل هذه الجسيمات الأخرى تتفكك وتتحول إلى جُسيمات عادية في غضون ثانية واحدة. ولهذا فلا يوجد أي منها في الذرات العادية. وقد عرف العلماء أن البروتونات والنيوترونات تتكون من جسيمات الكوارك من خلال دراستهم للجسيمات تحت الذرية. وللحصول على معلومات عن الجسيمات تحت الذرية الأخرى، انظر: فيزياء الجسيمات. وكذلك المقالات المنفصلة عن الجسيمات تحت الذرية المشار إليها في "مقالات ذات صلة" في نهاية هذه المقالة.



الإلكترونات. على عكس البروتونات والنيوترونات فإن الإلكترونات لا تحتوي على جُسيمات أصغر. وكتلة الإلكترون بالغة الصغر. وتُكتب قيمة هذه الكتلة بالجرامات، بوضع علامة عشرية يتبعها 27 صفرًا ثم رقم 9.

ونظرًا لأن الشحنات المتضادة تتجاذب، فإن النواة الموجبة الشحنة تعمل بقوة جذب على الإلكترونات السالبة الشحنة، مما يؤدي إلى بقاء هذه الإلكترونات داخل الذرة. لكن لكل إلكترون طاقة تمكنه من مقاومة جذب النواة. وكلما ازدادت طاقة الإلكترون ازداد بُعده عن النواة. وهكذا تنتظم الإلكترونات في مدارات على مسافات مختلفة من النواة حسب مقدار طاقة كل منها. فتوجد الإلكترونات الأقل طاقة في المدارات الداخلية، بينما توجد الإلكترونات الأكثر طاقة في المدارات الخارجية.

ويعطي العلماء لكل مدار إلكتروني رقمًا خاصًا به. فالمدار الأقرب إلى النواة يُسمَّى بالمدار رقم 1. وترقم المدارات الأخرى 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، 7 حسب الترتيب التصاعدي لبعدها عن النواة. ويشار إلى المدارات في بعض الأحيان بالحروف الهجائية. ويوجد على كل مدار عدد محدود من الإلكترونات، فلا يستطيع المدار الأول الاحتفاظ بأكثر من إلكترونين. ويستطيع المدار الثاني الاحتفاظ بثمانية إلكترونات والثالث بثمانية عشر إلكترونًا، والرابع باثنين وثلاثين إلكترونًا، والخامس بخمسين إلكترونًا، والسادس باثنين وسبعين إلكترونًا، والسابع بثمانية وتسعين إلكترونًا. غير أن هذه المدارات الخارجية لا يكتمل بها عدد الإلكترونات مطلقًا.



مدارات الإلكترونات والسلوك الكيميائي تنتظم إلكترونات الذرة في مدارات. ترقم هذه المدارات بالأرقام من 1 إلى 7 بدءًا من المدار الداخلي. ويستطيع كل مدار الاحتفاظ بعدد معين من الإلكترونات. فعلى سبيل المثال، يستطيع المدار رقم 2 الاحتفاظ بثمانية إلكترونات فقط. وفي التفاعلات الكيميائية يكتسب المدار الخارجي أو يفقد إلكترونات أو يشارك فيها.


لذرة الفـــلور سبعة إلكترونات في المدار2. تقوم الــذرة بملء هذا المدار باكتساب إلكترون من ذرة أخرى.

في ذرة النيون، المدار2 ممتلىء. ونتيجة لهذا فإن هذا الغاز لا يدخل عادة في تفاعلات كيميائية مع ذرات أخرى.

تميل ذرة الصوديوم إلى فقد الإلكترون الوحيد الموجود في المدار 3، وبذلك يصبح المدار 2 الممتلىء هو مدارها الخارجي.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:58 AM
خواص الذرّات

العدد الذرّي. وهو يبين لنا عدد البروتونات التي تحتوي عليها الذرة. فعلى سبيل المثال، تحتوي كل ذرة هيدروجين على بروتون واحد، ولهذا، فإن العدد الذرّي للهيدروجين 1. ويتدرج العدد الذري للعناصر الطبيعية الأخرى تصاعديا حتى يصل إلى 92 لليورانيوم، الذي يحتوي على 92 بروتونًا في كل ذرة من ذراته. وتتكون كذلك كميات ضئيلة من البلوتونيوم، الذي يبلغ عدده الذري 94، بصورة طبيعية. ويمكن إيجاد العناصر التي يزيد عددها الذري على 92 في المختبر.

يحدد العدد الذري ترتيب العنصر في الجدول الدوري. وينظم هذا الجدول العناصر المختلفة في مجموعات تتشابه في خواصها الكيميائية.



العدد الكتلي. هو حاصل جمع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في ذرة. وبالرغم من أن كل الذرات في عنصر ما لها نفس عدد البروتونات، إلا أنها قد تختلف في عدد النيوترونات. ويطلق على الذرات التي لها نفس عدد البروتونات وتختلف في عدد النيوترونات اسم النظائر.

وأغلب العناصر الموجودة في الطبيعة لها أكثر من نظير فالهيدروجين، على سبيل المثال، له ثلاثة نظائر. وتتكون النواة في أكثر نظائر الهيدروجين شيوعًا من بروتون واحد فقط. بينما تتكون النواة في النظيرين الآخرين من نيوترون واحد أو نيوترونين بالإضافة إلى البروتون. ويستخدم العلماء العدد الكتلي للتمييز بين نظائر الهيدروجين الثلاثة لتصبح هيدروجين 1، هيدروجين 2، هيدروجين 3. كما يُسمون الهيدروجين 1 بروتيوم، وهيدروجين 2 ديوتريوم، وهيدروجين 3 ترِيتْيوم.

وفي أغلب العناصر الأخف، تحتوي نواة كل ذرّة علي عدد متساوٍ من البروتونات والنيوترونات. بينما تحتوي نوى العناصر الأثقل على عدد من النيوترونات أكبر من عدد البروتونات. أما أثقل العناصر فبها نحو ثلاثة نيوترونات لكل اثنين من البروتونات. فاليورانيوم 238، مثلاً، به 146 نيوترونًا مقابل 92 بروتونًا في كل ذرة.



الوزن الذري. هو وزن الذرّة معبَّرًا عنه بوحدات الكتلة الذرية. وتعادل وحدة الكتلة الذرية التي تُسمى أحيانًا دالتون 1/12 من وزن ذرة الكربون 12. ويكون الوزن الذرّي لأغلب الذرات مُعَبَّرًا عنه بالدالتون قريبًا جدًا من العدد الكتلي. ووحدات الكتلة الذرية بالغة الصغر فهناك 602 بليون ترِليون دالتون في كل جرام.

ويُعيِّن العلماء الوزن الذري لعنصر متعدد النظائر بإيجاد متوسط الأوزان الذرية لهذه النظائر بنسب وجودها في الطبيعة. فيبلغ الوزن الذري لغاز الكلور، على سبيل المثال، 35,453 دالتون. وهذه القيمة هي متوسط الوزن الذري للنظيرين كلور 35 (وزنه الذري 34,96885) وكلور 37 (وزنه الذري 36,96590) حسب نسبة كل منهما في الطبيعة.



الشحنة الكهربائية. رغم أن الذرة تكون عادة متعادلة كهربائيًا، إلا أنها قد تفقد أو تكتسب قليلاً من الإلكترونات في بعض التفاعلات الكيميائية أو عند اصطدامها بإلكترون أو بذرّة أخرى. وينتج عن هذا الفقد أو الاكتساب ذرة مشحونة كهربائيًا تُسمَّى بالأيون، وتصبح الذرة التي فقدت إلكترونات أيونًا موجبًا بينما تصبح الذرة التي اكتسبت إلكترونات أيونًا سالبًا. وتُسمَّى عملية الفقد أو الاكتساب هذه التأين.



السلوك الكيميائي. يتحدد السلوك الكيميائي لذرة ما إلى حد بعيد بعدد الإلكترونات الموجودة في مدارها الخارجي. وعندما تتجمع الذرات لتكوِّن جزيئات، فإن الإلكترونات في المدارات الخارجية إما أن تنتقل من ذرة إلى أخرى أو تشارك فيها الذرات المختلفة. ويُعبَّر عن عدد الإلكترونات الداخلة في هذه العملية بالتكافؤ. ولذرات بعض العناصر أكثر من تكافؤ. ويعتمد ذلك على عدد ونوع الذرات التي سيتم التفاعل معها.

ويكون تكافؤ الذرة موجبًا إذا كانت تميل لفقد إلكترونات لذرات أخرى. بينما يكون التكافؤ سالبًا إذا مالت الذرة إلى اكتساب إلكترونات من ذرات أخرى. فالصوديوم، على سبيل المثال، يميل لفقد إلكترون واحد وهكذا يصبح تكافؤه + 1. أما الكلور، فيميل لاكتساب إلكترون واحد وبهذا يصبح تكافؤه - 1.

ويتكون جزيء ملح المائدة العادي من ذرة صوديوم واحدة مرتبطة بذرة كلور واحدة. وتعطي ذرة الصوديوم الإلكترون الذي تكتسبه ذرة الكلور.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 09:59 AM
النشاط الإشعاعي. تستطيع النواة في بعض الذرّات أن تتغير بصورة طبيعية. وتُسمَّى مثل هذه الذرات نشطة إشعاعيًا. وقد يكون التَغيُّر في النواة قاصرًا فقط على تغير في ترتيب البروتونات والنيوترونات. وفي حالات أخرى، يتغير العدد الفعلي للبروتونات والنيوترونات. وعندما تتغير نواة فإنها تعطي إشعاعًا. ويتكون هذا الإشعاع من جُسَيمْات ألفا أو جُسيمات بيتا أو أشعة جاما. وذرات اليورانيوم والراديوم وكل العناصر الأخرى الأثقل من البزموت نشطة إشعاعيًا. كذلك، لبعض نظائر العناصر الأخف كالكربون نشاط إشعاعي. وبالإضافة إلى ذلك، يستطيع علماء الطبيعة تكوين نظائر مشعة لكل العناصر تقريبًا في المختبر وذلك بإطلاق بروتونات أو نيوترونات أو جُسَيمات تحت ذرية على ذرات هذه العناصر .

ويعتمد نوع الإشعاع المنبعث من نواة نشيطة إشعاعيًا على طريقة تغيُّر النواة. فتنبعث أشعة جاما عندما يتغير فقط ترتيب البروتونات والنيوترونات في النواة. بينما تنبعث أشعة ألفا وبيتا عندما يتغير عدد البروتونات والنيوترونات في النواة، وتصبح الذرة حينئذ ذرة عنصر مغاير. تُسمَّى هذه العملية بتحول العناصر أو الانحلال الإشعاعي



القوى داخل الذرّة
يتناول فرع الفيزياء المسمَّى بالميكانيكا الكمية مسألة القوى داخل الذرة وحركة الجسيمات تحت الذرية. وقد افُتتحت الدراسة في هذا الفرع من فروع الفيزياء في عام 1913م عندما استخدم عالم الفيزياء الدنماركي نيلز بور نظرية الكم لشرح حركة الإلكترونات داخل الذرات. وقام علماء فيزياء آخرون بتطوير ميكانيكا الكم، وطبقوا مبادئها على النواة والإلكترونات.


مستويات طاقة الإلكترونات داخل الذرةلا يستطيع أي إلكترون داخل الذرة الحصول على أي كمية من الطاقة. وبدلاً من ذلك فإنه مقيد بمجموعة من الحركات كل منها مرتبط بقيمة محددة من الطاقة. تسمى هذه الحركات بمستويات الطاقة أو الحالات الكمية.


يوفر تسخين الذرة طاقة كافية لرفع إلكترون إلى مستوى طاقة أعلى. ويقال عن الذرة حينئذ إنها في حالة الإثارة.


يسقط الإلكترون في الحال تقريبًا إلى مستوى أدنى في الطاقة. ويقوم حينئذ بإطلاق طاقة على هيئة فوتون (جسيم ضوئي).


مستويات طاقة الإلكترونات. حسب نظرية ميكانيكا الكم، لا تستطيع الإلكترونات أن تحصل علي أي كمية مفترضة من الطاقة. بدلاً من ذلك، فإن الإلكترونات مقيَّدة بمجموعة من الحركات كل منها مرتبط بقيمة محدَّدة من الطاقة. تُسمَّى هذه الحركات بالحالات الكمية أو مستويات الطاقة. فعندما يكون إلكترون في حالة كمية معينة، فإنه لا يمتص ولا يعطي طاقة. ولهذا السبب، فإن الذرة تستطيع أن تكتسب أو تفقد طاقة فقط عندما يغيِّر واحد أو أكثر من إلكتروناتها من حالته الكمية.

وكما يبحث الماء دائمًا عن أقل مستوى ممكن، فإن الإلكترونات تبحث دائمًا عن الحالة المرتبطة بأقل طاقة. ومع ذلك، فإن أي حالة كمية لا يمكن أن تُشغل إلا بإلكترون واحد فقط. فعندما تمتلئ الحالات الكمية الأكثر انخفاضًا، فإن باقي الإلكترونات تُجبر على الانتقال لتشغل حالات كمية أعلى. فإذا كانت جميع الإلكترونات في أقل الحالات انخفاضًا فيُقال حينئذ: إن الذرة في الحالة الأرضية. وهذه الحالة طبيعية للذرات عند درجة الحرارة العادية.

إذا سُخِّنت المادة إلى درجات حرارة أعلى من بضع مئات من الدرجات، تتوفر طاقة كافية لرفع إلكترون أو أكثر إلى مستوى طاقة أعلى. وتصبح الذرة حينئذ في حالة إثارة. ومع ذلك، فنادرًا ما تبقى هذه الذرة في حالة الإثارة لأكثر من جزء من الثانية. يسقط الإلكترون المثار فورًا إلى حالة أكثر انخفاضًا ويستمر في السقوط حتى تعود الذرة إلى الحالة الأرضية. وعند كل سقوط، يعطي الإلكترون قدرًا محددًا من الطاقة الإشعاعية المركزة يسمى بالفوتون. وتساوي طاقة الفوتون الفرق بين مستويين للطاقة. ويمكن كشف الفوتونات التي تعطيها الإلكترونات كضوء مرئي وكصور أخرى للإشعاع الكهرومغنطيسي.

وقد شبّه بور، في بادئ الأمر، الحالات الكمية للإلكترونات بمدارات الكواكب حول الشمس. لكن علماء الطبيعة اليوم يعلمون أن هذا التشبيه غير صحيح؛ لأن الإلكترون ليس مجرد جسم بسيط. فللإلكترون أيضًا بعض خواص الموجات. وإنه حقًا لمن الصعب أن نتخيل كيف يكون شيء ما جُسَيْمًا وموجةً في الوقت نفسه. وتمثل هذه الصعوبة إحدى المشاكل التي واجهت العلماء وهم يحاولون وصف الذرة لغير العلماء. فللقيام بذلك، ينبغي أن يستخدم العلماء أفكارًا مألوفة مبنية على معرفتنا بالعالم الذي نلاحظه. لكن الظروف داخل الذرة الدقيقة تختلف كثيرًا جدًا عن الظروف التي نقابلها في عالم كل يوم. ولهذا السبب، يستطيع علماء الفيزياء وصف حركات الإلكترونات تمامًا وبدقة فقط باستخدام الرياضيات.



القوى داخل النواة. تنطبق القواعد الكمية التي تحكم حركة الإلكترونات أيضًا على حركة البروتونات والنيوترونات داخل النواة. لكن القوة التي تحافظ على جسيمات النواة معًا تختلف كثيرًا عن قوة الجذب التي تمسك بالإلكترونات داخل الذرة.فكل جُسَيْم نووي ينجذب إلى أقرب جار له بما يُسمَّى بالقوة النووية أو ما يُسمَّى في بعض الأحيان بالتفاعل القويّ. ومن المعروف أن الشحنات المتماثلة تتنافر، لكن القوى النووية العظيمة تتغلب على التنافر المتبادل بين البروتونات موجبة الشحنة، وهكذا تحافظ على النواة من التفكك. وتتلاشى هذه القوة بسرعة مالم تكن جُسَيمات النواة شديدة التقارب فيما بينها. والإلكترونات محصَّنة ضد القوة النووية.

والقوة النووية بالغة التعقيد، ولم يستطع العلماء بعد التوصل إلى وصف رياضي دقيق لها. وهناك نظرية تُعْرف بالنموذج المداري النووي تعطي تقديرات سليمة لمستويات الطاقة في النواة.

ويستطيع بروتون واحد ونيوترون واحد أن يشغلا كل حالة كمية في النواة. ولهذا السبب فإن النواة الحقيقية يكون بها عدد متساو تقريبًا من البروتونات والنيوترونات. لكن البروتون والنيوترون الموجودان في نفس الحالة الكمية لا تتساوى كمية الطاقة الخاصة بكل منهما بالضرورة. ويُطْرد كل بروتون كهربائيًا بوساطة باقي البروتونات في النواة مما يزيد من طاقته.

ويكون الاختلاف في مستويات الطاقة بين البروتونات محسوسًا في النواة متعددة البروتونات، كما تتوافر بها حالات طاقة منخفضة للنيوترونات أكثر مما تتوافر فيها للبروتونات. وتفسر هذه الحقيقة لماذا تحتوي النواة الثقيلة على عدد من النيوترونات يفوق عدد البروتونات.



كيف يدرس العلماء الذرات

مسارات صنعتها الجسيمات الذرية في معجل للجسيمات، وقد صُوِّرت على فيلم. يدرس الفيزيائيون هذه المسارات لمعرفة خواص الجسيمات التي أنتجتها.
يستخدم العلماء أجهزة قياس وتقنيات متعددة لدراسة الذرات. وتعتمد الأجهزة والطرق المستخدمة على نوعية الدراسة، وهل هي دراسة للذرات نفسها، أو للإلكترونات، أو للجُسيمات النووية أو لجسيمات الكوارك.

ويستخدم الباحثون الأشعة السينية لدراسة ترتيب الذرات في الأنماط العادية المتكررة كما في البلّورات. فعندما تمر الأشعة السينية خلال بلورة، فإن الذرات تكسر الأشعة السينية بطريقة معينة. تنتج هذه الأشعة المنكسرة أنماطًا ضوئية على فيلم فوتوغرافي تحكي مدى تباعد الذرات بعضها عن بعض، وكيف تنتظم داخل البلورة. وتمكِّن المجاهر الإلكترونية الماسحة والمجاهر الخندقية الماسحة وكذلك مجاهر انبعاث المجال العلماء من ملاحظة أوضاع الذرات المفردة.

ويدرس العلماء حركة الإلكترونات أساسًا بوساطة تحليل الضوء المنبعث من ذرات الغازات المسخَّنة. ويُستخدم المطياف (مقياس الطيف) لتحليل الضوء إلى طَيْف. وهو يعطي خطًا منفصلاً لكل طول موجي من الضوء. ويرتبط كل طول موجي مع فَرْق الطاقة بين حالتين من الحالات الكمية في الذرة. وبعد تعيين الأطوال الموجية، يستطيع العلماء رسم بيان كامل عن مستويات الطاقة. ويستطيعون كذلك، بمساعدة الميكانيكا الكمية، الحصول على وصف لحركات الإلكترون داخل الذرة.

وقد تم التوصل إلى معظم ما يعرفه العلماء اليوم عن تكوين النواة بوساطة التجارب التي أجريت باستخدام معجِّلات الجُسَيمات. تقوم هذه المعجِّلات بقذف النواة بشعاع من الإلكترونات أو البروتونات عالية الطاقة. وتستطيع البروتونات أو الإلكترونات المتحركة بسرعة التأثير في حركة الجسيمات في النواة، بل تستطيع في بعض الأحيان إطلاق سراحها. ويمكن في بعض التجارب، تحريك نواة بأكملها وجعلها تصطدم بنواة ساكنة أخرى. وقد تمكن علماء الفيزياء النووية من تطوير أنواع متعددة من الكواشف لملاحظة الجُسيمات التي تنطلق نتيجة لهذه التصادمات. ويقوم أغلب هذه الكواشف بإنتاج إشارة كهربائية عندما يمر خلالها جُسَيْم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:01 AM
تطور النظرية الذرية
لقد نشأت فكرة تكوُّن كل شيء من أجزاء بسيطة صغيرة خلال القرن الخامس قبل الميلاد في نطاق الفلسفة الذرية. وقد قدم هذه الفلسفة الفيلسوف الإغريقي ليوسيبّوس. وقام تلميذه ديموقريطس بتطويرها بصورة أكمل. وأعطى ديموقريطس الجُسيم الأولي الاسم ذرة الذي يعني غير قابل للقطع. وقد تخيل الذرات كجسيمات صلبة صغيرة مركبة من نفس المادة، لكنها تختلف عن بعضها في الشكل والحجم. وقد أدخل العالم الإغريقي أبيقور في القرن الرابع قبل الميلاد أفكار ديموقريطس في فلسفته. وفي حوالي عام 50 ق.م. قدم الفيلسوف والشاعر الروماني لوكريشيس المباديء الأساسية للفلسفة الذرية في قصيدته: "عن طبيعة الأشياء". انظر: المذهب الذري.

وفي العصور الوسطى حدث تجاهل تام لفكرة الذرات. وقد نتج هذا التجاهل بسبب رفض أرسطو، وهو أحد فلاسفة الإغريق، لهذه الفكرة حيث سادت فيه نظرياته مجالات الفلسفة والعلم في العصور الوسطى. لكن فكرة كون الذرات هي وحدات البناء الأساسية لكل المواد عاشت وانتعشت في القرنين السادس عشر والسابع عشر الميلاديين نتيجة لاعتناق مؤسسي العلم الحديث، أمثال فرانسيس بيكون وإسحق نيوتن من إنجلترا، وكذلك جاليليو من إيطاليا، لها. ولكنهم لم يضيفوا شيئًا يُذكر إلى النظرية الذرية التي وصفها ديموقريطس.



ميلاد النظرية الذرية الحديثة. في عام 1750م خرج العالم رودجر بُسْكوفتْش اليوغوسلافي المولد بفكرة مؤداها أن ديموقريطس ربما يكون قد أخطأ بتصوره أن الذرة غير قابلة للتفتت. واعتقد بُسْكوفتش أن الذرة تحتوي على أجزاء أصغر وهذه بدورها تحتوي أيضًا على أجزاء أصغر وأصغر وهكذا حتى وحدات البناء الأساسية للمادة. وشعر أن وحدات البناء هذه لابد أن تكون نقاطًا هندسية بلاحجم على الإطلاق. واليوم يعتنق أغلب علماء الذرة صورة حديثة لفكر بُسْكوفتش.

حدث تقدم سريع في تطوير النظرية الذرية عندما أصبحت الكيمياء علمًا دقيقًا خلال أواخر القرن الثامن عشر. فقد اكتشف علماء الكيمياء أنه من الممكن تجميع العناصر لتكوين مركَّبات، وذلك بنسب محدَّدة مبنية على كتلة أي من هذه العناصر. وتمكن العالم البريطاني جون دالتون في عام 1803م من تطوير نظرية ذرية تفسر هذا الاكتشاف. فقد اقترح دالتون أن كل عنصر يتكون من نوع خاص من الذرات وأن اختلاف خواص العناصر ينجم عن اختلاف ذراتها. وذهب إلى أبعد من ذلك فقال: إن ذرات كل عنصر متماثلة تمامًا في الحجم والشكل والكتلة.

وتبعًا لنظرية دالتون، فإن الذرات، عندما تتجمع لتكوِّن مركَّبًا معيَّنًا، تتجمع دائمًا وفق نسب عددية محدَّدة. وعلى هذا يصبح تركيب كتلة من مركب معين هو نفسه على الدوام.


الأوصاف الأولى للتركيب الذري. في عام 1897م، اكتشف عالم الفيزياء البريطاني جوزيف طومسون أن الذرات قابلة للتفتت. وقد توصل إلى اكتشافه هذا عندما كان يدرس الأشعة التي تنتقل بين الألواح المعدنية في صمام مفرغ. وقرر أن هذه الأشعة تتكون من جُسيمات خفيفة الوزن سالبة الشحنة. وبهذا يكون قد اكتشف الإلكترونات. وتبين طومسون على الفور أن الإلكترونات لابد أن تكون جزءًا من الذرة. واقترح نموذجًا للذرة تنغمس فيه الإلكترونات سالبة الشحنة في كرة موجبة الشحنة. وبالرغم من أن وصف طومسون كان بعيدًا كل البعد عن الوصف الصحيح للذرة، فإن عمله شجَّع علماء آخرين على بحث هيكل الذرة.

في عام 1911م قدَّم عالم الفيزياء البريطاني إرنِسْت رَذَرْفورد نظريته عن تكوين الذرة. فقد أعلن رذرفورد، وهو أحد تلاميذ طومسون السابقين، أن كل وزن الذرة تقريبًا مركَّزٌ في نواة دقيقة الحجم، وأن هذه النواة محاطة بإلكترونات تنتقل بسرعات بالغة الكبر خلال المنطقة الخارجية للذرة.

وقد بنى رذرفورد نظريته على نتائج التجارب التي قام فيها بقذف شرائح رقيقة من الذهب بجسيمات ألفا. فقد نفذت أغلب الجُسيمات من الشرائح، مما بين أن ذرات الذهب لابد أن تكون مكونة أساسًا من فضاء فارغ. لكن بعض الجُسيمات ارتدت كما لو كانت قد اصطدمت بشيء صلب. واستخلص رذرفورد من ذلك أن هذه الجُسيمات المرتدة انعكست بفعل قوة عظيمة من النواة الصغيرة الثقيلة لذرة من ذرات الذهب.

ولم تبين نظرية رذرفورد كيفية ترتيب الإلكترونات في الذرات. وفي عام 1913م اقترح العالم الدنماركي نيلز بور، الذي كان قد سبق له العمل مع رذرفورد، وصفًا لذلك. افترض بور أن الإلكترونات تنتقل فقط في مجموعة محدَّدة من المدارات حول النواة. ولم يكن افتراض بور الأوَّلي هذا مناسبًا، ولكن كثيرًا من الأفكار خلف هذا الافتراض ثبتت صحتها.

وفي عام 1924م رأى العالم الفرنسي لوي دي بروجلي أن للإلكترونات خواص الموجات. وفي 1928م تم الحصول على وصف سليم لترتيب الإلكترونات بمساعدة علماء فيزياء آخرين وخصوصًا وولفجانج باولي وإيرفين شرودينجر النمساويين وماكس بورن وفرنر هيسينبرج الألمانيين.



دراسة النواة. بالرغم من أن علماء الفيزياء (الطبيعة) فهموا حركة الإلكترونات بحلول عام 1928م، إلا أن النواة ظلت غامضة إلى حد كبير. وقد تم تشخيص البروتونات في عام 1902م. واعتقد رذرفورد في عام 1914م أن البروتونات لابد أن تكون جزءًا من النواة. وتبيَّن العلماء أن النواة لا يمكن أن تكون مكونة من بروتونات فقط. وفي 1932م اكتشف عالم الفيزياء البريطاني جيمس تشادْويك أن النواة تحتوي أيضًا على جُسيمات غير مشحونة سُمِّيت بالنيوترونات. كذلك طوّر العلماء في أوائل الثلاثينيات من القرن العشرين معجِّلات للجُسيمات قادرة على إنتاج طاقات عالية بدرجة كافية لدراسة النواة.

لم يتوقع رواد الفيزياء النووية أن يروا في وقت قصير تطبيقًا علمياً لما لديهم من معرفة. لكن الباحثين اكتشفوا في عام 1938م أن قذف نواة ذرة اليورانيوم بنيوترون يسبب انشطارها إلى جزءين وإطلاق طاقة. وأطلقوا على هذه العملية الانشطار النووي. وجاء هذا الاكتشاف قبل اندلاع الحرب العالمية الثانية في عام 1939م بشهور قليلة، واستُخدم الانشطار النووي في القنابل النووية التي ساعدت على وضع نهاية لهذه الحرب في عام 1945م.

وقد جعل تطوير الأسلحة النووية الحكومات تقف على أهمية تطوير الفيزياء النووية. نتيجة لهذا، رُصدت مبالغ طائلة من الأموال للأبحاث النووية بعد الحرب. كما كانت الاستخدامات السلمية للانشطار النووي محل اهتمام متزايد. ففي الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ تشغيل أول محطة نووية لتوليد الطاقة الكهربائية بتحويل الطاقة الحرارية التي تنتج من الانشطار النووي للنظير يورانيوم 235.

لكن سباق التسلح كان في الواقع السبب الرئيسي وراء الاهتمام البالغ بالأبحاث النووية. ففي أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ العلماء في تطوير القنبلة الهيدروجينية. وتختلف في فكرتها عن القنبلة الذرية، فهي تعتمد على اتحاد ذرات الهيدروجين. وعملية اتحاد الذرات هي الفاعلة في إنتاج الحرارة والضوء في الشمس والنجوم الأخرى. وهي عملية من الصعب التحكم فيها. ولو كان في استطاعة العلماء التحكم في عملية اتحاد الذرات لاستطاعوا إنتاج طاقة حرارية أرخص كثيرًا من تلك التي تنتج من الانشطار النووي نظرًا لتوفر غاز الهيدروجين.

وبعيدًا عن سباق التسلح، فإن الدراسة الأكاديمية للفيزياء النووية، وإنشاء معجِّلات الجسيمات متزايدة الحجم والطاقة أدَّت إلى زيادة معرفتنا بتفاصيل النواة.

وقد تبين العلماء أن البروتون والنيوترون لا يمكن أن يكونا مجرد جُسيمات بسيطة. ووجدوا أيضًا أن النيوترون غير خال من الشحنات الكهربائية. بل تبينوا أنه يحتوي على كميات متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. كما اكتشف الباحثون مئات من الجسيمات الجديدة متشابهة جدًا، وكذلك للبروتونات والنيوترونات مما قاد لفكرة أن كل الجسيمات النووية مكونة من تنظيمات مختلفة لقليل من الأجزاء الصغيرة.


اكتشافات حديثة. بحلول عام 1964م، توصل الباحثون إلى قرائن تدل على ماهية الأجزاء الأساسية المكونة للبروتونات والنيوترونات والجُسيمات النووية الأخرى. فقد طرح عالما الفيزياء الأمريكيان موراي جل ـ مان وجورج زفايج نظرية تصف هذه الأجزاء. وسمَّى جل ـ مان هذه الأجزاء بجسيمات الكوارك. وبيَّن علماء الفيزياء في عام 1971م أن هذه الجسيمات أصغر كثيرًا من البروتونات والنيوترونات.

وقد قاد نجاح نظرية الكوارك إلى تقدم سريع في الفيزياء تحت الذرية. وظل صعبًا التوصل إلى وصف دقيق للقوة بين البروتونات والنيوترونات نظرًا لشدة تعقيد هذه الجُسيمات، ومع ذلك، فإن القوة التي تحتفظ بجسيمات الكوارك معًا أصبحت مفهومة تمامًا مما سيساعد علماء الفيزياء مستقبلاً في فهم القوة النووية. ويبقى السؤال ما إذا كانت جسيمات الكوارك هي وحدات البناء الأساسية النهائية للذرات. كثير من الأبحاث مخصص للإجابة عن هذا السؤال.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:08 AM
علماء فيزيائيون

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:10 AM
إسحق نيوتن



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/thumb/1/19/Newton.jpg/180px-Newton.jpg



إسحاق نيوتن (Sir Isaac Newton) عاش ما بين 25 ديسمبر 1642 - 20 مارس 1727, بالتقويم القيصري آنذاك أو 4 يناير 1643 - 31 مارس 1727 بالتقويم الغريغوري. عالم إنجليزي، كيميائي، وفيلسوف. قدّم نيوتن ورقة علمية وصف فيها قوة الجاذبية الكونية ومهد الطريق لعلم الميكانيكا الكلاسيكية عن طريق قوانين الحركة. يشارك نيوتن ليبنيز الحق في تطوير علم الحسبان التفاضلي والمتفرع من الرياضيات


الإنجازات الإضافيّة
نيوتن كان الأول في برهنة أن الحركة الأرضية وحركة الأجرام السماوية تُحكم من قبل القوانين الطبيعية ويرتبط إسم العالم نيوتن بالثورة العلمية. يرجع الفضل لنيوتن بتزويد القوانين الرياضية لأثبات نظريات كيبلر والمتعلقة بحركة الكواكب.

قام بالتوسع في إثباتاته وتطرّق إلى ان مدار المذنّبات ليس بالضرورة بيضاوي! ويرجع الفضل لنيوتن في إثباته ان الضوء الأبيض هو مزيج من أضواء متعددة وأن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة.



سيرته
وُلد نيوتن في وولسثروب في مقاطعة لينكنشاير. مات أبوه ولا زال نيوتن في بطن أمه وقبل ولادته بـ 3 أشهر، وتركته والدته لتعيش مع زوجها الجديد بعد عامين من ولادة نيوتن وتركت الطفل نيوتن ليترعرع في كنف جدّته.

درس الثانوية في مدرسة "جراثام" وفي العام 1661 إلتحق بكلّية ترينيتي في كيمبريدج. كانت المدرسة آنفة الذكر تتبع منهج ارسطو الفلسفي إلا ان نيوتن كان يفضل تدارس الفلاسفة المعاصرين آنذاك من أمثال ديكارت، غاليليو، كويرنيكوس، و كيبلر.

في العام 1665 بدأ نيوتن بتطوير معادلات رياضية لتصبح فيما بعد بعلم الحسبان. مباشرة وبعد حصول نيوتن على الشهادة الجامعية في العام 1665، أغلقت الجامعة أبوابها كإجراء وقائي ضد وباء الطاعون الذي اجتاح اوروبا ولزم نيوتن البيت لمدة عامين تفرّغ خلالها للحسبان، والعدسات، وقوانين الجاذبية.

في العام 1667 أصبح نيوتن عضو في هيئة التدريس في كلية ترينيتي وقام بنشر الورقة العلمية والمتعلقة بـ "التّحليل بالمتسلسلة اللا نهائيّة".

قام كل من نيوتن و ليبنيز على حدة بتطوير نظرية المعادلات التفاضلية واستعمل الرجلان رموز مختلفة في وصف المعادلات التفاضلية ولكن تبقى الطريقة التي إتّبعها ليبنيز أفضل من الحلول المقدّمة من نيوتن ومع هذا، يبقى إسم نيوتن مقرون بأحد رموز العلم في وقته.

قضى نيوتن الخمس وعشرين السنة الأخيرة من حياته في خصومة مع ليبنيز والذي وصفه نيوتن بالمحتال!


البصريات
درُس نيوتن البصريات من العام 1670-1672، في هذه الفترة، تحقّق من إنكسار الضوء وبرهن على أن الضوء الأبيض ممكن ان ينقسم الى عدة ألوان عند مروره خلال المنشور ومن الممكن بالتالي تجميع حزمة الألوان تلك من خلال عدسة منشور آخر ليتكون الضوء الأبيض من جديد. باستنتاجه هذا، تمكن نيوتن من إختراع التلسكوب العاكس ليتغلب على مشكلة الألوان التي تظهر في التلسكوبات المعتمدة على الضوء المنكسر.

عاد نيوتن لعمله البحثي في الجاذبية وتأثيرها على مدار الكواكب مستنداً على القواعد التي أرساها كيبلر في قوانين الحركة، وبعد التشاور مع هوك و فلامستيد، نشر نيوتن إستنتاجاته في العام 1684 والتي تناولت قوانين الحركة.

نشر نيوتن الورقة "برينسيبيا" في العام 1687 بتشجيع ودعم مالي من إيدموند هالي. في هذه الورقة، سطّر نيوتن القوانين الكونية الثلاثة والمتعلقة بالحركة ولم يستطع أحد أن يعدل على هذه القوانين لـ 300 سنة أخرى!

بعد إصدار نيوتن لنظرية برينسيبيا، أصبح الرجل مشهوراً على المستوى العالمي واستدار من حولة المعجبون وكان من ضمن هذه الدائرة الرياضي السويسري نيكولاس فاتيو دي دويلير والذي كوّن مع نيوتن علاقة متينة إستمرت حتى العام 1693 وأدّت نهاية هذه العلاقة الى إصابة نيوتن بالإنهيار العصبي.

تمكن نيوتن من ان يصبح عضواً في البرلمان في الأعوام 1689-1690 وكذلك في العام 1671 ولكن لم تذكر سجلات الجلسات أي شيء يذكر عن نيوتن بإستثناء أن قاعة الجلسة كانت باردة وأنه طلب أن يُغلق الشبّاك ليعمّ الدفء!

في العام 1703 أصبح نيوتن رئيساً للأكاديمية الملكية وتمكن من خلق عداوة مع الفلكي جون فلامستيد بمحاولته سرقة كاتالوج الملاحظات الفلكية التابع لفلامستيد. منحته الملكة آن لقب فارس في العام 1705. لم يتزوج نيوتن قط ولم يكن له أطفال مسجّلون وقد مات في مدينة لندن ودفن في مقبرة ويست مينيستر آبي.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:11 AM
أينشتاين



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/thumb/6/62/Albert_Einstein.jpg/614px-Albert_Einstein.jpg
Albert Einstein
آذار (مارس) 1879 إلى 18 نيسان (أبريل) 1955).



عالم في الفيزياء النظرية، ولد في ألمانيا، وحصل على الجنسيتين السويسرية و الأمريكية ، ويدين بالديانة اليهودية. واضع النظرية النسبية العامة الشهيرة. حاز في العام 1921 على جائزة نوبل في الفيزياء.



حياته

البرت أينشتاينوُلد أينشتاين في مدينة أُولم الألمانية في العام 1879 وأمضى سِني يفاعته في ميونخ. كان أبوه "هيرمان أينشتاين" يعمل في بيع الرّيش المستخدم في صناعة الوسائد، و عملت أمّه "ني بولين كوخ" معه في إدارة ورشةٍ صغيرةٍ لتصنيع الأدوات الكهربائية بعد تخلّيه عن مهنة بيع الرّيش. تأخر أينشتاين الطفل في النطق حتى الثالثة من عمره، لكنه أبدى شغفاً كبيراً بالطبيعة، ومقدرةً على إدراك المفاهيم الرياضياتية الصعبة، وقد درس لوحده الهندسة الإقليدية. وعلى الرغم من انتمائه لليهودية، فقد دخل أينشتاين مدرسة إعدادية كاثوليكية وتلقّى دروساً في العزف على آلة الكمان. وفي الخامسة من عمره، أعطاه أبوه بوصلة، وقد أدرك أينشتاين آنذاك أن ثمّة قوةً في الفضاء تقوم بالتأثير على إبرة البوصلة وتقوم بتحريكها.

الطريف أن أحد نوابغ القرن العشرين كان يعاني من صعوبة في الاستيعاب، وربما كان مردُّ ذلك إلى خجل هذا الرجل في طفولته. ويشاع أن أينشتاين الطفل قد رسب في مادة الرياضيات فيما بعد، إلا أن المرجح أن التعديل في تقييم درجات التلاميذ آنذاك أثار أن الطفل أينشتاين قد تأخّر ورسب في مادة الرياضيات. وتبنَّى اثنان من أعمام أينشتاين رعاية ودعم اهتمام هذا الطفل بالعلم بشكل عام فزوداه بكتبٍ تتعلق بالعلوم والرياضيات.

بعد تكرر خسائر الورشة التي أنشأها والداه في العام 1894، انتقلت عائلته إلى مدينة ميلانو في إيطاليا، واستغل أينشتاين الابن الفرصة السانحة للإنسحاب من المدرسة في ميونخ التي كره فيها النظام الصارم والروح الخانقة . أمضى بعدها أينشتاين سنةً مع والديه في مدينة ميلان حتى تبين أن من الواجب عليه تحديد طريقه في الحياة؛ فأنهى دراسته الثانوية في مدينة آروا Aarua السويسرية، وتقدَّم بعدها إلى امتحانات المعهد الاتحادي السويسري للتقانة في زيورخ Zürich عام 1895، وقد أحب أينشتاين طرائق التدريس فيه، وكان كثيراً ما يقتطع من وقته ليدرس الفيزياء بمفرده، أو ليعزف على كمانه. إلى أن اجتاز الامتحانات وتخرَّج في العام 1900. لكن مُدرِّسيه لم يُرشِّحوه للدخول إلى الجامعة.

كان أينشتاين قد تنازل عن أوراقه الرسمية الألمانية في العام 1896، مما جعله بلا ثبوتية أو انتماءٍ لأي بلدٍ معين! وفي العام 1898، التقى أينشتاين بـ "ميلِفا ماريك Mileva Maric" زميلته الصربية على مقاعد الدراسة ووقع في غرامها، وكان في فترة الدراسة يتناقش مع أصدقائه المقربين في المواضيع العلمية. وبعد تخرجه في العام 1900 عمل أينشتاين مدرّساً بديلاً، وفي العام الذي يليه حصل أينشتاين على حق المواطنة السويسرية، ورُزق بطفلةٍ غير شرعية من صديقته أسمياها (ليسيرل) في كانون الثاني (يناير) من العام 1901.


عمله
جرأة العالم أينشتاين في شبابه حالت بينه وبين الحصول على عمل مناسبٍ في سلك التدريس، لكن وبمساعدة والد أحد زملاء مقاعد الدراسة حصل على وظيفة فاحص (مُختبِر) في مكتب تسجيل براءات الاختراع السويسري في العام 1902. تزوج أينشتاين من صديقته "ميلِفا" في 6 كانون الثاني (يناير) 1903 ورُزق بمولودٍ ذكر حمل اسم "هانز" في 14 من أيار (مايو) عام 1904. وفي هذه الأثناء، أصبح عمل أينشتاين في مكتب التسجيل السويسري دائماً، وقام بالحضير لرسالة الدكتوراه في نفس الفترة، وتمكن من الحصول على شهادة الدكتوراه في العام 1905 من جامعة زيورخ، وكان موضوع الرسالة يدور حول أبعاد الجزيئات. وفي العام نفسه، كتب أينشتاين 4 مقالاتٍ علميةٍ دون الرجوع للكثير من المراجع العلمية أو التشاور مع زملائه الأكاديميين، وتعتبر هذه المقالات العلمية اللبنة الأولى للفيزياء الحديثة التي نعرفها اليوم.

درس أينشتاين في الورقة الأولى ما يُعرف باسم الحركة البراونية Brownian motion، فقدم العديد من التنبُّؤات حول حركة الجسيمات الموزعة بصورةٍ عشوائية في السائل. عرف أينشتاين "بأبي النسبية"، تلك النظرية التي هزت العالم من الجانب العلمي، إلا أن جائزة نوبل مُنحت له في مجال آخر (المفعول الكهرضوئي) وهو ما كان موضوع الورقة الثانية. والعجيب في الأوراق العلمية الأربعة التي كتبها أينشتاين هو تناوله لفكرةٍ ما من الفيزياء النظرية ومطابقتها مع العواقب المنطقية لتلك الفكرة والتوصل إلى نتائج تجريبية نظرية مما أبهر وحير العلماء آنذاك.


النظرية النسبية الخاصة
ورقة أينشتاين العلمية الثالثة كانت عن "النظرية النسبية الخاصة". فتناولت الورقة الزمان، والمكان، والكتلة، والطاقة. وأسهمت نظرية أينشتاين بإزالة الغموض الذي نجم عن التجربة الشهيرة التي أجراها الأمريكيان الفيزيائي "ألبرت ميكلسون والكيميائي إدوارد مورلي" أواخر القرن التاسع عشر في عام 1887، فقد أثبت أينشتاين أن موجات الضوء تستطيع أن تنتشر في الخلاء دون الحاجة لوجود وسط أو مجال، على خلاف الموجات الأخرى المعروفة التي تحتاج إلى وسط تنتشر فيه كالهواء أو الماء! وأن سرعة الضوء هي سرعة ثابتة وليست نسبية مع حركة المراقب (الملاحظ). تجدر الإشارة إلى أن نظرية أينشتاين تلك تناقضت بشكل كلّي مع استنتاجات "إسحاق نيوتن". ذُهل العالم بنظرية أينشتاين النسبية الخاصة لأن الحقيقة المطلقة المتعلقة بالزمان والمكان والأبعاد أصبحت مرفوضة. جاءت تسمية النظرية بالخاصة للتفريق بينها وبين نظرية أينشتاين اللاحقة التي سُمِّيت بالنسبية العامة.


منتصف حياته
في العام 1906 ارتقى أينشتاين في السلم الوظيفي إلى مرتبة فاحص فني من الدرجة الثانية، وفي العام 1908 مُنح إجازةً لإلقاء الدروس والمحاضرات من "بيرن" في سويسرا. ووُلد الطفل الثاني لأينشتاين الذي سُمِّي "إدوارد" في 28 تموز (يوليو) 1910، وطلّق أينشتاين بعدها زوجته ميلِفا في 14 شباط (فبراير) 1919 وتزوج بعدها من ابنة عمه "ايلسا لوينثال" التي تكبره بثلاث سنوات في 2 حزيران (يونيو) 1919.

لا يعلم أحد حتى هذه الساعة شيئاً عن مصير طفلة أينشتاين الأولى غير الشرعية من زوجته ميلِفا؛ إذ يعتقد البعض أنها ماتت في فترة الرضاعة، ويعتقد البعض الآخر أن والديها أعطياها لمن لا أولاد له للتبني. أمّا بالنسبة لأولاد أينشتاين، فقد أُصيب أحدهما بمرض انفصام الشخصية ومات فيما بعد في المصح العقلي الذي تولى علاجه ورعايته. أمّا الإبن الثاني، فقد انتقل لولاية كاليفورنيا الأمريكية للعيش فيها ومن ثم أصبح أستاذاً (دكتور) في الجامعة، وكانت اتصالاته مع والده محدودةً جداً.

في العام 1914 وقبيل الحرب العالمية الأولى، استقر أينشتاين في مدينة "برلين" الألمانية. ولم يكن أينشتاين من دعاة الحرب ولكنه كان يهودياً مما تسبب بشعور الوطنيين الألمان بالضيق تجاه هذا الرجل، وتأجج هذا الإمتعاض لأينشتاين من قبل الوطنيين الألمان عندما أصبح أينشتاين معروفاً على المستوى العالمي بعدما خرجت مجلة الـ "تايم" الأمريكية في 7 تشرين الثاني (نوفمبر) 1919 بمقالٍ يؤكد صحة نظرية أينشتاين المتعلقة بالجاذبية.


الأعوام اللاحقة
بوصول القائد النازي "أدولف هتلر" إلى السلطة في العام 1933 تزايد الكره تجاه أينشتاين فاتهمه الوطنيون الإشتراكيون بتأسيس "الفيزياء اليهودية"، كما حاول بعض العلماء الألمان النيل من حقوق أينشتاين في نظرياته الأمر الذي دفع أينشتاين للهرب إلى الولايات المتحدة الأمريكية والتي منحته بدورها إقامةً دائمةً، وانخرط في "معهد الدراسات المتقدمة" التابع لجامعة "برينستون" في ولاية "نيو جيرسي". وفي العام 1940، صار أينشتاين مواطناً أمريكياً مع احتفاظه بأوراق مواطنته السويسرية.


السنوات الأخيرة
عرضت الحكومة الإسرائيلية على أينشتاين منصب رئيس الدولة في العام 1952 ولكن أينشتاين رفض هذا العرض الإسرائيلي .وفي العام 1955، توفي العالم أينشتاين دون أن يجد حلاً لنظرية الجاذبية العامة، وحُرق جثمانه في مدينة "ترينتون" في ولاية "نيو جيرسي" في 18 نيسان (أبريل) 1955 ونُثر رماد الجثمان في مكان غير معلوم، وحُفظ دماغ العالم أينشتاين في جرّة عند الطبيب الشرعي "توماس هارفي" الذي قام بتشريح جثته بعد موته.


معتقداته
كان أينشتاين يعتقد بـ "الإله الذي يتناغم مع كل ما هو موجود في الكون لا الإله الذي يتدخل بأقدار وتصرفات الإنسان"! وفي سؤالٍ مباشرٍ عن أقرب الأديان إلى معتقداته، أجاب أينشتاين بأنها "البوذية".


مختارات من أقوال أينشتاين
الشيئان الذان ليس لهما حدود، الكون و غباء الإنسان، مع أني لست متأكدا بخصوص الكون.
أهم شيء أن لا تتوقف عن التساؤل.
أجمل إحساس هو الغموض، إنه مصدر الفن والعلوم.
كل ما هو عظيم وملهم صنعه إنسان عَمِل بحرية.
إذا لم يوافق الواقعُ النظريةَ، غيِّر الواقع.
الجنون هو أن تفعل الشيء مرةً بعد مرةٍ وتتوقع نتيجةً مختلفةً.
الحقيقة هي ما يثبُت أمام إمتحان التجربة.
يستطيع أي أحمقٍ جعل الأشياء تبدو أكبر وأعقد, لكنك تحتاج إلى عبقري شجاع لجعلها تبدو عكس ذلك.
الخيال أهم من المعرفة.
الحقيقة ليست سوى وهم، لكنه وهم ثابت.
يبدأ الإنسان بالحياة، عندما يستطيع الحياة خارج نفسه.
أنا لا أفكر بالمستقبل، إنه يأتي بسرعة.
من لم يخطئ، لم يجرب شيئاً جديداً.
العلم شيءٌ رائعٌ، إذا لم تكن تعتاش منه.
سر الإبداع هو أن تعرف كيف تخفي مصادرك.
العلم ليس سوى إعادة ترتيبٍ لتفكيرك اليومي.
لا يمكننا حل مشكلةٍ باستخدام العقلية نفسها التي أنشأتها.
الثقافة هي ما يبقى بعد أن تنسى كل ما تعلمته في المدرسة.
المعادلات أهم بالنسبة لي، السياسة للحاضر والمعادلة للأبدية.
إذا كان أ= النجاح . فإن أ = ب +ج + ص. حيث ب=العمل. ج=اللعب???the word is in german "Muse". ص=إبقاء فمك مغلقاً.
كلما اقتربت القوانين من الواقع أصبحت غير ثابتة، وكلما اقتربت من الثبات أصبحت غير واقعية.
أنا لا أعرف السلاح الذي سيستخدمه الإنسان في الحرب العالمية الثالثة، لكني أعرف أنه سيستخدم العصا والحجر في الحرب العالمية الرابعة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:13 AM
جاليليو



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/Galileo.arp.300pix.jpg



غاليليو (1564-1642م) فيزيائي وفلكي إيطالي، أحد واضعي الفيزياء الحديثة.

ولد في مدينة بيزا سنة 1564 . ودرس في جامعاتها ثم توقف عن إكمال دراسته لأسباب مالية. ورغم ذلك فقد حصل على وظيفة مدرس في الجامعة في 1589 وبعدها بسنوات التحق بالتدريس في كلية بادوا وظل هناك حتى سنة 1610 وفي تلك الفترة أنتج أعظم أعماله العلمية

من إسهاماته الفلكية اختراعه للمرصاد الفلكي واكتشافه للبقع الشمسية.

اعتبر غاليليو زعيماً للحرب من أجل حرية البحث العلمي التي شُنّت ضد السلطة الحاكمة.

ولد غاليليو في 15/2/1564 ودرس في بداية حياته الطب قبل أن يتحول إلى دراسة الفلسفة والرياضيات، تخصص غاليليو في اختراع أدوات الحساب والقياس الدقيقة.

في سنة 1609 قام باختراع جهاز التلسكوب مكبراً عشرين مرة.

من مؤلفاته "الرسول الضوئي" و "الحوار".

أصدرت الكنيسة نتيجة أبحاثه العلمية المخالفة لتعاليمها قراراً بإعدامه.

توفي في مدينة "Arotri" بفلورانسا يوم 8/1/1642.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:14 AM
جوان كريستيان دوبلر



http://vathena.arc.nasa.gov/curric/weather/hsweathr/doppler.jpg


جوان كريستيان دوبلر (Doppler, Christian Johan) (1803-1853م).

فيزيائي ورياضي نمساوي، ولد في سالزبورغ (Salzbourg) بالنمسا ودرس فيها وفي فيينا أيضاً، وأصبح مديراً لمعهد الفيزياء بجامعة فيينا سنة 1850.

في دراسته حول تغيرات لون الضوء الصادر عام 1842، وصف دوبلر (Doppler) الظاهرة الفيزيائية التي اكتشفت مستقلة فيما بعد من طرف العالم "فيزو" (Fizeau) وعُرِفت منذ ذلك الوقت بـ "ظاهرة دوبلر" (Doppler Effect).

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:15 AM
جورج غاموف



جورج غاموف (1904-1968) فيزيائي أمريكي من أصل روسي ولد في أوديسا بأوكرانيا وأكمل دراساته الجامعية بمدينة لينينغراد. قام بأعماله الأولى في الفيزياء النووية وأكملها في جامعتي كوبنهاغن وكامبردج.

هاجر إلى أمريكا سنة 1934 وتجنس بالجنسية الأمريكية عام 1940، وصار أستاذاً في الفيزياء النظرية بجامعة جورج واشنطن بين عامي 1934 و 1956 وأستاذاً بجامعة كولورادو من 1950 إلى 1968.

قدّم غاموف إسهامات هامة في عدة مجالات منها الإشعاع الذرّي، علم الكونيات والفيزياء الفلكية والفيزياء الذرية.

أصبح واحداً من أهم القائلين بنظرية توسع الكون.

ألّف عدة كتب منها:

- ولادة وموت الشمس (عام 1940).

- واحد - اثنان - ثلاثة نهاية (1947).

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:16 AM
أرنو بنزياس



أرنو بنزياس (Arno Penzias) فلكي وفيزيائي أمريكي حاز على جائزة نوبل في الفيزياء سنة 1978 من أجل مشاهداته المؤكدة لنظرية الانفجار العظيم (Big bang).

ولد بنزياس سنة 1933 في ميونيخ بألمانيا وأتم دراسته الجامعية بأمريكا حيث حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء عام 1962.

كما التحق بفريق البحث في مجال الإشعاعات والاتصالات بمركز (AT & T) سنة 1961.

وخلال أبحاثه التي كان يقوم بها مع زميله الأمريكي روبرت ويلسن (Robert Wilson) حول الموجات الالكترومغناطيسية، تم تحديد وجود إشعاع في عمق السماء، عبارة عن شحنة منتظمة وغير متغيرة، ليس لها مصدر معين تنبع منه، واكتشفا أن الإشعاع الكوني الطبيعي يمكن أن يوجد منذ ذلك الوقت في جميع أنحاء الفضاء.

هذا الاكتشاف أكّد النظرية الكونية للانفجار العظيم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:17 AM
ابن الهيثم



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/a/a0/Binalhitham.jpg



العالم العربي محمد بن الحسن بن الحسن بن الهيثم أبو على البصري، عالم بصريات وهندسة له العديد من المؤلفات والمكتشفات العلمية التي أكدها العلم الحديث.


مولده ونشأته
ولد ابن الهيثم في مدينة البصرة في العراق سنة 354 هجرية- 965 ميلادية، في عصر كان يشهد ازدهارا في مختلف العلوم من رياضيات وفلك وطب وغيرها، هناك أنكب على دراسة الهندسة والبصريات وقراءة كتب من سبقوه من علماء اليونان وغيرهم في هذا المجال، كتب عدة رسائل وكتب في تلك العلوم وساهم على وضع القواعد الرئيسية لها.

أشهر أعماله: المناظر (أو علم الضوء) - صورة الكسوف - اختلاف منظر القمر - رؤية الكواكب - التنبيه على ما في الرصد من الغلط - تربيــــع الدائرة - أصول المساحة - أعمدة المثلثات - المرايا المحرقة بالقطـــــوع - المرايا المحرقة بالدوائر - كيفـيات الإظلال - رســــــالة في الشفق - شــرح أصول إقليدس في الهندسـة والــعدد - الجامع فـي أصول الحساب - تحليل المسائل الهندسية - تحليل المسائل العـددية. ولابن الهيثم أكثر من 80 كتابا ورسالة، عرض فيها لسير الكواكب والقمر والأجرام السماوية وأبعادها


مؤلفاته
لابن الهيثم الكثير من المؤلفات التي يصل عددها الى ثمانين كتابا ورسالة في مختلف العلوم، ولعل أهم تلك المؤلفات كتاب المناظر الذي وضع فيه نظريته المعروفة التي أصبحت أساس علم البصريات فيما بعد وتنص على ان العين تتمكن من الرؤية بانبعاث أشعة من الأجسام باتجاهها وهذا ما اثبته العلم الحديث مخالفا بذلك العالم اليوناني بطليموس الذي قال ان العين تخرج أشعة باتجاه الاجسام للتتمكن من رؤيتها


تأثيره على العلم الحديث
درس إبن الهيثم ظواهر إنكسار الضوء وإنعكاسه بشكل مفصّل ، وخالف الآراء القديمة كنظريات بطليموس ، فنفى ان الرؤية تتم بواسطة أشعة تنبعث من العين ، كما أرسى أساسيات علم العدسات وشرّح العين تشريحا كاملا .


وفاته
توفي إبن الهيثم في مدينة القاهرة في مصر سنة 1038 ميلادية عن عمر 73 عام.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:17 AM
جورج سيمون أوم



جورج سيمون أوم (ايرلانغن1787 - ميونخ 1854) هو عالم ومكتشف ألماني تخصص في العلوم عامة وفي الفيزياء بنوع خاص قام بالتدريس في عدة معاهد أخرها في ميونخ Munich . حيت توفي عام 1854 م . من أهم أعماله :

اكتشف قانون في الكهرباء عرف باسمه وهو :
V=I*R حيت V هي الفولثية ,I هو شدة التيار ,R هي المقاومة .

اكتشف الخصائص الكمية للتيارات الكهربائية .
وضع وحدة قياس المقاومة باسمه ورمز لها بالرمز اليوناني أومغا
من مؤلفاته :

النظرية الرياضية للتيارات الكهربائية
عناصر الهندسة التحليلية .

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:19 AM
ستيفين هاوكينج



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/1/1e/Hawking_big.jpg



ستيفين هاوكينج ولد في أكسفورد, انجلترا, درس في جامعة أكسفورد وحصل منها على درجة الشرف الأولى في الفيزياء, أكمل دراسته في جامعة كمبريدج للحصول على PhD في علم الكون, له أبحاث نظرية في علم الكون وأبحاث في العلاقة بين الثقوب السوداء والديناميكا الحرارية, وله دراسات في التسلسل الزمني.


أصيب بمرض عصبي وهو في عمر 21, ذكر الأطباء انه لن يعيش أكثر من سنتين, ومع ذلك جاهد المرض وعاش مدة أطول مما ذكره الأطباء, المرض جعله مقعد تماما غير قادر على الحراك.


يستخدم صوت الكتروني بسبب أجراء عملية للقصبة الهوائية بسبب التهاب القصبة, ثم أصبح غير قادر على تحريك ذراعه وقدمه حتى أصبح غير قادر على الحركة تماما, أصبح مرتبطا بجهاز الكتروني خاص موصول مع الكرسي يتلقى الأوامر عن طريق حركة العين والرأس ليعطي بيانات مخزنة في الجهاز.


يعتبر هاوكينج نفسه محظوظ بعائلة متميزة, و يعتبر هاوكينج أنموذج في التحدي والصبر, ومقاومة المرض وإنجاز ما عجز عنه الأصحاء, إلى الجانب العلمي, يتميز هاوكينج بالدعابة, وهو مساعد للطفولة وقرى الأطفال, وشارك في مظاهرات ضد الحرب على العراق.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:20 AM
فان دا فالس



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/2/2f/JohannesDiderikVanDerWaals.jpg



ولد يوهانس ديدريك فان دا فالس في 23 نوفمبر 1837 في ليدن و توفي في 8 مارس 1923 في أمستردام وهو فيزيائي هولندي مشهور

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:21 AM
فوريي



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/c/c7/Fourier.jpg



جون باتيست جوزيف فوريي ولد في 1768 في أوسير و توفي سنة 1830 في باريس وهو رياضي و فزيائي فرنسي. كان فوريي إبنا لحائك و تربى و ترعرع في المدرسة العسكرية في أوسير حيث تم إكتشافه كطفل نابغة. في سن لا يجاوز 18 سنة بدء العمل كأستاذ في نفس المدرسة التي تربى فيها و بعدها إنتقل إلى المدرسة البوليتكنية المشهورة في باريس. في نهاية القرن 18 ذهب مع نابوليون إلى مصر حيث كان سكريتيرا في المعهد المصري. بعد عودته من مصر عمل منذ سنة 1802 كوالي لمنطقة الإيزر وفي سنة 1808 أصبح بارونا. في سنة 1815 صار واليا لمنطقة الرون و عين سكريتيرا مدى الحياة في الأكادمية الفرنسية للعلوم

و بموازات هذه النشاطات إهتم فوريي بالفزياء و خاصة بإنتشار الحرارة في المواد الصلبة كما أن فوريي كان أول من إستعمل أو حلل ظاهرة الإنحباس الحراري المشهورة اليوم. من أهم إضافاته للرياضيات:

تحويل فوريي
تحليل فوريي
مجموع فوريي
و هي نظريات و معارف تسدخدم في أحدث مجالات الصناعات و هناك الكثير من النظريات التي تبني عليها

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:22 AM
ماركوني



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/Marconi.jpg



غوليلمو ماركوني (1874–1937م) عالم موجات كهربية مغناطيسية ومخترع الراديو، ولد بمدينة بولونيا بإيطاليا من أسرة غنية، ونجح ماركوني في اختراع جهاز خاص وذهب إلى إنكلترا وعرض الجهاز وسجله هناك وأنشأ شركة، وهو أول رجل أرسل واستقبل بنجاح الإشارات الإشعاعية على مختلف المسافات. أرسل عام 1901م إشارات عبر الأطلسي، فكان يوما عظيماً في تاريخ الإتصالات اللاسلكية حيث أن السفن الحربية التي تعاني من مصاعب يمكنها أن تطلب المساعدة بسرعة، وفي السنوات الأخيرة من حياته قام بتطوير استخدام الموجات القصيرة والموجات القصيرة جدا، وتوفي ماركونى في روما.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:23 AM
ماري كوري



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/3/38/Marie_Curie.jpg



بولندية المولد في عام 1867م, أكتشفت مع زوجها بيير كوري في باريس عام 1898م عنصري البولونيوم والراديوم.

نالت وزوجها عام 1903م جائزة نوبل في القيزياء. وفي عام 1911م نالت مدام كوري نالت جائزة نوبل للمرة الثانية وذلك بعد خمسة أعوام من وفاة زوجها قي حادثة طريق.

لها بنتان ايرين و ايف. أقتفت ايرين خطى والدتها ونالت وزوجها فريدريك جوليوت في عام 1935م جائزة نوبل في الكيمياء لإكتشافهما النشاط الأشعاعي الأصطناعي.

كرم الزوجان كوري بأطلاق الوحدة (كوري) لقياس النشاط الأشعاعي وكذلك أطلاق أسم (كوريوم) على عنصر الجديد ما بعد اليورانيوم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:24 AM
مايكل فاراداى



مايكل فاراداى (1791 – 1867م) كيمياوي وفيزيائي إنكليزي، ولد مايكل فاراداى في إنكلترا من أسرة فقيرة، وعلم نفسه بنفسه وعمل كبائع للكتب فكرس أمسياته لدراسة الفيزياء و الكيمياء، كما شهد محاضرات في المعهد الملكي واستمع إلى المع كيميائي في عصره السير همفري دافي، والذي أصبح فاراداى مساعده المخبري وعام 1825 أصبح مؤهلا ليتفوق على دافي كموجه في المعهد الملكي المخبرى، وعين أستاذا للكيمياء وهبته الملكة اليزابيث عام 1852 منزلا في فناء هامبتون، وأعظم أعمله في مجال الكهرباء والمغطسة اكتشاف عام 1841 انتقال التيار الكهربائي مما أدى لاختراع المحرك الكهربائي، وتوفى فاراداى بالقرب من لندن ولم ينجب أولادا من زوجته.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:25 AM
يوكاوا هيديكي



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/5/5e/Hideki_yukawa.jpg



يوكاوا هيديكي (باليابانية:湯川 秀樹 ) عاش (1907-1981 م) هو فيزيائي ياباني، حائز على جائزة نوبل في الفيزياء، يرجع له الفضل في اكتشاف جزيئه الميزون.

حياته
ولد في طوكيو، وتابع دراسته في جامعة كيوتو وأوساكا، قبل أن يصبح أستاذا 1939 م لمادة الفيزياء في جامعة كيوتو. قام بإلقاء الدروس في جامعات أوساكا، برينستون وكولومبيا في الولايات المتحدة.

عام 1953 م أصبح "يوكاوا" مدير لمعهد الابحاث في الفيزياء الأساسية التابع لجامعة كيوتو. أدت بحوثه المكثفة في ميكانيكا الكم، وفيزياء الجزيئات عام 1935 م إلى الاكتشاف النظري لوجود جزيئات الميزون. كوفئ على اكتشافه بمنحه جائزة نوبل للفيزياء سنة 1949 م. قبل ذلك 1946 م استطاع العالمان سي. باول (C. Powell) وجي. أوتشياليني (G. Occhialin) عن طريق أعمالهما في مجال الإشعاعات الكونية أن يثبتا صلاحية نظرية الميزون.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:26 AM
الدكتور العالم على مصطفى مشرفة



http://www.islamonline.net/arabic/famous/2001/08/images/pic14.jpg



ولد الدكتور علي مشرفة في دمياط في 22 صفر 1316 الموافق 11 يوليه 1898، والده هو السيد "مصطفى عطية مشرفة" من مشايخ الدين ومن مدرسة الإمام جمال الدين الأفغاني والشيخ محمد عبده. كان لأبويه اليسر المادي والجاه الاجتماعي.. فنشأ "علي" على الشعور المرهف بالجمال الذي لم يفقده حبه للخير.. ومصادقة الضعفاء والمساكين.

في عام 1907 حصل "علي" على الشهادة الابتدائية، وكان ترتيبه الأول على القطر.. إلا أن والده توفي في نفس العام تاركًا عليًّا الذي لم يتجاوز الاثنى عشر ربيعًا ربًّا لأسرته المكونة من أمه وإخوته الأربعة..

ولعل هذا هو السر فيما يُعرف عن شخصية الدكتور "علي مشرفة" بالجلد والصبر.. وحب الكفاح. وارتفاع الحس التربوي في شخصيته.

حفظ عليٌّ القرآن الكريم منذ الصغر، كما كان يحفظ الصحيح من الأحاديث النبوية.. كان محافظًا على صلاته مقيمًا لشعائر دينه كما علمه والده، وقد ظلت هذه المرجعية الدينية ملازمة له طوال حياته.. يوصي إخوته وجميع من حوله بالمحافظة على الصلاة وشعائر الدين كلما سنحت له الفرصة.. وقد بدا ذلك جليًّا في خطاباته التي كان يبعثها إلى إخوته وأصدقائه أثناء سفره للخارج.. والتي طالما ختمها بمقولة:
(اعمل وإخوانك للإسلام.. لله). وقد عاش ملازمًا له في جيبه مصحف صغير رافقه في السفر والحضر..

مشواره إلى الأستاذية

في عام 1914 التحق الدكتور علي مشرفة بمدرسة المعلمين العليا، التي اختارها حسب رغبته رغم مجموعه العالي في البكالوريا. وفي عام 1917 اختير لبعثة علمية لأول مرة إلى إنجلترا بعد تخرجه.. فقرر "علي" السفر بعدما اطمأن على إخوته بزواج شقيقته وبالتحاق أشقائه بالمدارس الداخلية.. التحق "علي" بكلية نوتنجهام Nottingham ثم بكلية "الملك" بلندن؛ حيث حصل منها على بكالوريوس علوم مع مرتبة الشرف في عام 1923. ثم حصل على شهادة Ph.D (دكتوراة الفلسفة) من جامعة لندن في أقصر مدة تسمح بها قوانين الجامعة.

وقد رجع إلى مصر بأمر من الوزارة، وعين مدرسًا بمدرسة المعلمين العليا.. إلا أنه وفي أول فرصة سنحت له، سافر ثانية إلى إنجلترا، وحصل على درجة دكتوراة العلوم D.Sc فكان بذلك أول مصري يحصل عليها.

في عام 1925 رجع إلى مصر، وعين أستاذًا للرياضة التطبيقية بكلية العلوم بجامعة القاهرة، ثم مُنح درجة "أستاذ" في عام 1926 رغم اعتراض قانون الجامعة على منح اللقب لمن هو أدنى من الثلاثين.

اعتمد الدكتور "علي" عميدًا للكلية في عام 1936 وانتخب للعمادة أربع مرات متتاليات، كما انتخب في ديسمبر 1945 وكيلاً للجامعة.

نبذة عن حياته العلمية

بدأت أبحاث الدكتور "علي مشرفة" تأخذ مكانها في الدوريات العلمية وعمره لم يتجاوز خمسة عشر عامًا.

في الجامعة الملكية بلندن King’s College، نشر له أول خمسة أبحاث حول النظرية الكمية التي نال من أجلها درجتي Ph.D ( دكتوراه الفلسفة) و Dsc.(دكتوراة العلوم).

دارت أبحاث الدكتور مشرفة حول تطبيقه الشروط الكمية بصورة معدلة تسمح بإيجاد تفسير لظاهرتي شتارك وزيمان.

كذلك.. كان الدكتور مشرفة أول من قام ببحوث علمية حول إيجاد مقياس للفراغ؛ حيث كانت هندسة الفراغ المبنية على نظرية "أينشين" تتعرض فقط لحركة الجسيم المتحرك في مجال الجاذبية.

ولقد أضاف نظريات جديدة في تفسير الإشعاع الصادر من الشمس؛ إلا أن نظرية الدكتور مشرفة في الإشعاع والسرعة عدت من أهم نظرياته وسببًا في شهرته وعالميته؛ حيث أثبت الدكتور مشرفة أن المادة إشعاع في أصلها، ويمكن اعتبارهما صورتين لشيء واحد يتحول إحداهما للآخر.. ولقد مهدت هذه النظرية العالم ليحول المواد الذرية إلى إشعاعات.

كان الدكتور "علي" أحد القلائل الذين عرفوا سر تفتت الذرة وأحد العلماء الذين حاربوا استخدامها في الحرب.. بل كان أول من أضاف فكرة جديدة وهي أن الأيدروجين يمكن أن تصنع منه مثل هذه القنبلة.. إلا أنه لم يكن يتمنى أن تصنع القنبلة الأيدروجينية ، وهو ما حدث بعد وفاته بسنوات في الولايات المتحدة وروسيا..

تقدر أبحاث الدكتور "علي مشرفة" المتميزة في نظريات الكم، الذرة والإشعاع، الميكانيكا والديناميكا بنحو خمسة عشر بحثًا.. وقد بلغت مسودات أبحاثه العلمية قبل وفاته إلى حوالي مائتين.. ولعل الدكتور كان ينوي جمعها ليحصل بها على جائزة نوبل في العلوم الرياضية.

وفاته:

توفى الدكتور "علي مصطفى مشرفة" عن عمر يناهز 52 عامًا.. يوم الإثنين الموافق 15 يناير 1950.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:28 AM
لابلاس



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ar/thumb/9/9f/Laplace.jpg/150px-Laplace.jpg



بيير سيمون لابلاس ولد في 1749في فرنسا و توفي سنة 1827 وهو رياضي و فلكي. من أبرز إهتماماته علم الإحتمال و علم المعادلات التفاضلية

نشأته و حياته

يعود أصله إلى عائلة نورمانية نبيلة. في سنة 1765 بدأ الدراسة في كاين و في سنة 1771 بدأ التدريس في الأكاديمية العسكرية في باريس وقد كان من مدرسي نابليون بونابرت. سنة 1773 أصبح لابلاس عضوا في أكاديمية باريس. تزوج ماري شارلوت دي كورتي دي روماني. في 1799 أصبح وزيرا للداخلية. في سنة 1796 أصدر أهم كتاب له بعنوان Exposition du Système du Monde. في مجلداته الخمسة Mécanique céleste إهتم لابلاس بمكانيكا الأجسام الفلكية و طور نظرية حول نشأة المنظومة الشمسية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:29 AM
ماكس بلانك



http://worldroots.com/brigitte/gifs/planck-3.gif



صاحب «النظرية الكمية للاشعاع الكهرومغناطيسي»

يعرف «ماكس بلانك»، بأنه صاحب «النظرية الكمية للإشعاع الكهرومغنطيسي»، وقد عرضها أول مرة ، في اجتماع للجمعية الفيزيقية الألمانية عقد في ديسمبر عام .1900
ولد «ماكس بلانك» في مدينة «كيل» الألمانية عام 1858 ثم انتقل مع عائلته إلى «ميونيخ»، حيث التحق بمدارسها، ثم درس بجامعتها، وبعد فترة رحل إلى جامعة «برلين»، كي يتتلمذ على يد كبار علماء الفيزيقيا في عصره، أمثال «هيرمان فون هيلمهولتز»، «جوستاف كيرشوف». وقد اهتم «بلانك»، طوال حياته الحافلة، اهتماماً خاصاً بالحرارة، التي تعرف حالياً باسم الديناميكا الحرارية، حتى إنه تقدم لنيل درجة الدكتوراه، برسالة وأبحاث تدور جميعاً حول هذا الموضوع، وكان من نتيجة ذلك، أن أصبح أستاذا في جامعة «برلين» إثر وفاة «كيرشوف» وعلى النقيض من معظم العلماء، لم يبرز التفكير العلمي، الذي ينسب بالفخر في أيامنا هذه إلى صاحبه «بلانك»، في رأس هذا العالم، إلا بعد أن تقدم به العمر
ويتمثل هذا التفكير العلمي، في توصله إلى اكتشاف النظرية الكمية للطاقة، التي نال
عنها جائزة «نوبل» عام .1918 وكان «بلانك» أول من تحقق من حتمية وجود الطاقة التي تحملها جميع الموجات الكهرومعنطيسية «مثل الضوء، أو الحرارة، أو موجات الراديو» على هيئة حزم منفصلة، أو كميات صغيرة جداً، وأنها لا توجد موزعة على هيئة موجية مستمرة. وقد استعان على إثبات نظريته تلك، بنظرية الجسيمات عن الضوء التي سبق أن لفظها «نيوتن».
واعترى «بلانك» شعور مزدوج من الخوف والقلق، من جزء ما قد يترتب على إعلانه نظريته. وجعلته طبيعته الرقيقة - التي اكتسبها نتيجة انحداره من عائلة تمرست بمهنة المحاماة وغيرها من الوظائف المدنية - حذرا غاية الحذر أثناء حديثه، حتى إنه جاهر بإيمانه الكامل بالنظرية التقليدية عن الإشعاع الكهرومغنطيسي، كما فسرها «ماكسويل»، رغم أن نظريته الخاصة، أثبتت عدم صلاحية هذه النظريات التقليدية للتطبيق على الأطوال الموجية القصيرة. كما لم يكن مقتنعا بالصيغة الرياضية للنظرية الكمية، حيث عرضت طاقة الإشعاع، كناتج لضرب تردد الإشعاع في مقدار ثابت صغير. وكان «بلانك» مؤمناً إيمانا راسخا، بإمكانية الاستغناء عن هذا الثابت، في حين أن هذا الثابت - ويسمى ثابت «بلانك» - يعد من الثوابت الأساسية في الطبيعة «مثل المعادلة الخاصة بسرعة الضوء في الفراغ»، كما يعد أمرا ضروريا، لتفهم طبيعة الذرات، وكيفية امتصاصها للإشعاع، أو ابتعاثها له.
لذلك استولى الشعور بالضيق على بلانك، عندما انتصرت نظريته الكمية، ولكن على يد موظف سويسري نشرها في بحث عن النظرية النسبية، ولم يكن ذلك الموظف السويسري، سوى «ألبرت أينشتاين». وبعد هذه البداية السيئة، نشأت صداقة حميمة بين الشاب الشغوف بالعلم «أينشتاين» و«ماكس بلانك»، الذي كان في منتصف العمر آنذاك. ويحكي أن الجيران، كثيرا ما سمعوهما يعزفان الموسيقى سويا، فيقوم «أينشتاين» بالعزف على الكمان، ويصاحبه بلانك باللعب على البيان «البيانو»
وربما كانت هذه الصداقة، وكذلك ثقة «بلانك» في الله، هما السبب وراء صموده
أمام المحاكمات العديدة التي استهدفت إدانته في حياته. واستمر «بلانك» في تدريس علم الفيزيقيا في جامعة «برلين»، التي كانت تتدهور وتنقرض يوما بعد الآخر كما كان يزور «هتلر» باستمرار باعتباره سكرتير الأكاديمية الالمانية للعلوم، حتى بلغ من العمر 40 عاماً وكان من المحزن «لبلانك» وللجهود العلمية الألمانية عموماً أن يفر عدد كبير من العلماء - كان «أينشتاين» واحد منهم - من حكم النازي، كما كان
من الأمور الباعثة على حزنه الشديد أن يدان «إروين» ابنه كشريك في إحدى المؤامرات التي دبرت لاغتيال هتلر. وكان أشق ما عاناه «ماكس بلانك» في حياته شعور الأسف العميق على الصدع الذي كان يعتقد أن نظريته قد أحدثتة في علم الفيزيقيا وحتى وفاته - وقد اقترب عمره من التسعين - دوام على الجهاد للتوفيق بين الفيزيقيا التقلدية التي آمن بها وقام على تدريسها، وبين الفيزيقيا الحديثة التي أرسى قواعدها.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:30 AM
بوهر



http://library.thinkquest.org/C005775/Arabic/History/images/bohr_n_a1.jpg



يعتبر نيلس بوهر من أحد أبرز الفيزيائيين النظريين فى القرن العشرين، فلقد لعب دوراً بارزاً فى استنباط وتفسير ميكانيكا الكم من خلال أعماله الخاصة ومن خلال تأثيره على صغار السن من الفيزيائيين ،
النظرية التى وصفت الظواهر الذرية وتحت الذرية ( الدون ذرية)
ولد بوهر فى كوبنهاجن فى السابع من أكتوبر 1885 وكان والده أستاذ فى علم وظائف الأعضاء ( الفسيولوجيا ) حصل بوهر على درجة الدكتوراه فى موضوع تحت عنوان نظرية إلكترون فى بنية الفلزات .
وفى عام 1911 سافر بوهر إلى كامبردج فى إنجلترا للعمل مع طومسون - أشهر باحثى الذرة فى هذا الوقت ، لم يدم هذا العمل لوقت طويل فقد قرر نيلس بوهر الذهاب إلى مدينة مانشستر بإنجلترا للعمل مع ( إيرنست رذرفورد) وقام رذرفورد بعد ذلك باستنباط النموذج النووى للذرة وأستخدم هذه النظرية فى بحوثه - تفسير تركيب الذرة والطيف الذرى .

نفذ هذا العمل بمدينة مانشستر وأيضاً فى (كوبن هاجن )والتى عاد إليها بوهر فى عام 1912 لكى يتزوج وقد قام بوهر بوضع أساس النظرية الكمية لذرة فى ثلاثة أبحاث كبيرة قام بكتابتها قبل ذلك فى كوبنهاجن وقد أشار من خلال هذا العمل إلى إن الذرات لا يمكن وصفها كلية من خلال استخدام مفاهيم الفيزياء النمطية وأقترح أيضاً أن الإلكترون فى ذرة يدور عاداً فى أحد المدارات المحتملة ( الممكنة).
وبتطبيق هذا الافتراض عملياً على ذرة الهيدروجين قام بوهر باستنتاج طاقات الحالات الثابتة وهذا يقتضى ضمنياً أن الإلكترون ( كذلك الذرة ) تصدران الإشعاع فقط عند القفز ( الانتقال) فجاءة من حاله ثابتة إلى أخرى .أن نجاح هذه التجارب ( الحسابات ) ساعد كثيراً على إقناع الفيزيائيين بأهمية الأفكار الكمية وفاز بوهر بجائزة نوبل فى الفيزياء فى عام 1922 نتيجة لأجرائه هذه التجارب وعين مديراً لمعهد الفيزياء النظرية فى كوبنهاجن فى عام 1922 ، وقد قام بوهر فى العشرينيات من خلا محاضرته ومناقشاته مع ألبرت أينشاتين وأخرون بتكريس أفكره الرائدة لفهم ميكانيكا الكم وتعد أسهماته مع (أيزن برج) فى استنباط مبدأ الريبة ( الشك) آذت مدلول هام وخاص جداً .
وقد أطلق على الطريقة التى فهم عن طريقها معظم الفيزيائيين ميكانيكا الكم أسم ( تفسير كوبنهاجن) وفى أواخر الثلاثينيات أتجه اهتمام بوهر إلى الفيزياء النووية.
وفى عام 1943 هرب بوهر من الدنمارك المحتلة ثم عمل فى الولايات المتحدة خلال الفترة المتبقية من الحرب العالمية الثانية وساهم فى مشروع القنبلة الذرية حينا ذاك وبعد انتهاء الحرب عاد بوهر إلى وطنه وكان له خطب وأحاديث دورية تكلم فيها عن الحاجة إلى المسئولية عن السياسة النووية توفى بوهر فى نوفمبر عام 1962 بالدنمارك.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:32 AM
دي بروجلي



http://library.thinkquest.org/C005775/Arabic/History/images/broglie_a4.jpg



لويس دى برولى هو الفيزيائى الفرنسى المولود فى الخامس عشر من أغسطس 1892 والمتوفى في التاسع عشر من مارس 1987 والمعروف بنظريته القائلة إن للمادة خواص موجيه إلى جانب الخواص الجسيميه .
وهذه الازدواجية الموجية الجسمية والمأخوذة من تجارب كل من البرت إينشتاين وماكس بلانك أثبتت تجريبياً على الإلكترون فى عام 1927 وفاز دى برولى بحائزة نوبل في الفيزياء لعام 1929 .
ولد دى برولى في عائلة عريقة ونال تعليمة في جامعة السوريون وحصل على درجة الدكتوراه عام 1924 وكان موضوع رسالة الدكتوراه يدور حول نظريته في موجات مادة الإلكترون وهو الموضوع نفسه الذى استخدمه وبعد ذلك (أروين شرود نجر )لتطوير الميكانيكا الموجية وقام برولى أيضاً بكتابة أعمال ضخمة ( رائعة ) بما فيها نظرتنا إلى الفيزياء.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:33 AM
هايزنبرغ



http://library.thinkquest.org/C005775/Arabic/History/images/heisenberg_a15.jpg



هو الفيزيائى النظرى الألمانى (فرنر هيزنبرج) ولد في الخامس من ديسمبر عام 1901 وتوفى في فبراير عام 1976. كان واحدا من العلماء الأوائل في القرن العشرين . قام بإسهامات هامة جدا فى الفيزياء الجسيمية و النووية لكن أعظم إسهاماته الهامة كانت تطوير ميكانيكا الكم
إشتهر هايزنبرج جدا بـ ( مبدأ الريبة ) ( الشك ) الذى وضع قيمة مطلقة لدقة قياساتنا التى لا نستطيع بأى حال من الأحوال تقديمها .
درس هايزنبرج الفيزياء بجامعة ميونخ حيث عمل تحت قياد ة ( أرنولد سمر فيلد ) وبعد حضوره عدة محاضرات عن ميكانيكا الكم التى القاها
(نيلس بوهر ) اقتنع هايزنبرج بالعمل فى مجال ميكانيكا الكم

نظرية الكم

ذهب هايزنبرج الى معهد كوبنهاجن الذى كان يرأسه بوهر حيث تعاون هناك مع الفيزيائى الهولندي هاندريك كرامرز ثم بعد ذلك ذهب الى جامعة جوتنجن حيث قام هايزنبرج هناك فى عام 1925 باختراع ميكانيكا المصفوفات وهى المعادلة الأولى لميكانيكا الكم .
وفى عمل لاحق لهذا العمل قام هايزنبرج مع كل من الفيزيائى الالمانى ماكس بوريد و باسكول جوردان بتطوير هذه المعادلة الى نظرية رياضية كاملة تشرح فيزياء الذرة ومستلزماتها وظلت المبادئ الفيزيائية المؤسسة لرياضيات ميكانيكا الكم غامضة و مبهمة حتى عام 1927 حينما قام هايزنبرج بعد مباحثات ومناقشات مطولة مع كل من بوهر و اينشتاين مبدأ الريبة وهو من أهم كتب هايزنبرج عام 1928 ( يحتوى على المبادئ الفيزيائية للنظرية الكمية التى وصفت تلك الأفكار ) .
وعين هايزنبرج عام 1928 كأستاذ بجامعة ليبزج وفاز بجائزة نوبل فى الفيزياء لعام 1932 و مكث هايزنبرج بألمانيا خلال فترة حكم النازية و أصبح مديرا لمعهد ( كايزر ويلن ) وترأس أيضا مشروع الأسلحة النووية الالمانى . وفى عام 1985 أصبح هايزنبرج مديرا لمعهد ماكس بلانك فى الفيزياء .ومكث بقية حياته محاولا استنتاج نظرية عامة للجسيمات الدوزرية وكان للأعمال هايزنبرج تأثيرا هاما على الفلسفة و كذلك الفيزياء وقد عالجت بعض أعماله الخاصة مثل الفيزياء و الفلسفة عام 1962 وكذلك الفيزياء و ما ورائها العام 1971 بعض المواضيع و القضايا الفيزيائية .

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:34 AM
شرودنجر



http://library.thinkquest.org/C005775/Arabic/History/images/schrodinger_a3.jpg



قام (اروين شرود نجر) الفيزيائى النظرى النمساوى المولود فى الثانى عشر من أغسطس عام 1827 والمتوفى فى الرابع من يناير عام 1961
قام فى عام 1926 بنشر أربعة أبحاث وضع من خلالها أساس الميكانيكا الموجيه لنظرية الكم وقام أيضا بتوضيح نظريته الموجية الشهيرة .
حصل( شرود نجر)على درجة الدكتوراه من جامعة فيينا عام 1910 وخلف (شرود نجر) ماكس بلانك عام 1927 فى منصبة كأستاذ للفيزياء النظرية بجامعة برلين ولكنة غادر ألمانيا عام 1933 بسبب هجوم النازية وفى نفس العام فاز بجائزة نوبل فى الفيزياء مناصفة مع( بول ديراك ).
وفى عام 1939 التحق شرود نجر بمعهد الدراسات العليا فى دبلن والذى تم إنشاؤه بعد ذلك وهناك اكمل دراسته فى التطبيق والتفسير الإحصائى للميكانيكا الموجية وعلاقة هذه الإحصائيات بالديناميكا الحرارية ولقد حاول (شرود نجر )حل إشكاليات النسبية العامة وكذلك حل مشكلات علم الكون وأيضا بحث نظرية المجال الموحد وقام (شرود نجر) فى أخر حياته بدراسة أسس علم الفيزياء وتأثيرها فى علم الفلسفة

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:35 AM
بول ديراك



http://library.thinkquest.org/C005775/Arabic/History/images/dirac_a2.jpg



الفيزيائي الإنجليزي المولود فى الثامن من أغسطس فى عام 1902والمتوفى فى العشرين من أكتوبر 1984 وهو صاحب الأسهامات الهامه فى تطوير مكانيكا الكم .
فى سبتمبر 1925 قام بول ديراك بدراسة تقرير حول محاضره عن مكانيكا الكم والتى قام بالقائها فرنر ثم أستنبط بسرعه عدداً من الأستنباطات الرياضية عن ميكانيكا الكم والتى ثبتت بعد ذلك أهمياتها العظمى
وقام ديراك فى أول منشور له فى نوفمبر فى عام 1925 بتطوير واستنباط نظام لاستنتاج معادلة الحركة بواسطة ميكانيكا الكم ثم قام بعد ذلك بأشهر قليلة بتعريف عدداً من المفاهيم التى لعبت درواً بارزاً فى هذا المجال .
بدأت شهرة ديراك عن طريق أستنباطه عام 1928 للوصف الرياضي الدقيق للجزيئات الأولية التى انسجمت مع كلاً من مكانيكا الكم والنظرية النسبيه .
وكانت معادلات ديراك مدهشه فى انها إستخدمت المصفوفات بدلا من الكميات القياسية . وكانت لخواص معادلة ديراك أهمية عظمى في الفيزياء النظرية علاوة على ذلك فقد كانت هذة المعادلة مدهشة ذلك لأنها أمدتنا بالوصف الدقيق جدا لدوران الجسيمات الأولية واشد من ذلك غرابة فقد كانت المعادلة تحتوى على عناصر سالبة لكتلة الجسيمات ونتيجة لذلك فقد استنتج ديراك أن كل جسيم لابد وان يحتوى على جسيم مضاد ولقد أثبتت التجارب صحة ذلك إلى جانب صحة نتائج المعادلة التى ثبتت صحتها بعد ذلك. من هنا يعد ديراك هو مؤسس الديناميكا الكهربية الكمية الحديثة .
عمل ديراك كأستاذ للرياضيات بجامعة كامبردج في الفترة من عام 1932 إلى عام1969 وكأستاذ للفيزياء بجامعة ولاية فلوريدا في الفترة من عام 1971 إلى 1984 وفاز ديراك بجائزة نوبل في الفيزياء لعام1933 مناصفة مع ( اروين شرود نجر )

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:37 AM
ماكس بورن



http://library.thinkquest.org/C005775/Arabic/History/images/born_a2.jpg



كان الفيزيائى النظرى الألمانى ماكس بورن المولود فى الحادى عشر من ديسمبر عام 1882 والمتوفى فى الخامس من يناير عام 1970 أحد الرواد فى تطوير ميكانيكا الكم حصل بورن على درجة الدكتوراه عام 1907 من جامعة (جوتنجن) والتى تأثر فيها بالرياضى ديفيد هلببرت وفلكس كلين( وهيرمان مينكوسكى)
ومكث هناك عام 1915 حينما عين بجامعة برلين وأصبح زميل وصديق لمكاس بلانك والبرت أينشاتين وفى عام 1921 عين بورن مديراً لمعهد الفيزياء فى جوتنجن وكانت الفترة من عام 1921 إلى عام 1933 هى أخصب الأعوام فى إنتاج مكاس بورن .
حاول ماكس بورن تطوير نظرية ميكانيكا الكم الجديدة فى تعاون مع طلابه ومساعديه وهم كل من فرنر هيزنبرج وباسكول جوردن وولف جانج باولى .وعندما نجح هيزنبرج عام 1925 فى تقديم نظريته تمكن بورن وأخرون من تحسين النظرية باستخدام رياضيات أكثر فاعلية وفاز ماكس بورن بجائزة نوبل فى الفيزياء لعام 1954 نتيجة لنجاحه فى تفسير مربع الدالة الموجية
(لشرود نجر) كاحتمالية لموضع الإلكترون وأيضاً نتيجة لتوضيحه المهم لازدواجية الجسيم الموجى .
وفقد بورن اليهودى الأصل درجته كأستاذ بوصول هتلر إلى الحكم لكنه تسلم بعد فترة وجيزة وتحديداً عام 1936 وظيفة بجامعة( أيدن برج) التى مكث بها حتى عام 1953 وعند اعتزاله وتوجهه إلى الريف بالقرب من جوتنجن أستمر بورن فى عمله كما كتب وأدلى بأحاديث حول المسئولية الاجتماعية والأخلاقية للعلماء

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:45 AM
صور علمية



حركات الإلكترونات


http://bigbang.nstemp.com/7ball%2520atom2.gif




المسارات الأهليليجية


http://bigbang.nstemp.com/clatom1.gif




الحركات داخل الذرة


http://bigbang.nstemp.com/t-atom.gif




في الذرة


http://bigbang.nstemp.com/atom3.jpg




حركات الإلكترونات


http://bigbang.nstemp.com/atom_350_234.gif




العلاقة بين الكهرباء والمغناطيس


http://bigbang.nstemp.com/MagMo.gif

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:46 AM
تقارير علمية فى ميدان التكنولوجيا

المرجع : BBC ARABIC.com

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:48 AM
طائرة ركاب يابانية أسرع من الصوت



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40891000/jpg/_40891378_japanjet_getty203.jpg
الطائرة النفاثة الجديدة تتميز بتصميم فريد



أجرى مهندسون يابانيون اختبارا لتصميم ثوري لطائرة ركاب أسرع من الصوت قد تخلف طائرة الكونكورد البريطانية-الفرنسية التي أحيلت للتقاعد قبل عامين، وذلك في وقت مبكر من صباح الاثنين.

وقالت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية ( جاكسا) إن النموذج يبلغ طوله 11 مترا وأطلق بواسطة صاروخ من موقع اختبار ووميرا في الصحراء الاسترالية، وانفصل النموذج عن الصاروخ كما كان مخططا له وأجرى طيرانا اختباريا مدة 15 دقيقة بسرعة تعادل ضعف سرعة الصوت.

وقد انفصلت الطائرة عن الصاروخ الذي حملها حسب البرنامج الموضوع على ارتفاع 18 ألف متر لتبدأ رحلتها الاختبارية وسط جو من القلق.

وكان اختبار مماثل أجري قبل ثلاثة أعوام قد انتهى بالفشل وتحطم النموذج واحتراقه.

وستعلن تفاصيل الاختبار الجديد في مؤتمر صحفي في وقت لاحق، لكن وكالة الأنباء الفرنسية نقلت عن متحدثة يابانية قولها إن الاختبار تم بنجاح.

ويقول مصممو الطائرة، التي ستتسع لنحو 300 مسافر، إنها قد تطير بسرعة مماثلة للكونكورد في غضون 15 إلى 20 عاما، وإنها ستكون أقل ضوضاء وإضرارا للبيئة واقل استهلاكا للوقود، و بأسعار تنافس اسعار تذاكر الطيران العادية على درجة رجال الأعمال.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:49 AM
تطوير آلة تساعد المشلولين على القيام بتمارين



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40673000/jpg/_40673156_seanroake.jpg



طور مهندسون في جامعة غلاسكو وفي وحدة الملكة إليزابيث للإصابات الفقرية آلة تعمل على الإشارات الكهربائية قد تساعد المشلولين على ممارسة التمارين الرياضية والحفاظ على السلامة الجسدية.

فقد تمكن شون رواك المصاب بالشلل التام من تقوية عضلاته وتحسين نبضات قلبه من خلال القيام بجلسات تمرينية تستمر نصف ساعة وذلك ثلاث مرات في الأسبوع لمدة عدة أشهر.

وقال رواك: "لقد أصبحت النشاطات اليومية التي أقوم بها، كالانتقال من الكرسي المتحرك إلى السيارة مثلا، أسهل بكثير."

وتعمل الآلة من خلال بث الوحدات الكهربائية الصغيرة على الجلد لإيصال النبضات الكهربائية إلى العضلات المشلولة، وذلك للحلول محل الإشارات الكهربائية التي يبعثها الدماغ من خلال الأعصاب في الأشخاص غير المشلولين.

ويمكن التحكم في قوة الإشارات من خلال جهاز كومبيوتر وذلك لتلبية الحاجات المختلفة لكل شخص.

وللآلة فوائد تتخطى العضلات، إذ أنها تساعد أيضا في الحفاظ على صحة القلب والرئتين.

وبالنسبة للذين يتمتعون ببعض القدرة على استخدام الذراعين قد تساعد الآلة على منح القوة الكافية للقيام بنشاطات يومية من دون مساعدة، كتناول الطعام مثلا.

وأعرب المهندسون الذين عملوا على الآلة عن أملهم في أن يتمكن أشخاص أصيبوا بالشلل جراء أزمة قلبية من الإفادة منها، إضافة إلى الذين تعرضوا لإصابة في العمود الفقري.

كما يأملون أن يتم استغلال الآلة تجاريا انطلاقا من التكنولوجيا التي استخدموها. وقد بدأت إحدى الشركات بالقيام بأبحاث تهدف إلى الانتاج بشكل تجاري.

واعتبر بول سميث مدير جمعية الإصابات في العمود الفقري أن للتقنية فوائد ضخمة.

وأكد في الوقت نفسه أنها "لا تمثل علاجا لكنها تساعد ليس فقط الصحة القلبية إنما أيضا الضغط في العضلات ... إنها تشكل سبيلا للحفاظ على الصحة الجسدية وصورة الجسد."

وأضاف أن الفرد الذي يستخدمها يمكنه تولي مسؤولية الحفاظ على صحته بنفسه بدلا من الاعتماد على الأخصائيين.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:52 AM
اليابانيون يطورون أول "امرأة آلية" تشبه البشر

ديفيد وايتهاوس
محرر العلوم، موقع بي بي سي الإخباري



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/41343000/jpg/_41343951_203.jpg
يمكن لريبلي كيو 1 التفاعل مع البشر والاستجابة لمن يلمسها منهم



كشف علماء يابانيون النقاب عن "امرأة آلية" تحاكي البشر في الشكل والحركات وردود الأفعال، وأطلق العلماء عليها اسم "ريبلي كيو1".

وتتمتع ريبلي كيو1 بجلد من السليكون المرن بدلا من اللدائن، كما يوجد بها عدد من أجهزة الاستشعار والمحركات التي تمكنها من إصدار ردود أفعال تحاكي ردود أفعال البشر.

كما يمكنها فتح وإغلاق حواجبها وتحريك يديها مثل البشر. بل ويمكنها أن تبدو كأنها تتنفس.

ويقول البروفيسور هيروشي إيشيجورو من جامعة أوساكا إنه يوما ما قد ينخدع البشر في مظهر الروبوتات فيحسبونهم بشرا عاديين.

صممت لتحاكي البشر
ولا تشبه ريبلي كيو1 أي إنسان آلي آخر، إذ صممت لكي تبدو كإنسانة عادية.

ورغم أنها لا يمكنها حاليا أداء شئ غير الجلوس، فإن النصف العلوي من جسدها يحتوي على 31 جهاز تحكم تستمد الطاقة من ضاغط هواء تمت برمجته بطريقة تسمح لها بالحركة مثل البشر.

وقال البروفيسور إيشيجورو الذي صمم ريبلي كيو1 لبي بي سي: "لقد طورت كثيرا من الروبوتات من قبل، لكني سرعان ما أدركت أهمية مظهرهم الخارجي. المظهر الشبيه بالبشر يمنح الإنسان الآلي حضورا قويا."

وقبل تصميم ريبلي كيو1 طور البروفيسور إيشيجورو "ريبلي آر1" التي تتخذ هيئة فتاة يابانية في الخامسة من العمر.

ويمكن لريبلي آر 1 أن تحرك رأسها في تسع اتجاهات، كما يمكنها التلويح بذراعها. ووضعت أربعة أجهزة استشعار عالية الحساسية أسفل جلد ذراعها الأيسر وهو ما يجعل رد فعلها يختلف باختلاف قوة الضغط على الذراع.

أما الإنسان الآلي الذي تلى ريبلي آر 1 فقد اتخذ شكل سيدة يابانية. ولبرمجة حركتها استخدم حاسب آلي في تحليل حركات البشر، واستخدم كأساس للطريقة التي تتحرك بها ريبلي كيو 1.




http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/41343000/jpg/_41343955_203.jpg
صممت ريبلي آر 1 لكي تبدو كفتاة يابانية صغيرة



ويمكن لريبلي كيو 1 أن تحاكي حركات شخص يرتدي أجهزة استشعار لتسجيل الحركات، او أن تتحرك بطريقة مستقلة.

وقال البروفيسور إيشيجورو: "يمكن لريبلي كيو 1 التفاعل مع البشر. يمكنها الاستجابة للبشر الذين يلمسونها."

ويعتقد البروفيسور إيشيجورو أنه قد يكون بالإمكان تصميم إنسان آلي يبدو مثل البشر، ولو كان ذلك لفترة وجيزة.

وقال: "قد ينجح الإنسان الآلي في محاكاة البشر لفترة قصيرة، من خمس إلى عشر ثوان. لكن إذا اخترنا الموقف بعناية فيمكننا أن نمد هذه الفترة إلى عشر دقائق."

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:53 AM
حلم البيت الذكي قد يصبح حقيقة

جو تويست
مراسل بي بي سي نيوز للعلوم والتكنولوجيا




http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40650000/jpg/_40650840_smart_home203.jpg



البيوت الذكية التي يتحكم زر واحد في إضاءتها وتدفئتها وتأمينها، وتشغيل الموسيقى والأفلام.. كل شيء نحتاجه بشكل رقمي، كانت حلما لفترة طويلة لم يتحقق بعد.

والسبب في ذلك جزئيا يرجع إلى صعوبة تخاطب تكنولوجيا هذه المتطلبات المختلفة مع بعضها البعض. كما كانت إمكانية تحقيق الحلم في المعتاد تقتصر على صفوة الأغنياء.

ولكن مع تقدم تكنولوجيا الاتصال بالانترنت عن طريق شبكات فائقة السرعة، وانتشار استخدام الشبكات اللاسلكية، وانخفاض أسعار أجهزة الكمبيوتر مع زيادة قدراتها، أصبح الحلم قريبا من التحقق.

فالمزيد والمزيد يمكن التحكم به من خلال آلة واحدة، لها شاشة مركزية وسهلة الاستخدام، وهذه هي الصورة التي يجب أن يتخذها التكامل والتقارب بين التكنولوجيات المختلفة.

وربط الأجهزة ببعضها البعض، بصورة لا سلكية أو من خلال كابلات أمر آخر.

والخطوات الفنية لكيفية تشغيل كل جهاز هي فقط احدى العوائق الصعبة التي تواجه محاولات معرفة أسباب عدم توافق آلة للعمل مع أخرى.

والمنازل التي يمكن أن نصفها بالذكاء لا تعني فقط منحنا قدرة إرسال الصور ولقطات الفيديو بين الغرف.

فهي تشمل أيضا تكنولوجيات أساسية في الحياة نحتاجها للتدفئة والإضاءة وتأمين المنزل.

ويقول ويل ليفي مؤسس منظمة المس زرا "تاتش ايه باتون" انه يتخيل أن يوما ما سنستطيع أن نتصل بخبير رقمي لإصلاح الأعطال في المنزل أيضا، مثل اتصالنا بسباك لإصلاح أعطال الصرف.

وقال لبي بي سي "هناك قدر كبير من التكامل مطلوب بين المنتجات والأجهزة المختلفة، وهناك العديد من الشركات بالفعل تعمل على تركيب القدرات الاتوماتيكية في المنازل، إلا أنها باهظة الثمن وهذه هي المشكلة".

ويضيف ليفي أن ارتفاع التكلفة يعيق طرح مثل هذه التكنولوجيا بوفرة في الأسواق بالرغم من أنها ليست من وحي الخيال العلمي واغلب مكوناتها مطروح بالفعل في الأسواق بتكلفة معقولة.

ويعتقد ليفي أن من الهام جدا عند تنفيذ فكرة البيوت الذكية وجود كفاءات تستطيع أن تصطحب الأشخاص العاديين الذين لا يعرفون شيئا عن التكنولوجيا في رحلتهم للتعرف عليها خطوة بخطوة، وكيف تتكامل الأجهزة والأنظمة معا في أنحاء المنزل.

ووفقا لأبحاث مستشاري المنزل الرقمي الأمريكيين فان أكثر من نصف أصحاب البيوت في الولايات المتحدة مهتمون بشراء أنظمة التحكم المنزلية إذا ما قلت تكلفتها عن 200 دولار.

ويقول البحث انه بحلول عام 2010 سيصبح من الممكن ربط ستة أجهزة في المنزل ببعضها البعض مقارنة بثلاثة عام 2004.

كما يتوقع آخرون أن 23 مليون منزل في أوروبا ستستخدم الشبكات اللاسلكية لنقل المضمون الإعلامي بين أنحاء المنزل بحلول عام 2009.

إلا أن ذلك أثار مخاوف مجددا من أن المفهوم غير صحي وقد يجعل حياة الأفراد مزدحمة بالأجهزة، وقد يجعلهم حبيسي غرف يقل حجمها وينخفض سقفها شيئا فشيئا.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:54 AM
شفرة مبتكرة للجيل القادم من الهاتف المحمول



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40605000/gif/_40605648_password_203.gif



مع زيادة الاهتمام بادخال التكنولوجيا المعقدة فى صناعة الهواتف المحمولة ، هل صارت الشفرة او كلمة السر كافية لحماية تلك الهواتف؟ لقد وجد الحل ، وتحديدا، في بصمات اصابعك؟


كانت المغنية البريطانية تشارلوت تشرش لموقف صعب عندما تم تسريب صورها من هاتف صديقها بعد ان نسيه فى مكان ما ووقع فى ايادي غير امينة.

من الممكن ان يحدث ذلك مع أي شخص اذا ترك هاتفه او جهازه الشخصى للاتصال الالكترونى متعدد الوظائف فى مطعم او غيره. عندها لن يفقد اصحاب الهواتف ذات التقنية البسيطة سوى بعض الارقام .

ولكن اذا كان هاتفك من الموديلات الحديثة ذات التكنولوجيا العالية، ستكون الخسارة اكبر اذ قد تفقد صورا شخصية ورسائل الكترونية ومستندات خاصة بالعمل ومواقع الانترنت المفضلة لتسقط جميعا فى يد سارق.

وكل ما يتطلبه الامر كى يطلع هذا السارق على هذه البيانات هو تشغيل خواص الهاتف وهذا امر سهل او بالسطو على الشفرة.

وفى مواجهة هذا الامر، لجأت شركات تصنيع الهواتف الى تطوير نظام يعتمد على بصمات الاصبع يمنع السطو على محتوى تلك الهواتف.

افتح ياسمسم
اثارت مسألة استغلال التكنولوجيا البيومترية فى بطاقة الهوية المقترحة فى بريطانيا جدلا واسعا. ولكن ادخال مجسات بصمات الاصابع لتصبح ضمن خواص الهاتف المحمول والحاسبات الالية المحمولة والمكتبية لايزال امرا حديث العهد نسبيا.

وهناك العديد من الشركات التى تتسابق من اجل مواءمة ماتنتجه من اجهزة التأمين ببصمات الاصبع لتواكب سوق الهواتف الذى يتوقع له رواج كبير.

فى النظام الجديد سيتعين على مستخدم الهاتف تحريك السبابة فوق مجس صغير الحجم لتسجيل بصمة الاصبع. وسيتطلب الامر عدة قراءات صحيحة من اجل تسجيل المستخدم. وفى كل مرة يريد المستخدم الدخول على وظائف الهاتف او تشغيله يجب تحريك نفس الاصبع فوق هذا المجس من جديد . وهنا يفتح سمسم .

وبامكان الجهاز فى هذه الحالة اعطاء المستخدم بيانات عما اذا كانت قراءة البصمة صحيحة ام لا وتعليمات بضرورة تغيير الاصبع وغير ذلك لان بصمة الاصبع لاتتشابه مطلقا حتى فى اليد الوحدة.

كما يعمل المجس كفأرة او ملاح فى تصفح الانترنت واللعب او الانتقال بين وظائف القائمة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:55 AM
"إنسان آلي يستنسخ نفسه"



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/41135000/jpg/_41135727_robot1_nature_203.jpg
التقنية الجديدة تفتح افقا علمية جديدة



ابتكر باحثون في الولايات المتحدة انسانا آليا بسيطا يمكنه صنع نسخا من نفسه مستخدما قطع غيار، وذلك حسبما ورد في نشرة نيتشر العلمية.

وقال الباحثون إن التجارب أثبتت أن القدرة على إعادة الانتاج لا تستلزم أن تتم على المستوى البيولوجي فحسب.

ويتكون الانسان الالي البسيط الذي جرت التجارب عليه من ثلاث أو أربع مكعبات معدنية يربطها مغناطيس وكل مكعب مزود بشفرة حاسب آلي تحوي خريطة صنع الانسان الالي.

وتقول النشرة انه يمكن للانسان الالي البسيط ان يستنسخ نفسه في خلال دقيقة واحدة فقط عن طريق ترتيب المكعبات بالطريقة الصحيحة الموجودة على الشفرة.

والنسخ الجديدة بوسعها مواصلة استنساخ نفسها، أو استبدال مكعبات تالفة في مكانها الصحيح باستخدام نفس التقنية.

وقال هود ليبسون الذي قاد فريق البحث ان استخدام التقنية الجديدة ستساعد في ابحاث الفضاء حيث سيتمكن الانسان الالي الذي يرسل الى احد اقمار كوكب المشترى من اصلاح نفسه في حالة تعرضه للتلف.

وستساعد التقنية الجديدة ايضا في الاعمال التي تنطوي على خطورة على حياة العاملين بها من البشر مثل المفاعلات النووية ومناجم الفحم.

والهدف بعيد المدى الذي يطمح الباحثون في التوصل اليه هو صنع إنسان آلي معقد الصنع مكون من مئات أو آلاف الوحدات المتماثلة يمكنها أن تصلح نفسها، أو تعدل هيكلها لتتلاءم مع مهام معينة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 10:57 AM
هيتاتشي تكشف عن "أسرع روبوت" في العالم



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40929000/jpg/_40929259_robot_hitachi203afp.jpg
"بال" و"وتشوم" أثارا الإعجاب بحركاتهما وحديثهما



كشفت شركة الإلكترونيات اليابانية هيتاتشي عن أول روبوت تقارب سرعته سرعة الإنسان، أطلقت عليه الشركة اسم (أيميو)، لينافس الإنسان الآلي لهوندا (أسيمو) وسوني (كريو).

وتقول هيتاتشي إن إيميو الذي يبلغ طوله 1.3 متراً هو أسرع روبوت في العالم حتى الآن حيث تصل سرعته إلى ستة كيلومترات في الساعة.

وقد قام اثنان من روبوتات إيميو، وهما بال وتشوم، بتقديم نفسيهما للصحافيين في مؤتمر صحفي باليابان.

وسيتم عرض الروبوتين في معرض التكنولوجيا العالمي الذي يُقام هذا الشهر بطوكيو، كما ستعرض كل من سوني وهوندا أجيالاً جديدة من الروبوتات في نفس المعرض.

ويستخدم روبوت هيتاتشي الجديد عجلين للحركة بدلاً من قدمين. ويعلل توشينهيكو هوريوتشي، من هيئة بحوث الهندسة الميكانيكية التابعة لهيتاتشي ذلك بالقول:"نحن نهدف إلى إنتاج روبوت يمكنه أن يعيش ويتفاعل مع البشر".

"نود أن نجعل الروبوت مفيداً للناس. فإذا ما كانت حركة الروبوت أبطأ من حركة من يستخدمونه فإن ذلك سيصيبهم بالضيق".

وقد أعطى كل من بال وتشوم فكرة عن كيفية استجابتهما للأوامر عن طريق المجسات المثبتة على الرأس والوسط وبالقرب من العجلات.

وأخبر بال الصحفيين بأنه يود أن يكون قادراً على السير في مناطق مثل (شيبويا) و(شينجيكو)، وهما منطقتان تجاريتان مزدحمتان في وسط طوكيو، دون أن يصطدم بالناس والسيارات.

وتقول شركة هيتاتشي إن بال وتشوم، اللذان يتكلمان نحو مائة كلمة، يمكن أن يُدربا على العمل في المكاتب والمصانع في أقل من ست سنوات.

منافسة محتدمة
وقد ظل الباحثون في تقنيات الروبوتات يواجهون التحدي لفترة طويلة من الزمن لإنتاج روبوت يتحرك بنفس سرعة البشر.

وقد قام الباحثون في الاجتماع السنوي للجمعية الأمريكية لتطوير العلوم الذي عقد مؤخراً بواشنطن باستعراض تصميمات لروبوتات ذات قدمين.

وقد قامت ثلاث مجموعات من الباحثين بتطوير ثلاثة نماذج لروبوتات تستخدم نفس الأقدام للتوصل لسرعة تماثل سرعة الإنسان.

وقد قامت كل من هوندا وسوني باستخدام روبوتين شبيهين بالبشر لكنهما غير متاحين في الأسواق في محاولة لعرض الطاقة التقنية والخبرات الهندسية التي يتوفران عليها.

وقد "وُلد" أسينو التابع لهوندا قبل خمس سنوات. ومنذ ذلك الوقت، ظلت كل من هوندا وسوني، بروبوتها كريو، تحاولان التسابق لعرض ما يمكن أن يفعله كل روبوت في معارض تكنولوجية مختلفة حول العالم.

فقد زار أسينو بريطانيا وألمانيا وجمهورية التشيك وفرنسا وأيرلندا كجزء من الرحلات العالمية التي يقوم بها.

أما كريو فقد قام بالغناء والعدو والرقص حول العالم أيضاً، كما أنه كان، حتى العام الماضي، أسرع الروبوتات التي تسير على قدمين.

غير أن ظهور أسينو حطم الرقم القياسي لكريو. فسرعته تصل إلى ثلاث كيلومترات في الساعة، وهو ما تعتقد الشركة المُصنّعة أنه أربع مرات أسرع من كريو.

وفي العام الماضي انضمت شركة السيارات تويوتا للسباق بكشفها عن روبوتها الذي يعزف آلة النفخ الترومبيت.

وتتوقع الأمم المتحدة أن يصل عدد روبوتات التسلية والمرح المستخدمة في المنازل بحلول عام 2007 إلى نحو مليونين ونصف المليون، مقارنة ب 137.000 روبوت مستخدمة منزلياً الآن.

ويقول تقرير صادر عن المفوضية الاقتصادية بأوروبا التابعة للأمم المتحدة والجمعية الدولية للروبوتات إنه بحلول نهاية ذلك العام، سيقوم نحو 4.1 مليون روبوت بأداء أعمال منزلية حول العالم.

ولدى هيتاتشي الآن العديد من الروبوتات المعروضة في الأسواق لاستخدامات نظافة المنازل.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:08 AM
حرب الزوم



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40940000/jpg/_40940637_slr_camera_afpcredit203.jpg
فتحت التقنية الرقمية الباب أمام امتلاك قدرات تصوير عالية



جعل التقدم الكبير في التكنولوجيا الرقمية ما كان بالأمس مقصورا على محترفي التصوير بأغلى الأسعار، في متناول يد الهواة بأسعار معقولة جدا.

وبالنسبة للمصور الهاوي، فإنه حين يتجه لمتجر بيع الكاميرات يسأل أول ما يسأل عن عدد النقاط الرقمية، (pixels)، التي تستطيع هذه الكاميرا أو تلك التقاطها في الملليمتر المربع.

ولعله لا يعرف الكثير عن أصل هذا السؤال الذي أوصته مجلة التصوير التي اشتراها بأن يسأله.

واقع الأمر هو أن جودة الصورة، (resolution)، تعتمد على كمية التفاصيل التي تبينها.

وحين كانت الكاميرات تعمل بالفيلم، فإن الضوء كان يسقط على نترات الفضة المغلفة بقاعدة من السليولويد فيحدث بها تفاعلات كيميائية تجعل النقاط التي يسقط عليها الضوء العالي أكثر إعتاما من تلك التي يسقط عليها ضوء أقل شدة فتنتج ما تعرف بالصورة السالبة.

وحين يطبع هذا الفيلم على الورق في الصور الفوتوغرافية (أو حين يحمض في حالة الصور العكسية - السلايدات - او في السينما) تحدث عملية عكسية إذ تتحول البقع الداكنة أو المعتمة إلى بقع مضيئة فنرى صورة مطابقة لما تم تصويره.

ولكن حينما تحول العالم بسرعة إلى استخدام التقنية الرقمية بدلا من الفيلم التقليدي حدث اختلاف جوهري في كيفية التصوير.

ففي التكنولوجيا الرقمية، يمر الضوء من العدسة ولكنه بدلا من أن يسقط على مسطح فيلمي ويحدث بمادته الفعالة، (نترات الفضة)، تغييرات على شكل بقع، فإنه يسقط على شاشة مكونة من نقاط، تماما كالعين البشرية، كل منها يرى نقطة واحدة فقط من الضوء الوارد عبر العدسة.

وتحول الكاميرا كل معلومة تبعث بها كل عين منها إلى رقم يتم ترجمته إلى جزء صغير جدا من الصورة.

وحين تكون الصورة الناتجة صغيرة، فإن تلك النقاط تتضاغط وتتقارب بحيث تكون الصورة واضحة وعلى جودة عالية.

ولكن المشكلة تظهر حين يتم تكبير الصورة، فإن النقاط تتباعد فتظهر الأجزاء التي بينها وهي أجزاء غير مصورة أساسا، فتظهر الصورة بجودة منخفضة.

وكان الحل هو زيادة عدد تلك النقاط أو العيون التي تكون الشاشة التي يقع عليها الضوء خلف العدسة لكي تصور الكاميرا أكبر عدد ممكن من التفاصيل.

وبما أن تلك العيون غالية الثمن، وبخاصة أن العقل (processor) الذي يترجمها يكبر مع زيادة عددها، فإن الكاميرات التي بها تلك النقاط، pixels، كثيرة فإنها أغلى من تلك التي بها عدد متواضع منها.

ولكن شركات الكمبيوتر والأجهزة الرقمية لا تفتأ تبحث عن حلول ليل نهار للوصول إلى إنتاج أجهزة أقوى وأرخص.

وصار الآن في متناول الهاوي الحصول على نفس النتائج التي كان يحصل عليها أكبر الأسماء في مجال التصوير الفوتوغرافي والسينما بجزء على مئة من التكلفة القديمة.

وصارت كاميرا في حجم كف اليد قادرة على تصوير سبعة مليون نقطة أي أن بها سبعة ملايين عين صغيرة.

ومن هنا يأتي السؤال الذي أوصت به مجلة التصوير لكي تتوجه به بكل ثقة إلى بائع الكاميرات، "كم عدد النقاط pixels التي بتلك الكاميرا؟"

ويقول آندرو بوج مدير العلاقات العامة بشركة كانون إن هناك عوامل أخرى تتحكم في جودة الكاميرا.

فنوعية العدسة والمادة والإتقان الداخلين في صناعتها عنصر فيصلي في الحصول على توافق ضوئي غير محور بأدني درجة لكي يدخل في قلب الكاميرا.

أما العنصر الثاني فهو عقل الكاميرا أو الـprocessor الذي تحدثنا عنه آنفا.

وأخيرا يأتي المسطح الذي يحمل العيون الكثيرة التي ذكرناها.

وهذا المسطح يسمى بالـ"مستشعر" sensor، وهو الذي استُبدل الفيلم التقليدي به.

ويؤكد هاينو هيلبيج مدير التسويق بشركة أوليمبس على كلام بوج ولكنه يقول إن اهتمام أوليمبس ينصب على إنتاج عدسة لا مثيل لها.

وواقع الأمر هو أن كل شركة من الشركات العالمية تركز على عنصر من تلك العناصر لكي يكون لها فيه ميزة تنافسية على الشركات الأخرى.

والمعركة الجديدة التي دخلت فيها تلك الشركات هي محاولة إنتاج كاميرات صغيرة، عالية الجودة جدا، ومعقولة الثمن، في نفس الوقت الذي تتمكن فيه من إعطاء تقريب عالي.

ومعروف أن كلمة "زوم zoom" تعني تقريب نقطة بعيدة عن المكان الذي به الكاميرا.

وكاميرات اليوم كلها تقرب نقطة ما بمقدار ثلاث مرات.

وتتنافس الشركات على إنتاج كاميرا تقرب بمقدار ست مرات مع الإبقاء على نفس الجودة العالية والحفاظ على الهامش السعري الذي حققته في الطرازات السابقة من كاميراتها بحيث لا ينفر المستهلك من شرائها.

ومشكلة الزوم تكمن في أن أدنى اهتزاز في يد المصور سيشوه الصورة تماما، ولذا تدخل الشركات نظام مثبت الصورة stabilizer.

وهو عبارة عن جيروسكوب يعوض عن الاهتزاز الطبيعي الذي يمكن أن يحدث لأكثر المصورين خبرة، حتى لو حبس أنفاسه لتقليل احتمال تحريك الكاميرا الى الحد الادنى.

وويقول رالف هانسن مدير الاتصالات بشركة باناسونيك إن شركته تنوي إدخال الجيروسكوب بكل الموديلات التي ستنتجها من الآن فصاعدا.

ويقول هانسن "أحيانا لا غنى عن حمل الكاميرا والاستغناء عن الحامل الثلاثي الذي يستغرق نصبه وضبطه وقتا تكون اللقطة فيه قد ذهبت إلى الأبد".

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:10 AM
تطوير أقوى كاميرا مسح بالأشعة تحت الحمراء في العالم



http://news8.thdo.bbc.co.uk/hi/arabic/spl/pop_ups/04/sci_tech_1103857000/img/1.jpg
سحب من الغازات والسديم الكوني تضيؤها النجوم في النصف الجنوبي من "غيمة أوريون السديمية".



تمكن علماء فلك من التقاط عدد من الصور المدهشة باستخدام جهاز جديد في مرصد تابع للمملكة المتحدة يعمل بالأشعة تحت الحمراء في هاواي.

وتعد كاميرا الأشعة تحت الحمراء ذات المجال الواسع، والمعروفة اختصارا باسم WFCAM، المستخدمة في مركز تقنيات علوم الفلك البريطاني في إدنبرة، أقوى كاميرا مسح باستخدام الأشعة تحت الحمراء في العالم.

وأجريت تجارب على الكاميرا في منطقة تكوين نجمي في كوكبة أوريون على مبعدة نحو 1500 سنة ضوئية.

وتظهر الصور المدهشة منطقة كان متعذرا الوصول إليها من قبل.

وعلقت الدكتورة آندي آدامسون، رئيسة العمليات في مرصد هاواي، الذي يقع على قمة جبل مونا كيا، قائلة: "القدرة على رؤية مثل هذه المنطقة الكبيرة مرة واحدة، باستخدام أحدث أجهزة الاستشعار، يجعل WFCAM أسرع جهاز للمسح باستخدام الأشعة فوق الحمراء في العالم، ولا يفوقه في ذلك أي جهاز آخر."

رؤية عريضة النطاق
وتغطي الصور التي التقطتها كاميرا المرصد لكوكبة اوريون منطقة أكبر 1200 مرة من تلك التي تغطيها الكاميرا السابقة في المرصد التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء (UFTI).

كما أنها أكبر 3600 مرة من تلك التي تغطيها كاميرا الأسعة تحت الحمراء في تلسكوب هابل الفضائي، المسماة نيكموس.

وجمع علماء ما تم رصده باستخدام مرشحات مختلفة للأشعة فوق الحمراء للحصول على صورة "ملونة"، تظهر سحبا مثيرة من الغاز والسديم الكوني في النصف الجنوبي من سديم أوريون، وهي منطقة ذات تكوينات نجمية كثيفة.

وتكشف كاميرات الأشعة تحت الحمراء، أو الأشعة الساخنة، التي تعد أساسا لفهم العديد من أنواع المواد الفلكية عن النجوم في مجرتنا وما وراءها والسحب بين النجوم والنجوم الغامضة والنجوم الزائفة في طرف الكون الملحوظ.

وقال الدكتور باول هيرست المتخصص في هذا النوع من الكاميرات: "تستخدم هذه الكاميرات في عمليات مسح الطبقات تحت الحمراء التي ستكتشف عناصر أقل 100 مرة من هذه الموجودة في أدق عمليات المسح التي أجريت حتى الآن".

وأضاف: "برنامج المسح هذا سيستغرق نحو سبع سنوات حتى يكتمل وسيمد علماء الفلك بصورة من السماء ذات الأشعة تحت الحمراء لعمق لم يسبق له مثيل".

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:11 AM
الكشف عن "رقاقة" بلاي ستيشن/ 3



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40576000/jpg/_40576817_chip-sony203.jpg


كشف النقاب عن بضع التفاصيل المتعلقة بالرقاقة الإلكترونية التي سيزود بها الإصدار الجديد من جهاز الألعاب الشهير "بلاي ستيشن" الذي سيحمل الاصدار رقم ثلاثة.

فقد كشفت شركات سوني وأي بي إم وتوشيبا عن معلومات محدودة عن الرقاقة التي تحمل اسم "سيل" والتي ستكون قادرة على إجراء تريليونات العمليات الحسابية في الثانية.

وتتكون الرقاقة الجديدة من مجموعة من وحدات المعالجة التي ستعمل معا لإجراء المهام المختلفة.

ومن المنتظر أن يطرح جهاز الألعاب الجديد "بلاي ستيشن" في عام 2006، إلا أن بعض مطوري البرامج يتوقعون أن تطرح نماذج تجريبية من الجهاز في العام المقبل لضبط الألعاب الجديدة التي ستطرح مع الجهاز الجديد.

رقاقة سريعة
وتعمل الشركات الثلاث على تطوير الرقاقة منذ عام 2001، إلا أنه لم يكشف عن الكثير من المعلومات المتعلقة بطريقة عمل تلك الرقاقة طوال الفترة الماضية.

وقدمت الشركات الثلاث في بيان مشترك بعض إشارات عن طريقة عمل "سيل"، إلا أنها أعلنت أن التفاصيل الكاملة عن الرقاقة الجديدة ستنشر في فبراير/ شباط القادم بمؤتمر الدوائر الصلبة الذي سيقام في مدينة سان فرانسيسكو الأمريكية.

وذكرت الشركات الثلاث أن رقاقة "سيل" ستكون أسرع من معالجات البيانات المستخدمة حاليا بمقدار عشر مرات.

وتتوقع الشركات الثلاث أن تقوم الرقاقة الجديدة بإجراء 16 تريليون عملية حسابية في الثانية عند تزويد حاسب مركزي قوي بتلك الرقاقة.

كما أن "سيل" ستكون أقدر على التعامل مع الرسوميات التي تزخر بها ألعاب الفيديو والأفلام الرقمية والوسائط المتعددة التي يتم استعراضها من على شبكة الإنترنت باستخدام شبكات الاتصال السريع المعروف باسم "برودباند".

وصرحت أي بي إم بأنها ستبدأ في إنتاج الرقاقة في مطلع عام 2005 بمصانعها في الولايات المتحدة. وستكون وحدات العمل والحاسبات الخادمة أولى الأجهزة التي ستعمل برقاقة "سيل".

ومن المتوقع أن يكون أول ظهور لجهاز الألعاب "بلاي ستيشن 3" في مايو/ أيار القادم، إلا أن التدشين الرسمي للجهاز سيكون في عام 2006.

وستستعمل الرقاقة "سيل" في جهاز الألعاب "بلاي ستيشن 3" إضافة إلى أجهزة التلفزيون العالية التقنية والحاسبات العملاقة.

وقال كين كوتاراجي، مدير التشغيل بشركة سوني: "ستدمج في المستقبل جميع أشكال المحتوى الرقمي داخل شبكات الاتصال السريع (بروود باند). فقد وصل الهيكل البنائي للحاسبات الشخصية الحالية للحد الأقصى له."

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:13 AM
الطابعات تكشف أسرار الوثائق



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40190000/jpg/_40190996_forge-bbcorbis203.jpg
يمكن الكشف عن مصدر العملة المزيفة الان



قال علماء أمريكيون إنهم اكتشفوا أن كل طابعة ملحقة بالكمبيوتر تترك توقيعها الخاص بشكل خفي على كل وثيقة أو ورقة تطبعها، ووجد هؤلاء العلماء وسيلة يستطيعون من خلالها استغلال هذا لتحديد الوثائق الخاصة بكل طابعة ليزر على حدة .

وسوف يساعد هذا في تعقب الطابعات التي تستخدم في تزوير العملات وجوازات السفر والوثائق الرسمية الأخرى.

علامة الحبر
وقد كان يعتقد قديما أن الفروق بين الطابعات الرخيصة التي تنتج بنظام الانتاج الكثيف هامشية لدرجة تجعل تمييز الاختلافات الفردية بين هذه الطابعات صعبا إن لم يكن مستحيلا.

إلا أن فريق البحث الذي ينتمي إلى جامعة بوردو في ولاية إنديانا الأمريكية استطاع تطوير أساليب تجعل من الممكن تعقب وتمييز مصدر كل وثيقة ومعرفة أي جهاز أنتجها.

وقد استطاعت الأساليب التي استخدمت تحديد أي نوع من طابعات الليزر كانت مصدر أي وثيقة في 11 من 12 حالة تم اختبارها. وقال البروفيسور، إدوارد ديلب، قائد فريق البحث: "ونحن نعتقد أيضا أنه بإمكاننا تحديد ليس فقط نوع الطابعة ولكن أي طابعة داخل كل نوع هي التي أصدرت الوثائق".

ويعتمد برنامج تحليل الصور الذي طوره فريق البروفيسور ديلب على البحث على "الآثار الظاهرية" التي تتركها كل طابعة عند تشغيلها.

وقال البروفيسور جان ألباك الذي ساعد في تطوير أساليب التمييز إن نظم الانتاج التي فرضتها المنافسة بين الشركات المختلفة في مجال صناعة الطابعات عنت التغاضي عن الاختلافات الموجودة في الصفحات التي تطبعها هذه الأجهزة.

واضاف: " ويتطلب انتاج طابعات تصدر بالضبط نفس نوعية الطباعة تشديد اجراءات المراقبة بشكل مكلف قد يجعل الطابعات أغلى من قدرة أي مستخدم عادي على الشراء".

وينبع الفرق بين الوثائق في الطريقة التي تطبع بها ماكينة الطباعة الحبر على الورق حيث يمكن تمييزها باستخدام النظام الذي طوره فريق جامعة بوردو.

طابعات الحبر في الطريق
وبهذا فإن طابعة تضع الحبر على الورق بشكل مختلف ومتميز مما يمكن نظام تحليل الصور من تحديدها وذلك كما يشرح البروفيسور ديلب: "نحن نكون نموذجا رياضيا أو قياسيا من الوثائق المطبوعة ثم نبدأ في تحليل الوثيقة كصورة وتحديد الأسلوب المستخدم لمعرفة وتمييز الطابعة".

يذكر أن الطابعات الملحقة بالكمبيوتر بالاضافة إلى الماسح الضوئي تعد من الوسائل المفضلة للمزورين لعمل نسخ مزورة عالية الجودة من النقود وجوازات السفر والوثائق الأخرى التي يمكن أن تخطئها العين غير الخبيرة.

ويعمل الفريق الآن على استخدام الأساليب لتشمل الطابعات التي تستخدم الحبر، كما يعمل الفريق أيضا على دفع الطابعات لوضع الحبر على الورق بشكل يجعل التمييز بين الوثائق أكثر سهولة.

وسيقدم الباحثون نتائج بحثهم بالتفصيل في المؤتمر الدولي لتكنولوجيا الطباعة الرقمية الذي سيعقد في أوائل شهر نوفمبر / تشرين الثاني القادم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:14 AM
ماكينات ناطقة لغسيل الملابس



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40057000/jpg/_40057798_machine203.jpg
التعديل يستهدف تسهيل المهمة على ضعاف البصر



تمكن طلبة يدرسون الهندسة في جامعة ولاية ميشيجن الامريكية من إدخال تعديل على آلات غسيل الملابس لتمكنها من إصدار أصوات لتمكين ضعاف البصر من استخدامها.

وقال الباحثون إنهم قرروا القيام بذلك نظرا لأن آلات غسيل الملابس الحديثة يتم تشغيلها بالضغط على ازرار رقمية بدلا من استخدام المؤشر.

وقال البروفسور اريك جودمان رئيس فريق البحث إنهم قاموا بوضع دائرة كهربائية بحيث يصدر صوت بوظيفة الزر عندما يتم الضغط عليه.

كما يوجد زر أخر حول حالة الآلة.

ويتم تجربة الغسالة الجديدة من جانب زوج من المكفوفين هم مايكل وكارلا هدسون. ويعمل مايكل مديرا لمركز الطلبة ذوي الاحتياجات الخاصة في الجامعة.

وقال مايكل انه سعيد بهذه التكنولوجيا الجديدة كما إن زوجته تشعر بأنها متأكدة مما تقوم به.

وسيقوم بروفسور جودمان بتخصيص الفصل الدراسي القادم لتعديل ماكينات التجفيف.

ويقول إنه يجب أن تكون الأجهزة الكهربائية متوافرة للجميع بما في ذلك ذوي الاحتياجات الخاصة وكبار السن بدون أي زيادة في التكلفة.

ويقول مايكل هدسون إن المهندسين قاموا بتطوير أفكارهم بدون الأخذ في الاعتبار ذوي الاحتياجات الخاصة.

ويقول إذا كان بامكان الشركات تصميم منتجاتها بحيث تصدر أصواتا، كان عليهم أن يجعلوا لهذه الأصوات معنى لأي شخص لا يتمكن من رؤية الكتابة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:20 AM
تكنولوجيا تسمح برؤية مجسمة للآخرين على الانترنت

بقلم جو تويست
فريق العلوم والتكنولوجيا ببي بي سي أونلاين



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40306000/jpg/_40306753_mic_cams203b.jpg

هذا النوع من الابحاث مستمر في مجال الاجهزة الخاصة بالتصوير والرؤية منذ سنوات لكن لم يتم التوصل إلى نتيجة بهذه الدقة من قبل
د. كريمنيسي قائد فريق البحث


قد يصبح استخدام برامج المحادثة والرسائل اكثر إثارة اذا بدأ استخدام تكنولوجيا جديدة لكاميرا تعمل على الانترنت تطورها مايكروسوفت.

والتكنولوجيا الجديدة، التي يطلق عليها "اي تو اي" i2i webcam وتطورها مايكروسوفت في مختبراتها للابحاث في كامبردج في بريطانيا، هي نظام يتكون من آلتي تصوير تتبعان حركة الشخص.

ويستخدم هذا النظام معادلات حسابية مصممة خصيصا لتحويل ما تراه كل كاميرا الى صورة اقرب الى الواقع او صورة ثلاثية الابعاد.

ويقول انطونيو كريمنيسي الذي يقود بحث مايكروسوفت "نجحنا في التوصل لمعادلة حسابية يمكن من خلالها التقاط صورتين وتحويلهما الى صورة واحدة ثلاثية الابعاد".

واضاف "بوسعنا الان الحصول على صورة تبدو كما لو كان الشخص ينظر اليك بعينيه باستخدام هذه التكنولوجيا القوية".

محاكاة المخ
وتقول مايكروسوفت ان بحثا حديثا اظهر ان اكثر من 18.5 مليون شخص يستخدمون كاميرات في الاتصال عبر الانترنت خلال استخدامهم لبرامج المحادثة والرسائل.

ومن بين المستخدمين مراهقون يتحدثون عن واجباتهم المدرسية وموظفون في شركات.

لكن المشكلة كانت دائما هي ان المستخدمين يظهر انهم ينظرون الى الفراغ وليس إلى الشخص الذي يتحدثون إليه.


ورغم ان الامر يبدو بشكل اكبر من اجل المتعة الا ان الدكتور كريمنيسي يؤكد ان بحثه يسعى في الاساس الى حل "قضايا علمية اكبر".

ويعتبر أكبر تحدي يواجه الباحثين هو معرفة آلية عمل المخ لتمييز الالوان وتحديد المسافات والابعاد والاشكال ثم تصميم نماذج لما يمكن ان تراه العين.

وقال كريمنيسي ان ما فعله الباحثون تبسيطا هو استبدال العين البشرية بآلتي تصوير، والمخ بجهاز كمبيوتر.

وتجعل الصورة المجسمة التي يحصل عليها الباحثون باستخدام هذه التكنولوجيا عملية اعادة تكوين صورة ثلاثية الابعاد في نفس الوقت وبشكل دقيق عن طريق جهاز كمبيوتر امرا ممكنا.

وهذه التكنولوجيا من نفس نوع التكنولوجيا التي استخدمت لاعادة تكوين صور ثلاثية الابعاد لسطح كوكب المريخ بعد ارسالها من مسبار للكوكب.

ويمكن لنظام "اي تو اي" ايضا تصميم صور تبدو واقعية للخلفية حتى يمكن للمستخدمين التظاهر انهم في مكان اخر غير الموجودين فيه.

قلب نابض يطير من حولك!
ويضيف كريمنيسي "هذا امر مهم بالنسبة للخصوصية لأن المستخدم ربما لا يريد ان ترى الفوضى الموجودة في غرفة نومه".

ومن الخصائص الجديدة التي ستجتذب الشباب قدرة هذا النظام على وضع صور واشكال ثلاثية الابعاد للتعبير عن السعادة او الحزن على سبيل المثال بدلا من كتابة حروف او الوجوه التقليدية البسيطة للتعبير عن ذلك.

فمثلا سيمكنك مشاهدة الذي تتحدث إليه وإلى جانبه قلب ينبض على الشاشة ويطير حوله، أو مصابح يضيء للتعبير عن فكرة!

وتعتبر قدرة الكاميرا على التمييز بين مقدمة وخلفية الصور أمرا مهما لتحويلها الى صور ثلاثية الابعاد.

ويرى الدكتور كريمنيسي ان هذا النظام مفيد للغاية وممتع في نفس الوقت لان قدرته على التعقب وامكانياته الذكية يمكن ان تعزز تجارب عقد اجتماعات الأعمال عن طريق الإنترنت ووصلات الفيديو.

وقال "هذا النوع من الابحاث مستمر في مجال الاجهزة الخاصة بالتصوير والرؤية منذ سنوات لكن لم يتم التوصل إلى نتيجة بهذه الدقة من قبل. هذا النظام مهم بالنسبة للاجتماعات التي تتم عن طريق وصلات الفيديو لانه يستطيع تحديد ما هو مهم في المكان بشكل مباشر وتسليط البؤرة عليه".

ومازالت هناك بعض الامور تحتاج الى حل قبل ان تدخل التقنية طور الانتاج لكن كريمنيسي يقول ان الباحثين حققوا الكثير في اقل من عامين.

ويضيف الباحث "هناك اشياء كثيرة خارج سيطرتنا. لكننا نتحدث عن الحد الذي يمكننا من خلاله تحقيق ذلك".

ومع ذلك لا تزال هذه التكنولوجيا في مهدها، ولكن سرعان ما ستتلقفها برامج الرسائل الإلكترونية مثل مايكروسوفت إم إس إن وياهوو ماسنجر وأمريكا أونلاين ايم.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:22 AM
كاميرا خاصة لضعيفي الذاكرة


http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40262000/jpg/_40262953_sensecam_cam203b.jpg
سنسكام قد تعطي الجميع ذاكرة فوتوغرافية



يقول خبراء شركة مايكروسوفت إنهم ابتكروا كاميرا يمكن ارتداؤها لمساعدة الاشخاص الذين يعانون من مشكلات في الذاكرة.

وتقوم الكاميرا الفريدة من نوعها، والتي تحمل اسم سنسكام، بالتقاط صور فورية لحظة إحساسها بحدوث تغير في الحركة أو الحرارة.

وباستطاعة الكاميرا في الوقت الحالي تخزين حوالي 2000 صورة على بطاقة الذاكرة الخاصة بها وسعتها 128 ميجابايت، ومن هنا يمكن لها أن تساعد الناس في تسجيل أحداث أيامهم.

وتولت تطوير هذه التكنولوجيا الجديدة معامل مايكروسوفت البحثية في كامبريدج بالمملكة المتحدة، ومن المقرر أن تخضع لاختبارات هذا الصيف في مستشفى ادينبروكس.

وقالت الباحثة ليندساي ويليامز، التي رأست فريق البحث، لـ بي بي سي نيوز أونلاين، "صممت سنسكام لتعمل كأنها صندوق أسود للجسم البشري".

وقالت ويليامز "اخترعتها في الاساس كوسيلة لمساعدة أسرتي في العثور على المفاتيح في البيت".

وأضافت الباحثة أن الكاميرا قد تصبح الطريقة المثلى لاحتفاظ الشخص بمذكرات مرئية لحياته.

وتستخدم الكاميرا جهازا دقيقا لقياس الحركة والسرعة لرصد التحركات، وآخر يعمل بالاشعة تحت الحمراء لرصد وجود أناس آخرين، ومجسات رقمية لمراقبة الضوء ودرجات الحرارة.

ويمكن أن تتجاوز فائدة هذه الكاميرا مجرد توفير مذكرات مصورة لاصحابها.

ورغم أن مايكروسوفت لا تعتزم تطوير الابتكار ليصبح في شكل منتج في الوقت الراهن، فإن مستشفى ادينبروكس تعتزم اختباره على مرضاها.

وقال الدكتور ناريندر كابور من المستشفى إن هذه الكاميرا يمكن أن توفر لبعض مرضى ضعف الذاكرة القدرة على تسجيل مذكراتهم بشكل مرئي وبالتالي إمكانية تحسين نوع حياتهم".

وتقول ويليامز إن الكثير من المرضى الذين تعرضوا لتلف في أدمغتهم من حادثة أو مرض أو بسبب الهرم، دائما ما يطلب منهم كتابة مذكرات مفصلة لايام حياتهم.

وتضيف قائلة إن ذلك قد يكون في غاية الصعوبة بالنسبة للبعض وخصوصا الاطفال. ومن هنا يمكن لكاميرا سنسكام أن تكون طريقة سريعة وسهلة لتسجيل الاحداث وإعادتها في أي وقت.

السياحة مجال آخر يمكن استغلال سنسكام فيه، حيث تريح أصحاب الايدي المتعبة من حمل كاميرا الفيديو لتسجيل الدقائق الجميلة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:24 AM
تقنية جديدة تكسب الكتاب بعدا تفاعليا


http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40177000/jpg/_40177149_magicb-hitlab203.jpg
جهاز الرؤية والقراءة الجديدة



قريبا ستصبح بعض الكتب التي نستمتع بقراءتها أكثر تفاعلا معنا

فقد تمكن باحثون في نيوزيلاندا من تطوير طريقة لعرض صور ثابتة ومتحركة عالية التفاصيل على صفحات الكتب وقصص الأطفال المصورة وأي كتاب يستخدم الرسوم التوضيحية.

ويشاهد القارئ الصور الثلاثية الأبعاد بواسطة جهاز عرض محمول في اليد يراقب الموضع الذي ينظر إليه القارئ.

وبضغطة زر واحدة يغمر جهاز العرض القارئ في عالم افتراضي يمكنه من استكشاف موضوع الكتاب بشكل أعمق.

صور وصفحات
وقام الدكتور مارك بيلينجهورست وزملاؤه في مختبر تقنية واجهة الاستخدام البشرية في نيوزيلندا بتطوير الكتاب ونظام القراءة.

ويشبه جهاز العرض نظارة تمسك باليد يحملها القارئ أمام عينيه أثناء تصفحه للكتاب.

ويوجد بين العدستين جهاز تصوير يحدد المكان الذي ينظر إليه القارئ في الكتاب


وفي ذات الوقت يقوم برنامج في جهاز كمبيوتر متصل بجهاز القراءة بالبحث عن خصائص مميزة في الصفحة للمساعدة في تحديد ما ينظر إليه القارئ.

في الوقت نفسه، يعمل برنامج على كمبيوتر متصل بالجهاز على البحث في خصائص الصفحة من أجل المساعدة في تحديد ما ينظر إليه القارئ.

ويقول الدكتور بيلينجهورست عندها يقوم جهاز الكمبيوتر بعرض الصور من ذات الزاوية التي ينظر منها القارئ."

ومن بين الاستخدامات الأولى لهذا النظام تحويل بعض مؤلفات الكاتب والرسام جافين بيشوب إلى أعمال فنية متحركة.

وكان "العملاق جيمي جونز" أحد أوائل كتبه التي تعالج بهذه التقنية الجديدة.

وقال الدكتور بيلينجهورست إن تحويل هذا الكتاب إلى قصة بالصور المتحركة شكلت بعض المشكلات الحقيقة لبيشوب.

وقال بيلينجهورست "لم يسبق له التفكير في الهيئة التي يبدو عليها العملاق من الخلف."

تجربة غامرة
كما أعد المختبر تتابعات من الصور التوضيحية التي تغمر القارئ في واقع افتراضي وتساعده على استيعاب كتاب عن علم التشريح البشري.

ففي أحد أجزاء الكتاب قد ينظر القارئ إلى نموذج ثلاثي الأبعاد للقلب البشري.

ويقول بيلينجهورست "يمكنك الحصول على منظور رؤية شامل من بعد أو الدخول داخل القلب لتصبح جزءا من المشهد."

وأضاف "يمكنك بضغطة زر أن تعيش تجربة غامرة في واقع افتراضي. يمكنك السباحة داخله وأن ترى وتحس كما لو كنت كرية دم تتدفق عبر القلب."

وقد تم بالفعل استخدام نظام الرؤية والقراءة الجديد، المسمى الكتاب السحري، في بعض المتاحف والاماكن العامة في نيوزيلندا.

كما افتتحت معارض تستخدم تقنية الكتاب السحري في متحف العلوم في استراليا.

وقال الدكتور بيلينجيرست "تخرج هذه التقنية ببطء إلى العالم."

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:26 AM
الأصابع "تقرأ" الرسائل النصية

بقلم: لاكشيما ساندهانا



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40068000/jpg/_40068289_tactile_mobile203.jpg



تمكن الباحثون في ألمانيا من تطوير تقنية جديدة لقراءة الرسائل النصية عن طريق اللمس، حيث ابتكروا هاتفا محمولا مغطى بغلاف صغير وجزء معدني متحرك يصعد ويهبط تحت أصابع الشخص.

وقال علماء من جامعة بون إن ذلك سيسمح لأي شخص بفهم الرسالة النصية وكأنها نغمة ملموسة.

وطرح الباحثون نموذجا لهذا الهاتف خلال معرض هانوفر التجاري هذا الأسبوع.

وقد توصل الباحثون إلى طريقة لتوجيه حركة الأجزاء المعدنية المتحركة لتكوين عناصر محددة تحت الأصابع.

وفي الوقت الذي يمكن فيه لهذه التقنية إدراك الدوائر أو الخطوط أو المربعات أو الحروف مثل حرف "V" فإن إدراك بعض الرموز المعقدة أمر يرجع إلى الشخص نفسه.

فعلى سبيل المثال، قد تشعر بعلامة "@" وكأنها حلزون وتشعر بكلمة "I" كموجة تتجه ناحيتك وكلمة "You" كموجة تتجه بعيدا.

وقال البروفيسور رولف إيكميلر رئيس قسم الأعصاب الكمبيوتري في جامعة بون: "لا ننوي بالطبع تحويل الحروف عن طريق قناة اللمس. فإننا لا ننوي منافسة العين البشرية. ما يثير اهتمامنا هو التحويل السريع لوحدات الحس."

وأضاف: "ولذا سيصبح ممكنا تزويد الهاتف المحمول بآلية لترجمة جملة في الرسالة النصية، فعلى سبيل المثال يمكن ترجمة جملة (سأكون في البيت بعد ساعة) على شكل نغمات ملموسة."

حروف ملموسة



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40068000/jpg/_40068379_pins203.jpg
فتح جديد في عالم الهاتف المحمول


ويعمل فريق البحث باستخدام برنامج مصمم خصيصا بحيث يمكن للجهاز التكيف مع صاحبه وإعطائه خيار تكوين كلمات ملموسة خاصة بصاحب الهاتف.

وعن طريق تقديم خيار المصطلحات الملموسة لكل كلمة يرغب صاحب الهاتف في استخدامها، يتمكن البرنامج من تكوين مزيد من الخيارات إلى أن تتحول الكلمة إلى حركة مفهومة.

ويقول الباحثون إن النظام الجديد يمكن تعلمه بسهولة بحيث يسهل على الشخص التعرف على النغمة التي يرغبها لترتبط بالغرض أو الحدث، ومن ثم يمكن تذكرها بسهولة كما لو كان الشخص يتذكر صورا أو أصواتا.

وقال البروفيسور إيكميلر: "يمكنني تخصيص نغمة ملموسة خاصة بزوجتي وأخرى لابنتي. وإذا أرسلوا لي رسالة نصية يمكنني على الفور معرفة وتحديد هذه النغمات لأنني أنا الذي اخترتها لنفسي."

ومن فوائد هذا الابتكار إمكانية قراءة الرسائل بخصوصية شديدة أو في ظل ضوء خافت.

ويتوقع العلماء أن تمهد هذه التقنية الطريق أمام رسائل نصية ملموسة تماما في أجيال قادمة من الهواتف المحمولة.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:28 AM
ناسا تقدم خبرتها في دراسة هجرة الطيور



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/40034000/jpg/_40034941_tanager_usgs_6666.jpg



بدأ فريق من علماء الطيور الأمريكيين العمل مع وكالة الفضاء الأمريكية "ناسا" في دراسة هجرة الطيور لمعرفة تفاصيل أكثر عن حياة هذه الأنواع من الطيور.

وتقدم منظمة الحفاظ على البيئة التمويل اللازم لاستخدام أحد رادارات "ناسا" المتطورة التي تسمح لها بمتابعة حركة الطيور الاستوائية.

الرادار الذي يقع في الشاطئ الغربي لخليج شيسبيك في فيرجينيا هو أحد رادارين اثنين فقط في أمريكا.

وتقول المنظمة إن هذه الخطوة ستساعدها في تحديد مناطق الغذاء الحيوية وطرق الهجرة الجنوبية للطيور.

دراسة حالة الجو
وقال باري ترويت من منظمة الحفاظ على البيئة إن استخدام الرادار في دراسة الطيور المهاجرة بدأ منذ ما يقرب من 60 عاما لكنه انطلق في الولايات المتحدة فقط مع استخدام أنظمة رادارات الجيل الجديد التي تستخدم في دراسة الطقس والتي تسمى " nexrad".

ويستخدم النظام الذي تؤجره "ناسا" للمنظمة أساسا في دراسة هطول الأمطار.

وقال باري ترويت لبي بي سي نيوز اونلاين: "كانوا يشرحون لي طبيعة سقوط الأمطار وكيف يسمح لهم هذا الرادار بمراقبة قطرات المطر أفقيا ورأسيا ومن أعلى ومن أسفل لدرجة أنه يساعد في تحديد حجم قطرات المطر".

وأضاف: "الأمر الذي دعاني إلى سؤالهم عما إذا كانت هذه التقنية ستمكنهم من مراقبة الطيور مع المطر فقالوا: "بالتأكيد لكننا نفتح جميع المرشحات للتخلص من الطيور" وقلت لهم: "حسنا هل بإمكانكم إغلاق هذه المرشحات؟" فأجابوا: "نعم ليست هناك مشكلة في ذلك".

واستطرد ترويت قائلا: "وتقوم ناسا حاليا بجمع بيانات هطول الأمطار عندما تمطر السماء. هذا فعلا عمل رائد".

فاقد كبير
وتفقس الطيور الاستوائية في كندا وشمال شرق أمريكا وفي الشتاء في دول الكاريبي ووسط وجنوب أمريكا.

وتستخدم هذه الطيور المنطقة التي تحوط خليج شيسبيك للاستراحة ويوضح الرادار الطرق التي تسلكها هذه الطيور ومواقع الغذاء التي تستخدمها.

وقال ترويت: "يجري العمل حاليا لتحديد المكان الذي تنشأ فيه هذه الأنواع من الطيور والأماكن التي تقضي فيها فترة الشتاء لكن هذه الدراسة هي الأولى التي تجرى على مستوى المنطقة التي تعبرها هذه الطيور خلال هجرتها".

وأضاف: "بصرف النظر عن هجرة ما يقرب من 10-12 مليون طائر لمسافات قصيرة فإن التقديرات تقول إن هناك 5-6 ملايين طائر استوائي يعبر هذه المنطقة و 80 بالمئة من صغارها تموت سنويا خلال هجرتهم للمرة الأولى".

نقاط ضعف الرادار
وأوضح ترويت أن المعلومات التي تحصل عليها المنظمة من استخدام تقنية ناسا ستمكنها من مساعدة الطيور المهاجرة.

وقال ترويت: "ستساعدنا هذه الرادارات في التعرف على المواطن التي تستخدمها هذه الطيور كما ستساعد في وضع الأموال في نصابها الصحيح مثل صرفها على دراسة أنواع الأشجار التي علينا أن نحميها".

وأضاف: "لكن لاتزال هناك مشكلة مع فحص البيانات حيث أن بيانات الرادار تحتاج إلى توثيق".

واستطرد ترويت قائلا: "يجب أن يكون هناك شخص ما يستطيع أن يخبرك بأن هذه بالفعل طيور وليست حشرات كاليعسوب على سبيل المثال الذي يشبه الطيور على شاشات الرادار".

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:30 AM
طائرة ناسا تنطلق بسبعة امثال سرعة الصوت



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39970000/jpg/_39970183_scram1_nasa_203.jpg
الطائرة إكس-43 إيه ناسا الصغيرة ستنفصل عن صاروخها الدافع على ارتفاع كبير



نجحت وكالة الفضاء الامريكية "ناسا" في اطلاق طائرة تجريبية تسير بسرعة تبلع سبعة امثال سرعة الصوت قبالة سواحل كاليفورنيا الجنوبية على المحيط الهادي.

وتمكنت الطائرة، التي تحمل اسم "اكس-43 ايه، من التحليق لمدة عشر ثوان اعتمادا على اجهزتها الملاحية قبل ان يتم توجيهها لتهبط في المحيط.

وكانت التجربة السابقة لهذا النوع من الطائرات قد انتهت بتحطم الطائرة بسبب انهيار أنظمة الانطلاق فيها، الامر الذي جعل ناسا تترقب بحذر بالغ تجربتها الجديدة.

وهذه هي المرة الأولى التي ينجح فيها محرك دفع نفاث غير صاروخي في دفع طائرة للطيران بهذه السرعة الفائقة.

كيف تعمل الطائرة؟
وتستعين الطائرة، التي تطير بدون طيار، ويبلغ طولها ثلاثة أمتار، بمحركات نفاثة فائقة تهدف إلى بلوغ الطائرة سرعة تفوق سبعة امثال سرعة الصوت، أي ما يوازي ثمانية آلاف كيلومتر في الساعة.

وتقوم هذه المحركات النفاثة بحرق الهيدروجين، وتحصل على الأوكسجين اللازم لعملية الاحتراق من الهواء الذي يتم ضخه إلى داخل المحركات بسرعة عالية للغاية.

وتأمل ناسا في أن يؤدي نجاح هذه التكنولوجيا إلى تقصير وقت الرحلات الجوية الطويلة، وتقليل نفقة إرسال رحلات إلى الفضاء.

وتعمل المحركات النفاثة عن طريق الاحتراق الأسرع من الصوت للوقود المصحوب بتيار هوائي تضغطه حركة الطائرة إلى داخل المحرك، بخلاف المحركات العادية التي تقوم ريشات مراوحها بضغط الهواء.




http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39973000/gif/_39973489_factboxcopy.gif



لكن المحركات النفاثة تبدأ عملها عند ستة أضعاف سرعة الصوت، مما يعني ضرورة وجود نظام أولي لدفع الطائرة إلى هذه السرعة، ثم يبدأ تشغيل المحركات النفاثة.

وفي حالة طائرة إكس- 43 إيه الجديدة، تمت عملية دفع الطائرة إلى السرعة التي يبدأ عندها تشغيل المحرك النفاث عن طريق صاروخ بيجاسوس معدل تم إطلاقه من تحت جناح قاذفة ثقيلة من طراز بي 52.

ثم انفصلت الطائرة إكس- 43 أيه، والتي تزن 1300 كيلوجرام، عن نظام دفعها، ثم تنطلق معتمدة على محركاتها النفاثة التوربينية.

تحد هندسي
بدأ التفكير في هذه التكنولوجيا للمرة الأولى خلال حقبة الخمسينات، والستينات، فلأن الطائرات التي تستخدم هذه التكنولوجيا تحصل على الأوكسجين من الهواء، يكون وزنها أقل كثيرا من الطائرات الأخرى.

ويصبح من الممكن استخدام هذا الفارق في الوزن لنقل شحنات أكبر، أو إطالة المسافة التي تقطعها الطائرة في رحلة واحدة، أو تقليل أحجام الطائرات مع الحفاظ على حجم حمولتها.

السرعات القصوى
الكونكورد: 2173 كيلومترا/الساعة
القطار الرصاصة الياباني: قياسيا 446 كيلومترا/الساعة - اعتياديا 300 كيلومتر/ساعة
القطار الفرنسي السريع: الرقم القياسي العالمي 515.3 كيلومترا/الساعة، اعتياديا 259.4 كيلومترا/الساعة


وتبدو هذه الفكرة مثيرة، ففي حال تم التغلب على التحديات الفنية التي تعوق إنجاز هذه الفكرة، فلن يعود من المستحيل أن تستغرق الرحلة الجوية من لندن إلى سيدني ساعتين فقط.

وربما استخدمت هذه التكنولوجيا في إرسال شحنات صغيرة إلى الفضاء، كالأقمار الصناعية التي ستضعها هذه الطائرة في مداراتها.

وكانت وكالة مشروعات الأبحاث المتطورة بوزارة الدفاع الأمريكية هي آخر من حاول تجربة طائرة تعمل بهذه التكنولوجيا، وذلك في عام 2001، حيث تم إطلاقها من الأرض بواسطة مدفع.

وبعدها بسنة واحدة، قام الباحثون من جامعة كوينزلاند بإطلاق طائرة تسمى هايشوت، تستخدم تكنولوجيا المحركات النفاثة التوربينية، وذلك بواسطة صاروخ دفع.




http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39973000/gif/_39973475_designcopy.gif

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:34 AM
تقنية جديدة تمسح الطباعة من على الورق



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39611000/jpg/_39611485_ink_unit203b.jpg
الجهاز الجديد قد يشجع على اعادة استخدام الورق



قد يتم الاستفادة من مخلفات الورق المطبوع إذا أثبتت تقنية جديدة تعتمد على حبر يستطيع مسح كل ما هو مطبوع على الورق لإعادة استخدامه مرة أخرى نجاحها في اليابان.

فقد كشفت شركة "توشيبا" اليابانية عن حبر جديد خال من الكربون يمكن إزالته من على الورق باستخدام آلة محمولة لمسح الكتابة. وتستخدم الآلة الجديدة الطاقة الحرارية لمسح الحبر.

ويمكن استخدام الحبر والآلة الجديدين في تنظيف كميات كبيرة من الورق الأمر الذي سيجعل عملية استخدام الورق صديقة للبيئة بصورة أكبر.

ويذكر أن الورق يمثل 40 بالمئة من مخالفات المكاتب في اليابان. ويتم إعادة تدوير 60 بالمئة من مخالفات الورق فقط.

الورق أساسي

وستخلب فكرة مسح الحبر بكل يسر وسهولة لب الجواسيس والسحرة فيما ستجعل المختصين بشؤون المحافظة على البيئة يشعرون بسعادة غامرة لأنه أصبح من الممكن إعادة تدوير الورق بصورة أيسر.

وتعمل التقنية الجديدة المعروفة باسم "إي-بلو" على عكس عملية الالتصاق الكيميائي التي تتم أثناء الطباعة الحرارية التي تعتمد على الحرارة والضغط لوضع الصور والنصوص على الورق.

وكان هناك حلم بأن التكنولوجيا تستطيع تحويل العمل المكتبي إلى الصورة الرقمية بحيث يتم الاستغناء عن الورق، لكن كانت هناك صعوبة في الاستعانة بالمستندات الرقمية فقط.

وقال جونيشي نجاكي من شركة توشيبا في حديث أدلى به للبي بي سي نيوز أونلاين "بالرغم من وجود أدوات حديثة مثل البريد الإلكتروني وتطوير جميع أنواع التقنيات اللاسلكية، إلا أن الناس لا يزالون يستخدمون الورق...نعتقد أن الطلب على الورق لن ينقطع بصورة كاملة."

ومن جهة أخرى، يشعر أنصار حماية البيئة بقلق إزاء حجم استهلاك الورق. وفي الوقت الذي تبحث فيه الشركات اليابانية عن منتجات صديقة للبيئة فإنه قد يكون هناك اقبال على الحلول التقنية.

حبر أزرق وتعمل تقنية "إي-بلو" على معالجة المستندات التي تم الطباعة عليها باستخدام الحبر الخاص الذي يظهر باللون الأزرق لتمييزه عن الحبر العادي.

ويفقد الحبر لونه عند معالجته في ماكينة مسح الحبر التي تعرض الحبر لدرجة حرارة تصل إلى 140 درجة مئوية.

ويتحلل التماسك الكيميائي لصبغة الحبر تحت وطأة درجة الحرارة هذه الأمر الذي يؤدي إلى اختفائه.

وتستطيع ماكينة مسح الحبر تنظيف ما بين 200 و300 ورقة من حجم "إيه 4" وما بين 200 و250 ورقة من حجم "إيه ثري" خلال ثلاث ساعات. ويمكن حينها أن يستخدم الورق أكثر من مرة حتى يتمزق أو يهترئ.

وأشار نجاكي إلى أن التقنية الجديدة لاقت قبولا كبيرا بين بعض العاملين في شركة توشيبا.

وقال نجاكي "لقد استطعنا تخفيض تكلفة الورق الذي تحتاجه الشركة بنسبة 60 بالمئة في ظل تراجع حجم طلبياتنا من الورق...كما أن التكلفة انخفضت بسبب تراجع نسبة المخلفات الورقية لأن العامللين يعيدون استخدام الورق الذي يتم الطباعة عليه باستخدام حبر إي-بلو ما بين خمس وست مرات قبل أن يتم التخلص منه بالطرق التقليدية."

وعلى صعيد آخر، ذكرت "توشيبا" أنها تعكف على تطوير ماكينة تصوير ضوئية تعتمد على نفس التقنية الجديدة مشيرة إلى إنه إذا لاقت التقنية قبولا كبيرا في اليابان فسيتم طرحها في أوروبا.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:35 AM
برنامج ذكي يراقب السماء



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39450000/jpg/_39450658_star_burst203b.jpg
البرنامج الجديد يتمكن من التعامل بسرعة مع الانفجارات الكونية



ربما تبدو البرمجيات الذكية وكأنها تنتمي فقط إلى أفلام السينما، ولكن البرمجيات الذكية تساعد بالفعل علماء الفضاء على معرفة المزيد عن الكون.

تم تطوير البرنامج ليقوم بمراقبة كمية هائلة من المعلومات التي تأتي بها التلسكوبات، كما سيقوم بمساعدة العلماء على تتبع الأحداث السريعة والعنيفة، مثل ظاهرة النجم المتفجر فائق التوهج الذي تظل نواته كنجم نيوتروني بعد إنقذاف طبقاته الخارجية.

واستخدم العلماء تكنولوجيا شبكات الكمبيوتر للمشاركة ولتحليل المعلومات بسرعة، مما يسمح للبرنامج برد الفعل السريع.

وقال الدكتور ألاسداير آلان من جامعة إيكستر: "المهم هنا هو أننا قمنا بتطوير نظام ملاحظة ذكي، إنه نظام يفكر ويستجيب من تلقاء نفسه، ويقرر أيضا من تلقاء نفسه إذا كانت المعلومات التي التقطها من الأهمية بحيث تستحق المزيد من المراقبة، وإذا كانت هذه المراقبة مطلوبة، يقوم بها البرنامج من تلقاء نفسه"

تغييرات دقيقة
المشكلة التي تواجه علماء الفضاء هي عدم توقع ما يحدث في الفضاء، فالعديد من الأحداث الفضائية تحدث بشكل مفاجئ بالنسبة لهم وبدون سابق إنذار.

مما يعني أن علماء الفضاء قد تفوتهم أحداث مثل تغيير طفيف يحدث في لمعان بعض النجوم، والذي قد يشير إلى كواكب تدور حولها.

وللتعامل مع هذا الأمر، قام البرنامج البحثي التابع لإيساينس أسترونيميكال بابتكار هذه البرمجيات الذكية، وهو جهد مشترك بين جامعتي إيكستر وليفربول جون موريز.

وقد قام هذا البرنامج باستغلال تكنولوجيا الشبكات، التي تسمح لحاسب مركزي بمعالجة عدد من الحواسب المنفصلة.

وكان هذا البرنامج قد استخدم مؤخرا في مشروع تليسكوب بحثي ضخم، وهو تليسكوب بريطانيا العامل بالأشعة تحت الحمراء في هاواي، وأعطى نتائج مشجعة للغاية.

وقد أخذت هذه البرمجيات الذكية صورا حية قارنتها بالخرائط التي سبق رسمها بالأشعة تحت الحمراء، لنفس المنطقة.

وقد استكشف البرنامج نجما قزما، وهو نجم يشهد توهجا مفاجئا في لمعانه.

السماء على المحمول
وقال الدكتور آلان شارحا: "تستطيع هذه البرمجيات أن تتبع وتستجيب للتغيرات السريعة في الكون، بطريقة أسرع كثيرا من أي إنسان، كما يمكنها اتخاذ القرار بملاحظة شيئ ما، بأقصى سرعة أيضا"

وأضاف: "وهنا فقط تحتاج هذه البرمجيات إلى إخبار البشر بما تفعل"

ولا يعتقد الدكتور آلان أن تحل هذه البرمجيات محل علماء الفضاء، وقال: "من الممكن أن تستخدم هذه البرمجيات لمساعدة المراقبة البشرية، بدلا من أن تحل محلهم تماما، فيدمجون معا حيث يمتلكون إمكانيات أسرع وأكثر دقة في المتابعة واتخاذ القرار"

وفي المستقبل، قد يقوم هذا البرنامج بإرسال رسائل أو صور إلى الهواتف المحمولة، لتنبيه عالم الفضاء لأحداث مثيرة وجديدة في السماء.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:37 AM
أول طائرة تعمل بأشعة الليزر



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39438000/jpg/_39438424_nasa203ap.jpg
يمكن استخدام هذا الطراز من الطائرات في عمليات المراقبة



أطلقت الولايات المتحدة أول طائرة في رحلة تعمل بالكامل بأشعة الليزر، وذلك بعد مضي قرابة قرن على تحليق أول طائرة تعمل بالوقود.

وقد جرى اختبار الطائرة داخل مستودع للطائرات في ألاباما حيث جرى التحكم فيها بشعاع ليزر أطلق من الأرض حيث تحول الى طاقة قامت بتشغيل المحرك.

وقالت وكالة الفضاء الأمريكية، ناسا، إنه بوسع الطائرة أن تظل في الجو لمدة غير محددة إذا لم ينقطع شعاع الليزر وهو ما يفتح الطريق أمام وجود أول طائرة لاتحمل وقودا على متنها.

ويبلغ وزن الطائرة 300 جرام ولايتجاوز طولها 1.5 متر.

وسيساعد عدم وجود خزان للوقود على الطائرة في ايجاد فراغ يمكن ملؤه بالمعدات التكنولوجية واجهزة الاتصالات.

ويقول العلماء إن هذا الطراز من الطائرات يمكن استخدامه بعد ذلك في عمليات المراقبة والاتصالات.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:38 AM
نظارة ...وكاميرا



http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39340000/jpg/_39340494_cam203b.jpg



قد تتمكن قريبا من ارتداء نظارة شمسية تساعدك في التقاط صور لأهم لحظات حياتك، حيث توصل الباحثون بشركة هيولت باكارد من ابتكار نوع جديد من النظارات الشمسية المزودة بكاميرا داخلية.

ويقول هو روبسون مدير معمل الإعلام الرقمي بشركة هيولت باكارد "يعني هذا أنه بإمكانك الآن أن ترتدي نظارة مزودة بكاميرا وأن تلتقط صورا دون أن يلاحظ أحد."

غير أن الخبراء يقولون أنه قد يكون هناك بعض العواقب المتعلقة بالخصوصية والمترتبة على انتشار هذه التقنية الجديدة وتحولها إلى جزء من الحياة اليومية.

ويمكن للنظارة الجديدة التي تم تطويرها في معمل شركة هيولت باكارد في بريستول غرب انجلترا أن تلتقط صورا بشكل مستمر لما يراه مرتدي النظارة.

وأوضح روبسون قائلا "لا شك أن التقاط صورك أثناء ممارستك الحياة اليومية ثم انتقاء الصور الهامة منها يعد شيئا ذو قيمة كبيرة."

وأضاف في تصريحات لبي بي سي "يعني ذلك بوضوح أن بإمكانك التقاط العديد من الصور وأن المشكلة التي نحاول التوصل إلى حل لها تتمثل في انتقاء الصور الهامة وسط العديد من الصور التي تلتقطها الكاميرا."

وفي محاولة من شركة هيولت باكارد للتعامل مع هذه المشكلة، قامت الشركة بجمع مزيد من المعلومات عن تلك الصور، كما فحصت الشركة أيضا الصور التي تلقتطها الكاميرا لمعرفة ما إذا كان الأشخاص الذين يظهرون في الصور يبتسمون أو ينظرون بشكل مباشر إلى عدسة الكاميرا أم لا.

وقال روبسون "هذا النوع من المعلومات قد يساعدنا في معالجة الصور وتعديلها، وهو ما يسمح لنا بتحديد مدى جودتها ليس فقط من حيث تركيبها ولكن أيضا من حيث توقيت التقاطها، وما إذا كانت الصورة قد التقطت المنظر الصحيح أم لا." ويمكن معالجة الصور عن طريق توصيل الكاميرا بحاسب محمول أو حاسب شخصي.

وقد تمت بالفعل تجربة الكاميرا، حيث استخدمها أحد الأشخاص في تصوير أطفاله وهم يلعبون، فيما قام شخص بإرتدائها وهو يلعب كرة القدم.

وأردف روبسون "لا شك أن التقنية الحديثة تعتمد على صغر حجمها وتثبيتها في أي شيء بالإضافة إلى كونها رخيصة بحيث يمكن لأي شخص أن يشتريها."

وعلى الرغم من ذلك، إلا أن وجود هذه الكاميرا يثير قلق البعض من فكرة تمكن آخرين من التقاط صور بشكل سري للعالم من حوله."

ويقول المحلل التكنولوجي بيل ثومبسون "إنه أمر مثير، غير أن فكرة ارتداء أشخاص لنظارات شمسية مزودة بكاميرات لتمكنهم من التقاط صور قد تسبب لي إزعاجا طول الوقت. ويجب أن تنظر شركة هيولت باكارد في العواقب المتعلقة بالخصوصية قبل أن تطرح هذه النظارات في الأسواق."

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:40 AM
كاميرا تترجم اللوحات الإرشادية


http://newsimg.bbc.co.uk/media/images/39474000/jpg/_39474849_godig_sign3_203b.jpg
الكاميرا تترجم العبارات القصيرة


يتفق الكثير في أن من الأفضل أن تتوافر لوحات تحذيرية لتنبيهك من أي خطر كامن في مكان ما كأسماك القرش مثلا.

لكن إذا كانت هذه اللوحات مكتوبة بلغة غير مفهومة بالنسبة للمسافر أو السائح فإن حياته حينئذ ستكون مهددة بالخطر.

ومن هذا المنطلق نجح باحثون أمريكيون في تطوير نموذج أولي من كاميرا تستطيع ترجمة عبارات مختصرة من لغة ما أو ترجمة اللوحات الإرشادية بصورة فورية، عن طريق الاتصال بشبكة الإنترنت.

ويتألف الجهاز الجديد من حاسب يدوي وكاميرا رقمية ووصلة إنترنت لاسلكية.

التقاط وترجمة

يذكر أن الكتب التي تضم عبارات مختصرة من اللغات الأخرى والقواميس أصبحت منتشرة بصورة كبيرة في ظل انتشار الأجهزة التي تترجم إلى أي لغة تريدها بمجرد التحدث أو كتابة النص المراد ترجمته.

ومن جانبهم، أقر باحثو شركة "هيوليت باكارد" بأن العلامات الإرشادية قد تكون خادعة بعض الشئ عند ترجمتها رقميا.

فإذا تم نطق الكلمات بصورة خاطئة فإن ذلك قد يقود المرء إلى معنى مخالف للمعنى الأصلي للعبارة.

وسمح الدكتور هوارد توب مدير مركز الطباعة والتصوير بمعامل هيوليت باكارد في باولو ألتو بولاية كاليفورنيا لبرنامج "جو ديجيتال" الذي تبثه إذاعة "بي بي سي العالمية" بتجربة نظام الشركة الجديد للتعرف على العلامات الإرشادية والترجمة.

وتتلخص فكرة الجهاز الجديد في أنه يتحول إلى كاميرا متنقلة قادرة على الاستفادة من مراجع الترجمة على الإنترنت باستخدام وصلة لاسلكية يزود بها الجهاز.

وقال توب "لا يتطلب الأمر من المرء القيام بأي شيء سوى التقاط صورة للعلامة التي لا يفهمها، وهو أمر طبيعي...فسيجد المرء في نظام متكامل واحد حاسبا يدويا من طراز "أي باك" مرفقا به كاميرا، لذا يستطيع النظام أداء وظائف الكاميرا الرقمية."

وأضاف توب قائلا "هناك بطاقة اتصال لاسلكي أيضا مثبتة بالحاسب استطيع استخدامها للاتصال بالشبكة...كما أنني قادر على ارسال بعض المعلومات إلى أي مكان حيث يتم معالجتها."

وبعد التقاط صورة للوحة الإرشادية، تظهر العبارة المكتوبة على اللوحة الإرشادية على الكاميرا مصحوبة بالترجمة وذلك بعد البحث عن معناها على شبكة الإنترنت باستخدام الوصلة اللاسلكية.

وأشار توب إلى أن الجهاز قادر على ترجمة أي لغة، كما أنه يعطي نتائج بشكل أسرع ومرضي.

وقال توب "من بين مزايا كل هذا أنني لا أترجم كلمات فحسب. فيمكنني حمل قاموس والبحث عن كل كلمة على حدة فيه... لكن الحاسب يستطيع ترجمة الجمل والعبارات وبالتالي يستطيع التعامل مع فقرات كاملة."

مزايا وعيوب

وأفاد الباحثون بأن جهاز التعامل مع الصور الجديدة قادر على التعامل مع العديد من اللغات.

يستطيع الجهاز الجديد التعرف على الأسلوب المكتوبة به الحروف وتحديد اللغة التي تنتمي إليها إذا كان السائح يسير في مكان ما به لوحات إرشادية مكتوبة بعدة لغات.

وإذا كانت أحد مقاطع العبارة ليست كلمة فإن الجهاز يقوم باستثنائها من الترجمة.

وقال توب في هذا الشأن "تعد هذه الميزة الحقيقية لاستخدام الإنترنت. تضم الإنترنت برامج قادرة على القيام بجميع أنواع الترجمة من الأسبانية أو الروسية أو الفرنسية... كل ما عليك هو تحديد اللغة التي ترغب في الحصول على ترجمة لها فستجد العديد من المواقع التي تتضمن برامج وخدمات مجانية للقيام بالترجمة."

وبالرغم من أن الجهاز الجديد قادر على ترجمة الكلمات والحروف إلا أنه لا يزال عاجزا عن ترجمة الاختصارات المختلفة.

كما يعتمد الجهاز على وجود المستخدم بالقرب من إحدى "النقاط الساخنة" للاتصال بشبكة الإنترنت لاسلكيا.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:43 AM
هل جاء عصر الكتاب الإلكتروني؟


بقلم جوناثان فيلدز
مراسل بي بي سي للعلوم



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/39441000/jpg/_39441141_ebookpapers.jpg
مكتبة كاملة تضم صحفا على هذه الشاشة



نجح فريق من الباحثين في شركة "هيوليت باكارد" في تطوير نموذج أولي لكتاب إلكتروني لديه القدرة على حمل مكتبة بأكملها في جهاز لا يزيد حجمه على حجم كتاب بغلاف ورقي.
وسمك الجهاز المعدني المصقول حوالي سنتيمتر واحد ويشبه كمبيوتر محمولا بحجم اليدين.

والمجلد الإلكتروني الجديد مزود بشاشة وأشرطة لمس حساسة تتيح للقارئ إمكانية التصفح.

وتحمل الكتب الالكترونية على الجهاز الذي يمكن توصيله بالكمبيوتر العادي.

المتصفح الإلكتروني

حرص العلماء الذين قاموا بتطوير هذه التقنية على الاحتفاظ بصورة الكتاب التقليدية التي ألفها القراء، في الوقت الذي يزودونهم بالعديد من الميزات الإلكترونية.




http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/39441000/jpg/_39441143_robson.jpg
في الطريق تقنيات جديدة ستتيح إحساسا يحاكي ملمس الورق
هيو روبسون، هيوليت باكارد


ويقول هيو روبسون، مسؤول الوسائط الرقمية بالشركة، "اعتمدنا على قوة الكتاب كوسيلة للمعرفة، فالكتب تستخدم منذ عهد طويل حتى ألفنا تماما فكرة التصفح بين الأوراق".
وزود روبسون وفريقه الكتاب الالكتروني بكمبيوتر صغير وسريع يقوم بقلب الصفحات، بما يعطي القارئ إحساسا مرضيا بالتصفح عبر الكتاب الإلكتروني.

وتعمل تقنية التصفح عبر تحريك الإصبع على أحد أشرطة الكتاب الإلكتروني، ويمكن التحكم في سرعة التصفح حسب سرعة الإصبع.

ملمس الكتاب

ويمكن استخدام طريقة العرض هذه أيضا لقراءة الصحف مع إمكانية التكبير وتخصيص صفحات معينة للمطالعة لاحقا والتنقل بين أكثر من صفحة بسرعة.



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/39441000/jpg/_39441145_ebook.jpg
تصفح الكتاب بحركة إصبع


ولايزال سوق الكتب الاليكترونية في مهده والمشكلة الأساسية التي تواجهه هي أن شاشته، كشاشة الكمبيوتر، تسبب إجهادا للعين.
وفي المستقبل سيمكن تفادي هذه المشكلة عن طريق شاشات عرض متطورة، كما سيصبح الكتاب الإلكتروني أصغر حجما وأقوى أداء.

ويقول روبسون "في الطريق تقنيات جديدة ستتيح إحساسا يحاكي ملمس الورق".

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:45 AM
مجيء الجي - 5


http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/39421000/jpg/_39421647_pl300.jpg
جي - 5 : أسرع كمبيوتر شخصي في العالم



طلب أكثر من مئة ألف شخص شراء جهاز كومبيوتر شخصي جديد من إنتاج شركة آبل.

وتقول الشركة ان الجهاز، الذي طرح للبيع في الأسواق في نهاية شهر يونيو/ حزيران الماضي، هو أسرع جهاز كومبيوتر شخصي في العالم.

وقد عرضت الشركة بالفعل نموذجين من الجهاز بمعالج سريع يفتح الأبواب أمام مرحلة جديدة لأجهزة الكومبيوتر الشخصية.

نقلة نوعية

وتأمل الشركة في أن يعزز الجهاز، الذي طرح للبيع بسعر يتراوح بين ألفين إلى وثلاث الاف الدولار، من مبيعاتها.

وكانت مبيعات الشركة قد تعرضت للإنخفاض خلال الفترة الماضية، حيث باعت الشركة خلال الثلاثة أشهر الماضية 150 ألف جهاز فقط فيما كانت قد باعت 211 ألف جهاز خلال نفس الفترة قبل عام.

ويقول فيليب شيلر نائب مدير التسويق العالمي في الشركة إن الجهاز نقلة كبيرة بالنسبة للزبائن والمصنعين.

ويضيف شيلر إن الشركة بدأت بالفعل في شحن الأجهزة قبل الموعد المحدد لأنها ترغب في أن تصل إلى المستهلكين بأسرع ما يمكن. مشيرا إلى أن الشركة في طريقها لتسليم طراز ثالث من الأجهزة بنهاية الشهر الجاري.

فائق السرعة

ويستخدم الجهاز الذي يعد الجيل الخامس من أجهزة الكومبيوتر، معالجا تبلغ سرعته 64 بت من تصميم شركتي آبل وآي بي ام.

وسرعة المعالج هي السرعة التي تتنتقل بها البيانات. وتبلغ السرعة الحالية لأجهزة الكومبيوتر الشخصية 23 بت.

وكلما كانت الرقائق المستخدمة في جهاز الكومبيوتر أعلى قدرة، كانت أفضل من ناحية عرض الأفلام والألعاب.

وآبل ليست هي الشركة الوحيدة التي تبدأ في استخدام معالج بسرعة 64 بت.

فشركة ميكرو ديفايسز تخطط لطرح معالج بنفس السرعة للأجهزة التي تستخدم نظام تشغيل ويندوز الشهر القادم. كما أن شركة انتل طورت بالفعل معالجات بنفس السرعة ولكن يتم استخدامها في أجهزة الخادم وليس أجهزة الحواسب الشخصية.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:47 AM
ورق رقمي يبلغ سمكه 0.03 ملليمتر



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/39193000/jpg/_39193159_paper150.jpg
الاوارق التقليدية قد تصبح أثرا تاريخيا



اقترب الورق الإلكتروني من الوصول إلى سمك الورق العادي.
فقد كشفت رائدة صناعة الورق الرقمي والأحبار النقاب عن نموذج أولي لشاشة عرض صغيرة يبلغ سمكها 0.03 ملليمتر.

وأعلنت شركة "إي إنك" التي تتخذ من ولاية مساشوسيتس الأمريكية مقرا لها إن تقليل سمك الشاشة الجديدة يزيد من الاستخدامات المحتملة لها.

وتتوقع الشركة أن يساعد تطوير هذه الشاشة في تصنيع شاشات للحاسبات يمكن ارفاقها بالملابس.

واستخدم باحثو شركة "أي إنك" لوحات من المعدن الرقيق المزودة بوحدات ترانزيستور ذات فيلم رقيق المعروفة باسم "تي إف تي". التي تستخدم عادة لصناعة شاشات الحاسبات.

ووضعت "أي إنك" وحدات "تي إف تي" على طبقة من مادة أخرى تتألف من ملايين الكبسولات الصغيرة تحمل في طياتها رقائق مملوءة بصبغة بيضاء وسوداء.

وتعمل الشاشة عن طريق وضع الرقائق المملوءة بصبغة بيضاء وسوداء في كبسولات صغيرة بين نقطتين لتفريغ الشحنات الكهربية ودخولها.

وتتميز نقاط مرور التيار أعلى الكبسولات بأنها شفافة.


وعند مرور فولت كهربي موجب عبر نقطة مرور التيار العلوية فإن الرقائق ذات الصبغة السوداء تتحرك لأعلى الكبسولة وتنشئ بقعة سوداء على سطح الشاشة، إما إذا تم عكس الفولت الكهربي فإن الرقائق ذات الصبغة البيضاء هي التي تتحرك لأعلى لتظهر على سطح الشاشة.

وأتاح استخدام وحدات "تي إف تي" لباحثي الشركة تعريض مناطق معينة على الشاشة للتيار للحصول على شاشة ذات قدرة عرض فائقة.

وتبلغ قدرة عرض النوذج الأولي من الشاشة الجديدة 96 نقطة لكل بوصة ويصل حجمها الإجمالي إلى 160×240 نقطة.

ويمكن أن تجدد الشاشة الصور المعروضة عليها في 250 مللي من الثانية، وهي سرعة بطيئة للغاية عند عرض لقطات الفيديو إلا أنها سريعة بالدرجة الكافية لدعم أجهزة مثل الأوراق الإلكترونية التي يتم تحديثها باستمرار. ويمكن أن يتم لف الشاشة الجديدة ووضعها في أنبوب يبلغ محيطه أربعة ملليمترات.

وقال باحثو شركة "أي إنك" إن تطوير الورق الإلكتروني بحيث يكون أكثر مرونة سيزيد على الأرجح من المواقع والمجالات التي يمكن أن يستخدم بها.

وتم شرح عملية تصنيع الورق الإلكتروني الرقيق في مقال بمجلة "نيتشر".

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:51 AM
هاتف محمول جديد بلوحة مفاتيح



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/38507000/jpg/_38507485_mobile_design300.jpg
يصعب كتابة النصوص على الهواتف المحمولة المتوفرة حاليا



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/38500000/jpg/_38500849_fastap-dwireless150.jpg
"فاست تابز": مفاتيح كثيرة في مساحة صغيرة



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/38500000/jpg/_38500869_fastap-dwireles150.jpg
موديل بانوسونيك يحتوي على لوحة المفاتيح الجديدة




سيستطيع مستخدمو الهواتف المحمولة في المستقبل القريب كتابة وإرسال نصوص عبر الهاتف المحمول وتصفح الإنترنت بطريقة أكثر سهلة وذلك باستخدام موديل جديد من الهواتف المحمولة.
وستشهد الأسواق العام المقبل هواتف محمولة تحتوي على لوحة مفاتيح جديدة مخصصة للحروف والأرقام.

ويسهل الهاتف الجديد عملية كتابة النصوص والاستغناء عن الحاجة لكبس كل مفتاح عدة مرات من أجل كتابة الرسائل النصية.


وقد عرضت شركة "ديجيتل وايرلاس" التي طورت الجهاز الهاتف الجديد من اجل تسويقه للشركات المتخصصة في إنتاج الهواتف الحمولة والتي تقدم الخدمات الهاتفية.
لمسات سريعة

وقد اخترع الهاتف الجديد الذي أطلق عليه أسم "فاست تابز" ديفيد ليفي الذي كان يعمل سابقا رئيسا لقسم تصميم أماكن العمل في شركة "آبل". وتشبه لوحة مفاتيح الجهاز الجديد لوحة المفاتيح في جهاز الكومبيوتر.

وتحتوي اللوحة على 26 حرفا مع رموز أخرى مثل * والـ #، إضافة إلى 10 أرقام مع مفاتيح أخرى في نفس المساحة المخصصة لعدد من الأرقام والأحرف في الأجهزة المستخدمة حاليا.

ويجلس كل حرف على منطقة بارزة في لوحة المفاتيح، وتكتب الأرقام بالكبس على الأحرف الأربعة المحيطة بها، مع مفاتيح أخرى لخدمات معينة مثل فتح صفحة نصوص أو إجراء اتصال هاتفي.

وقامت الشركة المنتجة "ديجيتل وايرلاس" بعقد صفقة مع شركة "باناسونيك" التي وضعت اللوحة الجديدة لموديلها GD87 المزود بكاميرات تنقل صور المتحدثين مباشرة.

ترويج فكرة

وقال مايك ميجين مدير مبيعات أوربا في شركة "ديجيتل وايرلاس" إن الصفقة هذه لا تعني أن "باناسونيك" ستقوم بإنتاج الهاتف الجديد، بل هي ترويج الفكرة وراء الهاتف.


وأضاف بأن النموذج لا يزال يحتاج إلى تطوير وأوضح أن لوحة المفاتيح تحتاج إلى تحسين لأنها رخوة الملمس. لكنه قال إن الهاتف الجديد سيكون متوفرا الأسواق في العام المقبل.
ويتوقع أن يلاقي هاتف "فاست تابس" حماسا بين الشركات المتخصصة في تقديم خدمات هاتفية للمحمول والتي تشجيع زبائنها على دفع أجور لقاء استلام وبث نصوص ومعلومات وبيانات عبر الهاتف المحمول.

أحمد سعد الدين
8th March 2006, 11:53 AM
يد افتراضية تصافحك عبر البحار



http://news8.thdo.bbc.co.uk/media/images/38398000/jpg/_38398845_phantom300.jpg
الجهاز يشبه قلما سميكا



مد علماء أمريكيون وبريطانيون أيديهم عبر البحار ليتصافحوا عن طريق الإنترنت في أول عرض علني عن أخر ما توصلت إليه تطبيقات "تكنولوجية اللمس".
وفي تجربة مشتركة تمكن علماء من لندن وبوسطن من لمس يد بعضهم البعض والتعاون في تنفيذ أعمال حركية بسيطة بالرغم من المسافة التي تفصلهم والتي تصل إلى ثلاثة آلاف ميل.

وباستخدام أجهزة قوة خاصة قادرة على تزويد معلومات عن ما تقوم به، يستطيع المشاركون الإحساس مباشرة بالجذب والدفع وتحريك أشياء عبر أجهزة يتحكم في حركتها الكومبيوتر في عالم افتراضي مشترك.

ولكن من المستبعد أن تصل تكنولوجيا الاستشعار البعيد هذه إلى المنازل في المستقبل القريب وذلك لأنها تحتاج إلى شبكات ربط فائقة السرعة للتعجيل في عملية الاستجابة.

جذب وشد

ويستخدم المشاركون في التجربة جهاز كومبيوتر وذراع آلية عوضا عن الماوس التقليدي.

وتحتوي الذراع الآلية التي طورتها شركة "سانسابل تكنولوجيز" في نهايتها على جهاز شبيه بقلم سميك، يمسكه الشخص ليتسنى له احساس ما يجري في العالم التفاعلي. وتبث الذراع الآلية أيضا حركات المشاركين الأخرين.

وتعطي الذراع، التي يطلق عليه أسم "فانتوم"، الإحساس باللمس وذلك بتوصيل قوة للأصابع يمكن التحكم بها بدقة متناهية.

وقال البروفسور ميل سليتر في مختبر علوم الكومبيوتر في جامعة لندن ورئيس أحد الفرق العلمية المشاركة في التجربة، "لن تشعر بالقوة الناتجة فقط، بل استشعر بنوعية الشيء الذي تتحسسه أيضا، إذا كان لينا أو صلبا، شبيه بالخشب أو لحمي الملمس."
ويقود الفريق الآخر الدكتور ماندايام سرينيفاسان من مختبر تكنولوجيا اللمس في معهد ماساشوسيتس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة.

"لمسة صعبة"

ودخل العلماء أثناء التجربة، التي تجري للمرة الأولي، في غرفة افتراضية مشتركة توجد فيها علبة سوداء كبيرة لأداء مهمة مشتركة وهي العمل سوية لرفع العلبة بالرغم من أن آلاف الأميال تفصل بينهم.

ومن أهم الصعوبات التي كان على التجربة التغلب عليها هو التأخير الناتج عن إرسال البيانات عبر شبكة الإنترنت مما يؤدي إلى تأخير في الفعل ورد الفعل في العالم الأفتراضي.


وكان المشاركون في التجربة يحتاجون الى تأخير في التوصيل لا يتجاوز 130 ملي ثانية ليتسنى لهم العمل سوية.

وتعمل الشبكة - التي تنقل البيانات وتستخدم أيضا في بث واستلام الإشارات عبر المحيط الأطلسي - بسرعة تبلغ 10 ميجا بايت في الثانية، وهي سرعة لا تتوفر لدى معظم اجهزة الكومبيوتر المنزلية

وقال البروفسور سليتر "إن اصعب جانب يمكن محاكاته في البيئة الافتراضية هي اللمسة، لأنها تزيد من إحساس الأشخاص بالقرب بالرغم من المسافة الشاسعة."

وكان العلماء قد قاموا بالتجربة للمرة الأولى في مايو/آيار الماضي وستعرض أيضا في مؤتمر "انترنت 2 " المنعقد في جامعة "ساذرن كاليفورنيا" الأمريكية الأسبوع الجاري.

فيزيائية
20th July 2007, 04:13 PM
بارك الله فيك

elawwad
7th April 2008, 06:11 PM
السلام عليكم ورحمه الله وبركاته

مشاء الله عليك اخى الكريم موسوعه بارك الله فيك

وان قلت كنز فلا ابالغ
جزاك الله كل خير