اشعاع الجسم الأسود

يعتبر الجسم الأسود في الفيزياء تعبيرا عن حالة مثالية لجسم يمتص كل الضوء الوارد اليه دون أن يعكس أي منها . نظريا هذا يقتضي ان يكون شديد السواد و عدم اصدار أي اشعاع منه لكن الواقع يخالف التعريف حيث يقوم هذا الجسم باصدار اشعاع حراري على شكل ضوء أحيانا . و يمكن تمثيل هذا الجسم بثقب صغير في تجويف درجة حرارة جدرانه ثابتة يمثل سطح جسم أسود. والسبب في ذلك أن أي إشعاع يسقط على الثقب سوف يُمتص داخل التجويف بعد أن يعاني من انعكاسات عديدة داخله . ولذلك يطلق على الإشعاع الذي يخرج من ثقب في جدار التجويف اسم إشعاع الجسم الأسود.




إشعاع الجسم الأسود

بدراسة الانبعاث الحراري المنبعث من الجسم الأسود عند درجات حرارة مختلفة وجد عملياً أن هناك نتيجتان هما:

* أن هناك توزيعاً معيناً لشدة الإشعاع المنبعث من الصندوق الأسود كدالة في الطول الموجي (l) أو طاقة الأشعة لأن الطاقة E ترتبط مع الطول الموجي من خلال العلاقة

E = h c / l

كما إن الطاقة ترتبط مع التردد من خلال العلاقة التالية:

E = h n

حيث n التردد.


* كلما زادت درجة الحرارة للجسم الأسود تكون الطاقة المنبعثة منه تحدث على أطوال موجية اقل ويزداد مقدار الإشعاع بزيادة درجة الحرارة.


وكان العالم كيرشوف قد بين من اعتبارات ترموديناميكية عامة جدا أنه من أجل أي طول موجي تكون نسبة معدل إصدارسطح مادة ما إلى معدل الإصدار من سطح الجسم الأسود تساوي عامل الامتصاص لهذه المادة عند هذا الطول الموجي. وهذا ما جعل سطح الجسم الأسود مُصدرا عياريا ملائما. وسوف نقتصر على دراسة إشعاع الجسم الأسود، أي الإشعاع الصادر من ثقب في جدار التجويف. تصدر كل من الذرات التي تكوّن الجدران إشعاعا كهرطيسيا؛ وفي الوقت نفسه تمتص الإشعاع الذي تصدره الذرات الأخرى، فيملأ حقل الإشعاع الكهرطيسي التجويف كله وحين يصل الإشعاع المحتجز داخل التجويف إلى حالة التوازن مع ذرات الجدران يكون مقدار الطاقة الذي تصدره الذرات في واحدة الزمن مساويا مقدار الطاقة الذي تمتصه هذه الذرات. فحين يكون الإشعاع داخل التجويف في توازن مع الجدران تكون كثافة طاقة الحقل الكهرطيسي ثابتة. وكانت التجارب قد بينت أن للإشعاع الكهرطيسي المحتجز داخل التجويف، وهو في حالة التوازن، توزعا طاقيا محددا تماما؛ أي أنه عند كل تواتر  (أو طول موجي ) هناك كثافة طاقية لا تعتمد إلا على درجة حرارة الجدران ولا علاقة لها بمادة هذه الجدران .


فالجسم الأسود المطلق هو الجملة المثالية التي تمتص كل الإشعاع الذي يسقط عليها. وبما أن الجسم الأسود هو ممتص كامل فينبغي أن يكون مشعا كاملا.


كثافة الطاقة التي يشعها الجسم الأسود في درجات حرارة مختلفة بدلالة طول موجة الإشعاع

وقد أدت مسألة إيجاد الآلية التي تجعل طاقة إصدار الذرات المشعة موزعة على مختلف التواترات كما يشاهد تجريبيا إلى ولادة الفيزياء الكمومية. ذلك أن كل المحاولات التي جرت في نهاية القرن التاسع عشر لتفسير هذا التوزع الطاقي بالاستناد إلى المفاهيم الكلاسيكية التي كانت سائدة في ذلك الوقت باءت بالفشل. إذا رمزنا بـ (T) لكثافة الطاقة الطيفية (أي عند الطول الموجي  ) كانت هي الطاقة (في وحدة الحجم من التجويف) المشَعة في المجال بين و وتقدر بـ . وقد وجد العالم الألماني فين Wien في العام 1869 تجريبيا القانونين التاليين:

* قانون الانزياح لفين: لدى رفع درجة حرارة الجسم الأسود تزداد الطاقة الكلية المشعة وتنزاح قمة التوزع نحو الأطوال الموجية الأقصر (الشكل1-3). وهذا يفسر تغير لون الجسم المشع حين تتغير درجة حرارته. فإذا رمزنا بـ لطول الموجة الذي تكون كثافة الإشعاع عنده عظمى كان قانون الانزياح لفين كما يلي:

* قانون الإشعاع لفين: تعطى الكثافة الطيفية لإشعاع الجسم الأسود بالعلاقة التالية:

حيث و ثابتان يعينان تجريبيا و Tهي درجة حرارة الجسم الأسود المطلقة. وقد وجد أن هذه العلاقة تتفق مع المنحني التجريبي في مجال الأمواج القصيرة فقط.




قانون ستيفان-بولتزمان

ينص قانون ستيفان بولتزمان على أن الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود لكل وحدة مساحة تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة جرارة الجسم.

E(T) = s T4





قانون رايلي-جينس

اعتبر العالمان رايلي وجينز أن الجسم الأسود مكون من عدد كبير من المتذبذبات المشحونة التي تتحرك حركة توافقية بسيطة simple harmonic motion وهذه المتذبذبات المشحونة تطلق أشعة كهرومغناطيسية أثناء حركتها بحيث تكون كثافة توزيع الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود مساوية لكثافة الطاقة للمتذبذبات عند الاتزان الحراري. وقد وضع العالمان بناء على هذه الفرضية المعادلة التي تعطي عدد المتذبذبات لكل وحدة حجوم المسئولة عن كثافة الإشعاع عند طول موجي معين حيث أن:


وتكون طاقة هذا العدد من المتذبذبات هي المسئولة عن طول موجي في المنطقة من عند درجة حرارة T


حيث KT تعطي قيمة متوسط طاقة المتذبذبات وK هو ثابت بولتزمان والطرف الأيسر من المعادلة يعبر عن الطاقة لكل وحدة حجوم.

ولكن هذه الفرضية لرايلي وجينز فشلت في تفسير طيف الجسم الأسود.



في عام 1900 حصل كل من رايلي وجينس على العلاقة التالية (المسماة قانون رايلي- جينس) حين افترضا أنه يمكن تمثيل الإشعاع ضمن التجويف بمجموعة من الأمواج الثابتة وأن الطاقة الوسطية لكل من هذه الأمواج هي kT ( حيث k هي ثابتة بولتزمان):

وقد وُجد أن هذه العلاقة تتفق مع المنحني التجريبي في مجال الأمواج الطويلة فقط. بينما تتزايد في مجال الأمواج القصيرة ساعية إلى اللانهاية بدل أن تسعى إلى الصفر، أي أن تطبيق الميكانيك الإحصائي الكلا سيكي أدى إلى هذه النتيجة غير المعقولة، ودعيت هذه المشكلة بالكارثة فوق البنفسجية.




قانون بلانك

وفي عام 1900 أيضا قام العالم الألماني بلانك Planck بدراسة توزع إشعاع الجسم الأسود وافترض أن الذرات في التجويف، الذي يشكل الجسم الأسود، تسلك سلوك هزازات توافقية وأن كلا منها تهتز بتواتر معين وتمتص أو تصدر مقدارا من طاقة الإشعاع متناسبا مع تواتر اهتزازها، وهذا ما لاتنص عليه النظرية الكهرطيسية الكلاسيكية التي تتيح امتصاص أو إصدار الطاقة بشكل مستمر. وحصل بنتيجة ذلك على العلاقة التالية (قانون بلانك في الإشعاع):

حيث و ثابتان فيهما c سرعة الضوء و h ثابتة أدخلها بلانك وعرفت فيما بعد باسمه (ثابتة بلانك) وتبين أنها ثابتة فيزيائة أساسية. وقد وجد أن هذه العلاقة تتفق مع النتائج التجريبية بصورة ممتازة في كل مجالات الأطوال الموجية. لجأ بلانك لإعطاء علاقته السابقة أساسا فيزيائيا نظريا إلى الطرق الإحصائية لحساب الأنطروبية، ولجأ إلى حساب عدد الطرق الممكنة التي يمكن أن تتوزع بها كمية معينة من الطاقة على عدد معين من الهزازات في التجويف (الجسم الأسود). ووجد أنه لو عوملت الطاقة على أنها مقدار مستمر (كما هو متعارف عليه) لكان عدد هذه الطرق لانهائيا. لذلك قسم بلانك، لتسهيل عملية عد هذه الطرق، طاقة الهزازات الكلية إلى "عناصر" مقدار كل منها ، ووجد أنه يمكن التوصل إلى علاقته إذا وضع ، حيث تواتر الهزازة و ثابتة وجد أن قيمتها صغيرة جدا هي:

تبين فيما بعد أن هذا المقدار هو مقدار أساسي في الطبيعة، دعي ثُابتة بلانك، وقام بدور هام في النظرية الكمومية. لقد كان فرض بلانك أن طاقة الإشعاع مؤلفة من "عناصر" أو كمّات quanta (مفردها كم quantum) متناسبة مع تواتر الإشعاع ( ) نقطة البداية لنظرية جديدة، هي النظرية الكمومية، قلبت الكثير من المفاهيم القديمة.

الفيزياء الحديثة والأشعة السينية

الاشعة Xلا حظ انه في الظاهرة الكهروضوئية كان سقوط فوتون على سطح معدن يؤدي إلى تحرير إلكترون، ولكن في عملية إنتاج أشعة اكس يحدث العكس حيث أن جزء من طاقة حركة الإلكترون تتحول إلى فوتون هو أشعة اكس. ولهذا فإن عملية إنتاج أشعة اكس عكس الظاهرة الكهروضوئية.....

كيف تتحول طاقة حركة الإلكترون إلى فوتونعندما ينطلق إلكترون بسرعة كبيرة مقترباً من نواة (موجبة الشحنة) ذرة عنصر ثقيل فإنه ينحرف عن مساره المستقيم ليتحرك في مسار منحني نتيجة قوة تجاذب كولوم. وحيث أن ذلك سيؤدي إلى تغيير عجلة الإلكترون خلال حركته في مسار منحني نتيجة قوى التجاذب وبناء على النظرية الكلاسيكية فإن الإلكترون المعجل سيطلق أشعة كهرومغناطيسية. كما أن نظرية الكم تنص على أن أشعة كهرومغناطيسية تنبعث نتيجة لتعجيل الإلكترون وتنطلق في صورة مكممة على شكل فوتونات. وبهذا فإن فوتون أو أكثر سوف ينطلق من تعجيل الإلكترون تحت تأثير نواة الذرة وتكون النتيجة أن تقل طاقة حركة الإلكترون بعد أن يخرج الإلكترون من مجال النواة..

تعرف ظاهرة انبعاث الأشعة الكهرومغناطيسية نتيجة لتغيير طاقة الالكترونات بمرورها حول النواة باسم Bremsstrahlung وهو مصطلح ألماني يعني Breaking radiation وهذه الظاهرة موضحة في الشكل التالي:





حيث تكون طاقة حركة الإلكترون في قبل التصادم Ek1 وبعد التصادم تصبح Ek2 نتيجة لانطلاق فوتون طاقته hn.

Ek1 - Ek2 = hn (1)

حيث أن كتلة النواة اكبر بحوالي 2000 مرة كتلة الإلكترون فإننا نهمل حركة النواة في هذه الحالة.


للمقارنة بين تفسير النظرية الكلاسيكية ونظرية الكم في مثل هذه الظاهرة فإن انبعاث الطيف الكهرومغناطيسي يكون إشعاع متصل طالما كان الإلكترون يتحرك في مجال النواة أي طالما الإلكترون يتحرك بعجلة في مسار منحني حول النواة. أما نظرية الكم فتفترض أن الإشعاع ينطلق بصورة مكممة على شكل فوتونات.



إنتاج أشعة اكس

اكتشفت أشعة اكس في عام 1895 بواسطة العالم Roentgen وقد أطلق عليها اسم أشعة اكس X-ray لأن طبيعة هذه الأشعة كانت مجهولة بالنسبة له. ولكن الآن نعلم أن أشعة اكس هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي ذات طول موجي صغير (1 انجستروم). وللحصول على أشعة اكس نستخدم الجهاز الموضح في الشكل التالي:




تعتمد فكرة جهاز إنتاج أشعة اكس على توفير مصدر الكتروني ليتم تعجيله بواسطة فرق جهد كبير لتصطدم بالهدف وهو عبارة عن معدن ثقيل مثل النحاس أو المولبدنيم. والجهاز الموضح في الشكل أعلاه يوضح مخطط للجهاز المستخدم. يمر التيار الكهربي في الفتيلة F لتسخن الكاثود C فتنطلق منه الالكترونات (انبعاث حراري) في اتجاه الهدف Target تحت تأثير فرق جهد يصل إلى 30000 فولت في داخل أنبوبة مفرغة لمنع اصطدام الالكترونات المعجلة في جزيئات الهواء. تصطدم الالكترونات في الهدف T (الأنود) بطاقة حركة تعطى من المعادلة:

Ek = eV (2)

حيث أن e شحنة الإلكترون و V فرق جهد التعجيل المطبق بين الكاثود والأنود.

بعد عدة تصادمات للإلكترون بسطح الهدف فإنها تتباطئ تدريجياً لتصل في النهاية إلى سرعة صفر وفي كل مرة تحدث فيها تصادم ينتج فوتون بطاقة تساوي الفرق في طاقة حركة الإلكترون قبل وبعد التصادم كما توضحه المعادلة (1). في حالة خاصة قد يحدث أن تفقد كامل طاقة حركة الإلكترون باصطدامه بسطح الهدف فإن من المعادلة (1) يصبح

Ek1 = eV & Ek2 = 0

وهنا ينتج فوتون بأكبر طاقة ممكنة

eV =Ek = hnmax (3)

حيث أن nmax هي اكبر تردد لفوتون أشعة اكس الناتج. لاحظ هنا ان المعادلة (3) تعطي أقصى طاقة للفوتون والذي يعتمد على فرق جهد التعجيل وعلى ان يفقد الالكترون المعجل كامل طاقته في تصادم واحد. وتجدر الإشارة إلى أن هناك جزء من طاقة الإلكترون يفقد على شكل طاقة حرارية أو أن الإلكترون يحدث أكثر من تصادم واحد مع الهدف لذا فإن هناك توزيع طيفي للأشعة اكس الناتجة ولكن أقصى تردد يعطى بالعلاقة التالية:

(4)


طيف أشعة اكسإذا قمنا بتحليل طيفي لأشعة اكس بدراسة العلاقة بين تردد الفوتونات المنبعثة من جهاز إنتاج أشعة اكس وشدة هذه الأشعة فإننا نحصل على توزيع الفوتونات بدلالة التردد كما في الشكل التالي:





ومن هذه الدراسة لطيف أشعة اكس نستنتج ما يلي:

يتكون طيف أشعة اكس من طيف متصل continuous spectrum وطيف خطي Line spectrum

الطيف المتصل له قيمة عظمى عند nmax وهذه القيمة تعتمد على فرق جهد التعجيل.

الطيف الخطي والمتمثل في الخطين الموضحين في الشكل أعلاه لا يعتمدان على فرق جهد التعجيل إنما على مادة الهدف لذا يعتبر الطيف الخطي لأشعة اكس وسيلة للتعرف على نوع مادة الهدف.

البلازما الحالة الرابعة للمادة

بسم الله الرحمان الرحيم والصلاة على نبينا الكريم البلازما وتسمى في أغلب الأحيان "الحالة الرابعة للمادة، أما الحالات الأخرى الثلاثة هي الصلبة والسائلة والغازية، البلازما هي حالة متميزة للمادة تحتوي على عدد هام من الجزيئات المشحونة كهربائيا بصورة كافية للتأثير على خواصه الكهربائية، بالأضافة إلى كونها مهمة في العديد من مظاهر حياتنا اليومية، ويقدر ان البلازما تشكل أكثر من 99 % من الكون المرئي.



في الغاز العادي كل ذرة تحتوي عدد مساوي من الشحنات الموجبة والسالبة، الشحنات الموجبة في النواة محاطة بعدد مساوي من الألكترونات السالبة، وكل ذرة بشكل كهربائي محايدة، يصبح الغاز بلازما عند إضافة الحرارة أو أية مصدر طاقة أخر لعدد هام من الذرات لإطلاق سراح بعض أو كل ألكتروناتها، والأجزاء الباقية من تلك الذرات تترك بشحنة موجبة. الألكترونات السالبة التي انفصلت تكون حرة الحركة، هذه الذرات وناتج الغاز المشحون كهربائيا يقال بأنه غاز مؤين، عندما تؤين الذرات بما فيه الكفاية للتأثير على الخصائص الكهربائية للغاز، فهو في هذه الحالة تكون حالة البلازما.



في العديد من الحالات التفاعلات بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة مهمة في تقرير سلوك وفائدة البلازما. نوع الذرات في البلازما ونسبة الجزيئات المؤينة إلى الجزيئات المحايدة وطاقة الجزئ تؤثر في طيف واسع من انواع البلازما وخصائصها وسلوكها. هذا السلوك يجعل من البلازما كونها مفيدة في كثير وفي عدد متزايد من التطبيقات المهمة في حياتنا وفي العالم من حولنا.


خصائص البلازما

البلازما تتكون من جزيئات مشحونة تتحرك بحرية، وبمعنى آخر إلكترونات وآيونات تشكلت في درجات حرارة عالية عندما انتزعت الألكترونات من الذرات المحايدة، والبلازما شائعة في الطبيعة على سبيل المثال النجوم بالدرجة الأولى هي بلازما.



والبلازما حالة رابعة من المادة بسبب صفاتها وطبيعتها الفريدة المتميزة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات وتتفاوت كثافة ودرجات حرارة البلازما على نحو واسع.

تطبيقات البلازما

شكل البلازما اساسا قويا لمجموعة من تطبيقات وأدوات التقنية المهمة بالإضافة إلى فهمنا وادراكنا لمعظم الكون من حولنا، فهي تزود الاساس والدعامة للتطبيقات الحالية مثل معالجة بلازما أشباه الموصلات وتعقيم بعض المنتجات الطبية والمصابيح والليزر والمايكرويف الكهربائي عالي المصدر وكذلك التطبيقات المحتملة المهمة مثل جيل الطاقة الكهربائية من الانشطار والسيطرة على التلوث وإزالة المواد الكيميائية الخطرة.



علم البلازما يستثمر تشكيلة متنوعة من مجالات العلم تتراوح من فيزياء البلازما إلى التطبيقات الكيميائية، الفيزياء الذرية والجزيئية، وعلم المادة. انتشارها وطبيعة تنوع حقول الدراسة تميّز طبيعة تكون البلازما، التي تتضمن الغازات المؤينة التي تتراوح من مؤين ضعيف الى المؤين إلى حد كبير، ومن الاصطدامية إلى الثبات، ومن البرودة إلى الحرارة. هذه الشروط تميز تراوح البلازما المختلف من الغازات عالية الضغط نسبيا مع جزء صغير من الذرات المؤينة ومستوى قليل نسبيا من الجزئيات المشحونة بدرجات حرارة، على سبيل المثال، البلازما الستعملة في معالجة رقائق الحاسوب والاضاءة، إلى تلك الغازات ذات الكثافة المنخفضة جدا مع جزء كبير من ذرات الغاز المتأين والمشحونة بدرجة حرارة عالية جدا، على سبيل المثال، بلازما الإنشطار.



الأنواع المختلفة للبلازما تشكل اساس التطبيقات المتنوعة والظواهر الطبيعية المختلفة. على كل حال، العديد من الاعتبارات الاساسية لتنوع المجالات الواسعة التي تميز العديد من البلازما سواء الطبيعية منها او الصناعية والتي هي مهمة في حياتنا.



إن التنوع الذي يتضمن "علم بلازما" يجعل الموضوع صعب التمييز. على أية حال، هو ذلك التنوع نفسه الذي يجعله المساهم المهم في تشكيلة واسعة من التطبيقات والتطور التكنولوجي. تحت قائمة العديد من التطبيقات التقنية للبلازما.



بعض التطبيقات التجارية والصناعية للبلازما



معالجة الإشعاع مثل:-



• تنقية المياه

• نمو النباتات



المعالجة الحجمية مثل:-



• معالجة الغاز المسال

• معالجة النفايات



المعالجة الكيميائية مثل:-



• ترسيب رقائق الماس

• بودرة السيراميك



مصادر الضوء مثل:-



• مصابيح الكثافة العالية

• مصابيح الضغط المنخفض

• مصادر إضاءة خاصة



في الطب مثل:-



• معالجة السطوح

• تعقيم الآلات الطبية

إضاءة الفلورسنت وإشارات النيون

إثنان من نطبيقات البلازما الأكثر شيوعا على كوكبنا هو مصباح الفلورسنت، وإشارات النيون. فمنذ تطويرهم في الاربعنيات من القرن السابق اصبحت اللمبات الفلورسنت الاوسع إنتشارا في الإضاءة في كل مكان تقريبا في المكاتب والمصانع والمدارس، وفي البيوت أيضا. وتعمل إشارات النيون بنفس المبدء، وتقريبا اصبحت شائعة الاستخدام.

في هذا البحث سنلخص طبيعة تلك الأدوات الموجودة في كل مكان تقريبا، تركيزا على الانارة بالفلورسنت. بدء من الضوء الذي يمكن أن نراه من خارج اللمبة، وطريقة عملها.

الضوء

إن الضوء المنبعث من لمبة الفلورسنت يبدو أبيض في معظم الحالات، ذلك اللون الأبيض هو مجموعة (كما هو ضوء الشمس) من كل الوان الطيف المرئي. في حالة اللمبة الفلورسنت، المادة التي تعمل التوهج في الحقيقة هي مسحوق أبيض تغلف الزجاج الداخلي للمبة. هذا المسحوق (عموما يسمى phosphor، بالرغم من أنه لا يوجد أي فسفور فيه) هو الذي يبعث الضوء الأبيض الذي نراه خلال المصباح الفلورسنت ويسمى التالق الاشعاعي. يحدث هذا التألق الاشعاعي عندما تمتص ذرّة (أو جزئ) طاقة من المصدر (مثل فوتون الضوء، أو إصطدام بذرة اخرى) وبعد ذلك تصدر تلك الطاقة على شكل ضوء في خطوتان أو أكثر متتالية. في المصباح الفلورسنت، الضوء فوق البنفسجي الغني بالطاقة ومن خلال الإنبوب المشبع بالفوسفور، ثم يعاد اشعاع الطاقة بإرسال إثنان او ثلاثة موجات إضاءة ذات طاقة اقل. ولكون الطيف المرئي الذي تحسة أعيننا عند مستوى طاقة اقل من الاشعاع فوق البنفسجي، نحن يمكن أن نستعمل الإستشعاع الفوسفوري كمصدر ضوء.

من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟

لكي يتوهج بضوئه الأبيض المألوف، نحتاج الى الفوسفور لكي يقصف بالضوء الفوق بنفسجي خلال المصباح. هذا الضوء الفوق بنفسجي انبعث من ذرات الزئبق الموجودة في الإنبوب المفرغ جزئيا. عندما يمتصّ الزئبق طاقة داخل المصباح (تعمل عادة كنتيجة للتأثر بالألكترونات الحرة السريعة جدا الموجودة في الإنبوب)، ويبعث بكفاءة في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، في الغالب طول موجة من 253.7 nm (وبمعنى آخر: 253.7 بليون متر). جزء صغير جدا من الغاز خلال المصباح هو زئبق؛ ذرات غاز الأرجون تفوق عدد ذرات الزئبق حوالي 300 إلى 1. كلتا النوعين من الذرات مشتركة فقط في أجمالي حوالي 1/100 من الضغط الجوّي خلال المصباح.

أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟

الألكترونات الحرّة التي تصطدم بذرّات الزئبق وتثيرهم كانوا أساسا منزوعين من ذرات الزئبق نفسها. ليست كل ذرات الزئبق متأينة ، فقط نسبة مئوية صغيرة منهم فقد ألكترونا أو إثنان. لكن عندما يحرر إلكترون حر من ذرة، يسرع نحو نهاية المصباح الذي هو الأكثر إيجابية (تذكر، مصابيح الفلورسنت أدوات كهربائية، لذا نهاية الإنبوب دائما أكثر إيجابية نسبة إلى النهاية الأخرى). وعندما يعمل، بالتاكيد سوف يصطدم بذرة على طول الطريق للطرف الاخر، وإذا كانت طاقته عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن يحرر إلكترون من ذرة اخرى ويخلق إلكترون حر إضافي. اما إذا كانت طاقته ليست عالية بما فيه الكفاية عندما تصطدم بذرة زئبق، يمكن أن يثير الزئبق بطريقة معينة بحيث أن الزئبق سيبعث اشعة فوق بنفسجية عندما يتخلى عن طاقته. تصنف هذه المجموعة من الألكترونات الحرة وآيونات الزئبق المتبقية مزيج الزئبق والأرجون كبلازما.

البلازما والفضاء

يعتقد العديد من الناس أن الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ، فراغ مجرد من الطاقة أو المادة، لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث الشمس البلازما بشكل ثابت، المادة في حالة ساخنة بشدة وتنتقل بكل الإتجاهات في سرعات عالية جدا لتنتشر في كامل النظام الشمسي وما بعده.


بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع) وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل افضل على تقدير الدور المهم للبلازما في كافة أنحاء الكون البلازمي. يعتبر هذا المختبر الفضائي البلازمي نافذتنا إلى النجوم.

إن الغلاف المغناطيسي للارض مختفي عادة بسبب أن الهيدروجين المسيطر وآيونات الهليوم التي تصل في خلال الريح الشمسية لا تبعثر الضوء الى أطوال الموجة المرئية. على أية حال، تبعث المذنبات آيونات أثقل تكون مرئية والتي ينشأ عنها ذيل من البلازما الرائع الشكل . صور غلاف الأرض المغناطيسي تظهر كأنها منطقة تفاعل مذنب كبيرة جدا.


إن الشمس هو نجم متغير، خصوصا في نواتجه من الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة السينية والجزيئات والحقول المغناطيسية. الإختلافات الكبيرة المرسلة يحدث في كافة الأنحاء التي تقع داخل نطاق تأثير الشمس، وتدعى هيلوسفير Heliosphere والتي تتضمن الرياح الشمسية وكل غلاف النظام الشمسي المغناطيسي. ويعتبر الطقس الفضائي هو دراسة لكيفية ومدى تأثير بيئة الفضاء على رواد الفضاء وعمليات الاقمار الصناعية وأنظمة الإتصال وشبكات الكهرباء الأرضية. على المدى البعيد، الطقس الفضائي يمكن أن يساهم في تغيير مناخ عالمي بصفة أولية من خلال التغير البطئ في الإشعاع الشمسي.

بينما تتدفق الرياح الشمسية أمام غلاف الأرض المغناطيسي، يتفاعل مع الحقل الجيومغناطيسي ويعمل كمولد كوني الذي ينتج ملايين الأمبيرات من التيار الكهربائي. بعض هذا التيار الكهربائي يصب في الغلاف الجوي العلوي للأرض الذي يضيئ مثل إنبوب نيون لخلق الشفق القطبي الجميل. إن الشفق دائما موجودا ذلك لأن مصدر الريح الشمسية متواجد دائما، وهم يشكلون حلقة من الإشعاعات ضمن الأيونوسفير تتمركز على كلا القطبين المغناطيسي في خط عرض عالي. على أية حال، عادة ما يروا ماعدا في الليل وأثناء العواصف الجيومغناطيسية. في منتصف الشتاء، سكّان فيربانكس وهي منطقة في الاسكا، يتمتعون بعرضين للشفق كل ثلاث ليالي.

ويمكن التحكم في البلازما عن طريق المجال المغناطيسي. كما أنها موصل جيد للكهرباء، فعند تمرير تيار كهربائي خلال البلازما واستخدام المجال المغناطيسي، يمكن بذلك اخضاع البلازما لقوة كهرومغناطيسية مشابهة لتلك التي يعمل بها المحرك الكهربي، وهذه القوة يمكن استخدامها بشكل فعال لزيادة سرعة البلازما ودفعها بسرعة عالية جدا قد تصل الى 60 كيلومترا في الثانية، وبهذه الطريقة يتم انتاج قوة دفع يمكنها دفع أي مركبة فضائية في الفضاء.

ويطلق على هذا الجهاز الذي يقوم بتوليد وتسريع البلازما اسم صاروخ البلازما أو محرك البلازما أو «جهاز الدفع بالبلازما» Plasma Thruster، وهو عبارة عن صاروخ كهربائي لاعتماده على الطاقة الكهربية بدلا من احتراق الوقود.

ويركز مختبر الدفع بالبلازما على دراسة الفيزياء المعقدة للبلازما وتطوير أنواع مختلفة من صواريخ البلازما.
وعن اهمية تقنية الدفع بالبلازما في المركبات الفضائية، يشير البروفسور شويري الى أن معظم الصواريخ المستخدمة حاليا في الفضاء هي صواريخ كيميائية (بوقود كيميائي) تعتمد على عملية الاحتراق، أي تحرق الوقود السائل داخل حجرة الاحتراق لإنتاج غاز كهربي محايد، يخرج كعادم من الصاروخ بسرعة لا تتجاوز 3 كيلومترات في الثانية. وكلما كانت سرعة الغاز الخارج من الصاروخ عالية، قلت نسبة الوقود المستخدم لدفع مركبة فضائية من مكان لآخر في الفضاء، ولذا نحتاج الى عدة أطنان من الوقود لإرسال مركبة فضائية كبيرة مأهولة أو على متنها معدات ثقيلة. أما اذا استخدمنا صاروخ البلازما الذي تصل سرعة العادم فيه الى 60 كيلومتراً في الثانية، فان وزن المادة الدافعة يمثل جزءا صغيرا بالمقارنة بتلك التي يستخدمها الصاروخ الكيميائي. ولابد من الاشارة الى أن صواريخ البلازما تستخدم فقط في محيط الفضاء الخارجي، أي عند وصول المركبة الى المدار المخصص لها، لأننا ما زلنا نعتمد على عملية الدفع الكيميائي لإطلاق المركبات الفضائية من على سطح الأرض.

وقد ساعد استخدام الدفع بالبلازما في المدارات على توفير قدر هائل في كمية المادة المستخدمة في عملية الدفع والتي يجب اطلاقها، وهذا يعني توفيرا كبيرا في تكلفة عملية الاطلاق، اذ تصل تكلفة اطلاق كيلوغرام واحد من هذه المادة ما بين 20 الى 200 ألف دولار.

وعن توجهات دول العالم لتوظيف تقنية البلازما في رحلات الفضاء المقبلة يقول البروفسور شويري انه توجد اليوم أكثر من 170 مركبة فضائية تستخدم الدفع الكهربائي، وجزء متزايد منها يستخدم أجهزة الدفع بالبلازما، حيث يوجد الآن في الفضاء 20 قمرا صناعيا للأغراض العلمية والتجارية تستخدم صواريخ البلازما للحركة في الفضاء أو لتعديل مواقعها. وتعتبر المركبة الفضائية Deep Space-1 التابعة لـ«ناسا» التي أطلقت عام 1998 أول مركبة تستخدم صواريخ البلازما، وقد حققت مهمتها بنجاح باهر، حيث مكن المحرك الأيوني المركبة من السفر لمسافة 320 مليون كيلومتر، ومن اعتراض أحد الكويكبات السيارة وأحد المذنبات، وقد استهلكت 80 كيلوغراما فقط من الوقود. كما حققت السفينة الفضائية SMART-1 ـ التي أطلقتها وكالة الفضاء الأوروبية في سبتمبر (ايلول) 2003، نجاحا آخر ووصلت لأحد المدارات حول القمر في نوفمبر (تشرين الثاني) 2004، وقد استخدمت المركبة نوعا من صاروخ البلازما يطلق عليه Hall thruster، والذي استهلك 10 كيلوغرامات فقط من غاز الزينون xenon. كذلك استخدمت مركبة الفضاء اليابانية HAYABUSA Asteroid Explorer نوعا آخر من المحركات الأيونية للوصول الى أحد الكويكبات السيارة مستهلكة 22 كيلوغراما فقط من وقود غاز الزينون. وتعكس كل هذه المهمات الناجحة المزايا الواضحة لتقنية الدفع بالبلازما.

المجال و حقيقة الارتباط الايوني

الحقيقة مش هدفي اني اتكلم عن المجال لكن حبيت اعطي تمهيد لمقالات اخري باسلوبي الخاص بهدف تبسيط الفيزياء .
من ضمن الموضوعات الجديدة و اللي اعتقد ان كثير من الناس ليس لديهم عنها خلفيه هي موضوعات تتحث عن الجسيمات دون الذرية
انت تسمع عن كلمة ميزونات و عن كلمة هادرونات و عن كلمة كوارك ولكن معظم الناس لا يعرفون الا القيل عنها و عن ماهيتها . بل و الاكثر من هذا فان الخوف يعتري الناس عندما يحاولون ان يتعرفو علي هذه الجسيمات بشئ من التفصيل
لذلك فقد قرر ان اشرح هذا النوع من الموضوعات باسلوبي الشخصي فبدأت بمقالين و انشاء الله في مساء هذا اليوم سوف اعرض المقال الثالث



القوي بين الاجسام تحدث عن طريق التلامس , فعندما تدفع جسم ليتحرك فانك تلامسه , هذه هي وجهه النظر الميكانيكية .
لكن الا توجد قوي تحدث بدون تلامس ؟؟؟
بالطبع توجد . و منها قوي الجازبيه بين الارض و القمر و كذلك قوي الدفع بين الاقطاب المتشابهه لمغناطيس
اذن كيف تنشأ هذه القوي بدون التلامس ؟
قام فارداي سنه 1831 بوضع ورقة فوق مغناطيس و القي عليها برادة حديد فوجد انتظام البرادة في خطوط سكاها خطوط القوي المغناطيسية . و بغض النظر عن البرادة فان هذه الخطوط وهمية و كأن هناك قوة محيطة بالمغناطيس تسمي مجال
و بنفس التصور فان سبب قوي الجازبيه بين الارض و القمر هي خطوط قوي الجازبية – كذاك هناك خطوط قوي كهربية بالنسبه للجسيمات المشحونه مثل الالكترونات و البروتونات و الايونات .......
و قد اوضح ماكسويل سنه 1860 ان المجال يملاء الكون كله لكن شدته تقل بالابتعاد عن مصدر المجال .
و في عام 1905 بدأ اينشتين التخلي عن وجهه النظر الميكانيكية و فسر الكون علي اساس المجالات ( أي ان قوي الدفع و الجذب ماهي الا تفاعل بين المجال .
فاذا اقتربت ذرتان من بعضهما فان المجالات الكهرومغناطيسية لالكترونات الذرتان تدفع بعضهما البعض فتتباعد الذرات ( اتي ان القوي تحدث بدون تلامس )
والان ... هل عرفت السبب في كون الرابطة الايونية ليس لها وجود مادي ؟
اعتقد الاجابة باتت سهله ...

قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود ... نظرة إحصائية !

قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود ... نظرة إحصائية !

لو فرضنا أن هناك مجموعة من الفوتونات محبوسة داخل صندوق حجمه ، فإن الموجات الكهرومغناطيسية الموقوفة ستنشأ بشرط أن يكون:

أو:

ولأي فوتون له

حيث هو العدد الموجي wave number و:

و:

فإن:

أو:

وعليه فإن:

حيث:

و هي نصف قطر الكرة المبينة بالشكل التالي:

حيث تتناسب طردياً مع .

وعليه فإن عدد الحالات من إلى هو

حيث ضربنا حجم الكرة في لأنه توجد حالتين أو إتجاهين للإستقطاب في حالة الفوتونات (حالتين للغزل في حالة الإلكترونات ومثيلاتها)، وضربنا في

لأننا نأخذ فقط الثمن الموجب من الكرة الذي تكون فيه جميع موجبة.

وعموماً فإن عدد الحالات الموجودة بين و سيكون:

بالتعويض عن:

و:

نجد أن عدد الحالات الموجودة بين و هو:

أو:

حيث هو حجم الصندوق.
وبدلالة التردد الزاوي ، يكون:

و:

الكشف عن المتفجرات

تعتمد تقنية كشف المتفجرات بانواعها المعروفة على عملية تكثيف الغبار الدقيق المنبعث والمحيط بالمادة المتفجرة وتحليل جزيئاتها بواسطة منظومة الكتروكيماوية لمعرفة التركيبة الكيمياوية للجزيئة ومن ثم تحديد نوع المتفجر اعتمادا على قائمة من المواد المتفجرة التي تمت برمجة الجهاز للتعرف عليها, فهناك اجهزة تستطيع كشف المتفجرات الصلبة والسائلة وهناك اجهزة تسطيع كشف المخدرات اضافة الى المتفجرات.

وتوجد عدة انواع من هذه الاجهزة منها مختبرية تستخدم في التحقيقات الجنائية وفي مكافحة الارهاب حيث بامكان هذه الاجهزة الكشف عن دقائق الغبار المتفجر العالقة على يد الفاعل حتى بعد مدد طويلة تصل الى ايام او اسابيع اعتمادا على كثافة استخدام الفاعل للمتفجر والمدة التي عمل بها.

نموذج الجهاز المختبري الذي تصنعه شركة جي اي العالمية

وهناك انواع محمولة تستخدم في السيطرات المتحركة وعلى الحدود ولتفتيش السيارات والحقائب والصناديق المغلقة والطرود وغالبا ما تجهز بها وحدات التفتيش المتنقلة للشرطة وقوى الامن المختلفة وهي تعطي نتيجة الاختبار في غضون 13 ثانية على اكثر تقدير.

الراس في هذا الجهاز هو الجزء المتحسس والذي يقوم بتكثيف الغبار من المنطقة المراد تفتيشها ويحتوي على فلتر خاص يجب استبداله بعد عدد معين من مرات الاستخدام.



اما النوع الثالث فهو عبارة عن بوابة عبور وتستخدم في الاماكن الحساسة جدا كمقرات القيادات العسكرية في وزارات الدفاع ومواقع الاسلحة النووية واية اماكن يتوجب الدخول فيها قدرا عالياُ من الحذر وهنا بعض السفارات تستخدم هذه البوابات المتحسسة للمتفجرات لتفتيش الزائرين, وهي تختلف من حيث التقنية عن بوابة تفتيش المعادن المعروفة والتي تستخدم في المطارات بشكل كبير رغم قدرتها ايضا على كشف المعادن والاسلحة الا ان الغرض الاساسي منها هو كشف المواد المتفجرة والمخدرات بكل انواعها ويقوم الجهاز ببخ الشخص الواقف في البوابة بموجة من الهواء لتحريك الغبار العالق على جسم وملابس الشخص ومن ثم تقوم المتحسسات بتكثيف هذا الغبار وتحليله لمعرفة نوع المتفجر المستخدم من قبل الشخص.

اسعار هذه الاجهزة مرتفعة جدا وتتراوح بين 30 الف دولار الى 50 الف دولار للجهاز الواحد ولسبب بسيط هو تعقيد التقنية المستخدمة في هذه الاجهزة وندرة الشركات التي تقوم بانتاجها وفي الغالب تكون شركات عالمية مشتركة من عدة دول كما هو الحال مع شركة جي اي الاميركية وهناك شركة روسية واخرى المانية فرنسية واخرى بريطانية, وقبل اشهر دخلت الصين على خط انتاج هذه الاجهزة وبدأت بمنافسة الشركات الغربية التي كانت محتكرة لهذه التقنية.

بعض العوامل المؤثرة على الدوائر الفيزيائية

بسم الله الرحمن الرحيم
الحمدلله والصلاة والسلام على نبينا محمد واله وصحبه وسلم..

تتعرض الدوائر الإلكترونيه أثناء عملها في الأجهزة المختلفة إلى العديد من العوامل التي تؤثر على أدائها مثل:
-الحرارة: التي تنشأ أثناء عمل الدوائر الإلكترونيه وذلك نتيجة فقد بعض الطاقة الكهربية فى مكوناتها المختلفة بسبب ارتفاع درجة حرارة بعض العناصر الإلكترونية, ولهذا يجب توفير مصدر جيد للتهوية يعمل على تشتيت الحرارة الناشئة أثناء تشغيل الدوائر الإلكترونية وعدم تراكمها مع زمن التشغيل.

- الإرتفاع والإنخفاض المفاجيء في التيار الكهربي: حيث يؤدى بدوره إلى تغير مفاجىء فى تيار وجهد التغذية مما قد يؤدى تلف بعض مكونات الدوائر الإلكترونية, ولهذا يجب الإستعانة بمنظمات التيار الكهربى .

-المجالات الكهربية والمغناطيسية: والتى تنشأ عند وجود الدوائر الإلكترونية بجوار أجهزة أخرى تنبعث منها مجالات كهربية أو مغناطيسية, ولهذا يجب حماية الدوائر الإلكترونية بوضعها داخل أوعية معدنية متصلة بالأرضى وبالتالى التخلص من تأثيرات هذه المجالات.

-تاكل موصلات الدوائر Printed Circuit: وكذلك تأكل أطراف أسلاك توصيل الدوائر وذلك بفعل المؤثرات الجوية والتفاعلات الكميائية, ولهذا يجب طلاء موصلات الدوائر المطبوعة وكذلك أطراف التوصيل بمواد حافظة لحمايتها ضد المؤثرات الجوية

كهرباء لا سلكيا

نجح العلماء في معهد مساتشوستش للتكنولوجيا بالولايات المتحدة في بث التيار الكهربائي لاسلكيا بين مصدر للطاقة ومصباح ضوئي قوته ستون وات تفصل بينهما مسافة بعدها متران.

ويقول العلماء إن هذه التقنية الجديدة التي تسمى "واي إلكتريسيتي" أو الكهرباء اللاسلكية قد تتيح توزيع التيار الكهربائي داخل المنزل في المستقبل دون الحاجة إلى مد الأسلاك.

لكن لا يمكن استخدام هذه التقنية لبث التيار الكهربائي عبر مسافات طويلة.

وقد وقف العلماء بين مصدر الطاقة الكهربائية والمصباح ليثبتوا أن بث الكهرباء اللاسلكية لا يسبب الأذى مع أنه لا يمكن التكهن الآن بآثار التعرض للتيار اللاسلكي على المدى البعيد.

المجال الكهربائي

في الفيزياء, الحقل الكهربائي أو المجال الكهربائي هو الفضاء المحيط بشحنة كهربية له خاصية تدعى الحقل الكهربي أو المجال الكهربي. هذا المجال الكهربي يؤثر بقوة على الأجسام المشحونة. قدم هذا المفهوم مايكل فاراداي.

الحقل الكهربائي في الفيزياء هو التأثير الناتج عن شحنة كهربائية (أو مجال مغناطيسي متغير) تبذل قوة على الأجسام المشحونة في المجال.

خط المجال الكهربائي: هو المسار الذي تسلُكه شحنة اختبار موجبة حرة الحركة عند وضعها في المجال.

مميزات خطوط المجال الكهربائي:

تبدأ خطوط المجال الكهربائي من الشحنة الموجبة وتنتهي عند الشحنة السالبة.
1-تتناسب كثافة خطوط المجال طردياً مع مقدار الشحنة الكهربائية.
2-نحدد اتجاه المجال الكهربائي عند أي نقطة بنفس اتجاه المماس عند تلك النقطة.
3-خطوط المجال الكهربائي خطوط وهمية تبين مسار وإتجاه حركة شحنة اختبار موجبة توضع في النقطة المراد إيجاد شدة المجال عليها.

خصائص خطوط المجال:-
1- خطوط وهمية تخرج من الشحنة الموجبة وتدخل في السالبة.
2- لا تتقاطع.
3- تدل كثافة الخطوط على قيمة شدة المجال في المنطقةحيث تتناسب طرديا معها.


المجال المنتظم هو المجال الذي قيمته ثابته عند جميع النقاط ويمكن الحصول عليه من خلال صفيحتين متوازيتين مشحونتين بنفس مقدار الشحنة لكن الأولى موجبة والثانية سالبة.

المجال الكهربائي هو المنطقة المحيطة بالشحنة التي تظهر منها القوة الكهربائية للشحنة.

شدة المجال الكهربائي هو مقدار القوة التي تؤثر فيها الشحنة على شحنة اختبار موضوعه في مجال هذه الشحنة.

الصيغة الرياضية للمجال الكهربائي م=ق÷ش حيث:-

م:- شدة المجال وتقاس "نيوتن/كولوم" ق:- القوة الكهربائية وتقاس "نيوتن" ش:- مقدار شحنة الإختبار وتقاس "كولوم"

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

الكهرباء ومصادرها

الكهرباء طاقة متولدة نتيجة انتقال الكترونات (ذات شحنة سالبة) من طرف موصل إلى الطرف الآخر و يكون التيار الكهربائي في عكس اتجاة حركة الإلكترونات و الناتج عن وجود فرق في الجهد الكهربائي بين طرفي الموصلاكتشاف الكهرباء
جاء اكتشاف الكهرباء عندما لاحظ أحد المفكرين انجذاب الريش وقصاصات الورق الصغيرة إلى قطع الكهرمان التي دلكت بالصوف وقد كانت هذه هي بداية اكتشاف الكهربية الساكنة أو الالكتروستاتيكية

: الشحنة الكهربائية
الشحنة الكهربائية هي إحدى خواص الجسيمات دون الذرية (مثل الالكترون و البروتون) و التي تتفاعل مع المجال الكهرومغنطيسي و تسبب قوى الانجذاب و التنافر بينهم. الشحنة الكهربية أدت إلى وجود احدى القوى الرئيسية الطبيعية الأربعة, كما أنها من الخواص المحفوظة للمادة و يمكن قياسها كمّاً. لهذا يمكن استخدام عبارة "كمية الكهرباء" بدلاً من عبارات "شحنة الكهرباء" و "كمية الشحنة" و العكس صحيح. هناك نوعان من الشحنة: نطلق على احداها موجبة و الأخرى سالبة. بالتجربة, نجد أن الأجسام المشحونة بشحنة متماثلة تتنافر بينما الأجسام المشحونة بشحنات مختلفة تتجاذب. يمكن حساب مقدار قوة التجاذب أو التنافر باستخدام قانون كولوم.

حقل كهربائي

مايكل فارادايقدم هذا المفهوم مايكل فاراداي. تؤثر قوة المجال الكهربي بين شحنتين بنفس الطريقة التي تؤثر بها قوة الجاذبية بين كتلتين. و لكن المجال الكهربي مختلف قليلاً. قوة الجاذبية تعتمد على كتلة الجسمين بينما القوة الكهربية تعتمد على شحنة الجسمين. وبينما يمكن للجاذبية جذب كتلتين تجاه بعضهما فقط, يمكن للقوة الكهربية أن تكون قوة تجاذب أو تنافر. إذا كانت الشحنتان بنفس الاشارة (مثال: كلتاهما موجبة) ستكون هناك قوة تنافر بينهما. أما إذا كانت الشحنتان مختلفتين فسيكون هناك قوة تجاذب بين الجسمين. يتناسب مقدار القوة عكسياً مع مربع المسافة بين الجسمين, كما يتناسب طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين دون اشارة.


 الجهد الكهربي
المقال الرئيسي: الجهد الكهربي
فرق الجهد الكهربي بين نقطتين يعرف كالشغل المبذول (ضد القوى الكهربية) لكل وحدة شحنة في تحريك شحنة نقطية موجبة ببطء بين نقطتين. إذا أخذت احدى النقطتين كنقطة مرجعية بجهد صفر, فيمكن تعريف الجهد الكهربي عند أي نقطة على أنه الشغل المبذول لكل وحدة شحنة في تحريك شحنة نقطية موجبة من نقطة المرجع إلى النقطة المراد تحديد جهدها. للشحنات المعزولة تعتبر نقطة المرجع عادةً ما لا نهاية. وحدة قياس الجهد هي الفلت (1 فلت = 1 جول/كولوم). هناك تشابه بين الجهد الكهربي و الحرارة: لكل نقطة في الفراغ درجة حرارة مختلفة, و التدريج الحراري يدل على اتجاه و مقدار القوة المحركة التي تؤدي إلي انتقال الحرارة. بالتماثل, هناك جهد كهربي لكل نقطة في الفراغ, و تدريجه يدل على اتجاه و مقدار القوة المحركة وراء حركة الشحنة.
مصادر الكهرباء
المقال الرئيسي: توليد طاقة كهربائية
يمكن توليد الطاقةالكهربائية بعدّة طرق:- - استاتيكية - كمياوية - تحويلية

ومن مصادر عدّة ، تقسم مصادر توليد الطاقة الكهربائية إلى: مصادر متجددة مثل:

طاقة شمسية
طاقة الرياح
الطاقة المائية
طاقة الحرارة الجوفية
مصادر غير متجددة مثل:

النفط
الغاز
الطاقة النووية
يمكن توليد الطاقة الكهربائية وتمرير التيار الكهربائي عند تحريك ملف في مجال مغناطيسي وسنلاحظ تكون فرق جهد عند طرفي الملف وعند وضع جهاز كلفانوميتر لقياس التيار الكهربائي على طرفي الملف سنلاحظ تحرك مؤشر جهاز القياس مما يدل على مرور تيار كهربائي بين نهايتي الملف وعبر جهاز القياس والملف.

الطاقة الكهربائية

بوجود الجهد الكهربائي يؤدي الى مرور تيار كهربائي عن طريق مواد موصلة التي تعتبر مقاومة. لكي يتغلب التيار على هذه المقاومة يجب بذل طاقة كهربائية.
هذه الطاقة الكهربائية تسمى: القدرة لانجاز عمل كهربائي , مثال على ذلك :
الضوء الكهربائي, تسخين كهربائي أو تشغيل محرك كهربائي.
الطاقة الكهربائية المبذولة عن طريق مصدر جهد تُستهلك عن طريق الاجهزة الكهربائية على جميع أنواعها.
الطاقة الكهربائية يُرمز لها بالحرف((w وهي مُزودة عن طريق شركة الكهرباء الى الصناعة واضاءة الشوارع والاستهلاك العام في البيوت بواسطة الشبكة الكهربائية.
كلما كان مصدر الجهد (U)كبيراً تكون الطاقة((w أيضاً كبيرة التي يستهلكها الجهاز المربوط لمصدر الجهد . لذلك نقول ان الطاقة تتناسب تناسب طردي مع الجهد, وأيضاً كلما كانت الشحنة الكهربائية ((Q المُزودة للجهاز كبيرة تكون الطاقة أيضاً كبيرة التي يستهلكُها الجهاز.
أمامنا ثلاث عوامل التي تربطهم علاقة , أي أن الطاقة الكهربائية ((w تتناسب تناسب طردي للجهد (U) وللشحنة ((Q أيضاً, لذلك نستطيع أن نكتب
w = u . Q
ومعروف أن الشحنة الكهربائية تساوي حاصل ضرب قيمة التيار ومدة الزمن الذي مرَّ بها Q = I . t: , نعوِّض هذا التعبير بالمعادلة الاخيرة ونحصل :
w = u . Q = u . I t
نرى أن الطاقة الكهربائية المبذولة في جهاز ما تكون ذات علاقة طردية مع الجهد المزوَّد الى الجهاز الكهربائي وقيمة التيار ومدة الزمن الذي مر به التيار من خلال ذلك الجهاز.
وحدات الطاقه الكهربائيه
وحدة الطاقه الكهربائيه تسمى [ جاول ] او بالحرف [ J ] .
[ جاول] واحد هوالطاقه المبذوله بجهاز كهربائي عندما يكون الجهد بقيمة [فولط]
واحد يؤدي الى مرور تيار من خلال هذا الجهاز بقيمة [امبير] واحد ومده من الزمن ثانيه واحده .
W= U . I .t

W - الطاقه الكهربائيه بوحدات [جاول] او [ J] .
U - الجهد الكهربائي بوحدات [فولط] او [v] .
I - قيمة التيار بوحدات [امبير] او [A] .
t – الزمن بوحدات [ثواني] [sec] .
مثال:-
احسب الطاقة المستهلكة عن طريق جهاز كهربائي المربوط بمصدر جهد12[v]
وبمدة زمن 10 [sec] اذا كانت قيمة التيار المار من خلاله هي 2 [A] .
W = U . I . t = 12 . 2 . 10 = 240[J]

القدرة الكهربائية
القدرة الكهربائية يُرمز لها بالحرف P]] وهو الطاقة المبذولة بجهاز كهربائي بوحدة زمن , وبمعنى اخر يمكن القول ان القدرة الكهربائية هي الطاقة المستهلكة عن طريق الجهاز بوحدة زمن .

ولذلك :
P = W / t = U . I . t / t = U . I
نلاحظ ان القدرة الكهربائية المستهلكة عن طريف جهاز كهربائي تساوي حاصل ضرب الجهد المزوَّد للجهاز وقيمة التيار المار من خلاله.
وحدة القدرة الكهربائية تسمى ]واط[ او W]] .
[واط] واحد هو القدرة المبذولة بجهاز كهربائي عندما جهد كهربائي بقيمة [فولط] واحد يؤدي لمرور تيار بقيمة [امبير] واحد من خلال الجهاز .
لذلك:
P = U . I
P- القدرة الكهربائية بوحدات [ واط ] [ W] .
U- الجهد الكهربائي بوحدات [ فولط ] [ V] .
I – قيمة التيار بوحدات[امبير] [ A] .










من خلال هذه المعادلة نستنتج ان :
U = P / I

I = P / U




نلاحظ في اغلب الاحيان ان الاجهزة الكهربائية مزودة بلافتة صغيرة التي يكتب عليها عادة الجهد الذي يجب ربطه ( توصيله ) بالجهاز والقدرة الكهربائية لهذا الجهاز, هذه المعطيات مهمة جداً لكي نتعرف على عمل الجهاز .
نفترض ان لدينا جهاز كهربائي الذي كُتب على لافتته جهد 220 [فولط ] هذا الجهاز اذا ربط بجهد اكبر من 220 [فولط ] يمكن ان نسسب له ضرر او حتى حرقه واذا ربط بجهد اقل من 220 [فولط ] فانه لا يعمل كما يجب .

بمساعدة هذه المعادلة وقانون اوم يمكن استنتاج معادلتان اضافيتان P = U . I
وبواسطتهم نستطيع ان نجد قدرة جهاز معين عندما يكون معروف لدينا الجهد المُزوَّد له ومقاومته او عندما يكون معروف لدينا قيمة التيار المار من خلاله ومقاومته.
P = U . I
I = U / R قانون اوم :

2
P = U . I = U . U / R = U / R




2
P = U / R


U = I . R قانون اوم :
P = U . I

2
P = U . I = I . R . I = I . R


2
P = I . R

احدى الظواهر السلبية التي يسببها التيار الكهربائي هي ارتفاع حرارة الاسلاك او الجهاز الذي يمر من حلاله التيار وهذه الحرارة غير مستغلة مما يؤدي الى خسارة في الطاقة .
يمكن معرفة القدرة الضائعة في اسلاك الشبكة الكهربائية بواسطة المعادلة:
2


P = I . R


واذا اردنا معرفة خسارة الطاقة [ ] بمدة زمن [ ]
2
W=I . R . t


W= P . t



الطاقه الكهربائيه بوحدات [ ] W



القدره بوحدات [ ] P




الزمن بوحدات [ ]t

معنى هذه المعادله هو ان الطاقه الكهربائيه المستهلكه عن طريق الجهاز تساوي حاصل ضرب قدرة الجهاز ومدة زمن عمله .


الوحده [جاول] والتي تسمى ايضاً [واط - ثوان] هي وحده صغيره جداً لذلك يوجد وحده كبيره وهي [كيلو واط ساعه] او [ ]

مثال :
فرن كهربائي قدرته 2 [ كياو واط ] رُبط لشبكه الكهربائيه لمدة 3 ساعات , احسب الطاقه الكهربائيه المستهلكه عن طريق الفرن .



الحل :-
W = p. t 6=3. 2 =

تعريفات هامه في الكهربيه

شدة التيار الكهربي (I):هي كمية كهربية (Q) مقدرة بالكولوم و المارة خلال مقطع معين في الدائرة الكهربية في زمن (t) قدره واحد ثانية أي أن
I=Qlt



فرق الجهد (V) :
فرق الجهد فرق الجهد(V ) بين نقطتين هو الشغل المبذول مقدراً بالجول لنقل كمية كهربية قدرها واحد كولوم من إحدى النقطتين غلى نقطة أخرى و تسمى وحدة فرق الجهد بالفولت .



مقاومة موصل ( R) :هي النسبة بين فرق الجهد بين طرفية و شدة التيار المار فيه أي أن
R =VlI
و وحدة المقاومة هي هي الأوم .



الأمبيــــــــــر :
هو شدة التيار المار في دائرة كهربية عندما يكون معدل سريان كمية كهربية (خلال مقطع معين ) واحد كولوم في الثانية .



الفولـــــــــــت :
هو فرق الجهد بين نقطتين إذا لزم بذل شغل مقداره واحد جول لنقل كمية كهربية مقدارها واحد كولوم في الثانية .



الأوم :
هو مقاومة موصل يسمح بمرور تيار شدته واحد أمبير عندما يكون فرق الجهد بين طرفيه وااحد فولت .



القوة الدافعة الكهربية لمصدر :
تقدر بالشغل الكلي المبذول لنقل و حدة الكمية الكهربية (واحد كولوم) في الدائرة الكهربية داخل المصدر و خارجه و تقاس بالفولت .



المقاومة النوعية لموصل :
هي مقاومة موصل منتظم من المادة طوله متر و مساحة مقطعه واحد متر و تقدر بوحدة أوم . متر .



التوصيلة الكهربية لمادة :
يعرف مقلوب المقاومة النوعية لمادة بإسم معامل التوصيل الكهربي لها .



الألكتروليت :
هي مادة عند ذوبانها في الماء أو أنصهارها تتفكك بعض جزيئاتها إلى أيونات , فتصبح المادة موصلة للكهربية مثل حمض الهيدرو كلوريك و كبريتات النحاس و نترات الفضة .