العالم ميليكان

 

مقطع فيديو

العالم ميليكان


ولد (Robert Andrews Millikan) روبرت أندروس ميليكان في عام 1868 في موريسون باليينوى وتوفي عام 1953 بعد دراسته في الولايات المتحدة وألمانيا شغل ميليكان منصب الأستاذية في جامعة شيكاغو وفيما بعد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا باسادينا .

جائزة نوبل
حصل ميليكان على جائزة نوبل في العام 1923 وذلك عن اعماله قياس شحنة الالكترون واعماله في الظاهرة الكهروضوئية او ما يعرف بالمفعول الكهروضوئي وهو انبعاث الالكترونات من بعض الموصلات عند سقوط الضوء عليها وقد حيرت هذه الظاهرة العلماء.

ميليكان معروف على وجه الخصوص لتعيينه لشحنة الإلكترون ( بالاستفادة من التأثير التأييني لأشعة رونتجن ) وذلك عن طريق تجربته المشهورة والمعروفة بقطرة الزيت ولشغله على التأثير الكهرضوئي وقد تسلم جائزة نوبل نتيجة لدراساته السابقة عام 1923


تجربة قطرة الزيت :

تمكن العالم ميليكان ومساعدوه ( 1909 - 1913 ) من قياس كم الشحنة أو شحنة الإلكترون e لأول مرة
ووضحت هذه التجربة دون أدنى شك أن الشحنة مكماة

و استخدم آلة لرش رذاذ الزيت عبر جهاز يحتوي على قطبين (سالب و موجب) وباستخدامه لمايكرسكوب لاحظ أنه حين دخول الرذاذ عبر الفتحة إلى الجهاز فإنّ بعض من الرذاذ يبقى معلق ( لايتحرك إلى الأعلى ولا إلى الأسفل) فاستنتج وجود شحنة عليها عند وقوعها بين قوى جذب متساوية من كلا القطبين ستبقى ثابتة دون حراك . وقام بحساب الشحنة الموجودة على الرذاذ وبذلك تمكن ميليكان من حساب أصغر شحنة ممكنة
( شحنة الإلكترون) .






يتكون الجهاز أساساً من لوحين معدنيين متوازيين بينهما مسافة 1 مم تقريباً
ومساحة سطح كل منهما 100 سم2
بينهما فرق جهد معروف يمكن تغيير قيمته
و ينشأ من فرق الجهد مجال كهربائي E = V/D بين اللوحين
حيث d هي المسافة بين اللوحين
و إذا ما وجدت قطرة زيت مشحونة ( ذات كتلة m وشحنة q ) بين اللوحين
فإن قوة رأسية سوف تؤثر عليها
وبضبط قيمة فرق الجهد بين اللوحين يمكن جعل هذه القوة الرأسية مساوية في المقدار ومضادة في الإتجاه لقوة الجاذبية على القطرة mg
وحين يتم هذا تكون محصلة القوى على القطرة صفراً


وتبقى بلا حركة أي




















عندما يكون المجال الكهربائي E وكتلة القطرة m و عجلة الجاذبية الأرضية g
فإن الشحنة q التي على القطرة يمكن تعيينها

وقام ميليكان من الناحية العملية بالسماح لقطرات دقيقة جداً من الزيت بالتناثر من مرذاذ ( بخاخة )لكي تهبط من فتحة صغيرة في اللوح المعدني العلوي
يحتوي عدد كبير من هذه القطرات على شحنات كهربائية فائضة تكونت نتيجة لاحتكاك القطرات مع بعضها
أثناء خروجها من المرذاذ
ويسلط ضوء قوي على القطرات أثناء نزولها بين اللوحين مما يجعلها تتلألأ ويمكن مشاهدتها بسهولة خلال المجهر
وقد أمكن أيضاً تغيير الشحنة على القطرات وذلك بتعريض المنطقة الكائنة بين اللوحين لشعاع ضعيف من أشعة X
كلما دعت الحاجة لذلك

حسب المجال الكهربي بين اللوحين وعن طريق قياس المسافة بين اللوحين d وفرق الجهد V بين اللوحين
ولايجاد كتلة قطرة من الزيت m قام ميليكان بقياس الزمن الذي تستغرقه القطرة في الهبوط مسافة معينة خلال الهواء
في حالة عدم وجود مجال كهربي
ولما كانت قطرة الزيت تتحرك بسرعة ثابتة - هي السرعة النهائية لها - خلال المسافة المحددة
فإن قوى الجاذبية mg تساوي قوة اللزوجة والاحتكاك بين قطرة الزيت والهواء
وإذا ما اعتبرنا قوة اللزوجة تتناسب طردياً مع مربع سرعة القطرة c

حيث أحد المصادر الأساسية للخطأ في التجربة مرتبطاً بثابت التناسب في هذه العلاقة
ونستخدم قانون ستوكسي stokes low لايجاد قوة اللزوجة
















وبذلك عن طريق هذا القانون توصل إلى قيمة الشحنة الكهربائية المكماة وهي

1.6 × 10 ^ - 19 كولوم

ورمزها e

وكل الشحنات في الطبيعة هي مضاعفات صحيحة لهذه الكمية

( والله تعالى أعلم )

تمثيل المجال الكهربائي

المجال الكهربائي

(2-1) المجال الكهربائي:

تعلم أن الشحنة أن شحنة كهربائية نسم المشحون فإنقطية موجبة وضعت للاختبار بالقرب من جسم مشحون فإن هذه الشحنة تتعرض لقالكهربائية تستطيع أن تجذب أو تدفع شحنة أخرى بقوة تتوقف على مقدار كل من الشحنتين والبعد بينهما. فلو فرضنا وه جذب أو دفع تنشأ عن الشحنة المو جده على الجسم وإذا نحن غيرنا موضع شحنة الاختبار بالنسبة للج القوة الكهربائية تتغير تبعا لقانون كولوم وهذا يدل على أن شحنة الجسم تولد حولها خاصية جدية تظهر على شكل قوه كهربائية ولما كانت هذه القوة تنقص بازدياد البعد فإنه لأمر طبيعي أن يضعف الأثر الكهربائي لشحنة الجسم تدريجيا حتى يتلاشى في نقطة تبعد بعدا كافيا عنهما.

‏والمنطقة المحيطة بالشحنة والتي تظهر فيها آثار القوى الكهربائية على غيرها من ألشحنات تسمى بالمجال الكهربائي للشحنة.

‏وتعرف شده المجال الكهربائي (م*) عند نقطة في المجال بأنها القوة التي يؤثر بها المجال على وحده الشحنات الموجبة الموضوعة في هذه النقطة.

م* = ق\ش

لكن ق =( 9×10^9 * ش*ش.)\ف^2 حسب قانون كولوم

بالتعويضعن ق في م*

م* =( 9×10^9 ش*ش.)\(ف^2*ش.)

م* =( 9×10^9 ش)\ف^2

حيث م* شده المجال الكهربائي الناشيء عن الشحنه ش ويحدد مقدارا واتجاها

*مقدارا يحسب من العلاقه السابقه
*اتجاها ::::

1- نفرض وجود شحنه نقطيه موجبه (ش.) تبعد ف عن ش
2- نحدد اتجاه حركه (ش.) بالنسبه ل (ش)
3- اتجاه حركه (ش.) هو اتجاه المجال الكهربائي عند هذه النقطه وبصوره عامه يكون اتجاه المجال داخلا في الشحنه السالبه وخارجا من الشحنه الموجبه



وتقاس م* بوحده (نيوتن/كولوم)

ش => الشحنه المراد حساب المجال الناشيء عنها وتقاس بالكولوم
ف=> بعد النقطه المراد حساب المجال عندها عن (ش) وتقاس بالمتر
ش.=> الشحنه النقطيه الموجبه حره الحركه والتي تتاثر في المجال الكهربائي النائي عن ش وتقاس بالكولوم


ملاحظه::: اذا كانت النقطه متأثره من أكثر من مجال نحسب المجال المحصل عن هذه النقطه باستخدام قواعد المحصله

ملاحظة::: تسمى النقطه التي يكون عندها المجال الكهربائي صفرا نقطه التعادل


(2-2) تخطيط المجال الكهربائي:


يمكن تمثيل المجال الكهربائي بيانيا لشحنة أو عدد من الشحنات بخطوط وهمية تسمى خطوط المجال الكهربائي وكل خط من هذه الخطوط يدل على الطريق الذي تسلكه وحدة الشحنات الموجبة عند تحركها في المجال الكهربائي بتأثير القوة التي يؤثر بها المجال عليها.

(2-3) صفات خطوط المحال الكهربائي:.


1- خطوط المجال تبتعد عن الشحنة الموجبة وتتجه نحو الشحنة السا لبة.
2- تتباعد خطوط المجال لشحنة مفرده كلما ابتعدنا عن الشحنة أي أن كثافتها (عددها الذي يخترق وحدة المساحه) تقل مع ازدياد بعدها عن الشحنة.
3- تتناسب شدة المجال الكهربائي طرديا مع عدد خطوط المجال المارة عموديا على وحدة المساحة أي تدل كثافة الخطوط في منطقة ما على مقدار المجال في تلك المنطقه.
4- يدل اتجاه المماس لخط المجال في نقطة ما على اتجاه المجال عند تلك النقطة.
5- خطوط المجال الكهربائي لا تتقاطع لأنه لا يكون لشدة المجال الكهرباي عند نقطة إلا اتجاه واحد.
6- يتناسب عدد الخطوط الخارجة من الشحنة الموجبة أو الداخلة في الشحنه السالبة تناسبا طرديا مع مقدار الشحنة.

(2-4)أشكال المجال الكهربائي:


يقسم المجال الكهربائي إل:

أولا::: مجالا كهربائيا منتظما

أ-وهو المجال الذي ينشأ بين صفيحتين مشحونتين متوازبتين.
ب- خطوط المجال المنتظم تكون متوازية والبعد بينها متساوي.
ج*- مقدار المجال الكهربائي المنتظم ثابت في كل نقطة تقع في المجال أي أن عددخطوط المجال التي تخترق وحدة المساحه العمودية ثابت عند أي نقطة
د- اتجاه المجال الكهربائي المنتظم ثابت في كل نقطة في المجال.

ثانيا::: مجالا كهربائيا غير منتظما

أ- وهو المجال الذي ينشأ عن الشحنات المفردة.
ب - خطوط المجال غير المنتظم تتباعد عن بعضها كلما ابتعدنا عنالشجنه
ج*- مقدار المجال الكهربائي غير المنتظم متغير في كل نقطة في المجالأي أن عدد خطوط المجال التي تخترق وحده المساحه العموديه لا يكون ثابتا
د-اتجاه المجال الكهربائي متغير في كل نقطة في المجال.


(2-5) حركة شحنه نقطيه في مجال كهربائي منتظم:


اذا وضعت شحنه نقطيهفي مجال كهربائي منتظم فان المجال سيؤثر على الشحنه بقوه كهربائيه

ق=م* ش

وهذه القوه حسب قانون نيوتن الثاني ستكسب الشحنه تسارعا حيث
مجموع ق = ك ت

وهذا التسارع سيؤدي الى تغير سرعه الشحنه في زمن محدد وبالتالي فان الشحنه ستقطه المسافه بين اللوحين في زمن مقداره (ز) ويمكن حساب كل من (ع1,ع2,ف,ز) باستخدام معادلات الحركه

ع2= ع1+ت ز
ع2^2=ع1^2+2 ت ف
ف= ع1 ز+ 0.5 ت ز ^2

مع مراعاه كون الحوكه في بعد واحد أو في بعدين( حركه افقيه أو عموديه) كما في حركه المقذوفات.
كما ان المجال يبذل شغل على الشحنه تساوي( ق ف جتا <) حيث < الزاويه بين (ق) و (ف) ويصرف هذا الشغل كله لإكساب الجسم طاقة حركيه حيث ش( الشغل) = ط ح 2 - ط ح 1

المواد الموصلة والمواد العازلة

- المواد الموصلة والمواد العازلة

                                                 نشاط الملاحظة

 ندرج أجساما من مواد مختلفة في دارة كهربائية

 

                                                        جدول النتائج

الجسم

المصباح

                                                             ملحوظة

إن الفلزات والأشابات مواد موصلة وغير المعادن مواد عازلة ( باستثناء الكربون ) .

تختلف جودة توصيل الكهرباء

البلاستيك

لا يضيء

الخشب الورق الزجاج المطاط. الخيوط

الجسم

المصباح

النحاس

يضيء

الألمنيوم الحديد الفولاذ موصلات كهربائية عوازل كهربائية

 نلاحظ أن مصباح الدارة تارة يضيء وتارة أخرى لا يضيء،لذا نستنتج أن الأجسام تصنف كهربائيا إلى:

أجسام تتكون من مواد موصلة لأنها تسمح بمرور التيار الكهربائي .

أجسام تتكون من مواد عازلة لأنها لا تسمح بمرور التيار الكهربائي .

تستخدم المواد الموصلة لنقل التيار الكهربائي.

تستخدم المواد العازلة للحماية. فمثلاً تُغطى أدوات التوصيل الكهربائي  بمواد عازلة مثل المطاط والبلاستيك .

                           2- هل الماء و الهواء موصلان للتيار الكهربائي؟

 

الهواء مادة عازلة بشكل طبيعي.

الماء مادة موصلة ضعيفة .

                                                      ملحوظة

يصبح الهواء موصلا في حالة الصاعقة.

يستطيع الماء حمل تيار كهربائي كبير لدرجة أنه يستطيع قتل إنسان.

                                              3- السلسلة الموصلية للمصباح

تصنف مكونات المصباح إلى:

  أجزاء موصلة: السليك - الساقان الفلزيان - العقب - القعيرة .

  أجزاء عازلة: الحبابة - الإسمنت - المسحوق الزجاجي الأسود.

                                                     خلاصة

عند مرور التيار الكهربائي في المصباح عبر السلسة الموصلة يتوهج السليك المكون من التنغستين.

البلاستيك ، الخشب ، الصوف ، الورق ، الزجاج ، الخيوط ، المطاط.

النحاس ، الحديد ، الفضة ، القصدير ،فولاذ، الألمنيوم ، الذهب ،الزئبق ،الكربون.

الطبيعة الموجية للضوء

الطبيعة الموجية للضوء

أولاً : موجات الضوء

أحد أشكال الطاقة وتتميز بالقدرة على إثارة حاسة الإبصار فى العين السليمة عندما يصل إليها .

عبارة عن موجات كهرومغناطيسية يمكنها الإنتقال فى الفراغ بسرعة تساوى (3 Χ 810 م / ث)

يتراوح الطول الموجى للضوء المرئى بين ( 380 : 700 نانومتر )

سرعة الضوء : المسافة التى يقطعها الضوء فى الثانية الواحدة .

الحسن بن الهيثم : 1- مؤسس علم الضوء . 2- مفسر الرؤية الصحيحة للأشياء

3- مكتشف الخزانة ذات الثقب التى كانت مقدمة لعمل الكاميرا .

ثانيا ً : تحليل الضوء الأبيض

الشمس المصدر الرئيسى للطاقة الضوئية على سطح الأرض .

الضوء الأبيض ( ضوء الشمس ) خليط من ألوان الطيف السبعة .

نشاط : تحليل الضوء الأبيض :

الخطوات :

ضع قرص ( CD) على سطح منضدة بحيث يواجه سطحه اللامع مصدراً للضوء الأبيض كأشعة الشمس .

الملاحظة : تكون ألوان الطيف السبعة على القرص ( CD) اللامع .

الإستنتاج : الضوء الأبيض يتكون من سبعة ألوان تعرف بألوان الطيف هى :

( أحمر / برتقالى / أصفر/ أخضر / أزرق / نيلى / بنفسجى )

ما هي أهمية المنشور الثلاثى ؟

تحليل الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف السبعة .

1- أقل ألوان الطيف إنحرافاً ( أقربها إلى رأس المنشور ) الضوء الأحمر .

2- أكبر ألوان الطيف إنحرافاً ( أقربها إلى قاعدة المنشور ) الضوء البنفسجى .

3- أقل ألوان الطيف تردداً الضوء الأحمر وأعلاها تردداً الضوء البنفسجى .

4- الضوء البنفسجى أقل الألوان طول موجى والضوء الأحمر أكبر ألوان الطيف طول موجى .

يستخدم الضوء الأحمر فى إشارة المرور (قف) ؟

لأنه أكبر طول موجى فيراه السائق من بعيد فيقف .

هل تعلم أن :

لون الضوء البنفسجى النيلى الأزرق الأخضر الأصفر البرتقالى الأحمر

الطول الموجى نانومتر 350:400 أكبر تردد

أكبرإنحراف 400:450 450:500 500:550 550:600 600:650 560:700 أقل تردد

أقل إنحراف

الأطوال الموجية لمكونات الضوء المرئى ( الأبيض ) :

■■ ماكس بلانك مؤسس نظرية الكم :

أثبت عام 1900 ان : 1- طاقة موجة الضوء مكونة من كميات تعرف بالفوتونات .

2- طاقة الفوتون تتناسب طردياً مع تردد الموجة للضوء .

طاقة الفوتون α تردد الفوتون

طاقة الفوتون = مقدار ثابت Χ تردد الفوتون . ( المقدار الثابت يعرف بإسم ثابت بلانك )

تدريب : أيهما أكبر طاقة ولماذا فوتون الضوء الأحمر أم فوتون الضوء البنفسجى ؟

ﺠ : طاقة فوتون الضوء البنفسجى أكبر من طاقة فوتون الضوء الأحمر لأن تردد الضوء البنفسجى أكبر من تردد

الضوء الأحمر وطاقة الفوتون تتناسب طردياً مع تردد الفوتون .

هل تعلم ؟ ! 1- يمكن إستغلال الضوء فى الديكورات المنزلية ، إبراز اللوحات الفنية .

2- مصابيح الزينة فى إدخال الحيوية والبهجة على المكان .

3- الأباجورة تستخدم فى تركيز الضوء للقراءة .

ثالثاً : سلوك الضوء فى الأوساط المادية المختلفة

نشاط : للتعرف على سلوك الضوء فى الأوساط المادية :

حالات النظر إلى .... مدى الرؤية

واضحة غير واضحة منعدمة

1- عنوان كتاب موضوع على المكتب . √

2- عنوان كتاب بعد وضع شريحة من كيس بلاستيك شفاف عليه √

3- عنوان الكتاب بعد وضع عدة شرائح من البلاستيك الشفاف عليه √

4- عنوان الكتاب بعد وضع ورقة شجر عليه √

5- قطعة نقود فى كوب به لبن √

6- قطعة نقود فى كوب به لبن √

7- فتيلة مصبح مصنوع إنتفاخه من الزجاج المصنفر √

الإستنتاج : 1) تقسم الأوساط المادية تبعاً لقابليتها لنفاذ الضوء خلالها إلى :

 

1- وسط شفاف 2- وسط شبه شفاف 3- وسط

أ- وسط شفاف : يسمح بنفاذ الضوء خلاله مثل الهواء والماء النقى .

ب- وسط شبه الشفاف : يسمح بنفاذ جزء من الضوء ويمتص الجزء الآخر مثل الزجاج المصنفر .

ج- وسط معتم : لا يسمح بنفاذ الضوء خلاله مثل ورق الشجر واللبن .

2) زيادة سمك الوسط الشفاف يقلل من نفاذية الضوء خلاله .

عدم رؤية الأسماك الموجودة بالقرب من قاع نهر النيل بالرغم من أن الماء وسط شفاف لأن قاع النهر طمى لونه

أسود فيمتص الأشعة الساقطة ويمنع إنعكاسها فلا نرى الأسماك فى نهر النيل القريبة من القاع .

(4) إنتقال الضوء فى خطوط مستقيمة :

1- ينتقل الضوء فى الأوساط المادية الشفافة على هيئة خطوط مستقيمة .

2- يمكن التحكم فى سمك الحزم الضوئية .

لبيان إنتقال الضوء فى خطوط مستقيمة نجرى النشاط التالى :

■ الأدوات :

1- أربع كروت من الورق المقوى 2- قطع صلصال

3- لوح من الورق الأبيض 4- قلم ضوئى

■ الخطوات :

1- أصنع ثقباً جانبياً فى ثلاثة كروت

2- ثبت الكروت الأربعة على لوح ورق أبيض بحيث تكون الثقوب على إستقامة واحدة

3- وجه ضوء القلم كلما قلت مساحة ثقب الكارت (أ)

■ الملاحظات :

أ- يمر الضوء من الثقوب على شكل خط مستقيم

ب- تقل كمية الضوء كلما قلت مساحة ثقب الحائل

■ الإستنتاج :

1- ينتقل الضوء فى الوسط المادى الشفاف على هيئة خطوط مستقيمة .

2- يمكن التحكم فى سمكها .

هل تعلم :

ظاهرة كسوف الشمس : تحدث عندما يكون الشمس والقمر والأرض على إستقامة واحدة نهاراً وتحدث فى أول

الشهر العربى عندما يكون القمر محاقاً ويكون القمر بين الشمس والأرض .

ظاهرة خسوف القمر : تحدث عندما يكون الشمس والقمر والأرض على إستقامة واحدة ليلاً وتحدث فى منتصف

الشهر العربى عندما يكون القمر بدراً ويكون الأرض بين الشمس والقمر .

(5) شدة الإستضاءة :

للتعرف على مفهوم شدة الإستضاءة نجرى النشاط التالى :

1- قف على بعد 1 م من سطح الحائط فى غرفة مظلمة ووجه ضوء مصباح الجيب .

2- كرر الخطوات مع زيادة المسافة بمقدار 1 م فى كل محاولة .

■ الملاحظة :

1- ينتشر الضوء المنبعث من المصدر الضوئى فى جميع الجهات .

2- تقل كمية الضوء الساقطة عند زيادة المسافة بين مصدر الضوء والحائط .

■ الإستنتاج : 1- شدة الإستضاءة للسطح تقل بزيادة المسافة بينه وبين المصدر الضوئى

2- شدة الإستضاءة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين السطح ومصدر الضوء يعرف (قانون التربيع العكسى فى الضوء )

■ شدة الإستضاءة : هى كمية الضوء الساقطة عمودياً على وحدة المساحات من السطح فى الثانية الواحدة .

أنواع الأشعة الضوئية

1- أشعة متوازية 2- أشعة متفرقة 3- أشعة متجمعة

الطاقة الحرارية

الطاقة الحرارية

تستمد الأرض الطاقة من الشمس على شكل حرارة تصلها مباشرة وتؤثر طاقة جذب الشمس في الأرض فتبقيها في مدار حولها تحدث خلاله اختلافات في درجة الحرارة على المناطق المختلفة من سطح الأرض، كذلك تؤثر الأرض في القمر الذي يدور في مدار حولها ويستمد جزءا من طاقته الضوئية والحرارية منها. تظهر هذه الصورة التي التقطتها مركبة الفضاء أبوللو 8 كوكب الأرض كما ظهر لها من على سطح القمر، وقد أضاءت الشمس جزءا منه وغرق الجزء الآخر في الليل.
قال تعالى: وكل في فلك يسبحون .
1. الطاقة
إذا نظرنا إلى ما يحيط بنا نجد أنه يتشكل كله من المادة التي تتكون من ذرات وجزيئات، وتتشكل في إحدى الحالات الصلبة أو السائلة أو الغازية ونلاحظ أن هذه المادة منها الساكن ومنها المتحرك ومنها الساخن ومنها البارد ومنها المضيء ومنها المعتم. هذه السمات الأخيرة؛ السكون والحركة والسخونة والبرودة والإضاءة والإعتام صفات تكتسبها المادة دون أن تغير جوهرها أو تركيبها وهي ناتجة عن اكتساب المادة ما نسميه الطاقة، التي تنتقل من المادة وإليها وبأشكال مختلفة والطاقة هي الوجه الآخر لموجودات الكون غير الحية. فالجمادات بطبيعتها قاصرة عن تغيير حالتها دون مؤثر خارجي، وهذا المؤثر الخارجي هو الطاقة، فالطاقة هي مؤثرات تتبادلها الأجسام المادية لتغيير حالتها، فمثلا لتحريك جسم ساكن ندفعه فنعطيه بذلك طاقة حركية. ولتسخين جسم نعطيه طاقة حرارية، ولجعل الجسم مرئيا نسلط علية ضوءا فنعطيه طاقة ضوئية، وهناك أشكال أخرى من الطاقة كالطاقة الصوتية والكيميائية والكهربائية والنووية. ونحتاج إلى الطاقة في مختلف مجالات الحياة لتشكيل وتحريك واستخدام المادة المحيطة بنا لتسخيرها في خدمتنا. ولو حاولنا استقصاء وجود الطاقة وشكلها في حياتنا اليومية لوجدناها في كثير مما يحيط بنا:
تدبر الحالات التالية وحاول معرفة نوع الطاقة المتضمن في كل حالة.
1- عامل بناء ينقل الطوب من موقع إلى آخر داخل بناية.
2- خباز يدخل الأرغفة عجينا في المخبز ثم يخرجها ناضجة شهية للأكل.
3- سائق يطلق بوق السيارة وأمامه قطيع من الأغنام.
4- سيدة تضغط كبسة الإنارة في البيت مساء.
5- بطارية جافة تستخدم لتشغيل ساعة.
6- مفاعل نووي يقوم بتحلية مياه البحر.
7- محطة على نهر كبير تولد الكهرباء من المياه الساقطة .
من الواضح أن العامل يعطي الطوب طاقة حركية عند نقله والخباز يعرض الأرغفة للطاقة الحرارية أما السائق فيولد طاقة صوتية من بوق السيارة. والسيدة تزود اللمبة بطاقة كهربائية كيما تعطيها اللمبة طاقة ضوئية، والبطارية الجافة تستخدم الطاقة الكيميائية لإنتاج الطاقة الكهربائية، والمفاعل يحلي مياه البحر المالحة باستخدام الطاقة النووية أما محطة التوليد على السد فتحول الطاقة الحركية للمياه الساقطة إلى طاقة كهربائية. وتبين الصورة التالية تحويل الطاقة الحرارية إلى حركية.


1 -الطاقة الميكانيكية:
من أكثر أشكال الطاقة ظهورا واستخداما في حياتنا الطاقة الميكانيكية، وهي الطاقة المسؤولة عن كل أنواع الحركة التي نراها. وتحوي الطاقة الميكانيكية نوعين رئيسيين هما طاقة الحركة وطاقة الوضع.
فعند دفع كرة لتتدحرج على مستوى أفقي نقول أن معها طاقة حركة مكنتها من الاستمرار في الحركة. ونقول عن كل جسم متحرك أنه يمتلك طاقة حركة K تزيد بزيادة كتلته m وسرعته v، إذ تعطى طاقة الحركة لهذا الجسم كما يلي:
ولإيقاف هذا الجسم علينا أن نأخذ منه تلك الطاقة بأن نجعله يصدم جسما آخر مثلا فيعطيه هذه الطاقة بينما يتوقف هو عن الحركة.
والنوع الآخر هو طاقة الوضع أو الطاقة الكامنة وهي ما نختزنه في الجسم عندما نرفعه إلى أعلى، إذ أننا لو تركناه بعدئذ فإنه يتحرك ساقطا. مما يدل على أن طاقة ما كانت معه بدأت تتحول إلى حركة. هذه الطاقة الكامنة أو المختزنة فيه نسميها طاقة الوضع. كذلك لو ضغطنا زنبركا فإننا نختزن فيه طاقة وضع بدليل أنه عند إفلاتنا له يمكن دفع جسم أمامه وتحريكه، وعند وضع شحنتين متماثلتين قريبا من بعضهما فإن طاقة كامنة تختزن فيهما. وعند إفلاتهما تتحركان متنافرتان عن بعضهما.
2- الشغل :
عندما يؤثر مؤثر على جسم فيحركه من مكانه نقول أن هذا المؤثر بذل شغلا على هذا الجسم. فإذا أثر هذا المؤثر بقوة F على جسم فحركه باتجاه القوة مسافة r فإننا نعرف الشغل W الذي بذله بأنه:
W = F . r
وحيث أن ناتج الشغل هو طاقة ميكانيكية أي طاقة حركية أو طاقة وضع، فإن طاقة الحركة التي يزودها المؤثر كذلك إذا تحول الشغل إلى طاقة وضع U عند رفع الجسم إلى أعلى مثلا فان القوة اللازمة لرفع الجسم هي وزنه (m g) حيث g هي تسارع الجاذبية الأرضية. وبذلك فإن:
للجسم سوف تساوي الشغل المبذول عليه أي:
أما عند سقوط الجسم من الأعلى إلى الأسفل فإنه يحول الطاقة الكامنة فيه تدريجيا إلى طاقة حركة فتكون:
ونقول أن الطاقة الكامنة في الجسم قد تحولت كلها إلى طاقة حركة عندما يهبط الجسم إلى الارتفاع الأصلي الذي كان علية قبل رفعه. ومن الأمثلة على هذه التحولات البندول البسيط.
الطاقة لا تفنى ولا تخلق ولكنها تتحول من شكل إلى آخر.
وهكذا فيمكننا بواسطة الأجهزة المختلفة التي تم اختراعها وبناؤها في حضارتنا الحديثة تحويل أي شكل من الطاقة إلى أي شكل آخر.
ويبين الجدول التالي بعض الأجهزة التي تقوم بتحويل كل من أشكال الطاقة في العمود الأول إلى الشكل المقابل في العمود الثالث:


الشكل الثاني الجهاز الشكل الأول
طاقة صوتية الميكروفون طاقة كهربائية
طاقة كيمائية مدفأة الغاز طاقة حرارية
طاقة نووية المفاعل طاقة كهربائية
طاقة كهربائية المصباح طاقة ضوئية
طاقة كهربائية المروحة طاقة حركية





. الطاقة الحرارية :
1- ما هي الطاقة الحرارية :
في يوم حار قائظ يبحث المرء عن مكان ظليل يقيه التعرض المباشر للشمس التي تعتبر المصدر الأكبر للحرارة. فإذا استظل المرء بظل شجرة أو بناء فإنه يشعر بالراحة وذلك لأن الحرارة التي تصله من الشمس تقل. وينطبق هذا على الضوء لأن الظل بالمفهوم الدارج هو المنطقة التي يحجب عنها الضوء. فحرارة الشمس إذن كالضوء يمكن حجبها بواسطة مظلة أو بناء أو غيرها. والحقيقة أن الطاقة الحرارية والضوئية لهما منشأ واحد وعادة ما تترافق الحرارة مع الضوء حيث يشكل كل منها جزءا مما يسمى الطيف (الإشعاع) الكهرمنغاطيسي الذي يضم بالإضافة إليهما أشكالا أخرى من الطاقة الكهرمنغاطيسية. فالضوء هو أمواج كهرمغناطيسة والحرارة أيضا أمواج كهرمنغاطيسية تسمى الأشعة تحت الحمراء لكن طاقة كل منهما تختلف عن الأخرى وطبيعية الإحساس به تختلف أيضا. والطاقة الحرارية تنتقل بواسطة الأشعة تحت الحمراء وعندما تمتصها المادة فان جزيئاتها تتذبذب في موضعها بسرعة أكبر إن كانت صلبة أو تنتقل عشوائيا بسرعة أكبر إن كانت سائلا أو غازا وهذا ما نلاحظه عند تسجين الماء مثلا . وهنا نقول أن الطاقة الحرارية عند امتصاصها قد تحولت إلى طاقة حركية لكن على مستوى الجزيئات وليس على مستوى الأجسام ككل.

الطاقة الحرارية

مصادر الحرارة :



يمكن الحصول على الطاقة الحرارية كما ذكرنا سابقا من أي نوع من أنواع الطاقة الأخرى، غير أن هناك مصادر يكون التحويل منها إلى حرارة ضعيفا كالطاقة الضوئية والصوتية، وهناك مصادر قوية تعطي كمية كبيرة من الطاقة الحرارية التي يستفاد منها … ومن المصادر الضعيفة يمكننا الحصول على الطاقة الحرارية لأغراض القياس والتصوير والدارسة فقط كما في تصوير الكون بالأشعة تحت الحمراء، والمنظار الليلي ،وقياس درجة أما المصادر القوية فهي التي تعطينا كمية من الحرارة لاستخدامها في حياتنا العملية للأغراض المختلفة، كالطهي والتدفئة في المنازل والصناعات المختلفة من صهر وتشكيل المعادن إلى الصناعات البلاستيكية إلى تكرير البترول والصناعات الغذائية … الخ. وفيما يلي بعض المصادر القوية للطاقة الحرارية.

بعض مصادر الحرارة :
الشمس :

حرارة جسم المريض، ودرجة حرارة مياه البحر، ودرجة حرارة الجو …. الخ
تعد الشمس من أكبر مصادر الضوء والحرارة التي سخرها الله سبحانه وتعالى لاستمرار الحياة على سطح كوكبنا الأرض "وهو الذي جعل القمر نورا والشمس ضياء " وتمد الشمس أرضنا والكواكب الأخرى بالحرارة حسب بعدها عنها حيث يتلقى كل متر مربع من سطح الأرض في الثانية الواحدة ما معدله 1400 جول من الطاقة الشمسية، وتتوزع هذه الطاقة على أجزاء الأرض حسب قربها من خط الاستواء الذي يحظى بأكبر نصيب منها والطاقة الشمسية ضرورية لمعظم الكائنات الحية على سطح الأرض لاستمرار حياتها، وهي تمتص هذه الطاقة بطرق مختلفة خاصة الغطاء النباتي، وهي ضرورية للحفاظ على درجة حرارة سطح الأرض والغلاف الجوي والمائي لملائمة الكائنات التي تعيش في كل منها، ويمكننا الاستفادة من الطاقة الشمسية بطرق مختلفة فضلا عن ضرورتها للحياة بشكلها الطبيعي. فالسخانات الشمسية فوق أسطح المنازل تقوم على تسخين المياه بتعرضها المباشر للشمس، والخلايا الشمسية التي تولد الكهرباء تعتمد على تحويل الإشعاع الشمس إلى كهرباء تستخدم في المنازل وفي المشاريع الواقعة في المناطق النائية. وينظر إلى الطاقة الشمسية كمصدر نظيف للطاقة لا يلوث البيئة ولا توجد له مخاطر تذكر على الحياة على سطح الأرض وتتولد الطاقة الشمسية نتيجة تفاعلات الاندماج النووي، التي تحدث داخل الشمس وتجعلها بالتالي مصدرا مستعرا للحرارة إذ تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي 6000 درجة مئوية بينما ترتفع في باطنها إلى ملايين الدرجات وترسل الشمس الأشعة الكهرمغناطيسية بكل أنواعها ، ومن ضمنها الأشعة تحت الحمراء الحرارية وأشعة الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية التي تقوم طبقة الأوزون بعكس جزء كبير منها فتمنع عنا ضررها.

الفولتميتر واستخداماته

الفولتميتر واستخداماته

عندما يبدأ الشخص في بناء الدوائر الإليكترونية أو اكتشاف أعطالها فإنه سيحتاج إلى أجهزة قياس معينه لتحديد القيم المطلوبة في نقاط معينة من الدائرة. ومن أهم هذه الأجهزة وأكثرها تداولا هو المقياس متعدد الأغراض أو

وا جهاز يستخدم لقياس الكثير من الأشياء والتي من أهمها شدة التيار و فرق الجهد وكذلك المقاومة.

أنواع المقاييس متعددة الأغراض

هناك نوعان وهما

التمثيلي (Analog ) وهو نوع قديم ولكنه لايزال يستخدم



الرقمي (Digital ) وهو واسع الاستخدام و اسهل من التمثيلي


التمثيلي

(Analog )

مكونات التمثيلي

قد تختلف الأشكال من جهاز إلى آخر ولكنها جميعاً تحتوي على أجزاء متشابهة.


مداخل المجسات:

هنا تدخل المجسات المستخدمة للقياس. وهي مؤشرة بالاشارات + و – أي سالب وموجب.

لاحظ أننا إذا عكسنا المجسات أثناء القياس فإن المؤشر سوف يتحرك بالجهة الأخرى. إذا حدث ذلك يجب إزالة المجسات وتركيبها في الجهة الصحيحة.

معيار المقاومة:

يستخدم هذا المفتاح لمعايرة الجهاز أي ضبط موقع الصفر عندما لايكون الجهاز مستخدماً . في الملتيمتر التمثيلي أجزاء متحركة ويحتاج إلى الضبط بعد عدة استخدامات.

مفتاح اختيار نوع القياس

بهذا المفتاح يمكننا أن نختار قياس تيار

أو جهد متردد (AC) أو ثابت (DC)

كما يجب أن نضع هذا المفتاح في وضع DC عندما نريد قياس قيمة المقاومة

مفتاح اختيار عملية القياس

نلاحظ أن هذا المفتاح مقسم إلى عدة أقسام هي:

الفولت ويشار اليها بالقيمة القصوى ثم حرف V

الأمبير ويشار اليه بالقيمة ثم حرفي MA أي ميللي أمبير

المقاومة ويشار اليه بالحرف R


شاشة القراءات

نلاحظ هنا أنه يوجد ثلاثة مقاييس رئيسية وهي:

مقياس المقاومة: وهو المقياس العلوي فعندما نقيس قيمة مقاومة فلا ننظر إلا إلى هذا المقياس. لاحظ أن تقسيمات مقياس المقاومة تبدأ من اليمين إلى اليسار ( أي أن الصفر في جهة اليمين)

مقياس دي سي (DC) : وهو أسفل مقياس المقاومة. ويمكننا بهذا المقياس قراءة قيمة الجهد والتيار الثابتين (DC)

لاحظ هنا أن هذا المقياس يحتوي على ثلاثة تقسيمات الأول يبدأ من صفر إلى 10 والثاني يبدأ من صفر إلى 50 أما الثالث فيبدأ من صفر إلى 250

مقياس اي سي (AC) : ويشارك مقياس دي سي في التقسيمات السابق ذكرها.




كيفية قراءة القياسات في التمثيلي


أفضل طريقة لشرح طريقة القراءات هي باعطاء الأمثلة:

قياس المقاومة

لقياس المقاومة يجب أن نحرك مفتاح اختيار القياس إلى أحد الأماكن التي أمامها حرف R


لنفرض أننا عند قياس المقاومة حصلنا على هذه القراءة

أولا لأننا نقرأ قيمة المقاومة فيجب أن ننظر إلى المقياس العلوي فقط. نرى هنا أن المؤشر يشير إلى القيمة 12.


الرقمي

(Digital )

تعتبر الرقمية من أكثر أجهزة القياسات استخداما في مجال الاليكترونيات وذلك لما توفره من سهولة الاستخدام بالاضافة إلى الدقة في القراءة



مكونات الرقمي

قد تختلف الأشكال من جهاز إلى آخر ولكنها جميعاً تحتوي على أجزاء متشابهة.



مداخل المجسات:

هنا تدخل المجسات المستخدمة للقياس. وهي

مدخل موجب وهو مؤشر بالرموز (VWmA ) ويستخدم عند قياس المقاومة والجهد والتيار بالميللي أمبير

مدخل سالب وهو مؤشر بالرموز (COM)

مدخل التيار الثابت بالأمبير وهو مؤشر بالرموز (10ADC) وقد يكون مؤشرا باشارة أخرى حسب قدرة قياس الملتيمتر الذي لديك.

لاحظ أننا إذا عكسنا المجسات أثناء القياس فإن إشارة السالب – ستظهر في الشاشة بجانب الأرقام.



مداخل قياسات الترانزستور:

ويستخدم لقياس الكسب (hfe)

وهنا تدخل أطراف الترانزستور في الجزء المؤشر PNP أو NPN بحسب نوعه

مفتاح اختيار عملية القياس

نلاحظ أن هذا المفتاح مقسم إلى عدة أقسام هي:

OFF ويستخدم لاطفاء الملتيمتر حيث أنه يعمل بالبطارية فلا تنس إطفاء الجهاز عند عدم استخدامه.

DCV ونحرك المفتاح إلى هذا الوضع عند رغبتنا بقياس الجهد الثابت وهو مقسم إلى عدة أقسام بحسب قيمة الجهد المراد قياسه.

ACV ونحرك المفتاح إلى هذا الوضع عند رغبتنا بقياس الجهد المتردد

DCA ونحرك المفتاح إلى هذا الوضع عند رغبتنا بقياس التيار الثابت الصغير أي ميللي أمبير أو مايكرو أمبير. وهو مقسم إلى عدة أقسام بحسب شدة التيار المراد قياسه.

10A ونحرك المفتاح إلى هذا الوضع عند رغبتنا بقياس التيار الثابت بالأمبير

W ونحرك المفتاح إلى هذا الوضع عند رغبتنا بقياس المقاومة وهو مقسم إلى عدة أقسام بحسب قيمة المقاومة.

(رمز الديود)ويستخدم لاختبار الصمامات الثنائية (الدايود)



كيفية قراءة القياسات في الرقمي


قياس المقاومة



لقياس المقاومة يجب أن نحرك مفتاح اختيار القياس إلى أحد الأماكن التي أمامها رمز W



أما المجسات فالمجس الأحمر يدخل في الفتحة المؤشرة بالرموز VWmA والمجس الأسود يدخل في الفتحة المؤشرة بالرمز COM



ستظهر القراءة على الشاشة ولكن إذا ظهرت هذه القراءة فمعنى ذلك أن قيمة المقاومة أعلى من القيمة التي اخترناها باستعمال مفتاح اختيار القياس. عند ذلك يجب تحريك المفتاح إلى وضع آخر بقيمة أكبر حتى تظهر لنا قيمة المقاومة



قياس الجهد

قياس الجهد الثابت DC

لقياس الجهد الثابت (DC) يجب أن نحرك مفتاح اختيار القياس إلى أحد الأماكن التي أمامها الرمز DCV

أما المجسات فالمجس الأحمر يدخل في الفتحة المؤشرة بالرموز VWmA والمجس الأسود يدخل في الفتحة المؤشرة بالرمز COM

عند القياس ستظهر القراءة على الشاشة مباشرة ويمكننا تحريك مفتاح اختيار القياس للحصول على أفضل قراءة بحسب قيمة الجهد.



أي إذا كنا نقيس جهدا بحدود 15 فولت مثلا فنحرك المفتاح إلى وضع 20 أي أن الجهاز في هذه الحالة باستطاعته قياس الجهود إلى 20 فولت كحد أعلى

قياس الجهد المتردد AC

لقياس الجهد المتردد (AC) يجب أن نحرك مفتاح اختيار القياس إلى أحد الأماكن التي أمامها الرمز ACV وهي في الجهاز الموضح سابقا إما 200 أو 750 فولت.

فإذا أردنا قياس جهد أقل من 200 فولت فنحرك المفتاح إلى وضع 200 فولت أما إذا أردنا قياس جهد أعلى من 200 فولت فنحرك المؤشر إلى وضع 750 فولت



قياس التيار

قياس التيار الثابت DC

لقياس التيار الثابت (DC) بالميكرو أو الميللي أمبير يجب أن نحرك مفتاح اختيار القياس إلى أحد الأماكن التي أمامها الرمز DCA

أما المجسات فالمجس الأحمر يدخل في الفتحة المؤشرة بالرموز VWmA والمجس الأسود يدخل في الفتحة المؤشرة بالرمز COM

إذا كان التيار المراد قياسه ذو شدة عالية (في الجهاز الموضح 10 أمبير كحد أقصى وقد يختلف ذلك من جهاز إلى آخر ) فيوصل المجس الأحمر بالفتحة المؤشرة بالرمز 10A



عند القياس ستظهر القراءة على الشاشة مباشرة ويمكننا تحريك مفتاح اختيار القياس للحصول على أفضل قراءة بحسب شدة التيار.

جهاز الأميتر

جهاز الأميتر

وظيفته :
جهاز يستخدم لقياس شدة التيارات الكبيرة في الدائرة الكهربائية.



تركيبه : جلفانومتر مضافا إليه مقاومة صغيرة جدا (م ) توصل مع ملف الجلفانومتر على التوازي ( تسمى مجزئ التيار )
السبب: ليحدث تفرع للتيار المراد قياسه (ت) حيث يمر جزء صغير من التيار (ت1) عبر ملف الجلفانومتر والجزء الكبير من التيار يمر عبر المقاومة الصغيرة (م) ( تذكر أن العلاقة بين شدة التيار والمقاومة هي علاقة عكسية وفق قانون أوم )



العلاقة الرياضية :




بما أن المقاومتان على التوازي :
فرق الجهد ثابت
ويكون جـ = جـ .م. ت1 = م ( ت – ت1 )
م = م. × ت1 / ( ت- ت1)
لاحظ أن القوة المضاعفه للمجزئ
ض = ت/ت1
مقاومة مجزئ التيار
م = م. / ( ض – 1 )
توضيح الرموز :
م. : مقاومة الجلفانومتر
ت1 : التيار المار في الجلفانومتر ( أكبر تيار )
م : مقاومة مجزئ التيار ( المقاومة المضافة )
ت : شدة التيار الذي يقيسه الأميتر ( أكبر تيار )
( ت- ت1) : التيار المار في مجزئ التيار

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.

الكهرباء الساكنة

الكهرباء الساكنة

هي فرع العلم الذي يتعامل مع ظاهرة الانجذاب الكهربي. منذ التاريخ القديم ومعروف أن بعض المواد تجذب الحبيبات الصغيرة بعد دعكها. كلمة إلكترون أطلقت على أجزاء كثيرة من العلم الطبيعي. ظاهرة الكهرباء الاستاتيكية جائت من القوى الكهربية التي تحدث بين الشحنات المختلفة. هذه القوى وصفها قانون كولوم. ولكن هذه القوى تعتبر قوى ضعيفة, فالقوى الكهربية بين الالكترون والبروتون, التي تجعلهم منجذبين لبعض في ذرة الهيدروجين, حوالي 40 ماجنينيوت من قوة التجاذب بينهم.

تنشأ الكهرباء الساكنة بسبب تجمع الكترونات أو غيابها في منطقة ما.

صورة برق بمدينة تورنتو.

الورق ينجذب إلى القرص المضغوط المشحونة

تتمثل الكهرباء السكونية بتجمع الشحنات الكهربائية على أجسام المعدات المختلفة, وهي ظاهرة طبيعية. تكمن المشكلة في تجمع الشحنات على جسم ما للحد الذي يشكل انتقالها إلى جسم آخر حدوث شرارة كهربائية, في الطبيعة يتم تحرك وانتقال الشحنات من جسم إلى آخر بحرية لا يضبطها إلا قانون أو خاصية بسيطة وهي انتقالها من جسم إلى آخر بهدف التعادل والتوازن بين كمية الشحنات المتجمعة.
عند تحرك هذه الشحنات يحصل سريان لخطي للتيار الكهربائي, كما تحصل شرارة كهربائية عند تحرك الشحنات من موقع إلى
آخر عبر الجو، أي عندما تقفز تلك الشحنات من جسم ذو كمية عالية من الشحنات إلى الجسم الآخر ذو شحنات اقل.
يمكن ملاحظة هذه الظاهرة يوميا عند خلع الملابس المصنعة من النايلون أو البوليستر في غرفة مظلمة ليلا فسنلاحظ ظهور شرر وصوت لفرقعات بسيطة وهذا نتيجة لانتقال الشحنات الكهربائية.
كذلك يمكن ملاحظة هذه الظاهرة عند تقريب ساعدنا المشعر من شاشة التلفاز فسنلاحظ وقوف الشعر وانجذابه إلى شاشة التلفاز.
تشكل هذه الظاهرة مشكلة كبيرة في الصناعة والمعامل وخصوصا في الصناعة النفطية والغازية مثلا, فأن انتقال الشحنات قد يسبب شارة قد تكون كافية لإيقاد الغازات والأبخرة المتواجدة بالموقع.
لتجاوز مشاكل هذه الظاهرة بسيط في ظاهره وهو جعل كافة الأجسام متعادلة من حيث تجمع الشحنات عليها, فلن يكون هناك تجمع للشحنات على جسم ما يفوق ما هو متجمع على الجسم الآخر.
لذا من العادة ربط جميع الأجسام المعدنية في المعمل مع بعضها وربطها مع الأرض من خلال نظام للتأريض بهدف تفريغ كل الشحنات الكهربائية المتجمعة إلى الأرض.
تبقى مشكلة الشحنات المتكونة في الغيوم وتفريعها في ما بينها وبين الأرض والتي كثيرا ما سببت في حرائق الغابات, أما لحماية المسقفات والأبنية المرتفعة فيكون بواسطة نظم لمانعات الصواعق والتي تقوم بتسريب الشحنات والجهد الكهربائي العالي المصاحب لها للأرض.

 

تجربة الكهرباء الساكنة

قانون نيوتن الاول

قانون نيوتن الأول 

قانون نيوتن الأول هو أحد قوانين الحركة التي وضعها العالم الإنكليزي إسحاق نيوتن وينص على التالي:

يظل الجسم في حالته الساكنة(إما السكون التام أو التحريك في خط مستقيم بسرعة ثابتة) ما لم تؤثر عليه قوة تغير من هذا الحالة.



يشير القانون الأول للحركة -في علم الفيزياء- أنه إذا كان مجموع الكميات الموجهة من القوى التي تؤثر على جسم ما صفرا، فسوف

يظل هذا الجسم ساكنا. وبالمثل فإن أي جسم متحرك سيظل على حركته بسرعة ثابتة في حالة عدم وجود أية قوى تؤثر عليه مثل

قوى الاحتكاك.

ولقد استطاع العالم ابن سينا في القرن الرابع الهجري / العاشر الميلادي أن يصوغ في كتابه الإشارات والتنبيهات هذا القانون بلفظه:

"إنك لتعلم أن الجسم خلي وطباعه، ولم يعرض له من خارج تأثير غريب، لم يكن له بد من موضع معين، فإذن في طباعه مبدأ

استيجاب ذلك".
ويشير إلى خاصية القصور الذاتي للجسم التي بها يدافع عن استمراره في الحركة المنتظمة وهو المعنى الثاني للقانون الأول للحركة

فيقول: " الجسم له في حال تحركه ميل (مدافعة) يتحرك بها، ويحس به الممانع ولن يتمكن من المنع إلا فيما يضعف ذلك فيه، وقد

يكون من طباعه، وقد يحدث فيه من تأثير غيره فيبطل المنبعث عن انطباعه إلى أن يزول فيعود انبعاثه. وهذا هو القانون الأول لابن

سينا.
ويقول في كتابه الشفاء: "... وليست المعاوقة للجسم بما هو جسم، بل بمعنى فيه يطلب البقاء على حاله من المكان أو الوضع... وهذا

هو المبدأ الذي نحن في بيانه". ويستطرد في تأكيده لذات المعنى مرة أخرى بقوله: "ولكننا إذا حققنا القول، وجدنا أصح المذاهب

مذهب من يرى أن المتحرك يستفيد ميلا من المحرك، والميل هو ما يحس بالحس إذا ما حوول أن يسكن الطبيعي بالقسر، أو القسري

بالقسر". أي أن الجسم يكون له -حال تحركه- ميل للاستمرار في حركته، بحيث أنه إذا تمت إعاقته أحس الموقف بمدافعة يبديها

الجسم للإبقاء على حاله من الحركة سواء كانت هذه الحركة طبيعية أو قسرية.

وهذا يعني أن ابن سينا يدلل بأن الجسم إذا لم يتعرض لقاسر خارجي، وترك لطبعه، فإن فيه خاصية تدعو للمحافظة على حالته

الطبيعية، وتدافع عن بقائه على ما هو عليه.

علم الفيزياء

الفيزياء

هي العلم الذي يدرس كل ما يتعلق بالمادة وحركتها. بالإضافة إلى مفاهيم أخرى كالفضاء والزمن، ويتعامل مع خصائص كونية

محسوسة يمكن قياسها مثل القوة والطاقة والكتلة والشحنة. وتعتمد الفيزياء المنهج التجريبي، أي أنها تحاول تفسير الظواهر الطبيعية

والقوانين التي تحكم الكون عن طريق نظريات قابلة للاختبار.

تعتبر الفيزياء من أحد أقدم التّخصصات الأكاديمية، فهي قد بدأت بالبزوغ منذ العصور الوسطى وتميزت كعلم حديث في القرن

السابع عشر، وباعتبار أن أحد فروعها، وهو علم الفلك، يعد من أعرق العلوم الكونية على الإطلاق.

وللفيزياء مكانة متميزة في الفكر الإنساني، فهي تأثرت كما كان لها الأثر الحاسم في بعض الحقول المعرفية والعلمية الأخرى مثل

الفلسفة والرياضيات وعلم الأحياء. ولقد تجسدت أغلب التّطورات التي أحدثتها بشكل عملي في عدّة قطاعات من التقنية والطب. فعلى

سبيل المثال، أدى التّقدم في فهم الكهرومغناطيسية إلى الانتشار الواسع في استخدام الأجهزة الكهربائية مثل التلفاز والحاسوب؛ وكذلك

تطبيقات الديناميكا الحرارية إلى التطور المذهل في مجال المحركات ووسائل النقل الحديثة؛ وميكانيكا الكم إلى اختراع معدات مثل

المجهر الإلكتروني؛ كما كان لعصر الذرة، بجانب آثاره المدمرة، استعمالات هامة في علاج السرطان وتشخيص الأمراض وتوليد

الطاقة.

معظم الفيزيائيين اليوم يكونون متخصصين في مجالين متكاملين وهما الفيزياء النظرية أو الفيزياء التجريبية، وتهتم الأولى بصياغة

النظريات باعتماد نماذج رياضية، فيما تهتم الثانية بإجراء الاختبارات على تلك النظريات، بالإضافة إلى اكتشاف ظواهر طبيعية

جديدة. وبالرغم من الكم الهائل من الاكتشافات المهمّة التي حققتها الفيزياء في القرون الأربعة الماضية، إلا أن العديد من المسائل لا

تزال بدون حلول إلى حد الآن،  كما أن هناك مجالات نظرية وتطبيقية تشهد نشاطًا وأبحاثًا مكثّفة.

هناك اعتقاد بأن "الفيزياء فرع من فروع الرياضيات" اعتقاد خاطئ تمامًا، لأن النماذج الرياضية تستعمل في علم الفيزياء فقط

لتسهيل فهم الظواهر الفيزيائية والتعبير عنها في صورة معادلة رياضية كما في الفيزياء النظرية. وأن مضامين النماذج الرياضية في

أي علم من العلوم الطبيعية لا يتدخل في شأنها علم الرياضيات، فالمعادلة الفيزيائية الرياضية هي لغة الفيزياء. فالفيزياء علم مستقل

بذاته.

فروعه

 له عدة فروع مثل الفيزياء الذرية ، الفيزياء النووية، النظرية النسبية ، البصريات، الصوتيات، الكهربية، المغناطيسية ،

الديناميكا الحرارية، الميكانيكا ، ميكانيكا الكم ،...إلخ. وبالرغم من أن علم الفلك يقوم بدراسة الأجسام السماوية إلا أنه يعد أحد

فروع الفيزياء.

تقدم العلم

تطورت الفيزياء كما نعرفها اليوم، من سلسلة الملاحظات التي جمعتها الحضارات القديمة حول مختلف الظواهر الطّبيعية وخاصة

منها الفلكية، والمتعلقة بالتقويم وتقدير الزمن، كحركة الشّمس وأدوار القمر وتشكيلات النجوم. وقد توصل الفلاسفة الإغريقيون إلى

استنباط نظريات أولية لتفسير تلك الظواهر، وذلك باتباع منهج منطقي واستدلالي بحت في ما يسمى بالفلسفة الطّبيعية.

الفيزياء في الحضارة العربية والإسلامية

كان للحضارة العربية-الإسلامية دور رئيسي في بداية صياغة هذا علم الفيزياء (الذي كان يعرف عند العلماء المسلمين

بالطبيعيات). فقد أنقذ ميراث الفلاسفة الإغريق من الضياع بترجمته إلى اللغة العربية ثم وقع إثرائه وتنقيحه وتصحيحه. فقد قدم

العلماء المسلمون المحيطون بمعرفة الأولين من أمثال أرسطو وبطليموس (وغيرهم) نظرياتهم الخاصة وابتكارات عديدة في

مجال علم الفلك، والبصريات، والميكانيكا. فعلى سبيل المثال لا الحصر، يعتبر ابن الهيثم رائد علم البصريات في كتابه المناظر.

اشهر علماء الفيزياء

علماء الفيزياء

أ)أسهم علماء الفيزياء المسلمون أسهامات كبيرة في تطور علم الفيزياء نذكر منهم:

1-الحسن ابن الهيثم (430- 354 هجري) اشتهر بدراسة علم الضوء ونظرياته في علم البصريات.

2-أبو الريحان البيروني (443-362 هجري) عين الكثافة النوعية للكثير من العناصر الطبيعية بإستخدام جهازه الذي أخترعه.
3-الشيخ الرئيس ابن سينا (428-370 هجري) درس ابن سينا أنواع القوى، وعناصر الحركة ومقاومة الوسط.

4-ابو الفتح الخازني (550 هجري) أبدع في دراسة علم الحركة وعلم السوائل الساكنة.
5-ابن ملكا البغدادي (560 هجري) درس القانون الثالث للحركة .
ب)ثم أتى بعد ذلك علماء أوربيين كثير نذكر منهم :
1-جاليلو جاليلي الايطالي (1642-1564) الذي اكتشف 4 من أقمار المشتري بعد صنعه لمنظاره الخاص، واستطاع بمنظاره

المتواضع أن يكتشف الجبال الموجودة على القمر. و درس السقوط الحر للأجسام و أثبت بعد التجربة أن سقوط هذه الأجسام لا

يعتمد على كتلتها.

2-كبلر الألماني (1571) صاحب القوانين الثلاثة المشهورة التي تدرس حركة الكواكب حول الشمس.
3-نيوتن البريطاني (1727-1643) الذي وضع 3 من أجمل و أهم القوانين في الفيزياء و هي قوانين نيوتن والتي تساعدنا في

فهم العلاقة بين القوة والحركة وتوضح معنى القصور الذاتي للأجسام، كما أن هذا العالم العبقري وضع قانون الجاذبية الكوني،

واخترع علم التفاضل، وساهم في تطور علم البصريات.
4-العالم الاسكتلندي جيمس واط (1819-1736) الذي أخترع المحركات البخارية الحديثة التي تعمل بمبدأ التكثف.
5-أمبير العالم الفرنسي (1836-1775) من مؤسسي النظرية الكهرومغناطيسية.
6-العالم الدنماركي أورستد (1851-1777) الذي أكتشف المجال المغناطيسي الناتج عن سريان تيار كهربائي في سلك.
7-أوم العالم الألماني (1854-1789) الذي اكتشف العلاقة الطردية بين تدفق التيار في سلك و فرق الجهد الكهربائي، والعلاقة

العكسية بين التدفق والمقاومة.
8-العالم الانجليزي مايكل فاراداي (1867-1791) الذي اكتشف الحث الكهرومغناطيسي.
9-العالم الفرنسي كارنوت (1832-1796) الذي ساهم في نشوء علم الديناميكا الحرارية ( الثرموديناميك).
10-دوبلر العالم الاسترالي (1853-1803) الذي اشتهر بتجاربه على الموجات الصوتية، وعرفت ظاهرة تغير طول الموجة لموجة ما الناتجة عن الحركة النسبية بين المصدر والملاحظ باسمه " تأثير دوبلر".
11-العالم الإلماني وبر (1891-1804) الذي اشتغل على البنيئة الكهربائية للمادة.
12-جيمس جول البريطاني (1889-1818) الذي درس المكافئة الميكانيكية للحرارة.
13-العالم الألماني ردولف كلاسيوس (1822-1888) الذي طور قانون الديناميكا الحرارية الثاني.
14-لورد كلفن العالم البريطاني (1824-1907) شارك في تطور الديناميكا الحرارية، و أقترح درجة الحرارة المطلقة.
15-العالم الألماني كوستاف كرتشوف (1887-1824) طور قوانين التحليل الطيفي الثلاثة، وقواعد تحليل الدوائر الكهربائية الثلاثة، وساهم في علم البصريات.
16- العالم البريطاني ماكسويل (1897-1831) الذي كان بارعاً في الرياضيات، ساهم هذا العالم بدور ريادي في دمج الظاهرة الكهربائية والظاهرة المغناطيسية وذلك من خلال معادلاته الرياضية الأربعة ذايعت الصيت، وساهم في تطور النظرية الحركية للغازات.

الكاميرا

الكاميرا

الكاميرا،(وأصلها القُمْرَة) هي آلة تصوير، لصور ثابتة أو متحركة (فيديو). والمصطلح «كاميرا» في اللغات الأوروبية أتى من العبارة

اللاتينية «قاميرا أُبسقورا» (باللاتينية: camera obscura) وأصلها الكلمة العربية «القُمرة» والتي تعني «الغرفة المظلمة».

أول وصف لها عن ابن الهيثم في سياق دراسته علم البصريات وذلك في داخل الجامع الأزهر بالقاهرة.

تاريخ

 

 

منذ أقدم العصور يسعى الأنسان إلى حفظ صور حياته، فبدأت بالرسم في الكهوف ثم الرسم على الجدران(مثل المصريين القدماء),

ثم بورتريهات من الشمع... الخ. حتى توصل العالم العربي المسلم الحسن بن الهيثم، حين تم سجنه في عهد الخليفة العباسي

المتوكل على الله، إذ لم يثنه هذا السجن عن مواصلة بحثه العلمي في الضوء والبصريات، والاستمرار في تسجيل ملاحظاته في

سلوك الضوء وانعكاساته، فما كان منه إلا أن سجل ملاحظته لدخول الضوء من خلال ثقب في جدار السجن وسقوطه على الجدار

المقابل حاملا معه صورة غير حادة الملامح ومقلوبة لشجرة موجودة في خارج الزنزانة. سجل ابن الهيثم ملاحظاته هذه حول

انتقال صورة الشجرة مقلوبة مع الضوء من خلال الثقب، فوضع العديد من الملاحظات في هذا الموضوع، ووصف الأمر وصفا

دقيقا، موضحا قوانين الضوء في هذه الحالة. دون ابن الهيثم اكتشافه هذا ووصفه في كتاب المناظر،، وفى عام 1660 طور العالم

الإيرلندي روبيرت بويل هو ومساعده الكاميرا البدائية وأدخلوا لها الأضواء .

تركيب الكاميرا

 

 

 

تتكون الكاميرا من مجموعة من العدسات تعمل على تجميع الضوء في بؤرة. وعن طريق استخدام مجموعة من العدسات المختلفة

الشكل مع الاختيار المناسب لمواد زجاج العدسات (ذات معاملات انكسار مختلفة)، يمكن بذلك تفادي اختلال الأشعة المجمعة، (إذا

لم يكن اختيار العدسات صحيحا فيؤدي ذلك إلى إنتاج صورة غير واضحة سيئة التباين أو تنفصل ألوان الضوء في الصورة

الناتجة، أو يحدث الاختلالين معا).


يتميز نظام العدسات بعة بيانات :

• فتحة العدسة f وهي تحدد زاوية دخول الاشعة إلى الكاميرا.

• شدة تمرير العدسات للأشعة L ، وهو يعطي كمية الضوء الذي تُدخله العدسات إلى الفيلم عندما تكون فتحة العدسة

مفتوحة على آخرها. وتقاس هده الشدة بالعدد:L = d/f،

[ حيث d : قطر العدسة الأولى (عدسة دخول الأشعة)]، مثل L = 1 : 2,0.

إذا كان لمجموعة العدسات f = 60 mm ، فهذا يعني أن قطر عدسة دخول الأشعة 30 مليمتر. وإذا كانت شدة العدسات 1 : 4

يكون فتحة عدسة الدخول بقطر 15 مليمتر. أي يدخل الكاميرا ضوء أقل، وبالتالي تقل حساسية الكاميرا، ولذلك تكون منخفضة

الثمن.

• ولكي يحصل الفيلم على مقدار الأشعة الكافي لالتقاط الصورة، فيمكن التوصل إلى ذلك بطريقتين:
• إما عن طريق توسيع فتحة الكاميرا "إيريس"، فيدخلها ضوء أكثر.
• عن طريق زمن انفتاح العدسة للتصوير. وتعطي بيانات الفيلم زمن انفتاح الكاميرا لالتقاط صورة. وتختلف تلك الأزمنة بين عدة مليثانية إلى عدة ثوان.

يوجد نوع من الكاميرات تعمل بانعكاس مرآة داخلية. يسقط جزء من الضوء الداخل من نظام العدسات على المرآة فتعكسه على

منشور قبل وبعد التصوير، وتمكّن المصور لأن يختار الجسم ومحيطه تماما، فما يراه في نافذة اختيار الصورة ما هو إلا انعكاس

على المرآة الداخلية، وهو تماما "محيط الصورة" التي سيلتقطها. عندئذ يمكن للمصور التقاط الصورة.

إما في الكاميرات التي لا تعمل بمرآة عاكسة فتكون فتحة نظر المصور للتصوير غير فتحة نظام العدسات، ولذلك تأتي الصورة

منزاحة بعض الشيئ عن محيط الصورة الذي أراد المصور تصويره.

بالإضافة إلى نظام العدسات في الكاميرا، وحائل توسيع أو تضييق "أيريس" العدسات، والحائل الحاجب للضوء (وهو يفتح عند

التقاط الصورة لزمن معين ، ثم يقفل )، فتجمع الكاميرا بين تلك الأنظمة في غرفة مظلمة تماما، هي الكاميرا أو "القمرة".

قانون كولوم

قانون كولوم

قانون كولوم في الفيزياء يعطى العلاقة بين القوة الكهربائية ومقدر هذه الشحنات الكهربية والمسافة بينهما، توصل إليه العالم الفرنسى شارل كولوم (1736-1806 عام 1795، وهو ضرورى لتطوير نظرية الكهرومغناطيسية.

نص قانون كولوم

"تؤثر شحنتان نقطيتان ساكنتان ببعضهما في الخلاء بقوتين متعاكستين محمولتين على الخط الواصل بينهما شدتهما المشتركة تتناسب طردياً مع القيمتين المطلقتين لكل منهما، وعكسياً مع مربع المسافة بينهما".

الصيغة الرياضية

حيث F =القوة الكهربائية
حيث K =ثابت كولوم
حيث q1  q2  =الشحنات الكهربائية
حيث r =المسافة

ملاحظات حول القانون

1. قيمة الشحنتان تعوض بدون إشارة(يعني الشحنة السالبة تعوض في القانون بدون الإشارة السالبة)
2. في نهاية الحل وبعد ايجاد قيمة القوة يجب تحديد اتجاه القوة (ما إذا كانت تجاذب ام تنافر) وسيتم توضيح ذالك في جزء لاحق.

اثبات قانون كولوم

1. القوة تتناسب طردي مع مقدار الشحنتين
2. القوة تتناسب عكسي مع مربع المسافة بين الشحنتين

التجاذب والتنافر

إذا كانت الشحنتان متشابهتان بالنوع فتكون القوة المتبادلة بينهما تنافر وإذا كانت الشحنتان مختلفتان بالنوع تكون القوة تجاذب.
وإذا أردنا أن نحسب المحصلة الكلية لعديد من القوى الناشئة عن أكثر من شحنة نقوم بدراسة تاثير كل شحنة على الشحنات الأخرى وثم نقوم بتحليل تلك القوى الناشئة تحليل اتجاهي وثم نجمع القوى الواقعة على كل محور. ونأتي بذلك على متجة يمثل محصلة القوي الناشئة عن توزيع الشحنات في توزيع معين.

وهذا مقطع لدكتور بالجامعة يشرح لطلابه عن قانون كولوم

الاستقطاب

الاستقطاب

الاستقطاب من أهم خصائص الموجات الكهرطيسية لأنها موجة مستعرضة. والجدير بالذكر أن الموجات الطولية لا يحدث لها

استقطاب كما هو الحال في الموجات الصوتية.

معنى الاستقطاب

ولتوضيح معنى الاستقطاب الذي يمثل موجة عرضية تنتشر في حبل يهتز. وهذه الموجة عرضية لأنها تنتشر على طول الحبل

الذي يهتز في اتجاه عمودى على اتجاه انتشار الموجة.

المستقطب في هيئة شبكة مصبّعة يسمح بنفاذ الموجة المهتزة عرضيا

في نفس اتجاه فتحات الشبكة ويمنع الأشعة الأخرى المهتزة في اتجاهات أخرى.

نلاحظ في الشكل أنه إذا كان اهتزاز الموجة يحدث في اتجاه الفتحة فإن الموجة ستنفذ خلال الفتحة وفي هذه الحالة تسمى موجة

مستقطبة خطيا linearly polarized wave أي أن الموجة تمر في الفتحة إذا كان اتجاه استقطابها موازيا لاتجاه الفتحة أما

عندما تكون الفتحة متعامدة مع اتجاه استقطاب الموجة فإن الموجة لا تمر. ويسمى الاتجاه الذي يحدث فيه اهتزاز الموجة

المستقطبة خطيا باتجاه الاستقطاب polarization axis وإذا اعتبرنا الموجة الكهرومغناطيسية سنجد أن الموجة تنتشر في

اتجاه محور السينات مثلا أو المحور x ويتذبذب المجال الكهربى في اتجاه محور الصادات أو المحور y بينما يتذبذب المجال

المغناطيسى في اتجاه المحور ع أو.المحورz

هذه الموجة مستقطبة خطيا ويؤخذ اتجاه المجال الكهربى على أنه اتجاه الاستقطاب أو محور الاستقطاب. وعادة لا يذكر المجال

المغناطيسى للسهولة ولأنه دائما عمودى على المجال الكهربى. أما الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبعث من مصدر ضوئي

عادى كفتيل المصباح الكهربى مثلا فإنها تكون غير مستقطبة unpolarized وفي هذه الحالة يتذبذب المجال الكهربى للضوء

الغير مستقطب في جميع الاتجاهات مع كونه متعامدا مع اتجاه انتشار الضوء. وفي حالة الضوء الغير مستقطب يمكن تحليل

المجال الكهربى إلى مركبتين في اتجاهين متعامدين كلاهما متعامد مع اتجاه انتشار الموجة وللاستقطاب أنواع منها: الاستقطاب

بالانعكاس: إن أبسط الطرائق المتبعة لتوليد ضوء مستقطب استقطاباً مستقيماً هي طريقة الانعكاس الزجاجي (الانعكاس عن

السطح الفاصل بين وسطين عازلين كالهواء والزجاج مثلاً). ويمكن إيضاح هذا الاستقطاب بإسقاط ضوء طبيعي وحيد اللون على

السطح المستوي للوح زجاجي (مرآة مستوية) إن الضوء الطبيعي، كما سبق ذكره، يُعدّ مؤلفاً من اهتزازتين عرضانيتين

متعامدتين وغير مترابطتين وبذلك يصبح الضوء المنعكس مستقطباً استقطاباً مستقيماً، ويوصف اللوح الزجاجي في هذه الحالة

بأنه مقطِّب الاستقطاب بالانكسار المضاعف: تقسم الاوساط الفيزيائية إلى قسمين : متماثل المناحي isotropic: كالغازات

والسوائل مختلف المناحي anisotropic:كبلورة الكلسيت وتتصف الأوساط متباينة المناحي بأنه يحدث فيها انكسار مضاعف

(مزدوج). فإذا وضعت صفيحة من الكلسيت على رقعة من الورق الأبيض رُسمت عليها نقطة. فإنه يُرى لهذه النقطة صورتان

(خيالان) حين يُنظر إليها ناظمياً. وحين تُدار الصفيحة في مستويها تظل إحدى الصورتين ثابتة في حين تدور الصورة الأخرى

حولها. وتوصف البلورة بأنها أحادية المحور إذا كان لها محور ضوئي واحد، وتوصف بأنها ثنائية المحور إذا كانت ذات محورين

ضوئيين. أنواع الستقطاب المضاعف: النكسار المضاعف (الطارئ-الميكانيكي-الكهربائي-المغناطيسي) استقطاب الضوء بالتبعثر:

عندما تسقط حزمة من ضوء طبيعي على جزيئات أو جسيمات أبعادها من مرتبة طول موجة الضوء λ يتبعثر (يتشتت) الضوء في

كل المناحي ويلاحظ أن الضوء المبعثر في اتجاه ما يكون مستقطباً استقطاباً جزئياً بوجه عام، ولكنه يكون مستقطباً استقطاباً تاماً

إذا كان مبعثراً في منحىً عمودي على منحى انتشار الحزمة الأصلية. ويمكن تفسير استقطاب الضوء المبعثر بفعل الجسيمات

الدقيقة بالقول: إن هذه الجسيمات تحتوي على إلكترونات تهتز اهتزازاً قسرياً بتأثير الضوء الساقط عليها فيكون منحى اهتزازها

كمنحى الاهتزازة الضوئية الواردة، وتصبح هذه الجسيمات منابع ضوئية ينتشر منها الضوء في كل الاتجاهات. أنماط الضوء

المستقطب : الضوء المستقطب استقطابا مستقيما الضوء المستقطب استقطابا دائريا الضوء المستقطب استقطاب اهليليجيا.

المستقطب Polarizer - البـولارويد Polaroid

يمكن الحصول على ضوء مستقطب من الضوء الغير مستقطب بالاستعانة بعدسات مخصوصة تسمى مرشح استقطابي

polarizer ومن المواد المستخدمة تجاريا تلك التي تندرج تحت اسم بولاريود. مثل هذه المواد تسمح لمركبة الضوء (أي مركبة

المجال الكهربى) التي تتذبذب في اتجاه معين بالمرور خلالها بينما تمتص مركبة المجال المتعامد مع هذا الاتجاه .


و يسمى الاتجاه الذي تسمح فيه العدسة بمرور المجال (أو الضوء) محور النفاذية Transmission axis أو محور الاستقطاب

للمادة. ومهما كان اتجاه محور النفاذية فإنه عند سقوط الضوء غير المستقطب (الضوء العادي) على هذه المادة

فإن شدة الضوء المار من خلالها تكون نصف شدة الضوء الساقط ،والسبب في ذلك هو أن الضوء العادي غير المستقطب ويحتوى

على مجال كهربى يتذبذب في جميع الاتجاهات العرضية عموديا على اتجاه انتشار شعاع الضوء وبنفس الشدة. ويمكن تحليل

المجال الكهربى إلى مركبتين إحداهما في اتجاه محور النفاذية والأخرى في الاتجاه العمودى وتكون المركبتان متساويتان في

الشدة. ولما كانت المركبة الموازية لمحور النفاذية هي التي تمر فإن الضوء النافذ ستكون شدته نصف شدة الضوء الساقط.

المرايا

الضوء الهندسي
Geometrical Optics

ظاهرة الانعكاس وتطبيقاتها على المرايا
Reflection and Mirrors

إن حاسة الابصارمن الحواس الخمسة التي انعم الله بها علينا لنرى بها الأشياء من حولنا. وتعتمد الرؤية على الضوء الذي ينعكس عن الأجسام ويدخل الى العين فتتكون صورة الجسم على شبكية العين التي تحتوي على ملايين المجسات الحساسة للضوء ليقوم كل مجس بتحويل الضوء الى اشارات كهربية عبر العصب البصري إلى مركز الابصار في الدماغ الذي يقوم بترجمة ذلك إلى صورة في ادمغتنا عن الجسم الذي ننظر إليه.

والضوء هو عبارة عن أمواج كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة 300 مليون متر/ثانية وللضوء كأي موجة له طول موجي وتردد واحساسنا بالضوء هو في مدي محدد من ذلك الطيف الكهرومغناطيسي الذي يسمى بالمدى المرئي visible region، والشكل التالي يوضح الطيف الكهرومغناطيسي والجز المرئي منه

اضغط على الصورة للتكبير

إ إن خصائص الضوء حيرت العلماء على مر العصور فأحياناً فسرت بعض الظواهر الضوئية مثل الانعكاس والانكسار على ان للضوء له خسائص جسيمية ويتصرف كالجسيمات والعلمي الذي يهتم بطبيعة الضوء الجسيمية يسمى الضوء الهندسي geometrical optics ولكن في ظواهر اخرى مثل الحيود والتداخل والاستقطاب فسر الضوء على انه موجة والعلم الذي يدرس الضوء على إنه موجة يسمى الضوء الفيزيائي physical optics.

هنا في هذه المحاضر سنركز على موضوع الضوء الهندسي وندرس ظاهرة الانعكاس والانكسار وتطبيقاتها في تكوين الصورة باستخدام المرايا والعدسات.

ظاهرة الانعكاسReflection of light

الانعكاس: تكون الصورة بواسطة المرايا
Reflection: Image formation by mirrors
عندما يصطدم شعاع من الضوء على سطح عاكس فإن جزء منه ينعكس والجزء الآخر يمتص في مادة الجسم العاكس أو ينفذ منه اذا كان من مواد شفافة مثل الماء والزجاج وتحدث عملية الانكسار. الاسطح اللامعة مثل اسطح المرايا المصنوعة من الفضة تمثل الاشعة المنعكسة اكثر من 90% من الشعاع الساقط.

قانون الانعكاس Reflection Law
عند سقوط شعاع ضوئي على سطح عاكس فإننا نعرف زاوية السقوط angle of incidence qi على انها الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمود المقام على السطح العاكس عند نقطة السقوط. ونعرف زاوية الانعكاس angle of reflection qr على انها الزاوية المحصورة بين الشعاع المنعكس والعمود المقام عند نقطة الانعكاس. وقد وجد بالتجربة العملية ان زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس وان كلاً من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس والعمود المقام بينهم يقعوا في مستوى واحد.
ومما سبق نوضح ان قانون الانعكاس ينص على

زاوية السقوط qi = زاوية الانعكاس qr

أولاً تكون الصورة بواسطة المرآة المستوية
Image formation by plane (flat) mirror
المرآة المستوية عبارة عن لوح زجاجي مستوي أحد سطحيه مغطى بمادة عاكسة للضوء، تتكون الصورة في المرايا المستوية كما هو موضح في الشكل التالي:

الضوء الساقط على الفراشة في الشكل اعلاه ينعكس على المرآة بحيث أن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس والاشعة المنعكسة عند وسقوطها على العين تتم رؤية الصورة التي تكون معتدلة ومساوية للجسم ولكن تخيلية virtual image حيث لا يمكن استقبال الصورة على حائل انما الصورة هي عبارة عن تخيل الدماغ لها وهنا في الشكل تم تشبيه ذلك بامتداد الاشعة الساقطة على العين على استقامتها داخل المرأة لتجمع الصورة.

الصورة المتكونة بواسطة المرآة المستوية plane (flat) mirror لها الخصائص التالية:
معتدلة upright
مساوية للجسم (لا يوجد تكبير)
خيالية virtual
بعد الجسم عن المرآة do يساوي بعد الصورة عن المرآة di.
ثانياً تكون الصورة بواسطة المرآة الكروية
Image formation by spherical mirror
من الممكن ان يكون السطح العاكس عبارة عن سطح مقتطع من كرة، فإذا كان السطح العاكس هو السطح الخارجي للكرة تسمى هذه بالمرآة المحدبة convex mirror، اما اذا كان السطح العاكس هو السطح الداخلي من الكرة فإنها تسمى بالمرآة المقعرة concave mirror.
لاحظ في الشكل التالي أن المرآة المحدبة convex mirror تفرق الأشعة بينما المرآة المقعرة concave mirror تجمع الأشعة.i

البعد البوئري للمرأة الكروية Focal length of spherical mirror
افترض مصدر ضوئي بعيد جداً مثل اشعة الشمس تسقط على سطح مرآة مقعرة concave mirror وحيث ان المصدر الضوئي بعيد جداً فإن الأشعة الساقطة على المرآة تكون متوازية كما في الشكل ادناه، تنعكس الأشعة عن السطح العاكس بحيث تكون زاوية السقوط تساوي زوية الانعكاس ونجد ان جميع الأشعة تتجمع في نقطة واحدة تسمى نقطة التركيز البؤرة focus point ويرمز لها بالرمز F والمسافة بين نقطة التركيز وبعدها عن المرآة A يسمى البعد البؤري للمرأة focal length ويرمز له بالرمز f.

يوضح الشكل مرآة مقعرة تسقط عليه اشعة متوازية فتتجمع في البؤرة وعلى الشكل نلاحظ المحور الرئيسي للمرآة principal axis وهو المحور الأفقي العمودي على المرآة والمار في مكزها، مركز المرأة يسمى مركز التقعر center of curvature ويرمز له بالرمز C وهو مركز الكرة التي اقتطعت منها المرآة والمسافة بين مركز التكور والمرآة يسمى نصف قطر التقعر raduis of curvature ويرمز له بالرمز r يتقاطع مع المرآة

نستنتج ان الأشعة المتوازية التي تسقط على المرآة المقعرة تنعكس دائماً مارة بالبؤرة. ولكن ما العلاقة بين البعد البؤري f ونصف قطر التقعر r. للأجابة على هذا التساؤل دعنا نستعين بالشكل التالي

لنأخذ شعاع ضوئي يسقط موازي للمحور الضوئي للمرآة عند النقطة B على سطح المرآة ينعكس ماراً بالبؤرة F. من الشكل السابق نجد أن المسافة CB تساوي r (نصف قطر التقعر) وCB عمودي على سطح المرآة عند النقطة B، من الشكل السابق نجد ان المثلث CBF متساوي الساقين أي ان النسافة CF تساوي المسافة FB، كما أن FB يساوي FA وحيث ان FA هي البعد البؤري f نستنتج من ذلك ان CA تساوي 2FA اي ان

r = 2f

وهذ يعني ان البعد البؤري يساوي نصف المسافة r (نصف قطر التقعر للمرآة).
الطريقة البيانية لتحديد مواصفات الصورة المتكونة عن المرآة المقعرة
يمكن تحديد مواصفات الصورة الناتجة عن المرايا الكروية عن طريق الرسم وذلك من خلال تقاطع ثلاث أشعة ضوئية رئيسية كما في الشكل التالي
حالة (1)
افترض جسم موجود على مسافة اكبر من نصف قطر التقعر فإنه لتحديد مواصفات الصورة نتبع ما يلي:
(1) نرسم شعاع من الجسم موازي للمحور الضوئي للمرآة ينعكس ماراً بالبؤرة (الشعاع الأزرق).
(2) نرسم شعاع من الجسم يمر في البؤرة فينعكس عن المرآة موازياً للمحور الضوئي (الشعاع الزهري).
(3) نرسم شعاع من الجسم إلى المرآة ماراً بمركز المرآة C فينعكس على نفسه (الشعاع الأصفر).
لاحظ أن الصورة المتكونة I هي صورة مصغرة مقلوبة وحقيقية.

تقاطع الأشعة الثلاثة يحدد موقع الصورة ويمكن تحديد اذا كانت الصورة مكبرة ام مصغرة مقلوبة ام معتدلة وحقيقة او تخيلية وفيما يلي بعض الحالات المختلفة للصورة عند تغير بعد الجسم عن المرأة.
حالة (2)
عندما يكون الجسم على بعد يساوي نصف قطر التقعر للمرآة فإن الصورة تكون على نفس المسافة ومساوية للجسم ومقلوبة وحقيقية.
حالة (3)
عندما يكون الجسم بين البعد البؤري f ونصف قطر التقعر r تكون الصورة حقيقية معتدلة مصغرة.
حالة (4)
عندما يكون الجسم عن مسافة أقل من البعد البؤري فإن الصورة تكون خيالية مكبرة معتدلة.
حالة (5)
عندما يكون الجسم على مسافة مساوية للبعد البؤري f فإن الصورة تكون في المالانهاية، لا توجد صورة.

ملاحظة
ينطبق كل ما سبق على المرآة المحدبة convex mirror. على ان نراعي أن البعد البؤري للمرآة المحدبة f ومركز التحدب C خلف السطح العاكس كما في الشكل التالي:

مرآة محدبة convex mirror

تتكون الصورة بالرسم البياني كما سبق توضيحه ولكن تكون الصورة خيالية دوماً

تكون الصورة بواسطة المرآة المحدبة convex mirror

معادلة المرايا Mirror equation
يمكن الخصول على مواصفات الصورة بطريقة رياضية بدلا عن استخدام الطريقة البيانية التي تصبح صعبة عند التعامل مع نظام مكون من أكثر من مرآة.

لذلك نستخدم معادلة رياضية تربط بين بعد الجسم عن المرآة do وبعد الصورة عن المرآة di والبعد البؤري f.

اشتقاق معادلة المرآة
افترض جسم على بعد مسافة do من مرآة مقعرة بحيث do بين البعد البؤري ونصف قطر التقعر كما في الشكل التالي:
تتكون صورة الجسم من خلال استخدام شعاعين احدهما يسقط ماراً في البؤرة وينعكس عن المرآة موازياً للمحور الضوئي والثاني يسقط في مركز المرآة عند النقطة A فينعكس بزاوية سقوط تساوي زاوية الانعكاس.

بتجزئة الشكل اعلاه للمسار الضوئي الأول والثاني نحصل على
من الشكل السابق يمكن الحصول على الشكل المبسط التالي ويظهر فيه المثلثين ABV و DCV متشابهين اذا نحصل على العلاقة التالية

كذلك المثلثين ABF و D'VF متشابهين ايضا. اذا يكون

بالتقسيم على do طرفي المعادلة نحصل على معادلة المرايا.

Mirror equation

حيث ان f = focal length (m)
do = distance from mirror to object (m)
di= distance from mirror to image (m)
التكبير Magnification
يعرف التكبير m لمرآة بأنه ارتفاع الصورة hi مقسوماً على ارتفاع الجسم ho، فإذا كان التكبير اكبر من واحد فإن الصورة اكبر من الجسم أما اذا كان التكبير اقل من واحد تكون الصورة اصغر من الجسم.

ولكن مما سبق وجدنا ان النسبة بين hi/ho تساوي النسبة بين di/do وبالتالي فإن التكبير يمكن ان يحسب من المعادلة التالية ايضا اذا توفرت المعلومات لذلك بحيث أن

والأشارة السالبة اضيفت لتحقق مفهوم اصطلاح الاشارة الذي سنشرحه في الموضوع القادم. اذا التكبير يعطى بالمعادلة التالية:

hi = height of the image (m)
ho = height of object (m)
m = magnification (how many times bigger or smaller)

اصطلاح الاشارة للمرايا Sign convention for mirrors
اشارة كلا من do و di تحدد ما إذا كان الجسم او الصورة حقيقي real او تخيلي virtual، بينما تحدد اشارة التكبير اذا ما كانت الصورة معتدلة upright أو مقلوبة inverted وذلك على النحو التالي:

do+عندما يكون الجسم امام المرآةالجسم حقيقي real objectdo-عندما يكون الجسم خلف المرآةالجسم تخيلي virtual objectdi+عندما تكون الصورة خلف المرآةالصورة حقيقية real imagedi-عندما تكون الصورة امام المرآةالصورة تخيلية virtual image

اما بالنسبة لاشارة كلاً من f و r فتكون على النحو التالي

r & f+عندما يكون البعد البؤري امام المرآةمرآة مقعرة concave mirrorr & f-عندما يكون البعد البؤري خلف المرآةمرآة محدبة convex mirror

أما بالنسبة لأشارة التكبير M

M+تكون الصورة معتدلة uprightM-تكون الصورة مقلوبة inverted

سيتضح مفهوم اصطلاح الأشارة من خلال الامثلة المحلولة التالية

Example 1
A 1.5 cm high diamond ring is placed 20 cm from a concave mirror whose radius of curvature is 30 cm. Determine (a) the position of the image, and (b) its size.
Solution

(a)نحسب موقع الصورة من معادلة المرايا

أي ان

بالتعويض عن قيمة f=r/2 نحصل على

تذكر ان ما تم حسابه هو 1/di لذلك تكون قيمة di

وحيث أن اشارة di موجبة مما يعني ان الصورة حقيقية(b) التكبير يحسب على النحو التالي

hi = m ho = -3 x 1.5 = -4.5cm

والاشارة السالبة تفيد أن الصورة تكون مقلوبة

Example 2
A 1cm high object is placed 10cm from a concave mirror whose raduis of curvature is 30cm. (a) Draw a ray diagram to locate the position of the image. (b) Determine the position of the image and the magnification analytically.
Solution

(a) المخطط المطلوب هو

يتضح من المخطط ان الصورة معتدلة مكبرة تخيلية ويمكن ان نصل إلى نفس النتيجة من خلال استخدام معادلة المرايا والتكبير.(b) موضع الصورة باستخدام معادلة المرايا

أي ان

تدل الأشارة السالبة على ان الصورة تخيلية.
ولحساب التكبير
وهذا يعني ان الصورة أكبر من الجسم بثلاث مرات ومعتدلة

Example 3

A convex rearview car mirror has a radius of curvature of 40 cm. Determine the location of the image and its magnification for an object 10m from the mirror.

Solution

لتوضيح فكرة السؤال نستعين بالرسم التالي:

تكون اشارة البعد البؤري سالبة لانها خلف المرآة وتساوي 40/2 لأن f=r/2

f=r/2=-40/2 =-20cm

نطبق معادلة المرايا للحصول على موقع الصورة

أي ان

وهذا يعني ان الصورة تخيلية وعلى مسافة 19.6cm خلف المرآة.

ولحساب التكبير

أي أن الصورة معتدلة مصغرة.

Example 4

A convex mirror has a radius of 20 cm. An object is placed 30 cm in front of the mirror. Determine where the image will appear.
Since the radius is 20 cm (which is the distance from the mirror to the centre), and since the focal point is half ways in between and negative for a convex mirror,
f = -10 cm.

Since di is negative, it appears behind the mirror as a virtual image.
Example 5
For the same situation from Example 4, determine how tall the image is if the object is 5.0cm tall. Also determine the magnification.