هواداران علی صافی

آیت الله علی صافی گلپایگانی مجتهد و مرجع تقلید

شیمی معدنی

شیمی معدنی شاخه‌ای از دانش شیمی است که با کانی‌ها (مواد معدنی) و خواص آنها سروکار دارد.

شیمی معدنی شاخه بزرگی از علم شیمی است که بطور کلی شامل بررسی، تحلیل و تفسیر نظریه‌های خواص و واکنشهای تمام عناصر و ترکیبات آنها بجز هیدروکربنها و اغلب مشتقات آنهاست.

به عبارت دیگر می‌توان چنین اظهار نظر کرد که شیمی معدنی کلیه موادی که از جمله ترکیبات کربن نباشند، به استثنای اکسیدهای کربن و دی سولفید کربن را دربر می‌گیرد.






نگاه کلی

در شیمی معدنی در مورد گستره وسیعی از موضوعات از جمله: ساختمان اتمی، بلورنگاری (کریستالوگرافی)، انواع پیوندهای شیمیایی اعم از پیوندهای کووالانسی، یونی، هیدروژنی و ...، ترکیبات کوئوردیناسیون و نظریه‌های مربوطه از جمله نظریه میدان بلور و نظریه اوربیتال مولکولی، واکنشهای اسید و باز، سرامیکها، تقارن مولکولی و انواع بخش‌های زیرطبقه الکتروشیمی (برقکافت، باتری، خوردگی، نیمه رسانایی و غیره) بحث می‌شود.

در باب اهمیت شیمی معدنی، ساندرسن چنین نوشته است:

در واقع بیشترین مباحث علم شیمی را دانش اتمها تشکیل می‌دهد و کلیه خواص مواد و ترکیبات، به ناچار ناشی از نوع اتمها و روشی است که با توجه به آن، اتمها به یکدیگر می‌پیوندند و مجموعه تشکیل می‌دهند و از طرف دیگر کلیه تغییرات شیمیایی متضمن بازآرایی اتمهاست. در این حال شیمی معدنی تنها بخشی از علم شیمی است که با توجه به آن می‌توان به صورتی ویژه، در باب مغایرتهای موجود در میان کلیه انواع اتمها بررسی نمود.






طبقه بندی مواد معدنی

در یک مفهوم گسترده، مواد معدنی را می‌توان در چهار طبقه تقسیم بندی نمود: عناصر، ترکیبات یونی، ترکیبات مولکولی و جامدات شبکه‌ای یا بسپارها.

عناصر: عناصر دارای ساختارها و خواص بسیار متفاوت هستند. بنابراین می‌توانند به یکی از صورتهای زیر باشند:

گازهای اتمی (Kr , Ar) و یا گازهای مولکولی (:

{O_2 , H_2})

جامدات مولکولی ({C_6 , S_8 , P_4})

مولکولها و یا جامدات شبکه‌ای گسترش یافته (الماس، گرافیت)

فلزات جامد (Co , W) و یا مایع (Hg , Ca)

ترکیبات یونی: این ترکیبات در دما و فشار استاندارد همواره جامدند و عبارت‌اند از:

ترکیبات یونی ساده، مانند NaCl که در آب یا دیگر حلالهای قطبی محلول‌اند.

اکسیدهای یونی که در آب غیر محلول‌اند، مانند () و اکسیدهای مختلط همچون اسپنیل (Latex Error:

{MgAl_2O_4})، سیلیکاتهای مختلف مانند Latex Error:

{CaMg(SiO_3)_2} و ...

دیگر هالیدهای دوتایی، کاربیدها، سولفیدها و مواد مشابه. چند مثال عبارتست از: BN , GaAs , SiC , AgCl.

ترکیباتی که دارای یونهای چند اتمی (به اصطلاح کمپلکس) هستند، همچون Latex Error:

{Ni(H_2O)_6{2+} , Co(NH_3)_6{3+} , SiF_6^{2-}} .

ترکیبات مولکولی: این ترکیبات ممکن است جامد، مایع و یا گاز باشند و مثالهای زیر را دربر می‌گیرند:

ترکیبا دوتایی ساده همچون Latex Error:

{UF_6 , OsO_4 , SO_2 , PF_3} .

ترکیبات پیچیده فلزدار همچون Latex Error:

{RuH(CO_2Me)(PPh_3)_3 , PtCl2(PMe_3)_2} .

ترکیبات آلی فلزی که مشخصا پیوندهای فلز به کربن دارند، مانند Latex Error:

{Zr(Cn_2C_6H_5)_4 , Ni(CO)_4} .

جامدات شبکه‌ای یا بسپارها: نمونه‌های این مواد شامل بسپارهای متعدد و متنوع معدنی و ابررساناها است. فرمول نمونه‌ای از ترکیبات اخیر Latex Error:

{YBa_2Cu_3O_7} است.






ساختارهای مواد معدنی

ساختار بسیاری از مواد آلی از چهار وجهی مشتق می‌شود. فراوانی آنها به این دلیل است که در مواد آلی ساده، بیشترین ظرفیت کربن و همچون بیشتر عناصر دیگری (به استثنای هیدروژن) که معمولاً به کربن پیوند می‌شوند، چهار است. اما اجسام معدنی وضعیت ساختاری بسیار پیچیده‌ای دارند، زیرا اتمها ممکن است خیلی بیشتر از چهار پیوند تشکیل دهند. بنابراین، در مواد معدنی اینکه اتمها پنج، شش، هفت، هشت و تعداد بیشتری پیوند تشکیل دهند، امری عادی است. پس تنوع شکل هندسی در مواد معدنی خیلی بیشتر از مواد آلی است.

ساختار مواد معدنی اغلب بر اساس تعدادی از دو وجهی‌های با نظم کمتر، نظیر دو هرمی با قاعده مثلث، منشور سه ضلعی و غیره و همچنین بر اساس شکلهای باز چند وجیهای منتظم یا غیر منتظم که در آنها یک یا چند راس حذف شده است، نیز مشاهده می‌شود.






انواع واکنشهای مواد معدنی

در بیشتر واکنشهای آلی می‌توانیم در مورد مکانیسمی که واکنش از طریق آن انجام می‌شود، بحث و بررسی کنیم، در صورتی که برای بسیاری از واکنشهای معدنی فهم دقیق مکانیسم غیر ممکن یا غیر ضروری است. این امر دو دلیل عمده دارد:
رابطه شیمی فیزیک و شیمی معدنی

در توجیه موجودیت مواد معدنی و در توصیف رفتار آنها، به استفاده از جنبه‌های خاصی از شیمی فیزیک، بخصوص ترمودینامیک، ساختارهای الکترونی اتمها، نظریه‌های تشکیل پیوند در مولکولها، سینتیک واکنش و خواص فیزیکی مواد نیاز داریم. بنابراین با استفاده از شیمی فیزیک می‌توان به ساختار اتمی و مولکولی، تشکیل پیوند شیمیایی و دیگر اصول لازم برای درک ساختار و خواص مواد معدنی پرداخت.





مهندسی شیمی

مهندسی شیمی (به انگلیسی: Chemical engineering) عبارت است از فرایندی شیمیایی از قبیل واحدهای یک پالایشگاه، پتروشیمی، صنایع چوب و کاغذ، صنایع غذایی، صنایع سلولزی، صنایع پلیمر، صنایع شیمیایی معدنی و غیره .

واحدهایی که فرایندهای شیمیایی برای تولید انبوه به کار می‌رود. به این بخش از مهندسی شیمی، مهندسی فرایند گفته می‌شود.

فرایندهای مجزایی که توسط یک مهندس شیمی به کار گرفته می‌شوند (مانند تقطیر، استخراج و...)، عملیات واحد نام داشته و شامل واکنش شیمیایی، عملیات انتقال جرم، انتقال حرارت و انتقال اندازه حرکت هستند. این فرایندها برای سنتز شیمیایی یا جداسازی شیمیایی با هم ترکیب می‌شوند.

سه قانون فیزیکی اساسی در مهندسی شیمی، اصل بقای جرم، اصل بقای انرژی و اصل بقای اندازه حرکت هستند. انتقال ماده و انرژی در یک فرایند شیمیایی با استفاده از موازنه‌ی جرم و انرژی برای کل واحد، عملیات واحد یا بخشی از آن ارزیابی می‌شود. مهندسین شیمی اصول ترمودینامیک، سینتیک واکنش و پدیده‌های انتقال را به کار می‌گیرند.

مهندسی شیمی نوین، گستره‌ای فراتر از مهندسی فرایند را در بر می‌گیرد. هدف اصلی مهندسی شیمی استفاده از دانش شیمی در خلق مواد و محصولات بهتر برای دنیای امروز است. امروزه مهندسین شیمی علاوه بر فرایندهای تولید مواد اولیه‌ی پایه، بلکه در توسعه و تولید محصولات باارزش و متنوع شرکت دارند. این محصولات شامل مواد ویژه و کارآمد برای صنایعی همچون هوافضا، خودروسازی، پزشکی، صنایع الکترونیک، کاربردهای محیط زیست و صنایع نظامی است. به عنوان مثال‌هایی از این محصولات می‌توان به الیاف، منسوجات و چسب‌های بسیار قوی، مواد زیست‌سازگار و داروهای جدید اشاره کرد. امروزه مهندسی شیمی ارتباطی تنگاتنگ با علوم زیست‌شناسی، مهندسی پزشکی و اغلب شاخه‌های مهندسی دارد.






تاریخچه‌ی مهندسی شیمی

اولین درس در زمینه‌ی مهندسی شیمی نخستین بار توسط پروفسور «نورتون» در سال ۱۸۸۱ در دانشگاه MIT و در دانشکده‌ی مکانیک تدریس شد؛ نورتون شیمی صنعتی تدریس می‌کرد.

در آن زمان صنایع شیمیایی رو به توسعه گذاشته بودند و لازم بود ساخت و بهره‌برداری از فرایندهای شیمیایی توسّط افراد متخصّص صورت گیرد. در آن زمان طرّاحی و نظارت بر ساخت فرایندهای شیمیایی و صنایع شیمیایی به دو شکل صورت می‌گرفت:

۱) به وسیله شیمی‌دان‌هایی که از تئوری‌های شیمیایی و علوم آزمایشگاهی آگاهی داشته، ولی اطّلاعات فنّی و تجارب کافی از طراحی صنعتی نداشتند.

۲) به وسیله‌ی مهندسان مکانیکی که تجربه طرّاحی صنعتی داشتند، ولی اطّلاعات کافی از فرایندهای شیمیایی نداشتند.

این موضوع باعث شد که تا مدّتی برای طرّاحی واحدهای شیمیایی از شیمیدانان و مهندسان مکانیک به صورت مشترک استفاده شود. امّا برای هماهنگ کردن کار این دو گروه، به افرادی نیاز بود که هم از فرایندهای شیمیایی و هم از طرّاحی صنعتی مطّلع باشند و هم تجربه‌های آزمایشگاهی لازم را داشته باشند. از این رو رشته‌ای جدید در دانشگاه‌ها با نام «شیمی صنعتی» یا «صنایع شیمیایی» به وجود آمد. با توسعه تدریجی صنایع شیمیایی، نیاز به چنین متخصّصانی که هم در زمینه طرّاحی صنعتی و هم در زمینه فرایندهای شیمیایی تخصص داشتند، بیشتر احساس شد. به این ترتیب، دوره‌هایی با نام «مهندسی شیمی مدرن» در دانشگاه‌ها پایه گذاری شدند. توسعه صنایع شیمیایی باعث شد که دانشگاه‌ها اقدام به تأسیس دانشکده مهندسی شیمی به صورت مجزّا کرده و آن را جدا از رشته‌های شیمی و مکانیک تدریس کنند.







مهندسی شیمی در ایران :

دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه علم و صنعت ایران با فارغ التحصیل نمودن اولین دانش آموخته خود در سال 1314 به عنوان اولین دانشکده مهندسی شیمی در ایران پا به عرصه فعالیت گذارد. دانشگاه علم و صنعت ایران که در سال های آغازین خود به عنوان «مدرسه صنعتی ایران و آلمان» شناخته می شد پس از جنگ جهانی اول به عنوان غرامت جنگی به ایران واگذار شده بود، در هر کدام از رشته‌های مهندسی شیمی، برق و ماشین حدود بیست دانشجو می‌پذیرفت. دانش آموختگان مدرسه صنعتی ایران پس از یک دوره تحصیلی دو ساله «مهندس شیمی» نامیده می‌شدند. در سال ۱۳۱۳ «دانشگاه تهران» تأسیس شد و رشته مهندسی شیمی یکی از رشته‌های ارائه شده در دانشکده فنّی بود. در سال ۱۳۳۶ «دانشگاه صنعتی امیرکبیر» (پلی تکنیک تهران) تأسیس شد و در رشته مهندسی شیمی و برای یک دوره چهار ساله به پذیرش دانشجو اقدام کرد. امّا برنامه درسی آن زمان دانشگاه تهران و پلی تکنیک هنوز با برنامه واقعی مهندسی شیمی تفاوت بسیار داشت. درس‌هایی مانند «انتقال حرارت»، «انتقال جرم» و «طراحی رآکتور» در سرفصل دروس گنجانده نشده بودند و از تنها درس‌های ویژه مهندسی شیمی «تقطیر»، «جذب» و «ترمودینامیک» را می‌توان نام برد. پس ازاین دو دانشگاه، «دانشگاه شیراز» و پس از آن در سال ۱۳۴۵ «دانشگاه صنعتی شریف» (صنعتی آریا مهر سابق)این رشته را راه اندازی کردند که برنامه درسی آنها تفاوت چندانی با برنامه درسی که امروز در رشته مهندسی شیمی ارائه می‌شود نداشت. در سال‌های بعد، دوره کارشناسی ارشد و در برخی دانشگاه‌ها دوره دکتری مهندسی شیمی نیز راه اندازی شد.






گرایش‌های مهندسی شیمی

مهندسی فرایند
مهندسی ترموسنتیک
مهندسی کاتالیست
مهندسی صنایع پالایش
مهندسی صنایع پتروشیمی
مهندسی صنایع گاز
مهندسی پلیمر
مهندسی صنایع غذایی
مهندسی صنایع سلولزی
مهندسی صنایع شیمیایی معدنی
مهندسی طراحی فرایندهای صنایع نفت
مهندسی بیوتکنولوژی
مهندسی داروسازی







دروس مهندسی شیمی در ایران

بر اساس مصوّبات شورای عالی انقلاب فرهنگی، علاوه بر دروس عمومی و علوم پایه که دانشجویان فنّی مهندسی موظف به گذراندن آن هستند، سایر دروس این رشته به دو دسته «اصلی» و «تخصّصی» تقسیم می‌شوند. دروس اصلی آن دسته از دروس هستند که تمامی دانشجویان مهندسی شیمی با هر گرایشی آنها را می‌گذرانند و دروس تخصصی به دروسی اطلاق می‌شود که با توجه به گرایش، دانشجو موظف به گذراندن آنها است.

دروس اصلی
موازنه انرژی و مواد
مکانیک سیالات
انتقال حرارت
انتقال جرم
طرّاحی رآکتورهای شیمیایی
کنترل فرایند
کاربرد ریاضیات در مهندسی شیمی
ترمودینامیک
عملیات واحد
دروس تخصّصی

بسته به گرایش متفاوت است.





شیمی محیط زیست

شیمی محیط زیست (به انگلیسی: Environmental chemistry) (گاهی شیمی محیطی یا شیمی محیط نیز گفته می‌شود) ، شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به بررسی پدیده‌های شیمیایی و زیست‌شیمیایی طبیعی می‌پردازد. به دلیل نزدیکی این دانش به شیمی خاک ، شیمی آب و شیمی جو، آن را در دسته‌ی شیمی تجزیه طبقه بندی می‌کنند.

تصفیه آب ، فرایندهای زیست‌شیمیایی موجودات زنده میکروسکوپی ، آلودگی هوا ، آلاینده‌های طبیعی و مصنوعی مهمترین موضوعات مطالعه در شیمی محیط زیست به شمار می‌روند.





فیزیک

فیزیک (به زبان یونانی φύσις، طبیعت و φυσικῆ، دانش طبیعت) علم مطالعهٔ خواص طبیعت است. این علم را عموماً علم ماده (Matter) و حرکت و رفتار آن در فضا و زمان، با در نظر گرفتن مفاهیمی همچون انرژی، اندازه حرکت، نیرو و بسیاری از عوامل دیگر می‌دانند. این ماده (Matter) می‌تواند از ذرات زیر اتمی تا کهکشان‌ها و اجرام بسیار بزرگ آسمانی باشد. این علم از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی، جریان الکتریکی، میدان الکتریکی، الکترومغناطیس، فضا، زمان، اتم و نورشناسی استفاده می‌کند. اگر بطور وسیع تر سخن بگوییم، هدف اصلی علم فیزیک بررسی و تحلیل طبیعت است و همواره این علم در پی آن است که رفتار طبیعت را در شرایط گوناگون درک و پیش بینی کند.

فیزیک یکی از قدیمی ترین رشته‌های دانشگاهی است و شاید قدیمی ترین مبحث آن را بتوان نجوم و اخترشناسی نامید. مدارکی وجود دارد که نشان می‌دهد هزاران سال پیش از میلاد مسیح، اقوامی همچون سامری‌ها و همچنین اقوامی در مصر باستان و اطراف ایندوس، تحقیقات و درک اندکی از حرکت خورشید، ماه و ستارگان داشته‌اند.






تاریخچه
از دوران باستان، انسان‌ها سعی می‌کردند که رفتار طبیعت را درک و پیش بینی کنند. در ابتدا، این گونه پرسش‌ها در مورد طبیعت و رفتار آن، در قلمرو فلسفه دسته بندی می‌شد. به همین دلیل است که در نوشته‌های فیلسوفان باستان همچون ارسطو، افلاطون و بطلمیوس و ... نوشته‌های بسیاری در مورد رفتارهای طبیعت، مخصوصاً حرکت ستارگان و خورشید می‌بینیم. در بعضی از این نوشته‌ها، مواردی وجود داشت که بررسی پدیده‌های آسمانی را با افسانه‌ها و اعتقادات مردمان آن دوره از تاریخ آمیخته می‌کرد و علی‌رغم پیش بینی‌های درست، نمی‌توانست باعث متقاعد شدن آیندگان شود. البته در این دوران فیلسوفانی همچون تالس هم بودند که تمامی تلاش خود را برای دور ماندن از دلایل ماوراءالطبیعه می‌کردند. به خاطر همین تلاش‌ها در بسیاری از منابع تاریخی به تالس لقب نخستین چهرهٔ علم را داده‌اند. یکی از کارهای مهم وی در حوزه ستاره‌شناسی، پیش بینی خورشیدگرفتگی در سال ۵۸۵ قبل از میلاد مسیح است.از همین دوره بود که شاخه‌ای از فلسفه جدا شد که نام آن را فلسفه طبیعی نهادند و سالیان طولانی ادامه یافت. تا حدوداً در قرن هفدهم میلادی که دوباره با حضور چهره‌های بزرگ و برجسته‌ای همچون آیزاک نیوتن و گوتفرید لایبنیتس می‌رفت که دوباره تحولی عظیم در علم و نحوه نگرش به آن مخصوصاً در ریاضیات و فیزیک ایجاد شود. با چاپ شدن کتاب نیوتن در سال ۱۶۸۷ با نام اصول ریاضی فلسفه طبیعی (همانطور که پیداست همچنان از عبارت فلسفه طبیعی در عنوان آن استفاده شده) تقریباً این نوع نگرش به فیزیک و ریاضیات به پایان راه خود رسید و نیوتن و همکاران وی در قرن هفدهم میلادی، نحوه نگرشی نو به طبیعت را بنیان‌گذاری کردند که امروزه به فیزیک کلاسیک معروف است. البته ذکر این نکته الزامی است که این جنبش، قبل از قرن هفدهم، با تلاش دانشمندانی چون گالیلئو گالیله، نیکلاس کوپرنیک و یوهان کپلر آغاز شده بود و در زمان نیوتن به اوج خود رسید.
پس از قرن هفدهم، فیزیک و ریاضیات با سرعت قابل توجهی توسعه یافتند و دانشمندان زیادی در شاخه‌های مختلف این دو علم، توانستند پاسخ بسیاری از پرسش‌های خود را بیابند. این روند تا قرن نوزدهم ادامه داشت. جامعه فیزیکدانان در قرن نوزدهم، عموماً گمان می‌کردند که با کشفیات جیمز کلرک ماکسول در حوزه الکترومغناطیس و معادله بندی چگونگی ایجاد شدن میدان الکتریکی و مغناطیسی، توسط بارها و جریان‌های الکتریکی، فیزیک به نقطه تکامل خود رسیده است و دیگر هیچ پدیده طبیعی وجود ندارد که نتوانند آن را توجیه و پیش بینی کنند. اما در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود که پدیده‌هایی توسط برخی از فیزیک دانان مشاهده شد که با علم فیزیک آن زمان قابل توضیح نبود و یا اگر توضیحی ارائه می‌شد، در آن تناقض‌هایی وجود داشت. در این زمان بود که فیزیک دانان تقریباً به دو دسته تقسیم شدند. دسته‌ای سردمدار پایه‌گذاری فیزیکی جدید، که در آن اشکالات و کاستی‌های فیزیک کلاسیک جبران شده باشد، بودند و دسته‌ای سر سختانه در مقابل هر گونه تغییر مقاومت می‌کردند و می‌کوشیدند که پدیده‌های جدید را با همان فیزیک کلاسیک (یا نیوتنی) توضیح دهند. سر انجام ماکس پلانک بر پایه تلاش‌های دانشمندان قبل از خود همچون رابرت هوک، کریستیان هویگنس، توماس یانگ و لئونارد اویلر توانست نظریه مکانیک کوانتومی را ارائه دهد و همین طور آلبرت اینشتین توانست نظریه نسبیت را ارائه و با موفقیت از آن دفاع کند. در همین سال‌ها بود که فیزیک دانان پذیرفتند، با وجود اینکه فیزیک کلاسیک در حوزه مورد بحث خود (که عموماً پدیده‌هایی آزمایش پذیر بودند) خالی از هرگونه خطا است، اما نیاز به ایجاد شاخه‌ای جدید در علم فیزیک با نام فیزیک نوین است. پس از آلبرت اینشتین، تئوری مکانیک کوانتومی و همچنین فیزیک اتمی با تلاش دانشمندان بزرگی چون ورنر کارل هایزنبرگ، اروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک هر روز کامل تر شد و این تکامل روزافزون علم فیزیک، تا به امروز در ده‌ها گرایش و شاخه ادامه دارد.






نظریه‌های اصلی

در علم فیزیک، ما با سامانه‌های بسیار متفاوتی سرو کار داریم، اما نظریه‌های اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همه فیزیک دانان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریه‌هایی سروکار داریم که حرکت اشیا که ابعاد و سرعت‌هایی که قابل تصور و عموماً آزمایش پذیرند را، پیش بینی و تحلیل می‌کنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم می‌شود، منظور از ابعادی فرا اتمی و فرا ملکولی شروع می‌شود و تا ابعاد سیارات را در بر می‌گیردو سرعت قابل تصور، عموماً سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستم‌های مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود می‌گیرند، مثل منظومه‌ها، کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های عظیم ستاره‌ای و آسمانی و یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان می‌دهد و دیگر قدرت پیش بینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوری‌هایی که اینگونه سیستم‌ها را تحلیل می‌کنند، در حوزه فیزیک جدید صورت بندی می‌شود.
البته کاملاً بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه می‌شود کاملاً شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک می‌دانند، اما برخی از فیزیک دانان که مهمترین آنها ورنر کارل هایزنبرگ بوده‌است، همان طور که در کتاب خود جز و کل می‌گوید، فیزیک کلاسیک یک معقوله کاملاً جدا، فرمول بندی شده، بدون ایراد و کامل است اما در حوزه سیستم‌های مورد بررسی خودش و نمی‌توان فیزیک جدید را شکل تکامل یافته فیزیک کلاسیک دانست.

هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده و غیر قابل مشاهده برای بشر، توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی کردن طبیعت) است. تا قبل از قرن بیستم، با دسته بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده‌است و تمام پدیده‌ها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند. برای توصیف این پدیده‌ها نظریه‌های زیر به تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:

مکانیک کلاسیک (توصیف رفتار اجسامی که اندازه‌ای معمولی دارند و با سرعتی معمولی در حال حرکتند)
الکترومغناطیس(توصیف رفتار مواد و اجسام دارای بار الکتریکی)
ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیده‌های مرتبط با گرما بر حسب کمیت‌های ماکروسکوپی و یا میکروسکوپی)

به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.

در ابتدای قرن بیستم پدیده‌هایی مشاهده شدند که توسط این نظریه‌ها قابل توصیف نبودند. بعد از پیشرفتهای بسیار بنیادین در ربع اول قرن بیستم، نظریه‌های فیزیکی با نظریه‌های کاملتری که این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کردند جایگزین گشتند. مهم‌ترین تغییر، تشکیل دو دینامیک متفاوت برای اجسام کوچک و اجسام بزرگ است. چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ ساختاری و مفاهیم به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد (بر خلاف دینامیک اجسام ریز که ساختاری کاملاً متفاوت دارد) نظریه‌ها به دو دسته دینامیک کلاسیک اصلاح شده (با شالوده مکانیک نیوتنی) و کوانتمی تقسیم شدند.
نظریه‌های دیگری درفیزیک مدرن به تدریج شکل گرفتن که عبارت اند از:

نسبیت عام (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)
مکانیک کوانتمی (دینامیک اجسام ریز)
مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایه دینامیک کوانتمی)
الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی و نسبیت خاص)

بعدها با پیدا شدن دو برهمکنش دیگر (برهمکنش هسته‌ای قوی و برهمکنش هسته‌ای ضعیف) برای فرمولبندی آنها هم اقدام شد و از نسبیت خاص برای تمام نظریه‌ها استفاده شد و کل نظریه‌ها عبارت شدند از:

۱- نسبیت عام

۲-مکانیک آماری

۳- الکترودینامیک کوانتومی QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتومی)

۴-کرومودینامیک کوانتومی QCD (برهمکنش هسته‌ای قوی و دینامیک کوانتومی)

۵-نظریه ضعیف کوانتومی (برهمکنش هسته‌ای ضعیف و دینامیک کوانتمی بعداً با تلفیق با الکترودینامیک نظریه الکترو ضعیف کوانتومی را ساخت)

تمام این نظریه‌ها به جز نسبیت عام از دینامیک کوانتومی استفاده می‌کنند. به مجموعه‌ای ازQED وQCD ونظریه ضعیف اصطلاحآ مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته می‌شود. امروزه بسیاری از فیزیکدانان به دنبال متحد کردن چهار برهمکنش (نظریه وحدت بزرگ) می‌باشند که مشکل اصلی وارد کردن گرانش و استفاده از دینامیک کوانتومی برای گرانش می‌باشد. نظریه‌های گرانش کوانتومی و به خصوص نظریه ریسمان از نمونه‌های این تلاشها است. همچنین بیشتر نظریه‌های جدید از مفهومی به نام میدان استفاده می‌کنند که به نظریه‌های میدان مشهور هستند.





انرژی

انرژی ( از واژه یونانی ἐνεργός به معنی فعالیت ) یا کارمایه، در فیزیک و دیگر علوم، یک کمیت بنیادین فیزیکی است. انرژی کمیتی است که برای توصیف وضعیت یک ذره، شیئ یا سامانه به آن نسبت داده می شود. در کتاب‌های درسی فیزیک انرژی را به صورت توانایی انجام کار تعریف می‌کنند.ِِِ تا به امروز گونه‌های متفاوتی از انرژی شناخته شده که با توجه به نحوهٔ آزادسازی و تأثیر گذاری به دسته‌های متفاوتی طبقه‌بندی می‌شوند از آن جمله می‌توان انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل، انرژی گرمایی، انرژی الکترومغناطیسی، انرژی شیمیایی و الگو:انرژی الکتریکی و انرژی هسته‌ای را نام برد. در علم فیزیک انرژی را به دو بخش تفسیم می کنند:
۱- اکسرژی (بخش مفید انرژی)
۲-انرژی ( بخش غیر مفید انرژی ( انرژی در واقع به نوعی از انرژی تبدیل می شود که در آن شرایط برای ما مفید نمی‌باشد )).

عامل، حامل و منبع همه گونه انرژی هایی که بشر از آن استفاده میکند (انرژی مواد فسیل، انرژی آبی و غیره) خورشید است، بجز انرژی هسته ای.

طبق نظریهٔ نسبیت مجموع"جرم و انرژی" پایدار و تغییر ناپذیر است (و آن را قانون پایستگی انرژی می نامند)؛ بدین معنا که انرژی از شکلی به شکل دیگر و یا به جرم تبدیل شود ولی هرگز تولید یا نابود نمی‌شود. بر طبق تئوری نور بقای جرم و انرژی پیامدی از این اصل است که قوانین فیزیکی در طول زمان بدون تغییر باقی می‌مانند. انرژی هر جسم (طبق نسبیت خاص) جنبش ذرات بنیادی آن جسم است و مقدار آن از معادلهٔ معروف آلبرت اینشتین بدست میآید: E=mc^2\! (باید توجه کرد که این معادله تنها انرژی موجود ذرات را بدست می‌دهد و نه دیگر گونه‌های انرژی (مانند جنبشی یا پتانسیل).






تاریخچه

اصل بقای انرژی در حدود ۱۸۵۰ پایه گذاری شد. منشاء این اصل همانگونه که در مکانیک بکار می‌رود توسط کار گالیله و اسحاق نیوتن فهمانیده شد. در واقع هنگامیکه کار بعنوان حاصلضرب نیرو و تغییر مکان تعریف می‌شود، این تعریف تقریباً بطور خود کار از قانون دوم حرکت نیوتن تبعیت می‌کند. چنین مفهومی تا سال ۱۸۲۶ یعنی زمانیکه ریاضی دان معروف فرانسوی معرفی شد، وجود نداشت. لغت نیرو (از نظر لاتین) نه تنها از نقطه نظر مفهوم آن توسط نیوتن در قوانین حرکتش توصیف شد، بلکه در کمیت‌هایی که اکنون بعنوان کار و انرژی سینتیک (جنبشی)و پتانسیل (نهفته) تعریف می‌شوند بکار می‌روند. این ابهام برای مدت زمانی توسعه هر اصل کلی را در مکانیک در ورای قوانین حرکت نیوتنی مسدود نموده بود.






اصل پایستگی جرم و انرژی
در هر یک از آزمایش‌ها فرایندهای فیزیکی، تلاش برای یافتن یا تعریف کردن کمیت هایی است که بدون توجه به تغییرات رخ داده شده، ثابت باقی بمانند . یک چنین کمیتی که قبلاً در توسعه مکانیک شناخته شده است، جرم می‌باشد . استفاده مهم قانون بقای جرم بعنوان یک اصل کلی در علم پیشنهاد می نماید که اصول بیشتر بقاء می باید دارای مقدار قابل مقایسه‌ای باشد. بنابراین توسعه مفهوم انرژی بطور منطقی منتهی به اصل بقایش در فرایندهای مکانیکی شد . در صورتیکه به جسمی در هنگام بالا رفتن انرژی داده شود، پس از آن این جسم می باید این انرژی را در خود نگهدارد تا کاری را که قادر است انجام دهد . جسمی که صعود نموده و مجاز به سقوط آزاد است، آنقدر انرژی جنبشی کسب می نماید که بهمان اندازه انرژی پتانسیل از دست می‌دهد بطوریکه ظرفیت آن برای انجام کار بدون تغییر باقی می ماند .






اصل حفاظت از انرژی در معماری

هر ساختمان باید به گونه ای طراحی و ساخته شود که نیاز آن به سوخت فسیلی به حداقل ممکن برسد . ضرورت پذیرفتن این اصل در عصرهای گذشته بدون هیچ شک و تردیدی با توجه به نحوه ساخت و سازها غیر قابل انکار می باشد و شاید تنها به سبب تنوع بسیار زیاد مصالح و فناوری های جدید در دوران معاصر چنین اصلی در ساختمان ها به دست فراموشی سپرده شده است و این بار با استفاده از مصالح گوناگون ویا با ترکیب های مختلفی از آنها، ساختمان ها، محیط را با توجه به نیاز های کاربران تغییر میدهند . اشاره به نظریه مجتمع زیستی نیز خالی از لطف نمی‌باشد، که از فراهم آوردن سر پناهی برای درامان ماندن در برابر سرما و یا ایجاد فضایی خنک برای سکونت افراد سرچشمه می گیرد ، به این دلیل و همچنین وجود عوامل دیگر مردمان ساختمانهای خود را به خاطر مزایای متقابل فراوان در کنار یکدیگر بنا می کردند . ساختمان هایی که در تعامل با اقلیم محلی و در تلاش برای کاهش وابستگی به سوخت فسیلی ساخته می شوند ، نسبت به آپارتمانهای عادی امروزی ، حامل تجربیاتی منفرد و مجزا بوده و در نتیجه ، به عنوان تلاشهای نیمه کاره برای خلـق مــعـــماری سبــز مطــرح می شوند. بسیاری از این تجربیات نیز بیشتر حاصل کار و تلاش انفرادی بوده؛ و بنابراین روشن است به عنوان اصلی پایدار در طراحی ها و ساخت و سازهای جامعه امروز لحاظ نمی‌گردد.





جرم

جِرم مفهومی بنیادی در فیزیک است که به طور شهودی «مقدار مادهٔ موجود در جسم» را می‌نمایاند. در حوزه‌های گوناگون فیزیک مانند مکانیک کلاسیک، نسبیت خاص و نسبیت عام تعریف‌های متفاوتی از جرم بیان می‌شود. واژهٔ جِرم از ریشهٔ پارسی است.






جرم و وزن

درکاربردهای روزمره جرم را همان وزن می‌شناسند، ولی در فیزیک و مهندسی وزن به نیروی گرانشی وارد بر اجسام گفته می‌شود. البته در کاربردهای روزمره جرم و وزن با هم متناسب‌اند و این همانندانگاری مشکلی پیش نمی‌آورد، ولی در موارد ویژه‌ای مهم می‌شود:

در سنجش‌های دقیق، به خاطر تغییر در شدت نیروی گرانشی زمین در جاهای گوناگون
در جاهایی دور از سطح زمین، مثلاً در فضا یا در سطح سیاره‌های دیگر

مثلاً نیروی گرانش در سطح ماه حدود یک‌ششم نیروی گرانش در سطح زمین است. از این رو وزن هر جسم در سطح ماه یک‌ششم وزن آن در سطح زمین است.






جرم لختی، جرم گرانشی و اصل هم‌ارزی

اولین شخصی که "جرم" را به مفهوم امروزی آن که با ابهام زیادی همراه است استفاده کرد، ظاهراً "ماخ" بوده است، این مفهوم با کتاب مکانیک زومرفلد بین فیزیک پژوهان به مفهومی جا افتاده تبدیل شد. نیوتون اولین کسی بود که از جرم به شکل سیستماتیک استفاده کرد، اولین جمله ی پیرینکیپیا (اثر معروف و موثر مکانیک کلاسیک نیوتون) به "quantitas materiae" یا مقدار ماده اشاره دارد. نیوتون از واژه ی جرم استفاده نکرده است. در نظریات گالیله هم از واژه ی massa (به معنی چانه ی خمیر) که منشا نام mass (جرم کنونی) است به شکل نادقیق و غیرتکنیکی و مترادف با "ماده" استفاده شده است.

مکانیک به دو بخش سینماتیک و دینامیک تقسیم میشود. در بخش سینماتیک که بررسی حرکت بدون بررسی علل آن است ما به دو کمیت بنیادی "مکان" و "زمان" نیاز داریم. با رفتن به بخش دینامیک که به علل حرکت هم میپردازد نیاز به کمیتی دیگر پیدا میشود. این کمیت میتواند "جرم" یا "نیرو" باشد.

جرم لَختی میزان مقاومت جسم را در برابر تغییر سرعت نشان می‌دهد. در مکانیک کلاسیک جرم لختی را با قوانین حرکت نیوتن تعریف می‌کنند. هرچه جرم لختی یک جسم بیشتر باشد، برای تغییردادن سرعت آن نیروی بیشتری لازم است. به طور دقیق‌تر، جرم لختی برابر است با نسبت بین نیروی وارد بر جسم و شتاب آن. در نسبیت خاص جرم لختی به سرعت جسم نیز وابسته است.

جرم گرانشی نمایندهٔ مقدار نیرویی است که به جسم در میدان گرانشی وارد می‌شود. هرچه جرم گرانشی جسم بیشتر باشد، نیروی بیشتری از سوی میدان گرانشی به آن وارد می‌شود. جرم گرانشی را گاهی بار گرانشی (مانند بار الکتریکی) نیز می‌نامند. در فیزیک گرانش با قانون گرانش نیوتن یا نظریه نسبیت عام توصیف می‌شود. جرم گرانشی به دو جرم "فعال" و "منفعل" تقسیم میشود، جرم فعال را با توجه به میدانی که جسم تولید میکند و جرم منفعل را با توجه به رفتار جرم در میدان گرانشی خارجی توصیف میکنند. بعضی فیزیکدانان (برای مثال اوهانیون) معتقد بودند تفاوت جرم فعال و منفعل سخنی بی معنی است، اوهانیون استدلال میکرد که نابرابر بودن این دو جرم به نابرابری کنش و واکنش و نهایتاً به ناپایسته بودن تکانه منجر میشود.

با وجود تمایز مفهومی میان جرم لختی و جرم گرانشی، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این دو کمیت همواره با هم متناسب‌اند و با برگزیدن یکاهای مناسب مقدارشان نیز همیشه با هم برابر است. به این برابری اصل هم‌ارزی می‌گویند. مکانیک کلاسیک هیچ توضیحی برای برابربودن جرم لختی و جرم گرانشی ندارد، ولی در نظریهٔ نسبیت عام اصل هم‌ارزی یکی از اصول موضوعهٔ این نظریه است.






یکای اندازه‌گیری

یکای جرم در سیستم استاندارد بین‌المللی واحدها کیلوگرم است. سایر واحدهای این کمیت عبارت‌اند از:

گِرَم
تُن
اونس
پوند
پنی
سوت
قیراط
مثقال






بار الکتریکی
بار الکتریکی یک خاصیت فیزیکی ماده است که باعث می‌شود، هنگامی که ماده در مجاورت مادهٔ باردار دیگری قرار می‌گیرد به آن نیرو وارد شود. بار الکتریکی دو نوع است بار مثبت و بار منفی. بین دو ماده یا جسم با بارهای هم‌نام نیروی رانش ایجاد می‌شود و برعکس اگر ناهم‌نام باشند بین آن‌ها ربایش ایجاد می‌شود. در سامانهٔ استاندارد بین‌المللی یکاها واحد بار الکتریکی کولن (C) است. البته در مهندسی برق از یکای آمپرمتر (Ah) نیز استفاده می‌کنند. در مطالعهٔ اندرکنش میان اجسام باردار، دانش الکترومغناطیس کلاسیک کافی است و از اثرهای کوانتومی صرف نظر می‌شود.

بار الکتریکی یک خاصیت پایسته در ماده است به این معنی که بار الکتریکی تولید نمی‌شود یا از بین نمی‌رود؛ بار الکتریکی از ذرات زیراتمی ماده که تعیین‌کنندهٔ خواص الکترومغناطیس ماده‌اند ناشی می‌شود. یک مادهٔ باردار الکتریکی، تولیدکنندهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی است و خود از آنها تاثیر می‌گیرد. اندرکنش میان یک بار متحرک و یک میدان الکترومغناطیسی عامل ایجاد نیروهای الکترومغناطیسی است. این نیرو خود یکی از چهار نیروی بنیادی است.






مقدمه
بار یک ویژگی بنیادی در انواع ماده است که به صورت ربایش یا رانش الکتروستاتیکی در حضور ماده‌ای دیگر نمود پیدا می‌کند. بار الکتریکی ویژگیی است که سرچشمهٔ آن به بسیاری از ذرات زیراتمی ماده برمی‌گردد. بارِ ذراتی که به صورت آزاد یافت می‌شوند به اندازهٔ ضریب صحیحی از بار بنیادی (بار یک الکترون) است، در این حالت می‌گوییم بار الکتریکی یک کمیت گسسته است. مایکل فاراده در آزمایش‌های برق‌کافت خود دریافت که بار الکتریکی کمیتی گسسته است. رابرت میلیکان نیز در آزمایش‌های خود به این حقیقت می‌رسد و مقدار بار یک الکترون را نیز اندازه می‌گیرد.

بنابراین به صورت کمیت‌های گسسته می‌گوییم که بار یک الکترون ۱- و بار یک پروتون ۱+ است. ذرات بارداری که بار آن‌ها هم‌نام باشد یکدیگر را می‌رانند و ذراتی که بارهای ناهم‌نام دارند یک دیگر را می‌ربایند. قانون کولمب مقدار عددی نیروی الکتروستاتیک بین دو ذرهٔ باردار را بدست می‌آورد و بیان می‌دارد که مقدار این نیرو با اندازهٔ بار ذرات رابطهٔ مستقیم و با مربع فاصلهٔ بین دو ذره رابطهٔ وارون دارد.

مقدار بار یک پادذره دقیقاً برابر با بار ذرهٔ متناظر با آن است ولی به صورت ناهم‌نام. کوارک‌ها هم باری برابر با 1⁄3- یا 2⁄3+ بار بنیادی دارند که البته هیچ کوارکی تاکنون به صورت آزاد یافت نشده است (دلیل نظری این مطلب در بحث آزادی مجانبی یافت می‌شود).

بار الکتریکی یک جسم برابر با مجموع بارهای الکتریکی ذرات سازندهٔ آن است. این بار به طور معمول کوچک است چون ماده از اتم ساخته شده و اتم‌ها به تعداد مساوی از پروتون و الکترون در هستهٔ خود دارند، در نتیجه از نظر الکتریکی خنثی اند. یک یون، اتمی (یا دسته‌ای از اتم‌ها) است که یک یا چند الکترون ازدست داده‌است یا به‌دست آورده‌است. اتمی که الکترون از دست دهد بار خالص آن مثبت می‌شود که آن را کاتیون می‌نامیم و اتمی که الکترون بدست آورد بار خالص آن منفی می‌شود و آن را آنیون می‌نامیم.

در هنگام تشکیل یک جسم (ماکروسکوپیک) اتم‌ها و یون‌های تشکیل دهندهٔ آن به گونه‌ای با هم ترکیب می‌شوند که جسم از نظر الکتریکی خنثی باشد و یا اینکه همیشه تمایل به ازدست دادن یا گرفتن الکترون و درنتیجه خنثی بودن دارند اما به‌ندرت جسمی پیدا می‌شود که به طور خالص بی‌بار (خنثی) باشد.

گاهی یون‌ها در سراسر مادهٔ تشکیل دهندهٔ جسم پخش شده‌است و به آن جسم بار مثبت یا منفی داده است. هم‌چنین اجسام رسانای جریان الکتریسیته گاهی سخت‌تر یا راحت‌تر (بسته به نوع ماده) الکترون بدست می‌آورند یا از دست می‌دهند و بار خالص مثبت یا منفی پیدا می‌کنند. به این پدیده که جسمی دارای بار غیر صفر ساکن باشد الکتریسیتهٔ ساکن می‌گوییم. به راحتی با بر روی هم مالیدن دو مادهٔ ناهمسان، مانند کهربا روی یک پارچه خزدار یا شیشه روی ابریشم می‌توانیم الکتریسیتهٔ ساکن تولید کنیم. با این روش اجسام نارسانا می‌توانند مقدار قابل توجهی بار الکتریکی بدست آورند یا ازدست دهند. واضح است که وقتی یکی از این اجسام بار الکتریکی بدست می‌آورد دیگری دقیقاً به همان اندازه بار الکتریکی از دست می‌دهد و این به دلیل قانون پایستگی بار الکتریکی است که همواره برقرار است.

گاهی مجموع بارهای الکتریکی یک جسم صفر است اما بار آن به صورت غیریکنواخت پخش شده است (مثلاً به دلیل حضور یک میدان الکترومغناطیسی یا دوقطبی‌های موجود در ماده) در این حالت می‌گوییم جسم قطبی شده‌است. بار الکتریکی بدست آمده از قطبی‌شدن ماده را بار مرزی، بار تولید شده بر روی یک جسم که ناشی از بار گرفته‌شده یا داده‌شده به جسمی دیگر است را بار آزاد و حرکت الکترون‌ها را در یک جهت خاص در فلزات رسانا، جریان الکتریکی می‌نامیم.






پیشینه

تالس، فیلسوف یونانی سده ششم پیش از میلاد گفته است که با مالیدن پارچه خزدار روی مواد مختلف مانند کهربا می‌توان بار یا الکتریسیته تولید کرد، همچنین یونانی‌ها گفته بودند که دکمه های باردار کهربایی می‌توانند اجسام سبک مانند مو را به سمت خود بربایند و یا اگر کهربا را برای مدت طولانی مالش دهند ممکن است جرقه تولید شود. در سال ۱۶۰۰ دانشمند انگلیسی، ویلیام گیلبرت بازگشتی به بحث الکتریسیته داشت و واژه لاتین الکتریکوس گرفته شده از واژه یونانی ηλεκτρον به معنی کهربا را ایجاد کرد که البته خیلی زود این واژه به شکل انگلیسی electric و electricity تغییر پیدا کرد. در سال ۱۶۶۰ اتوفون گوریک تلاش‌های گیلبرت را دنبال کرد و احتمالاً او کسی است که دستگاه تولیدکننده الکتریسیته ساکن را اختراع کرده است. از دیگر اروپاییان پیشرو در این زمینه می‌توان از رابرت بویل نام برد. بویل کسی است که در سال ۱۶۶۷ اظهار داشت که ربایش و رانش الکتریکی در فضای خالی نیز امکان‌پذیر است. استفان گری در سال ۱۷۲۹ مواد را به گروه‌های رسانا و نارسانا دسته‌بندی کرد. چارلز فرانسوا دو فی در سال ۱۷۳۳ گفت که: الکتریسیته از دو راه مختلف می‌آید که می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند او این اظهارات را با عنوان تئوری "دو سیال" مطرح کرد که: وقتی شیشه روی ابریشم مالیده می‌شود شیشه باردار می‌شود یا بار شیشه‌ای و وقتی کهربا روی خز مالیده می‌شود کهربا باردار می‌شود یا بار صمغی. در سال ۱۸۳۹ مایکل فاراده نشان داد که تقسیم‌بندی ظاهری بین الکتریسیته ساکن، الکتریسیته جاری و بیوالکتریسیته درست نیست و همه این‌ها ناشی از رفتار الکتریکی قطب‌های مختلف دوقطبی‌ها است که به طور دلخواه یک را مثبت و دیگری را منفی نامیده‌ایم. بار مثبت، همان بار باقی‌مانده روی میله شیشه‌ای پس از مالش با ابریشم است.

بنجامین فرانکلین در قرن ۱۸ بیشترین تجربه را در این زمینه دارد. وی به حمایت از تئوری تک سیال الکتریکی بحث کرد. او تصور می‌کرد که بارالکتریکی یک سیال نامرئی است که در تمام مواد وجود دارد. مثلاً او معتقد بود که شیشه است که در ظرف لیدن بار الکتریکی را انباشته می‌کند. او اثبات کرد که مالیدن دو سطح نارسانا روی هم باعث می‌شود که این سیال تغییر مکان دهد و همین‌طور جاری شدن این سیال جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. وی این را نیز اثبات کرد که اگر ماده مقدار کمی از این سیال را داشته باشد می‌گوییم بار منفی دارد و اگر مقدار اضافی از آن را داشته باشد می‌گوییم بار مثبت دارد. به طور دلخواه (یا به دلیلی که ثبت نشده است) وی انتخاب کرد که باری که روی شیشه انباشته شده، بار شیشه‌ای بار مثبت است و بار صمغی منفی است. همچنین او بود که واژه‌های بار و باتری را وارد فرهنگ الکتریسیته کرد.
ویلیام واتسون نیز هم‌زمان با فرانکلین به همین نتایج رسید.






الکتریسیتهٔ ساکن و الکتریسیتهٔ جاری

الکتریسیتهٔ ساکن و جاری دو پدیدهٔ جداگانه و در اثر بار الکتریکی اند، که می‌توانند همزمان در یک جسم رخ دهند. الکتریسیتهٔ ساکن منبعی برای بار الکتریکی جسم است و اگر دو جسم که در تعادل الکتریکی نیستند را به هم بچسبانیم تخلیهٔ الکتریکی بین آن‌ها اتفاق می‌افتد. تخلیهٔ الکتریکی در بار الکتریکی هر دو جسم تغییر ایجاد می‌کند. در مقابل الکتریسیتهٔ جاری، جریان یافتن بارهای الکتریکی در یک جسم است که موجب ازدست‌دادن یا گرفتن هیچ‌گونه باری در آن جسم نمی‌شود. البته در تخلیه الکتریکی هم بارها از یکی به سمت دیگری جاری می‌شود اما این جریان خیلی کوتاه است که بخواهیم آن را جریان الکتریکی بخوانیم.






باردار کردن از راه تماس
یک آزمایش ساده

یک میلهٔ شیشه‌ای و صمغ را در نظر بگیرید، هیچ کدام از آن‌ها خواص الکتریکی از خود نشان نمی‌دهند؛ آن‌ها را باهم مالش دهید و همچنان در تماس با هم نگه دارید، همچنان هیچ اثر الکتریکی از خود نشان نمی‌دهند؛ حال آن‌ها را از هم جدا کنید حالا یکدیگر را جذب می‌کنند. اگر میلهٔ شیشه‌ای دیگری را با صمغ دیگری مالش دهید و آن دو را جدا از هم قرار دهید و دو میله شیشه‌ای را در کنار هم و دو تکه صمغ را هم کنار هم از نقطه‌ای آویزان کنید می‌بینید که:

دو میلهٔ شیشه‌ای یکدیگر را می‌رانند.
هر دو میلهٔ شیشه‌ای صمغ را می‌ربایند.
دو تکه صمغ یکدیگر را می‌رانند.

این پدیده‌های ربایش و رانش در هر دو مادهٔ دیگری که مانند شیشه و صمغ باردار شده باشد دقیقاً به همین شکل تکرار می‌شود. جسمی که شیشه را براند می‌گوییم به شکل شیشه‌ای باردار شده و اگر جسمی شیشه را جذب کند و صمغ را براند می‌گوییم به شکل صمغی باردار شده‌است.

امروزه در کاربرد علمی می‌گوییم جسمی که مانند شیشه باردار باشد بار مثبت و اگر مانند صمغ باردار باشد بار منفی دارد این علامت‌گذاری‌ها مانند قراردادهای ریاضی در علامت‌گذاری‌اند. هیچ نیرویی (ربایش یا رانش) بین یک جسم بدون بار و یک جسم باردار وجود ندارد.

در نگاه میکروسکوپی، راه‌های زیادی برای بوجود آمدن جریان الکتریکی وجود دارد مانند حرکت الکترون‌ها، حرکت حفره‌های الکترونی که مانند جابجایی بار مثبت می‌ماند و یا حرکت ذره‌های مثبت یا منفی یونی (یون‌ها یا هر ذره باردار دیگری در جهت خلاف یکدیگر در برق‌کافت یا پلاسما حرکت می‌کنند). حرکت هرکدام از این ذرات باردار در ماده ایجاد جریان الکتریکی می‌کند و معمولاً هم گفته نمی‌شود که ذره در حال جریان بار مثبت حمل می‌کند یا منفی.






خواص

علاوه بر تمام خواص الکترومغناطیسی که از بار الکتریکی گفته شد، بار یک متغیر نسبیتی است به این معنی که هر ذره‌ای که بار Q دارد، مهم نیست که با چه سرعتی حرکت می‌کند، فرض می شود همواره بار Q را حفظ می‌کند. این خاصیت بار بوسیله آزمایش هم نشان داده شده‌است مثلاً: بار یک هسته هلیوم (دو پروتون و دو نوترون در مجاورت یکدیگر در هسته اتم با سرعت بسیار زیاد در حال گردش‌اند) برابر است با بار دو هسته دوتریوم (یک پروتون و یک نوترون در مجاورت یکدیگرند که با سرعتی بسیار کمتر از آنچه در هسته هلیوم داشتند حرکت می‌کنند).





میدان الکتریکی
برای تعریف میدان الکتریکی در یک نقطه معین از فضا، یک بار الکتریکی مثبت به اندازه واحد در آن نقطه قرار داده، سپس مقدار نیروی الکتریکی وارد بر این واحد بار را به عنوان شدت میدان الکتریکی تعریف می‌کنند. بار مثبت را نیز به عنوان بار آزمون تعریف می‌کنند. به بیان دقیقتر می‌توان میدان الکتریکی را به صورت حد نسبت نیروی الکتریکی وارد بر یک بار آزمون بر اندازه بار آزمون، زمانی که مقدار بار آزمون به سمت صفر میل می‌کند، تعریف کرد.






پیشگفتار

از قانون کولن می‌دانیم که دو بار الکتریکی بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. این نیرو را می‌توان با استفاده از مفهوم جدیدی به نام میدان الکتریکی توضیح داد، یعنی واسطه‌ای که بارهای الکتریکی بواسطه آن بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. به بیان دیگر هر بار الکتریکی در فضای اطراف خود یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که هرگاه بار الکتریکی دیگری در محدوده این میدان قرار گیرد، بر آن نیروی وارد می‌شود. معمولاً خطوط میدان الکتریکی در اطراف هر بار الکتریکی با استفاده از مفهوم خطوط نیرو نشان داده می‌شود. به عنوان مثال اگر یک بار الکتریکی نقطه‌ای مثبت را در نقطه‌ای از فضا در نظر بگیریم، در این صورت خطوطی از این نقطه به طرف خارج رسم می‌شوند. این خطوط بیانگر جهت میدان الکتریکی هستند. همچنین با استفاده از چگالی خطوط میدان الکتریکی می‌توان به شدت میدان الکتریکی نیز پی برد.

علت بسیار کوچک بودن بار آزمون فرض کنید یک توزیع بار با چگالی حجمی یا سطحی معین در یک نقطه از فضا قرار دارد و ما می‌خواهیم میدان الکتریکی حاصل از این توزیع بار را در یک نقطه معین پیدا کنیم. اگر چنانچه مقدار بار آزمون خیلی کوچک نباشد، به محض قرار دادن بار آزمون در نزدیکی توزیع بار، توزیع بار حالت اولیه خود را از دست داده و تحت تأثیر بار مثبت آزمون قرار می‌گیرد. بنابراین فرض بسیار کوچک بودن بار آزمون بدین خاطر است که بتوانیم از آثار بار آزمون بر توزیع بار صرفنظر کنیم. البته با تعریف میدان به صورت حد نیرو بر بار زمانی که بار به صفر میل می‌کند، این اشکال رفع می‌شود.






مشخصات میدان الکتریکی

میدان الکتریکی کمیتی برداری است، یعنی در میدان الکتریکی علاوه بر مقدار دارای جهت نیز است. برداری بودن این کمیت را می‌توان از تعریف آن نیز فهمید. چون میدان الکتریکی را به صورت نسبت نیرو بر بار تعریف کردیم و نیز چون نیرو بردار است، بنابراین میدان الکتریکی نیز بردار خواهد بود.

میدان الکتریکی در داخل یک جسم رسانا همواره برابر صفر است. چون اگر درون جسم رسانا میدان الکتریکی وجود داشته باشد، در این صورت بر همه بارهای درون آن نیرو وارد می‌شود. این نیرو باعث به حرکت در آمدن بارهای آزاد می‌شود. حرکت بار را جریان می‌گویند. بنابراین در اثر ایجاد جریان در داخل جسم رسانا بارها به سطح آن منتقل می‌شوند، باز میدان درون آن صفر می‌شود. در بیشتر موارد میدان الکتریکی از نظر اندازه و جهت از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می‌کند. اما اگر چنانچه اندازه جهت میدان در منطقه‌ای ثابت باشد، در این صورت میدان الکتریکی را یکنواخت یا ثابت می‌گویند.






محاسبه نیروی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی

اگر بخواهیم مقدار نیروی الکتریکی را که از طرف یک توزیع بار بر بار دیگری که در یک نقطه معین قرار دارد محاسبه کنیم، کافی است که میدان الکتریکی حاصل از توزیع بار را در نقطه معین تعیین کرده، مقدار نیروی وارده را از حاصلضرب میدان الکتریکی در اندازه باری که نیروی وارده بر آن را محاسبه می‌کنیم، مشخص کنیم.





الکترومغناطیس

الکترومغناطیس شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند). در نظریهٔ الکترومغناطیس این نیروها به‌وسیلهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند. الکترومغناطیس توصیفگر بیشتر پدیده‌هایی‌ست (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد. الکترومغناطیس همچنین نیرویی‌ست که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. درحقیقت حامل همه‌ٔ نیروهای درون مولکولی٬ نیروی الکترومغناطیسی است.

نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند که این دو جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتاً یه یکدیگر مربوط‌اند. تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی می‌کند. این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته شده است و اساس کار ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای القایی و ترانسفورمرها می‌باشد. میدان‌های الکتریکی عامل چند پدیدهٔ الکتریکی معمول مانند پتانسیل الکتریکی (مانند ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (مانند جریان برق) و میدان‌های مغناطیسی عامل نیروی مربوط با آهنرباها هستند. در الکترودینامیک کوانتومی ٬ نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار را می‌توان از طریق روش نمودارهای فاینمن محاسبه کرد که در آن تصور می‌شود که ذرات پیام‌رسان به نام فوتن مجازی بین ذرات باردار مبادله می‌شود.

مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به توسعه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.






تاریخچه الکترومغناطیس

در ابتدا تصور بر این بود که الکتریسیته و مغناطیس به عنوان دو نیروی جدا از هم عمل می‌کنند. با این حال این تغییر دیدگاه، با انتشار رساله الکتریسیته و مغناطیس جیمز کلارک ماکسول در تاریخ '۱۸۷۳ است که در آن نشان داده می‌شود تعامل بارهای مثبت و منفی توسط یک نیروی تنظیم می‌شد. چهار اثر عمده ناشی از این تداخلات وجود دارد که به وضوح توسط آزمایش‌ها نشان داده شده‌اند: ۱-نیروی الکتریکی جذب و یا دفع کننده بارها توسط یک دیگر متناسب با معکوس مربع فاصله بین آن‌ها است. ۲-قطب مغناطیسی همیشه به صورت جفت توسط خطوط میدان مغناطیسی به هم متصل می‌شوند: قطب شمال مغناطیسی به قطب جنوب مغناطیسی متصل است. ۳-جریان الکتریکی در سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم ایجاد می‌کند، که جهت آن بسته به جهت جریان است. ۴-هنگامی که حلقه سیم به سمت میدان مغناطیسی یا دور از میدان مغناطیسی حرکت کند و یا میدان مغناطیسی به سمت نزدیک شدن و یا دور شدن از آن نقل مکان کند، جهت آن بسته به جهت جریان در آن جنبش است.منابع-۱

زمانی که هانس کریستین اورستد در حال آماده شدن برای سخنرانی شب در ۱۸۲۰ آوریل ۲۱ بود، مشاهدات شگفت‌آوری کسب کرد .او متوجه شد که سوزن قطب‌‌نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری روشن و خاموش می‌شد، از قطب مثیت منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که، میدان‌های مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تأثیر می‌پذیرد و رابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. به زودی او یافته‌های خود را به چاپ رسانید که به نشان می‌داد جریان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان، تولید میدان مغناطیسی می‌کند. CGS واحد القاء مغناطیسی (oersted) است به نام و به افتخار او نام‌گذاری شده‌است. این اتحاد که توسط مایکل فارادی مشاهده شد، توسط جیمز کلارک ماکسول گسترش یافت و بخشی از آن دوباره توسط الیور هویساید و هاینریش هرتز فرمول‌بندی شد ٬ یکی از بزرگ‌ترین دست‌آوردهای فیزیک ریاضی در قرن ۱۹ام به‌شمار می‌رود. از آن پس٬ الکترومغناطیس ٬همواره به عنوان مدلی برای توسعه فیزیک مطرح بوده است.






تاریخچهء تجهیزات الکترومغناطیسی

1800 .برای اولین بار آلساندرو ولتای ایتالیایی از روی و نقره توان الکتریکی دائم (در مقابل جرقه یا الکتریستۀ دائم) تولید کرد.
1820 هانس کریستین اورستد با مشاهدۀ تغییر جهت قطب‌نما با جریان الکتریکی میدان مغناطیسی را پیدا کرد.این اولین جابه‌جایی مکانیکی با جریان الکتریکی بود.
1820 آندره ماری آمپر سیم پیچ استوانه‌ای را اختراع کرد.
1821 مایکل فارادی دو آزمایش برای نشان دادن چرخش مغناطیسی طراحی کرد. او یک سیم آویزان را در معرض میدان مغناطیسی قرار داد و چرخش آن در یک مدار دوار را مشاهده کرد.
1822 پیتر بارلو (انگلیسی) چرخ نخ‌ریسی را اختراع کرد. (چرخ بارلو = ماشین تک قطبی).
1825- 1826 ولیام استراگن (انگلیسی) آهنربای الکتریکی را اختراع کرد، که یک سیم پیچ با هسته آهنی به منظور افزایش میدان مغناطیسی بود.
1827-1828 ایستوان (آنیوس) جدلیک (مجارستانی) اولین ماشین‌های دوار با برق و کموتاتور را اختراع کرد.اما او چنین سال پس از اختراع به فکر ثبتش افتاد و تاریخ دقیق آن مشخص نیست.
1831 مایکل فارادی القای الکترومغناطیسی را کشف کرد. یعنی تولید جریان الکتریکی از تغییر میدان مغناطیسی (واکنش کشف اورستد).







بررسی اجمالی

نیروی الکترومغناطیسی یکی از ۴ نیروهای بنیادی طبیعت است. نیروی الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد.الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد.






الکترودینامیک کلاسیک

نظریه دقیق الکترومغناطیس، معروف به الکترومغناطیس کلاسیک، توسط فیزیکدانان طی قرن ۱۹، در اوج کار جیمز کلرک ماکسول - که متحد تحولات قبل به تئوری واحد و کشف ماهیت الکترومغناطیسی نور است - شکل گرفت. در الکترومغناطیس کلاسیک، میدان الکترومغناطیسی توسط مجموعه‌ای از معادلات شناخته شده به عنوان معادلات ماکسول، و نیروی الکترومغناطیسی داده شده توسط قانون نیروی لورنتس توجیه می‌شود. یکی از خصوصیات الکترومغناطیس کلاسیک این است که به سختی با مکانیک کلاسیک سازگار است، اما سازگاری آن با نسبیت خاص به راحتی قابل نشان دادن است. با توجه به این که در معادلات ماکسول، سرعت نور در خلأ ثابتی است جهانی، و تنها وابسته به گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی در فضای خلأ می‌باشد. این ناقض قوانین سرعت گالیله‌ای، سنگ بنای اولیه از مکانیک کلاسیک است. یک راه برای آشتی دادن دو نظریه فرض وجود اتر درخشان است که از طریق آن نور حرکت می‌کند. با این حال، پس از تلاش‌های تجربی غراوان، موفق به شناسایی حضور اتر نشد. پس از کمک‌های مهم هندریک لورنتس و هنری Poincaré، در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین مشکل را با مقدمه‌ای از نسبیت خاص حل کرد که جایگزین جدید تئوری حرکت‌شناسی کلاسیک شد و با الکترومغناطیس کلاسیک سازگار است. علاوه بر این، تئوری نسبیت نشان می‌دهد که فریم در حال حرکت مرجع میدان مغناطیسی تبدیل به یک میدان غیر صفر با مؤلفه الکتریکی و بالعکس می‌شود، بنابراین به‌صورتی پایدار و محکم نشان می‌دهد که آنها دو طرف یک سکه هستند، و به این ترتیب اصطلاح «الکترومغناطیس» نشان داده می‌شود.





نورشناسی
نورشناسی، اپتیک یا فیزیک نور، شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی نور و خواص آن و برهمکنش آن با ماده می‌پردازد. نورشناسی به مطالعه حوزه مرئی، ماواء بنفش و زیر قرمز امواج الکترومغناطیسی می‌پردازد.






تاریخچه

در یونان باستان عقیده بر این بود که نور از چشم به سمت اشیا می‌تابد و بازتاب آن باعث دیدن و دیده شدن، می‌شود.موزی، ارسطو و اقلیدس در سدهٔ ۵ و ۴ پیش از میلاد با استفاده از تئوری سوراخ‌سوزنی یا اتاقک تاریک تلاش کردند خلاف آن نظریه را ثابت کنند. آن‌ها در پشت دوربین‌های سوراخ سوزنی صفحه‌ای نیمه‌مات قرار می‌دادند تا تصویر بازتاب شده ی روی آن با چشم دیده شود. در قرن ششم میلادی، آنتمیوس در آزمایش‌های خود از دوربین تاریکخانه‌ای استفاده کرد.

اما ابن هیثم پدر علم نورشناسی یا فیزیک نور،در سده‌ی پنجم هجری/یازدهم میلادی، بود که رساله ای در باره نورشناسی نوشت و در نهایت تئوری دوربین سوراخ سوزنی را گسترش داد و در مشاهدات خورشید گرفتگی خود از وسیله‌ای به نام اتاقک تاریک استفاده کرد. او برای نخستین‌بار از دوربین سوراخ سوزنی و دوربین تاریکخانه‌ای در آزمایش‌هایش جهت بررسی خواص نور، استفاده نمود و آن را به جهان معرفی کرد.






نورشناسی هندسی

نورشناسی هندسی نور به صورت یک پرتو منتشر شونده در یک خط راست مدل بندی می‌کند. این نظریه توانسته‌است بسیاری از ویژگی‌های نور مثل شکست نور، بازتاب نور از سطوح را به خوبی توصیف نماید.






نورشناسی موجی

پدیده‌هایی وجود دارند که دیگر نمی‌توان آنها را با دید نور هندسی مورد مطالعه قرار داد که نمونه‌ای از این پدیده‌ها پراش، پاشندگی، تداخل نور می‌باشد. به این منظور با کارهای ماکسول مشخص شد که رفتار نور به خوبی با استفاده از یک موج الکترومغناطیسی قابل توصیف است.






نورشناسی کوانتمی

با وجود همه موفقیت‌هایی که در زمینه نورشناسی انجام شده بود باز هم هنوز نور ماهیت اصلی خود را هویدا نکرده بود. اما با پیشرفت‌هایی که در زمینه مکانیک کوانتومی انجام شد و کاربرد آن در حوزه نورشناسی جبهه‌های جدیدی در این علم گشوده و نمودهای تازه‌ای از نور مشاهده شد. این موضوع تا جایی ادامه یافت که اعتقاد دانشمندان فیزیک بر آن شد که نور ذاتاً یک موجود کاملاً کوانتمی است و آنچه که در تئوری‌های کلاسیک به آن پرداخته می‌شود یک تقریب نسبتاً خوب از نور است. در این مدل بندی جدید پدیده‌هایی پیش بینی و توصیف شدند که پیش از این بررسی نمی‌شدند. امروزه موفق‌ترین مدل برای توصیف نور مدل نورشناسی کوانتومی است.
keywords : علی صافی,صافی گلپایگانی,مجتهد,مرجعیت,اسلام,قرآن