آهنربایی کره زمین

 

1 - زمینه با پیدایش آهنربا ، پس از گذشت زمان کوتاهی پی بردند که کرة زمین نیز خاصیت آهنربایی دارد ؛ تا آنجا که نام قطب های آهن ربا را را بر اساس نام قطب های زمین نام گذاری کردند .

به دنبال آن ، برای اولین در سال 1600 میلادی ، توسط « گیلبرت » زمین به عنوان یک آهنربای بزرگ معرفی شد .

برای دلیل وجود خاصیت مغناطیسی در کرة زمین ، نظریه های متفاوتی از آغاز شناخت آن تا کنون ، ارائه شده است و حتی بعضی می گفتند ، خاصیت مغناطیسی کرة زمین ، تحت تأثیر کره های دیگر است . اما آخرین نظریه ، این خاصیت را به مواد مذاب داخل کرة زمین مربوط می داند .

2 - خاصیت مغناطیسی کرة زمین

یکی از ویژگی های مهم کرة زمین ، وجود خاصیت آهنربایی در آن است و مانند این است که درون کرة زمین ، آهنربای بسیار بزرگی قرار داده شده است و تا کنون ، نظریه های گو ناگونی برای علت آن ارائه شده است . آخرین نظریه این است که درون کرة زمین ، مواد مذاب در حال حرکت وجود دارد و بیشتر این مواد ، از جنس آهن و نیکل هستند . هنگامی که این مواد حرکت می کنند ، در اطراف جریان های الکتریکی ضعیفی به وجود می آورند که در مجموع ، باعث می شود کرة زمین ، خاصیت آهنربایی پیدا کند و در اطراف کرة زمین ، میدان مغناطیسی به وجود می آید . ما روی آهنربای بزرگی به نام «زمین » زندگی می کنیم .

چندین سیارة دیگر از سیاره های منظومه شمسی نیز ، میدان مغناطیسی دارند که از جمله آنها می توان از عطارد و مشتری نام برد . این خاصیت در خورشید و بسیاری ستاره های دیگر نیز دیده می شود .

خاصیت مغناطیسی کرة زمین ، نقش بسیار مهمی در جهت یابی کشتی ها و هواپیماها دارد . شمال و جنوب مغناطیسی زمین ثابت نیست و در فاصله های زمانی ، به میزان قابل ملاحظه ای تغییر می کند .

3 - زاویه انحراف

چنانچه به کمک عقربة مغناطیسی به طرف قطب شمال یا جنوب برویم ، به قطب شمال و جنوب واقعی کرة زمین نمی رسیم . علت این است که قطب شمال و جنوب جغرافیایی و مغناطیسی کرة زمین ، با هم یکی نیست ؛ یعنی اینکه قطب شمال مغناطیسی زمین ، درست روی قطب شمال جغرافیایی زمین قرار ندارد و اگر دو قطب جغرافیایی و مغناطیسی زمین را توسط خطی فرضی به به نام « محور » به هم وصل کنیم ، بین دو محور مغناطیسی و محور جغرافیایی زمین ، زاویه ای ساخته می شود که به آن ، زاویة انحراف گویند . این زاویه ، به مرور زمان ، جزئی تغییر می کند و ثابت نمی ماند ، و اندازة آن در نقاط مختلف زمین متفاوت است . زاویة انحراف در جهت یابی هواپیماها و کشتی ها بسیار مهم است . هم اکنون قطب شمال مغناطیسی کرة زمین ، در شمال کانادا قرار دارد .

4 - زاویه میل

مطالعة مغناطیسی زمین ، نشان می دهد که خط های میدان مغناطیسی زمین افقی نیست و با سطح زمین زاویه ای می سازد همچنین می دانیم خاصیت مغناطیسی یک آهنربا در نقاط مختلف آن متفاوت است و در دو قطب آن ، این خاصیت بیشتر است . به همین ترتیب ، خاصیت آهنربایی کرة زمین در دو قطب بیشتر است . پس اگر یک عقربة مغناطیسی آزاد باشد تا بتواند در راستای عمودی نیز حرکت کند ، نوک این عقربه نزدیک قطب ها به زمین متمایل می شود و در خط استوای مغناطیسی عقربه ، افقی قرار می گیرد و در قطب ها ، به عنوان مثال قطب شمال ، نوک عقربه N آن ، عمود بر سطح افقی خواهد شد . پس محور مغناطیسی عقربه های مغناطیسی در مکان های مختلف استوا تا قطب ، نسبت به سطح افق تغییر کرده و زاویه ای با افق می سازد ؛ این زاویه را زاویة میل گویند . پس زاویه میل ، زاویه ای است که محور مغناطیسی عقربه با سطح افق می سازد همچنین این زاویه ، در جهت یابی هواپیماها و کشتی ها نقش بسیار مهمی دارد ؛ در جغرافیا به این زاویه ، عرض جغرافیایی گویند .

5 - کشف معدن های آهنی زمین

مطالعة میدان مغناطیسی زمین برای هدف های علمی و عملی ، از اهمیت به سزایی برخوردار است . وجود میدان مغناطیس زمین ، انجام پاره ای از بررسی های مهم دیگر را میسر کرده است ؛ از آن جمله ، می توان از روش های اکتشاف و مطالعة ذخایر زمین نام برد . تحلیل دقیق میدان مغناطیسی زمین ، وسیلة توانمندی برای بررسی ذخایر معدنی زمین است . در حال حاضر ، جست و جوی مغناطیس سنجی ، روش ژئوفیزیکی مهم و گسترده ای است که برای اکتشاف و ذخایر معدنی به کار می رود .

در زمین ، نواحی ای وجود دارد که در آن جا کمیت های مغناطیسی به طور ناگهانی تغییر می کنند و مقادیری به خود می گیرند که با مقادیر مربوط به محل های مجاور ، تفاوت زیادی دارند تفاوت زیاد کمیت های مغناطیسی در این ناحیه ها ، ناشی از فشار تودة بزرگی از سنگ آهن های مغناطیسی در زیر سطح زمین است ؛ به همین دلیل ، مطالعة ناهنجاری های مغناطیسی ، دانسته های باارزشی در مورد وجود و محل مخزن های سنگ های مغناطیسی ارائه می دهد .

6- مین های دریایی

مواد مغناطیسی مانند آهن که در میدان مغناطیسی کرة زمین قرار گرفته باشند . به مرور زمان ، خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند ؛ مثلاً یک کشتی که در آن آهن نیز به کار رفته است ، به مرور زمان آهنربا می شود . از این خاصیت برای به دام انداختن آن استفاده می شود .

عملکرد یک مین دریایی ، به گونه ای است که خاصیت آهنربایی کشتی بر آن اثر گذاشته و فرمان انفجار صادر می شود .

در یک مین دریایی ، عقربه ای مغناطیسی قرار داده اند که هنگام عبور کشتی از بالای آن ، عقربه تحت تأثیر قرار گرفته و مین از سطح زیرین دریا ، به سطح دریا می رسد و سپس منفجر می شود . برای خنثی کردن این مین ها دو روش وجود دارد .

الف ـ مغناطیس نیرومندی را با کابل های سیمی از زیر هواپیما آویزان کرده و آن را نزدیک سطح آب ، حرکت می دهند . آهنربای قوی روی مین ها اثر گذاشته و آنها را خنثی می کند . گاهی کابل سیمی دایره شکل را به طور شناور روی سطح آب قرار می دهند و جریانی را از آن می گذرانند ، که بر اثر این میدان مغناطیسی یا جریان جریان ساز و کار ، مین ها عمل کرده ، بدون هیچ خسارتی منفجر می شوند .

ب ـ حلقه هایی از سیم عایق شده را به کشتی وصل کنند و جریانی را از آنها می گذرانند ؛ به طوری که میدان مغناطیسی این جریان مساوی و در خلاف میدان مغناطیسی کشتی کشتی ( که یک مغناطیس دائمی است ) باشد . وقتی این میدان ها با هم ترکیب شوند ، یکدیگر را خنثی می کنند و کشتی بدون این که ساز و کار مین را به کار اندازند ، از روی آن می گذرد .

7 - باستان شناسی مغناطیسی

میدان مغناطیسی زمین ، منظم و پایدار نیست ؛ بلکه با گذشت سال ها در یک محل معین ، مقدار متوسط زاویة انحراف و میل تغییر می کند . این انحراف محور مغناطیسی و در نتیجه ، تغییرات زاویه انحراف و زاویه میل در یک محل نسبت به زمان ، شاخة جدیدی را در « باستان شناسی » به نام «باستانو مغناطیسی» ایجاد کرده است که توسط آن ، عمر کوره ها ، اجاق ها و آتشکده های قدیمی تعیین می شود . اساس کار ، مبتنی بر این است که بیشتر خاک رسهایی که این اجسام از آنها ساخته شده اند ، حاوی مقدار کمی مواد مغناطیسی اند . سمتگیری این مواد مغناطیسی ، با گرم شدن در موقع استفادة عادی تثبیت شده است . با مقایسة جهت فعلی میدان مغناطیسی زمین با جهت میدان مغناطیسی این مواد ، می توان قدمت باستانی تقریبی آن ها را تعیین کرد .

در مقیاس طولانی تر زمان ( دوران زمین شناسی ) ، شواهدی وجود دارد که نشان می دهد محور مغناطیسی زمین در مدت چهار میلیون سال گذشته ، نه بار کاملاً تغییر جهت داده است . این شواهد ، مبتنی بر اندازه گیری های خاصیت مغناطیسی ( ضعیف ) تثبیت شده در تخته سنگ های با عمر زمین شناسی معین هستند .

اجاقهای میکرو ویو

در بیست ساله اخیر ، اجاقهای میکروویو حضوری فراگیر پیدا کرده اند . فن آوری میکروویو ما را قادر می سازد که غذا را بسیار سریعتر از اجاقهای معمولی بپزیم یا گرم کنیم . شاید این سؤال به ذهن شما خطور کرده باشد که اجاقهای میکروویو چگونه می توانند غذا را با این سرعت گرم کنند ؟ میکروویو که شکلی از انواع تابش الکترومغناطیسی است بوسیله ماگنترون magnetron تولید می شود که در زمان جنگ جهانی دوم همزمان با توسعه فن آوری رادار اختراع شد . ماگنترون استوانه ای تو خالی است که میان مغناطیسی نعلی شکل قرار دارد . در مرکز استوانه میله ای کاتدی قرار دارد و دیواره استوانه هم به عنوان آند عمل می کند . وقتی استوانه گرم می شود ، کاتد الکترونهایی گسیل می کند که آنها هم به سوی دیواره استوانه حرکت می کنند . نیروی حاصل از میدان مغناطیسی سبب می شود تا الکترونها در مسیری دایره ای بچرخند . این حرکت ذرات باردار با بسامد 45/2 گیگاهرتز میکروویوی مناسب پخت تولید می کنند . یک « هدایت کننده موج » میکروویوها را به سوی محفظه پخت هدایت می کند . و پره های یک بادبزن هم سبب پخش میکروویوها به تمام قسمتهای اجاق می شود . عمل پخت در اجاق میکروویو ناشی از برهمکنش مؤلفه میدان الکتریکی تابش با مولکولهای قطبی ( عمدتاً آب ) موجود در غذاست . تمام مولکولها در دمای اتاق می چرخند . اگر بسامد تابش و بسامد حاصل از چرخش مولکولی مساوی باشند ، انرژی می تواند از میکروویو به مولکول قطبی منتقل شود و در نتیجه مولکول می تواند سریعتر بچرخد . بسامد 45/2 گیگاهرتز برای افزایش انرژی چرخشی مولکولهای آب بسیار مناسب است . اصطکاک ناشی از چرخش سریع مولکولهای آب سرانجام سبب گرم شدن مولکولهای غذایی احاطه کننده مولکولهای آب می شود . دلیل اینکه اجاقهای میکروویو می توانند غذا را این چنین سریع بپزند ، این است که تابش بوسیله مولکولهای غیر قطبی جذب نمی شود ؛ بنابراین می تواند همزمان به قسمتهای مختلف غذا برسد ( میکروویوها ، بسته به مقدار آب موجود در غذا ، می توانند تا عمق چند سانتیمتر در غذا نفوذ کنند ) . در یک اجاق متعارف ، گرما از طریق رسانش فقط تا مغز غذا می توانداثر کند ـ و این امر بوسیله انتقال گرما از مولکولهای هوای داغ به مولکولهای سردتر غذا در اجاق چند لایه صورت می گیرد ـ که البته فرآیند بسیار کندی است . تذکر نکات زیر در کار کرد یک اجاق میکروویو سودمند است : مواد پلاستیکی و ظروف پیرکس چون در بر گیرنده مولکولهای قطبی نیستند ، بنابراین تحت تأثیر تابش میکروویو قرار نمی گیرند (برخی مواد پلاستیکی که از گرمای غذا ذوب می شوند ، نباید در اجاقهای میکروویو مورد استفاده قرار گیرند ) . فلزات ، بازتاب دهنده میکروویوها هستند ؛ بنابراین همچون حفاظی برای غذا محسوب می شوند و حتی ممکن است آنقدر انرژی را به گسیل کننده میکروویو بازگردانند که سبب افزایش بار آن شوند . چون میکروویوها می توانند در فلزات جریانی القا کنند ؛ لذا ممکن است سبب جرقه هایی بین محفظه و جداره داخلی اجاق شوند .

ممکن است ماده تاریک و انرژی تاریک دو روی یک سکه باشند

ScienceDaily (Feb. 1, 2008) ستاره شناسان دانشگاه St Andrews براین باورند که با توصیف جدیدی از دو مولفه مرموز بخش تاریک جهان، ان را ساده سازی کرده اند. [ نجوم و اخترفیزیک ] شاره تاریک :   ممکن است ماده تاریک و انرژی تاریک دو روی یک سکه باشند ScienceDaily (Feb. 1, 2008) ستاره شناسان دانشگاه  St Andrews براین باورند که با توصیف جدیدی از دو مولفه مرموز بخش تاریک جهان، ان را ساده سازی کرده اند. دکتر HongSheng Zhao از بخش فیزیک و نجوم دانشگاه، نشان داده است که ماده تاریک و انرژی تاریک ممکن است پیوندی بسیار نزدیک تر از انچه که تصور می شد داشته باشند. تنها %4 عالم از ماده ای که ما می شناسیم ساخته شده است - %96 ماده باقیمانده از لحاظ تاریخی در دو جزء نامگذاری شده اند: ماده تاریک و انرژی تاریک. اخترفیزیکدان و عضو UK's Science and Technology Facilities Council دکتر Zhao خاطرنشان می سازد که      " هر دوی ماده تاریک و انرژی تاریک می توانند دو روی یک سکه باشند." "به طوری که ستاره شناسان از از طریق تاثیرات ظریف انرژی تاریک در ساختار کهکشانها دریافته اند که می توانیم رمز هر دوی انها را در یک زمان حل کنیم." ستاره شناسان بر این باورند که هم عالم و هم کهکشانها بر اثر نیروی جاذبه مقدار بسیار زیادی از ماده نامرئی که برای اولین بار دانشمند سوییسی Fritz Zwicky در سال 1933 مطرح گردید و امروزه با نام ماده تاریک شناخته می شود، به یکدیگر مقیدند. دکتر Zhao می گوید: " اگر ما بپذیریم که ماده و انرژی تاریک از منابع یکسانی نشات می گیرند، وجود انرژی تاریک 60 سال قبل اشکار شده بود ." در مدل دکتر Zhao، انرژی تاریک و ماده تاریک ظواهر متفاوتی از یک چیزند، که وی با "شاره تاریک " از ان یاد می کند. در مقیاس کهکشانی شاره تاریک مانند ماده تاریک و در مقیاس کیهانی مانند انرژی تاریک عمل می کند و باعث انبساط عالم می شود. خصوصا ، این مدل، به طور بی سابقه ای ، به تفصیل نسبت 3 به 1 انرژی تاریک به ماده تاریک را که بوسیله کیهانشناسان پیش بینی شده است، شرح می دهد. در حال حاضر تلاشهای زیادی از طریق ازمایشات متنوع برای به دام انداختن ذرات پر انرژی ماده تاریک در جریان است.  LHC  در مرکز تحقیقات هسته ای اروپا به طور بالقوه ای ذرات ماده تاریک را اشکار کرده است. با توجه به نظر دکتر Zhao، این تلاشها بی ثمر خواهد بود. وی می گوید: " در این تصویر ساده از جهان ماده تاریک بطور شگفت اوری در مقیاسهای پایین انرژی خواهد بود، بسیار پایین تر از انچه که در اینده نزدیک LHC بتواند به ان دست می یابد." " تاکنون تحقیقات برای یافتن ذرات ماده تاریک بر روی انرژی های بالا متمرکز شده است. اگر ماده تاریک همدم انرژی تاریک باشد، این مساله در تجهیزاتی مانند LHC نشان داده نخواهد شد. اما بارها و بارها بوسیله ستاره شناسان در کهکشانها اشکار شده است." هرچند که ممکن است عالم تماما خالی از ذرات ماده تاریک باشد. ضمن اینکه یافته های دکتر Zhao با مولفه های تاریک عالم به عنوان اصلاحی از  قانون گرانش به ذرات انرژی همسازی دارد. دکتر Zhao اینطور نتیجه می گیرد: " چیزی به عنوان ماده تاریک یا انرژی تاریک وجود ندارد. بلکه اینها دو پدیده اند که احتمالا مستقل از یکدیگر نیستند." پیش زمینه نظریات فزیکی گرانش اولین بار توسط نیوتن در سال 1687 مطرح و توسط نظریه نسبیت عام اینشتین در سال 1905 که بیان می داشت سرعت امواج گرانشی برابر سرعت نور است تصحیح شد.هرچند که هیچگاه اینشتین براین که معادلاتش یک منبع پایداری که امروزه به طور کلی انرژی تاریک نامیده می شود به طبیعت اضافه می کند واقعا باور نداشت. ستاره شناسان پس از Fred Zwicky به منابعی برای معادلات اینشتین به شکل ماده ای که نور ساطع نمی کرد می اندیشیدند که عموما ماده تاریک نامیده می شوند. جدا از نوترینوها هیچکدام از منابع ماده تاریک عملا تائید نشده اند. یافته های دکتر Zhao و همکارانش در Astrophysical Journal Letters  در December 2007 و Physics Review منتشر شده است.

چند محاسبه ی نسبیتی

در این بخش خواهید دید که محاسبات نسبیتی قبل از نسبیت وجود داشته اند. همچنین متوجه می شوید که معروف نبودن چه مزایای بزرگی دارد!   مثالی از یک محاسبه ی نسبیتی، قبل از نسبیت محاسبات زیر مقدار انحراف نوری را که برای اولین بار سلندر در سال 1801 محاسبه کرد نشان می دهند. نتیجه ای که به دست می آید بسیار به مقدار واقعی خودش نزدیک می باشد.البته شانس می آوریم که دو اثر همدیگر را به طور کامل خنثی می کنند و محاسبات ما با محاسبات سنگینتر فرقی نخواهد کرد. g=M.G/R^2 y=(g/2)t^2 x=c.t y(x)=(g/2c^2).x^2 اگر اثر نیرو را فقط در مسیر پیمودن قطر خورشید در نظر بگیریم: y`(x)=(G.M/R^2.c^2)x y`(2R)=2G.M/R.c^2 شعاع شوارتزشلید  <------R0=2G.M/c^2 D=R0/R انحرافی را که به دست آوردیم،دقیقا با مقدار انحرافی که بر مبنای مکانیک نیوتونی بدون تقریب به دست می آید برابر است. ولی بر پایه و بنیاد نسبیت عام مقدار به دست آمده دقیقا 2 برابر مقدار بالا است. شاید اگر زمانی که از اینشتین می پرسیدند"اگر رصد خورشیدگرفتگی در آفریقا نظریات او را رد می کرد،اینشتین چه می کرد؟" و او نمی گفت که "به آزمایش کننده شک می کردم" این چنین طبیعت او را یاری نمی کرد که درست 2 برابر چیزی که نیوتون می گوید جوابِ درست باشد! اینشتین یک طرف خط بود و شادمان از اینکه به سوالی که در ذهن داشته پاسخ داده است.و کسانی چون سلندر آن طرف خط بودند و سعی داشتند رفتار نور را بررسی کنند و ببینند این موج در ارتباط با ماده  و دستگاه های مختلف چه خصوصیاتی از خود نشان می دهد. اصلا شاید ذره نباشد!!!! شانس به کسی روی می آورد که به شانس اعتقادی نداشته باشد! اینشتین شانس آورد که این طرف خط بود ،نه فیزیکدان خبره ای بود، نه ریاضی دان کهنه کاری. او فقط می خواست به سوالات ساده ای که در ذهنش پیش می آید پاسخ دهد. ابتدا شاید قصد جسارت و دخالت در محاسبات سنگین الکترومغناطیسی و گرانشی را نداشت. ولی  پاسخ سوالش او را به یک حالت مرزی و حدی برد. فایده ی حالات مرزی را می توان با این مثال مشخص کرد که کسی که در مرز مسئله ای قرار بگیرد، می تواند مسئله را درحالت کلی تری ببیند،که حالت خاص درون مسئله ی اولی را هم شامل می شود. ولی کسی که نمی تواند مرز مسئله را ببیند گمان می کند که کل، یعنی مسئله ی او. و جوابی را هم که پیدا می کند، حالتی عمومی می پندارد. اینشتین یک شانس دیگر هم آورد، اینکه شهرتی در علم نداشت،همین باعث شد که جسارت پیدا کند. این که سرعتی بیش از سرعت نور وجود نداشته باشد به نظر شوخی بزرگی می آمد ، ولی کوچکتر ها حق شوخی کردن دارند! اما اینشتین حتی نمی خواست شوخی کند . او فقط می خواست جواب سوالش را بدهد. کم کم با همکاری همسرش، این اصولی را که برای دنیای خودش ساخته بود، به معادلات کشانید و نتایجی به دست آورد که در دنیای همه ی ما صادق است،بزرگترها کم کم قبول کردند که اصول دنیای اینشتین در دنیای آنها هم حکمرانی می کند. دربخش بعد با چند مثال شما را در لذت نتایجی که اینشتین به خاطر پاسخ به یک سوال ساده به دست آورد شریک خواهم کرد.