آموختن علم و دانش بیشتر

آزمایش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الکترون )

تاریخ:جمعه 1 اردیبهشت 1391-11:31

آزمایش تامسون ( محاسبه نسبت بار به جرم الکترون )

در آزمایش تامسون از اثر میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی استفاده شده است. دستگاهی که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است از قسمتهای زیر تشکیل شده است:

الف ) اطاق یونش که در حقیقت چشمه تهیه الکترون با سرعت معین می باشد بین کاتد و آند قرار گرفته است. در این قسمت در اثر تخلیه الکتریکی درون گاز ذرات کاتدی ( الکترون ) بوجود آمده بطرف قطب مثبت حرکت می کنند و با سرعت معینی از منفذی که روی آند تعبیه شده گذشته وارد قسمت دوم می شود. اگر بار الکتریکی q تحت تاثیر یک میدان الکتریکی بشدت E قرار گیرد، نیروییکه از طرف میدان بر این بار الکتریکی وارد می شود برابر است با:

F= q.E

در آزمایش تامسون چون ذرات الکترون می باشند q = -e بنابراین:

F= -eE

از طرف دیگر چون شدت میدان E در جهت پتانسیلهای نزولی یعنی از قطب مثبت بطرف قطب منفی است بنابراین جهت نیرویF در خلاف جهت یعنی از قطب منفی بطرف قطب مثبت می باشد. اگرx فاصله بین آند و کاتد باشد کار نیروی F در این فاصله برابر است با تغییرات انرژی جنبشی ذرات . از آنجاییکه کار انجام شده در این فاصله برابراست با مقدار بار ذره در اختلاف پتانسیل موجود بین کاتد وآند بنابراین خواهیم داشت

ev0 =½m0v2

که در آن v0 اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند e بار الکترون v سرعت الکترون و m0 جرم آن می باشد. بدیهی است اگر v0 زیاد نباشد یعنی تا حدود هزار ولت رابطه فوق صدق می کند یعنی سرعت الکترون مقداری خواهد بود که می توان از تغییرات جرم آن صرفنظ نمود . بنابراین سرعت الکترون در لحظه عبور از آند بسمت قسمت دوم دستگاه برابر است با:

v = √(2e v0/ m0)

ب) قسمت دوم دستگاه که پرتو الکترونی با سرعت v وارد آن می شود شامل قسمتهای زیر است :

1- یک خازن مسطح که از دو جوشن A وB تشکیل شده است اختلاف پتانسیل بین دو جوشن حدود دویست تا سیصد ولت می باشد اگر پتانسیل بین دو جوشن را به v1 و فاصله دو جوشن را به d نمایش دهیم شدت میدان الکتریکی درون این خازن E = v1/d خواهد بود که در جهت پتانسیلهای نزولی است.

2- یک آهنربا که در دو طرف حباب شیشه ای قرار گرفته و در داخل دو جوشن خازن: یک میدان مغناطیسی با شدت B ایجاد می نماید . آهنربا را طوری قرار دهید که میدان مغناطیسی حاصل بر امتداد ox امتداد سرعت - و امتداد oy امتداد میدان الکتریکی - عمود باشد.

پ) قسمت سوم دستگاه سطح درونی آن به روی سولفید آغشته شده که محل برخورد الکترونها را مشخص می کند.

وقتی الکترو از آند گذشت و وارد قسمت دوم شد اگر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی تاثیر ننمایند نیرویی بر آنها وارد نمی شود لذا مسیر ذرات یعنی پرتو الکترونی مستقیم و در امتداد ox امتداد سرعت ) خواهد بود و در مرکز پرده حساس p یعنی نقطه p0 اثر نورانی ظاهر می سازد.

اگر بین دو جوشن خازن اختلاف پتانسیلv1 را برقرار کنیم شدت میدان الکتریکی دارای مقدار معین E خواهد بود و نیروی وارد از طرف چنین میدانی بر الکترون برابر است با FE = e E این نیرو در امتداد oy و در خلاف جهت میدان یعنی از بالا به پایین است.

میدان مغناطیسی B را طوری قرار می دهند که برسرعتv عمود باشد . الکترون در عین حال در میدان مغناطیسی هم قرار می گیرد و نیرویی از طرف این میدان بر آن وارد می شود که عمود بر سرعت و بر میدان خواهد بود . اگر این نیرو را بصورت حاصلضرب برداری نشان دهیم برابر است با:

FM = q.(VXB)

در اینجا q = e پس:

FM = q.(VXB)

و مقدار عددی این نیرو مساوی است با F = e v B زیرا میدان B بر سرعت v عمود است یعنی زاویه بین آنها 90 درجه و سینوس آن برابر واحد است. اگر میدان B عمود بر صفحه تصویر و جهت آن بجلوی صفحه تصویر باشد امتداد و جهت نیروی FM در جهت oy یعنی در خلاف جهت FE خواهد بود. حال میدان مغناطیسی B را طوری تنظیم می نمایند کهFE = FM گردد و این دو نیرو همدیگر را خنثی نمایند. این حالت وقتی دست می دهد که اثر پرتو الکترونی روی پرده بی تغییر بماند پس در این صورت خواهیم داشت:

FM = FE

e.v.B = e E

v = E/ B

چون مقدار E و B معلوم است لذا از این رابطه مقدار سرعت الکترون در لحظه ورودی به خازن بدست می اید . حال که سرعت الکترون بدست آمد میدان مغناطیسی B را حذف می کنیم تا میدان الکتریکی به تنهای بر الکترون تاثیر نماید . از آنجاییکه در جهت ox نیرویی بر الکترون وارد نمی شود و فقط نیروی FE بطور دائم آنرا بطرف پایین می کشد لذا حرکت الکترون در داخل خازن مشابه حرکت پرتابی یک گلوله در امتداد افقی می باشد و چون سرعت الکترون را نسبتا کوچک در نظر می گیریم معادلات حرکت الکترون ( پرتو الکترونی ) در دو جهت ox و oy معادلات دیفرانسیل بوده و عبارت خواهد بود از

m0(d2x /dt2)/span>=0 در امتداox

m0d2y /dt2)=e. E در امتداoy

با توجه به اینکه مبدا حرکت را نقطه ورود به خازن فرض می کنیم اگر از معادلات فوق انتگرال بگیریم خواهیم داشت:

y=(1/2)(e.E)t2/m0

x=v.t

معادلات فوق نشان می دهد که مسیر حرکت یک سهمی است و مقدار انحراف پرتو الکترونی از امتداد اولیه (ox ) در نقطه خروج از خازن مقدار y در این لحظه خواهد بود . اگرطول خازن را به L نمایش دهیم x = L زمان لازم برای سیدن به انتهای خازن عبارت خواهد بود از t = L / v اگر این مقدار t را در معادله y قرار دهیم مقدار انحراف در لحظه خروج از خازن به دست می آید:

Y = ½ e( E/m0) ( L/ v )2

e/ m0 = ( 2y/ E ) ( v/ L )2

که در آن v سرعت الکترون که قبلا بدست آمده است. L و E بترتیب طول خازن و شدت میدان الکتریکی که هر دو معلوم است پس اگر مقدار y را اندازه بگیریم بار ویژه یا e/m0 محاسبه می شود.

پس از خروج الکترون از خازن دیگر هیچ نیرویی بر آن وارد نمی شود بنابراین از آن لحظه به بعد حرکت ذره مستقیم الخط خواهد بود و مسیر آن مماس بر سهمی در نقطه خروج از خازن است . اگر a فاصله پرده از خازن یعنی D P0 باشد می توانیم بنویسیم:

P0P1 = y + DP0 tgθ

tgθعبارتست از ضریب زاویه مماس بر منحنی مسیر در نقطه خروج از خازن و بنابراین مقدار یست معلوم پس باید با اندازه گرفتن فاصله اثر روی پرده( P0 P1)به مقدار y رسید و در نتیجه می توانیم e/ m0 را محاسبه نماییم.

مقداری که در آزمایشات اولیه بدست آمده بود 108×7/1 کولن بر گرم بود مقداریکه امروزه مورد قبول است و دقیقتر از مقدار قبلی است برابر 108×7589/1 کولن بر گرم است.

علاوه بر تامسون، میلیکان نیز از سال 1906 تا 1913 به مدت هفت سال با روشی متفاوت به اندازه گیری بار الکترون پرداخت.





داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

نیروگاه‌های تولید کننده الکتریسیته و تفاوت آنها

تاریخ:پنجشنبه 31 فروردین 1391-19:22

 

نیروگاه‌های تولید کننده الکتریسیته و تفاوت آنها۱) نیروگاه حرارتی: از اواخر قرن نوزدهم بشر برای تولید الکتریسیته از نیروگاه های حرارتی استفاده می کند. در این نیروگاه ها ابتدا زغال سنگ مصرف می شد و بعدها فرآورده های سنگین نفتی مورد استفاده قرار گرفت. اساس کار این نیروگاه ها بر گرم کردن آب تا حالت بخار است و سپس بخارهای تولید شده توربین های تولیدکننده الکتریسیته را به حرکت در می آورند. عیب این نوع نیروگاه ها تولید گاز کربنیک فراوان و اکسیدهای ازت و گوگرد و غیره است که در جو زمین رها شده و محیط زیست را آلوده می کنند. دانشمندان بر این باورند که در اثر افزایش این گازها در جو زمین اثر گلخانه ای به وجود آمده و دمای کره زمین در حال افزایش است. در کنفرانس های متعددی که درباره همین افزایش گازها و به ویژه گرم شدن کره زمین در نقاط مختلف جهان برگزار شد (لندن، ریو دوژانیرو و همین سال گذشته در کیوتو) غالب کشورهای جهان جز ایالات متحده آمریکا موافق با کم کردن تولید این گازها بر روی کره زمین بودند و تاکنون تنها به علت مخالفت آمریکا موافقتی جهانی حاصل نشده است.
۲) نیروگاه های آبی:در مناطقی از جهان که رودخانه های پر آب دارند به کمک سد آب ها را در پس ارتفاعی محدود کرده و از ریزش آب بر روی پره های توربین انرژی الکتریکی تولید می کنند. کشورهای شمال اروپا قسمت اعظم الکتریسیته خود را از آبشارها و یا سدهایی که ایجاد کرده اند به دست می آورند. در کشور فرانسه حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد الکتریسیته را از همین سدهای آبی به دست می آورند. متاسفانه در کشور ما چون کوه ها لخت (بدون درخت) هستند غالب سدهای ساخته شده بر روی رودخانه ها در اثر ریزش کوه ها پر شده و بعد از مدتی غیر قابل استفاده می شوند.
۳) نیروگاه های اتمی: در دهه اول و دوم قرن بیستم نظریه های نسبیت اینشتین امکان تبدیل جرم به انرژی را به بشر آموخت (فرمول مشهور اینشتین mc۲=E). متاسفانه اولین کاربرد این نظریه منجر به تولید بمب های اتمی در سال ۱۹۴۵ توسط آمریکا شد که شهرهای هیروشیما و ناکازاکی در ژاپن را به تلی از خاک تبدیل کردند و چند صد هزار نفر افراد عادی را کشتند و تا سال های متمادی افراد باقی مانده که آلوده به مواد رادیواکتیو شده بودند به تدریج درپی سرطان های مختلف با درد و رنج فراوان از دنیا رفتند. بعد از این مرحله غیر انسانی از کاربرد فرمول اینشتین، دانشمندان راه مهار کردن بمب های اتمی را یافته و از آن پس نیروگاه های اتمی متکی بر پدیده شکست اتم های اورانیم- تبدیل بخشی از جرم آنها به انرژی- برای تولید الکتریسیته ساخته شد.
اتم های سنگین نظیر ایزوتوپ اورانیم ۲۳۵ و یا ایزوتوپ پلوتونیم ۲۳۹ در اثر ورود یک نوترون شکسته می شود و در اثر این شکست، ۲۰۰ میلیون الکترون ولت انرژی آزاد شده و دو تکه حاصل از شکست که اتم های سبک تر از اورانیم هستند تولید می شود. اتم های به وجود آمده درپی این شکست غالباً رادیواکتیو بوده و با نشر پرتوهای پر انرژی و خطرناک و با نیمه عمر نسبتاً طولانی در طی زمان تجزیه می شوند. این پدیده را شکست اتم ها (Fision) گویند که بر روی اتم های بسیار سنگین اتفاق می افتد. در این فرایند همراه با شکست اتم، تعدادی نوترون به وجود می آید که می تواند اتم های دیگر را بشکند، لذا باید نوترون های اضافی را از درون راکتور خارج کرد و این کار به کمک میله های کنترل کننده در داخل راکتور انجام می گیرد و این عمل را مهار کردن راکتور گویند که مانع از انفجار زنجیره ای اتم های اورانیم می گردد.
از آغاز نیمه دوم قرن بیستم ساخت نیروگاه های اتمی یا برای تولید الکتریسیته و یا برای تولید رادیو عنصر پلوتونیم که در بمب اتم و هیدروژنی کاربرد دارد، شروع شد و ساخت این نیروگاه ها تا قبل از حوادث مهمی نظیر تری میل آیلند در آمریکا در سال ۱۹۷۹ میلادی و چرنوبیل در اتحاد جماهیر شوروی سابق در سال ۱۹۸۶ همچنان ادامه داشت وتعداد نیروگاه های اتمی تا سال ۱۹۹۰ میلادی از رقم ۴۳۷ تجاوز می کرد. بعد از این دو حادثه مهم تا مدتی ساخت نیروگاه ها متوقف شد. در سال ۱۹۹۰ مقدار انرژی تولید شده در نیروگاه های صنعتی جهان از مرز ۳۰۰ هزار مگاوات تجاوز می کرد.
ولی متاسفانه در سال های اخیر گویا حوادث فوق فراموش شده و گفت وگو درباره تاسیس نیروگاه های اتمی جدید بین دولت ها و صنعتگران از یکسو و دانشمندان و مدافعان محیط زیست آغاز شده است. بدیهی است اغلب دانشمندان و مدافعان محیط زیست مخالف با این روش تولید انرژی هستند و محاسبات آنها نشان می دهد که اگر قرار باشد تمام جهانیان از نیروگاه اتمی استفاده کنند، از یکسو احتمالاً تولید پلوتونیم از کنترل آژانس جهانی کنترل انرژی هسته ای خارج خواهد شد و امکان دارد هر دیکتاتور غیرمعقول و ناآشنا با مفاهیم علمی تعادل محیط زیست، دارای این سلاح خطرناک شود. از سوی دیگر افزایش مواد زاید این نیروگاه ها که غالباً رادیوایزوتوپ های سزیم ۱۳۷ و استرانسیم ۹۰ و پلوتونیم ۲۳۹ است، سیاره زمین را مبدل به جهنمی غیر قابل سکونت خواهد کرد.
با وجود این، اخیراً ایالات متحده آمریکا مسائل فوق را فراموش کرده و برنامه ساخت نیروگاه های اتمی را مورد مطالعه قرار داده است. در کشورهای اروپایی نیز صنایع مربوطه و به ویژه شرکت های تولیدکننده برق دولت های متبوع خود را برای تاسیس نیروگاه های اتمی تحت فشار قرار داده اند. ولی خوشبختانه در این کشورها با مقاومت شدید مدافعان محیط زیست روبه رو شده اند. اما در کشورهای آسیایی، در حال حاضر ۲۲ نیروگاه اتمی در دست ساخت است
مواد زاید نیروگاه های موجود و در حال بهره برداری از ۳۰۰ هزار تن در سال تجاوز می کند و تا سال ۲۰۲۰ که ۳۳ نیروگاه در حال ساخت کنونی است به بهره برداری خواهند رسید، مواد زاید رادیواکتیو و خطرناک از مرز ۵۰۰ هزار تن در سال تجاوز خواهد کرد. (مجله کوریه اینترناسیونال ۱۷-۱۱ دسامبر ۲۰۰۳ صفحه ۱۲) اگر اروپایی ها و آمریکا و کانادا نیز ساخت نیروگاه های اتمی را شروع کنند، مواد زاید و رادیواکتیو جهان از حد میلیون تن در سال تجاوز خواهد کرد. باید توجه داشت که برای از بین رفتن ۹۹ درصد رادیو اکتیویته این مواد باید حداقل ۳۰۰ سال صبر کرد.
۴) نیروگاه متکی بر پدیده پیوست اتم ها:از اواسط قرن بیستم دانشمندان با جدیت فراوان مشغول پژوهش و آزمایش بر روی پدیده پیوست اتم های سبک هستند. در آغاز نیمه دوم قرن بیستم کشورهای غربی (آمریکا، فرانسه و انگلستان و…) و اتحاد جماهیر شوروی، از این پدیده برای مصارف نظامی و تولید بمب هیدروژنی استفاده کرده و به علت ارزان بودن فرآورده های نفتی، کشورهای پیشرفته کمک مالی چندانی به دانشمندان برای یافتن وسیله کنترل بمب هیدروژنی نکردند و اکنون که قسمت اعظم ذخایر نفت و گاز مصرف شده، به فکر ساخت نیروگاهی براساس پدیده پیوست اتم ها افتاده اند که در آغاز به آن اشاره شد و در زیر اصول آن تشریح می شود.
الف) بمب هیدروژنی: بمب هیدروژنی در واقع یک بمب اتمی است که در مرکز آن ایزوتوپ های سنگین هیدروژن (دوتریم D و تریسیم T و یا فلز بسیار سبک لیتیم Li) را قرار داده اند. بمب اتمی به عنوان چاشنی شروع کننده واکنش است. با انفجار بمب اتمی دمایی معادل ده ها میلیون درجه (K۱۰۰۰۰۰۰۰) در مرکز توده سوخت ایجاد می شود، همین دمای بالا سبب تحریک اتم های سبک شده و آنها را با هم گداخت می دهد. در اثر گداخت و یا در واقع پیوست اتم های سبک با یکدیگر انرژی بسیار زیادی تولید می شود. این است که در موقع انفجار بمب هیدروژنی دو قارچ مشاهده می شود، قارچ اول مربوط به شکست اتم های اورانیم یا پلوتونیم است و قارچ دوم مربوط به پدیده پیوست اتم های سبک با یکدیگر است که به مراتب از قارچ اول بزرگ تر و مخرب تر است. واکنشی که در خورشید اتفاق می افتد نتیجه پیوست اتم های هیدروژن با یکدیگر است، دمای درونی خورشیدها میلیون درجه است. (دمای سطح خورشید ۶۰۰۰ درجه است).
در مرکز خورشید از پیوست اتم های هیدروژن معمولی ایزوتوپ های دوتریم و تریسیم تولید می شود و سپس این ایزوتوپ به هم پیوسته شده و هسته اتم هلیم را به وجود می آ ورند. این واکنش ها انرژی زا هستند و در اثر واکنش اخیر ۶/۱۷میلیون الکترون ولت انرژی تولید می شود. و این واکنش ها همراه انفجار وحشتناک و مهیبی است که همواره در درون خورشید به طور زنجیره ای ادامه دارد و دلیل اینکه خورشید از هم متلاشی نمی شود اثر نیروی گرانشی بر روی جرم بی نهایت زیاد درون خورشید است. وقتی که ذخیره هیدروژن خورشید تمام شود، زمان مرگ خورشید فرا می رسد. (البته در ۵ تا ۶ میلیارد سال دیگر).
در مقایسه نسبی اوزان، در پدیده پیوست ۴ برابر انرژی بیشتر از پدیده شکست اتم های اورانیوم تولید می شود.
ب) نیروگاه متکی بر پدیده پیوست:در این پدیده همانطور که گفته شد اتم های سبک با یکدیگر پیوست حاصل کرده و اتمی سنگین تر از خود به وجود می آورند، در واقع همان واکنشی است که در خورشید اتفاق می افتد ولی باید شرایط ایجاد آن را بدون کاربرد بمب اتمی به وجود آورد و به ویژه باید آن را تحت کنترل درآورد. از دهه ۱۹۵۰ تاکنون دانشمندان سعی در به وجود آوردن دمایی در حدود میلیون درجه کرده تا واکنش پیوست را به نحو متوالی در این دما نگه دارند، دستگاهی که برای این کار ساخته اند توکاماک Tokamak نام دارد. تاکنون در آزمایشگاه ها توانسته اند به مدت حداکثر ۴ دقیقه این واکنش را ایجاد و کنترل کنند. در این دستگاه که در شکل نمایش داده شده است، میدان مغناطیسی بسیار شدیدی ایجاد کرده و شدت جریان الکتریکی در حدود ۱۵ میلیون آمپر از آن عبور می کند (برق منزل شما ۳۰ تا حداکثر ۹۰ آمپر است). در مرکز این دستگاه اتم های سبک در اثر میدان مغناطیسی و الکتریکی، حالت پلاسما را خواهند داشت. (در روی زمین ما سه حالت از ماده را می شناسیم: جامد، مایع و بخار، ولی در داخل ستارگان یا خورشید ماده به صورت پلاسما است، یعنی در این حالت هسته اتم ها در دریایی از الکترون ها غرق اند.) در چنین حالتی اتم های سبک آنقدر تحریک و نزدیک به هم شده اند که در هم نفوذ می کنند و اتم جدیدی که هلیم است به وجود می آید. (ستارگان بسیار حجیم تر از خورشید دمای درونی بیش صدها میلیون و یا حتی میلیارد درجه است و در آنها اتم های سنگین تر نظیر کربن، ازت و اکسیژن با هم پیوست می کنند و عناصری مانند سلیسیم و گوگرد و… را به وجود می آورند




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

تولید الکتریسیته از زغال‌سنگ درنیروگاه‌های سیکل ترکیبی

تاریخ:پنجشنبه 31 فروردین 1391-19:21

 

تولید الکتریسیته از زغال‌سنگ درنیروگاه‌های سیکل ترکیبیبا روند روزافزون صنعتی شدن اکثر کشورهای در حال توسعه و افزایش جمعیت در جهان، نیاز به انواع مختلف انرژی مخصوصاً انرژی الکتریکی روز به روز در حال افزایش است. با وجود پیشرفت فناوری‌های نوین که استفاده از انرژی‌های نو و انرژی‌های تجدید‌پذیر را مقدور می سازند، هنوز سوخت‌های فسیلی جزء منابع انرژی هستند که بیشترین نیاز صنعت را فراهم می سازند.
با توجه به تجدید‌ناپذیر بودن این منابع و ارزش بالای صنعتی این مواد به عنوان ماده اولیه، استفاده بهینه و افزایش راندمان مصرف این مواد هم‌اکنون سرلوحه کار بسیاری از مراکز تحقیقاتی و پژوهشی جهان است.
زغال‌سنگ از جمله منابع انرژی است که از دیرباز مورد استفاده بشر بوده است و با توجه به اثرات سوء زیست‌محیطی ناشی از فرآیند احتراق زغال‌سنگ، کوشش‌های فراوانی به منظور ابداع روش‌ها و فن‌آوری‌های نوین درجهت کنترل و کاهش آلودگی حاصل از این فرآیند و افزایش راندمان آن صورت گرفته است. این تلاشها با نوسانات قیمت سایر انواع سوخت‌های فسیلی و تصویب قوانین سختگیرانه زیست‌محیطی در سالهای اخیر از روند رو به رشدی برخوردار بوده است. غنی بودن کشور ما ایران از منابع نفت و گاز سبب شده است که صنعت‌برق از ابتدای تاسیس به دلیل سهولت دسترسی و هزینه پایین، بیشتر از منابع نفت و گاز جهت تولید الکتریسیته استفاده کرده و از منابعی نظیر زغال‌سنگ کمتر استفاده می‌شود. روند رو به رشد صنایع پتروشیمی در جهان و قابلیت تبدیل فرآورده‌های نفتی به مواد با ارزش افزوده بالاتر باعث شده است که در کشورهای پیشرفته جهان استفاده از این مواد به عنوان سوخت به تدریج تقلیل یابد به طوری که د رحال حاضر ایالات متحده که بر حسب آمار جزء ده کشور غنی از منابع نفت و گاز است قسمت عمده الکتریسیته تولیدی (۵۶ درصد) از زغال سنگ ایجاد کند.
با توجه به اطلاعات اخذ شده از وزارت صنایع و معادن، ایران دارای معادن عظیم زغال‌سنگ است به طوری که تنها در منطقه طبس در استان یزد معادنی با ذخیره بیش از یک میلیارد تن برآورد شده است وجود منابع عظیم زغال سنگ درکشور و خصوصاً در منطقه طبس ضرورت استفاده بهینه و بهره‌برداری از این موهبت الهی را ایجاب می‌کند. میزان ذخایر زغال‌سنگ این معادن بسیار بالاتر از مقدار مورد نیاز صنایع فولاد است استفاده از انرژی حرارتی این مواد و تولید الکتریسیته به عنوان یک آلترناتیو مهم در برنامه‌های دولت مطرح است. با توجه به اینکه ایران دارای ذخایر عظیم گاز نیز است استفاده از زغال‌سنگ به عنوان سوخت ممکن است در نظر اول از لحاظ اقتصادی توجیه‌پذیر نباشد. با اینحال با توجه به سهولت صادرات نفت و گاز نسبت به زغال‌سنگ با در نظر گرفتن ارزش افزوده حاصل از صادرات نفت و گاز و ضرورت بهره‌برداری از این منابع، بررسی راهکارهای موجود در جهت استفاده بهینه و ایمن از منابع زغال‌سنگ ضروری است. در این مقاله یک روش مناسب که اخیراً در کشورهای اروپایی و آمریکا برای استفاده از انرژی حرارتی زغال مطرح است معرفی شده است.
● فن‌آوری مصرف زغال‌سنگ به عنوان سوخت در نیروگاهها
در حال حاضر بیش از ۹۰ درصد نیروگاههایی که در سطح دنیا از طریق مصرف زغال سنگ فعال هستند از تکنولوژی پودر کردن زغال (PC) استفاده می‌کنند. ایالات متحده و چین جزء مهمترین کشورهایی هستند که قسمت اعظم الکتریسیته خود را از این طریق تامین می‌کنند. هزینه تاسیس، قابلیت واحد و کارایی این نوع سیستم‌ها با درجه اطمینان بالایی قابل پیش‌بینی است. فواید اقتصادی این نوع سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها بستگی به هزینه تامین زغال و دسترسی به سایر منابع سوختی دارد در صورت وجود گاز طبیعی استفاده از سوخت زغال بصورت معمولی قابل رقابت با نیروگاههای حرارتی با سوخت‌های مایع و گاز طبیعی نیست. در غیاب مقادیر کافی گاز طبیعی تکنولوژی PC یک راه‌حل اقتصادی برای تامین انرژی بویژه در کشورهایی که دارای منابع عظیم زغال‌ هستند، است.
با اینحال تکنولوژی PC دارای نقاط ضعفی نیز هست. نخست آنکه تولید الکتریسیته بر اساس تکنولوژی PC
موجب انتشار وحشتناک موادی نظیر CO, CO۲, NOX, SO۲، ذرات معلق و فلزات سنگین می‌شود که باعث آلودگی محیط‌زیست می‌شوند. دومین نقطه ضعف تکنولوژی PC پایین بودن راندمان این تکنولوژی در مقایسه با سایر تکنولوژی‌های موجود است. به عنوان مثال با وجود اینکه راندمان حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی که از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند طی ده سال گذشته از ۴۵ درصد تا حدود ۶۰ درصد افزایش یافته است راندمان حرارتی واحدهای با تکنولوژی PC در بهترین حالت تنها از ۳۰ درصد افزایش یافته است.
تلاشهای انجام گرفته در جهت کنترل آلودگی و افزایش راندمان در نیروگاههای زغالی که بصورت عمومی تحت عنوان Clean Coal Initiatives شناخته می‌شود شامل تنوعی از فرآیندها، تجهیزات و تکنولوژی‌ها است. برخی از این تکنولوژی‌ها از قبیل شست‌وشوی زغال شامل فرآیند پیجیده‌ای نیست، در حالیکه اصلاح راندمان و میزان آلودگی انتشار یافته نیاز به تغییر در تکنولوژی تولید نیرو دارد.
در طول ده سال گذشته برنامه‌های بیشماری در جهت توسعه و اقتصادی کردن روشهای استفاده از زغال بدون آلودگی انجام گرفته است. این برنامه‌ها در دهه ۱۹۸۰ میلادی به جهت بحران نفت در دهه ۱۹۷۰ و به دنبال کاهش اعتماد جهانی نسبت به منابع نفتی وخطرات تولید برق در نیروگاههای اتمی بصورت جدی مورد توجه قرار گرفت و در این راستا تلاشهایی در جهت کنترل آلودگی‌های منتشر شده از واحد‌های زغال‌سوز وبالا بردن راندمان این واحدها در مراکز تحقیقاتی کشورهای پیشرفته نظیر آمریکا، اروپا و ژاپن از مدتها قبل آغاز و به پیشرفت‌های شایانی در این زمینه منجر شده است.اگر چه کاهش قیمت نفت در سال ۱۹۸۶ و پیدایش ذخایر عظیم گاز باعث از بین رفتن ذهنیت کمبود منابع نفتی شد و مساله جایگزینی فرآورده‌های نفتی با زغال تا اندازه‌ای جذابیت خود را از دست داد با اینحال در سال ۱۹۹۰ علاقمندی جدیدی به توسعه روشهای استفاده از زغال بدون آلودگی مورد توجه قرار گرفت این علاقمندی‌ها در راستای شرایط زیر بود:
- افزایش آگاهیهای عمومی در مورد مشکلات زیست‌محیطی منطقه‌ای، بومی و جهانی از قبیل آلودگیهای شهری بارانهای اسیدی و تغییر آب وهوا
- مشخص شدن سیمای آینده انرژی برای کشورهایی نظیر چین وهندوستان که دارای منابع عظیم زغال‌سنگ هستند و در آینده مصرف زغال سهم عمده‌ای در تامین انرژی این کشورها دارد
- توسعه صنایع پتروشیمی وتبدیل فرآورده‌های نفتی به محصولات با ارزش
- توسعه سریع مصرف زغال به واسطه افزایش جمعیت و تقاضای انرژی در کشورهایی که دارای منابع عظیم زغال هستند
وجود موارد فوق سبب شد فن‌آوری‌های جدیدی به منظور مصرف زغال سنگ درجهت تولید الکتریسیته ابداع شود که از جمله این فن‌آوری‌ها می‌توان موارد زیر را که به مرحله تجارتی نیز رسیده‌اند نام برد:
۱) Circulating Fluidized Bed
Combustion (CFBC)
۲) Supercritical Pulverized Coal Fired Boilers (SCPC)
۳) Pressurized Bed Combustion (PFBC)
۴) Integrated Gasification Combined Cycle, (IGCC)
● معرفی فناوری تبدیل زغال‌سنگ به گاز سنتز
حدود نیم قرن است که فن‌آوری تولید گاز سنتزی از زغال‌سنگ در صنعت مورد بهره‌برداری قرار گرفته است ولی سابقه کاربرد این روش در نیروگاههای حرارتی به ده سال اخیر محدود است. با وجود تفاوتهای مشخصی که بین انواع سیستم‌های تولیدگاز سنتزی وجود دارد، اصول پایه و اولیه یکسانی بر تمام این روشها حاکم است.
بطور کلی در این سیستم‌ها سوخت‌های کربنی (گاز – مایع – جامد) در دمای بالا و تحت فشار طی یک فرآیند اکسیداسیون با اکسیژن و بخار آب وارد واکنش شده و تولید گاز سنتزی می‌کنند.مکانیسم ساده این فرآیند به شرح زیر است:
گاز سنتزی حاوی ۸۵ درصد H۲, CO بوده و برحسب ترکیب درصد زغال‌سنگ مصرفی ۱۵ درصد باقی‌مانده معمولا COS, H۲S, N۲, CO۲, H۲O است که در مرحله تصفیه گاز این ترکیبات از آن جدا می‌شوند.
معرفی تکنولوژی استفاده از گاز بدست آمده از زغال‌سنگ در یک نیروگاه سکیل ترکیبی (IGCC)
IGCC یک سیستمی مرکب از یک واحد تبدیل زغال‌ به گاز و یک سیکل ترکیبی تولید برق است. تبدیل زغال به گاز فرآیندی است که زغال جامد را به گاز قابل احتراق که تحت عنوان گاز سنتز معروف است و متشکل از منواکسید کربن و هیدروژن است تبدیل می‌کند. بعد از این مرحله گاز تولید شده در واحد گازسازی به منظور زدایش ترکیبات گوگردی و مواد معلق به یک واحد تصفیه گاز فرستاده می‌شود. در مرحله بعد گاز تصفیه شده در یک واحد توربین گازی سوخته شده و اولین منبع الکتریسیته راایجاد می‌کند. گازهای داغ خروجی از توربین گاز جهت تولید بخار و تولید الکتریسیته به وسیله توربین بخار به یک بویلر بازیاب حرارتی وارد می‌شود. در نتیجه تکنولوژی IGCC یک روش ترکیبی از واحد گازسازی به همراه یک مجموعه نیروگاه سیکل ترکیبی است. علاوه بر این به واسطه انجام چندین فرآیند حرارتی در این سیستم (گرمایش – سرمایش) می‌توان با بکارگیری یک طراحی مناسب سیستم مجتمعی از مبدل‌های حرارتی طراحی کرده و کارآیی سیستم را افزایش داد.
راندمان و کارآیی نیروگاههای مجهز به فن‌آوری IGCC در قیاس با نیروگاههای رایج زغال‌سوز بطور تقریبی یک نیروگاه با فن‌آوری Kg/KWh, IGCC۴۶/۰ زغال‌سنگ مصرف می‌کند این در حالی است که در نیروگاههای معمولی زغال‌سوز مقدار مصرف زغال Kg/KWh۶/۰ است. دلیل عمده کاهش مصرف زغال در این نیروگاهها بهره‌گیری از سیستم سیکل ترکیبی است.
راندمان تکنولوژی IGCC با راندمان سایر تکنولوژی‌های مورد استفاده در نیروگاههای زغال‌سوز مقایسه شده است در این مقایسه کارآیی بر اساس بیشترین ارزش حرارتی HHV ارایه شده است.
کارآیی فن‌آوری IGCC درمقایسه با سایر روشها بالاتر بوده و تنها در صورت استفاده از زغال مرغوب (زغال سیاه) با روش PFBC تقریباً مشابه است هزینه سرمایه‌گذاری در ایجاد نیروگاههای الکتریکی مجهز به تکنولوژی یکی از پارامترهایی است که تا اندازه‌ای باعث محدودیت استفاده از این تکنولوژی می‌شود.
همانطور که مشاهده می شود هزینه احداث نیروگاههای مجهز به سیستم IGCC از سایر نیروگاههای زغال سوز بالاتر است در عوض راندمان این نیروگاهها از سایر موارد مشابه بالاتر است. الگویی از روند افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های ساخت تکنولوژی IGCC نشان داده شده است. هزینه ساخت نیروگاههای زغال‌سوز با سیستم IGCC از $/KW۳۰۰۰ در دهه ۱۹۸۰ میلادی تا حدود $/KW۱۴۵۰ در سال ۱۹۹۷ کاهش یافته و انتظار می‌رود در طول سالهای قرن ۲۱ این کاهش ادامه داشته و در عوض راندمان این نیروگاهها افزایش یابد.● بررسی اثرات زیست‌محیطی و استفاده از منابع اولیه نیروگاههای زغال سوز با تکنولوژی IGCC نسبت به سایر نیروگاههای زغال‌سوز
از اواخر قرن گذشته میلادی به دلیل مشکلات متعدد زیست‌محیطی ناشی از توسعه صنعتی کشورها، قوانین قاطعانه‌ای در مقابل ورود آلاینده‌ها به محیط‌زیست از طرف سازمانهای بین‌المللی تصویب شده و به مرحله اجرا درآمده است. اثر گازهای گلخانه‌ای،‌ کاهش لایه ازن و … منجر به تشدید مجازات‌های بین‌المللی وضع شده، بر علیه دولت‌ها و صنایعی که به هر شکلی استانداردهای محیط‌زیستی را رعایت نمی‌کنند شده است. بطوریکه در حال حاضر بسیاری از صنایع در اروپا و سایر نقاط جهان در شرف تعطیلی و یا با محدودیت‌هایی روبرو هستند. هم اکنون سرمایه‌گذاری بر روی صنایع بنیادی با حداقل اثرات سوء زیست‌محیطی در اولویت برنامه‌های توسعه‌ای کشورها قرار گرفته است.
در میان تکنولوژیهای مرسوم تولید الکتریسیته از زغال فن‌‌آوری IGCC در مقایسه با سایر فن‌آوریهای رقیب دارای محاسن محیط‌زیستی فراوانی است.
از مهمترین مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- کاهش ذرات معلق و جامد حاصل از احتراق زغال‌سنگ
- کاهش انتشار گازهای NOX و SOX
- کاهش نشر گازهای CO و CO۲ بدلیل بهبود احتراق و افزایش راندمان فرآیند
در جدول ۳ میزان آلاینده‌های تولیدشده درسه نیروگاه به ترتیب سیکل ترکیبی با سوخت گاز طبیعی، سیکل ترکیبی مجهز به تکنولوژی IGCC و نیروگاه زغال‌سوز معمولی با یکدیگر مقایسه شده است.
میزان انتشار آلاینده‌ها و میزان مصرف آب در تکنولوژی‌های جدید استفاده از زغال‌سنگ با تکنولوژی PC مقایسه شده است.
● بررسی مزایای فنی تکنولوژی IGCC نسبت به سایر تکنولوژی‌ها
در تکنولوژی IGCC، در طی فرآیند تولید گاز سنتزی از زغال‌سنگ تقریباً ۱۰۰ درصد کربن موجود در زغال‌سنگ به گاز سنتز تبدیل می شود. در اینحال گوگرد موجود در زغال‌سنگ به صورت عنصری یا اسید سولفوریک از گاز سنتزی حذف می‌شود بطوری که در این فن‌آوری حدود ۹۸ درصد گوگرد از جریان گاز حدف شده و ضایعات جامد حاصل از این مرحله به میزان ۶/۱ تا ۹/۱ مقدار ضایعات جامد حاصل از سیستم FGD۲ که در نیروگاههای زغال سوز مرسوم برای کاهش نشر گوگرد بکار می‌رود، کاهش می‌یابد.
در فن‌آوری IGCC به دلیل دمای بالای راکتور (۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) خاکستر و مواد معدنی موجود در زغال‌سنگ از قبیل آلومینیوم سیلیس، فلزات سنگین و … به مواد بی‌اثر به شکل گرانول تبدیل می‌شوند که گرانولهای حاصله کاملاً غیرسمی بوده و دارای PH خنثی هستند. علاوه بر این مواد حجم کمی اشغال کرده و در زیرسازی جاده‌ها و صنعت ساختمان کاربرد دارند.
همانطور که در شکلهای فوق ملاحظه می‌شود میزان تولید ضایعات و هزینه دفع این ضایعات در تکنولوژی IGCC نسبت به سایر تکنولوژی‌‌های موجود بسیار کمتر است.
علاوه بر مزایای فوق این تکنولوژی مزایای منحصر به فرد دیگری را نیز دارا است که به طور خلاصه شامل موارد ذیل است:
- عاری‌سازی گاز حاصل از زغال از سولفور و سایر مواد آلاینده شامل ذرات معلق
- استفاده از گرمای باقی‌مانده در گازهای خروجی از واحد توربین گاز در یک بویلر بازیاب حرارتی و تولید الکتریسیته در یک توربین بخار که موجب افزایش راندمان سیستم می‌شود.
- امکان استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت کمکی و تداوم تولید نیروگاه در مواردی که در سیستم تامین زغال سنگ و تولید گاز نیروگاه مشکلاتی به وجود آمده باشد.
- کاهش اندازه سیستم تصفیه گازهای ورودی به اتمسفر، در اثر تصفیه گاز خروجی از سیستم تولید گاز قبل از احتراق در توربین گاز و کاهش حجم آلاینده‌های تولید شده
- حفاظت تجهیزات پایین دستی نظیر توربین گاز از مسائل جانبی نظیر خوردگی به واسطه زدایش ترکیبات خورنده نظیر ترکیبات گوگردی
- کاهش میزان آب مصرفی نسبت به برق تولید شده در مقایسه با سایر تکنولوژی‌های رقیب
- امکان بازیابی CO۲ از جریان گاز سنتز وتزریق آن به معادن زغال سنگ جهت استخراج متان
● نتیجه‌گیری:
در مقاله فوق یک روش بهینه برای استفاده از انرژی حرارتی زغال‌سنگ تحت عنوان IGCC مطرح شد این سیستم در واقع متشکل از یک نیروگاه سیکل ترکیبی در مجاورت یک واحد تولید و تصفیه گاز سنتز از خوراک زغال‌سنگ است. سیستم تولید گاز زغال‌سنگ را به گاز سنتز که عاری از آلودگی است تبدیل می‌کند و در اثر سوختن این گاز در نیروگاه سیکل ترکیبی الکتریسیته ایجاد می شود. به واسطه تصفیه گاز حاصل از زغال قبل از احتراق از ظهور مقدار زیادی از آلودگی‌ها که در اثر احتراق مستقیم زغال‌سنگ درنیروگاههای زغال‌سوز معمولی ایجاد می‌شود جلوگیری بعمل می‌آید. علاوه بر این به دلیل تبدیل زغال به گاز امکان استفاده از زغال‌سنگ با مرغوبیت پایین و رطوبت بالا بدون تغییر و یا کاهش بار نیروگاه وجود دارد. از دیگر مزایای این سیستم می‌توان به کاهش خسارت‌های ناشی از خوردگی در این نوع نیروگاهها اشاره کرد. درحال حاضر ۵ نیروگاه در دنیا از تکنولوژی IGCC استفاده می‌کنند که سه نیروگاه در آمریکا و دو نیروگاه دیگر در اروپا و در کشورهای هلند و اسپانیا مشغول فعالیت هستند.
در نیروگاههای مستقر در آمریکا از توربین جنرال‌الکتریک و در نیروگاههای اروپا از تکنولوژی زیمنس استفاده شده است. به استثنای نیروگاه مستقر در اسپانیا که دارای ظرفیت ۳۰۰ مگاوات است. سایر نیروگاههای مورد اشاره دارای ظرفیت ۲۵۰ مگاوات است. همانطور که در مقاله نیز عنوان شد هزینه تاسیس این واحدها برخلاف راندمان آنها در حال کاهش است بطوری‌که سایر کشورهای جهان نظیر چین و هند که از پتانسیل زغال بالایی برخوردار است در شرف تاسیس نیروگاههایی با تکنولوژی IGCC هستند. با توجه به اینکه در ایران تاکنون سابقه‌ای از اجرا و کاربری نیروگاههای زغال‌سوز وجود ندارد بررسی تکنولوژی IGCC و اجرای آن یک راهکار مناسب برای استفاده از زغال سنگ وتولید الکتریسیته است.



داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

الکتریسیته و مغناطیس

تاریخ:جمعه 18 فروردین 1391-19:33

الکتریسیته و مغناطیس

اثرهای ساده الکتریکی و مغناطیسی را از زمانهای قدیم می‌شناختند. حدود ۶۰۰ سال قبل از میلاد یونانیان می‌دانستند که آهنربا آهن را جذب می‌کند و کهربای مالیده به لباس چیزهای سبک مانند کاه را بسوی خود می‌کشد. با وجود این اختلاف بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی تعیین نشده بود و این پدیده‌ها را از یک نوع در نظر می‌گرفتند.
خط فاصل روشن بین این دو پدیده را گیلبرت (W. Gilbert) ، فیزیکدان و طبیعت شناس انگلیسی پیدا کرد. و نیز او کتابی درباره آهنربا ، “اجسام آهنربایی” و “زمین به عنوان آهنربای بزرگ” در سال ۱۶۰۰ منتشر کرد. کار وی شروع بررسی در پدیده‌های الکتریکی را نشان می‌دهد. گیلبرت در این کتاب همه خواص آهنرباهای شناخته شده تا آن زمان را تشریح کرده و نتایج آزمایشهای خیلی مهم ، شخص خود را نیز آورده است. همچنین وی شماری از تفاوتهای اساسی بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی را مشخص نموده و اصطلاح “الکتریسیته“ را وضع کرده است.


سیر تحولی و رشد


* بعد از انتشار کارهای گیلبرت ، تمایز بین پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی مسلم شد، اما به رغم اینکه اختلافها شماری از واقعیتها ارتباط ناگسستنی بین این پدیده‌ها را پدیدار ساخت. برجسته‌ترین این واقعیتها مغناطیس اشیای آهنی و وارونی عقربه قطب نما بر اثر آذرخش بودند.
* آراگو (D. F. Arago) ، فیزیکدان فرانسوی در کتاب خود به نام “تندر و آذرخش” ، شرح می‌دهد که چگونه در ژوییه سال ۱۶۸۱، در کشتی راین (reine) واقع در دریای آزاد حدود صدها مایل از ساحل بر اثر آذرخش دکلها ، بادبانها و غیره بطور جدی صدمه دیدند. وقتی که شب فرا رسید، از روی وضع ستارگان دریافت که از سه قطب نمای در دسترس دو تا بجای شمال به سمت جنوب ایستاده بودند، در حالی که یکی از آنها به سمت شمال بود، آراگو همچنین شرح می‌دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد ، چنگال و سایر اشیای آهنی را به شدت آهنربا می‌کند.
* در آغاز قرن هجدهم ثابت شد که آذرخش در واقع جریان الکتریکی شدیدی است که از هوا می‌گذرد. بنابراین به این نتیجه می‌رسیم که جریان الکتریکی خواص مغناطیسی دارد، اما این خواص جریان فقط در سال ۱۸۲۰ توسط اورستد (H. Oersted) فیزیکدان دانمارکی با آزمایش مشاهده و بررسی شد. همانطوری که نیروهای مؤثر بر بارهای الکتریکی نیروهای الکتریکی نام دارد، نیروهای مؤثر بر آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی را نیروهای مغناطیسی می‌گویند.


منشأ میدان مغناطیسی


اگر در فضا نیروهای الکتریکی حاکم باشد و بر ذرات باردار نیروی الکتریکی وارد کند، می‌گوییم در این فضا میدان الکتریکی وجود دارد. از این رو آزمایش نشان می‌دهد که در فضای اطراف جریان الکتریکی ، نیروهای مغناطیسی ظاهر می‌شود، یعنی میدان مغناطیسی بوجود می‌آید.


اولین سوال اورستد


آیا ماده سیم روی میدان مغناطیسی بوجود آمده از جریان اثر دارد یا نه؟ اورستد دریافت که سیمهای اتصال را می‌توان از چند سیم یا نوار باریک مختلف درست کرد و جنس فلز در نتیجه اثر نمی‌گذارد (احتمالا اگر بزرگ باشد اثر می‌گذارد). چون فلزات مختلف ، مقاومتهای الکتریکی متفاوتی دارند، اگر به باتری وصل شود، می توانند جریانهای متفاوت داشته باشند و در نتیجه اثر مغناطیسی این جریانها متفاوت خواهد بود.اما باید بخاطر داشت که آزمایش اورستد پیش از وضع قانون اهم و دستیابی به مفهوم بستگی مقاومت رساناها به جنس ماده تشکیل دهنده آنها انجام گرفته است. اگر آزمایش اورستد با سیمهای پلاتین ، طلا ، نقره ، برنج ، و آهن یا نوارهای روی و قلع یا جیوه انجام گیرد، همین نتیجه اخیر بدست می‌آید. اورستد آزمایشاتش را با فلز ، یعنی رساناهایی با رسانش الکترونی ، انجام داد.


اثر مغناطیسی جریان الکترولیتی


اگر در آزمایش اورستد فلز رسانا را با لوله دارای الکترولیت یا لوله‌ای که داخل آن تخلیه الکتریکی صورت می‌گیرد، استفاده شود. هر چند در این حالتها جریان الکتریکی از حرکت یونهای مثبت و منفی ناشی می‌شوند، ولی اثر آنها روی عقربه مغناطیسی با اثر رسانای فلزی یکسان است. بدون توجه به رسانای حامل جریان ، در فضای اطراف آن میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. از اینرو می‌توان گفت که در اطراف هر جریانی میدان مغناطیسی ظاهر می‌شود. این خاصیت اصلی جریان الکتریکی در اثرهای حرارتی و شیمیایی جریان الکتریکی نقش بازی می‌کند.


اثر مغناطیسی جریان و خواص الکتریکی رسانا


ایجاد میدان مغناطیسی معمولترین خاصیت از سه خاصیت جریان الکتریکی است. جریان الکتریکی فقط در یک نوع رسانا (الکترولیتها) اثر شیمیایی بوجود می‌آورد، نه در دیگران (فلزات). مقدار جریان آزاد شده توسط جریان ، بسته به مقاومت رسانا ، می‌تواند بیشتر یا کمتر باشد. در ابر رساناها ممکن است همراه جریان ، گرما آزاد می شود. از طرفی دیگر میدان مغناطیسی با جریان الکتریکی پیوندی جدایی ناپذیر دارد. این میدان به خواص مشخصی از رسانا بستگی ندارد و فقط شدت و جهت جریان آن را تعیین می‌کند. بیشترین کاربردهای صنعتی الکتریسیته نیز بوجود میدان مغناطیسی جریان وابسته می‌باشند.




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

ساخت ترانزیستوری از یک تک اتم فسفر

تاریخ:جمعه 12 اسفند 1390-10:17

ساخت ترانزیستوری از یک تک اتم فسفرکوچکترین واحد ماده به زودی به کوچکترین واحد رایانش تبدیل خواهد شد زیرا محققان به تازگی از یک تک اتم فسفر برای ساخت ترانزیستوری تک اتمی استفاده کرده اند.

این اولین باری نیست که ترانزیستور تک اتمی ساخته می شود، اما تک اتم در ترانزیستور جدید از موقعیت دقیقتری نسبت به ترانزیستورهای تک اتمی پیشین برخوردار است که این ویژگی کارایی ترانزیستور جدید را افزایش می دهد. شیوه های به کار گرفته شده برای ساخت ترانزیستورهای تک اتمی فسفری کاربرد آنها را در رایانه های رایج محدود می سازد اما این ترانزیستورها در آینده کاربردی خواهند بود به ویژه برای ساخت رایانه های کوانتومی می توانند کاربرد فراوانی داشته باشند.

ترانزیستور در واقع توده ای از مواد رسانا است که میان دو الکترود که عملکردی مانند کلید خاموش و روشن دارند، قرار گرفته است. پالس الکتریکی توسط یک الکترود دیگر تولید شده و با باز کردن کلید امکان جاری شدن جریان در میان ترانزیستور را به وجود می آورد. ترکیب ترانزیستورها بر روی یک تراشه می تواند منجر به ساخته شدن مدارهایی با قابلیت محاسبات رایانشی شود. این در حالی است که یکی از اهداف کلی سازندگان تراشه های رایانه ای کوچکتر شدن ترانزیستورها است تا بتوانند قدرت رایانشی بیشتری را در حجم کوچکتری بگنجانند.

محققان دانشگاه نیوساوث ولز برای تعیین موقعیت دقیق تک اتم در ترانزیستور صفحه ای سیلیکونی را با لایه ای از هیدروژن پوشش دادند. سپس با استفاده از میکروسکوپهای رویشی اتمهای هیدروژن را بر اساس الگویی دقیق از سطح لایه جدا کردند. افزودن گاز فسفین و حرارت دادن به آن باعث شد تا اتمهای فسفر که رسانا هستند با بخشهای خالی شده سیلیکونی ترکیب شده و یکی از اتمها خود را در شبکه سیلیکونی جا دهد.

نتیجه این کار شکل گیری چهار الکترود فسفری و یک تک اتم فسفر در مرکز این الکترودها بود. یک جفت از این الکترونها به واسطه فاصله ای 108 نانومتری از یکدیگر فاصله دارند و ایجاد ولتاژ میان آنها امکان جاری شدن جریان را در میان دو الکترود دیگر که به شکل عمودی و در فاصله 20 نانومتری از یکدیگر واقع شده اند را از طریق تک اتم فسفری به وجود می آورد.

بر اساس گزارش نیوساینتیست، این ترانزیستور تک اتمی در دمای کمتر از یک درجه کلوین فعال شده و فرایند ساخت آن بسیار دشوار است با این همه به اعتقاد دانشمندان در صورتی که شرکتهای تولید کننده رایانه ها خواهان تراشه های ریزتر هستند باید خود را با چنین فناوری هایی انطباق دهند.



داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

آهنربای الکتریکی

تاریخ:جمعه 12 اسفند 1390-10:14

آهنربای الکتریکی دید کلی

آهنربای دائمی با کیفیت بالا کاربردهای بسیار زیاد و مهمی در علم و انقلاب تکنولوژیک ، مثلا در اسبابهای اندازه گیری الکتریکی دارند. ولی میدانهایی که توسط آنها ایجاد می‌شود خیلی قوی نیست، اگر چه آلیاژهای مخصوصی که اخیرا بدست آمده‌اند داشتن آهنربای دائمی قوی که خواص مغناطیسی خود را برای مدت مدیدی حفظ کنند امکان پذیر ساخته است. از جمله این آلیاژها ، مثلا فولاد-کبالت است که شامل حدود 50% آهن ، 30% کبالت و مخلوطهایی از تنگستن ، کروم و کربن است.

عیب دیگر آهنربای دائمی این است که القای مغناطیسی آنها نمی‌تواند به سرعت تغییر کنند. از این نظر ، سیملوله‌های حامل جریان (آهنرباهای الکتریکی) بسیار مناسبند. زیرا با تغییر جریان در سیم پیچ سیملوله می‌توان میدان آنها را به آسانی تغییر داد. با قرار دادن هسته آهنی داخل سیملوله ، میدان آن را می‌توان صدها هزار بار افزایش داد. بیشتر آهنرباهای الکتریکی که در مهندسی بکار می‌روند چنین ساختمانی دارند.

ساخت آهنربای الکتریکی ساده

آهنربای الکتریکی ساده را می‌توان در منزل ساخت. کافی است که چندین دور سیم عایق شده‌ای را بر یک میله آهنی (پیچ یا میخ ، بپیچانیم و دو انتهای سیم را به یک منبع dc نظیر انبار ، یا پیل گالوانی وصل کنیم. بهتر است آهن ابتدا تابکاری شود، یعنی ، تا دمای سرخ شدن داغ شود. مثلا در کوره گرم و سپس به آرامی سرد شود. سیم پیچ باید توسط رئوستایی با مقاومت 1W تا 20W به باتری وصل شود، بطوری که جریان مصرف شده از باتری خیلی شدید نباشد. گاهی آهنرباهای الکتریکی شکل نعل اسب را دارند که برای نگه داشتن بار بسیار مناسبترند.

ساختار آهنربای الکتریکی

میدان پیچه با هسته آهنی بسیار قویتر از پیچه بدون هسته است، زیرا آهن درون پیچه شدیدا مغناطیده و میدان آن بر میدان پیچه منطبق است. ولی ، هسته‌هایی آهنی که در آهنرباهای الکتریکی برای تقویت میدان بکار می‌روند، فقط تا حدود معینی مقرون به مساحت‌اند. در واقع ، میدان آهنرباهای الکتریکی عبارت است از برهمنهی میدان حاصل از سیم ‌پیچ حامل جریان و میدان هسته مغناطیده ، برای جریانهای ضعیف ، میدان دوم به مراتب قویتر از میدان اولی است.

وقتی که میدان در سیم پیچ افزایش می‌یابد، ابتدا این دو میدان به یک میزان معینی متناسب با جریان افزایش می‌یابند، بطوری که نقش هسته تعیین کننده می‌ماند. ولی ، با افزایش بیشتر جریانی که از سیم پیچ می‌گذرد، مغناطش آهن کند می‌شود و آهن به حالت اشباع مغناطیسی نزدیک می‌شود. وقتی که عملا تمام جریانهای مولکولی موازی شدند، افزایش بیشتر جریانی که از سیم ‌پیچ می‌گذرد نمی‌تواند چیزی بر مغناطش آهن اضافه کند، در حالی که میدان سیم‌ پیچ به زیاد شدن متناسب با جریان ادامه می‌دهد.

هرگاه جریان شدید از سیم‌ پیچ (برای دقت بیشتر ، در لحظه‌ای که تعداد آمپر ـ دورها در متر به 106 نزدیک می‌شود.) بگذارند، میدان حاصل از سیم ‌پیچ بسیار قویتر از میدان هسته آهنی اشباع شده می‌شود. بطوری که هسته عملا بی‌فایده می‌شود و فقط ساختمان آهنربای الکتریکی را پیچیده می‌کند. به این دلیل ، آهنرباهای الکتریکی ، پر قدرت بدون هسته آهنی ساخته می‌شوند.

آهنربای الکتریکی پر قدرت

تهیه آهنرباهای الکتریکی پرقدرت مسأله انقلاب تکنولوژیک بسیار پیچیده‌ای است. در واقع ، برای اینکه بتوانیم جریانهای بزرگی را بکار بریم، سیم‌پیچها باید از سیم کلفتی ساخته شوند. در غیر این صورت ، سیم‌ پیچ شدیدا گرم و حتی گداخته می‌شود. گاهی بجای سیم از لوله‌های مسی استفاده می‌شود، که در آن جریان نیرومند آب برای خنک کردن سریع دیواره‌های لوله که جریان از آن می‌گذرد گردش می‌کند. ولی با سیم ‌پیچی که از سیم کلفت یا لوله ساخته شده است داشتن تعداد زیادی دور در واحد طول ناممکن است.

از طرف دیگر ، استفاده از سیم نازک تعداد دورهای زیادی را در واحد متر ممکن می‌سازد، نمی‌گذارد تا جریانهای زیاد را بکار بریم. پیشرفت زیادی را در ایجاد میدانهای مغناطیسی بدست آمده به بهره گیری از ابررسانا‌ها در سیم پیچهای مغناطیسها مربوط می‌شود، که بکار بردن جریانهای شدید را مقدور می‌سازد.

تکنیک کاپیتزا

کاپیتزا (P.L. kapitza) فیزیکدان شوروی سابق راه هوشمندانه‌ای را برای بیرون آمدن از این وضع پیشنهاد کرد. او جریانهای عظیم 104 آمپر را برای مدت بسیار کوتاهی حدود 0.01 s از سیملوله‌ای گذرانید. در این مدت ، سیم ‌پیچ سیملوله خیلی شدید گرم نشد، در حالی که میدانهای مغناطیسی کوتاه مدت شدیدی بدست آمده بودند.

البته او وسایل خاصی را ترتیب داد که برای ثبت نتایج آزمایشهایی که در آنها اثر میدان مغناطیسی پرقدرت حاصل در سیملوله برای اجسام گوناگون مورد بررسی قرار می‌گرفتند. در اغلب کاربردهای فنی ، تعداد آمپر ـ دورها در سیم ‌پیچهای آهنرباهای الکتریکی میدانهای نسبتا شدید می‌توان بدست آورد (با القای چند تسلا).



داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

روش های تولید الکتریسیته

تاریخ:پنجشنبه 11 اسفند 1390-13:08

تا سال 2030 تولید برق جهان به 30 میلیارد و 346 میلیون کیلوات ساعت می‌رسد
در تمام دنیا تولید برق از منابع گوناگون رو به افزایش است. سازمان انرژی آمریکا پیش بینی می کند که از سال 2004 تا 2030 پیشرفت قابل توجهی در میزان تولید برق جهان مشاهده خواهد شد.

تولید برق در دنیا هر سال حدود 4/2درصد افزایش می یابد. بنابراین طبق برآوردهای صورت گرفته از 16 میلیارد و 424 میلیون کیلووات ساعت در سال 2004 به 30 میلیارد و 346 میلیون کیلووات ساعت در سال 2030 می رسد. همچنین بیشترین تقاضا برای برق مصرفی از سوی کشورهای بیرون از سازمان همکاری اقتصادی و توسعه است. با وجود اینکه کشورهای غیر عضو سازمان همکاری اقتصادی و توسعه 26درصد کمتر از کشورهای عضو این سازمان در سال 2004 برق مصرف می کنند ولی کل تولید برق در حوزه کشورهای غیر عضو سازمان اقتصادی و توسعه در سال 2030 فراتر از تولید در کشورهای عضو این سازمان خواهد شد. بدین ترتیب انتظار می رود در کشورهای غیر عضو سازمان همکاری اقتصادی و توسعه از سال 2004 تا سال 2030 نرخ سالانه ای معادل 3برابر نرخ سالانه ی کنونی رشد تقاضا داشته باشیم. این تفاوت در عین حال که حاکی از رشد نسبی تاسیسات زیرساختی تولیدات برق در بیشتر کشورهای توسعه یافته عضو سازمان همکاری اقتصادی و توسعه است، نشان دهنده افزایش کند میزان جمعیت در این کشورها در 25 سال آینده نیز می باشد. به علاوه رشد بالای میزان تقاضا در کشورهای غیر عضو سازمان همکاری اقتصادی و توسعه به این معنی است که استانداردهای زندگی و استفاده از وسایل روشنایی و سایر وسایل برقی مدرن در این کشورها افزایش قابل توجهی یافته است. طبق مقایسه  انجام شده تولید برق در کشورهای غیر عضو سازمان همکاری اقتصادی و توسعه به 5/3 درصد رشد خواهد یافت که این رقم در مقایسه با 3/1 درصد رشد تولید برق در کشورهای عضو سازمان معنی دار خواهد بود. تولید برق شامل ایجاد و خلق انرژی برق می شود که با استفاده از توربین های متصل به ژنراتورهای برقی صورت می گیرد. این توربین های مکانیکی بیشترین برق تجاری مورد نیاز را تامین می کنند. در درون توربین ها مایعی به عنوان حامل انرژی وجود دارد. این مایع ها عمدتا از بخار آبی حاصل می شوند که توسط انرژی حاصل از انشقاق و شکاف هسته ای یا گرمای حاصل از سوختن سوخت های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی یا نفت) به نقطه جوش می رسد. البته در حال حاضر تعدادی از نیروگاههای جدید از خورشید به عنوان منبع حرارت استفاده می کنند؛ شیارهای سهمی شکل خورشیدی و برج های انرژی خورشیدی نور خورشید را برای گرم کردن این مایع و تولید بخار از آن به کار می برند.
منبع تجدید پذیر دیگری که برای تولید گرما و به حرکت در آوردن توربین ها از آن استفاده می شود انرژی گرمایی زمین است. بخار تحت فشار حرارت زیرزمینی از زمین بیرون آمده و توربین ها را به حرکت در می آورد. پره های توربین آبی که توسط آب جاری از سد های برق آبی یا نیروهای ناشی از جزر و مد به حرکت در می آیند منبع دیگری برای تولید برق هستند.
اکثر توربین های بادی از بادهایی که به طور طبیعی می وزند برق تولید می کنند. برج های خورشیدی هم از بادی که به طور مصنوعی درون دودکش ها با حرارت ناشی از نور خورشید جریان دارند کار می کنند.
توربین های گازی هم مستقیما بوسیله گازهای ناشی از سوخت نفت یا گاز طبیعی به حرکت در می آیند. از سوی دیگر نیروگاههای سیکل ترکیبی نیز با بخار و گاز فعالیت می کنند. آنها از سوختن گاز طبیعی در توربین های گازی انرژی تولید کرده و از گرمای اضافی این سوخت برای تولید برق از بخار استفاده می کنند. این نیروگاهها بازدهی بالای 60در صد دارند.
از انواع دیگر تکنولوژی های مورد مطالعه برای تولید برق می توان به تولید Solid-state اشاره کرد که سهم ویژه ای در مصارف و نیازهای سیار و متحرک دارد. فضای مورد استفاده ی آنها عمدتا ابزارهای ترموالکتریک (TE ) هستند. با وجود اینکه سیستم های گرما یونی ( TI) و Thermophotovoltaic TPV به اندازه سیستم های TE پیشرفت کرده اند ولی چنان که انتظار می رود سیستم های TE نسبت به سیستم های TI و TPV در دماهای پایین تری به کار می روند. وسایل پیزوالکتریکی نیز برای تولید انرژی از نیروی کشش مکانیکی استفاده می کنند.
Betavoltaic ها نوع دیگری از ژنراتورهای انرژی Solid-state هستند که برق را از واپاشیدن اشعه رادیو اکتیو تولید می کنند. همچنین تولید برق Magnetohydrodynamic) MHD)(حرکت آبی ماگنتو) مبتنی بر مایع به عنوان روشی برای تولید انرژی برق از راکتورهای هسته ای و نیز سیستم های احتراقی معمول مورد مطالعه قرار گرفته است. تولید برق الکترو شیمیایی نیز در مصارف قابل انتقال بسیار مهم است. در حال حاضر بیشترین میزان انرژی الکتروشیمیایی از سلول های الکتروشیمیایی بسته ( باتری ها ) به دست می آید که مسلما بیشتر به عنوان سیستم های ذخیره عمل می کنند تا سیستم های تولید. اما مطالعه و تحقیق برای گسترش سیستم های الکتروشیمیایی که تحت عنوان سلول های سوختی شناخته شده اند در چند سال اخیر افزایش قابل توجهی یافته است. سلول های سوختی می توانند برای استخراج انرژی چه از سوخت های طبیعی و چه از سوخت های مصنوعی ( به طور عمده هیدروژن الکترولیتی ) به کار روند. بنابراین می تواند هم به عنوان سیستم های تولیدی و هم به عنوان سیستم وابسته از آن استفاده کرد.




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

افزایش هدایت الکتریکی با کشیده شدن مولکول

تاریخ:جمعه 21 بهمن 1390-17:20

افزایش هدایت الکتریکی با کشیده شدن مولکول

معمولا با افزایش طول سیم هدایت الکتریکی آن کاهش می‌یابد؛ اما محققان ثابت کردند با کشیده شدن تک مولکول‌ها هدایت الکتریکی آنها افزایش می‌یابد. دلیل این امر کاهش سد انرژی است که در حین کشیده شدن اتفاق می‌افتد.

به گزارش سرویس فناوری ایسنا، از مولکول‌های منفرد برای تولید قطعات الکتریکی مانند مقاومت، ترانزیستور و دیود استفاده می‌شود. اخیرا «نونگیجان تاو» از موسسه «بیودیزاین» در دانشگاه ایالتی آریزونا گفته است که برخی خواص ذاتی مولکول‌ها می‌تواند برای طراحی هوشمند ادوات جدید مورد استفاده قرار گیرد.

در تحقیقاتی که اخیرا در نشریه «Nature Nanotechnology» به چاپ رسیده است، روشی برای کنترل شکل هندسی تک مولکول‌هایی که در میان یک جفت الکترود طلا قرار داده شده تا مداری ساده تشکیل شود، ارائه شده است. با این کار می‌توان هدایت الکتریکی را تا 10 برابر افزایش داد.

دستکاری مولکولی نیازمند بردباری و دقت نظر بالایی است.

«نونگیجان تاو» در مقاله‌ای که نوشته، اشاره دارد که اگر شما یک مولکول را به الکترودی وصل کنید، آن گاه این مولکول مانند یک لاستیک کش می‌آید. اگر کشیدگی افزایش یابد، آن‌گاه انتظار می‌رود که هدایت الکتریکی آن کاهش یابد؛ زیرا رشته‌های طویل‌تر هدایت الکتریکی کمتری دارد.

از سوی دیگر با افزایش فاصله میان الکترودها مولکول کشیده می‌شود؛ اما آنچه «نونگیجان تاو» یافته، این است که با کشیدگی مولکول، اتفاق غیرمنتظره‌ای می‌افتد؛ هدایت مولکول افزایش می‌یابد.

با یک کشیدگی ساده می‌توان هدایت را حداقل 10 برابر افزایش داد.

«نونگیجان تاو» می‌گوید: این مساله نتیجه قوانین مکانیک کوانتوم است که رفتار غیرمعمولی را به مواد بسیار کوچک دیکته می‌کند. البته به سادگی نمی‌توان گفت که هدایت الکتریکی تک مولکول رابطه عکس با طول آن دارد، بلکه هدایت الکتریکی به تراز سطح انرژی بستگی دارد.

زمانی که الکترون‌ها درون فلز حرکت می‌کنند، حرکت آنها کاملا آزادانه است، اما وقتی به سطح تماس فلز مولکول می‌رسند، باید بر یک سد انرژی غلبه کنند. ارتفاع سطح انرژی، تعیین کننده چگونگی عبور الکترون است. با کشیده شدن مولکول، نیروی مکانیکی به مولکول وارد شده و سطح انرژی آن را کاهش می‌دهد، در نتیجه هدایت الکتریکی بهبود می‌یابد.

«نونگیجان تاو» می‌گوید: برخی به این موضوع و امکان تحقق آن می‌اندیشند، اما ما ثابت کردیم که این موضوع حقیقت دارد. در واقع وقتی مولکولی کشیده می‌شود، شکل هندسی آن تغییر کرده و طولش افزایش می‌یابد، این کار موجب کاهش انرژی در آن شده و حرکت الکترون‌ها به سادگی در آن انجام می‌شود.

منبع: هوپا




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

نیم رسانایی به نام الماس

تاریخ:جمعه 21 بهمن 1390-17:18

شاید به زودى تصور متداول درباره الماس ها، به کلى دگرگون شود. الماس هایى که به خاطر زیبایى، کمیاب بودن و زمان طولانى تولیدشان ارزش فوق العاده اى داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانى حدود یک ساعت به وجود مى آیند. اینکه این دگرگونى چه تاثیرى در صنعت جواهرسازى یا قیمت الماس هاى طبیعى در بازار خواهد داشت هنوز در پرده اى از ابهام است. اما درباره نقش این الماس هاى آزمایشگاهى در تکنولوژى، شایعه هایى برخاسته از مجامع علمى به گوش مى رسد.

بیشتر از هشتاد درصد از الماس هاى معدنى طبیعى به مصارف صنعتى از قبیل ابزارهاى برش یا مواد ساینده براى تراشکارى و پرداخت دیگر سنگ هاى قیمتى، فلزات، گرانیت و شیشه مى رسند. استفاده از الماس به عنوان نیمه رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه اى مثل بالاترین درجه خلوص، بهترین بلورینگى و تعیین اتم ها به لحاظ الکتریکى فعال براى ایجاد گذرگاه الکتریکى در وسیله مورد نظر است. اما تمامى الماس هاى طبیعى به خاطر نقص ها، ناخالصى ها و ساختار ضعیف شان براى مصارف الکترونیکى نامناسبند. حتى با اینکه الماس هاى مصنوعى و طبیعى داراى کیفیت جواهرى بسیار ارزشمند هستند، اما ممکن است به خاطر رگه هاى ناچیز ناخالصى ها براى استفاده به عنوان نیمه رسانا مناسب نباشند. در واقع تنها خالص ترین این سنگ ها در کاربردهاى الکترونیکى پرقدرت از سلفون ها گرفته تا کامپیوترهاى شخصى و خطوط ارتباطاتى قابل استفاده اند.


به گفته جیمز باتلر (J.Butler)، یکى از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروى دریایى ایالات متحده، به لحاظ تاریخى سه مشکل عمده سر راه استفاده از الماس هاى طبیعى در کاربردهاى الکترونیکى وجود داشته است. الماس هاى طبیعى همیشه به شکل بازدارنده اى براى استفاده همه جانبه گران بوده اند و یافتن سنگ هاى بزرگ با خلوص کافى نیز بسیار دشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگى دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هر یک مى تواند مشکلاتى را در مدارهاى الکترونیکى به بار آورد. آخرین مشکل در استفاده از الماس براى کاربردهاى الکترونیکى و کامپیوترى نیز نیاز به دو نوع الماس یعنى سنگ هاى نوع n و p براى هدایت الکترونیکى بوده است.

در دستگاه هاى مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رساناى n و p، استفاده کرد اما الماس هاى نوع n به طور طبیعى وجود ندارند و الماس هاى نوع p الماس آبى، به قدرى نادرند که هیچ راه مقرون به صرفه اى براى استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماس هاى مصنوعى این مشکلات را برطرف مى کنند. به گفته رابرت لینارس (R.Linares)، بنیان گذار کمپانى آپولو دیاموند براى مثال مى توان با افزودن ناخالصى فلز برون به الماس، نوع P یعنى الماس آبى را تولید کرد. به طور مشابه دانشمندان مى توانند با افزودن فسفر به الماس هاى بى رنگ، الماس نوع n را نیز تولید کنند. ما براى استفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاه هاى الکترونیکى پرقدرت نیاز به ترکیبى لایه اى از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینکه الماس هاى بى رنگ خالص در عمل بیشتر از آنکه رسانا باشند عایق هستند، مى توان لایه هایى از آنها را به این ترکیب افزود.

امروزه نیمه رساناهاى بسیارى مثل سیلیکون در گستره وسیعى از دستگاه هاى الکترونیکى به کار مى روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتى و سرعت فوق العاده بیشترش، تنها در مقایسه با خلاء است که عنوان دومین نیمه رساناى برتر جهان را به خود اختصاص مى دهد. الماس با داشتن چنین ویژگى هایى و به خصوص امروز که آزمایشگاه قادر به تولید سنگ هاى خالص و ناخالص کنترل شده اند، مى تواند پایه گذار انواع سراسر نوینى از دستگاه هاى الکترونیکى پرقدرت باشد. با اینکه استفاده از الماس در صنایع الکترونیک به چند دهه دیگر واگذار شده است اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتى صنایع نیمه رساناسازى را به کلى دگرگون خواهد کرد.

الماس به طور طبیعى تحت فشارهاى زیاد اعماق زمین و در زمانى طولانى شکل مى گیرد. اما در آزمایشگاه مى توان به کمک دو فرآیند مجزا در زمانى بسیار کوتاه تر الماس تولید کرد. فرآیند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) اساساً تقلیدى است از فرآیند طبیعى شکل گیرى الماس در حالى که فرآیند رسوب گیرى بخار شیمیایى (CVD) دقیقاً خلاف آن عمل مى کند. در واقع CVD به جاى وارد کردن فشار به کربن براى تولید الماس با آزاد گذاشتن اتم هاى کربن به آنها اجازه مى دهد با ملحق شدن به یکدیگر به شکل الماس درآیند.

این دو تکنیک براى اولین بار در دهه 1950 کشف شدند. به گفته باتلر که هفده سال روى تولید الماس با استفاده از تکنیک CVD کار کرده است «از آنجا که پیشگامان تولید الماس بدون فشار بالا در دهه 1950 با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تکنولوژى CVD هنوز دوران کودکى اش را سپرى مى کند.» هر دو فرآیند قادرند با سرعتى خیره کننده الماس هایى با کیفیت جواهر تولید کنند اما در نهایت این فرآیند CVD است که به خاطر کنترل ساده ناخالصى و اندازه محصول براى تکنولوژى هاى الکترونیکى مناسب ترین خواهد بود.

فرآیند CVD با قرار دادن ذره بسیار کوچکى از الماس در خلأ آغاز مى شود. سپس گازهاى هیدروژن و متان به محفظه خلأ جریان مى یابند. در ادامه پلاسماى تشکیل شده باعث شکافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمى مى شود که با متان واکنش مى دهد تا رادیکال متیل و اتم هاى هیدروژن به وجود آیند. رادیکال متیل نیز به ذره الماس مى چسبد تا الماس بزرگ شود. رشد الماس در تکنیک CVD، فرآیندى خطى است، بنابراین تنها عوامل محدودکننده اندازه محصول در این روش بزرگى ذره ابتدایى و زمان قرار دادن آن در دستگاه است.

به گفته دیوید هلیر (D.Hellier)، رئیس بخش بازاریابى کمپانى ژمسیس، «فرآیند HP HT نیز با ذره کوچکى از الماس آغاز مى شود. هر ذره الماس در محفظه هاى رشدى به اندازه یک ماشین لباسشویى، تحت دما و فشار بسیار بالا درون محلولى از گرانیت و کاتالیزورى فلزى غوطه ور مى شود. در ادامه تحت شرایط کاملاً کنترل شده اى این الماس کوچک به تقلید از فرآیند طبیعى، مولکول به مولکول و لایه به لایه شروع به رشد مى کند.» گرچه جنرال الکتریک در تولید الماس ها به این روش پیشگام است و الماس هاى ساخته شده با تکنیک HP HT را براى مصارف صنعتى به بازار عرضه مى کرد اما تا پیش از آنکه کمپانى ژمسیس با ساده سازى این فرآیند امکان تولید نمونه هایى با کیفیت جواهر را فراهم کند، هرگز آن الماس ها به عنوان سنگ هاى قیمتى به فروش نرسیده بودند.

امروز هر دو کمپانى آپولو دیاموند و ژمسیس الماس هاى جواهرى مى فروشند. این الماس هاى «پرورشى» با قیمتى بسیار پایین تر از الماس طبیعى به فروش مى رسد. به گفته هلیر «کمپانى ژمسیس از سال 2003 الماس هاى مصنوعى را با قیمت یک چهارم تا یک پنجم قیمت نمونه طبیعى به بازار عرضه مى کند که از لحاظ رنگ، شفافیت، برش و قیراط مشابه سنگ هاى قیمتى طبیعى است. در واقع الماس هاى زینتى مصنوعى بخش کوچک و در عین حال پرسودى از صنعت الماس را تشکیل مى دهند. این الماس هاى رنگى که در مقایسه با همتاهاى بى رنگ شان فوق العاده کمیاب و در نتیجه بسیار گران بها ترند با توجه به نوع ناخالصى ها در رنگ هاى گوناگون از قرمز و صورتى گرفته تا آبى، سبز و حتى زرد روشن و نارنجى تولید مى شوند. به گفته لینارس: «گرچه آپولو دیاموند به زودى الماس هایى به رنگ آبى، صورتى و مشکى را عرضه خواهد کرد اما این کمپانى با فروش الماس هاى بى رنگ مسیر متفاوتى را در پیش گرفته است.» در واقع این الماس ها مى توانند چنان کیفیت بالایى داشته باشند که حتى ماشین هاى ساخته شده براى تشخیص سنگ هاى مصنوعى از طبیعى در تفکیک شان از یکدیگر دچار مشکل شوند، همان طور که امروزه برخى از بزرگ ترین الماس فروشان در صنعت نیز به زحمت از پس آن برمى آیند. شباهت فوق العاده نمونه هاى مصنوعى و طبیعى باعث شده است تا تاجران الماس براى تشخیص الماس هاى رنگى مصنوعى از سنگ هاى طبیعى دست به دامن آزمایشگاه هاى الماس بلژیک و دیگر نقاطى شوند که به طور سنتى عهده دار تجزیه و تحلیل و تایید الماس ها از نظر بزرگى قیراط، رنگ و شفافیت هستند. به گفته جف ون روین (J.Van Royen)، یکى از فیزیکدانان شوراى عالى الماس آنتورپ «وظیفه ما حمایت از انجمن هاى الماس با یافتن شیوه هایى براى شناسایى الماس هاى مصنوعى و دست کارى شده است و با تکنولوژى فعلى مان کاملاً مطمئن هستیم که مى توانیم از پس این کار بر بیاییم. اما با پیشرفته تر شدن تکنولوژى هاى رشد و دستکارى الماس، این تکنولوژى فعلى دیگر ابزار مطمئنى نخواهد بود.»

آزمایشگاه آنتورپ و چند تایى دیگر در سراسر جهان براى تشخیص الماس هاى مصنوعى به طور عمده از دو نوع دستگاه استفاده مى کنند. در دستگاه نوع اول با تابش نور به الماس مشخصات طیفى نور جذب یا ساطع شده تجزیه و تحلیل مى شود. اگر نشانه هایى از الماس مصنوعى مشاهده شد، آزمایشگاه دستگاه دوم را به کار مى گیرد که این دستگاه براى آشکار ساختن ساختار درونى کریستال از نور فرابنفش استفاده مى کند. به گفته ون روین «این دستگاه ها نقص هاى موجود در الماس را حتى در مقیاس میکروسکوپى یا اتمى نیز بررسى مى کنند. ما در اینجا ساختار هاى رشد الماس را بررسى مى کنیم.» در واقع الماس ها نیز درست مثل درختان داراى حلقه هاى رشدى در اطراف هسته درونى هستند. الماس هایى که در آزمایشگاه تولید یا براى تغییر رنگ دستکارى شده باشند، ساختار رشد متفاوتى از خود نشان مى دهند. بنابراین با اینکه آزمایشگاه ها با استفاده از این دستگاه ها قادر به تشخیص الماس هاى مصنوعى از طبیعى هستند اما نگرانى عمده در صنعت الماس جایى است که افراد بدون این دستگاه ها توانایى تشخیص سنگ هاى مصنوعى را نخواهند داشت. به گفته ون روین «بیشتر مشترى یا حتى جواهرفروشان قادر به بیان تفاوت این دو نمونه نیستند. با اینکه صنعت الماس هیچ مشکلى با الماس هاى مصنوعى ندارد، آنها مصرانه مى خواهند که این نمونه هاى مصنوعى به روشنى برچسبى داشته باشند تا مشترى نسبت به آنچه خریدارى مى کند کاملاً مطلع باشد.» بنا به اظهارات هلیر و لینارس هر دو کمپانى ژمسیس و آپولو دیاموند در تلاش اند تا اعتبار سنگ هاى پرورشى شان را تضمین کنند. براى مثال روى تمام الماس هاى پرورشى بزرگ تر از یک چهارم قیراط کمپانى ژمسیس، اسم کمپانى و شماره سریالى انحصارى با لیزر حک شده است. همچنین تمام سنگ هاى بزرگ تر از یک قیراط همراه با تایید نامه رسمى از آزمایشگاه جواهر شناسى اروپا عرضه مى شود. اما به اعتقاد ون روین هنوز این پرسش باقى است که آیا تمام تولید کنندگان الماس لزوماً با وجدان هم خواهند بود. به گفته وى «در پایان انتظار داریم الماس هاى مصنوعى جایگاه مخصوص به خودى در بازار را پیدا کنند.» برخى دیگر از دست اندرکاران صنعت الماس نیز دید بهترى نسبت به این سنگ هاى پرورشى دارند. به گفته مارتین راپاپورت (M.Rapaport)، رئیس گروه راپاپورت، شبکه اى از کمپانى هاى درگیر در صنعت الماس «از چشم انداز سیاست عمومى، انواع بیشتر محصول، انتخاب هاى بیشتر، قسمت هاى متنوع و رقابت یعنى بازار بهتر. در واقع این شانس منطقى است که بتوانیم در آینده اى قابل پیش بینى ابعاد صنعت الماس را دو برابر کنیم.» لینارس معتقد است سرانجام این میزان فروش سنگ هاى قیمتى است که تنها وسیله پایان بخش به این جدل خواهد بود و بازدهى هاى بزرگ در دل تکنولوژى هاى صنعتى است.

دورنماى الماس

ویژگى هاى ذاتى الماس خالص مثل نارسانایى و رسانایى الکتریکى فوق العاده و نیز عنوان سخت ترین و مقاوم ترین ماده شناخته شده در جهان، آن را تبدیل به ماده طبیعى مناسبى براى کاربرد هاى صنعتى و الکترونیکى کرده است. به گفته جیمز باتلر «در پنجاه سال آینده تحقیقات شیمیایى الماس در آزمایشگاه تحقیقاتى نیروى دریایى ایالات متحده احتمالاً منجر به ظهور لوازم الکترونیکى نوینى خواهد شد که به راحتى جاى سیلیکون به عنوان گزینه اى براى نیمه رساناها را اشغال مى کند. به عنوان برخى از کاربرد هاى عملى الماس مى توان به موارد زیر اشاره کرد:

- لوازم الکترونیکى ولتاژ و توان بالا مثل ترن هاى سریع السیر.

- دستگاه هاى فرکانس بالا مثل رادار هاى پرقدرت و ایستگاه هاى مخابراتى سلولى.

- دستگاه هاى میکرو و نانو الکترو مکانیکى مثل ساعت ها و فیلتر هاى تلفن هاى سلولى.

- محاسبات کوانتومى مثل موارد مورد نیاز در ارتباطات امن.

- آشکارساز پرتو هاى پرانرژى مثل پرتو سنج هاى پزشکى.

- اپتیک و لیزر هاى پرقدرت مثل آنچه در کابل و خطوط تلفن یا پنجره شاتل هاى فضایى به کار مى رود.

- الکترود هاى الماسى مقاوم به خوردگى که مى تواند محیط هاى آلوده را پاک کند.

منبع: هنر فیزیک




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

میدان الکتریکی

تاریخ:جمعه 21 بهمن 1390-17:14

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.

مقدمه

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.

معمولا 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 تاثیر بار مثبت آزمون قرار می‌گیرد. لذا فرض بسیار کوچک بودن بار آزمون بدین خاطر است که بتوانیم از اثرات بار آزمون بر توزیع بار صرفنظر کنیم. البته با تعریف میدان بصورت 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 می‌باشد. 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، لذا 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.


میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطه‌ای

فرض کنید که یک بار الکتریکی به اندزه 'q در نقطه‌ای از فضا که با بردار مکان 'r مشخص می‌شود، قرار داشته باشد. حال می‌خواهیم میدان الکتریکی حاصل از این بار را در نقطه دیگری که با بردار مکان (r) مشخص می‌شود، تعیین کنیم. طبق تعریف یک بار نقطه‌ای مثبت آزمون در این نقطه قرار می‌دهیم. فرض کنید که اندازه بار آزمون (q) باشد. در این صورت از طرف بار q بر این بار آزمون نیرویی وارد می‌شود که از قانون کولن بصورت زیر محاسبه می‌شود.


F = 1/4πε0 X q'q/(r-r')2

محاسبه می‌شود. چون نیروی F یک کمیت برداری است، لذا علاوه بر اینکه مقدار آن از رابطه گفته شده حاصل می‌شود، دارای یک جهت نیز هست که جهت آن با رابطه|(r-r')/|(r-'r) نشان داده می‌شود. در واقع این کمیت یک بردار یکه است. حال اگر نیروی F را بر (q) تقسیم کنیم، کمیتی حاصل می‌شود که همان میدان الکتریکی است. یعنی اگر میدان الکتریکی را با E نشان دهیم، در این صورت میدان الکتریکی حاصل از بار نقطه‌ای به فاصله 'r از مبدا از رابطه زیر محاسبه می شود.
|'F=1/4πε0xq'q(r-r')3/|r-r

میدان الکتریکی حاصل از توزیعهای مختلف بار

اگر چنانچه بجای بار نقطه‌ای یک توزیع بار به صورت حجمی یا سطحی وجود داشته باشد و یا اینکه چندین بار نقطه‌ای وجود داشته باشد و بخواهیم میدان حاصل از اینها را محاسبه کنیم، برای این منظور در مورد چند بار نقطه‌ای ، میدان حاصل از هر بار را تعیین نموده و همه را بصورت برداری جمع می‌کنیم. اما در مورد توزیع بارها باید از یک رابطه انتگرالی استفاده کنیم. بدیهی است که در مورد توزیع حجمی بار انتگرال حجمی بوده و در مورد توزیع سطحی بار ، انتگرال سطحی خواهد بود.

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.

منبع: رشد



داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 

تولید برق با تزریق آب داخل آتشفشان خاموش

تاریخ:جمعه 21 بهمن 1390-17:07

تولید برق با تزریق آب داخل آتشفشان خاموش

کارشناسان قصد دارند با پمپاژ 24 میلیون گالن آب به داخل آتشفشان «نیوبری» در اورگان‌ آمریکا انرژی برق تولید کنند.

به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، انرژی زمین گرمایی (ژئوترمال) یکی از روش های تولید سوخت پاک در جهان محسوب می شود.

در این روش آب به اعماق زمین پمپاژ می شود. حرارت موجود در اعماق زمین، آب پمپاژ شده را به بخار یا آب گرم تبدیل می کند.

با استفاده از این بخار یا آب گرمی که به سطح زمین باز می گردد، در نیروگاه ها برق تولید می شود.

این پروژه تابستان سال آینده با بودجه 6.3 میلیون دلاری شرکت گوگل و 21.5 میلیون دلاری وزارت انرژی آمریکا در ایالت ورگان اجرایی می شود.

در این پروژه آب به لایه های زمین از جمله اطراف پوسته پمپاژ می شود. آب گرم یا بخاری که به سطح زمین باز می گردد، در تولید انرژی برق مورد استفاده قرار می گیرد.

میزان تولید انرژی از طریق پروژه های ژئوترمال یا انرژی زمین گرمایی در آمریکا در حال افزایش است، به طوری که این میزان از سال 2004 تا 2008 میلادی 5 درصد افزایش یافته است.

قرار است تولید انرژی در 9 ایالت این کشور نیز از طریق ژئوترمال انجام شده و حدود 3 هزار مگاوات برق از این طریق تأمین شود. در سال 2011 میلادی 123 طرح ژئوترمال در سراسر آمریکا در دست اجرا بود.

منبع: هوپا




داغ کن - کلوب دات کام
لطفا نظر بدهید() 


  • تعداد صفحات :5
  • 1  
  • 2  
  • 3  
  • 4  
  • 5  
شبکه اجتماعی فارسی کلوب | Buy Website Traffic | Buy Targeted Website Traffic