التصنيفات
الفيزياء الكهربية والمغناطيسية

حجر المغناطيس هو خام الحديد المغناطيس

حجر المغناطيس هو خام الحديد المغناطيس، وهو معدن واسع الانتشار في الطبيعة ومعروف منذ القدم ومكون أولي في الصخور النارية. وقد اهتم به علماء المسلمين وبينوا كثيرا من خواصه وأهمها جذبه لقطعة من الحديد إذا قربت منه، وخصص البيروني في كتابه: الجماهر في معرفة الجواهر فصلا عن المغناطيس، وأشار إلى الصفة المشتركة بين المغناطيس، والعنبر (الكهربا) وهي جذبهما للأشياء، وبين أن المغناطيس يتفوق على العنبر في هذه الصفة، وأشار البيروني إلى أن أكثر خامات المغناطيس موجودة في بلاد الأناضول وكانت تصنع منها المسامير التي تستخدم في صناعة السفن في تلك البلاد، أما الصينيون فكانوا يصنعون سفنهم بضم وربط ألواح الأخشاب إلى بعضها بحبال من ألياف النباتات، ذلك أن هناك جبالا من حجر المغناطيس مغمورة في مياه بحر الصين كانت تنتزع مسامير الحديد من أجسام السفن فتتفكك وتغرق في الماء.

وأشار البيروني إلى رواسب المغناطيس في شرقي أفغانستان وبين أن الأجزاء السطحية من تلك الرواسب ضعيفة المغناطيسية بالمقارنة مع الأجزاء الداخلية منها ، والسبب هو تعرض الأجزاء السطحية من تلك الرواسب للشمس. وشبه العلماء المسلمون الحديد وحجر المغناطيس بالعاشق والمعشوق، فالحديد ينجذب إلى المغناطيس كانجذاب العاشق إلى المعشوق

وبين العلماء المسلمون أن حجر المغناطيس يجذب برادة الحديد حتى لو كان هناك فاصل بينهما، بل إنه يجذب إبرة الحديد إليه، وهذه الإبرة تجذب بدورها إبرة أخرى إذا قربت منها وهكذا حتى لترى إبر الحديد مرتبطة مع بعضها بقوة غير محسوسة. وبجانب القوة الجاذبة للمغناطيس فإن له قوة طاردة أيضا، فإذا وضع مغناطيس فوق ربوة يسكنها النمل، هجرها النمل على الفور. وقد ذكر العلماء المسلمون ومنهم القزويني و شيخ حطين بعض عوامل فقدان المغناطيس لقوته الجاذبة ويكون ذلك إذا دلك بقطعة من الثوم أو البصل، وعندما ينظف المغناطيس من رائحة الثوم أو البصل، ويغمر في دم ماعز وهو دافئ عادت إليه خاصيته.
وبين العلماء المسلمون أن السكين أو السيف يكتسبان صفة المغناطيس إذا حُكا في حجر المغناطيس. ويحتفظ كل من السيف والسكين بخواصه المغناطيسية لفترة طويلة قد تصل إلى قرن من الزمان. ودرسوا الخواص المغناطيسية لحجر المغناطيس في الفراغ ومنهم الرازي الذي كتب رسالة بعنوان : علة جذب حجر المغناطيس للحديد ، وبين التيفاشي أن سبب انجذاب الحديد للمغناطيس هو اتحادهما في الجوهر (أي أن لهما تركيبا كيميائيا واحدا بلغة هذا العصر) . وتحدث العرب عن القوة الجاذبة وأوضحوا أن هناك علاقة بين بعض المعادن وبعضها الآخر فمثلا ذكر شيخ حطين في نخبة الدهر أن الذهب هو مغناطيس الزئبق. ولم يكن غريبا أن ينسج الإنسان في العصور القديمة بعض الأساطير حول حجر المغناطيس.

ومن هذه الأساطير أسطورة التمثال الحديدي المعلق في الفراغ في داخل قبة مصنوعة من حجر المغناطيس في دير الصنم بالهند ، وسبب تعلق هذا التمثال في الفضاء هو انجذابه لقبة المغناطيس وقد عرف سر ذلك حينما زار السلطان محمود بن سبكتين ذلك المعبد واقتلع أحد مرافقي السلطان حجرا من القبة المغناطيسية فاختل توازن التمثال المعلق وهوى إلى أرض القبة .

واستخدم المغناطيس في الطب القديم لإزالة البلغم ومنع التشنج، وأشار الأطباء المسلمون إلى أنه إذا أمسك المريض حجر المغناطيس زالت التقلصات العضلية من أطرافه، وكانوا يستخدمون حجر المغناطيس في تخليص الجسم من قطع الحديد التي تدخل فيه بطريق الخطأ وذلك بإمرار المغناطيس فوق جسم المصاب، وذكروا أن حجر المغناطيس يسكن أوجاع المفاصل والنقرس إذا وضع – بعد دعكه بالخل – فوق مواضع الألم.


التصنيفات
العلوم الكهربائية

المتناهيات في الصغر أقوى من الحديد وأغلى من الذهب

المتناهيات في الصغر.. أقوى من الحديد وأغلى من الذهب

د.نادية العوضي
في عالم الإلكترونيات يحسب التقدم التكنولوجي بالتوصل إلى تقنيات أقل حجمًا وأعلى كفاءة من حيث السرعة والجودة في أداء العمليات المختلفة.
بدأ الجيل الأول في عالم الإلكترونيات باستخدام تكنولوجيا المصابيح الإلكترونية (Lamp)، وقد تم إنتاج تليفزيونات تستخدم هذه التكنولوجيا، أما الجيل الثاني فجاء بعد استخدام الترانزيستور (Transistor) الذي جعل الأجهزة أصغر حجمًا ويسهل نقلها من مكان إلى آخر، وبعد التطور الكبير في مجال أشباه الموصلات (Semi-conductors) جاءت الثورة الثالثة أو الجيل الثالث من الإلكترونيات باستخدام المُوصِّلات التكاملية (IC)، وهي عبارة عن قطعة صغيرة جدًّا؛ ولهذا قامت باختزال حجم العديد من الأجهزة، بل رفعت من كفاءتها، وعددت من وظائفها.
وأخيراً جاء الجيل الرابع باستخدام المعالج الصغير (microprocessor) الذي أحدث ثورة هائلة في مجال الإلكترونيات بإنتاج الحاسبات الشخصية (computers)، وما قامت به هذه الحاسبات من تقدم في العديد من المجالات العلمية والصناعية والتعليمية ومختلف جوانب الحياة.
فماذا عن الجيل الخامس ؟
وهو ما صار يعرف باسم النانوتيوب أو الأنابيب المتناهية في الصغر (nanotube) فهل تعرف ما هي هذه الأنابيب؟
النانوتيوب ظاهرة فيزيائية تم رصدها أول مرة عام 1991 في شركة NEC للصناعات الإلكترونية في اليابان بواسطة العالم سوميو ليجيما(Sumio Lijima)، حينما كان يدرس الرماد الناتج عن عملية التفريغ الكهربي بين قطبين من الكربون باستخدام ميكروسكوب إلكتروني عالي الكفاءة (High-resolution transmission electron microscope)، وكانت النتيجة أنه وجد أن جزيئات الكربون تأخذ ترتيبًا يشبه الأنابيب في داخل بعضها البعض.
وفي عام 1992 تم تطوير تكنولوجيا الحصول على النانوتيوب، وذلك برفع كفاءتها للحصول على كميات أكبر من النانوتيوب .
وفي عام 1993 تمكن العالم دونالد بثيون (Donald Bethune) من شركة IBM
لتكنولوجيا الحاسبات في الولايات المتحدة الأمريكية من رصد نانوتيوب متكونة من طبقة واحدة (singlewall) يبلغ قطر الأنبوب الواحد 12 نانومترًا (النانو = جزء من البليون من المتر)، وانطلق العلماء بعد ذلك في مجال النانوتيوب، حتى استطاع فريق من العلماء الصينيين في شهر فبراير الماضي رصد أصغر نانوتيوب في العالم الذي يصل قطره إلى 0.5 نانومتر فقط، مع العلم أن أقل قطر لأي شيء في العالم نظريًّا هو 0.4 نانومتر.
وقد تم رصد هذا النانوتيوب الصغير جدًّا بعدما طَوَّر العلماء الصينيون في تكنولوجيا استخراجه، وذلك بعمل تعديل في القطب الموجب للدائرة أو الأنود (anode)، حيث قاموا بعمل حفرة قطرها 3 مليمترات داخل قضيب الجرافيت (graphite) وقطرها 6 مليمترات، وتم ملء الحفرة بخليط من بودرة معدن الكوبالت ومواد كربونية أخرى.
وعندما تمَّ دراسة الخواص الفيزيائية للنانوتيوب كانت النتائج مبشرة جدًّا؛ حيث إن النانوتيوب أقوى من الحديد بمقدار 100 مرة، وأخف منه في الوزن بمقدار 6 مرات.
أما الخواص الكهربائية فكانت النتائج مثيرة جدًّا؛ حيث إن النانوتيوب يمكن أن يكون موصلاً جيدًا جدًّا للكهرباء، ويمكن أن يكون شبه موصل (Semi-conductor)، وهذا باختلاف طريقة الحصول عليه، وترتيب الذرات داخل الهيكل الذري.
وعند قياس درجة توصيله للكهرباء وجد أنه أعلى من النحاس في درجة حرارة الغرفة، أما توصيله للحرارة فهو أعلى من الماس.
ومن المتوقع أن تشعل تكنولوجيا النانوتيوب سلسلة من الثورات الصناعية في خلال العقدين القادمين التي سوف تؤثر على حياتنا بشكل كبير.
فمع التطور العلمي واكتشاف الخريطة الجينية للإنسان، وكذلك اكتشاف الفمتوثانية، فيتوقع العلماء استغلال النانوتيوب في صناعة أجهزة إلكترونية غاية في الصغر تستطيع العمل على مستوى الجزيء أو أدوات جراحية قادرة على مكافحة الأمراض على مستوى الخلية الآدمية.
وفي مجال الصناعة يمكن أن يدخل النانوتيوب في تكوين المواد المركبة (composite material) للرفع من كفاءتها في توصيل الكهرباء والحرارة، وكذلك في تصنيع خلايا لتخزين الوقود الهيدروجيني الذي يستخدم في المركبات الفضائية.
تكنولوجيا النانوتيوب ما زالت في مهدها الأول، وهي الآن تحت الدراسة لمعرفة المزيد من خواصها الفيزيائية وقدراتها المثيرة، ولكن الطريقة المستخدمة حالياً للحصول على النانوتيوب مرتفعة التكلفة جدًّا؛ حيث إن رماد النانوتيوب التجاري يتكلف 10 أضعاف سعر الذهب؛ ولهذا يتطلب دعمًا كبيرًا من الحكومات والهيئات العلمية الكبرى؛ لاستمرار البحث والتطوير في هذا المجال.
تكنولوجيا النانوتيوب سوف تفتح أمامنا عالمًا جديدًا لم نكن نعلم عنهشيئًا.
فمرحباً بكم في عالم متناهٍ في الصغر.


التصنيفات
العلوم الكهربائية

خط السكَّة الحديد الكهربائي

خط السكَّة الحديد الكهربائي

نظام خطوط سكة حديدية تسير بالطاقة الكهربائية. تشمل القطارات التي تسير بالطاقة الكهربائية قطارات الركاب ذات السرعة العالية، وبعض قطارات شحن البضائع، وأنظمة السكة الحديدية تحت الأرض والأخرى المُرتفعة، وعربات الترام التي تُوجد في مدن معينة. تأتي الكهرباء اللازمة لِتَسْيير قطار من مصدر خارجي ـ منشأة طاقة مركزية ـ بدلاً من آلة أو مولِّد يكون على متْن القطار نفسه، وتستمد القطارات الطاقة من خلال سِلْك أو قضيب.

وتفوق سرعة القطار الكهربائي سرعة أي نوع آخر من القطارات. وأسرع قطار كهربائي في العالم هو (تي جي في) أي القطار ذو السرعة العالية وهو موجود الآن في فرنسا. ويسير هذا القطار بين باريس وليون بسرعة يزيد معدلها على 269كم/الساعة.

وللقطارات الكهربائية مزايا أخرى متعددة. فهي أقل ضجيجاً من أنواع القطارات الأخرى، ولايخرج منها الدخان أو العادم. وبالإضافة إلى ذلك، فإن مُنشأة الطاقة تستخدم الفحم الحجري أو الغاز أو الزيت أو الطاقة النووية أو الطاقة المائية لتوليد الكهرباء اللازمة لتسيير قطار كهربائي.

وعلى النقيض من ذلك، فإن قطارات الديزل المستخدمة في كثير من أنظمة السكة الحديدية تعتمد في حركتها تماماً على زيت الديزل.تخِدم خطوط السكة الحديدية الكهربائية المناطق الواقعة ما بين المدن، أي ما بين مدينة وأخرى، كما تَخدِم هذه الخطوط المسافرين داخل المدن نفسها، أو بين المدن وضواحيها.

أنواع خطوط السكة الحديد الكهربائية

يمكن لقطار كهربائي أن يستمدَ طاقته بطريقتين: من سلك علوي يُسمى منحنى سلسلي، أو من قضيب ثالث كهربائي. وفي نظام الأسلاك العلوية، تجد هيكلاً فولاذياً ذا مفاصل على قمة القطار يربطه بالمنحنى السلسلي. ويوصل هذا الهيكل الذي يُسمى بنتوغراف أو مِنْساخ الكهرباء من السلك إلى نظام دفعي يشمل مُحركات الجر التي تكون عادة بالقرب من عجلات القطار. وتُدير هذه المحركات عجلات القيادة التي تجعل القطار يسير فعلاً.

وللقطار الذي يستخدم قضيباً ثالثاً جهاز معدني يُسمى حذاء المكبح. وينزلق هذا الجهاز المعدني مع القضيب الثالث، موصلاً بذلك الكهرباء إلى النظام الدفعي. ويستخدم سائق القطار جهازاً يُسمى جهاز التحكم الرئيسي لضبط سرعة القطار. وينظم جهاز التحكم هذا كمية الطاقة الداخلة إلى النظام الدفعي للقطار.

تُزود المنحنيات السلسلية مُعظم القطارات الكهربائية التي تسير إلى المدن بالطاقة اللازمة. ولهذه القطارات قاطرة واحدة أو مجموعة من القاطرات الكهربائية تجرُّ مجموعة من العربات أو شاحنات البضائع. وتزنُ معظم القاطرات الكهربائية ما يتراوح بين 90 و 180 طنًا متريًا. وتتراوح قدرتها بين حوالي 4,000 و 5,000 كيلو وات. وتبلغ سرعتها ما يزيد على 240كم/الساعة.

يزُوّد قضيب ثالث مُعظم القطارات الكهربائية التي تسير عبر المدن المختلفة بالكهرباء اللازمة لها. بعض عربات السكة الحديدية التي تعبر المدن لديها محركات الجر الخاصة بها التي تتراوح قُدرتها بين 89 و210 كيلو وات. وتجر بعض العربات الأخرى قاطرات، أو ترتبط بعربات سكة حديدية لديها محركات دفع. تبلغ السرعة القصوى لعربات السكك الحديدية التي تسير عبر المدن حداً يتراوح ما بين 80 و 120كم/الساعة.