در عصري كه ما زندگي مي كنيم آزمايشهايي كه چشمان جهانيان را خيره مي كند ازجمله آزمايشهايي كه براي يافتن توالي اجزاي يك ژنوم، شكافتن ذرات ريز اتمي در شتابدهنده ها و تجزيه وتحليل ستارگاني كه با ما ميلياردها سال نوري فاصله دارند نياز به ميليونها دلار سرمايه گذاري دارند و تجزيه وتحليل اطلاعات به دست آمده از ابزارهاي پيشرفته دراين آزمايشها ماهها به طول مي انجامد.
«رابرت كريز» عضو گروه فلسفه دانشگاه نيويورك در استوني بروك كه مورخ آزمايشگاه ملي بروك هيون هم هست، از فيزيكدانان خواست ده آزمايش برتر جهان فيزيك را نام ببرند. برخلاف انتظار عصر ما كه آزمايشهاي پيچيده توسط تيمهاي برجسته دانشگاهها و مراكز تحقيقات صورت مي پذيرد ده آزمايش برتري كه به عنوان زيباترين آزمايشهاي فيزيك در طول تاريخ انتخاب شد توسط ده فيزيكدان بسيار سرشناس انجام شده بود كه دستياران چندان زيادي هم نداشتند. ازهمه جالب تر اين كه اين آزمايشهايي كه در فهرست زيباترين آزمايشهاي فيزيك جاي گرفتند نيازي به كامپيوترهاي فوق پيشرفته بسيار مدرن نداشتند. اين ليست در مجله اين ماه Physics World به چاپ رسيده است . دراينجا به جاي آن كه به اين آزمايشها به ترتيب رتبه بپردازيم به ترتيب تقدم وتأخر زماني انجام اين آزمايشها، به اين ده آزمايش محبوب در فيزيك خواهيم پرداخت.

۱ـ اندازه گيري محيط زمين توسط اراتوستن رتبه هفتم را به دست آورد.

 هنگام انقلابين [اصطلاح اخترشناسيSolstice] در ظهر روزي كه آفتاب در شهر آسوان مصر هيچ سايه اي ندارد به گونه اي كه نور خورشيد قادر است به طور مستقيم به ته يك چاه برسد، موردتوجه اراتوستن ـ كتابدار شهر اسكندريه در سه قرن پيش از ميلاد مسيح ـ قرار گرفت. اراتوستن در چنين روزي درست هنگام ظهر كه در آسوان سايه وجود ندارد در شهر اسكندريه سايه را اندازه گيري كرد، چاره اي نبود جز اين كه زمين را كروي درنظر بگيرد. چون سايه در اسكندريه نسبت به خط عمود هفت درجه بود. محيط هردايره ۳۶۰درجه است براساس اندازه گيري اراتوستن ميان اسكندريه وآسوان ۷درجه فاصله بود. [واحد اندازه گيري درآن زمان به جاي متر «Stadium» بود] با سفر ميان دوشهر اسكندريه وآسوان معلوم شد كه فاصله آنها براساس واحد اندازه گيري Stadium، ۵۰۰۰ است. به اين ترتيب هفت درجه از ۳۶۰درجه ۵۰۰۰ استاديوم اندازه گيري شده بود پس محيط زمين براساس محاسبات اراتوستن ۲۵۰۰۰۰استاديوم بود.

۲ـ آزمايش گاليله درمورد سقوط اجسام رتبه دوم را به دست آورد.

در اواخر دهه ۱۵۰۰ميلادي گاليليو گاليله Galileo Galilei كه كرسي استادي دانشگاه پيزا را داشت دانش متعارف زمان خود را زير سؤال برد . با انداختن دو شيء از بالاي برج پيزا كه وزنشان برابر نبود نشان داد كه شيءسنگين تر زودتر از جسم سبك تر فرود نمي آيد. اگر اين كشف را در دوران ارسطو انجام داده بود به قيمت شغلش تمام مي شد.

 3-آزمايش گاليله با گوي هاي غلتان برروي سطح شيب دار رتبه هشتم را به دست آورد.

 دراين آزمايش گاليله ثابت كرد كه مسافت با زمان به توان دو نسبت مستقيم دارد وسرعت [Velocity كه با علامت اختصاري Vنمايش مي دهند] در جريان آزمايش ثابت باقي مي ماند.

 

4ـ انكسار نور با منشور توسط نيوتن رتبه چهارم را به دست آورد.

 ايساك نيوتن درسالي به دنيا آمد كه گاليله مرد. نيوتن فارغ التحصيل كالج تثليث كمبريج (سال ۱۶۶۵) بود. اين بار هم نيوتن دانش متعارف به جامانده از دوران ارسطو را زير سؤال برد. تلقي مردم از نور خورشيد مانند برداشت ارسطو بود ونور را خالص مي دانستند. با وجودي كه مردم رنگين كمان را ديده بودند. تا پيش از عبور نور از منشور وتجزيه آن به هفت رنگ حتي فكرش را نمي كردند نور متشكل از اين رنگها باشد.

۵ـ آزمايش كاونديش در مورد ميله و پيچش رتبه ششم را به دست آورد.

 از تئوريهايي كه نيوتن در مورد گرانش داده بود يكي اين بود كه نيروي جاذبه ميان دوجسم رابطه مستقيم با جرم به توان دو و رابطه معكوس با فاصله به توان دو دارد. در قرن هجدهم، هنري كاونديش براي اندازه گيري قدرت گرانش آزمايشي انجام داد او يك ميله چوبي دومتري كه به دوسر آن دوكره فلزي نصب شده بود انتخاب و با سيم اين ميله چوبي را آويزان كرد. با همين وسايل ساده كاونديش موفق به اندازه گيري ثابت گرانشي gravitational Constant شد. اين آزمايش زمينه اندازه گيري جرم زمين هم بود.

۶ـ آزمايش تداخل ـ نور يانگ مقام پنجم را به دست آورد.

همه تئوريهاي نيوتن درست از آب درنيامد. او مي گفت نور از ذرات تشكيل شده است و به صورت موج منتشر نمي شود. در سال۱۸۰۳ توماس يانگ، درصدد برآمد به اثبات برساند نحوه حركت پرتوهاي نور به صورت موج است. او در پنجره سوراخي ايجاد كرد، همه پنجره ها را به دقت با پوششي ضخيم پوشاند بعد از يك آيينه براي تغيير جهت پرتويي از نور كه از طريق اين سوراخ وارد مي شد، استفاده كرد با استفاده از يك كارت كه عرض آن يك ميليمتر بود جلوي نيمي از سوراخ را گرفت در نتيجه به توالي نوارهاي سايه و روشن مشاهده كرد، اين پديده در صورتي قابل توضيح است كه پرتوهاي نور مانند امواج در يكديگر تداخل ايجاد كنند. بعدها اين آزمايش را با دوسوراخ انجام دادند و نتيجه واضح تري به دست آمد.

۷ـ آزمايش پاندول فوكو رتبه دهم را به دست آورد.

دانشمندان سال پيش پاندولي را به قطب جنوب بردند و مهر صحت بر آزمايش زدند كه در سال۱۸۵۱ توسط ژان برنارد لئون فوكو با يك پاندول آهني ۳۰كيلوگرمي آويزان از گنبد پانتئون انجام شد. فوكو به گوي يك پاندول سوزن گرامافون وصل كرده بود و روي زمين زير گوي حلقه اي از شن هاي مرطوب قرار داد. در مقابل حيرت همه نشان داد كه با وجودي كه حركت پاندول به جلو و عقب هدايت شده بود اما پاندول حركتي دوار انجام داد. يعني در واقع كف پانتئون در حال گردش بود و يا به عبارت بهتر زمين در حال چرخيدن حول محور خود بود. در پاريس هر ۳۰ساعت پاندول در جهت عقربه هاي ساعت يك دور را كامل مي كند. در نيمكره جنوبي اين گردش در خلاف جهت عقربه هاي ساعت است. همانطور كه دانشمندان معاصر نشان داده اند در قطب جنوب دوره گردش كامل پاندول ۲۴ساعت است.

۸ـ آزمايش قطره روغن ميليكان رتبه سوم را به دست آورد.

 قرنها بود كه دانشمندان الكتريسيته را چه در مورد رعد و برق چه الكتريسته ساكن ناشي از تماس برس با موي سر مشاهده كرده بودند. در سال۱۸۹۷ تامسون فيزيكدان بريتانيايي پايه گذار اين دانش شد كه الكتريسيته از ذراتي به نام الكترون كه بار منفي دارند تشكيل شده است. رابرت ميليكان آمريكايي در سال۱۹۰۹ موفق به اندازه گيري بار منفي در الكترونها شد. براي اين كار از چندوسيله ساده استفاده كرد. با استفاده از افشانه هايي كه ادكلن را به صورت افشانه درمي آورند روغن را در يك محفظه شفافي افشاند كه دوطرف آن به دوسر يك باطري متصل بودند. به اين ترتيب يك سر محفظه مثبت و سرديگر آن منفي بود.
زماني كه نيروي گرانش با نيروي جاذبه الكتريكي كه قطرات روغن باردار را به سمت خود مي كشيد برابر مي شد قطره در ميان آسمان و زمين معلق مي ماند. در واقع در حالت عادي اين قطره به خاطر نيروي گرانش بايدپايين مي افتاد اما در اثر نيروي جاذبه الكتريكي در حال حركت به سمت قطب مخالف بود چون دونيرو برابر شدند اين قطره روغن از حركت بازايستاد. با همين وسايل ساده ميليكان موفق به اندازه گيري بار الكتريكي يك الكترون شد.

۹ـ آزمايش كشف هسته توسط رادرفورد مقام نهم را كسب كرد.

در سال۱۹۱۱ را در فورد و همكارانش با بمباران يك لايه بسيار نازك طلا با ذراتي به نام آلفا متوجه اين حقيقت شدند كه درصدي از اين ذرات منحرف و درصدي درست در جهت مقابل بازمي گردند به اين ترتيب رادرفورد موفق شد مدل قديمي آرايش هسته و الكترون را كه به «مدل كيك آلو» معروف بود به چالش بكشاند.

10ـ آزمايش ماكس پلانك و تئوري كوانتوم رتبه اول را كسب كرد.

 در مورد نور نه حق به جانب نيوتن بود ونه يانگ نه مي توان نور را فقط ذرات فوتون دانست و نه امواج. در اوايل قرن بيستم ماكس پلانك و بعد آلبرت انيشتين نشان دادند كه نور به صورت بسته هاي بسيار كوچكي منتشر و جذب مي شود كه به آن فوتون مي گويند. در عين حال آزمايشهاي ديگر هم موجي بودن حركت نور را به اثبات مي رسانند.
براي اثبات در اينجا به جاي آزمايش از سوراخ يانگ و پرتوهاي نور از پرتوهاي الكترون استفاده ميشود. ذرات، براساس قوانين كوانتومي، پديده اي شبيه به نور در آزمايش تداخل يانگ از خود برجاي مي گذارند اگرچه اين آزمايش در سال۱۹۶۱ توسط كلاوس جانسون از توبينگن انجام شد اما در اين سالها ديگر يافته هاي دانش به قدري زياد و گسترده شده بود كه ديگر نمي توانست نامهايي ابدي مثل نيوتن و انيشتين در اذهان مردم دنيا بيافريند.

 

     يك سوال فيزيك.

   توضيح دهيد كه چگونه ميتوان با استفاده از يك فشار سنج ارتفاع يك آسمان خراش را اندازه گرفت؟

   سوال بالا يكي از سوالات امتحان فيزيك در دانشگاه كپنهانگ بود.

   يكي از دانشجويان چنين پاسخ داد: به فشار سنج يك نخ بلند مي بنديم.سپس فشارسنج را از بالاي آسمان خراش طوري آويزان ميكنيم كه سرش به زمين بخورد.ارتفاع ساختمان مورد نظر برابر با طول نخ به اضافه طول فشارسنج خواهد بود.

   پاسخ بالا چنان مسخره به نظر مي آمد كه مصحح بدون تامل دانشجو را مردود اعلام كرد.ولي دانشجو اصرار داشت كه پاسخ او كاملا درست است و درخواست تجديد نظر در نمره خود كرد. يكي از اساتيد دانشگاه به عنوان قاضي تعيين شد و قرار شد كه تصميم نهايي را او بگيرد.

    نظر قاضي اين بود كه پاسخ دانشجو در واقع درست است.ولي نشانگر هيچ گونه دانشي نسبت به اصول علم فيزيك نيست.سپس تصميم گرفته شد كه دانشجو احضار شود و در طي فرصتي شش دقيقه اي پاسخي شفاهي ارائه دهد كه نشانگر حداقل آشنايي او با اصول علم فيزيك باشد.

   دانشجو در پنج دقيقه اول ساكت نشسته بود و فكر مي كرد.قاضي به او يادآوري كرد كه زمان تغيين شده در حال اتمام است.دانشجو گفت كه چندين روش به ذهنش رسيده است ولي نميتواند تصميم گيري كند كه كدام يك بهترين مي باشد.

   قاضي به او گفت كه عجله كند و دانشجو پاسخ داد:«روش اول اين است كه فشارسنج را از بالاي آسمان خراش رها كنيم و مدت زمانيكه طول ميكشد به زمين برسد را اندازه گيري كنيم.ارتفاع ساختمان را ميتوان با استفاده از اين مدت زمان و فرمولي كه روي كاغذ نوشته ام محاسبه كرد.»

   دانشجو بلافاصله افزود:«ولي من اين روش را پيشنهاد نميكنم.چون ممكن است فشارسنج خراب شود!»

    روش ديگر اين است كه اگر خورشيد مي تابد طول فشارسنج را اندازه بگيريم سپس طول سايهُ فشارسنج را اندازه بگيريم و آنگاه طول سايهُ ساختمان را اندازه بگيريم.با استفاده از نتايج و يك نسبت هندسي ساده مي توان ارتفاع ساختمان را اندازه گيري كرد.رابطهُاين روش را نيز روي كاغذ نوشته ام.

    ولي اگر بخواهيم با روشي علمي تر ارتفاع ساختمان را اندازه بگيريم ميتوانيم يك ريسمان كوتاه را به انتهاي فشارسنج ببنديم و آن را مانند آونگ ابتدا در سطح زمين و سپس در پشت بام آسمان خراش به نوسان درآوريم.سپس ارتفاع ساختمان را با استفاده از تفاضل نيروي گرانش دو سطح بدست آوريم.من رابطه هاي مربوط به اين روش را كه بسيار طولاني و پيچيده مي باشند در اين كاغذ نوشته ام.

   آها! يك روش ديگر كه چندان هم بد نيست:اگر آسمان خراش پتهُ اضطراري داشته باشد ميتوانيم با استفاده از فشار سنج سطح بيروني آن را علامت گذاري كرده و بالا برويم سپس با استفاده از تعداد نشان ها و طول فشارسنج ارتفاع ساختمان را بدست بياوريم.

   ولي اگر شما خيلي سرسختانه دوست داشته باشيد كه از خواص مخصوص فشارسنج براي اندازه گيري ارتفاع استفاده كنيد مي توانيد فشار هوا در بالاي ساختمان را اندازه گيري كنيد و سپس فشار هوا در سطح زمين را اندازه گيري كنيد سپس با استفاده از تفاضل فشارهاي حاصل ارتفاع ساختمان را بدست بياوريد.

   ولي بدون شك بهترين راه اين مي باشد كه در خانهُ سرايدار آسمان خراش را بزنيم و به او بگوييم كه اگر دوست دارد صاحب اين فشارسنج خوشگل بشود مي تواند ارتفاع آسمان خراش را به ما بگويد تا فشار سنج را به او بدهيم.

   دانشجويي كه داستان او را خوانديد « نيلز بور » فيزيكدان دانماركي بود.

 

چكیده

بایكونور بزرگترین و قدیمی ترین مركز پرتاب های فضایی درجهان است. این مركز فضایی شوروی سابق كه امروزه در قزاقستان واقع شده، شامل ده ها سكوی پرتاب، انبار، ساختمان مونتاژ، مركز كنترل و اماكن اقامتی است. مالك كنونی این مركز قزاقستان بوده و روسیهآن را تا سال 2050 اجاره كرده است. این مركز در ابتدا برای پرتاب وپشتیبانی موشك های قاره پیمای آر 7 شوروی برنامه ریزی شده بود. درحقیقت، عصر فضا از بایكونور آغاز شد و امروزه نیز یكی از فعال

ترین مراكز فضایی جهان است.

معرفی

بایكونور بزرگترین، قدیمی ترین و مجهزترین مركز فضایی جهان است. این مركز به لحاظ وسعت و امكانات بزرگترین پایگاه فضایی جهان به شمار میآ ید. این پایگاه به نوعی یكی از سمبل های قدرت شوروی سابق به حساب میآ مد و امروزه نیز اگر چه كنترل آن در دست روس هاست، بزرگترین شناسة كشور در حال توسعة قزاقستان است.

قزاق ها حتی در تبلیغات خود برای جذب گردشگران، بایكونور را اولین جاذبة گردشگری كشورشان معرفی می كنند.

بایكونور فعلا تنها پایگاه روسیه است كه از آن برای پرتاب های سرنشین دار استفاده می شود. توسعة این مركز از اواسط دهة 50 میلادی در راستای اهداف جاه طلبانة شوروی سابق برای تسخیر فضا آغاز شد.

محدوده بایكونور از شمال تا جنوب، 85 كیلومتر و از شرق تا غرب، 125 كیلومتر است.مركز آن در عرض جغرافیایی حدود 45 درجه و 60 دقیقه و طول جغرافیایی 63 درجه و 40 دقیقه واقع شده است و مساحتش به تنهایی با نیمی از مساحت كشور بلژیك برابری می كند.

میتوان ادعا كرد بزرگترینِ مراكز فضایی جهان، حتی یك چهارم بایكونور امكانات و تجهیزات ندارند. امكانات و تجهیزات پایگاه بایكونور به مرور در طی چندین دهه رشدكرده و هنوز هم در حال توسعه است.

این مركز فضایی شامل ده ها سكوی پرتاب، ده ها سكو و امكانات آزمایش های زمینی، ده ها انبار نگهداری قطعات، انواع سامانه ها، چندین كارخانة تولید پیشران (سوخت و اكسیدكننده مایع یا جامد)، چندین مركز كنترل زمینی، شبكة گسترده ریلی و جاده ا ی، دو فرودگاه، شبكة توزیع برق، مراكز مسكونی و اقامتی، مراكز فرهنگی، آموزشی، ورزشی و تفریحی و مراكز ردیابی و ارتباط فضایی است. شكل 1 نقشها ی از این مركز را كه در اواخر دهه 70 تهیه شده است، نشان می دهد.

نزدیكترین شهر به مركز فضایی بایكونور، تیوراتام 1، درست در جنوب مركز واقع شده است. به همین دلیل آمریكای ها اغلب پایگاه بایكونور را با عنوان تیوراتام می خوانند. در مجاورت تیوراتام، شهر دیگری نام لنینسك 2 وجود دارد كه همزمان با مركز فضایی بایكونور به وجود آمده و توسعه یافته است. این شهر، وجهة علمی- فرهنگی بسیار قویا ی دارد كه بیشتر جمعیت آن را مهندسان و افراد مربوط به، مركز فضایی بایكونور تشكیل می دهند. در سال 1995 بوریس یلتسین 3رئیس جمهور وقت روسیه، نام این شهر را رسماً از لنینسك به بایكونورتغییر داد (شكل 2). باید توجه داشت كه شهر بایكونور اصلی، در حدود320 كیلومتری شمال شرقی مركز بایكونور واقع شده و هیچ ارتباطی با خود مركز ندارد؛ جز اینكه هیات حاكمة شوروی در بدو تأسیس مركز بایكونور، به خاطر مسایل امنیتی و انحراف اذهان، نام این شهر كوچكرا برای این پایگاه پرتاب موشكی برگزید.

در سال های جنگ سرد، شوروی هیچ گونه اطلاعاتی از بایكونور منتشر نمی كرد. آمریكایی ها همواره در جستجوی شناخت فعالیت های این مركز بودند و بیشتر اطلاعات خود را از طریق عكسبرداری های 4 به دست می آ وردند. حتی در ماهوارها ی یا هواپیماهای جاسوسی یو 2جریان برنامة ازمایشی آپولو- سایوز (اِیا ست یپ ی 5) وقتی كه چند فضانورد

آمریكایی به بایكونور رفتند،شب هنگام و در مناطق بسیار قدیمی مركز و شهر تیوراتام به گردش برده شدند تا نتوانند مطالب زیادی برداشت كنند. در سال 1988 برای اولین بار رسانه های غربی اجازه یافتند از یكی از ساختمان های كنترل و ردیابی ماهواره های شوروی گزارش تهیه كنند. هنوز هم بایكونور یكی از مراكز سرّی روسیه و قزاقستان به حساب میآ ید. پس از فروپاشی شوروی سابق، روسیه این مركز را از دولت قزاقستان اجاره كرد و آژانس فضایی این كشور مدیریت آن را بر عهده گرفت (شكل 3). اجاره این مركز در سال 2005 ، به مبلغ سالیانه115 میلیون دلار تا سال 2050 تمدید شده است.

طراح و موسس بایكونور، سرگی كارالیوف 6، مدیر ارشد و سرطراح برنامه های فضایی شوروی بود. امروزه بخش هایی از این مركز به نام وی و برخی بزرگان صنعت فضایی شوروی سابق نام گذاری شده است.

البته قابل ذكر است كه مركز فضایی بایكونور در طول چند دهه فعالیت، به خصوص در دهه های اول، شاهد چندین فاجعه مانند انفجار پرتابگر بر روی سكو، انفجار مخازن پیشران و غیره بوده كه جان صدها نفر را گرفته است. كلیه این فجایع، سال ها بعد فاش شدند و یا اینكه با تصویربرداری هوایی یا فضایی و گزارش آمریكایی ها لو رفتند. هیات حاكمة شوروی سابق هرگز تمایلی به انتشار چنین اخباری نداشته است.

سالیانه حدود 25 تا 50 پرتاب فضایی از این مركز فضایی صورت می گیرد. مركز فضایی بایكونور، بخش عمدها ی از تاریخ علم و فناوری بشر محسوب می شود. پرتاب اولین ماهواره، سفر اولین انسان به فضا، سفر اولین زن به فضا، اولین كاوش های ماه، سفر اولین گروه از انسان ها به فضا و صدها ركورد تاریخی دیگر در این مكان ثبت شده است. امروزه بسیاری از نمادها و وسایل مربوط به این رویدادهای مهم فضایی نظیر اولین موشك آر 7، اسپوتنیك 1، اولین حیوان در فضا، پرواز گاگارین،پرواز ترشكوا، اولین راهپیمایی فضایی و ... میراث های تاریخی و دست نخوردها یا ست كه در بایكونور به یادگار مانده و حفظ و نگهداریمی شوند.

روسیه در نظر دارد تا رفته رفته، بیشتر فعالیت های فضایی خود را از بایكونور به پایگاه فضایی پلستسك 7 در كشور خودش منتقل كند.

تاریخچه و روند توسعه

توسعة آنچه كه امروزه مركز فضایی بایكونور شناخته می شود، از 2 ژوئن 1955 آغاز شد. شوروی برای پرتاب موشك های قاره پیمای آر 7 خود نیاز به پایگاه پرتابی داشت كه به قدر كافی از دید سامانه های جاسوسی ایالات متحده كه در تركیه مستقر بودند، دور باشد. كارالیوف كه مدیر برنامة موشك های آر 7 بود، منطقها ی در شرق دریاچة آرال و شمال شهر تیوراتام را برای این كار تعیین كرد. ظرف دو سال اولین سكوها و امكانات این مركز تكمیل و آماده بهره برداری شد. ایجاد

مسیرهای ریلی و جادها ی برای ارتباط كارآمد با تمام نقاط شوروی، مهم ترین زیرساخت مورد توجه برنامه ریزان شوروی قرار گرفت.در 5 مه1957 ، اولین موشك آر 7 آماده پرتاب،روی سكو قرارگرفت.

بهره برداری موفقیتآ میز از پایگاه نظامی- موشكی بایكونور، طراحان و برنامه ریزان شوروی را به فكر توسعة این مركز و اجرای یك پروژه عظیم ملی انداخت.با نگاه كردن به سمت شمال از شهر لنینسك، این پایگاه در گذشتهبه سه قسمت تقسیم می شد: پهلوی چپ، پهلوی راست و قسمت مركزی پهلوی چپ در 70 كیلومتری شمال غرب لنینسك قرار دارد. اززمانی كه این بخش به پایگاه های پرتاب، ساختمان ها و اماكن مسكونی برای دفاتر طراحی مجهز شد، با نام چلومی 8 (یكی از بزرگان صنعت فضایی شوروی سابق) نیز شناخته می شود. این قسمت شامل سكوهای 9 و پرتابگرهای پروتون 10 و نیز پرتاب برای موشك های سایكلون 2 مناطق مسكونی برای 10000 نفر است. تعدادی از مدول های ایستگاه فضایی بینا لمللی از سكوهای پرتاب این ناحیه با پرتابگر پروتون به فضا پرتاب شده است.

قسمت مركزی یا ناحیه كارالیوف كه در 30 كیلومتری شمال لنینسك قرار دارد، شامل امكانات مورد نیاز برای پروژه های دفتر 11 كارالیوف بود. شروع فعالیت این قسمت با پرتاب طراحی اوكیب ی 1 موشك های آر 7 و آر 9 بود. این قسمت در دهه های 60 و 70 میلادی توسعة بسیار زیادی داده شد. سكوی پرتاب گاگارین (اولین سكوی پرتاب ساخته شده در پایگاه)، تجهیزات پرتاب آزمایشی سایوز 12 ،محلّ 13 (كه بعدها برای استفاده در برنامة انرگیا- آزمایش امكانات پروژ? اِن 1

بوران 14 ، تغییراتی در آنها داده شد)، هتل، محل اسكان مهمان ها، موزه و خانه های گاگارین و كارولیف كه موزه شدها ند، این قسمت از مركز راتشكیل می دهند.

پهلوی راست یا قسمت یانگل 15 كه در 50 كیلومتری لنینسك واقع شده است، تجهیزات و امكانات مورد نیاز تولیدات دفتر طراحی یانگل را در بر می گیرد، سكوهای پرتاب سایوز، زنیت 16 ، سایكلون 17 و دنپر 18 نیز در این قسمت واقعا ند. یك سكوی پرتاب آر 7 نیز در این قسمت قرار داشت كه سكوی پشتیبان برای پرتاب های دارای سرنشین یا بین سیارها ی بود.

مطابق آمارهای رسمی اوایل دهه 90 میلادی، بایكونور دارای 11 ساختمان مونتاژ و 9 مجتمع پرتابِ 51 سكویی بوده است. مساحت این مركز، 75 در 90 كیلومتر، یعنی حدود 6717 مترمربع است.

برخی ویژگی ها و آینده بایكونور

دمای هوا در منطقة بایكونور، در زمستان به 40 - درجه می رسد و در تابستان تا 50 + درجة سانتیگراد بالا می رود، طوفان های برف و شن نیز در بایكونور اتفاق می افتد و پوشش گیاهی منطقه هم بسیار محدود است. البته بیش از 300 روز آفتابی كامل در سال، یكی از مزایای این منطقه است. روس ها اكثر پرتابگرهای خود را طوری طراحی می كنند كه در

حالت افقی مونتاژ شوند، تا بتوان آنها را داخل سوله مونتاژ كرد و عملیات پرتاب آنها كمترین زمان ممكن را ببرد. همیشه نیز در حالت افقی از سولة مونتاژ به سكوی پرتاب منتقل می شوند تا كمتر در معرض ذرات شن معلق در هوا قرار گیرند. فرانسوی ها در سال 1982 ، با شگفتی گزارش كردند كه روس ها تنها ظرف مدت یك ساعت، پرتابگر 310 تنی سایوز تی 6 (كه پروژه مشترک فرانسه و شوروی بود) را از محل مونتاژ به سكو منتقل كرده به حالت عمودی درآوردند. معمولاً در بایكونور، برای تزریق پیشران و بازرسی های نهایی نیز فقط 1 الی 2 روز زمان صرف می شود.

شاید بتوان تنها نقطة ضعف بایكونور را در پرتاب محموله به مدار زمینث ابت دانست. پرتابگرها یا محموله هایی كه از بایكونور به مقصد مدار زمینث ابت یا انتقالی زمینث ابت پرتاب می شوند، به دلیل آنكه محل پرتاب در عرض جغرافیایی بالایی قرار گرفته است، مجبورند پیشران بیشتری برای تغییر در زاویة میل خود مصرف كنند، این امر موجب كاهش وزن مفید محمولة آنها یا كم شدن پیشران آنها (و در نتیجه كاهش عمر) می شود. به همین دلیل است كه روس ها بیشتر مایل به استفاده از مدار قطبی مولنیا 19 ، به جای استفاده از مدار زمین ثابت ا ند. در این مركز، پرتابگرها همیشه به سمت شمال شرق پرتاب می شوند تا از سرعت دورانی زمین استفاده كنند. پس از حادثه شاتل كلمبیا در سال 2003 و در وقفة موقتی پرتاب شاتل به سمت ایستگاه فضایی بین المللی، پایگاه فضایی بایكونور روزهای بسیار پركاری را تجربه كرد و به خوبی توانست به پروژه ایستگاه فضایی خدمت كند.

در سال های اخیر روسیه بر آن شده تا در آینده نزدیك فعالیت های نظامی- فضایی خود را از بایكونور به پلستسك و سایر پایگاه های فضایی داخل خاک خود منتقل كند. آناتولی پرمینوف 20 ، رییس سازمان فضایی روسیه (روسآ ویا كاسموس 21 )، در اواسط سال 2006 اعلام كرد كه كلیة پرسنل نظامی روسیه تا اواخر سال 2007 بایكونور را به مقصد پلستسك ترک خواهند كرد. این روند از سال 1999 آغاز شده و با بروز اختلافاتی میان روسیه و قزاقستان بر سر میزان اجاره پایگاه، شدت گرفته است. البته این به معنی پایان همكاری دو كشور در این زمینه  نیست. برای مثال میتوان به قرارداد مابین روسیه و قزاقستان برای برنامة مشترک بایترک كه در 24 دسامبر 2004 بسته شد، اشاره كرد. در این برنامه هر كشور نیمی از سهام ساخت مجتمعی را به منظور فراهم آوردن تسهیلات برای پرتابگر آنگارا در پایگاه فضایی بایكونور را در اختیار گرفتند. این مجتمع تا سال 2009 تكمیل می شود. به نظر می رسد نقش بایكونور در رشد و توسعة دانش و فناوری و اقتصاد جهانی اگر بیشتر نشود، كمتر نخواهد شد. بخش بزرگی از مركزی كه بیش از نیم قرن پیش برای پرتاب موشك های هستها یپایه ریزی شد، امروزه در خدمت صلح و تعالی بشر قرارگرفته و در آینده بسیار نزدیك نیز به طور كامل از فعالیت های نظامی پاک خواهد شد.

مقدمه

اگر به موج صوتی حاصل از یک گروه ارکستر گوش دهیم، ملاحظه می‌‌کنیم ما قادر هستیم نت‌های مربوط به تک تک سازها را از هم تشخیص دهیم. عین همین مسئله در مورد امواج رادیویی نیز برقرار است. امواج رادیویی با فرکانسهای گوناگون از آنتن رادیو عبور می‌‌کنند. جریانهای الکتریکی ناشی از برهم نهش تمام این امواج پیچیده است، اما با این وجود ، ما می‌‌توانیم رادیو را روی ایستگاه بخصوصی تنظیم کنیم. لذا علامتی که از این ایستگاه به ما می‌‌رسد، در واقع مانند علامتی است که اگر همه ایستگاههای دیگر پخش برنامه خود را متوقف می‌‌کردند، دریافت می‌‌کردیم.

شرایط برقراری اصل برهم نهش

در مورد موج در محیطهای تغییر شکل پذیر (امواج در محیطهای تغییر شکل پذیر یا کشسان را موج مکانیکی گویند.) اصل برهم نهش زمانی صادق است که رابطه ریاضی بین تغییر شکل و نیروی بازگرداننده به صورت یک تناسب ساده باشد. چنین رابطه‌ای از نظر ریاضی با یک معادله خطی بیان می‌‌شود. در مورد امواج الکترومغناطیسی نیز اصل برهم نهش صدق می‌‌کند. چون روابط ریاضی بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی خطی هستند.

در چه شرایطی اصل برهم نهش برقرار نیست؟

اصل برهم نهش خیلی بدیهی به نظر می‌‌رسد، با وجود این همواره این اصل برقرار نیست. زمانی که معادلات حاکم بر حرکت موج ، خطی نباشند، اصل برهم نهش دیگر برقرار نیست. هنگامی ‌که آشفتگی موجی نسبتا بزرگ باشند و قوانین خطی حاکم بر عمل مکانیکی دیگر معتبر نباشند، معادلات حاکم بر حرکت موج خطی نخواهند بود.

به عنوان مثال ، در خارج از حد کشسانی ، قانون هوک دیگر برقرار نیست.

در مورد صوت ، انفجارهای شدید ، امواج ضربه‌ای ایجاد می‌‌کنند. اگر چه امواج ضربه‌ای امواج کشسان طولی در هوا هستند، ولی رفتار آنها غیر از رفتار امواج صوتی معمولی است. معادله حاکم بر انتشار آنها از درجه دوم است و لذا اصل برهم نهش در مورد آنها نیز صادق نخواهد بود.

اهمیت اصل برهم نهش

اهمیت اصل برهم نهش از نظر فیزیکی در آن است که هر جا که این اصل صادق باشد، این امکان را به ما می‌‌دهد که یک حرکت موجی پیچیده را به صورت ترکیبی از امواج ساده تحلیل کنیم. در واقع ، همانگونه که فوریه (J . Fourier) ، ریاضیدان فرانسوی ، نشان داد، تمامی ‌آنچه برای ساختن عمومی‌‌ترین شکل موج متناوب یا دوره‌ای نیازمندیم، همان موجهای هماهنگ ساده هستند.

فوریه نشان داد که هر حرکت تناوبی ذره را می‌‌توان به صورت ترکیبی از حرکتهای هماهنگ ساده بیان نمود. به عنوان مثال ، اگر حرکت یک چشمه موجی با دوره تناوب T را با (y(t نشان دهیم، می‌‌توان آن را به صورت زیر تجزیه نمود:



در عبارت فوق ω = 2π/T فرکانس زاویه‌ای است و A ها و B ها مقادیر ثابت معین هستند. عبارت فوق را سری فوریه می‌‌گویند.

پاشندگی

هرگاه کشسانی محیط چنان باشد که (در مورد موج مکانیکی) از قانون هوک دقیقا پیروی نکند، در این صورت تپ ایجاد شده در انتهای یک ریسمان کشیده ، ممکن است در موقع حرکت در طول ریسمان تغییر شکل دهد. هرچند هر یک از مؤلفه‌های هماهنگ موج بدون تغییر شکل حرکت می‌‌کنند، اما در این مورد سرعت هر مؤلفه به ازای هر طول موج یا فرکانسی متفاوت است. این پدیده را پاشندگی و محیط را برای موج مورد نظر پاشنده می‌‌گویند.

تضعیف موج

تپ موجی ، ممکن است به طریق دیگری نیز تغییر شکل بدهد و آن از دست دادن انرژی مکانیکی است که ممکن است ناشی از علل مختلف مانند مقاومت هوا ، وشکسانی ، یا اصطکاک درونی باشد. در این حالت با گذشت زمان ، دامنه موج کاهش می‌‌یابد و لذا موج را موج تضعیف شده می‌‌گویند.

اطلاعات اولیه

دو سیم کوچک را به تیغه مرتعش طوری محکم می‌‌کنیم که وقتی در فاصله‌ای از سطح آب به تیغه فشار می‌‌آوریم، هر دو بطور هم زمان به سطح آب بخورند. در این صورت دو موج دایره‌ای با طول موج یکسان بدست می‌‌آید که از دو مرکز منتشر می‌‌شوند و در تشتک آب باهم ترکیب می‌‌شوند. ناحیه‌هایی در روی سطح آب بوجود می‌‌آید که در آن ارتعاشها قوی هستند و در نواحی دیگر ارتعاشها از بین می‌‌روند. چنین نواحی متناوب را نقش تداخلی گفته و پدیده برهمنهی امواج را که منجر به چنین نقشی می‌‌شود، تداخل می‌‌گویند.

تشریح تداخل با استفاده از روابط ریاضی

دو موج با دامنه و فرکانس یکسان در نظر بگیرید که هر دو با سرعت یکسان در جهت مثبت محور xها حرکت می‌‌کنند و بین آنها اختلاف فازی به اندازه Ф وجود دارد. معادلات این دو موج را می‌‌توان بصورت زیر نوشت:




در روابط فوق k عدد موج ، ω فرکانس زاویه‌ای ، y_m دامنه و Ф اختلاف فاز بین دو موج است. حال اگر این دو موج باهم ترکیب شوند، موج برآیند با فرض برقرار بودن اصل برهمنهش به صورت زیر خواهد بود:



این موج برآیند ، موج جدیدی است که همان فرکانس دو موج اولیه را دارد، ولی دامنه‌اش برابر:



است.

تداخل سازنده و ویرانگر

اگر Ф یعنی اختلاف فاز بین دو موج اولیه ، صفر باشد، در این صورت دو موج در همه جا همفاز هستند، یعنی بالاترین و پائین‌ترین نقاط دو موج بر هم منطبق هستند. در این حالت اصطلاحا گفته می‌‌شود که امواج بطور سازنده باهم تداخل کرده‌اند. در این حالت دامنه موج برآیند بیشترین مقدار ، یعنی دو برابر دامنه هر یک از امواج اولیه به تنهایی است. از طرف دیگر ، اگر Ф = 0 باشد، در این صورت دامنه موج برآیند صفر خواهد بود. در این حالت بالاترین نقطه یک موج دقیقا بر پائین‌ترین نقطه موج دیگر منطبق می‌‌شود و اصطلاحا گفته می‌‌شود که تداخل ویرانگر اتفاق افتاده است.

شرط ایجاد تداخل پایدار

اگر بطور اختیاری فاز یکی از چشمه‌ها را تغییر دهیم، در این صورت در هر نقطه دو ارتعاش به تناوب یکسان و متفاوت می‌‌شوند و محل ماکزیممها (نقاط تداخل سازنده) ثابت نمی‌‌ماند. همچنین اگر دوره تناوب دو موج مختلف باشد، در هر نقطه سطح تقویت ارتعاشها به تضعیف تبدیل و سپس ارتعاشها دوباره تقویت می‌‌شوند و همین طور تا آخر ادامه پیدا می‌‌کند. هر قدر اختلاف دوره تناوب بیشتر و یا آهنگ تغییر فاز یکی از ارتعاشها زیادتر باشد، ماکزیممها محلشان را سریعتر تغییر می‌‌دهند.

وقتی از نقش تداخلی صحبت می‌‌کنیم، منظور نقشی یک در میان از ماکزیممها و مینیممهای پایدار و مستقل از زمان است. این نقش پایدار فقط وقتی ظاهر می‌‌شود که امواج بر هم نهاده شده ، دارای دوره تناوب یکسان بوده و در هر نقطه ثابت اختلاف ثابت باشد. این قبیل امواج را امواج همدوس می‌‌گویند. در نتیجه تداخل پایدار فقط به شرطی مشاهده می‌‌شود که امواج همدوس باشند.

شرایط عملی تداخل

در عمل اثرهای تداخلی از قطار موجهایی حاصل می‌‌شوند که از یک چشمه (یا از چشمه‌هایی که بین فازهای آنها رابطه ثابتی وجود دارد) بیرون می‌‌آیند، ولی تا نقطه تداخل ، مسیرهای متفاوتی را می‌‌پیمایند. اختلاف فاز Ф بین امواجی را که به یک نقطه می‌‌رسند، می‌‌توان با تعیین اختلاف مسیرهایی که این موجها از چشمه تا نقطه تداخل می‌‌پیمایند، محاسبه کرد. هرگاه اختلاف مسیر مضرب درستی از طول موج (به صورت nλ که n عدد طبیعی است) باشد، دو موج بطور سازنده باهم تداخل می‌‌کنند، ولی اگر اختلاف مسیر مضرب کسری از طول موج λ باشد (مثل {λ/2 ، λ/3 و غیره)، در این صورت امواج بطور ویرانگر با هم تداخل می‌‌کنند.

به بیان دیگر ، می‌‌توان گفت که ماکزیممهای نقش تداخلی ایجاد شده توسط دو چشمه‌ای که بطور همفاز ارتعاش می‌‌کنند، در نقاطی مشاهده می‌‌شوند که اختلاف راه برابر با مقدار صحیحی از طول موج (یا به عبارت دیگر مقدار زوجی از نصف طول موج) باشد و مینیممها در نقاطی قرار می‌‌گیرند که در آنها اختلاف راه برابر مقدار فردی از نصف طول موج باشد. اگر دو موج ناهمدوس بر هم‌ نهاده شوند، شدت‌ها فقط به هم افزوده می‌‌شوند، بطوری که افزوده شدن موج دوم در هر نقطه منجر به افزایش شدت موج به مقداری برابر با شدت موج دوم می‌‌شود. بنابراین ماکزیمم یا مینیممی مشاهده نمی‌‌شود.

تداخل امواج صوتی

پدیده تداخل نیز ، مانند پراش ، در هر پدیده موجی ، بدون توجه به طبیعت امواج ، مشاهده می‌‌شود. قواعد مربوط به امواج صوتی نیز به همان صورتی است که قبلا اشاره شد. فرض کنید دو دیاپازون یکسان که صدای آنها همنوا است، روی یک تخته که بتواند حول یک محوری بچرخد، محکم شده است. اگر دیاپازونها به ارتعاش در آیند (مثلا با آرشه ویولن) و تخته به آرامی گردانده شود، نواحی صدای تقویت شده و تضعیف شده نسبت به ناظر حرکت خواهند کرد و ناظر متناوبا صدای بلند و صدای بسیار ضعیف خواهند شنید.

البته این مسئله را در زندگی روزمره خود بارها مشاهده می‌‌کنیم. به عنوان مثال ، اگر ظهر بلندگوهای یک مسجد در حال پخش اذان باشند و ما در طول یک مسیر پیاده راه برویم، ملاحظه می‌‌کنیم که در بعضی از نقاط صدا را به وضوح می‌‌شنویم، ولی در بعضی از نقاط ، صدای ضعیفی شنیده می‌‌شود.

تداخل امواج نوری

آزمایشهای بسیاری برای نشان دادن تداخل در مورد امواج نوری انجام شده است که از جمله می‌‌توان به آزمایش دو شکاف یانگ اشاره کرد. به عنوان مثال ، فرض کنید که از یک چشمه نوری ، امواج نورانی بر روی صفحه‌ای که دو سوراخ سیاه بسیار کوچک روی آن قرار دارد که اندازه آنها قابل مقایسه با طول موج چشمه نور است، می‌تابد. در این صورت پرتوهای نوری بعد از خروج از دو شکاف با هم تداخل می‌‌کنند. اگر در فاصله معینی از صفحه ، یک پرده قرار دهیم، نقشهای تداخلی به صورت نقاط تاریک و روشن در روی پرده ظاهر می‌‌شوند. نقاط روشن ، نشان دهنده تداخل سازنده هستند و نقاط تاریک ، تداخل ویرانگر را نشان می‌‌دهند.

اطلاعات اولیه

اگر در سلول دانیل ، محلولهای 1M از ZnSO₄ و 1M از CuSO₄ بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان می‌دهیم:

(Zn(s)|Zn²⁺(1M)|Cu²⁺(1M)|Cu(s

که در ان ، خطوط کوتاه عمودی ، حدود فازها را نشان می‌دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد می‌کنیم، میان آنها قرار می‌دهیم.

جریان الکتریکی تولید شده در یک سلول ولتایی ، نتیجه نیروی محرکه الکتریکی (emf) سلول است که بر حسب ولت اندازه گیری می‌شود. هرچه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد، نیروی محرکه الکتریکی آن بیشتر خواهد بود. اما emf یک سلول معین ، به دما و غلظت موادی که در آن بکار رفته است، نیز بستگی دارد.

emf استاندارد

ْε یا emf استاندارد ، مربوط به نیروی محرکه سلولی است. که در آن ، تمام واکنش‌دهنده‌ها و محصولات واکنش ، در حالت استاندارد خود باشند. مقادیر ْε معمولا برای اندازه گیری‌هایی که در آن 25 درجه سانتی‌گراد به عمل آمده، معین شده است. البته حالت استاندارد یک جامد یا یک مایع ، خود آن جامد خالص یا مایع خالص است. حالت استاندارد یک گاز یا یک ماده خالص در یک محلول ، حالتی است که دارای فعالیت واحد ایده‌آل باشد. اما این حالت ایده‌آل ، به‌علت جاذبه‌های بین مولکولی و بین یونی ، عملا قابل حصول نیست. به همین علت ، تصحیحات لازم برای انحراف از حالت ایده آل بایستی به عمل آید.

در این بحث فرض می‌کنیم که بتوانیم فعالیت یونها را با غلظت مولی آنها و فعالیت گازها را با فشار آنها برحسب اتمسفر نشان دهیم. از این رو ، با درنظر گرفتن این تقریب ، یک سلول استاندارد شامل یونهای با غلظت 1M و گازهایی ( اگر وجود داشته باشند ) با فشار 1atm خواهد بود.

 

اندازه‌گیری emf

هرگاه بخواهیم emf یک سلول را به‌عنوان میزان قابل اطمینانی برای تمایل وقوع واکنش آن سلول بکار بگیریم، ولتاژ سلول باید بیشترین مقداری باشد که بتوان از آن سلول بدست آورد. اگر به هنگام اندازه‌گیری ، مقدار محسوسی از الکتریسیته جریان پیدا کند، ولتاژ اندازه گیری شده ، ε ، به‌علت مقاومت درون سلول کاهش خواهد یافت. علاوه بر این ، وقتی که سلول جریان تولید می‌کند، واکنشهای الکترودی موجب تغییر غلظت و در نتیجه کاهش ولتاژ می‌شود.

بنابراین ، emf یک سلول باید به طریقی اندازه‌گیری شود که الکتریسیته محسوسی در سلول جاری نشود. این کار با استفاده از پتانسیل‌سنج صورت می‌گیرد. مدار پتانسیل سنج شامل منبع جریانی با ولتاژ تغییر پذیر و وسیله ای برای اندازه‌گیری این ولتاژ است. سلول مورد مطالعه به نحوی که به مدار پتانسیل سنج متصل می‌شود که emf آن با emf منبع جریان پتانسیل سنج مقابله کند.

emf برگشت پذیر

اگر emf سلول ، بیشتر از emf پتانسیل سنج باشد، الکترونها در جهت عادی ، یعنی در جهت عادی ، یعنی در جهت تخلیه خودبخودی این نوع سلول ، جریان پیدا می‌کنند. از طرف دیگر ، اگر emf منبع جریان پتانسیل سنج بیش از emf سلول باشد، الکترونها در جهت مخالف جریان پیدا می‌کنند و این موجب می‌شود که واکنش سلول در جهت عکس صورت گیرد. هرگاه این دو نیروی محرکه الکتریکی ، دقیقا با یکدیگر برابر باشند، الکترونها جریان پیدا نمی‌کنند. این ولتاژ ، emf برگشت پذیر سلول می‌باشد. emf یک سلول دانیل استاندارد برابر با 1,10 V است.

محاسبه emf

قوانین فارادی درباره واکنشهای سلولهای ولتایی و همچنین سلولهای الکترولیتی بکار می‌آید. اما باید به این نکته توجه داشت که الکتریسیته بوسیله نیم واکنشهای اکسایش و کاهش که همزمان در کاتد و آند صورت می‌گیرند، تولید می‌شود و سلول در صورتی جریان تولید می‌کند که هر دو نیم واکنش صورت گیرند.

بنابراین ، از اکسایش 1mol فلز روی ، هنگامی دو فارادی الکتریسیته تولید می‌شود که همراه با آن ، 1mol یون ²⁺Cu در کاتد کاهش یابد. معادلات جزئی:

 

 

وقتی که برحسب مول بیان می‌شوند، نمایانگر به جریان افتادن 2N الکترون (N عدد آووگادرو است) یا تولید 2F الکتریسیته است. در یک سلول ، مقدار انرژی الکتریکی تولید شده ، برحسب ژول برابر با حاصلضرب مقدار الکتریسیته حاصل ، برحسب کولن ، در emf سلول ، برحسب ولت است. بنابراین انرژی الکتریکی تولید شده از واکنش 1mol یونهای مس II را می‌توان به‌صورت زیر حساب کرد:

96500C *2 (1,10V)=212000J = 212 KJ

یک ولت کولن یک ژول است.
Emf بکار رفته در این محاسبه ، emf برگشت پذیر ( ْε ) سلول دانیل استاندارد و از این رو ، ماکسیمم ولتاژ این سلول است. پس ، مقدار انرژی محاسبه شده (212KJ) ماکسیمم کاری است که از عملکرد این نوع سلول بدست می‌آید. بیشترین کار خالصی که می‌توان از یک واکنش شیمیایی که در فشار و دمای ثابت انجام می‌گیرد، بدست آورد، میزانی از کاهش انرژی آزاد گیبس این سیستم است. برای سلول دانیل استاندارد ، G∆ برابر -212KJ است. از این رو:

G=-nFε∆

که در آن ، n تعداد مولهای الکترون منتقل شده در واکنش (یا تعداد فارادیهای تولید شده) ، F مقدار فارادی برحسب واحدهای مناسب و ε نیروی محرکه الکتریکی برحسب ولت است. اگر F را به صورت 96485C بیان کنیم، G∆ برحسب ژول بدست می‌آید. تغییر انرژی آزادی که از emf استاندارد ، ْε حاصل می‌شود، با نماد ْG∆ مشخص می‌شود. تغییر انرژی آزاد یک واکنش ، میزان تمایل وقوع آن واکنش را نشان می‌دهد.

اگر برای ایجاد تغییبری در یک سیستم لازم باشد که بر سیستم انجام شود، آن تغییر خود بخود نخواهد بود. یک تغییر خودبخود ، در فشار و دمای ثابت ، آن گونه تغییری است که بتوانیم از آن ، کار خالص بدست آوریم. پس برای هر واکنش خودبخود ، انرژی سیستم کاهش می‌یابد، یعنی G∆ منفی است. چون G=-nFε∆ است، فقط وقتی که ε مثبت باشد، واکنش سلول خودبخود خواهد بود و سلول می‌تواند به عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار آید.

مقدمه

واژه شار به معنی جریان یا سیال می‌‌باشد و هرگاه در مقابل جریان یک کمیت سطحی قرار داده شود، مقدار جریان گذرنده از سطح را شار آن کمیت یا جریان می‌‌گویند. مثلا در مورد میدان الکتریکی خطوط میدان که از سطح عمود بر مسیر خطوط عبور می‌‌کنند را شار الکتریکی و در مورد جریان آب ، مقدار آبی را که از داخل سطح عبور می‌‌کند، شار آب می‌‌گویند و به همین صورت در مورد هر ماده سیال و جاری شونده‌ای می‌‌توان شار مربوطه به آن را تعریف کرد.

میدان مغناطیسی نیز از این قاعده مستثنی نمی‌‌باشد. چون میدان مغناطیسی را به وسیله خطوط میدان نشان می‌‌دهیم، بطوری که چگالی خطوط بیانگر مقیاسی از قدرت میدان است، لذا می‌‌توان در مورد میدان مغناطیسی نیز سطحی در محل میدان در نظر گرفت و خطوط میدان گذرنده از آن را به عنوان شار مغناطیسی تعریف کرد.

محاسبه شار مغناطیسی

سطح تختی به مساحت A را در نظر بگیرید که به وسیله یک حلقه رسانا احاطه شده است. حال اگر با نزدیک کردن یک آهنربا (یا هر وسیله دیگری که یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌‌کند)، به این حلقه می‌‌توان در این حلقه نیروی محرکه القایی و جریان القایی ایجاد نمود. ایجاد جریان القایی یا نیروی محرکه القایی با استفاده از قانون القای فاراده قابل توجیه است، یعنی با نزدیک کردن یا دور کردن آهنربا به حلقه تعداد خطوط میدان مغناطیسی که از سطح حلقه می‌‌گذرند، تغییر می‌‌کند.

اگر چنانچه میدان مغناطیسی را با B و سطح حلقه را با A نشان دهیم، در این صورت مقدار شار مغناطیسی از رابطه محاسبه شده و بر اساس قانون القای فاراده چون نیروی محرکه القایی از تغییر شار مغناطیسی حاصل می‌‌شود، لذا اگر ε بیانگر نیروی محرکه القایی باشد، در این صورت خواهد بود.

کوانتش شار مغناطیسی

همانگونه که بار الکتریکی یک کمیت کوانتیده است و به صورت مضربهای درستی از بار الکترون () وجود دارد، شار مغناطیسی گذرنده از یک حلقه ابر رسانا نیز چنین است. خاصیت ابر رسانایی ، حالتی است که در آن مقاومت الکتریکی ماده به صفر تنزل پیدا می‌‌کند. کوانتوم شار مغناطیسی h/2e (که h ثابت پلانک است) و برابر است. این مقدار بسیار کم شار و حتی کسرهای کوچکتر از آن را می‌‌توان به وسیله اثر جوزفسون آشکار کرد.

البته کوانتومی ‌بودن شار مغناطیسی در ابر رسانا قابل اثبات است و در مکانیک کوانتومی ‌با استفاده از محاسبات ریاضی عالی محاسبه می‌‌شود که در اینجا به خاطر جلوگیری از پیچیدگی مطلب از آوردن آن خودداری می‌‌کنیم.

یکای شار مغناطیسی

شار مغناطیسی را به صورت حاصلضرب مساحت سطح عمود بر مسیر میدان مغناطیسی در میدان مغناطیسی B تعریف کردیم. از طرف دیگر ، چون یکای میدان مغناطیسی ، تسلا می‌‌باشد، بنابراین یکای شار مغناطیسی برابر تسلا در مترمربع خواهد بود که مترمربع یکای مساحت می‌‌باشد. به صورت نمادی یکای شار مغناطیسی به صورت بیان می‌‌شود.