حامل
حامل بار

حامل بار در علم فیزیک، به ذره آزاد غیرمقیدی گفته می‌شود که بار الکتریکی حمل می‌کند. عامل حرکت حاملان بار، نیرویی‌ست که از سوی میدان الکتریکی به ذرات حامل بار وارد می‌آید و این فرآیند باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شود. الکترون‌ها و یون‌ها نمونه هایی از حاملان بارند.





در فلزها، حاملان بار الکترون‌های لایه ظرفیت هستند که به راحتی از اتم جدا شده و در شبکه بلوری فلز به حرکت در می‌آید. مجموعه این الکترون‌ها در شبکه، ابر اکترونی بوجود می‌آورند که به آن گاز فرمی می‌گویند. در الکترولیت‌ها، مانند آب نمک، حاملان بار آنیون‌ها و کاتیون‌هااند. در پلاسما، الکترون‌ها و کاتیون‌های حاصل از یونش گاز موجود، حاملان بارند. در نیمه‌رساناها نیز جفت الکترون و حفره الکترونی حاملان بارند.



فیزیک

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

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




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




نظریه‌های اصلی

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

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

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

به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.

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

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

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

۱- نسبیت عام

۲-مکانیک آماری

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

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

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

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




فیزیک نظری

فیزیک نظری شاخه ای از فیزیک است که با استفاده از مدل‌سازی های ریاضی پدیده‌ها و انتزاع ٬ سعی در توضیح٬ پیش‌بینی و قانون‌مند سازی طبیعت دارد. فیزیک نظری در مقابل فیزیک تجربی قرار می گیرد که از ابزارهای تجربی و آزمایشی برای بررسی این پدیده ها استفاده می کند.

پیش بینی‌های نظریات مطرح شده در فیزیک نظری٬ باید قابل آزمایش در آزمایشگاه‌های فیزیک تجربی باشند. گاهی نتایج پیش بینی‌های برخی نظریه‌ها مانند نظریه ابر ریسمان عملاً قابل تجربه و محک شدن با دستاوردهای فناوری امروزه نیست.

در فیزیک نظری مسائلی وجود دارد که با گذر زمان شکل جدّی تری به خود گرفته‌اند.عمده این مسائل در مبانی مکانیک کوانتومی و نظریه میدان‌های کوانتومی و مبانی نسبیّت خاص و عام ٬ گاه فیزیک نظری را تا فراسوی یک بحران پیش برده‌اند.در عناوین زیر پاره‌ای از این مسائل بیان می‌شوند:

۱-مسأله موضعیّت ( Locality ) در نظریه کوانتوم و نظریه میدان‌های کوانتومی

۲-مسأله بی نهایت‌ها و فرایند باز بهنجار پذیری در نظریه میدان‌ها و ریسمان‌ها

۳-مسأله تئوری‌های بدیل در نسبیّت و نظریه کوانتوم

۴-تلقّی دیوید بوهم از نطریه کوانتوم و چالش جدّی او با نسبیّت خاص

۵-چالش جدی فیزیک نظری با پاره‌ای از مفاهیم کلاسیک فلسفی

۶-مسأله ذرات واسطه و مجازی در نظریه میدانهای کوانتومی

۷-فاصله گرفتن فیزیک از مشاهدات (در نظریات جدید)

۸-مسئله انبساط جهان شتاب دار٬ یا همان انرژی تاریک




جریان الکتریکی
جریان الکتریکی به صورت نرخ تغییر بار الکتریکی نسبت به زمان تعریف شده و با نماد I نشان داده می‌شود.

در این رابطه، جریان می‌تواند نسبت به زمان تغییر کند. جریان الکتریکی برای تعریف شدن (یا اندازه گیری) باید از سطح معینی عبور کند (مثلاً از سطح مقطع یک رسانا) از این رو تابعی نقطه‌ای به شمار می‌آید. مقدارهای لحظه‌ای، متوسط و موثر برای جریان الکتریکی تعریف شده و به صورت ساده شده‌ای در سیم‌های رسانا قابل محاسبه‌اند.

جهت قراردادی جریان از ابتدا در جهت عبور بارهای مثبت تعریف شده است. هرچند می‌دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی، جریان الکتریسته، ناشی از عبور بارهای منفی، یعنی الکترون‌ها، (در خلاف جهت جریان) است.




مشخصات جریان الکتریکی

از نظر تاریخی نماد جریان I، از واژه آلمانی Intensität که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با واژه ولتاژ، آمپراژ خوانده می‌شود.

شدت جریان الکتریکی، مقدار بار الکتریکی خالصی است که در واحد زمان از سطح مقطع خاصی از رسانا عبور می‌کند. شدت جریان در فرمول‌ها معمولاً با نماد I نمایش داده می‌شود.

شدت جریان یک کمیت اسکالر(نرده‌ای) است زیرا از قوانین جمع برداری تبعیت نمی‌کند. (مثلاً در قوانین کیرشهف برای حلقه‌ها (KCL) زاویهٔ سیم‌ها نسبت به گره هیچ تأثیری در جواب مسئله ندارد.)




شدت جریان در نقاط گوناگون یک رسانا

شدت جریان در هر سطح مقطع از رسانا مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح مقطع از لوله عبور می‌کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطع‌ها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی می‌شود که بار الکتریکی در هادی حفظ می‌شود. در هیچ نقطه‌ای بار الکتریکی نمی‌تواند روی هم متراکم شود و یا از رسانا بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.




سرعت رانش

میدان الکتریکی که بر روی الکترون‌های هادی اثر می‌کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی‌کند. چون الکترون‌ها پیوسته با یون‌های هادی برخورد می‌کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترون‌ها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل می‌شود و الکترون‌ها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانش) در راستای خلاف جهت میدان الکتریکی به‌دست می‌آورند. پیوستگی جریان الکتریکی در مدارهای الکتریکی، قانون جریان کیرشهف نامیده می‌شود.




اشکال مختلف جریان الکتریکی
در رساناهای فلزی، مانند سیم‌ها، جریان ناشی از عبور الکترون‌ها است، اما این امر در مورد اکثر رساناهای غیرفلزی صادق نیست. جریان الکتریکی در الکترولیت‌ها، عبور اتم‌های باردار شده به صورت الکتریکی (یون‌ها) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال، یک پیل الکتروشیمیایی ممکن است با آب نمک (محلولی از کلرید سدیم) در یک طرف غشا و آب خالص در طرف دیگر ساخته شود. غشا به یون‌های مثبت سدیم اجازه عبور می‌دهد، اما به یون‌های منفی کلر این اجازه را نمی‌دهد. بنابراین یک جریان خالص ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی در پلاسما عبور الکترون‌ها، مانند یون‌های مثبت و منفی است. در آب یخ زده و در برخی از الکترولیت‌های جامد، عبور پروتون‌ها، جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. نمونه‌هایی هم وجود دارد که علیرغم اینکه در آن‌ها، الکترون‌ها بارهایی هستند که از نظر فیزیکی حرکت می‌کنند، اما تصور جریان مانند «حفره»های مثبت متحرک (نقاطی که برای خنثی شدن از نظر الکتریکی نیاز به یک الکترون دارند)، قابل فهم‌تر است. این شرایطی است که در یک نیم‌رسانای نوع p وجود دارد. 
... page1 - page2 - page3 ...