دانلود تحقیق برق

برق توان الکتریکی که اغلب به عنوان برق یا الکتریسیته شناخته می شود، شامل تولید و ارایه انرژی الکتریکی به میزان کافی برای راه اندازی لوازم خانگی، تجهیزات اداری، دستگاه های صنعتی و فراهم آوردن انرژی کافی برای روشنایی، پخت و پز، گرمای خانگی و صنعتی و فرایندهای صنعتی بکار می رود.

تاریخچه اگرچه که الکتریسته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی ای که در یک پیل الکترولیک از زمانی که الساندرو ولتا در سال1800م این آزمایش را انجام داد، شناخته می شده است، اما تولید آن به این روش گران بوده و هست.

در سال 1831م، میشل فارادی ماشینی ابداع کرد که از حرکت چرخشی تولید الکتریسته می کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشید تا این فن آوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شود.

در سال 1878م، توماس ادیسون جایگزین عملی تجاری ای را برای روشنایی های گازی و سیستم های حرارتی ایجاد کرد و به فروش رساند که از الکتریسته جریان مستقیمی استفاده می کرد که بطور منطقه ای تولید و توزیع شده بود، استفاده می کرد.

در سیستم جریان مستقیم ادیسون، ایستگاه های تولید توان اضافی می بایست نصب می شدند.

بدلیل اینکه ادیسون قادر نبود سیستمی را تولید کند که به ژنراتورهای چندگانه اجازه بدهد که به یکدیگر متصل شوند، گسترش سیستم او نیاز داشت که تمامی ایستگاه های تولید جدید مورد نیاز ساخته شوند.

نیاز به نیروگاه های اضافی ابتدا توسط قانون اهم بیان شده است: بدلیل اینکه تلفات با مربع جریان یا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل های طولانی در سیستم ادیسون به مفهوم داشتن ولتاژهای خطرناک در برخی نقاط یا کابل های بزرگ و گران قیمت و یا هر دوی اینها بود.

نیکولا تسلا که مدت کوتاهی برای ادیسون کار می کرد و تئوری الکتریسته را بگونه ای درک کرده بود که ادیسون درک نکرده بود، سیستم جایگزینی را ابداع کرد که از جریان متناوب استفاده می کرد.

تسلا بیان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جریان را نصف می کند و منجر به کاهش تلفات به میزان 4/3 می شود و تنها یک سیستم جریان متناوب اجازه انتقال بین سطوح ولتاژ را در قسمت های مختلف آن سیستم ممکن می سازد.

او به توسعه و تکمیل تئوری کلی سیستم اش ادامه داد و جایگزین تئوری و عملی ای را برای تمامی ابزارهای جریان مستقیم آن زمان ابداع کرد و ایده های بدیعش را در سال 1887م در 30 حق انحصاری اختراع به ثبت رساند.

در سال 1888م کار تسلا مورد توجه جرج وستینگهاوس که حق انحصاری اختراع یک ترانسفورماتور را در اختیار داشت و یک کارخانه روشنایی را از سال 1886م در گریت بارینگتون، ماساچوست راه اندازی کرده بود، قرار گرفت.

اگرچه که سیستم وستینگهاوس می توانست از روشنایی های ادیسون استفاده کند و دارای گرم کننده نیز بود، اما این سیستم دارای موتور نبود.

توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستینگهاوس یک سیستم قدرت برای یک معدن طلا در تلورید، کلورادو در سال 1891 ساخت که دارای یک ژنراتور آبی 100 اسب بخار(75 کیلو وات) بود که یک موتور 100 اسب بخار (75 کیلو وات) را در آنسوی خط انتقالی به فاصله 5/2 مایل (4 کیلومتر) تغذیه می کرد.

سپس در یک قرارداد با جنرال الکتریک که ادیسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت یک نیرگاه در نیاگارا فالس کرد که دارای سه ژنراتور تسلای 5000 اسب بخار بود که الکتریسته را به یک کوره ذوب آلومینیوم در نیاگارا ، نیویورک و به شهر بوفالو، نیویورک به فاصله 22 مایل (35 کیلومتر) انتقال می داد.

نیروگاه نیاگارا در 20 آوریل 1895م شروع به کار کرد.

انرژی الکتریکی در حال حاضر امروزه سیستم انرژی الکتریکی جریان متناوب تسلا کماکان مهمترین ابزار ارایه انرژی الکتریکی به مصرف کنندگان در سراسر جهان است.

با وجود جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) برای ارسال مقادیر عظیم الکتریسته در طول فواصل بلند بکار می رود، اما قسمت اعظم تولید الکتریسته، انتقال توان الکتریکی، توزیع الکتریسته و داد و ستد الکتریسته با استفاده از جریان متناوب محقق می شود.

در بسیاری از کشورها شرکت های توان الکتریکی کلیه زیرساخت ها را از نیروگاه ها تا زیرساخت های انتقال و توزیع در اختیار دارند.

به همین علت، توان الکتریکی به عنوان یک حق انحصاری طبیعی در نظر گرفته می شود.

صنعت عموماْ به شدت با کنترل قیمت ها کنترل می شود و معمولا مالکیت و عملکرد آن در دست دولت است.

در برخی کشورها بازارهای الکتریسته وسیع با تولید کننده ها و فروشندگان الکتریسته، الکتریسته را مانند پول نقد و سهام معامله می کنند.

برق و الکترونیک فیزیک نیمه رسانا ترانزیستور در اواسط قرن نوزدهم با فراگیر شدن رادیو و تلویزیون ضرورت بهبود بخشیدن به کیفیت لامپهای دیودی وتریودی احساس گردید .

تا اینکه در 23 دسامبر 1947 ترانزیستور توسط سه فیزیکدان به نامهای شاکلی؛باردین وبرتین به صنعت الکترونیک معرفی گردید.

اولین ترانزیستور دنیا از یک نارسانای مثلثی تشکیل شده که توسط دوسوزن طلا به نیمه رسانای ژرمانیم متصل میشود .این ترانزیستور برعکس لامپهای دیودی برای به گرما احتیاج نداشت وسریعا به کار می افتاد و همچنین بسیار سبکتر و ارزانتر از لامپهای دیودی بود .

بدین ترتیب شاکلی و همکاران وی به کمک فیزیک نیمه رسانا انقلابی را در عرصه الکترونیک پدید اوردند وبه پاس این اختراع مهم این محققان مفتخر به دریافت جایزه نوبل گردیدند.

ترانزیستور به سرعت روند تکاملی خود را طی مینمود به طوریکه در سال 1948 ترانزیستور صفحه ای ساخته شد.

امروزه ترانزیستورها عموما pnp,npn هستند که بعنوان کلید قطع و وصل جریان ویا بعنوان تقویت کننده در مدارات الکترونیکی استفاده می شوند.

در سالهای 1950 و 1970 به دلیل استفاده از ترانزیستور حجم وسایل ا لکترونیکی بسار کوچک شد به همین دلیل به واژه میکروالکترونیک متدول گردید.

میکروالکترونیک نیز بسرعت رشد می کرد .بطوریکه امروزه با استفاده از فن سا ختمان اکسید فلز می توان تعداد زیادی از ترانز یستورها را بر روی یک نیمه رسانا جا داد.

امروزه از اکسیدهای نیمه رسانا مانند اکسید روی در ترانزیستورهای با سرعت انتقال بالا استفاده می گرد ( ترانزیستورهای فایل افکت -FET) جدیدا محققان ژاپنی هیدو هوسونو و کولت کاگوش از یک صفحه نیمه رسانای کریستال مجرد درترانزستورهای فایل افکت استفاده کردند که سرعت انتقال ان 80 سانتیمتر مربع ولت بر ثانیه است که دها بار سریعتر از ترانزیستورهای قبلی می باشد(ساختمان مولکولی ان در شکل زیر دیده می شود) اگرچه این ترانزیستور فعلا بسیار گران است ولی این تحقیقات نشان داد که امکان رسیدن به سرعتهای بالا وجود دارد.

یک باطری آبی در یک تلاش دیگر از این دست لاری کاستیوک از دانشگاه آلبرتای کانادا در حال کار روی یک نوع باتری است که نیروی خود را از آب می گیرد، یعنی تولید الکتریسیته به طور مستقیم از آب ، اما در مقیاس بسیار کوچک.

در حال حاضر نیز واژه ای با نام هیدروالکتریسیته یا همان برق آبی وجود دارد و بیشتر افراد نیز با آن آشنا هستند.

در هیدروالکتریسیته ، آب از ارتفاعی به پایین می ریزد و توربین ها را چرخانده و به این ترتیب الکتریسیته تولید می کند؛ اما روشی این دانشمند باارزش که ذکر شد، کاملا فرق دارد.

وی آب را تحت فشار قرار می دهد و آنها را از کانال های میکروسکوپی و بسیار بسیار ریز که درون یک لوله شیشه ای قرار دارند، رد می کند و به این ترتیب مستقیما برق را از آب می گیرد.

با عبور آب از سطح کانال ها، یونهای آب به سطوح جامد مالیده می شوند و شارژ الکتریکی شده و به کمک الکترودهایی که در انتهای هر یک از کانال ها قرار می گیرند، انرژی الکتریکی استخراج می شود.

گرچه جریان تولید شده در این روش نیز بسیار کم و در حد 4 میکرووات است ؛ اما اگر میلیون ها کانال با خصوصیات ذکر شده به یکدیگر ملحق شوند، می توان خروجی را افزایش داد و به این ترتیب نیروی کافی خلق یک باتری آبی را به دست آورد.

ابررسانایی چیست ؟

از کشف ابررسانایی در سال 1911 میلادی تا سال 1986 ، باور عموم بر آن بود که ابررسانایی فقط می تواند در فلزاتی در دماهای بسیار پایین وجود داشته باشد، که فقط در دماهای حداکثر 25 درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد.

با کشف ابررسانایی در دماهای بالاتر در سال 1986 ، در موادی که تقریبا ضد فرو مغناطیسی بودند، و در هواپیماهای شامل a nearly square array of اتم های مس و اکسیژن، فصل جدیدی در علم فیزیک باز کرد.

حقیقتا، درک ظاهر شدن ابررسانایی در دماهای بالا (حداکثر دمای 160 کلوین) یک مساله ی بزرگ برای بحث کردن می باشد.

تا آن جا که امروزه بیش از ده هزار محقق روی این موضوع تحقیق و بررسی انجام می دهند.

پس از مقدمه ای بر مفاهیم پایه ی فلزات معمولی و مرسوم، دمای پایین، و ابررسانایی، مروری بر نتایج مشاهدات انجام شده در دهه ی گذشته خواهم داشت ، که نشان می دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجیبی با خواص غیرعادی بسیار بالای ابررسانایی می باشند.

سپس، پیشرفت های نظری اخیری را شرح خواهم داد که طبیعت چنین فلزات عجیب را آشکار می سازد، و به شدت این پیشنهاد را که "تعامل مغناطیسی بین تحریکات ذره ی quasi مسطح است که رفتار حالت عادی آن ها را به هم می زند و باعث روی دادن حالت ابررسانایی در دماهای بالا می شود" پشتیبانی و تایید می کنند.

در سال 1911 ، H.

Kamerlingh-Onnes هنگام کار کردن در آزمایشگاه دمای پایین خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق، جریان الکتریسیته می تواند بدون هیچ اتلاف اختلاف پتانسیل در فلز جیوه جریان پیدا کند.

او این واقعه ی منحصر به فرد را "ابررسانایی" (Superconductivity) نامید.

هیچ نظریه ای برای توضیح این رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگردید.

تا وقتی که در 1957 ، در دانشگاه الینویس ، سه فیزیکدان : John Bardeen ، Leon Cooper ، و Robert Schrieffer نظریه ی میکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری BCS (حروف ابتدایی نام محققان ) شناخته شد.

سومین رخداد مهم در تاریخ ابررسانایی در سال 1986 اتفاق افتاد، وقتی که George Bednorz و Alex Mueller ، در حال کار کردن در آزمایشگاه IBM نزدیک شهر زوریخ سوئیس، یک کشف مهم دیگر کردند : ابررسانایی در دماهای بالاتر از دماهایی که قبلا برای ابررسانایی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود.

این کشف باعث ایجاد زمینه ی جدید ی در علم فیزیک شد : مطالعه ابررسانایی دمای بالا، یا .

در این مقاله، که برای غیر متخصص ها تنظیم گشته است، این را که ما چقدر در فهم دمای بالا پیشرفت کرده ایم را توضیح خواهم داد و درباره چشم انداز های آینده ی توسعه ی یک نظریه ی میکروسکوپی بحث خواهم کرد.

من با مروری بر برخی مفاهیم پایه ی نظریه ی فلزات شروع می کنم؛ برخی اقدامات که منجر به ارائه ی نظریه BCS گشت را توضیح می دهم؛ و کمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم کرد و آن را توضیح خواهم داد.

سپس مختصرا در باره ی پیشرفت هایی که به فهم ما از ابررسانایی و ابرسیالی، در جهان ارائه شده است، بحث خواهم کرد، پیشرفت هایی که بوسیله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند.

که شامل کشف رده های زیادی از مواد ابرسیال می باشد، از هلیوم 3 مایع که چند میلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسیالی در می آید تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سیاره ی نوترون، که در چند میلیون درجه به حالت ابرسیالی در می آید.

سپس درباره ی تاثیرات کشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم کرد ، و برخی نتایج تجربی کلیدی را جمع بندی خواهم کرد.

سپس یک مدل برای ابررسانایی دمای بالا ارائه خواهم داد ، نزدیک به نظریه ی ضد فرومغناطیسی مایع فرمی ، که به نظر دارای توانایی ارائه ی مقدار زیادی از خواص غیرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد.

من با یک توضیح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پیش بینی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتیجه گیری می کنم، که یک رده جالب از مواد را معرفی می کند : مواد قابل تطبیق پیچیده .

که در آن بازخورد غیرخطی طبیعی، چه مثبت و چه منفی، نقشی حیاتی در تعیین رفتار سیستم باز ی می کنند.

ابررساناهای مرسوم : از کشف تا درک ...

در سخنرانی نوبل خود در سال 1913 ، Kammerlingh-Onnes گزارش داد که "جیوه در 4.2 درجه کلوین به حالت جدیدی وارد می شود، حالتی که با توجه به خواص الکتریکی آن، می تواند ابررسانایی نام بگیرد.

او گزارش داد که این حالت می تواند به وسیله ی اعمال میدان مغناطیسی به اندازه ی کافی بزرگی از بین برود.

در حالی که یک جریان القاء شده در یک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زیادی باقی می ماند و از بین نمی رود.

او این رخداد را به طور عملی با آغاز یک جریان ابررسانایی در یک سیم پیچ در آزمایشگاه لیدن، و سپس حمل سیم پیچ همراه با سرد کننده ای که آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد.

این موضوع که ابررسانایی مساله ای به این مشکلی ارائه کرد که 46 سال طول کشید تا حل شود، خیلی شگفت آور می باشد.

دلیل اول این می تواند باشد که جامعه ی فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای این مسئله را نداشت : تئوری کوانتوم فلزات معمولی.

دوم اینکه، تا سال 1934 هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد.

سوم اینکه، وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد، به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک می باشد، حدود یک میلیونیم انرژی الکترونیکی مشخصه ی حالت عادی.

بنابراین، نظریه پردازان توجه شان را به توسعه ی یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند.

این مسیر را Fritz London رهبری می کرد.

کسی که در سال 1953 به نکته ی زیر اشاره کرد :‌ "ابررسانایی یک پدیده کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی می باشد ...

با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیله ی وقفه های زمانی." و اینکه "diamagntesim یک مشخصه بنیادی می باشد."