مدونة فيزياء : أبريل 2013

الجمعة، 5 أبريل 2013

المصباح الكهربائي

هو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء. في عام 1879 وبعد عدة تجارب فاشلة ابتكر المخترع الأمريكي توماس أديسون وفريقه أول مصباح كهربائي عملي باستخدام الخيط القطني واستمر المصباح في الانارة لمدة اربعين ساعة متواصلة وقام اديسون بعد ذلك بمحاولات ناجحة لاطالة مدة أنارته. إلا ان المصباح الذي يستخدم الآن هو من تطوير شركة جنرال إلكتريك والذي يستخدم فتيل من معدن التنجستين القصيف بعد معالجة معقدة لأكسابه المرونة.

مصباح كهربائي بفتيل

أنواع المصابيح

[ مصابيح تفريغ الغازات

مصابيح فلورسينت
مصابيح صوديوم (ضغط عالى ومنخفض)

المصباح الكهربى

مصابيح الزئبق ذات الضغط العالى
مصابيح الهاليد المعدنى

[ تركيب المصباح الكهربى

يتركب المصباح الكهربى المتوهج من :
1- الفتيلة : وهى مصنوعة من مادة التنجستين وهى التي تصل إليها الكهرباء وتجعلها تشتعل مما يضئ المصباح

مصباح كهربى

2- سلك من <الرصاص> : هو سلك يوصل الكهرباء للفتيلة مما يساعدها على الاشتعال وهى التي تسند الفتيلة

مصباح كهربى داخل فانوس

3- غاز خامل : وهو الغاز الذي يحمى الفتيلة ويطيل عمرها وهو غاز لا يتحد مع اشتعال الفتيلة لأنه خامل والسبب في أنهم وضعوا غاز خامل (لا يتحد مع أى شيء) لكى لا يتحد مع الفتيلة
4- الزجاج : وهو الذي يحصن الفتيلة ويمنع خروج الغاز أو دخول الهواء الجوى إلى الفتيلة لأنه إذا اتحد الهواء مع الفتيلة سوف تحترق ويتلف المصباح
5- القاعدة : وهى يمكن أن تكون حلزونية (قلاووظ) ومسمارية وهى التي تربط المصباح بالدواية
6- نقاط التوصيل : هو سلك من الرصاص يوجد في طرف القاعدة ليوصل الكهرباء بالدائرة الكهربيه

[ تركيب مصابيح الفلوريسنت

1- فتيلتان من التنجستين على طرفى المصباح من التنجستن هي مادة متوهجه درجة إنصهارها عالية جدا
2-أنبوبة زجاجية حتى لا تسمح بدخول الهواء أو خروج الغاز وبها غاز الأرجون [غاز خامل] وهذا الغاز أختير خاصة لأنه لا يتحد مع الفتيل وقليل من الزئبق حتى يزيد التوهج ويطيل عمر المصباح أكثر ومادة فسفورية.
3- نقاط التوصيل : هي نقتطان على طرفى المصباح توصل المصباح بالدائرة الكهربية.
4- مادة فسفورية : هي مادة تعطى المصباح لونه ويوجد منها جميع الألوان ولا تكون إلا في مصابيح الفلوريسنت فقط.

[ تركيب مصابيح المسمار

1- فتيلة مصنوعة من التنجستين تصل إليها الكهرباء وتجعلها تتوهج فيضيء المصباح
2- زجاج : يمنع دخول الهواء وخروج الغاز الخامل لكى لا تحترق الفتيلة.
3- <غاز خامل> : غاز يساعد على زيادة عمر الفتيلة ويحميها.
4- القاعدة : هي قاعدة مسمارية تربط المصباح بالدواية.
5- نقاط التوصيل : هما سلكان من الرصاص والنحاس يوصلان المصباح بالدائرة الكهربية ويوجدان داخل المصباح ويتوصلان بالقاعدة.

[ كيفية التعامل مع المصباح

1- عند تركيب المصباح ينبغى علينا فصل التيار الكهربى عن الدواية
2- يتزم لف المصباح من اليمين إلى اليسار حتى يولج في الدواية
3- عند نزع المصباح ينبغى فصل الكهرباء عنه بوقت حتى يبرد لأنه يولد طاقة حرارية من استعال الفتيلة
4- عند انكسار المصباح داخل الدواية يتم إخراج القاعدة بقصافة سلك عن طريق لفها عكس طريقة تركيبها

[ حساب استهلاك اللمبة

العلاقة بين القدرة الكهربية والطاقة:
القدرة = الطاقة / الزمن
أو:
وات = جول / ثانية
فإذا كان لدينا لمبة قدرة 100 وات وتعمل بفرق جهد 220 فولت، نستطيع حساب استهلاك اللمبة خلال 10 ساعات، كالآتي:

100 وات = الطاقة جول / 10 * 60 * 60 ثانية

وبتنظيم المعادلة نحصل على :
الطاقة = 100 وات * 10 * 60 * 60 ثانية
الطاقة = 3600000 جول
هذه هي الطاقة المستهلك خلال 10 ساعات بالجول.

[ حساب عدد الإلكترونات

في المثال السابق نريد معرفة عدد الإلكترونات التي مرت في اللمبة خلال ساعة واحدة.
لكي نحصل علي التيار المار في اللمبة يجب معرفة مقاومة اللمبة أولا:
المقاومة = الجهد فولت * الجهد فولت / القدرة وات
المقاومة = 220فولت * 220 فولت / 100 وات
المقاومة = 484 أوم

شدة التيار = 220فولت / 484 أوم

شدة التيار = 45 و0 أمبير

كمية الشحنة = 45 و0 أمبير * الزمن ثانية

كمية الشحنة = 45 و0 أمبير * 60 * 60 ثانية
كمية الشحنة = 45 و0 * 3600 كولوم
كمية الشحنة = 1620 كولوم

شحنة الإلكترون= 6 و1 * ^19-10 كولوم

عدد الإلكترونات = 1620 / 6 و1 * ^19-10
عدد الإلكترونات = 01 و1 * ²²10

العطر

محل عطور بأحد محطات مترو القاهرة.

العطر (بالفرنسية: Parfum) مستحضر يصنع من مواد طبيعية أو اصطناعية أو من مزيج يتألف من كليهما. ويقوم العطار بمزج هذه المواد بعضها ببعض لينتج العبير الفواح. يستخدم الناس العطور^[1] بطرق كثيرة ليكسبوا أنفسهم والجو المحيط بهم روائح زكية، فمن الناس من يستخدم عطورًا دُهنية أو سائلة لتبقى متعلقة بملابسهم وأجسامهم فترة طويلة. كما تستخدم النساء أصباغ الشفاه، ومستحضرات التجميل الأخرى المعطرة للوجه والجسد. ولعل أكبر قدر يستعمل من العطر هو ذلك القدر الذي يستخدم في الصابون وبخاصة صابون الحمام. كما تضاف بعض الخامات الصناعية، المعطِّرة، الزهيدة الأسعار لبعض المنتجات بحيث تُخفي روائحها غير المقبولة، حتى يقبل عليها المستهلكون. وكثيرًا ما تُعالج المنتجات الورقية والبلاستيكية والمطاطية بهذه الخامات الصناعية العطرة.
تاريخ صناعة العطور

مقال تفصيلي :تاريخ صناعة العطور

يحدثنا التاريخ أن الإنسان منذ زمن موغل في القدم يستخدم نوعا من العطور، فقد قام بحرق أنواع من النباتات ذات الروائح الفواحة بمثابة بخور يستخدم أثناء القيام بالطقوس الدينية. وقد استخدم الفراعنة العطر منذ خمسة آلاف سنة, إلا أن العرب هم أول من استخدم تاج الزهرة لاستخراج ماء الزهور منذ 1300 عام.ولم يستعمل العرب تاج الأزهار كعطرٍ فقط بل استعملوها كدواء أيضاً. ولعل أقدم أنواع العطور في العالم يدعي "عطر الورد" وقد كان رائجاً جداً لدي القبائل العربية.
تعتبر الأزهار مثل إلياسمين والبنفسج وزهر الليمون والورد وغيرها, من المصادر المهمة لاستخراج العطور. ولكن جوهر العطر يستخرج من مصادر أخرى غير الأزهار, كالخشب ولاسيما خشب الأرز وخشب الصندل, ومن الأوراق مثل النعناع والغرنوق والخزامى, ومن جذور معينة مثل الزنجبيل والسوسن.
إن أقدم طريقة لصناعة العطور تكمن في استقطار تيجان الأزهار مع الماء, وتكون عبر وضع رقائق من الزجاج في إطارات خشبية حيث تغلف بدهن نقي وتغطي بتيجان الأزهار وتكدس الواحدة فوق الأخرى. ويجري تبديل التيجان بين حين والآخر إلي أن يمتص الدهن النقي الكمية المطلوبة من العطر.
أما الأسلوب الحديث فإنه يستخدم مذيباً نقياً يتم استخراجه من النفط. ثم يدور هذا المذيب علي تيجان الأزهار النضرة إلي أن يصبح مركزاً بالعطر, ويتم فصل المذيب بواسطة عملية التقطير. ويُنقى العطر بالكحول.
ويكمن حالياً تركيب العطور من مواد كيميائية بحيث تبدو وكأنها روائح طبيعية.

[ تصنيف التركيز

بناء على تركيز الزيوت العطرية يتم تقسيم العطور إلى التصنيفات التالية:

Perfume extract Extrait : التركيز 15-40% (غالبا 20%)
Eau de Parfum EdP, Parfum de Toilette PdT: التركيز 10-20% (غالبا ~15%) يسمى أحيانا بـ "eau de perfume" أو "millésime".
Eau de Toilette EdT: التركيز 5-15% (غالبا ~10%)
Eau de Cologne EdC: تركيز 3-8% (غالبا ~5%)
المرطب (Splash) وعطر ما بعد الحلاقة (After shave): التركيز 1-3%

وبناء على التركيز تكون فترة بقاء رائحة العطر، فالعطر ذو التركيز المرتفع تبقى رائحته لفترة طويلة، والعطور ذات التركيز المنخفض تبقى لفترات أقصر.

التردد

أمواج جيبية بترددات مختلفة، الموجة السفلى ذات تردد أعلى من الموجة التي فوقها، ويمثل المحور الأفقي الزمن

التردد أو الذبذبة هو مقياس لتكرار حدث دوري ، مثل تردد موجة . غالبًا ما يكون الحديث عن تردد موجة صوتية أو تردد موجة ضوئية أو موجة كهرومغناطيسية . ونقيس وحدة التردد منذ عام 1960 بوحدة الهرتز (Hz) وهي تعادل $\frac{1}{sec}$ أو 1/ثانية.
وتستخدم بشكل أساسي لقياس عدد تكرار ذبذبة موجة. يكون تردد موجة دوريّة 1Hz إذا كانت تمر دورة كاملة في نقطة ما خلال ثانية واحدة. الدورة الكاملة لموجة ، ولنتخيل هنا موجة في الماء ، تتوالى الموجة في الماء من صعود إلى هبوط ثم صعود ، تلك هي الدورة الكاملة . المسافة بين قمتين متتاليتين في الموجة أو المسافة بين قاعين متتالين في موجه يسمى طول الموجة .

تمثيل موجة وتعريف التردد . المسافة بين قمتين هي طول الموجة وهي تعادل دورة كاملة .

تعريف ووحدات
يعرّف التردّد لأي عمليّة دوريّة تعود على نفسها كعدد المرّات التي تتكرّر فيها الدورة أو العمليّة خلال وحدة زمنية معيّنة. يستخدم الحرف f أو $\nu$ لتمثيل التردّد في العديد من المجالات الهندسيّة و الفيزيائيّة كالبصريات والكهرباء وعلم الصوت والراديو وغيرها.
الوحدة التقليديّة لقياس التردّد هي الـHz أو الهرتس (والتي تعادل $\frac{1}{sec}$ ) على اسم العالم الفيزيائي الألماني هاينريخ هرتس. على سبيل المثال، فإذا كان تردّد عمليّة ما هو 1Hz، يعني هذا أنّها تحصل مرّة كل ثانية، أمّا إذا كان 2Hz، فإنّها تحصل مرّتين في كل ثانية، وهكذا. فإذا رمزنا لزمن الدورة بـ $T$ ، تكون العلاقة بينه وبين التردد كالتالي:

$f = \frac{1}{T}$

بشرط أن يتم الحفاظ على وحدات الطرفين، فإذا كان التردد يقاس بوحدات الـHz، تكون وحدة زمن الدورة هي الثانية.
في بعض الاستعمالات هنالك وحدات خاصّة لقياس التردّد. فمثلاً، لقياس سرعة نبض القلب، تستعمل وحدة "نبضة في الدقيقة" أو BPM) Beats per Minute)، ونفس الوحدة تستخدم في عالم الموسيقى لقياس الإيقاع. في الحركة الدائريّة تستخدم أحيانًا وحدة "دورة في الدقيقة" أو rpm) Revolutions per Minute) لقياس التردّد. لتحويل تلك الوحدات إلى الـHz تجب القسمة على $60$ .

[ قياس التردّد

لقياس تردّد ظاهرة ما، يجب إحصاء عدد المرّات التي تتكرّر بها الظاهرة في فترة زمنية، ومن ثم القسمة على مدّة هذه الفترة.
في الواقع، فمن المفضل على وجه العموم، ولغرض التدقيق، قياس الفترة الزمنية اللازمة لعدد محدّد مسبقًا من التكرارات، عوضًا عن قياس عدد التكرارات الحاصلة خلال فترة زمنيّة محدّدة. هذا لأنّ التردّد قد لا يكون عددًا صحيحًا، كحركة البندول المتأرجح. إنّ الطريقة الثانية تؤدي إلى خطأ عشوائي في القياس يتراوح بين صفر إلى تكرّر واحد، أي إلى نصف تكرّر بالمعدّل، ممّا يؤدي إلى انحياز في تقديرنا لـf. أمّا بالطريقة الأولى، فإنّنا نقيس وحدة زمنية، والتي بالإمكان قياسها بشكل أدق بواسطة ساعة.

[ تردّدات الأمواج

بالإمكان تحليل كل موجة إلى عدد من الأمواج التوافقية (وفق تحليل فورييه) الدّوريّة، ولكل موجة دوريّة هنالك علاقة بين تردّد الموجة لطول الموجة وسرعة تقدّمها:

$f = \frac{v}{\lambda}$

بحيث أن:

$f$ هو تردّد الموجة

$v$ هي سرعتها و

$\lambda$ هو طول الموجة

أي أن هنالك علاقة طردية بين التردّد وسرعة الموجة، إذا حافظنا على طول الموجة، وعلاقة عكسية بين تردّد وطول الموجة، إذا بقيت سرعتها ثابتة. في الأمواج الكهرومغناطيسيّة، تستبدل القيمة $v$ عادًة بالقيمة $c$ للتنويه إلى سرعة الضوء.
عند انتقال أمواج كهرومغناطيسيّة تخرج عن مصدر أحادي اللون (أي مصدر يرسل أمواجًا كهرومغناطيسيّة ذات نفس طول الموجة) من وسط ذي معامل انكسار معيّن إلى وسط ذي معامل انكسار آخر، يتغيّر طول الأمواج وسرعتها، في حين يبقى تردّدها ثابتًا، وهي ظاهرة تعرف بانكسار الضوء.

[ أمثلة

بإمكان الأذن البشريّة أن تلتقط أمواجًا صوتيّة يتراوح تردّدها بين 20 ذبذبة في الثانية و 20.000 ذبذبة/الثانية. في الواقع، فإنّ الأطفال يستطيعون سماع التردّدات حتّى الـ20 kHz، ولكن قدرة السمع لمثل هذه الترددات المرتفعة تنخفض كلما كبر الإنسان في السن.

إنّ تردّد التيار المتردّد في المقابس الكهربائيّة البيتيّة في أوروبا وأفريقيا وأستراليا ومعظم آسيا هو 50Hz (أي 50 ذبذبة في الثانية ) ، ولكنّه يكون بمعدل 60 ذبذبة/الثانية ( 60Hz ) في معظم الأمريكيّتين.

تردّد الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي يتراوح بين 430 تيرا هرتز (ضوء أحمر) إلى 750 تيراهرتز (ضوء بنفسجي) .

[ أنواع أخرى من التردّد

التردد الزاوي: يمثل بواسطة الحرف اليوناني $\omega$ ، ويصف سرعة التغير في طور موجة جسم يتذبذب حركة توافقية بسيطة، مثلاً:

$\omega = 2 \pi f$

وحدة القياس المتّبعة للتردد الزاوي هي راديان في الثانية $\frac{rad}{sec}$ .

يجدر الذكر بأنّ هناك بعض التردّدات غير الزمنيّة. فمثلاً، من الممكن الحديث عن تردّد حيّزي في صورة معيّنة، أو تردد لدالّة دوريّة معيّنة. فالتردّد الحيزي يمكن أن يكون، على سبيل المثال، عدد أزواج الخطوط السوداء والبيضاء في المتر الواحد من صورة لخطوط سوداء وبيضاء. وفي هذه الحالة يستبدل متغيّر الزمن بأحد متغيّرات الفضاء.

الإحتكاك

الاحتكاك هي القوة المقاومة التي تحدث عند تحرك سطحين متلاصقين باتجاهين متعاكسين عندما يكون بينهما قوة ضاغطة تعمل على تلاحمهما معا (وزن أحد الجسمين مثلا). وتنتج كمية من الحرارة.
يحدث الاحتكاك بين المواد الصلبة، السائلة والغازية أو أي تشكيلة منهم.
وقوة الاحتكاك هي حاصل ضرب القوة الضاغطة بين الجسمين في معامل الاحتكاك. قح = قض X µ حيث: قح: قوة الاحتكاك قض: القوة الضاغطة بين الجسمين أو القوة العمودية على السطح الفاصل بينهما µ: معامل الاحتكاك، إما الساكن(µس) أو الحركي(µح)
يعتبر الاحتكاك قوة تطبق في الاتجاه العكسي لسرعة الجسم. فمثلا إذا دُفع كرسي على الأرض نحو اليمين تكون قوة الاحتكاك متجهة إلى اليسار. تنشأ قوة الاحتكاك بين الأجسام نتيجة وجود نتوءات وفجوات بين الأسطح فكلما كانت الأسطح ملساء كلما قلت تلك القوة. أثناء تحرك الجسم على السطح، تصطدم كل من النتوءات الصغيرة الموجودة عليه وذلك السطح، وحينئذ تكون القوة مطلوبة لنقل النتوءات بجانب بعضها الآخر. وتعتمد منطقة الاتصال الفعلي على القوة العمودية بين الجسم والسطح المنزلق. وتتناسب هذه القوة الاحتكاكية مع إجمالي القوة العمودية وتعادل هذه القوة غالبا وزن الجسم المنزلق تماما. وفي حالة الاحتكاك الجاف المنزلق حيث لا يوجد تشحيم أو تزييت، تكون قوة الاحتكاك مستقلة عن السرعة تقريبا. كما أن قوة الاحتكاك لا تعتمد على منطقة الاتصال بين الجسم والسطح الذي ينزلق عليه. وتعتبر منطقة الاحتكاك الفعلية منطقة صغيرة الحجم نسبيا، وتعرف منطقة الاحتكاك بأنها تلك المنطقة التي يحدث فيها تلامس فعلي بين كل من النتوءات الصغيرة الموجودة على الجسم والسطح الذي ينزلق عليه.
معامل الاحتكاك
معامل الاحتكاك هو كمية عددية تستخدم للتعبير عن النسبة بين قوة الاحتكاك بين جسمين والقوة الضاغطة بينهما، وليس له وحدة قياس. ويعتمد على مادتي الجسمين. مثلا الجليد على المعدن لهما معامل احتكاك قليل (أي إنهما ينزلقان على بعض بسهولة). أما المطاط على الأسفلت فلهما معامل احتكاك عالي جدا (لا ينزلقان على بعض)، انظر الجدول. µس السطح 2 السطح 1 0.06 جليد خشب 0.02 - 0.1 ثلج نحاس أصفر 0.07 معدن (مشحم) معدن 0.25 خشب بلوط خشب بلوط 0.5 - 0.9 خرسانة (مبللة) مطاط 0.7 - 1 خرسانة جافة مطاط معامل الاحتكاك الساكن لبعض المواد
يعتبر معامل الاحتكاك كمية تجريبية، أي انه يجب قياسه عن طريق التجربة ولا يمكن حسابه بالمعادلات الرياضية. كما أن معظم المواد الجافة مع بعضها تعطي معامل احتكاك بين 0.3 و 0.6. ومن الصعب الحصول على قيمة خارج هذا المجال. إن قيمة 0 لمعامل الاحتكاك تعني انه لا يوجد احتكاك بالمرة وسينزلق الجسمان على بعضهما إلى ما لا نهاية. و يكون معامل الاحتكاك الساكن أكبر من الحركي لأن النتوءات والفجوات الموجودة بين أسطح الأجسام المتلاصقة تتداخلان في بعضهما فتسببان مقاومة السطحين للانزلاق. ولكن إذا بدأ الجسم في الانزلاق فلن يتوفر الوقت اللازم للسطحين لكي يتلاحما تماماً كل مع الآخر.و نرمز له ب Fr بالنسبة إلى الاحتكاك المقاوم و Fm للاحتكاك المتحرك

[ أنواع الاحتكاك

[ الاحتكاك الساكن

يحدث الاحتكاك الساكن عندما يكون الجسمان غير متحركان بالنسبة إلى بعضهما البعض (مثل الطاولة على الأرض). معامل الاحتكاك الساكن يرمز له بالرمز (µس). القوة الابتدائية اللازمة لتحريك هذا الجسم تكون عادة أكبر بقليل من قوة الاحتكاك الساكن. يكون معامل الاحتكاك الساكن عادة أكبر من معامل الاحتكاك الحركي.
مثال على الاحتكاك الساكن هو القوة التي تمنع عجلات السيارة من الانزلاق على سطح الدوران. فعلى الرغم من أن العجلات تدور، إلا أن النقطة النسبية للحركة بين العجلة والأرض تكون ساكنة بالنسبة للأرض ولذلك يكون الاحتكاك ساكن وليس تحريكيا.

[ الاحتكاك الحركي

يحدث الاحتكاك الحركي عندما يتحرك الجسمين بالنسبة إلى بعضهما البعض ويحتك أحدهما بالآخر(مثل مز لجة على الأرض). معامل الاحتكاك الحركي يرمز له بالرمز (µح). ويكون عادة اقل من معامل الاحتكاك الساكن.
أمثلة على الاحتكاك الحركي

الاحتكاك الانزلاقي: يحدث عندما يحتك جسمين صلبين ببعضهما البعض (مثل تحريك كتاب على الطاولة).
الاحتكاك المائع (احتكاك الموائع): يحدث عندما يتحرك جسم صلب خلال مادة سائلة أو غازية (مثل مقاومة الهواء لحركة الطائرة، أو مقاومة الماء لحركة الغطاس).

الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك: عندما يتحرك جسم على سطح بمعامل احتكاك حركي(µح) وقوة عمودية(قع) تكون كمية الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك U تساوي: U = µح X قع X ف حيث ف هي المسافة المقطوعة بواسطة الجسم. هذه المعادلة مماثلة للمعادلة (الطاقة المفقودة=القوة Xالمسافة) وهذا لأن الاحتكاك كمية غير متجهة.

[ فوائد الاحتكاك

كثيرا ما ننظر إلى قوة الاحتكاك على أنها قوة مبددة، ومعيقة لحركة الأجسام ،وعندما نحسب الشغل المبذول ضد الاحتكاك نعتبره شغلا ضائعا ونحاول في الكثير من التصاميم الميكانيكية تقليل قوى الاحتكاك إلى أقل قدر ممكن بغية تحقيق أداء أفضل للآلات والماكينات ولكن.. هل الاحتكاك ضار إلى هذا الحد؟ وما الذي سيحدث لو أن الاحتكاك في لحظة ما قد اختفى من العالم، أي أصبح صفرا؟
إذا اختفى الاحتكاك فلا بد إن السيارات والقطارات وجميع وسائل المواصلات لن تستطيع أن تتحرك لأنها تتحرك بواسطة الاحتكاك بين الأرض والعجلات. وحتى لو تحركت فإنها لن تستطيع أن تتوقف، لأن الفرامل تعتمد أساسا على الاحتكاك.كما لن يستطيع الناس السير أو حتى الوقوف وقفة سليمة، وكأنهم واقفون على أرضية جليدية. ولن يستطيعوا أن يمسكوا بأي شيء لأنه سينزلق من أيديهم. كما ستتفتت الجبال ولن يبقى عليها أي غطاء من التربة.و لن تبقى أي بناية سليمة بل ستتهدم. وستفك الحبال المربوطة. كل هذا بسبب الانزلاق وانعدام الاحتكاك. باختصار، الحياة مستحيلة بدون احتكاك.
فللاحتكاك فوائد مهمة؛ فهو يجعل عجلات السيارة تتحرك على الرصيف، ويجعل عجلات القاطرة تمسك بقضبان السكك الحديدية. وهو يسمح للسير الناقل بأن يدير البكرة دون انزلاق. وأنت لا تستطيع السير دون الاحتكاك لتمنع حذاءك من التزحلق على الرصيف. ولهذا فمن الصعب السير على الجليد؛ حيث أن السطح الأملس يسبب احتكاكاً أقل من الرصيف، وبذلك يسمح للحذاء بالانزلاق. ويثبت التربة على سطح الجبال ويثبت البنايات ويجعلها قائمة. ويجعل الحبال المربوطة تبقى ثابتة. بالإضافة إلى العشرات إن لم يكن المئات من الفوائد الأخرى.

[ مساوئ الاحتكاك

على الرغم من أهمية الاحتكاك واستحالة الحياة بدونه كما رأينا، إلا أن له مساوئ عديدة قد تؤدي إلى أضرار كبيرة على المدى البعيد. الشغل المبذول بواسطة الاحتكاك يتم تحويله إلى تشوه وحرارة. ففي الآلات، يجعل الاحتكاك جزءا كبيرا من الطاقة المبذولة يذهب سدى. ويحولها إلى طاقة حرارية تتطلب المزيد من التبريد. وأحيانا يؤدي الاحتكاك إلى ذوبان بعض الأجسام كما يؤدي إلى التشوه، والتشوه في الأجسام صفة متلازمة مع الاحتكاك. مع انه قد يكون مفيدا في بعض الحالات (مثل صقل الأجسام). إلا أنه عادة يكون مشكلة، لأن الأجسام تبلى وتفقد قدرتها على التحمل، وقد تتعطل بعض الآلات. وعلى المدى الطويل يمكن أن تؤثر على خصائص السطوح وقد تؤثر على معامل الاحتكاك نفسه، وتستطيع أن ترى هذا بنفسك في إطارات السيارات القديمة، حيث يكون سطحها أملس هذه هي مساوئ الاحتكاك في الحياة العملية. وقد كان وما زال للاحتكاك اثر سلبي في تطور العلم، فقد تأخر استنتاج قوانين الحركة لسنوات عديدة بسبب الاحتكاك. ولأن الحرارة والحركة المتولدة عن الاحتكاك تتبدد بسرعة، فقد استنتج العديد من الفلاسفة القدماء (و منهم أرسطو) إن الأجسام المتحركة تفقد من طاقتها بدون وجود قوة معاكسة لها. وهذه النظرية الخاطئة لم تكن لتصاغ لولا الاحتكاك.

[ طرق تقليل الاحتكاك

الأجهزة:

مثل العجلات أو الأنابيب الدوارة المستخدمة في المطارات لنقل الحقائب من مكان إلى آخر. والتي تحول الاحتكاك الانزلاقي إلى احتكاك دحروجي. والذي يقلل من الاحتكاك.

التقنيات:

إحدى التقنيات التي يستعملها مهندسو القطارات هي جعل الروابط بين مقطورات القطار رخوة. وهكذا يستطيع القطار أن يسحب كل مقطورة على حدة بدلا من سحبها جميعا. وهذا يقلل الاحتكاك الكلي ويجعله موزعا على الزمن.

المزلقات أو سوائل التزليق:

من أهم الوسائل المستخدمة لتقليل الاحتكاك هي استخدام المزلقات، مثل الزيوت والشحوم. فالزيت يقلل الاحتكاك. فمعامل الاحتكاك لحديد متدحْرج على خشب مزيت على سبيل المثال يصبح أقل كثيرا من 0,018، لأن نوع السطح ليس له أثر تقريباً عندما يكون مغطى بالزيت أو بسوائل أخرى، وحينئذ يعتمد الاحتكاك على لزوجة السائل والسرعة النسبية بين الأسطح المتحركة. مع ان معظم المزلقات تكون سائلة، إلا أن بعضها صلب مثل التلك والجرافيت.
والمزلقات السائلة تكون ذات " لزوجة" قليلة توضع بين سطحين لتقليل معامل الاحتكاك بدرجة كبيرة. والسوائل اللطيفة أقل لزوجة من السوائل الغليظة، وأسرع تدفقًا. فاللزوجة خصيصة من خصائص الموائع تجعلها تقاوم التدفق. وهي تحدث نتيجة للاحتكاك الداخلي لجزيئات السائل التي يتحرك بعضها قبالة بعض. فالمائع ذو اللزوجة المنخفضة (صابون مثلا)، يتدفق بسرعة أكبر من المائع ذي اللزوجة العالية (صمغ مثلا).
ولجميع الموائع، بما في ذلك السوائل، والغازات، درجة معينة من اللزوجة. وبعض المواد التي تبدو صلبة، مواد ذات لزوجة عالية وتتدفق ببطء شديد ومثال ذلك القار. ودرجة اللزوجة مهمة جداً في العديد من الاستعمالات. فعلى سبيل المثال، تحدد لزوجة زيت المحرك كفاءته في تشحيم أجزاء محرك السيارة. وكلما كان تداخل جزيئات السائل أكثر قوة، كان للسائل لزوجة أكبر. وعموماً، كلما كان حجم أو طول الجزيء أكبر، كان التداخل أقوى. وتحدد درجة حرارة المائع قوة تداخل جزيئاته، حيث تتداخل الجزيئات في المائع أكثر كلما انخفضت درجة الحرارة. وهكذا، فإن الموائع الساخنة تكون ذات لزوجة أقل من لزوجة الموائع الباردة. ولكن جزيئات الغاز تتداخل بقوة أكثر في درجة حرارة عالية. لذلك فإن لها لزوجة أكبر من لزوجة الغازات الباردة. وإحدى طرق زيادة لزوجة سائل هي إذابة البوليمرات (سلاسل جزيئية طويلة) فيه. وتصبح هذه الجزيئات متشابكة فتقاوم التدفق. كذلك، فإن إضافة جسيمات صلبة للمائع يزيد أيضًا من درجة اللزوجة[2].

[ الالتحام البارد

مع انه كلما زادت الخشونة زاد الاحتكاك. لكن إذا وضع سطحين ناعمين جدا (قريبين من النعومة التامة) من المعدن مع بعض وأزيلت الشوائب بينهما تماما بواسطة الفراغ، فانهما سيلتصقان مع بعض ويصبح من الصعب فصلهما وهو ما يسمى بــ"الالتحام البارد". هذا يعني انه عندما يصل الجسم إلى مرحلة قريبة من النعومة التامة. يصبح الاحتكاك معتمدا على طبيعة القوى الجزيئية في مساحة الالتحام. لذا فإن الأجسام المختلفة التي لها نفس درجة النعومة قد يكون لها معاملات احتكاك مختلفة جدا.

غاز الهيليوم

الهيليوم He هو عنصر كيميائي لا لون له ولا رائحة وعديم الطعم. يـأتي بعد الهيدروجين مباشرة في الجدول الدوري للعناصر. تحتوي نواة ذرته على 2 بروتون و 2 نيوترون ويسمى الهيليوم-4. كما يوجد له نظير تحتوي نواته 2 من البروتونات و 1 بروتون يسمى الهيليوم-3. وهو من العناصر الخاملة أو النبيلة (الغازات النادرة)، وبسبب خموله الكيميائي لا توجد جزيئات له، فهو يوجد دائما في صورته الذرية.
له أقل درجات الغليان والانصهار مقارنة ببقية العناصر، وهو لا يوجد إلا في الحالة الغازية باستثناء ظروف خاصة جدا. وهو ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون وتكون خلال الانفجار العظيم، كما تزداد نسبة وجوده في الشمس عن طريق الاندماج النووي للهيدروجين. توجد كميات ملموسة منه على الأرض وهي موجودة فقط في الغاز الطبيعي.
يستخدم الهيليوم في تطبيقات علوم درجات الحرارة شديدة لانخفاض، وفي أنظمة تنفس الغواصيين، ولنفخ البالونات. والهيليوم غاز غير سام وليس له تأثير بيولوجي على الكائنات الحية.

ليثيوم → هيليوم ← هيدروجين

-
↑
He
↓
Ne

2He

المظهر

غاز عديم اللون ذو وميض أرجواني في حالة البلازما

الخطوط الطيقية للهيليوم

الخصائص العامة

الاسم، العدد، الرمز

هيليوم، 2، He

تصنيف العنصر

غاز نبيل

المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي

18، 1، s

الكتلة الذرية

4.002602 غ·مول⁻¹

توزيع إلكتروني

1s²

توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ

2 (صورة)

الخصائص الفيزيائية

الطور

غاز

الكثافة

(0 °س، 101.325 كيلوباسكال)
0.1786 غ/ل

كثافة السائل عند نقطة الانصهار

0.145 غ·سم⁻³

نقطة الانصهار

(عند 2.5 ميغاباسكال) 0.95 ك، −272.20 °س، −457.96 °ف

نقطة الغليان

4.22 ك، −268.93 °س، −452.07 °ف

النقطة الحرجة

5.19 ك، 0.227 ميغاباسكال

حرارة الانصهار

0.0138 كيلوجول·مول⁻¹

حرارة التبخر

0.0829 كيلوجول·مول⁻¹

السعة الحرارية

(25 °س) 20.786 جول·مول⁻¹·كلفن⁻¹

ضغط البخار

ض (باسكال)	1	10	100	1 كيلو	10 كيلو	100 كيلو
عند د.ح. (كلفن)			1.23	1.67	2.48	4.21

الخصائص الذرية

الكهرسلبية

لا بيانات (مقياس باولنغ)

طاقات التأين

الأول: 2372.3 كيلوجول·مول⁻¹

الثاني: 5250.5 كيلوجول·مول⁻¹

نصف قطر تساهمي

28 بيكومتر

نصف قطر فان دير فالس

140 بيكومتر

خصائص أخرى

البنية البلورية

نظام بلوري سداسي مرصوص

المغناطيسية

مغناطيسية معاكسة^[1]

الناقلية الحرارية

0.1513 واط·متر⁻¹·كلفن⁻¹ (300 كلفن)

سرعة الصوت

972 متر/ثانية

رقم الكاس

7440-59-7

النظائر الأكثر ثباتاً

المقالة الرئيسية: نظائر الهيليوم

النظائر	توافر طبيعي	عمر النصف
³He	0.000137%*	³He هو نظير مستقر وله 1 نيوترون
⁴He	99.999863%*	⁴He هو نظير مستقر وله 2 نيوترون
*القيم حسب الوفرة في الغلاف الجوي، لكنها يمكن أن تكون غير ذلك خارجه

تاريخه
لوحظ الهيليوم لأول مرّة عام 1868 بسبب خط أصفر لامع في الطيف الضوئي للشمس لاحظه الفلكي الفرنسي بيير جانسين أثناء حدوث كسوف شمسي في الهند.^[2]^[3] وفي ذات العام لاحظ الفلكي الإنجليزي نورمان لوكير نفس المقطع الأصفر من الطيف الضوئي للشمس^[4] واستنتج أن هذا الطيف الضوئي سببه عنصر غير موجود على الأرض. فأطلق عليه سوية مع العالم الإنجليزي إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس هيليوس.^[5]^[6]^[7] وفي 1895، استطاع العالم البريطاني ويليام رامساي أن يعزل الهيليوم على الأرض بمعالجة الكليفيت بأحماض معدنية، وشخصت هذه العينات على أنها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروكس.^[4]^[8]^[9]^[10] وفصل أيضا بتجربة منفصلة باستخدام الكليفيت في نفس العام على يد الكيميائي السويدي بير تيودور كليفي ونيلز لانجليت.^[3]^[11]^[12]
في عام 1905، اكتشف العالمان الأمريكيان هاميلتون كادي وديفيد مك فارلاند أن الهيليوم يمكن استخلاصه من الغاز الطبيعي.^{[بحاجة لمصدر]} وفي 1907، طرح إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيم ألفا هو نواة الهيليوم.^[13]
أسيل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي الهولندي هايكه كاميرلنجث أونيس عام 1908 بتبريد الغاز لأقل من درجة كلفن واحدة،^[13] وحول إلى الحالة الصلبة أول مرّة عام 1926 على يد تلميذ هايكه، ويليام هيندريك كيسوم.^[14] وفي 1938 اكتشف العالم الروسي ليونيدوفيش كابيتسا أن نظير الهيليوم-4 عديم اللزوجة تقريبا في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بالميوعة الفائقة.^[15] ولهذه الظاهرة صلة بتكاثف بوز وأينشتاين وفي عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هيليوم-3 على يد الفيزيائيين الأمريكييين دوغلاس أوشيروف وديفيد لي وروبرت ريتشاردسون.^[16]

[ حالاته

تحت درجة الحرارة والضغط القياسيين، يوجد الهيليوم في الحالة الغازية فقط. وهو لا يتحول إلى الحالة الصلبية إلا تحت ضغوط كبيرة، والذي بتغيره يتغير حجم المادة الصلبة. وفي درجة حرارة دون درجة غليان الهيليوم 4.21 كلفن، وفوق "نقطة لامدا" 2.1768 كلفن، يكون النظير هيليوم-4 في حالة السيولة العادية وتسمى هيليوم I (تنطق هيليوم واحد)، ولكن تحت "نقطة لامدا"، يكون للهيليوم خواص فيزيائية غريبة، ويسمى عندها بهيليوم II (تنطق هيليوم اثنين)، ومثل هذه الخواص الفيزيائية غير واضحة عند النظير هيليوم-3.

[ هيليوم II

هيليوم II له خصائص سائلين، أحدهما سائل عادي والآخر عديم اللزوجة، فلا احتكاك داخلي بين جزيئاته، وله حركة جريان سريعة، وله موصلية كهربائية أعلى من أي مادة أخرى، وتنتقل فيه الحرارة على شكل موجات.

[ تفاعله

الهيليوم عنصر خامل كيميائيا تحت كل الظروف العادية. ولكن تحت ظروف كهربائية معينة يمكن للهيليوم أن يكون مركبات مع التنجستن، واليود، والفلورايد والكبريت والفوسفور.

[ نظائره

هناك 8 نظائر معروفة للهيليوم، ولكن النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 هما الوحيدين المستقرين، فالبقية لها نشاط إشعاعي، وتتحول بسرعة إلى عناصر أخرى. أكثر النظائر انتشارا هو هيليوم-4 ، وهو يتكون من جسيم ألفا في نواته الذرية، ويدور حولها 2 إلكترون في الغلاف الذري، وجسيم الألفا هو أكثر الجسيمات استقرارا، أما النظير هيليوم-3 فهو نادر على الأرض وهو ينتج من التريتيوم بعد إشعاعه لإلكترون خلال تحلل بيتا.

[ تواجده

الهيليوم ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون المعروف بعد الهيدرجين، ويشكل حوالي ربع كتلة الكون. ووجوده يتركز في النجوم، حيث أنه يتكون هناك من اتحاد ذرات الهيدرجين، وحسب نظرية الانفجار العظيم، تكون أغلب الهيليوم في الدقائق الثلاث الأولى بعد الانفجار (أنظر خط زمني للانفجار العظيم).
أما على الأرض، فإن الهيليوم يشكل جزء واحد من 200 ألف جزء، وذلك يعود بشكل رئيسي إلى تطاير الهيليوم إلى الفضاء الخارجي، وكميات الهيليوم الملموسة الموجودة على الأرض ناتجة عن النشاط الإشعاعي للعناصر المشعة، أما أكبر تركيز له فهو موجودة مع الغاز الطبيعي ومنها يستخرج معظم الهيليوم للاستخدامات التجارية، وتعتبر آبار الغاز في تكساس، و أوكلاهوما وكنساس الأمريكية المصدر الرئيسي لهذا الغاز في العالم.

[ استخداماته

تتركز أسباب تطبيقات استخدام الهيليوم دون غيره في بعض المجالات إلى كونه غازا خاملا لا يتفاعل بسهولة إضافة إلى عوامل أخرى.

يستخدم الهيليوم للمناطيد الضخمة والبالونات، لأنه أخف من الهواء فهو ثاني أخف غاز موجود، كما أنه لا يحترق أو ينفجر مما يجعل منه خيارا مناسبا لمثل هذا التطبيق.
صوت الإنسان الذي استنشق هواء فيه تركيز ملموس من الهيليوم، يصبح عالي الدرجة (من النعومة والجهارة، فيسمع كان فيه شيء من التزمير)، وذلك يعود إلى أن سرعة الصوت في الهيليوم أكبر بثلاث مرات من سرعته في الهواء العادي، مما يؤدي إلى زيادة تردده عند وصول موجات الصوت إلى الهواء العادي، ولكن التعرض لاستنشاق تركيزات عالية من الهيليوم قد تودي بالحياة بسبب نقص الأكسجين.
يستخدم خليط الهيليوم مع الأوكسجين والنيتروجين لملء قوارير هواء تنفس الغواصين في الأعماق الكبيرة لأنه يساعد في منع التسمم الأكسجيني والاستبدال النيترجيني (دخول النيتروجين إلى الدم بدل الأكسجين الأمر الذي يؤثر على عمل الأعصاب ويعطي تأثيرا شبيها بالسُكر) تحت ضغوط الأعماق الكبيرة.
يستخدم الهيليوم في بيئات تنمية البلورات الدقيقة في الظروف الحساسة لأنه لا يتفاعل ولا يؤثر في تركبها.

يستخدم الهيليوم للمساعدة في ضغط الوقود الغازي المسال (كالهيدرجين السائل)، وذلك لأنه لا ينفجر تحت ضغوط أو درجات حرارة عالية.
يستخدم أيضا في تبريد المغانط الكهربائية في جهاز الرنين المغناطيسي كما يعمل على تقليل مقاومة مرور التيار الكهربى في المغناطيس الكهربى والعمل على ايصاله لدرجه فائقيه التوصيل بتقليل المقاومة والتي يمكن تحصيلها عند درجات حراره المنخفضة جدا.
استعملت كميات هائلة من الهيليوم في تبريد منظومة المصادم الهدروني الكبير مؤخراً للوصول إلى درجات حرارة فائقة الانخفاض (حوالى 1.9

Because of its low density and incombustibility, helium is the gas of choice to fill airships such as the Goodyear blimp.

[ تعريف الهليوم

يعتبر الهليوم من الغازات النبيلة الخاملة عدده الذري 2وله مجموعة من الغازات النبيلة في الجدول الدوري للعناصر؛ رمزه الكيميائيHe نقطة غليانه هي الأدنى بين الهيئات المعروفة ومن نظائره المستقرة الهليوم الرباعي والهليوم الثلاثي وتختلف هذه العناصر الكيمائية اختلافا جوهريا في خصائصها ويأتي الهليوم بعد الهدروجين في الجدول الدوري ويعتبر العنصرالأكثر وفرة في الكون حاليا تم إنتاج الهليوم خلال عملية الاصطناع النووي الأساسي وقد لوحظ هذا الغاز لأول مرة في الطيف الشمسي ومن خواصه أنه لا لون له ولا رائحة وعديم الطعم وله تأثيرات نوعية حساسة لانخفاض الطاقة

[ تاريخه

[ الاكتشافات العلمية

وقد لوحظ أول دليل من الهليوم في 18 أوت1868 كخط أصفر لامع مع ،طول موجة من 587.49 نانومتر في الطيف ،تم الكشف عن الخط الفلكي الفرنسي جول يأنس خلال كسوف كلي للشمس في جون تور، وكان من المفترض في البداية هذا الخط ليكون الصوديوم. يوم 20 أكتوبر من العام نفسه، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي نورمان ولكير خط أصفر في الطيف الشمسي التي سماها خط D3 لأنها كانت بالقرب من خطوط معروفة D1 و D2 من الصوديوم في 1882اكتشف عالم الفيزياء الإيطالي لويجي بالمييري الهليوم على الأرض لأول مرة من خلال خط الطيف هو يحلل في بركان فيزرف في 26 مارس 1895 معزولة الاسكتلندي السير وليام رمزي الكيميائي وجود الهليوم على الأرض عن طريق المعالجة المعد نية (مجموعة متنوعة من مع ما لا يقل عن 10 ٪ العناصر الأرضية النادرة) مع الأحماض المعدنية. وكان رمزي يبحث عن الأرجوان ولكن بعد فصل النيتروجين والأكسجين من الغاز ات المحررة من جراء حمض الكبريتيك لاحظ أنه وجدخط أصفر لامع يطابق خط D3 لوحظ في الطيف في أحد العينات [5] [10] [11] [12 ] هذه العينات تم تحديدها من قبل ولكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروس. كانت معزولة ومستقلة من clavète في العام نفسه قام الكيميائيين لكل تيودور كليف وL’anglet إبراهيم في أوب سالا الذي جمع ما يكفي من غاز الهليوم لتحديد بدقة وزنه الذري. كما تم عزل [14] من الهليوم أمريكا كيميائي الجيولوجيا وليام فرانسيس هيلبراند قبل اكتشاف رمزي أن الخطوط الطيفية غير عادية أثناء اختبار عينة من uraninite المعدن. عروض رامزي قضية مثيرة للاهتمام واكتشف في مجال العلوم إن جسيمات ألفا هي نواة الهيليوم من خلال السماح للجسيمات باختراق الجدار الزجاجي لاجلاء الانبوب، ثم إنشاء أنبوب التصريف في دراسة للأطياف من جديد للغاز في الداخل في عام 1908 وكان أول الهليوم المسال من طرف الهولندي أونز فيزيائي Hamerling هاتكه بواسطة تبريد الغاز إلى أقل من واحد كلفن [16] وقال إنه حاول ترسيخ ذلك عن طريق الحد من زيادة درجة الحرارة ولكنها فشلت بسبب أن الهليوم لا يملك درجة الحرارة في النقطة الثلاثية للمراحل الصلبة والسائلة والغازية في حالة توازن. في 1938 اكتشف عالم الفيزياء الروسي بيوتر Leonidovich Kapitsa أن الهليوم - 4 يكاد لا يملك أي اللزوجة في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق وهي ظاهرة تسمى الآن ميوعة فائقة وترتبط هذه الظاهرة إلى تكاثف.لوحظ وجود نفس الظاهرة في الهليوم -3، ولكن في درجات الحرارة أقرب إلى الصفر المطلق من قبل الفيزياء الأميركي دوغلاس Osheroff دال ديفيد لي وروبرت ريتشاردسون جيم. ويعتقد أن هذه الظاهرة في الهليوم 3 - يجب أن تكون متصلة المزاوجة بين الفرميونات الهيليو م -3 لجعل البوزونات

Raies spectrales de l'hélium

[ استخراج واستخدام المياه

بعد عملية الحفر للنفط في 1903 في كستر أنتجت كاندساس السخان الغاز الذي لن يحترق في ولاية كنسناس جيولوجي ايراسموس هاوورث جمع عينات من الغاز مع مساعدة من الكيميائيين هاميلتون كادي وديفيد مكفارلاند، اكتشف أنها تتألف من حيث الحجم 72 ٪ النيتروجين وغاز الميثان 15 ٪ (نسبة احتراق فقط مع ما يكفي من الأوكسجين) 1 ٪ هيدروجين و 12 ٪ من الغاز مع مزيد من التحليل اكتشف كادي ومكفارلاند أن 1،84 ٪ من عينة الغاز والهليوم وهذا أظهر أنه على الرغم من ندرته الشاملة على الأرض وتركزالهليوم بكميات كبيرة تحت السهول العظمى الأمريكية والمتاحة لاستخراج منتجا ثانويا من الغاز الطبيعي إن أكبر احتياطيات من الهليوم كانت في حقول الغاز القريبة من جنوب غرب ولاية كاندساس ومكن ذلك أصبحت الولايات المتحدة أكبر مورد في العالم في مجال الهليوم بناءا على اقتراح من ريتشارد ثري لفال رعت الولايات المتحدة البحرية ثلاث محطات صغيرة للهليوم التجريبية خلال الحرب العالمية الأولى والهدف هو تزويد بالونات ابل مع أنها غير قابلة للاشتعال وأخف وزنا من الهواء والغازوقد سبق وأنتجت مجموعهM3 200000 مكعب) من الهليوم 92 ٪ في البرنامج استخدمت بعض من هذا الغاز في العالم للبحرية الأمريكية سي 7. استمر الإنتاج على الرغم من عدم وضعية عملية الاستخراج المناسبة وذلك باستخدام درجات الحرارة المنخفضة في الوقت المناسب لتكون كبيرة خلال الحرب العالمية الأولى. كان يستخدم في المقام الأول للهليوم الغاز زيادة على ذالك استخدام هذا الطلب خلال الحرب العالمية الثانية فضلا عن مطالب لحام قوس محمية تعين على حكومة الولايات المتحدة في عام 1925 بتزويد المناطيد العسكرية في زمن الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم. [5] وبسبب الحصار العسكري الأمريكي ضد ألمانيا إن إ مدادات الهليوم صارة ت مقيدة اضطرت لاستخدام الهيدروجين ورفع الغاز. وكان الاكتئاب في استخدام الهليوم بعد الحرب العالمية الثانية ولكن تم توسيعه لضمان إمدادات من الهليوم السائل كمبرد لإنشاء الأوكسجين / الهيدروجين وقود الصواريخ) خلال سباق الفضاء. وكان استخدام الهليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 أكثر من ثماني مرات في زمن الحرب ذروة الاستهلاك بعد "تعديلات أعمال الهليوم لعام 1960" (القانون العام 86-777)تم حقن خليط هليوم النيتروجين وتخزينها في حقل غاز الجرف لحين الحاجة إليه قد تم جمع مليار متر مكعب من الغازوالبلوغ كان 1.4 مليار دولار من الديون مما دفع الكونغرس في الولايات المتحدة في 1996 للتخلص التدريجي من الاحتياطات الناتجة 1996 " وجهت الولايات المتحدة وزارة الداخلية لبدء تفريغ الاحتياط بحلول عام 2005 إنتاج الهليوم بين عامي 1930 و 1945 بلغ نحو 98،3 ٪ نقية (2 ٪ النيتروجين) والتي كانت كافية للمناطيد. في عام 1945 وأنتجت كمية صغيرة من الهليوم 99،9 ٪ للاستخدام لحام بحلول عام 1949 متاحة لسنوات عديدة تنتج الولايات المتحدة أكثر من 90 ٪ من الهليوم تجاريا صالحة للاستعمال في العالم، في حين استخراج كندا، بولنداو روسيا ووغيرها من الدول المنتجة المتبقية. في منتصف 1990، مصنع جديد في أرزيووالجزائر إنتاج 17 مليون متر مكعب (600 مليون قدم مكعب) وبدأت العملية مع إنتاج ما يكفي لتغطية كل من الطلب في أوروبا. وفي غضون ذلك، بحلول عام 2000 كان استهلاك الهليوم داخل الولايات المتحدة وإرتفع إلى أعلى من 15 مليون كيلوغرام سنويا. [32] في الفترة 2004 في -2006 محطتين إضافيتين واحدة في رأس Laffen قطر وأخرى في سكيكدة بالجزائر ولكن اعتبارا من أوائل عام 2007 رأس يعمل بنسبة 50 ٪بسكيكدة بالجزائر وسرعان ما أصبحت ثاني أكبر منتج للهليومخلال هذا الوقت، وزيادة الاستهلاك على حد سواء للهليوم وتكاليف إنتاج الهليوم[34] في أسعار الفترة 2002 حتى 2007وخلال عام 2008 رفعت أسعار نحو 50 ٪.

[ الخصائص

ذرة الهليوم صورت في شكل نواة وتوزعت سحابة الإلكترونات في نواة الهليوم -4 وهو في واقع الأمر متماثل كرويا وتشبه السحابة الإكترونية على الرغم من وجود نوى أكثر تعقيدا.

Picture of a diffuse gray sphere with grayscale density decreasing from the center. Length scale about 1 Angstrom. An inset outlines the structure of the core, with two red and two blue atoms at the length scale of 1 femtometer.

The helium atom. Depicted are the nucleus (pink) and the electron cloud distribution (black). The nucleus (upper right) in helium-4 is in reality spherically symmetric and closely resembles the electron cloud, although for more complicated nuclei this is not always the case.

[ الهليوم في ميكانيكا الكم

الهليوم هو ذرة بسيطة تتحلل باستخدام قواعد ميكانيكا الكم وهذا بعد ذرة الهيدروجين. الإلكترونات في المدارات الذرية المحيطة بالنواة تحتوي على اثنين من البروتونات على طول مع بعض النيوترونات. كما هو الحال في ميكانيكا نيوتن لا يمكن حل أي نظام يتألف من أكثر من عقدين من جسيمات ذات النهج التحليلي الدقيق الرياضي والهليوم ليس استثناء. وبالتالي يتعين على الطرق الرياضية العددية في حل في نظام واحد اثنين من النواة ذات الالكترونات. وقد استخد مت هذه الأساليب في الكيمياء الحسابية لخلق صورة الكم الميكانيكية من الإلكترون في الهليوم;و في خطوات قليلة الحاسوبية. [36] وفي مثل هذه النماذج وجدت أن كل إلكترون في الهليوم له شاشات جزئية في النواة هذا من جهة حيث يرى كل إلكترون بحوالي 1،69 وحدة.

[ استقرار ذات نواة الهليوم - 4

نواة ذرة الهليوم - 4 مطابقة مع جسيمات ألفا، تجارب الطاقة العالية للإكترونات ادت إلى إظهار شحنتها إلى الانخفاض بشكل كبير كحد أقصى في نقطة مركزية تماما كما يفعل المسئول عن كثافة سحابة الهليوم والإلكترون الخاصة. هذهالتماثل تعكس الفيزياء الأساسية المماثلة : زوج من النيوترونات وزوج من البروتونات في نواة الهليوم ونفس القواعد الميكانيكية كما يفعل زوج الهليوم من الإلكترونات (على الرغم من الجسيمات النووية تخضع لإمكانات مختلفة ملزمة النووية) بحيث أن كل هذه الفرميونات احتلت في كامل لأزواج. على سبيل المثال طاقة الاستقرار وانخفاض الإلكترون سحابة في حسابات الهليوم (الأكثر تطرفا من جميع العناصر)، وأيضا عدم وجود تفاعل ذرات الهليوم مع بعضها البعض ينتج أقل ذوبان وغليان في نقاط جميع العناصر. استقرارو حيوية خاصة في نواة الهليوم - 4 التي تنتج عنها آثار مماثلة وحسابات لسهولة إنتاج الهليوم -4 في التفاعلات النووية التي تنطوي على حد سواء انبعاث الجسيمات الثقيلة. ويتم إنتاج بعض العناصر المستقرة مثل الهليوم - 3 في اندماجات الهيدروجين وهو جزء صغير جدا مقارنة مع الهليوم-4 واستقرار الهليوم-4 يؤدي إلى تحويل الهيدروجين وأيضا مسؤولة عن حقيقة أن للجسيمات ألفا إلى حد بعيد يمكن إخراجه النوع الأكثر شيوعا من الكتلة. وهذا ما يفسر حقيقة أن في الدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير باسم "شوربة" من البروتونات والنيوترونات الحرة التي أنشئت في البداية في حوالي 6:01، نسبة تبريد لدرجة أن النوية ملزمة وكلها تقريبا نواة مجمع الذرية الأولى على شكل الهليوم- 4 للإنتاج تستهلك كلها تقريبا من النيوترونات الحرة في بضع دقائق قبل أن يتمكنوا من بيتا الاضمحلال وترك أيضا بعض لتشكيل ذرات أثقل مثل الليثيوم والبريليوم أو البورون لتكون أقوى مما كانت عليه في أي من هذه نيوكلون والكربون. ولكن نظرا لعدم وجود عناصر وسيطة وهذه العملية تتطلب نواة الهليوم ثلاثة ضرب بعضهم البعض في وقت واحد تقريبا. وهكذا كان في بضع دقائق بعد الانفجار الكبير وذلك قبل بداية الكون توسيع تبريده إلى درجة حرارة وضغط حيث نقطة انصهار الهليوم إلى الكربون لم يعد ممكنا. بقي هذا الكون في وقت مبكر مع نسبة مشابهة جدا من الهيدروجين / الهليوم كما نلاحظه اليوم (3 أجزاء الهيدروجين إلى هليوم - 4 مع النيوترونات تقريبا كل شيء في الكون المحاصر في الهليوم-4. وكان بذلك جمع عناصر أثقل (بما في ذلك تلك اللازمة لكواكب صخرية مثل الأرض، في النجوم التي كانت ساخنة بما يكفي لصهر الهيدروجين ليس فقط (لهذا تنتج فقط مزيد من الهليوم) جميع العناصر الأخرى من حساب الهيدروجين والهليوم فقط 2 ٪ من كتلة المسألة النووية في الكون. الهليوم - 4 على النقيض من ذلك تشكل نحو 23 ٪ من الكونالمسألة مسألة عادية.

[ الغاز ومراحل البلازما

الهليوم هو الغاز الأقل رد فعل بعد النيون وبالتالي رد الفعل الثاني على الأقل من كل العناصر الخاملة وأحادية الذرة في جميع الظروف القياسية. لأن التوصيل الحراري لها أي الحرارة النوعية وسرعة الصوت في المرحلة الغازية كلها أكبر من أي غاز آخر عدا الهيدروجين. لأسباب مماثلة وأيضا بسبب صغر حجم ذرات الهليوم ومعدل الهليوم ونشرها من خلال المواد الصلبة هي ثلاثة أضعاف من الهواء وحوالي 65 ٪ من الهيدروجين. 0.4394، وx2/10-5 0.2372، على التوالي، مقابل الهليوم في 0،70797 x2/10-5، [39])، ومؤشر الهليوم من الانكسار هو أقرب إلى الوحدة من أن أي غازات أخرى. الهليوم [40] لديه سلبية جول طومسون معامل في درجات الحرارة المحيطة العادية، بمعنى أنه عندما يسخن سمح لتوسيع بحرية. فقط تحت درجة حرارة قلب جول طومسون في الغلاف الجوي بارد على توسيع الخطوط. [5] مرة واحدة تحت هذا precooled ويمكن من خلال تبريد الهليوم المسال التوسع. تم العثور على معظم الهليوم خارج الأرض في حالة البلازما، مما أدى إلى الموصلية الكهربائية عالية جدا، حتى عندما يكون الغاز المنأين جزئيا فقط. وتتأثر بشدة والجسيمات المشحونة بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية. على سبيل المثال، في الرياح الشمسية مع الهيدروجين المنأين، وتتفاعل مع جزيئات الغلاف المغناطيسي للأرض مما أدى إلى التيارات Birkeland وأوروا في

Illuminated light red gas discharge tubes shaped as letters H and e

Helium discharge tube shaped like the element's atomic symbol

[ المراحل الصلبة والسائلة

الهليوم المسال هو الهليوم السائل، ولكن تم تبريده إلى درجة ميوعة فائقة. قطرة من السائل في الجزء السفلي من الزجاج يمثل الهليوم هروب عفوي من الحاوية على الجانب، لتفريغه من الحاوية. يتم توفير الطاقة اللازمة لدفع هذه العملية من الطاقة الكامنة للهليوم.

Liquefied helium. This helium is not only liquid, but has been cooled to the point of superfluidity. The drop of liquid at the bottom of the glass represents helium spontaneously escaping from the container over the side, to empty out of the container. The energy to drive this process is supplied by the potential energy of the falling helium. See superfluid.

[ الهيليوم السائل

وعلى عكس أي عنصر آخر يظل الهليوم السائل وصولا إلى درجة الصفر المطلق في الضغوط العادية هذا هو التأثير المباشر لميكانيكا الكم على وجه التحديد والطاقة من نقطة الصفر مرتفعة للغاية للسماح بالتجميد للهليوم الصلب؛ يتطلب درجة حرارة -1،5 كلفن (-272 درجة مئوية أو حوالي -457 درجة فهرنهايت) وحوالي 25 بار (2.5 ميغاباسكال) من الضغط. [42] وغالبا ما يكون من الصعب التمييز بين الهليوم الصلب والسائل منذ الانكسار للمرحلتين هي نفسها تقريبا. الصلبة ونقطة انصهار حاد، ولها هيكل بلوري، ممارسة الضغط في المختبر يمكن أن تقلل من حجمه أكثر من 30 ٪ [43] مع معظم معامل بناءوفي أكثر 50 مرة من المياه للانضغاط. نظير الهليوم - 4 موجود في الحالة العادية سائل عديم اللون، مثل السوائل المبردة الأخرى، الهليوم يغلي عندما يسخن والعقود عندما يتم خفض درجة حرارته. الهليوم لديه مؤشر الغاز على غرار الانكسار من 1،026 مما يجعل سطحه صعب جدا أن يطفو من الستايروفوم وغالبا ما تستخدم لإظهاره حيث سطح هذا السائل عديم اللون يحتوي على اللزوجة منخفضة جدا وكثافة 0،145 جم / مل، التي ليست سوى ربع القيمة المتوقعة من الفيزياء الكلاسيكية في ميكانيكا الكم لشرح هذه الخاصية، وبالتالي كلا النوعين من الهليوم السائل تسمى سوائل الكم، بمعنى أنها تعرض خصائص نووية. قد يكون تأثير غليانها يجري على مقربة من الصفر المطلق، ومنع الحركة الجزيئية العشوائية (الطاقة الحرارية) الهليوم السائل أدناه نقطة لامدا لها تبدأ تظهر خصائص غير عادية جدا في حالة تسمى الهليوم الثاني غليان الهليوم الثاني غير ممكن بسبب التوصيل الحراري إدخال الحرارة يؤد إلى تبخر السائل مباشرة إلى غاز. الهليوم - 3 ولكن فقط في درجات حرارة أقل من ذلك بكثيرونتيجة وأقل كما هو معروف عن هذه الممتلكات في النظائر [5]. وعلى عكس السوائل العادية الهليوم زحف على طول الأسطح من أجل الوصول إلى مستوى متساو ي وبعد فترة قصيرة. من أجل الحفاظ على التوازن جزء من الهليوم الفائق وتسرب الهليوم الفائق من ويزيد من الضغط مما تسبب في السائل لنافورة من الحاوية. [47] والتوصيل الحراري الثاني الهليوم هو أكبر من أي مادة أخرى معروفة، مليون مرة من أن الهليوم الأول فالينس من الإلكترونات وعدة مئات المرات التي من النحاس. [5] وذلك لأن التوصيل الحراري يحدث بواسطة آلية الكم استثنائية. الهليوم الثاني لا يوجد لديه مثل هذه الفرقة فلينس لكن مع ذلك يجري بشكل جيد للحرارة. وينظم تد فق الحرارة عن طريق المعادلات التي تشبه معادلة الموجة المستخدمة لوصف انتشار الصوت في الهواء؛ عند عرض الحرارة وهو يتحرك في 20 متر في الثانية الواحدة 1،8 ك من خلال موجات الثاني الهليوم كما في ظاهرة تعرف باسم الصوت الثاني [5]. الهليوم الثاني أيضا معارض لتأثير الزاحف المواد السطحية. ويسمى هذا الفيلم فيلم رولين وسميت على اسم الرجل الذي يتميز أول هذه الصفة، برنار خامسا روبلين. [5] [48] [49] ونتيجة لهذا السلوك الزاحف وللهليوم قدرة على تسرب بسرعة من خلال فتحات صغيرة فمن الصعب جدا حصر الهليوم السائل. ما لم يتم بعناية الحاوية، والثاني الهليوم زحف على السطوح ومن خلال الصمامات حتى تصل إلى أكثر دفئا في مكان ما، حيث أنها سوف تتبخر. تخضع موجات نشر عبر فيلم روبلين من المعادلة نفس موجات الجاذبية في المياه ولكن بدلا من الجاذبية والقوة هي قوة استعادة فان دير فال. [50] وتعرف هذه الأمواج كصوت الثالث. [51]

[ النظائر

هناك ثمانية من النظائر المعروفة للهليوم ومنها الهليوم 3 - والهليوم – 4 المستقرة في الغلاف الجوي للأرض لمعظم العناصر والنظائر تختلف اختلافا كبيرا حسب المنشأ وذلك بسبب عمليات تشكيل مختلفة ويتم إنتاج النظائر الأكثر شيوعامثل الهليوم - 4 على الأرض عن طريق اضمحلال ألفا من العناصر المشعة لأثقل وجسيمات ألفا التي تظهر في الهليوم المتأين ،نواة الهليوم - 4 هي نواة مستقرة على نحو غير عادي وتشكلت أيضا في كميات هائلة خلال عملية الاصطناع النووي الانفجار الكبير. الهليوم - 3 موجود على الأرض فقط في كميات ضئيلة وأكثر من ذلك منذ تشكل الأرض وتنتج أيضا [53] كميات ضئيلة من الاضمحلال بيتا من الغلاف الجوي التريتيوم [54]و الصخور والقشرة الأرضية لديهم نسب النظائر المختلفة أقصر عمرا النظائر الثقيلة الهليوم - 5 وله عمر نصف 7،6 الهليوم - 6 يضمحل عن طريق إصدار جسيم بيتا وحياة نصف 0،8 ثانية. الهليوم - 7 تنبعث أيضا جسيمات بيتا وكذلك أشعة غاما. يتم إنشاء الهليوم - 7 و 8 في بعض التفاعلات النووية

[ تفاعله

الهليوم لديه التكافؤ صفر ويتفاعل كيميائيا تحت كل الظروف العادية. [43] كما هو الحال مع الغازات النبيلة الأخرى، والهليوم ومستويات الطاقة متبدل الاستقرار التي تسمح بالبقاء في المتأين والتفريغ الكهربائي مع الجهد دون جهد التأين لها. يمكن أن يتفاعل مع ا لتنجستن اليودوالفور والكبريت والفسفور عندما تعرض على المركبات الغير المستقر وقد تم وضع الهليوم داخل جزيئات الكربون قفص جوفاء (في الفوليرينات) عن طريق التسخين تحت ضغط عال. جزيئات الفوليرين endohedral شكلت مستقرة تصل إلى درجات حرارة عالية. عندما تتشكل هذه المشتقات الكيميائية الفوليرينات، ويبقى داخل الهليوم يستخدم [63] إذا الهليوم -3 لوحظ بسهولة الهليوم الطيفي بالرنين المغناطيسي. تم الإبلاغ عن [64] الفوليرينات كثيرة تحتوي على الهليوم - 3. على الرغم من عدم تعلق ذرات الهيليوم بواسطة روابط تساهمية أو أيونية وهذه المواد لها خصائص مميزة وتكون واضحة، على غرار جميع المركبات الكيميائية الهيليوم هو العنصر الثاني الأكثر وفرة في الكون المعروف (بعد الهيدروجين)، وتشكل 23 ٪ من كتلتها العظمى baryonique.الهليوم بواسطة عملية الاصطناع النووي الانفجار الكبير 1-3 بعد دقائق من الانفجار الكبير. على هذا النحو وقياسات الوفرة سيساهم في النماذج الكونية وفي النجوم وتشكيلها من قبل الاندماج النووي للهيدروجين في سلسلة من ردود الفعل البروتون ودورة المخدرات التشيكوسلوفاكي وهي جزء من عملية الاصطناع النووي ممتاز. [52]