اثر هارمونيك ها بر خازن ها

با سلام و عرض خسته نباشيد خدمت شما دوست عزيز

بلاخره بعد از يك مدت مديدي تصميم گرفتم بلاخره براي خالي نبودن عريضه هم كه شده مطلبي بفرستم و به اصطلاح اينترنتي آپ تو ديت باشم و ميگن به فارسي بگو به روز بودن.

بلاخره امروز مطلبي رو از سايت هوپا انتخاب كردم تا براتون بزارم اينجا، كه ملاك من هم از انتخاب اين موضوع تنوعي در مطالب وبلاگ است و بس!

اثر هارمونيك ها بر خازن ها

نقش خازنها به عنوان المان هاي الكتريكي و الكترونيكي كارآمد در صنايع مربوط به توليد و انتقال و توضيع امروزي غير قابل انكار است بگونه اي كه ديگر هرگز نمي توان چنين صنايعي را بدون وجود خازنهاي نيرو متصور شد.از اين رو شناخت كامل خازنها و عوامل تاثير گذار برآنها و حفظ و نگهداري و نظارت دقيق بر آنها ، براي افزايش طول عمر خازن ها و كار كرد بهينه آنها امري است الزامي و اجتناب ناپذير.

كليد واژه- خازن قدرت ، فركانس ، هارمونيك ها.

مقدمه

درسالهاي اوليه هارمونيكها در صنايع چندان رايج نبودند.به خاطر مصرف كننده هاي خطي متعادل. مانند : موتورهاي القايي سه فاز،گرم كنندها وروشن كننده هاي ملتهب شونده تا درجه سفيدي و ..... اين بارهاي خطي جريان سينوسي اي در فركانسي برابر با فركانس ولتاژ مي كشند. بنابراين با اين تجهيزات اداره كل سيستم نسبتا با سلامتي بيشتري همراه بود. ولي پيشرفت سريع در الكترونيك صنعتي در كاربري صنعتي سبب بوجود آمدن بارهاي غير خطي صنعتي شد. در ساده ترين حالت ، بارهاي غيرخطي شكل موج بار غير سينوسي از شكل موج ولتاژ سينوسي رسم مي كنند (شكل موج جريان غير سينوسي).

پديدآورنده هاي اصلي بارهاي غير خطي درايوهاي AC / DC ، نرم راه اندازها ، يكسوسازهاي 6 / 12 فاز و ... مي باشند. بارهاي غيرخطي شكل موج جريان را تخريب مي كنند. در عوض اين شكل موج جريان شكل موج ولتاژ را تخريب مي نمايد. بنابراين سامانه به سمت تخريب شكل موج  در هر دوي ولتاژ و جريان مي شود. در اين مقاله سعي شده است تا بزباني هرچه ساده تر توضيحي در مورد نحوه عملكرد هارمونيك ها و راه كاري براي دوري از تاثير گذاري آنها بر خازنها ي نيرو ارائه شود.

اساس هارمونيك ها :

اصولا هارمونيك ها آلوده سازي شكل موج را در اشكال سينوسي آنها نشان مي دهند. ولي فقط در مضارب فركانس اصلي . تخريب شكل موج را مي توان در فركانس هاي مختلف (مضارب فركانس اصلي) بعنوان يك نوسان دوره اي بوسيله آناليز فوريه تجزيه و تحليل كرد. در حال حاضر هارمونيكهاي فرد و زوج و مرتبه 3 در اندازه هاي مختلف ضرايب فركانس هاي مختلف در سامانه هاي الكتريكي موجودند كه مستقيما تجهيزات سامانه الكتريكي را متاثر مي سازند. در معنايي وسيعتر هارمونيكهاي زوج و مرتبه 3 هريك تلاش مي كنند كه ديگري را خنثي نمايند. ولي در مدت زماني كه بار نا متعادل است اين هارمونيك هاي زوج و مرتبه 3 منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژي شديد مي شوند. با تمام احوال هارمونيك هاي فرد اول مانند هارمونيك پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و .... عملكرد اين تجهيزات الكتريكي را تحت تاثير قرار مي دهند. براي فهم بهتر تاثير هارمونيك ها ، شكل زير تاثير تخريب هارمونيك پنجم بر شكل موج سينوسي را نشان مي دهد :

 

 

هارمونيك هاي ولتاژ و جريان تاثيرات متفاوتي بر تجهيزات الكتريكي دارند. ولي عموما بيشتر تجهيزات الكتريكي به هارمونيكهاي ولتاژ بسيار حساس اند. تجهيزات اصلي نيرو مانند موتورها، خازن ها و غيره بوسيله هارمونيكهاي ولتاژ متاثر مي شوند. به طور عمده هارمونيكهاي جريان موجب تداخل مغناطيسي (Magnetic Interfrence) و همچنين موجب افزايش اتلاف در شبكه هاي توزيع مي شوند. هارمونيكهاي جريان وابسته به بار اند ، در حالي كه سطح هارمونيكهاي ولتاژ به پايداري سامانه تغذيه و هارمونيكهاي بار (هارمونيكهاي جريان) بستگي دارد. عموما هارمونيك هاي ولتاژ از هارمونيك هاي جريان كمتر خواهند بود.    

 

تشديد:

اساسا تشديد سلفي – خازني در همه انواع بارها مشاهده مي شود. ولي اگر هارمونيك ها در شبكه توضيع شايع نباشند تاثير تشديد فرونشانده مي شود.

در هر تركيب سلفي – خازني چه در حالت سري و چه در حالت موازي ، در فركانسي خاص تشديد رخ مي دهد كه اين فركانس خاص فركانس تشديد ناميده مي شود. فركانس تشديد فركانسي است كه در آن رآكتنس خازني (Xc) و رآكتنس القايي (XL) برابر هستند.

براي تركيبي مثالي براي بار صنعتي كه شامل اندوكتانس بار و يا رآكتنس ترانسفورماتور كه بعنوان XL عمل مي كند و رآكتنس خازن تصحيح ضريب توان كه بصورت Xc خودنمايي مي كند فركانس تشديدي برابر با LC خواهيم داشت . رآكتنس خازني متناسب با فركانس كاهش مي يابد (توجه : Xc با فركانس نسبت عكس دارد). در حاي كه رآكتنس القايي متناسب با آن افزايش مي يابد (توجه

: XL با فركانس نسبت مستقيم دارد).اين فركانس تشديد به سبب متغير بودن الگوي بار متغير خواهد بود. اين مساله براي ظرفيت خازني ثابت كل براي اصلاح ضريب توان پيچيده تر است. براي درك صحيح اين پديده لازم است دو نوع وضعيت تشديد شامل حالت تشديد سري و حالت تشديد موازي مورد توجه قرار گيرند. اين دو امكان در زير توضيح داده مي شوند.

 

تشديد سري:

يك تركيب سري رآكتنس سلفي – خازني ، مدار تشديد سري شكل مي دهد كه در شكل زير نشان داده شده است.

 

 

به خاطر تركيب سري سلف و خازن ، در فركانس تشديد امپدانس كل به پايين ترين سطح كاهش مي يابد و اين امپدانس در فركانس تشديد طبيعتي مقاومتي دارد. بنا براين در فركانس تشديد رآكتنس خازني و رآكتنس سلفي (القايي) برابر هستند.اين امپدانس پايين براي توان ورودي در فركانس تشديد ، افزايش تواني جريان را نتيجه مي دهد.شكل داده شده زير رفتار امپدانس خالص در وضعيت تشديد سري را نشان مي دهد.

 

 

در كاربري صنعتي رآكتنس ترانسفورماتور قدرت به علاوه خازنهاي اصلاح ضريب توان در سمت ولتاژ پايين به عنوان يك مدار تشديد موازي براي سمت ولتاژ بالاي ترانسفورماتور عمل مي كند. اگر اين فركانس تشديد تركيب سلف و خازن بر فركانس هارمونيك شايع در صنعت منطبق شود ، بخاطر بستري با امپدانس پايين ارائه شده توسط خازن ها براي هارمونيك ها ، منجر به افزايش تواني جريان خازن ها خواهد شد. از اين رو خازن هاي ولتاژ پايين در سطحي بسيار بالا اضافه بار پيدا خواهند كرد كه همچنين اين عمل موجب تحميل بار اضافي بر ترانسفورماتور مي شود. اين پديده منجر به تخريب ولتاژ در شبكه ولتاژ پايين مي شود.

 

تشديد موازي:

يك تشديد موازي تركيبي از رآكتنس خازني و القايي است كه در شكل زير نمايش داده شده است.

 

 

در اينجا رفتار امپدانس برعكس حالت تشديد موازي خواهد بود كه در شكل داده شده در زير ، نشان داده شده است.در فركانس تشديد امپدانس منتجه مدار به مقداري بالا افزايش مي يابد. اين ، منجر به بوجود آمدن مدار تشديد موازي ميان خازن هاي اصلاح ضريب توان و اندوكتانس بار مي شود كه نتيجه آن عبور ولتاژ بسيار بالا هم اندازه  امپدانس ها و جريان هاي گردابي بسيار بالا درون حلقه خواهد بود.

 

 

در كاربري صنعتي خازن اصلاح ضريب توان مدار تشديد موازي با اندوكتانس بار تشكيل مي دهد.هارمونيك هاي توليد شده از سمت بار رآكتنس شبكه را افزايش مي دهند. كه موجب بلوكه شدن هارمونيك هاي سمت تغذيه مي شود.اين منجر به تشديد موازي اندوكتانس بار و اندوكتانس خازني مي شود. مدار LC (سلفي – خازني) مواز ي ، شروع به تشديد ميان آنها مي كند كه منجر به ولتاژ بسيار بالا و جريان گردابي بسيار بالا در درون حلقه مدار سلف – خازن (LC) مي شود. نتيجه اين امر آسيب به تمام سمت ولتاژ پايين سامانه الكتريكي است.

ايزوله كردن تشديد موازي از ايزولاسيون تشديد سري نسبتا پيچيده تر است.اساسا اين امر بخاطر تنوع بار صنعتي از زماني به زمان ديگر است كه موجب تغيير فركانس تشديد مي شود. شكل زير تاثير ظرفيت خازني ثابت و اندوكتانس متغير را نشان مي دهد.

 

 

اين تغيير مداوم فركانس تشديد ممكن است موجب تطبيق فركانس تشديد بر فركانس هارمونيك شود كه ممكن است منتج به ولتاژ بالا و جريان بالا كه سبب نقص و خرابي تجهيزات الكتريكي مي شوند ، گردد.بنا بر اين در هر دو تشديد موازي و سري خازنهاي قدرت متاثر هستند كه بكار گيري دستگاه هاي حفاظتي و ايمني را براي خازنها ايجاب مي نمايد. اين امر درك صحيح بر خازنهاي قدرت را قبل از از اعمال تصحيح بخاطر تاثير هارمونيك ها و تشديد ايجاب مي نمايد.

 

خازنهاي قدرت:

خازنهاي اصلاح ضريب توان نسبت به هارمونيك ها حساس اند و بيشتر عيوب خازنهاي قدرت ، عيوبي با طبيعت زير را نشان مي دهند :

هارمونيك ها – هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و ...

تشديد

اضافه ولتاژ

امواج كليد زني

جريان هجومي

ولتاژ آني بازگيري جرقه

تخليه / بازبست ولتاژ

 

بسته به طراحي ساختاري اساسي ، حدود پايداري در مقابل اضافه ولتاژ ، اضافه جريان و هارمونيكها براي دور كردن خازن از خرابي بسيار مهم است.

اساسا خازن ها امواج كليد زني توليد مي كنند كه عموما به عنوان جريان هجومي و اضافه ولتاژ آني دسته بندي مي شوند.

جريان هجومي پديده اي است كه هنگام به مدار وصل كردن خازن ها رخ مي دهد. امپدانس ارائه شده توسط خازن طبيعتا بسيار كم و مقاومتي است. اين امر منجر به جريان هجومي به بزرگي 50 تا 100 برابر جريان اسمي مي شود كه از خازن عبور مي كند ، اما چرا از خازن؟ زيرا امپدانس ترانسفورماتور در زمان روشن كردن خازن ها فقط در مقابل شار جريان مقاومت مي كند.

اين امر هنگامي پيچيده تر مي گردد كه در تركيب موازي بانك خازني ممكن است جريان هجومي كليد زني به سطحي بالاتر از 200 تا 300 برابر جريان اسمي برسد. اين جريان هجومي نتيجه تخليه خازن هاي از پيش شارژ شده موازي با آن مي باشد. در زير اين مطلب نشان داده شده است.نوعا جريان هجومي علاوه بر تخريب در شكل موج جريان سبب تخريب در شكل موج ولتاژ مي شود.

 

 

در هنگام خاموش كردن (از مدار خارج كردن) خازن ها ، بسته به شارژ ذخيره شده در آن ، اضافه ولتاژ ناگهاني بالاتري در زمان خاموش كردن خازن ها بوجود خواهد آمد كه ممكن است موجب پديد آمدن جرقه در پايه ها شود.

هنگامي كه خازن خاموش مي شود شار الكتريكي در خود نگه مي دارد و بوسيله مقاومتهاي تخليه ، تخليه (Discharge) مي شود. مدت زمان تخليه عموما بين 30 تا 60 ثانيه مي باشد. تا زماني كه تخليه بشكل موثري صورت نگرفته نمي توان خازنها را به مدار باز گرداند. هرگونه بازبست خازن قبل از تخليه كامل دوباره موجب افزايش جريان هجومي مي شود.

 

علاوه بر دستگاه هاي مسدود كننده هارمونيك ها كه با صحت خازن ها نسبت مستقيم دارند ، و در سر خط بعدي تشريح مي شوند ، دستگاه هاي تحليل برنده امواج كليد زني مثل جريان هجومي ، اضافه ولتاژ آني و غيره نياز دارند كه بطور دقيق تعريف و بررسي شوند.

 

دستگاه هاي مسدود كننده هارمونيك ها:

براي كاربري سالم خازن ها لازم است كه فركانس تشديد مدار LC (سلف – خازن) كه شامل ادوكتانس بار و خازنهاي اصلاح ضريب توان مي شود ، به فركانسي دور از كمترين فركانس هارمونيك تغيير داده شود. براي مثال هارمونيك هايي كه در سامانه توليد مي شوند و خازن هاي قدرت را متاثر مي سازند ، هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و غيره هستند. پايين ترين هارمونيكي كه بر خازن ها تاثير مي گذارد هارمونيك پنجم است كه در فركانس 250 هرتز ديده مي شود. اساسا اگر خازن ها با سلف ها موازي شده باشند ، انتخاب مقدار اندوكتانس به شكل زير است :

تركيب سري LC (سلف – خازن) در فركانسي زير 250هرتز تشديد مي كند . بنابراين در همه فركانس هاي هارمونيك ها تركيب سري سلف و خازن مانند يك تركيب سلفي عمل خواهد كرد و امكان تشديد براي هارمونيك پنجم يا هر هارمونيك بالاتري از بين مي رود. شكل زير ناميزان سازي (De – Tuning) خازن ها را نشان مي دهد.

 

 

اين تركيب سلف و خازن كه در آن فركانس تشديد در فركانسي دور از فركانس هارمونيك تنظيم شده است ، مدار LC (سلف – خازن) ناميزان شده

(De-Tuned) نام دارد. ضريب نا ميزان سازي نسبت رآكتنس به طرفيت خازني است. در مدار خازني ناميزان شده ، اساسا سلف مانند دستگاه مسدود كننده هارمونيك ها عمل مي كند. براي خازن ها ضريب مناسب ناميزان سازي حدود % 7 است كه فركانس تشديد را در 189 هرتز تنظيم مي كند.

اما ، ناميزان سازي % 5.67 همچنين در جايي استفاده مي شود كه فركانس تشديدي معادل 210 هرتز دارد . هر دو درجه ناميزان سازي ، مسدود كردن (بلوكه كردن) هارمونيك ها از خازن ها را تضمين مي كنند. شكل زير درجه ناميزان سازي را نمايش مي دهد.

 

 

 

بانك هاي ناميزان سازي خازن:

بانك هاي ناميزان سازي خازن نيازمند آن هستندكه با نكات اساسي زير مشخص شوند :

انتخاب درجه ناميزان سازي

محاسبه خازن كل خروجي مورد نياز

محاسبه افزايش ولتاژ بوسيله سلف هاي سري

درجه ناميزان سازي مطلوب بر پايه هارمونيك موجود است. لازم است كه هارمونيك هاي سمت بار اندازه گيري شوند تا در درجه ناميزان تصميم گيري شود.

*

خروجي خازن و سطح ولتاژ نياز به انتخاب صحيح بر اساس درجه ناميزان سازي دارند. براي مثال براي %7 ناميزان سازي براي رسيدن به 200 كيلو ولت آمپر رآكتيو خروجي (KVAR) در 400 ولت ، نياز به آن داريم كه خازن 240 KVAR خروجي با ولتاژ 400 ولت انتخاب نماييم. اين بدليل افزايش ولتاژ بوسيله اندوكتانس سري است. مشابها براي رسيدن به 200 KVAR خروجي در ولتاژ 440 ولت به خازن هاي 240 KVAR خروجي 480 ولتي نياز است.

محاسبه افزايش ولتاژ به سبب رآكتنس سري ، بر اساس ناميزان سازي است و به روش زير انجام مي گيرد :

( درجه ناميزان سازي – 1) / (ولتاژ نرمال مجاز) = ولتاژ خازن

 

سامانه خازني ايده آل:

براي تصحيح ضريب توان در بار صنعتي كنوني كه شامل هارمونيك ها و تشديد مي شود ، يك سامانه اتصال خازني اساسا بايد خصوصيات زير را دارا باشد :

ظرفيت خازني متغير بر اساس توان رآكتيو براي دوري از تغيير فركانس تشديد. اين امر انتخاب صحيح پنل هاي APFC را ممكن مي سازد. پنل APFC بايد خصوصيات زير را داشته باشد.

حسگرها بايد به طور مداوم سطح هارمونيك هاي ولتاژ را نمايش دهد و خازن ها را تحت زير سطوح بالاتر هارمونيك ها محافظت نمايد.

انتخاب محدوده هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و همچنين شناخت تخريب همه هارمونيك ها براي تنظيم حدود ايمن و همچنين پيش بيني تغييرات بعدي هارمونيك ها.

مونيتورينگ جريان RMS براي محافظت خازن ها تحت هر حالت تشديد.

كنترل مشخصات ، براي دوري از بكارگيري ظرفيت مازاد خازني تحت حالت كم بار.

انتخاب خازن با عمر بالا و با تضمين مشخصات زير :

ظرفيت اضافه بار : حداقل دو برابر جريان اسمي به طور مداوم و 350 برابر آن هنگام جريان هجومي.

قابليت پايداري در مقابل اضافه ولتاژ :بيشتر از %10 و بالاتر از ولتاژ مجاز بصورت پيوسته.

قابليت پايداري در مقابل هارمونيك ها : تضمين محدوده هاي هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و همچنين براي محدوده هاي THD.

مدار سلفي De – Tuned براي مسدود كردن هارمونيك ها (الگوي هارمونيك بار بايد قبل از تعيين درجه ناميزان سازي (De – Tuning) اندازه گيري شود).

انتخاب سطح خازن و سطح ولتاژ براساس درجه ناميزان سازي.

دستگاه هاي كليدزني با تقليل دهنده هاي داخلي براي تقليل امواج كليد زني براي خازن هاي قدرت.

اساسا اين خصوصيات با مطالعه متناسب هارمونيك هاي ولتاژ بار همراه است كه تضمين مي كند كه تاثير مخرب هارمونيك ها و تشديد از خازن ها دور شود كه بدين وسيله عمر خازن ها و كارايي كل سامانه الكتريكي را افزايش مي دهد.

 

نتيجه گيري

علم به شرايط و خصوصيات خازن ها و عوامل موثر بر آنها از جمله هارمونيك ها نه تنها موجب افزايش امنيت و سلامتي و طول عمر آنها خواهد شد بلكه سبب كاهش هزينه هاي پيش بيني شده و نشده در بكار گيري انرژي الكتريكي مي شود.

بعد پنجم ماده

خب بعد از حدود یک ماه البته کمتر میخوام امروز براتون یه مطلب جالب بزارم تا روح کنجکاو همیشگیتونو ارضا کنم

البته ببخشید که نتونستم بنویسم، خیلی درگیر امتحانات و سایر کارها بودم، اما الان دیگه اومدم بنویسم.

 اكنون دسامبر 2005 است و تصادم دهنده عظيم هادرون (ال اچ سي) در سرن در نزديكي ژنو اولين عمليات موفقيت آميز خود را به پايان رسانده است . در اتاق فرمان نيمه تاريكي در اعماق زمين، نمايشگر رايانه تصاوير رنگي دو رويداد ذوره اي از ميليلردها رويداد مشاهده شده توسط يكي از آشكارسازهاي غول پيكر ( ال اچ سي ) را نشان ميدهد. اين تصاوير براي فيزيكداناني كه دور آن جمع شده اند و طي هفته هاي گذشته به سختي مشغول كار بوده اند ، بسيار مهيج است آنها از خوشحالي فرياد ميكشند ،زيرا بر صفحه نمايش امظاي غير قابل ترديد بعد پنجم را ميبينند .گروه بسياري از فيزيكدانان بر اين عقيده اند كه چهار بعد چهان ما ( سه بعد مربوط به فضا و يك بعد مربوط به زمان) همانند نوك يك كوه يخ هستند كه قسمت اعظم آن زير آب قرار دارد. علاوه بر اين ميگويند ممكن است به زودي قادر به ديدن اثرات بعد پنجم باشند. حتي ممكن است بعد پنجم دست خود را در دور بعدي آزمايشهاي شتاب دهنده، براي ما رو كند و اين چشم اندازي است كه دهان هر فيزيكدان ذره اي را آب خواهد انداخت ! اما اين شور و شعف تنها به خاطر خود بعد پنجم نخواهد بود . زيرا چنين چيزي گامي بزرگ در پيشروي دراز مدت به سوي يك « نظريه همه چيز» خواهد بود .

نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد . كوردون كين ، نظريه پردازي از دانشگاه ميشيگان ، ميگويد: اگر بعد پنجم را كشف كنيم ، اين مهمترين كشف پس از نظريه كوانتوم خواهد بود نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد .

انديشه وجود بعد پنجم چيز جديدي نيست و از كارهاي انجام گرفته دو رياضي دان‌ آلماني به نام هاي تئودور-كالوتساو اسكار كلاين در دهه 1920 ناشي شده است ، با استفاده از كارهاي انيشتين كه نشان داده بود (گرانش از انحناي ساختار چهار بعدي فضا -زمان ناشي ميشود ) اين دو رياضي دان كه مستقل از يكديگر كار ميكردند در جستجوي اين بودند كه نشان دهند ممكن است نتوان نيروي الكترومغناطيسي توسط يك بعد پنجم به حساب آورد براي توضيح اينكه چرا هرگز اثرات بعد پنجم در انرژيها و فواصل عادي ديده شده است ، آنها فرض كردند كه بعد پنجم به اندازه اي كوچكتر از يك اتم در هم پيچيده است در نظريه كالوتسل-كلاين(KK ) هر نقطه فضاي عادي ، در واقع يك حلقه در اين بعد پنجم ميباشد . يك ذره باردار ( حتي اگر در فضاي عادي بي حركت باشد ) همانند موش در چرخ گردان دائماً به دور حلقه در حركت خواهد بود آنچه ما بار الكتريكي ميناميم ، در واقع حركت در اين بعد مخفي ميباشد . چند ارتباط قانع كننده بين اين حركت و نظريه كلاسيك الكترومغناطيس وجود دارد . به عنوان مثال ، اگر قانون نيوتن را كه ميگويد براي هر عمل در امتداد بعد در هم پيچيده يك عكس العمل وجود دارد را اعملا منيد به قانون بقاي بار الكتريكي خواهد رسيد. كالوتسا و كلاين علي رغم موفقيتي كه بدست‌آوردند نتوانستند تعريفي مه نيروي الكتومغناطيسي و گرانش را با هم در بر بگيرد ، ادامه دهنده دو نيروي اساسي ديگر در آن زمان كشف نشده بودند .

اين دو نيرو عبارتند از نيروي ضعيف كه روي كواركها عمل ميكنند تا «چاشي» آنها رامثلاً‌از يك كوارك بالا به يك كوارك پائين انتقال دهد . و نيروي قوي كه چيزي را به نام بار «رنگي» كواركها شناخته ميشود ، تغيير ميدهد . تا اينجا براي ساختن چهارچوبي كه شامل همه اين چهار نيرو باشد ، نسخه هاي جديد نظريه KK بايد ابعاد بيشتري را در نظر بگيرد . خواص كواركها مثل چاشني و رنگ در حلقه هاي چند بعدي KK تبديل به رقصهاي مداري ميشوند .

امروزه نظريات ابر ريسماني كه قطعات اساسي سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدي تكه هاي كوچكي از ريسمان ارتعاش كننده در نظر ميگيرند ، به ده بعد نياز دارد .

معمولاً بيان ميشود كه شش بعد اضافي ، با شعاع انحنائي معادل1035 متر در هم پيچيده شده اند اين مقدار به عنوان طول « پلانك» ناميده ميشود مقياسي كه در آن گرانش از لحاظ قدرت باساير نيروهاي طبيعت قابل مقايسه ميشود اصل عدم قطعيت كه يكي ار اجزاي اصلي نظريه كوانتوم است ، ميگويد كه هر چه مقياسي را كع ميخواهيد كاوش كنيد كوچكتر باشد ، به انرژي بيشتري نياز خواهيد داشت بنابراين مقياس بسيار كوچك پلانك با انرژي عظيمي معادل 1019 گيگا الكترون ولت (GeV ) مرتبط است . اين انرژي تنها در خلال اولين كسر تأييد انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت و مقدار آن 100 تريليون برابر بالاترين انرژي هايي است كه امروزه در شتابدهنده هاي ذرات ميتوان به آن دست يافت .

بنابراين هيچ تعجبي ندارد كه تا قبل از اين بعد پنجم تنها به عنوان يك كنجكاوي ذهني در نظر گرفته ميشد .

موضوعي كه همه چيز را دستخوش تغيير كرده است ، فهميدن اين مسئله است كه نيازي نيست ابعاد اضافي در اندازه اي به كوچكي طول يك پلانك در هم پيچيده شده باشند كيت دنيس از آزمايشگاه فيزيك ذره اي سرن ميگويد :هيچ دليل قابل قبولي در اين مورد وجود نداشت ، جز اينكه طول پلانك يك مقياس فيزيكي طبيعي است اگر ابعاد اضافي بزرگتر از ابعاد پلانك باشند در اين صورت اثرات آنها در انرژي كمتري (كه حتي ممكن است انرژي كمي معدلGeV 1000 باشد) توسط ذرات قابل احساس خواهد بود . و اين چيزي است كه توسط تصادم دهنده هادرون به آساني قابل دسترسي خواهد بود .

اين نظر كه ممكن ا ست ابعاد اضافي در طولهايي بسيار بزرگتر از مقياس پلانك ظهور كنند اولين بار توسط ايگناتيوس آنتونيادليس ار دانشكه فني پاريس مطرح شد . در سال 1990 او سعي ميكرد كه يك مسله پيچيده در مسئله ابر آسماني را حل كند ، و متوجه شد كه مسئله را مي توان با ابعاد اضافي بزرگي كه دقيقاً‌چنين ويژگي هائي را دارا بودند حل كرد . با اين حال او به مشكل جديدي برخورد كرد ابعاد بيشتر به طور خودكار ذرات جديدي را به وجود مي آورند و اين ذرات اثرات مشكل برانگيزي دارند . ذرات جديد به اين دليل به وجود مي آيند كه تمامي ذرات اصلي ميتوانند شبيه موج نيز رفتار كنند تصور اين مسئله مشكل است اما هنگامي كه يك ذره اساسي در ابعاد بالاتر حركت مي كند مؤلفخ موج مانند آن به حركت در اطراف آن در بعد بالاتر مي پردازند و توليد يك مجموعه «پژواك» ميكند اين پژواكها كه حالات كالوسا -كلاين ناميده ميشوند براي ما به عنوان ذرات كاملاً‌جديد به نظر خواهند رسيد به عنوان مثال بوزون كه يكي از حمل كنندگان نيروي هسته اي ضعيف است داراي مجموعه كاملي از خويشاوندان بزرگتر است كه در تصادمهاي پرانرژي موجوديت خواهند يافت.

مسئله اي كه آنتونياديس با آن برخورد كرد مبدأ تلاشهاي دانشمندان براي يافتن بك «‌نظريه بزرگ واحد»‌ (GUT ) گرديد چنين نظريه اي بايد توضيح دهد كه چگونه نيروهاي ضعيف ،قوي و الكترومغناطيسي، همچنان كه جهان اوليه سرد ميشد از حل يك نيروي واحد تنها بيرون آمدند و از هم جدا شدند و برعكس چگونه در انرژي هاي بسيار زياد اين سه نيرو مجدداً‌ يكي ميشوند طبق اين نظريه با افزايش انرژي نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف ، قويتر و نيروي قوي ضعيفتر ميشود آنها در انرژي حدودGeV 1016 تبديل به يك نيروي واحد ميشوند متأسفانه ظهور گروه هايي از ذرات جديد حامل بعد نيرو از دل بعد پنجم نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي را قويتر را قويتر از آنچه كه انتظار ميرود ميسازد و اغلب فيزيكدانان از جمله آنتونياديس گمان ميكنند كه آنها آنقدر قوي خواهند شد كه نمي توان شيوه هاي مرشوم رياضي را در موردشان بكار برد .

كواركهاي آزاد به نظر ميرسد كه اين مسئله مانع بزرگي بر سر راه باشد ، دنيس ميگويد: اين چيزي بيشتر از يك مشكل رياضي است نيروها آنقدر قوي خواهند شد كه كل روش نظري براي اتحاد نيرو ها را نا معتبر ميكند اين همانند آن است كه بخواهيم كواركها را هنگامي كه نيروهاي بين آنها آنقدر قو ي است كه وجود كواركهاي آزاد را امكان پذير ميسازد به عنوان ذرات آزاد در نظر بگيريم .

آنتونياديس با خنثي كردن اثرات پژواكهاي KK راهي را براي حل مسئله و در نتيجه حفظ اتحاد در انرژي GeV 1016 پيدا كرد اما در اوايل سال 98 براي دنيس و دو نفر از همكارانش در سرن به نامهاي ايمليان دوداس و توني كركتا اين سؤال پيش خواهد آمد كه چه روي خواهد داد اگر به پژواكهاي KK اجازه داده شود تا در قدرت نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي دستكاري كنند . اين سه نفر خيلي خود ه اين نتيجه رسيدند كه بعضي از نيروها خيلي زود قوي ميشوند اما در كمال تعجب دريافتند كه نيروها هنوز يكي «متحد»‌ شوند علاوه بر اين اتحاد هنگامي روي داد كه نيروها هنوز ضعيفتر از آن بودند كه بتوان شيوه هاي مرسوم رياضي را در مورد آنها بكار بود دنيس مي گويد : بر خلاف تصور همه اتحاد در انرژي كمتر از GeV 1016 امكان پذير است در حقيقت اگر ابعاد اضافي در طولي معادل m 1019 متر در هم پيچيده شده باشند انرژي اتحاد مي تواند مقداري برابر GeV 1000 داشته باشد .

محققان از اين موضوع شگفت زده شدند زيرا گمان ميرفت كه اتحاد در چنين انرژي كمي غير ممكن است يكي از دلايل براي اين موضوع واپاشي پروتون بود اگرچه نظريه هاي GUT پيش بيني ميكنند كه پروتون ها بايد واپاشيده شوند اما اين واپاشي هرگز مشاهده نشده است توضيح معمول براي اين مسئله اين بود كه واپاشي شامل يك ذره حامل نيروي GUT است اين ذره آنقدر سنگين است كه تا كنون شناخته نشده است اما اگر مقياس GUT از GeV 1016 پائين تر آورده شود حاملين نيروي GUT نسبتاً ‌سبكتر خواهند شد و بنابراين شاهد واپاشي پروتون هاي بسياري خواهيم بود دنيس مي گويد : خوشبختانه يك بعد پنجم ما را نجات خواهد داد واپاشي پروتون بايد به حفظ اندازه حركت در 5 بعد بپردازد بنابراين خواص بعد پنجم را مي توان چنان انتخاب كرد كه بسياري از عواملي كه در فروپاشي پروتون دخالت دارند بقاي اندازه حركت در 5 بعد را نقض كنند و بدين ترتيب واپاشي پروتون روي ندهد .

البته این مقاله کار خودم نبود اما چون جالب بود من خوشم اومد بزارم تا شما هم استفاده کنید.

پیشاپیش از نظرات شما متشکریم

با تشکر

کوانتش در فیزیک کلاسیک

نظريه نسبيت و نظريه مكانيك كوانتومي دو شالوده نظري مهم فيزيك قرن بيستم را تشكيل مي دهند. درست همان گونه كه نظريه نسبيت به بينش هاي جديدي از طبيعت فضا و زمان و نتايج عميقي در مكانيك كلاسيك و الكترومغناطيس منجر مي شود.

نظريه مكانيك كوانتومي نيز به روش هاي فكري كاملا جديدي كه پايه فهم ساختار اتمي و هسته اي اند، منجر مي شود. با اين وجود بعضي از جنبه هاي توصيف كوانتومي طبيعت كاملا جديد نيستند و در حقيقت در فيزيك كلاسيك نيز يافت مي شوند.

تقسيم بندي كميت ها:

در مطالعه دنياي فيزيكي با دو نوع عام از كميت هاي فيزيكي سروكار داريم: كميت هايي كه داراي پيوستاري از مقاديرند «كميت هاي پيوسته). و كميت هايي كه كوانتيده اند. كميت هاي كوانتيده محدود به مقادير گسسته معيني هستند. گاهي آنها را به عنوان كميت هايي كه داراي "اتميسيته" يا "دانه" هستند نيز بيان مي كنند.

برخي كميت هاي فيزيكي پيوسته كلاسيكي يا غير كوانتيده عبارتند از:

سرعت يك ذره آزاد كه مي تواند از صفر تا سرعت نور تغيير كند.

بزرگي اندازه حركت زاويه اي يك ذره كه از صفر تا بينهايت مي تواند هر مقداري را اختيار كند.

انرژي مكانيكي يك دستگاه دو ذره اي ، كه هر گاه اين دو ذره به يكديگر مقيد باشند هر مقدار منفي (Em<0) و هر گاه آزاد باشند هر مقدار مثبتي (Em>0) را مي توانند بپذيرند. كه Em معرف اترژي مكانيكي سيستم مي باشد.

زاويه بين جهت گشتاور دو قطبي يك آهنربا و يك مغناطيس خارجي ، كه مي تواند از 0 تا 180 درجه تغيير كند.

برخي كميت هاي فيزيكي با مقادير كوانتيده عبارتند از:

جرم هاي سكون مشاهده شده اتم ها كه در يك گستره پيوسته قرار نمي گيرند. اين مطلب ابتدا در مطالعات بنيادي تركيبات شيميايي كه به نظريه اتمي دالتون منجر شدند، مشاهده شد.

امروزه جرم اتم هايي كه در طبيعت يافت مي شود بادقت زيادي معلوم شده است. اما جالب است بدانيم كه اين جرم ها تقريبا به نسبت اعداد صحيح اند، نه دقيقاً برابر با آن.

يكي از وظايف فيزيك هسته اي توضيح اين انحراف ها نسبت به اعداد صحيح به كمك چند اصل اساسي است.

بار الكتريكي كوانييده است:

زيرا بار كل هر جسمي دقيقا ً مضرب صحيحي (مثبت يا منفي) از بار الكتريكي بنيادي الكترون (e) است. كوانتومي شدن بار كه به وضوح در مفهوم شميايي ظرفيت و در قوانين الكتروليز آشكار شده بود، به وسيله آزمايش قطره روغن ميليكان به طور مستقيم نشان داده شد. در اين آزمايش بار الكترون مستقيماً اندازه گيري شداندازه گيري بار الكترون).

كوانتيدگي فركانس نوسان فيزيك امواج ايستاده:

امواج ايستاده و تشديد كه ظهورات كاملاً برجسته كوانتش در فيزيك كلاسيك هستند. فركانس نوسان يك تار مرتعش تشديد كننده كه دو انتهاي آن ثابت است فقط مي تواند مضرب صحيحي از پايين ترين فركانس يا فركانس اصلي نوسان باشد. فركانس اصلي به نوبه خود با استفاده از خواص فيزيكي و طول تار تعيين مي شود.

اين موج مكرراً از مرزها يا از دو انتهاي ثابت تار رويش باز مي تابد و با خود موج اوليه تداخل سازنده ايجاد مي كند و فيزيك امواج ايستاده توليد مي گردد.

تشديد فقط در صورتي حاصل مي شود كه فاصله بين دو نقطه انتهايي «طول تار) دقيقاً مضرب نصف صحيحي از نصف طول موج باشد. البته فقط وقتي موج داراي گسترش نامتناهي در فضا باشد، فركانس آن دقيقاً تعيين مي شود.

اين استدلال حتي براي موج هايي كه بين مرزهاي بازتابان به دام افتاده اند، نيز معتبر است. زيرا مي توان چنين تصور نمودكه اين فيزيك امواج بينهايت بار برروي خود تاب خورده است.

مثالهاي عام كوانتش كلاسيكي:

يك تاس پرتابي برروي وجوه خود فقط اعداد صحيح 1و2و3و4و5و6 را دارد. اين تاس يكي از مثال هاي روزمره است كه كميت هاي كوانتيده را نشان مي دهند. مثال هاي معروف ديگر عبارتند از:

روي يك سكه ، افراد مردم و تعداد سكه ها

نظريه مكانيك كوانتومي در مورد كوانتش چه مي گويد؟

نظريه مكانيك كوانتومي به مقدار زيادي مبتني بر اين كشف است كه بعضي كميت ها كه در فيزيك كلاسيك پيوسته در نظر گرفته مي شدند، در حقيقت كوانتيده اند. از لحاظ تاريخي آغاز اين نظريه به تعبير شدت تابش الكترومغناطيسي از يك جسم سياه بر حسب طول موج با انتظارات نظري الكترومغناطيس توافق ندارد.

ماكس پلانك تدوين كننده نظريه مكانيك كوانتومي در سال 1900 ميلادي نشان داد كه تجديد نظر در مفاهيم كلاسيكي به كمك كوانتش انرژي منجر به برقراري توافق بين آزمايش و نظريه مي شود و از اين طريق يك پل ارتباطي بين مكانيك كلاسيك و مكانيك كوانتومي ايجاد شد كه با وجود تعارضات فاحش ، تشابهات زيادي نيز باهم دارند.

سرعتي بالاتر از سرعت نور

سرعتي بالاتر از سرعت نور

آيا واقعا ممكن است كه سرعت هاي بالاتر از سرعت نور وجود داشته باشد؟

بر اساس نظريه نسبيت هيچ فرآيند فيزيكي نمي تواند در سرعت هاي بالاتر از سرعت نور در خلا انجام گيرد. بدون ترديد ، قابل قبول نبودن اين سرعت ها يكي از عجيب ترين فرضيات فيزيك جديد است.
ابر نور
در كنار دنيايي با سرعت هاي كمتر از سرعت نور (جهان تارديون ، مشتق از كلمه لاتين تاردوس به معناي آهسته) دنياي ديگري وجود دارد كه سرعت نور در آن از سرعت هاي ديگر كمتر است، نه بيشتر (جهان تاكيون مشتق از لغت يوناني تاخيس به معني سريع مي باشد). دنياي دوم كشف نشده است ، زيرا هيچ نقطه مشتركي با دنياي اول ندارد.

در سالهاي اخير ، تعدادي مقاله تحقيقاتي منتشر شده كه نويسندگان آنها احتمال وجود ذرات «ابر نور» را كه تا كنون ناميده اند، مورد بررسي قرار داده اند.

واقعيت عجيبي كه در مورد فرضيه ابر نور وجود دارد، آنست كه اين فرضيه ، نظريه نسبيت خاص را نقض نمي كند ، بلكه آن را با دنيايي كه در آن سوي محدوده سرعت نور قرار دارد سازگارتر و هماهنگ تر مي سازد.
اگر تاكيون‌ها وجود داشتند؟
عقايد متفاوتي در اين مورد وجود دارد. اگر تاكيون ها واقعا وجود داشته باشند، چه مي شود؟ در اين صورت آنها نوع سوم ذراتي مي باشند كه براي ما شناخته شده اند. اولين نوع شامل ذراتي است كه هيچگاه به سرعت نور نمي رسند. (يعني تقريبا تمام ذرات بنيادي شناخته شده) ، نوع دوم فوتون‌ها (كوانتاهاي تابش الكترومغناطيسي) و احتمالا نوترينوها مي باشند كه هر دو آنها با سرعت نور منتشر مي شوند. تاكيون ها همواره داراي سرعتي مي باشند كه از سرعت نور بيشتر است.
دنياي تاكيون ها و دنياي ما
دنياي تاكيون ها هيچ نقطه مشتركي با دنياي ما كه در آن سرعت ها كمتر از سرعت نور است ندارد. سه نوع ذره‌اي كه هم اكنون ذكر آنها به ميان آمد، داراي يك خاصيت مشترك مي‌باشند. ذرات يك گروه تحت هيچ شرايطي نمي توانند به ذرات گروه ديگر تبديل شوند. از سوي ديگر ، فقط بر اساس دانش جديد مي توانيم چنين اظهار نظري را به عمل آوريم. اگر اين مسئله را از ديدگاه اطلاعات علمي كامل‌تري كه هنوز ناشناخته است مورد بررسي قرار دهيم، ممكن است كه كاملا تغيير نمايد. در آن صورت مي توانيم فرض كنيم كه دنياي تاكيون ها با دنياي ما برخورد پيدا مي كند و اين بدان معني است كه فرآيندهايي در طبيعت وجود دارند كه در جهات نامشخص پيش مي روند.

اصل عليت كه بر اساس آن علت هميشه مقدم بر معلول است يك اصل اساسي فيزيكي است. به بيان ديگر ، هيچ رويدادي نمي تواند گذشته را تحت تاثير قرار دهد و موجب تغيير آن چيزي گردد كه اتفاق افتاده است، ولي در دنياي ذراتي كه با سرعت نور و يا بيشتر از آن حركت مي كنند ، اين اصل ممكن است تغيير نمايد و علت و معلول با توجه به چارچوب مرجع جاي خود را عوض كنند.

در فرآيندهايي كه پيام ها با سرعت بيشتر از سرعت نور حركت مي نمايند، تسلسل وقايع (وقايعي كه پيش از وقايع ديگر رخ مي دهند) به انتخاب دستگاه مختصات بستگي پيدا مي كند، در عين حال ، جهت جريان اطلاعات يعني اساس بستگي علت و معلول تغيير نمي نمايد. اين مسئله موجب نقص عليت مي گردد.
بازگشت به گذشته
گمان مي‌رود چنين جرياني بتواند براي ايجاد ارتباط تلفني با گذشته كمك كند يا ممكن است شخصي خود را به ساعت 11 صبح روز قبل انتقال دهد … . چنين چيزي مادامي كه دنياي سرعتهاي كوچك‌تر از سرعت نور با دنياي سرعتهاي بزرگ‌تر از سرعت نور برخورد پيدا كند، تناقض مي‌باشد. اگر فقط محدوده سرعت‌هاي بالاتر از سرعت نور را مورد توجه قرار دهيم، چين تناقضاتي به‌وجود نمي‌آيد. تاكنون هيچ يك از اطلاعات تجربي به دست آمده وجود تاكيون‌ها را به اثبات نرسانيده‌اند.
دنياي ريز ذره‌ها
پيشرف جهان كوچك عقايد و تصورات خارق‌العاده‌اي پديد مي‌آورد كه نظريه‌هاي دانش عادي را نقض مي‌كند و آشكارا نشان مي‌دهد. چنين عقيده‌اي كه معلومات امروزي علمي مفاهيم مطلق و غير قابل تغييري هستند، پوچ مي‌باشد. به نظر نمي‌آيد كه هيچگاه پيشرفت فيزيك و اختر فيزيك به انتها برسد.

فرضيه ذرات بنيادي كه همواره وقايع عجيب‌تري را آشكار مي‌سازد. دائما با مفاهيم پيچيده رياضي و ساير مفاهيم پيچيده به‌ وجود مي‌آيد كه با دنيايي كه ما را احاطه كرده هيچ گونه مشابهتي ندراد. بايد گفت كه اين فرضيه روز به روز بيشتر با فرضيه كيهاني آميخته مي‌شود. به عبارت ديگر قوانين طبيعي حاكم بود و نقطه نهايي و متضاد ابعاد جهاني يعني دنياي ريز ذره‌ها و دنياي وقايع كيهاني هيچگاه با يكديگر متناقض نيستند.
بيان ريز ذره‌ها بوسيله پديده گرانشي
با نفوذ بيشتر در دنياي ريز ذره‌ها ، اثرات گرانشي بطور قابل توجهي كمتر مي‌شوند. ولي اين مساله تا نقطه معيني صادق است و نقش آنها بطور مشخصي افزايش مي‌يابد. و آنها مانند وضعيتي كه در جهان بزرگ وجود دارد به صورت پديده‌هاي فيزيكي غالب در مي‌آيند. در دنياي ريز ذره‌ها كه وجه مشخصه آن فواصل كوچك است، مقادير انرژي و در نتيجه جرم به اندازه‌اي افزايش مي‌يابد كه از اين نظر دنياي ريز ذره‌ها مشابه پديده‌هاي دنياي بزرگ و فوق‌العاده بزرگ مي‌گردد و دو جهان مانند گذشته يكي مي‌شوند و به همين دليل آنها برخي از قوانين طبيعت مشترك هستند.

سياهچاله‌ها كه نشان‌دهنده چگالي فوق‌العاده زياد ماده هستند، ناحيه ديگري مي‌باشند كه در آن وقايع جهاني و ميكروسكوپيك باهم يكي مي‌شوند. در اينجا پديده گرانشي در هر دو حالت عظيم است كه در حالت اول بصورت هندسه تغيير يافته فضا و در حالت دوم به صورت اثرات مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود.