دانستنی های ضروری مغناطيس ٥١ نور شمالگان )شفق قطبی( ٥2 کاربردی از آهنرباها در زندگی ٥٣ میدان مغناطیسی زمین ٥٤ اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین

Transcript

1 دانستنی های ضروری فصل 4 مغناطيس ٥١ نور شمالگان )شفق قطبی( ٥2 کاربردی از آهنرباها در زندگی ٥٣ میدان ی زمین ٥٤ اندازه گیری میدان ی زمین ٥٥ نیکال تسال ٥٦ کارل فردریش گاؤس ٥٧ دستگاه های اندازه گیری و موتورها ٥٨ آزمایش اثر میدان ی بر بار الکتریکی متحرک ٥٩ اثر هال ٦٠ هانس کریستین اورستد ٦١ قطارهای ی ٦2 اندازه گیری میدان ی در هر نقطه ٦٣ مواد ی ٦٤ کاربرد میدان های ی در پزشکی ٦٥ زیست ٦٦ میدان های ی بدن انسان

2 دانستنی 61 قطارهای ی قطارهای ی که به اختصار به آن ها Maglev می گویند levitation( )magnetic وسایل حمل و نقل سریع تر آرام تر نرم تر و با بازدهی بهتر انرژی نسبت به قطارهای معمولی هستند. دو نوع از این قطارها امروزه به کار می رود. یکی در ژاپن و دیگری در آلمان. در هر دو نوع این قطارها برای از بین بردن اصطکاک لغزشی واگن ها در اثر نیروی رانش ی روی بالشتکی از هوا قرار گرفته اند. در نوع ژاپنی برای ایجاد نیروی رانشی بر آهنرباهای قرار گرفته در زیر پایه های قطار از آهنرباهای الکتریکی ابر رسانا استفاده می شود که در امتداد ریل موجود در کف داالن هدایت کننده ی قطار قرار گرفته اند. این نیرو قطار را بین ١ تا ١٠ سانتی متر باالتر از ریل نگه می دارد. پیچه ی بالا نگه دار پیچه ی پیش ران شکل )٩2( 96 مسیر حرکت شکل )٩٣(

3 واگن هایی که به این طریق از سطح زمین فاصله گرفته اند با نیرویی الکتروی به جلو رانده می شوند. برای اعمال این نیروی جلوبر آهنرباهای الکتریکی دیگری در امتداد دیواره های واگن ها و دیواره های جانبی داالن تعبیه شده اند. این آهنرباها هم باعث ثبات و هم هدایت قطار در طول سفر می شوند. جریان برقراری در سیملوله های موجود در دیواره ی داالن راهبر قابل تغییر است. وقتی هم قدرت و هم جهت میدان آهنرباهای الکتریکی قابل تغییر باشد هم بتوانند به عنوان جلوبر عمل کنند و هم به عنوان ترمز. برای جلو راندن قطار جهت میدان های ی در دیواره های راهبر متناوبا تغییر می کند تا بتواند آهنرباهای روی دیواره ی قطار را به جلو براند. در شکل زیر واگن نسبت به دیواره ها در وضعیتی است که نیروهای ربایشی و رانشی برآیندی رو به جلو دارند. وقتی واگن کمی جلوتر بیاید تا هر دو جفت N و S مقابل هم باشند نیروها مؤلفه ی افقی نخواهند داشت ولی واگن به خاطر سرعتی که داشته از این وضعیت رد می شود و در همین لحظه قطب های آهنرباهای دیواره تغییر می کند در غیر این صورت نیروها مؤلفه ی افقی به سوی عقب پیدا می کرد اما با تغییر قطب ها باز هم نیروها مؤلفه ی افقی رو به جلو خواهند داشت. 97 شکل )٩٤( در این قطارها اصطکاک لغزشی سطوح تماس حذف شده و با طراحی شکل واگن ها اصطکاک هوا نیز به کمترین حد ممکن رسیده است. بنابراین قطارها می توانند با سرعتی حدود ٥٠٠ km h حرکت کنند.

4 شکل )٩٥( در نوع آلمانی که سرعتی در حدود ٤٠٠ km h دارد مطابق شکل روبهرو نیازی به داالن نیست و کابین قطار توسط بازوهای جانبی روی یک ریل راهبر به شکل سوار میشود و با برقراری جریان در آهنرباهای الکتریکی موجود روی ریل و بازو و ربایش بین آنها نیروی وزن کابین را خنثی میکند و قطار حدود ١cm باالتر از ریل قرار میگیرد. در این مدل نیز برای به جلو راندن قطار به مجموعهی آهنرباهای الکتریکی دیگری نیاز است که ربایش و رانشهای دو به دوی آنها میتواند هم تأمینکنندهی نیروی جلوبر و هم نیروی ترمز در صورت لزوم باشد. 98

5 مثال: در نمودار شکل زیر R مقاومت بیسموت در میدانی به بزرگی B و R 0 مقاومت آن در خارج میدان انتخاب شده است. 1/8 R/R 0 1/6 1/4 1/2 1/0 B.(T) 0 0/4 0/8 1/2 1/4 شکل )٩٧( با استفاده از نمودار بزرگی میدانی را تعیین کنید که مقاومت مارپیچ بیسموت در آن ٢٦Ω و در خارج آن ٢٠Ω است. 26 R= 26Ω RR 0 = = 1/ 3 20 پاسخ: با توجه به نمودار (T) B = 0 /8 است. R 0 = 20Ω 100

6 دانستنی 62 اندازه گیری میدان ی در هر نقطه 99 یکی از وسایل اندازهگیری میدانهای ی سوزن ی است که از رشتهی کشسانی آویزان است و اساس کار آن شبیه ترازوی پیچشی کولن است. برای اندازهگیری زاویههای پیچش رشته صفحهی مدرجی در باال به آن نصب شده است و محل نوکهای سوزن با کمک درجهها روی استوانهی بیرونی معین میشود. در این دستگاه سوزن فقط وقتی در تعادل است که گشتاور نیروی حاصل از میدان برابر و مخالف گشتاور نیروی رشتهی پیچیده باشد. اگر سوزن در امتداد میدان ی سمتگیری کرده باشد )٠ = α( یعنی گشتاور صفر و رشته نباید پیچیده باشد. با پیچش رشته به اندازهی زاویهی معین میتوان برای هر سمتگیری سوزن به تعادل رسید. گشتاور نیروی وارد بر رشته با محاسبات یا درجهبندی اولیهی وسیله از روی زاویهی پیچش معین میشود. پس میتوانیم بیشترین نیرو که بهازای ٩٠ = α است را بهدست آوریم. یعنی مکانی را تعیین کنیم که در آن راستای سوزن بر راستای میدان ی عمود باشد. ساخت این نوع سنج ایستا مشکل نیست ولی به اندازهی کافی حساس و دقیق نیستند. پس در بسیاری موارد بهتر این است که گشتاور نیروی وارد بر سوزن ی با مشاهدهی نوسانهای سوزن اندازهگیری شود. یک سوزن ی که در میدان ی از موضع تعادل خود تغییر مکان داده باشد حول آن نقطه نوسان میکند. اگر جرم سوزن زیاد و در معرض اصطکاک ناچیز باشد قبل از توقف چندین نوسان میکند. بنابراین دورهی نوسانها را میتوان با دقت اندازهگیری کرد. محاسبات نشان میدهد که هرچه گشتاور نیروی وارد بر سوزن بزرگتر یعنی هرچه میدان قویتر باشد دورهی نوسانها کمتر است. پس با مقایسهی دورههای نوسان برای سوزنی در میدانهای مختلف میتوان بهطور قابل اطمینانی مقادیر میدانهای متفاوت را مقایسه کرد. این سنجهای دینامیکی برای اندازهگیری میدانهای ضعیفی نظیر میدان ی زمین با موفقیت بهکار رفتهاند. بزرگی میدان ی را به کمک پدیدههای دیگری هم میتوان اندازه گرفت. مثال با توجه به اینکه مقاومت الکتریکی بیسموت بر اثر میدان تغییر میکند میتوان سنج ساخت. مارپیچ مسطحی که از سیم بیسموت ساخته شده است در میدان ی بررسی میشود و مقاومت آن در درون و خارج میدان اندازهگیری میشود. میتوان از تغییر مقاومت سیم دربارهی بزرگی میدان داوری کرد. طبیعی است باید مارپیچ بیسموت را با قرار دادن شکل )٩٦(: مارپیچ بیسموت در میدانهایی با بزرگی معلوم ابتدا مدرج کنیم. مارپیچهای بیسموت را برای اندازهگیری میدانهای قوی که بزرگی آنها هزاران برابر میدان ی زمین است بهکار میبرند.

7 دانستنی 6٣ مواد ی 101 مواد با توجه به رفتارشان در یک میدان ی خارجی به پنج دسته تقسیم میشوند که عبارتاند از: دیا پارا فرو پاد فرو و فری. بهطورکلی سه عامل در منشأ ی مواد مؤثر است. الف( گشتاور اسپینی ب( گشتاور مداری الکترونها ج( گشتاور القایی ناشی از میدان ی خارجی دو مورد اول در خاصیت پارا فرو پاد فرو و فری ی مواد نقش اساسی دارد و مورد سو م در خاصیت دیای مواد. 1 دیای: هرگاه یک ماده در معرض یک میدان ی خارجی قراربگیرد برهمکنش بین الکترونهای هر اتم و میدان ی خارجی باعث القای یک گشتاور ی در اتم میشود این پدیده را دیا مینامند. از آنجایی که همهی مواد از اتم تشکیل شدهاند این پدیده در تمام مواد رخ میدهد. اما این ساختار الکترونی اتم است که در وجود یا عدم وجود یک گشتاور ی دائم یا غیردائم در اتم نقش دارد. پدیدهی دیا در اتمهای با پوستهی بسته که در آنها جمعبرداری گشتاورهای مداری و اسپینی صفر است بیشتر نمایان میشود. جهت گشتاورهای ی القایی در ماده مطابق قانون لنز در جهتی است که با حضور میدان ی خارجی مخالفت میکند. بیسموت بریلیم متان دیوکسید کربن شیشه و چند مادهی دیا هستند. 2 پارا: مواد پارا موادی با ویژگیهای زیر میباشند: الف( پوستهی الکترونی اتمهای آنها بسته نیست بنابراین اتمهای آنها دارای یک گشتاور ی دائماند که منشأ آن همانطور که گفته شد گشتاور اسپنی و مداری الکترونهاست. ب( در غیاب میدان ی خارجی جهت گشتاورهای دائمی اتمهای آنها بهطور کاتورهای در داخل ماده توزیع شدهاند. زیرا نیرویی که باعث جفتشدگی بین این گشتاورها در داخل ماده میشود ضعیف است. این نیرو به نیروی تبادلی موسوم است و منشأ آن کوانتومی است. ج( اگر این مواد در معرض یک میدان ی خارجی قرار بگیرند خارجی قوی شکل )٩٨( عالوه بر القای یک گشتاور ی در اتمهای آنها )پدیدهی دیا( تعدادی از گشتاورهای ی دائم اتمها در جهت میدان قرار میگیرند بهطوری که با افزایش شدت میدان تعداد یک ماده پارا در حضور یک میدان ی

8 بیشتری از آنها با میدان همراستا میشوند. اگر میدان ی خارجی خیلی قوی باشد همهی گشتاورهای ی ماده در جهت میدان قرارمیگیرند. با حذف میدان ی خارجی دوباره جهت گشتاور ی اتمهای جسم به حالت کاتورهای بازمیگردند. منگنز پالتین آلومینیم هوا و جزء مواد پارا محسوب میشوند. ٣ فرو پادفرو و فری : اگر برهم کنش و نیروی تبادلی بین گشتاورهای ی )ناشی از حرکت مداری و اسپنی الکترونها در اتمهای با ی خارجی. پوستهی باز( قوی باشد جفتشدگی بین گشتاورهای ی افزایش مییابد. شکل )99( مواد با توجه به نوع جهتگیری این گشتاورها به سه نوع فرو پاد فرو و فری تقسیم میشوند. در مواد فرو گشتاورهای ی اتمهای ماده بهصورت موازی و در یک جهت قرار میگیرند. این مواد در حالت عادی )در غیاب میدان ی خارجی( دارای خاصیت ی نیستند. زیرا هر ماده فرو از حوزههای ی زیادی تشکیل شده است که توسط دیوارههایی بهنام دیوار بلوخ از یکدیگر جدا شدهاند. بهطوری که جهتگیری گشتاورهای ی در هر حوزهی ی یکسان است ولی در مجموع گشتاور ی برآیند کل نمونه )مغناطش نمونه( برابر صفر است. یک ماده پارا در غیاب میدان 102 شکل ) ٩٩ الف(: یک ماده فروی در غیاب میدان ی شکل ) ٩٩ ب(: یک ماده فروی در حضور میدان ی خارجی حال اگر یک ماده ی فرو را در معرض یک میدان ی خارجی قرار دهیم گشتاور ی حوزه هایی که در جهت )یا تقریبا در جهت( میدان هستند هم جهت با آن قرار می گیرند به طوری که با افزایش شدت میدان به تدریج گشتاورهای ی حوزه های دیگر نیز در جهت میدان ردیف می شوند و درنهایت ماده به یک تک حوزه ی ی تبدیل می شود. با حذف میدان پس از گذشت زمان کوتاهی ماده دوباره به حالت اولیه خود بازمی گردد و خاصیت ی خود را از دست می دهد. آهن کبالت نیکل گادودینیم و دیسپرسیم جزء مواد فرو محسوب می شوند.

9 مواد پاد فرو نیز از حوزه هایی تشکیل شده اند که هر حوزه نیز از شبکه هایی شامل دو زیر شبکه ی A و B تشکیل شده است به طوری که جهت گشتاورهای ی در زیرشبکه های A و B به صورت پادموازی یکدیگرند )شکل ٣(. موادی مانند FeO MnS MnO و جزء مواد پادفرو هستند. شکل )١٠٠(: یک حوزه ی مربوط به ماده پادفرو. در مواد پاد فرو برآیند گشتاورهای ی در هر شبکه صفر است. 103 مواد فری نیز مانند مواد پاد فرو می باشند با این تفاوت که اندازه ی گشتاورهای ی در زیر شبکه های A و B با هم برابر نیستند و درنتیجه برآیند گشتاورهای ی در هر شبکه و حوزه مخالف صفر است )شکل ٤(. شکل )١٠١(: یک حوزه ی ی مربوط به ماده ی فری.در مواد فری برآیند گشتاورهای ی در هر شبکه مخالف صفر است. هرگاه یک ماده ی فری در یک میدان ی خارجی نسبتا قوی قرار بگیرد برآیند همه ی گشتاورهای ی اتم ها در راستای میدان قرار می گیرند. ویژگی مهم این مواد این است که با حذف میدان ی خارجی دیگر گشتاورهای ی )حوزه ها( به حالت اولیه بازنمی گردند و جسم خاصیت ی را به صورت دائم در خود حفظ می کند )برخالف مواد فرو نرم که با حذف میدان خاصیت ی خود را از دست می دهند(. این مواد در صنعت و فناوری از اهمیت ویژه ای برخوردارند به طوری که به اختصار آن ها را فریت می نامند. رابطه ی شیمیایی این مواد به صورت Mo.Fe 2 O 3 است که در آن M یک کاتیون دو ظرفیتی است و غالبا Cu Cd Ni Fe Zn و یا Mg است. معموال این مواد را فرو سخت می نامند. ویژگی مهم مواد فرو و فری : یکی از بارزترین مشخصات این مواد منحنی مغناطیدگی یا M )گشتاور ی ماده در واحد حجم یا جرم( چرخه ی پسماند است. که در آن تغییرات مغناطیدگی جسم H رسم می کنند. دلیل وجود این چرخه ناشی از وجود حوزه های ی را برحسب میدان ی خارجی در این مواد است. برآیند گشتاورهای ی در هر حوزه مخالف صفر است ولی با توجه به این که گشتاورهای حوزه های مختلف در جهت های متفاوتی هستند گشتاور برآیند نمونه صفر است. )نقطه O در شکل) ١٠٢ ( (. حال اگر این مواد را در یک میدان ی قرار دهیم و میدان را به تدریج افزایش دهیم ابتدا حجم حوزه هایی که گشتاور ی آن ها با میدان هم جهت )یا تقریبا هم جهت( است زیاد می شود و با افزایش شدت میدان گشتاورهای حوزه های دیگر نیز به تدریج می چرخند و در جهت میدان قرار می گیرند و سرانجام در یک میدان ی نسبتا قوی گشتاور ی تمام حوزه ها با میدان ی هم جهت می شوند و کل نمونه به صورت یک تک حوزه ی ی درمی آید. اکنون اگر میدان ی خارجی را به تدریج کاهش دهیم گشتاورهای حوزه های ی به حالت اولیه خود بازنمی گردند یعنی در غیاب میدان ی مغناطیدگی ماده صفر نمی شود و به عبارتی ماده

10 از خود پسماند ی نشان می دهد. در عمل به جای رسم منحنی M-H منحنی B-H را )که در آن B القای ی درون ماده است( را رسم می کنند. B B r Hc O H شکل )١٠٢(: منحنی مغناطیدگی )یا چرخه ی پسماند( یک ماده ی فرو یا فری 104 در این نمودار B r پسماند ی در ماده است و H c میدان وادارنده ی جسم است که خاصیت ی را در جسم حفظ می کند که معموال به آن نیروی وادارندگی می گویند. در مواد فرو نیروی وادارنده ی H c کوچک است به همین دلیل با حذف میدان ی خارجی جسم پس از مدت زمانی کوتاه به حالت اولیه خود بازمی گردد. درحالی که در مواد فری نیروی وادارنده ی H c بزرگ است و مانع آن می شود که در غیاب میدان خارجی جسم خاصیت )باقی ماندگی( ی خود را از دست بدهد. آن بخش از منحنی پسماند را که در ناحیه ی دوم قرار دارد )خط پیوسته در شکل باال( منحنی وامغناطیدگی جسم می نامند. چرا مواد فری برای ذخیره ی اطالعات مناسب اند با توجه به آن چه گفته شد یک محیط مناسب برای ذخیره ی اطالعات باید دارای شرایط زیر باشد: الف( ذخیره ی مقدار زیادی اطالعات در یک فضای کوچک ( r B بزرگ( ب( حفظ این اطالعات برای یک مدت زمان طوالنی ( c H بزرگ( ج( ذخیره و بازیابی اطالعات با توان مصرفی کم سه ویژگی باال در مواد فری وجود دارد و از این جهت این مواد برای ذخیره اطالعات مناسب اند. تاریخچه ی ضبط )ذخیره( ی: ضبط ی با استفاده از تبدیل نوسان های صوتی به نوسانات الکتریکی )توسط میکروفن و تقویت کننده( و تبدیل این جریان الکتریکی به یک میدان ی توسط یک هد )که باید از جنس یک ماده ی فرو باشد( و اعمال این میدان ی بر روی یک محیط ی مناسب )از جنس یک ماده ی فری ( امکان پذیر است. ضبط صدای انسان نخستین بار در سال ١٨٩٨ میالدی توسط پولسن )Poulsen( ابداع گردید. او نوسان های صوتی را توسط یک آهنربای الکتریکی که به یک میکروفن وصل شده بود بر روی یک میله ی فوالدی )آهن با ١ درصد کربن( ذخیره نمود. مجموعه ی دستگاهی که ایشان فراهم نموده بود به تلگرافون موسوم بود. عیب عمده ی این دستگاه نوفه ی )Noise( زیاد در هنگام بازیافت اطالعات ذخیره شده بود. در سال ١٩٢٠ با بهبود کیفیت تقویت کننده ها بازیافت اطالعات با نوفه ی کمتری همراه شد. در سال ١٩٢١ با اختراع روش ضبط با پیش ولت ac این نوفه ها به میزان قابل توجهی کاهش یافت. نوارهای ضبط شنیداری ATR نخستین بار با آغشته کردن یک نوار کاغذی مخصوص با یک مایع فری

11 در سال ١٩٢٧ توسط یک شرکت آمریکایی ابداع گردید و همزمان در آلمان این نوارها با استفاده از نوار کاغذی آغشته به پودر آهن ساخته شدند. در سال ١٩٤٧ با همکاری سه شرکت آمریکایی نوارهای اکسید آهن ابداع شدند و در سال ١٩٥٠ نوارهای ضبط دیداری VTR و هم چنین درایوهای دیسک ی MDD ساخته شدند. در اواخر دهه ی ١٩٦٠ میالدی نوارهایی از جنس دیوکسید کروم و در اوایل دهه ی ١٩٧٠ نیز نوارهایی از جنس اکسید آهن اصالح شده با کبالت ساخته شدند. در اوایل دهه ١٩٨٠ نیز نوارهای فلزی از جنس ذرات بسیار ریز فلزی )پودر آهن( به بازار عرضه شدند. فرآیند ذخیره و بازیابی اطالعات از محیط های ی: همان طور که گفته شد عمل ذخیره سازی ی )اعم از صوتی و تصویری( با تبدیل نوسانات صوتی )تصویری( به نوسانات الکتریکی و تبدیل این جریان الکتریکی به یک میدان ی توسط دستگاه راه انداز و اعمال این میدان بر روی یک محیط ی مناسب امکان پذیر است )شکل ١٠٣(. شکل )١٠٣(: ساختمان یک دستگاه راه انداز ی را نشان می دهد. برای بازیافت اطالعات فرآیند باال برعکس می شود. یعنی نوار را از مقابل یک راه انداز ی عبور می دهند درنتیجه بر اثر خاصیت ی نوار یک میدان ی در دستگاه راه انداز القاء می شود و این میدان ی باعث ایجاد یک جریان الکتریکی می شود که توسط یک مبدل به نوسان های صوتی تبدیل می شود )شکل ١٠٤(. 105 نوار هسته آهنی ذخیره اطالعات آمپلیفایر میکروفون خطوط نیروی ی بازیابی اطالعات آمپلیفایر شکل )١٠٤(: فرآیند ذخیره و بازخوانی اطالعات را نشان می دهد.

12 دانستنی 64 کاربرد میدان های ی در پزشکی 106 یکی از ویژگی های متداول میدان های ی این است که در بافت نفوذ می کنند و بر مواد غیر فروی ساکن در بافت اثر نسبتا ناچیزی دارند. این گفته به این معنی است که میدان های ی را می توان با اثر زیان آور خیلی کم برای کاویدن بدن به کار برد. از آهنرباها می توان برای هدایت سوند در داخل دستگاه گردش خون استفاده کرد. آهنربایی را در نوک سوند قرار می دهند و به کمک آهنرباهای دیگر از خارج سوند را به محل مورد نظر هدایت می کنند. کاربرد دیگر آهنرباها خارج کردن براده های آهن از داخل چشم است. این براده های آهن ممکن است آن قدر ریز و تعداد آن ها آنقدر زیاد باشد که با وسایل دیگر نتوان آن ها را از چشم خارج کرد. به عالوه میدان های ی کوچک حاصل از مواد فروی داخل بدن را می توان از خارج آشکار سازی و از این طریق محل ذرات آهن و مواد مشابه را تعیین کرد. پنبه ی نسوز ( )asbestos حاوی آهن است. به همین دلیل مقادیر بسیار کمی از این ماده را می توان با مشاهده ی میدان ی آن در داخل بدن آشکار سازی کرد. این روش برای تعیین این که آیا مقدار پنبه ی نسوزی که در ریه ی کارگران وجود دارد تا یک دهم میلی گرم است یا خیر مفید است. البته این روش مشکالتی دربردارد زیرا میدان هایی که فقط برابر یک هزارم میدان زمین هستند باید آشکار سازی شوند. در عضالت و اعصاب جریان های الکتریکی وجود دارد و این جریان ها نیز مانند همه ی جریان های الکتریکی میدان های ی پدید می آورند. میدان های ی بدن را می توان با روش های غیر تخریبی اندازه گیری کرد و اطالعات پزشکی مفیدی را به دست آورد. بزرگ ترین میدان ی بدن را قلب تولید می کند که در حدود یک میلیونیم شدت میدان ی زمین است. با وجود این به کمک تجهیزات پیچیده می توان میدان ی قلب را اندازه گیری کرد. این تجهیزات را کاردیوگرام ی )MCG( می نامند. کاردیوگرام های ی اطالعاتی به دست می دهند که در وسیله های اندازه گیری الکتریکی قلب وجود ندارد. میدان ی مغز را نیز می توان اندازه گرفت. ام ا این میدان که از میدان ی قلب نیز کوچک تر است به طور میانگین از یک صد میلیونیم میدان زمین کوچک تر است. ثبت امواج ی مغز که به انسفالوگرامی ی )MEG( معروف است معمول نیست. میدان ی مغز همانند قلب اطالعاتی به دست می دهد که با اطالعات حاصل از سیگنال های الکتریکی ناشی از مغز متفاوت است. روش تشخیصی دیگر که در آن از میدان ی استفاده می شود روش تشدید ی هسته ای )NMR( ١ است و آن را عکسبرداری NMR می گویند. هسته ی بعضی اتم ها به دلیل وجود اسپین درست مانند الکترون ها میدان ی کوچکی دارند. معموال سمت گیری این اسپین ها کاتوره ای است اما وقتی در یک میدان ی قوی قرار گیرند با آن میدان هم خط می شوند جهت میدان این آهنرباهای کوچک را می توان با فرستادن یک تپ ١ امروز به این روش MRI می گویند.

13 رادیویی تغییر داد. با اندازه گیری مقدار امواج جذب شده و باز گسیلیده امکان اندازه گیری محل و فراوانی عناصر فراهم می شود. این نوعی تشدید است زیرا بسته به نوع هسته و شدت میدان ی تنها برخی بسامدهای اموج رادیویی کارایی دارند )به همین دلیل آن را NMR یعنی»تشدید ی هسته ای«نامیده اند(. یکی از عناصری که می توان آن را با استفاده از NMR به آسانی آشکار سازی کرد و در همه جای بدن به فراوانی یافت می شود هیدروژن است. برای تهیه ی عکس NMR مطابق شکل ) ١٠٥ الف( بیمار را در داخل یک میدان ی قوی قرار می دهند. سیگنال های رادیویی را به داخل بدن بیمار می فرستند و جذب و بازگسیل آن ها را اندازه گیری و سپس به کمک رایانه تحلیل می کنند. در شکل ) ١٠٥ ب( تصویری را مشاهده می کنید که رایانه به کمک این اطالعات تشکیل داده است. این روش نسبت به پرتوهای X دو مزیت مشخص دارد. اوال هیچ یک از خطرات پرتوهای X را ندارد. ثانیا عالوه بر استخوان ها و نسوج سخت قادر به آشکارسازی نسوج نرم بدن با دقت زیاد است. در زمینه ی تشخیص سرطان و سایر بیماری های مهلک عکسبرداری NMR وسیله ی تشخیصی با اهمیتی است. آهنربا پیچه ی تولید کننده ی موج های رادیویی 107 )الف(: با قراردادن بیمار در یک میدان ی قوی از او به روش NMR عکس می گیرند. )ب(: تصویر NMR از مغز که به وسیله ی رایانه تشکیل شده است. شکل )١٠٥(

14 دانستنی 65 زيست 108 برخی باکتری ها به لحاظ زیست شناختی دانه های ی تک حوزه ای )ترکیبی معادل سنگ آهن( تولید می کنند که با کنار هم قراردادن آن ها دارای یک عقربه ی داخلی می شوند. آن ها می توانند با بهره گیری از این عقربه ها متوجه فرو رفتگی در میدان ی زمین شوند. موجودات زنده با استفاده از این حس جهت یابی می توانند منابع غذایی را بیابند. شگفت این که باکتری ها در جنوب خط استوا همان آهنرباهای تک حوزه ای همتایان خود در شمال خط استوا را می سازند اما آن را در جهت مخالف قرار می دهند تا با میدان ی نیمکره ی جنوبی سازگار باشد! باکتری ها تنها موجودات زنده ی دارای عقربه های ی درون ساخته نیستند. اخیرا معلوم شده است که کبوتران دارای آهنرباهای متشکل از کانه های آهنی ی در جمجمه ی خود هستند که با تعداد بسیار زیادی عصب به مغزشان مربوط می شود. کبوتران دارای حس ی هستند که به کمک آن نه تنها جهت های طولی در امتداد میدان ی زمین را تشخیص می دهند بلکه می توانند به کمک فرو رفتگی در میدان ی عرض جغرافیایی را مشخص کنند. مواد ی در شکم زنبورها نیز یافت شده است که رفتار آن ها تحت تأثیر میدان های ی مختصر قرار می گیرد. برخی از پروانه ها الک پشت های دریایی و ماهی ها جزء موجودات دارای حس ی هستند. بلورهای ی شبیه بلورهای موجود در باکتری های ی در مغز انسان نیز یافت شده است. کسی نمی داند که آیا این ها ارتباطی با حواس ما دارند یا نه اما شاید ما هم مانند موجودات زنده ی باال دارای حس ی باشیم.

15 دانستنی 66 میدان های ی بدن انسان فعالیت الکتریکی عصب ها وعضله ها باعث تولید جریان های الکتریکی در بدن انسان می شود. در هر جایی که این جریان ها به سطح بدن می رسند اختالف پتانسیلی به وجود می آورند که با قرار دادن الکترودها در پوست قابل اندازه گیری است. الکتروکاردیوگرام ECG منحنی تغییرات اختالف پتانسیل تولید شده در قلب برحسب زمان و الکترو آنسفالوگرام EEG منحنی تغییرات اختالف پتانسیل تولید شده در مغز برحسب زمان را نشان می دهد. ECG یک وسیله ی ضروری برای تشخیص بیماری های قلبی و EEG وسیله ی بسیار با ارزشی برای تشخیص بعضی اختالالت مغزی است. تغییر پتانسیل تغییر پتانسیل 0 0 زمان زمان 109 شکل )1٠٦(: ECG الکتروکاردیوگرام شکل )1٠٧(: MCG مگنتو کاردیوگرام اشکال چنین اندازه گیری هایی در این است که پتانسیل های سطحی به طور غیر مستقیم به فعالیت اندام های داخلی بستگی دارند. پوست رسانای الکتریکی ضعیفی است و کسر بسیار کوچکی از جریان تولید شده در یک عضو به آن می رسد. برای نشان دادن جریان یک عضو به طور مستقیم اخیرا دستگاه هایی ساخته شده است که می توانند میدان تولید شده به وسیله ی این جریان ها را اندازه گیری کنند. جریان نسبتا زیاد قلب میدان ی تقریبی ٦-١٠*١ گاوس را در اطراف قفسه ی سینه به وجود می آورد و جریان های ضعیف در مغز میدان ی تقریبی ٨-١٠*٣ گاوس را در اطراف سر تولید می کنند. این میدان ها از میدان زمین )٠/٥ گاوس( یا حتی از میدان های مربوط به جریان های سیم های برق در منازل ( ٤-١٠*٥ گاوس( ضعیف ترند و برای اندازه گیری آن ها از روش های ویژه ای استفاده می شود. در یکی از این روش ها بدن انسان را در داخل اتاقی قرار می دهند که به وسیله ی دیوارهای آهنی از تأثیر میدان های ی خارجی محفوظ است قرار می دهند. روش دیگر اندازه گیری اختالف شدت میدان ی در دو نقطه ی نزدیک بدن است. اثر میدان های ی دور در این دو نقطه یکسان اند و حذف می شوند در حالی که میدان بدن انسان در نزدیکی انسان به طور قابل مالحظه ای از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می کند و یکدیگر را حذف

16 نمی کنند. در روش سوم از این واقعیت استفاده می شود که قسمت اعظم میدان زمینه نسبت به زمان ثابت است و به راحتی از سیگنال متغیر قابل تشخیص است. اندازه گیری به وسیله الکتروکاردیو گرام یا مگنتوالکتروکاردیو گرام MCG از اندازه گیری با الکتروانسفالوگرام یا مگنتوانسفالو گرام MEG بسیار راحت تر است. زیرا میدان ی مغزبسیار ضعیف تر از میدان ی قلب است. انتظار می رود که روش های آشکار سازی میدان های ی بسیار ضعیف در سال های آینده کامل شوند و دریچه ی کامال جدیدی رابه روی اعمال انسان بگشایند. 110