توليد الموجات الكهرومغناطيسية ( الثالث الثانوي )

توليد الموجات الكهرومناطيسية
يتم توليد الموجات EM عن طريق :

1. الموجات من مصدر متناوب 
2. موجات ناتجة عن ملف ومكثف كهربائي 
3. الموجات الناتجة بالكهرباء الاجهادية 

ولك بعض التطبيقات لهذه التقنية 

التيار الكهربي الثابت و التردد : 

منذ إكتشاف الإنسان للكهرباء عن طريق توليدها من مصادر متعددة إلا أنها تتولد عن طريق الحث المغناطيسي Magnetic inductance و الذي يجعل التيار الكهربائي Electric Current يتولد و يسير عبر الأسلاك . 

و هناك نوعين من التيارات الكهربية ، الأول هو تيار كهربي ثابت Direct Current (DC) و أحد مصادرة الهامة هي البطاريات الجافة مثل الذي تقوم بإستخدامها في الأجهزة الصغيرة و متواجدة بأشكال عديدة و أحجام عديدة . أو البطاريات السائلة مثل بطارية حمض الكبريتيك و ألواح الرصاص التي تستخدم في السيارات . و هذا التيار يعتبر حالة خاصة من النوع الأخر التيار المتردد و في هذه الحالة تردد يساوي صفر .

النوع الثاني تيار كهربائي متغير Alternative Current (AC) و هو التيار الكهربائي المتولد عبر مولدات الكهرباء سواء الضخمة في محطات الكهرباء أو حتى في المولدات Generators الصغيرة التي تركب على عجلات الدرجات و هي تعطي تيار كهربائي متراوح من عدة ألاف من الفولتات إلى عدة فولتات فقط . و أشهر إستخدامتنا لها هو التيار الكهربائي المنزلي و الذي يبلغ جهدة 220 فولت في كثير من البلدان مثل مصر و يبلغ في بلدان أخرى 110 فولت منها أمريكا و اليابان و هناك بعض البلدان تحتوي على النوعين مثل السعودية . 

التيار الكهربائي المتغير له تردد و عادة يكون للتيار ذو جهد 220 فولت يبلغ 50 هيرتز و بالنسبة للبالغ جهدة 110 فولت يبلغ 60 هيرتز .

الهيرتز هي وحدة قياس التردد و تبلغ دورة واحدة في الثانية .

إذن أول نوع من الترددات الكهرومغناطيسية نعرفه جيدا هو تردد الكهرباء المنزلية 60 هيرتز أو 50 هيرتز . 

الأصوات و قدرة الإنسان على السمع : 

صوت الإنسان و نظامه السمعي يقع بين ترددات 20 هيرتز إلى 20 ألف هيرتز ( 20 كيلو هيرتز ) .. و هذا هو النظام السمعي في الإنسان السليم بطريقة مثالية و لكن عناية الله رحمت الكثيرين بأن قدرتهم السمعية ليس بكامل النطاق Band ، لأنه لو كان هناك من يسمع الترددات من 20 هيرتز ، مرورا بالترددات 50 و 60 هيرتز ، لما إستطاع النوم ، بسبب أنه يسمع مرور التيار الكهربائي عبر الأسلاك و في المصابيح الكهربية ، فهذه الترددات تقع في النطاق السمعي للإنسان السليم .

و فد إخترع الإنسان أجهزة كثيرة جدا تستخدم نطاقات مختلفة طبقا لإستخدامتها ، مثلا جهاز الهاتف يعمل من 400 هيرتز لإلى 4000 هيرتز و ذلك حرصا على نقل البيانات الهامة من خلال المحادثة التليفونية بغض النظر عن جودة نقل الصوت للمتحدثين . في حين أن أجهزة الترفيه المنزلية و ما تسمى بالهاي فاي High Fidelity (Hi-Fi) أي أجهزة عالية الأمانه فهي تعمل على النطاق السمعي الكامل من 20 هيرتز إلى 20 كيلوهيرتز .

أجهزة الراديو : 

من المعروف أن المعادن و الفلزات موصلة جيدة للكهرباء خصوصا الذهب و النحاس ، و إن الهواء عازل جيد جدا للكهرباء .

و لذلك تسير الكهرباء في أسلاك معدنية و أغلبها نحاسية و في بعض التطبيقات الهامة يتم عمل الموصلات بالذهب لعدم فقد تيار كهربي من خلال مقاومة Impedance الموصل ، و من ضمن هذه التطبيقات المعالجات Microprocessors الخاصة بأجهزة الحاسب الآلي . 

و لكن وجد العلماء بأنه كلما زاد التردد كلما صعب تسيير التيار في الأسلاك و أصبحت مقاومة الأسلاك كبيرة له حتى يصل أنه يسير على سطح السلك المعدني بدلا من أن يسير داخله و بزيادته أكثر يصبح الهواء موصل للتيار الكهربي أفضل من الأسلاك المقاومة لهذا التيار ذو التردد العالي و هذه الظاهرة تسمى Skin Effect أي الظاهرة الجلدية ، كون التيار يسير على جلد السلك بدلا من قلبه . و تم الإستفاده من هذه الظاهرة بإختراع الراديو و بأجهزة الاسلكي المختلفة و سميت نطاق تلك الموجات بموجات الراديو Radio Waves و تعددت نطاقتها بدأ من نطاق الراديو AM ( Amplitude Modulation ) و هي أولى نطاقات موجات الراديو و هي ذو طول موجي طويل جدا و هناك علاقة عكسية بين الطول الموجي و التردد و الثابت لهم هو سرعة الضوء .

الطول الموجي X التردد = سرعة الضوء 

تبلغ سرعة الضوء 3 x 108 متر في الثانية 

ثم النطاقات الخاصة بالموجات القصيرة ( قصيرة الطول ، مما يعني أن ترددها أعلى ) Short Wave (SW) .

و لأن هذه الكهرباء لا تسير في أسلاك فلكي تلتقط تم إختراع الهوائيات Antenna و هناك قواعد هندسية للهوائيات ، حيث أن هناك علاقة بين الطول الموجي و طول الهوائي ، فكلما كان الطول الموجي كبير يحتاج هوائي كبير أيضا . 

و أيضا كون لا تسير في أسلاك عادية ، تم تصميم الأسلاك Coaxial و هي تلك الأسلاك التي ليس لها قلب و أنما عبارة عن شبكة معدنية حول سلك الموصل لقطب الأرضي . كما السلك الشهير الخاص بهوائي التليفزيون .

أجهزة التليفزيون : 

تعمل القنوات التليفزيونية على ترددات راديو أعلى من تلك التي يعمل عليها أجهزة الراديو السمعية ، 

و له عدة نطاقات مثل VHF ( Very High Frequency ) و UHF ( Ultra High Frequency ) .

و كما سبق التنويه بأنه كلما زاد التردد ، قصر الطول الموجي مما يتيح إستخدام Antenna أصغر و مع إستخدام أسلاك خاصة . 

فهوائي UHF أصغر حجما من VHF . 

و تبلغ الترددات في هذه النطاقات على مستوى الميجا هيرتز . و لهذا لديها القدرة على السير مسافات أطول في الهواء . 

أجهزة الميكروويف و الستالايت :

سميت أجهزة الميكروويف بهذا الإسم كون الطول الموجي لهذه الموجات أصبح في حدود الميكرومتر كون الترددات أصبحت عالية في مستوى الجيجا هيرتز . و هذه الموجات لها القدرة على السير مسافات أطول و لهذا تم إستخدامها في أجهزة الستالايت .

و يقع نطاق الترددات بالجيجا هيرتز من إبتداء من 1 جيجا إلى عشرات الجيجا هيرتز و يستخدم بدايات النطاق في أجهزة التليفون المحمول و أجهزة الميكروويف المنزلية و أجهزة ربط شبكات الكمبيوتر اللاسلكية WiFi و غيرها و ينتهي بإستخدامات الأقمار الإصطناعية .

و من صفاتها أيضا أنها تسير في خطوط مستقيمة و لا تنتشر مثل الموجات الأطول منها السابق ذكرها و تحتاج أنواع هوائي صغيرة جدا . و لهذا تم إستخدام هوائي صغير لها على شكل إبرة صغيرة ، و لأن أيضا ترددها عالي جدا فلا تسير في أسلاك على الإطلاق ، فيتم إستخدام ما يسمى موجهات الموجه Wave Guide و هي ألواح األمونيوم على شكل معين مثل البوق ، و لهذا فإن مستقبلات الموجات القادمة من الأقمار الإصطناعية عبارة عن طبق لتجميع و عكس تلك الموجات التي تأتي على شكل خطوط مستقيمة و توجيها لبؤرة الإستقبال و التي بها موجهه الموجه الألمونيوم و منه لإبرة الإستقبال Antenna و التي يقع خلفها مباشرة جهاز لنقل الترددات من نطاق لأخر و هو مايسمى ب LNB ( Low Noise Breakdown ) فهو ينقل الإشارات من نطاق تردداته بالجيجا هيرتز لنطاق بالميجا هيرتز قابل لنقله عبر الإسلاك حتى جهاز الإستقبال و يقوم بفك الإشارات للقنوات المختلفة .

الضوء و الألوان : 

النظام البصري للإنسان يستطيع رؤية الألوان من اللون الأحمر إلى اللون البنفسجي . و هي موجات كهرومغناطيسية ذو أطوال موجية و ترددات مختلفة أقلها تردد هو اللون الأحمر و أكثرها هو البنفسجي . 

و الضوء عبارة عن مجموع تلك الأطياف . و لذلك فهذا النطاق يسمى بالنطاق المرئي و لا يستطيع انسان رؤية ما قبل هذا النطاق ولا بعده .و يبلغ طوله الموجي بالنانوميتر . 

و الليزر هو نوع من أنواع الضوء غير أنه أحادي و مركز Monochromatic light 

و يقع التردد قبل اللون الأحمر بما يسمى بالموجات قبل الحمراء Infrared و هي موجات تسير في خطوط مستقيمة بسبب ترددها العالي في نطاق الجيجا هيرتز و أعلى من تلك التي تستخدم في الستالايت و أجهزة المحمول و قصيرة جدا و يمكن إعتراضها بأي شئ و لو بكتاب مثلا فلا يمكنها أن تخترقه .

و هناك التردد فوق اللون البنفسجي Ultra Violet ، و هو تردد عالي عن نطاق الألوان و أحد مصادرة أشعة الشمس و من هنا تبدأ خطورة الموجات الكهرومغناطيسية على الإنسان ، حيث تقل طولها الموجي و يمكنها إختراق جسم الإنسان .

الأشعة السينية و أشعة جاما : 

تم الإستفادة من كون الترددات العالية التي تعلو عن الفوق بنفسيجية بإمكانية إختراقها لجسم الإنسان بأنه تم إختراع التصوير بالأشعة السينية X-Ray و هي موجات ذو طول موجي قصير جدا جدا و خطرة على الإنسان و لهذا يفضل الإبتعاد عنها قدر الإمكان .

و أخطر الموجات الكهرومغناطيسية هي أشعة جاما و التي تعتبر قاتلة .

تلك كانت أنواع الموجات الكهرومغناطيسية و أنواع التطبيقات المستخدمه لها في حياتنا اليومية . 

سؤال : تخيل لو أن التيار الكهربائي انقطع فكيف تستطيع أن تستخدم التطبيقات السابقة ؟