الكهرباء، واللاسلكي، والإلكترونيات

الكهرباء، واللاسلكي، والإلكترونيات


  المقدمة
  الفصل الأول: الكهرباء
  الفصل الثاني: اللاسلكي
  الفصل الثالث: الإلكترونيات
  الفصل الرابع: بعض الاستخدامات التطبيقية
  الجداول
  المصطلحات الفنية
  الصور
  الأشكال
  المصادر والمراجع



   

المقدمة

لفظ الكهرباء، مشتق من الكهرب، وهو الاسم القديم لمادة الكهرمان، إذ إنه تم الربط بين الكهرباء والكهرمان، نظراً لاكتساب الأخير، بالاحتكاك، خاصية جذب بعض الأجسام الخفيفة، وهي أحد شواهد الكهربية الإستاتيكية؛ لوحظت هذه الظاهرة منذ قرون طويلة مضت، وورد وصف لها في كتابات الفيلسوف الإغريقي طاليس، عام 600 ق.م.؛ في العصور الحديثة، بدأت شواهد الكهرباء، تأخذ اتجاهاً تجريبياً، إذ أثبت جورج فون كلايست George Von Kleist في عام 1745م، أنه يمكن التحكم في الكهرباء، واخترع نوعاً بدائياً من المكثفات، وفي عام 1750م اكتشف بنيامين فرانكلين Benjamin Franklin أن البرق شحنات كهربية، وصمم أول مانع للصواعق؛ وفي عام 1799 أثبت العالم الكساندرو فولتا Alessandro Volta إمكان توليد الكهرباء باستخدام معدنين مختلفين، ومحلول ملحي، وأنتج أول خلية كهربية؛ وفي عام 1831 نجح مايكل فاراداي Michael Faraday في إنتاج التيار الكهربي، من موصل كهربي، يتحرك خلال مجال مغناطيسي؛ يعد هذا الاكتشاف، هو واكتشاف الخلية الكهربية، المولد الحقيقي للكهرباء في العصر الحديث، و نقطة الانطلاق لعلوم الاتصالات والإلكترونيات.

تُعد علوم اللاسلكي والإلكترونيات، من الناحية العملية، تطبيقات أساسية للمبادئ العامة لعلوم الكهرباء، فالكهرباء الناتجة من بطارية من النوع الشائع مثل تلك المستخدمة لتشغيل كشاف يدوي بسيط، يمكن بإدخال تعديلات معينة عليها استخدامها لتحقيق العديد من المهام المختلفة، مثل تشغيل محرك أو تدفئة أو إضاءة أو الاستخدامات المتعددة للاسلكي من اتصالات وإذاعات مسموعة ومرئية.

إن النظريات والمبادئ الأساسية التي أدت إلى تطور العلوم الطبيعية المتعلقة بالكهرباء منذ اكتشافها، هي الأساس الراسخ الذي تولدت منه تطبيقات اللاسلكي، وعلوم انتشار الموجات، واستخدامات المواد الموصلة، وشبه الموصلة، ومكونات الدوائر الإلكترونية كافة.

وتوضح الرؤية المدققة أن طرق توليد الكهرباء وأساليبها، ودراسة الدوائر الكهربية ومكوناتها المختلفة، وعلاقات الكميات الطبيعية، التي تعبر عن التفاعل الكهربي، مثل التيار والجهد والقدرة، هي نفسها الخطوات الأولى والمبادئ الأساسية لنظريات اللاسلكي، وانتشار الموجات، والإلكترونيات.

مع بداية ظهور التليغراف والتليفون، ظهر معهما مصطلح جديد، يعبر عن الطبيعة المتفردة لهذه الأدوات المستحدثة، وهو مصطلح راديو Radio وهو المصطلح، التاريخي الذي تطور فيما بعد، ليحل محله مصطلح اللاسلكي Wireless، وخاصة بعد تطور اختراع التليغراف، الذي كان ينقل المعلومات، ويحقق الاتصال عن طريق بث إشارات كودية متكررة، تتكون من رمزين فقط، النقطة والشرطة، وهو ما يعرف باسم كود المورس Morse Code ، واستخدام الصور الأحدث للاتصالات، بنقل الصوت بجميع تفاصيله، عبر التليفون اللاسلكي، وبناء أول محطة إذاعة إعلامية ترفيهية، وانتشار أجهزة الاستقبال في جميع أنحاء العالم.

مصطلح الإلكترونيات مشتق من لفظ الإلكترون، هذا المكون بالغ الصغر، غير المرئي، الذي يحمل الشحنة الكهربية، والموجود في جميع المواد والعناصر، لذلك فإن لفظ الإلكترونيات، يطلق على جميع التطبيقات الكهربية التي يتفاعل فيها الإلكترون، ويتحرك تحت ظروف حاكمة خاصة، سواء في الفراغ Vacuumأو في وجود غازات، أو أبخرة خاصة، أو خلال موصلات Conductors أو أشباه موصلات Semiconductors وبمعنى أعم فإن الإلكترونيات تشمل كل تأثيرات الكهرباء التي يحدد فيها سلوك الإلكترون طبيعة التطبيق.

تطبيقات اللاسلكي، وتطبيقات الإلكترونيات متداخلة ومتبادلة، فجهاز التدفئة الإلكتروني، يشع موجات لاسلكية، تبذل شغلاً، ينقل التأثير الحراري عبر المسافات، وحتى في حالة تباين الاستخدام، فإن مبادئ اللاسلكي والإلكترونيات الأساسية تُعد واحدة.

يمكن اعتبار أعمال عالم الطبيعة الألماني هنريش هرتز Heinrich Hertz عام، 1887م أول بيان عملي للإشعاع الكهرومغناطيسى، رغم أن مسافة انتشار الموجة لم تزد على بضعة أقدام، ولكنها كانت كافية، لتوضيح إمكانية انتقال الموجة من مكان لآخر، بدون الحاجة إلى موصل يصل بين الطرف المرسل والطرف المستقبل، ولقد أثبت هرتز أن الموجات اللاسلكية، غير المرئية تنتقل من مكان لآخر بسرعة الضوء[1].

مع التسليم بأن أعمال هرتز هي البداية الفعلية لعصر اللاسلكي، فإن أعمال بعض العلماء السابقين له، قد مهدت لتجاربه العظيمة، ففي عام 1820 برهن العالم الدانمركي أورستد H. C.Oersted على أن التيار الكهربي ينتج مجالاً مغناطيسياً، وفي عام 1831 برهن العالم البريطاني الشهير ما يكل فاراداي Michael Faraday على أن حركة المغناطيس، يمكن أن تولد تياراً كهربياً، وفي عام 1864 تنبأ العالم الفيزيائي ماكسويل James C.Maxwell بوجود الموجات الكهرومغناطيسية، التي بيّنها عملياً فيما بعد العالم هرتز.

في عام 1895 استخدم العالم الإيطالي ماركوني Guglielmo Marconi سلكاً طويلاً، لإنتاج أول نظام لاسلكي كامل، للاتصال عبر مسافة طويلة، ونجح في تحقيق أول اتصال لاسلكي عبر المحيط الأطلسي عام 1901، وتطورت الاتصالات اللاسلكية تطوراً كبيراً باختراع الصمامات الإلكترونية المفرغة Vacuum tubes، و بدأ عام 1920 أول إرسال منتظم لمحطة إذاعة في العالم من بتسبرج بولاية بنسلفانيا الأمريكية، وفي عام 1941 بدأ إرسال أول محطة إذاعة تعمل بأسلوب التعديل الترددي FM، كما بدأ أول إرسال تليفزيوني تجاري رسمي، في شهر يوليو 1941، وشاع استخدامه مع بدايات عام 1945.

مع اختراع الترانزيستور عام 1948 في معامل شركة بل للتليفونات Bell، بدأ عصر جديد من المعدات الإلكترونية، والاتصالات اللاسلكية، فالترانزيستور أصغر بكثير من الصمامات المفرغة الأسبق في الاستخدام، وأكثر صلابة وقوة، وأسهل في الاستخدام، مما أسهم في إنتاج أجيال جديدة من المعدات الإلكترونية، الأصغر حجماً، والأحسن أداء والأرخص ثمناً.

ومع بدايات عام 1970، بدأ ظهور نوع جديد من المكونات التي تعتمد على أشباه الموصلات، وهي ما أطلق عليه "الدوائر المتكاملة" Integrated circuits IC's، ثم ظهرت الدوائر المتكاملة ذات الوظائف المتعددة Large Scale IC's، ثم ظهرت الدوائر المتكاملة فائقة السرعة High Speed IC's، وبالفعل فإن ظهور الدوائر المتكاملة، بصورها المختلفة، هو أساس تطور المعدات الإلكترونية في العصر الحالي، وتغلغلها في جميع مجالات وأنشطة الحياة اليومية للبشر كافة.

[1] بالفعل فإن موجات اللاسلكي و الضوء، هي موجات كهرومغناطيسية، كما أن أشعة أكس X- rays   والأشعة الحرارية والأشعة الكونية Cosmic  Rays   هي أيضا صور مختلفة من الموجات الكهرومغناطيسية.



الفصل الأول

الكهرباء

الكهرباء قوة غير مرئية، يمكنها إنتاج حرارة، وضوء، وحركة، تجاذب أو تنافر، إضافة إلى العديد من التأثيرات الطبيعية الأخرى، ويمكن تفسير معظم الظواهر المرتبطة بالكهرباء، باستخدام مدلولات الشحنة الكهربية، والتيار والجهد، والوحدات الكهربية المرتبطة بها، وهي على الترتيب الكولوم، والأمبير، والفولت.

أولاً: القطبية والشحنات

1. القطبية الموجبة والقطبية السالبة

تشاهد التأثيرات الكهربية في كل من البرق، والبطارية، واللاسلكي، والتليفزيون، وفي العديد من التطبيقات الأخرى، والقاسم المشترك بين هذه التطبيقات، وأي تطبيقات كهربية أخرى، هو الجسيمات ذات الشحنات المتخالفة، حيث إن جميع المواد التي نعرفها، سواء أكانت جوامد، أم سوائل، أم غازات، تحتوي على الجسيمات المشحونة، (الإلكترون ذو الشحنة السالبة، والبروتون ذو الشحنة الموجبة).

يمتلك الإلكترون أصغر شحنة كهربية سالبة، ويمتلك البروتون الشحنة نفسها، ولكنها موجبة؛ وترتيب هذه الجسيمات في ذرات العناصر والمواد، هو الذي يحدد خواصها الكهربية، فالمواد التي لا تظهر عليها خواص كهربية واضحة، تتساوى فيها أعداد الجسيمات ذات الشحنات الموجبة، وتلك ذات الشحنات السالبة، مما يؤدي إلى تساوي القوى المتضادة وتلاشي تأثيرها.

وللحصول على تأثير كهربي، يجب بذل شغل لفصل الإلكترونات والبروتونات عن موضعها، وترتيبها الطبيعي، في ذرة المادة، لتغيير توازن القوى الموجودة، ويظهر التأثير الكهربي للمادة عند توصيل بطارية بين طرفي دائرة كهربية، حيث تقوم الطاقة الكيميائية المختزنة في البطارية، ببذل شغل لفصل الشحنات الكهربية، وإنتاج زيادة في عدد الإلكترونات عند طرفها السالب، وزيادة في عدد البروتونات عند طرفها الموجب، وبذلك يمكن دفع تيار كهربي في الدائرة.

2. الإلكترون والبروتون في تركيب الذرة

تحدد الإلكترونات والبروتونات الخواص المميزة للمادة؛ (أُنظر شكل ذرة الهيدروجين) يوضح مكونات ذرة الهيدروجين، التي تتكون من كتلة مركزية، يطلق عليها "نواة الذرة"، وإلكترون وحيد يدور حولها في مدار خارجي. يوجد البروتون والشحنة الموجبة في مركز الذرة، ليكونا مركز الاستقرار لها، حيث إن كتلته تساوي 1840 مرة كتلة الإلكترون.

يمكن تخيل حركة الإلكترون حول النواة في ذرة الهيدروجين، مثل حركة أي كوكب حول الشمس، حيث تتعادل قوة الجذب بين الإلكترون السالب، والبروتون الموجب، مع القوة الميكانيكية الطاردة، الناتجة من دوران الإلكترون - القوة الطاردة المركزية؛ نتيجة لهذا التعادل يحتفظ الإلكترون بمدار ثابت حول النواة؛ في الذرات التي تحتوي على أكثر من إلكترون مثل ذرة الكربون، (أُنظر شكل ذرة الكربون)، وذرة النحاس، (أُنظر شكل ذرة النحاس). تتوزع الإلكترونات على أكثر من مدار، بينما تتجمع كل البروتونات في النواة، وفي الذرات المتعادلة، المستقرة، يجب أن يتساوى عدد الإلكترونات الدائرة في مدارات حول النواة، وعدد البروتونات المجتمعة فيها.

توزيع عدد الإلكترونات على مدارات حول النواة، خاصة تلك الإلكترونات الموجودة في المدار الأبعد عنها، (المدار الخارجي)، يحدد إلى حد بعيد الخواص الكهربية لهذه الذرة. وأي مدار خارجي، عدا المدار الأول، يتشبع بعدد 8 إلكترونات، بينما يتشبع المدار الأول بإلكترونين فقط، ففي ذرة الكربون، تقع أربعة إلكترونات في المدار الخارجي، وفي ذرة النحاس يوجد إلكترون وحيد في المدار الخارجي، وبمقارنة الذرتين، يتضح أن ذرة الكربون أكثر استقراراً من ذرة النحاس. وعندما يتجاور العديد من ذرات النحاس في سلك من النحاس، فإن الإلكترون الخارجي في كل ذرة، يمكنه الانتقال من ذرة إلى أخرى، ويطلق على هذا الإلكترون في هذه الحالة، "الإلكترون الحر". وهذه الإلكترونات الحرة هي المسؤولة عن جودة توصيل النحاس للتيار الكهربي.

3. المواد الموصلة والعازلة وشبه الموصلة

المواد الموصلة، هي تلك المواد التي تسمح بسهولة بانتقال إلكترون من ذرة إلى أخرى، وبصفة عامة، تُعد معظم المعادن، مثل النحاس والفضة، مواد جيدة التوصيل؛ أما المواد التي تميل ذراتها، إلى الاحتفاظ بالإلكترونات مستقرة في مداراتها، فيطلق عليها المواد العازلة، وهي مواد لا تسمح بتوصيل التيار الكهربي بسهولة؛ من مثل هذه المواد، الزجاج والبلاستيك والمطاط والمايكا. ولبعض المواد خواص توصيل متوسطة، فهي ليست موصل كامل، أو عازل كامل، وهي تجمع إلى حد ما، بين خواص الفئتين؛ هذه المواد يطلق عليها المواد شبه الموصلة Semi Conductor، مثل عناصر الجرمانيوم والسليكون؛ وقد أصبح لهذه المواد الآن قدر كبير من الأهمية في عملية إنتاج الترانزيستور، والدوائر الإلكترونية المتكاملة Integrated circuits .

4. الشحنات الكهربية

لا يمكن تعريف الشحنة الكهربية، ولكن يمكن وصف خواصها، وتوضيح سلوكها، ومما لا شك فيه أن الشحنات الكهربية، هي من المواصفات الأساسية للجزيئات، التي تتكون منها جميع العناصر والمواد، وأن التفاعلات المتبادلة، بين ذرات atoms وجزيئات molecules المواد، هي بصفة أساسية تفاعلات كهربية بين جسيمات مشحونة كهربياً.

يمكن شرح البناء التركيبي، لأي مادة طبيعية، باستخدام ثلاثة أنواع من الجسيمات:

أ. الإلكترون ذو الشحنة السالبة.

ب. البروتون ذو الشحنة الموجبة.

ج. النيوترون ذو الشحنة المتعادلة.

تكوّن البروتونات والنيوترونات الموجودة في أي ذرة، قلباً ذا كثافة عالية، وحجماً صغيراً جداً، لا تزيد أبعاده على جزء من ألف مليون مليون جزء من المتر 10-15 متر، بينما تدور الإلكترونات حول تلك النواة، وعلى مسافة تبعد عنها، بجزء من ألف مليون جزء من المتر 10 -9 متر، وهذا يعني أن المسافة التي تفصل بين الإلكترون والنواة تساوي مليون مرة قطر النواة، إذا كان قطر النواة 1سم، حجم قطعة النقود المعدنية الصغيرة، فإن الإلكترون يبعد عنها مسافة 10كم.

مقدار شحنة الإلكترون السالبة، يساوي تماماً، مقدار الشحنة الموجبة للبروتون، وفي الحالة الطبيعية، يكون عدد الإلكترونات حول الذرة، مساوياً تماماً عدد البروتونات الموجودة في النواة، وصافي الشحنة الكهربية للذرة يساوي صفراً؛ يطلق على عدد البروتونات والإلكترونات الموجودة في الذرة، مصطلح الرقم الذرى ATOMIC NUMBER لهذا العنصر، وإذا تم فصل إلكترون أو أكثر من الذرة المتعادلة، تظهر على الجزء الباقي شحنة موجبة، تساوى شحنة الإلكترونات السالبة التي تم فصلها، ويطلق على الذرة في هذه الحالة لفظ أيون موجب POSITIVE ION؛ أما الأيون السالب، فهو ذرة متعادلة، اكتسبت عدداً من الإلكترونات الإضافية، فظهرت عليها شحنة صافية سالبة. وكتلة البروتون وكتلة النيوترون متساويتان، وكل منهما تساوي تقريباً ألفي مرة كتلة الإلكترون، أي أن نسبة 99% من كتلة الذرة توجد في نواتها.

تجدر الإشارة هنا إلى مبدأين طبيعيين حاكمين هما:

أ. مبدأ بقاء الشحنة الكهربية CONSERVATION of CHARGE: هذا المبدأ ينص على أن المجموع الجبري للشحنات الكهربية، في أي نظام مغلق CLOSED SYSTEM[1]، رقم ثابت؛ هذا المبدأ يعنى أن الشحنات الكهربية يمكن نقلها من جسم إلى آخر، ولكن لا يمكن خلقها، كما لا يمكن تدميرها، ولا يوجد علمياً، حتى الآن أية شواهد تفيد خطأ هذا المبدأ.

ب. إن أي شحنة كهربية، أمكن ملاحظتها أو قياسها حتى الآن، تساوي قيمتها عدداً صحيحاً من مضاعفات شحنة الإلكترون أو البروتون. وفي قول آخر، إنه لم يكتشف حتى الآن أي جسيم، له شحنة تقل عن شحنة الإلكترون أو البروتون. ويتم التعبير عن الشحنات الكهربية، بوحدة كهربية خاصة يطلق عليها "الكولوم"[2]، نسبة إلى العالم الشهير شارلز أوجستين كولوم C. O. Coulomb 1736-1806، الذي درس، طبيعة القوة المتبادلة، بين الجسيمات المشحونة، كما أن اسمه، يطلق على أحد أهم القوانين الطبيعية، التي مهدت الطريق، للعديد من العلماء اللاحقين، لوضع أساس الحضارة الكهربية، والتقدم التكنولوجي، الذي يعيشه العالم الآن.

5. سلوك الشحنات الكهربية

إذا حدث احتكاك بين جسم من المطاط، وقطعة من الورق، يلاحظ أن الجسم المطاطي يجذب طرف الورقة، بما يفيد بوجود قوة تجاذب، بين الجسم المطاطي وطرف الورقة، حيث إن الشغل الميكانيكي، MECHANICAL WORK، المبذول في عملية الاحتكاك، وفّر الطاقة اللازمة لفصل بعض الإلكترونات، في قطعة المطاط، وبعض البروتونات في الورقة، وبما أن المادتين من المواد العازلة، فإن الإلكترونات والبروتونات التي انفصلت، تظل متجمعة في منطقة الاحتكاك، ولا يمكنها الانتقال خلال المادة؛ هذه الشحنات المجمعة السالبة والموجبة، هي المسؤولة عن القوة التي ظهرت، وسببت جذب المطاط لطرف الورقة، ويطلق على هذه الشحنات المنفصلة، الشحنات الساكنة STATIC CHARGES؛ تلك القوى التي ظهرت بين قطعة المطاط والورقة، هي إحدى الصور الأولية، التي تعبّر بها الكهرباء عن وجودها.

استخدم العلماء مصطلح "الشحنة السالبة"، للتعبير عن طبيعة الشحنة الكهربية، التي تتكون على المطاط، والمواد الراتنجية بصفة عامة، ومصطلح "الشحنة الموجبة" للتعبير عن طبيعة الشحنة الكهربية، التي تتكون على الزجاج، والمواد الزجاجية بصفة عامة؛ بناء على هذا التقسيم، تصبح شحنة الإلكترون شحنة سالبة؛ لأنها تطابق الشحنة التي تتكون على المطاط، وتصبح شحنة البروتون شحنة موجبة لتطابقها مع الشحنة المتكونة على الزجاج، تتفاعل الشحنات الكهربية كالآتي:

أ. الشحنات[3] ذات الطبيعة المختلفة تتجاذب:

إذا اقترب جسيمان مشحونان بشحنات ذات طبيعة مختلفة، وكانت للجسيمان حرية الحركة، فإن كلاً منهما يجذب الآخر، وإذا كان أحد الجسيمين بروتوناً، والآخر إلكتروناً، فإن البروتون هو الذي يجذب إليه الإلكترون، عند اقترابهما؛ لأن كتلة البروتون أكبر بكثير من كتلة الإلكترون.

ب. الشحنات ذات الطبيعة المتماثلة تتنافر:

أي أن شحنتين موجبتين، أو شحنتين سالبتين، إذا اقتربتا لمسافة معينة، تظهر بينهما قوى ميكانيكية، تعمل على دفع الشحنة ذات الكتلة الأقل، بعيداً عن الشحنة ذات الكتلة الأكبر.

ثانياً: الجهد والمقاومة

1. الجهد الكهربي

يعرف الجهد الكهربي،ELECTRICAL POTENTIAL ، بأنه المقدرة على بذل الشغل؛ فأي شحنة كهربية، تمتلك جهداً كهربياً، يسمح لها ببذل شغل يكفي لتحريك شحنة أخرى، سواء كان ذلك تجاذباً أو تنافراً. ويطلق على هذه المقدرة، مصطلح الجهد؛ لأنه لفصل الإلكترونات عن الذرات المتعادلة، يجب بذل شغل، وهذا الشغل يختزن في صورة جهد، يعمل على عدم ارتداد الإلكترونات مرة أخرى، وانجذابها إلى البروتونات الموجبة، للعودة إلى الحالة المتعادلة، وفي هذه الحالة يمكن القول: إن للإلكترونات أو البروتونات جهداً معيناً، وهي مستعدة لتتخلى عن هذا الجهد في صورة شغل، مساوٍ للشغل الذي بذل لإنتاج تلك الشحنات.

الحالة الوحيدة التي لا يوجد فيها فرق جهد بين الشحنات الكهربية، هي الحالة التي تكون فيها تلك الشحنات من النوع نفسه، أي لها القطبية نفسها، ولها المقدار نفسه، وفي هذه الحالة تتعادل قوى الجذب، والتنافر، الواقعة على الإلكترونات، ولا يحتاج الأمر إلى بذل أي شغل لتحريك تلك الإلكترونات بين الشحنتين.

بصفة أكثر دقة يمكن القول، إنه لتحريك شحنة مفردة موجبة، من النقطة، a إلى النقطة b، يلزم بذل شغل على هذه الشحنة المفردة، ومقدار هذا الشغل، هو نفسه فرق الجهد الكهربي بين النقطتين a وb؛ يرمز لفرق الجهد في هذه الحالة بالرمز Vab

     Vab = Va - Vb

ويعبر عن الجهد الكهربي، من الناحية الكمية، باستخدام وحدة قياس كهربية، يطلق عليه اسم "فولت" VOLT، تخليداً لاسم العالم الشهير الكسندرو فولتا ALEXANDRO VOLTA 1745- 1827. يعبر الفولت عن مقدار الشغل اللازم لتحريك شحنة، قيمتها كولوم واحد، بين نقطتين، ويصبح فرق الجهد بينهما 1 فولت، وعند القول: إن جهد بطارية يساوي 6 فولت، فإن ذلك يعني أن فرق الجهد بين قطبي تلك البطارية يساوي 6 فولت، ويستخدم، أيضاً، للتعبير عن فرق جهد البطارية، مصطلح "القوة الدافعة الكهربية" "ق.د.ك."Electromotive force ، ولقياس فرق الجهد، بين أي نقطتين في دائرة كهربية، يستخدم جهاز الفولت متر.

2. التيار الكهربي

عندما يسبب فرق الجهد الكهربي بين شحنتين، حركة شحنة ثالثة، فإنه يطلق على الشحنة المتحركة اسم "التيار الكهربي"، أي أن التيار الكهربي هو سيل من الشحنات الكهربية المتحركة، نتيجة لوجود فرق جهد محدد بين نقطتين؛ في المواد الصلبة، مثل سلك من النحاس. أما الإلكترونات الحرة، فهي شحنات يمكن دفعها للتحرك بسهولة نسبية، حيث إن هذه الشحنات ترتبط ارتباطاً ضعيفاً بذرات النحاس، ولا تحتاج لبذل مقدار كبير من الشغل لتحريكها. وإذا طبقنا فرقاً للجهد الكهربي فإن توصيل بطارية بين طرفي سلك النحاس، سيدفع الإلكترونات الحرة إلى حركة انتقالية، تكون نتيجتها، انتقال الإلكترونات من الطرف ذي الجهد السالب، إلى الطرف ذي الجهد الموجب، خلال سلك النحاس، مسببة تياراً من الإلكترونات، وهو ما يطلق عليه "التيار الكهربي". وتتم حركة الإلكترونات هذه، داخل سلك النحاس بسرعة تساوي سرعة انتشار الضوء - 186 ألف ميل في الثانية الواحدة، ونتيجة لهذه السرعة الكبيرة جداً، لا تلاحظ أي فواصل زمنية عند تشغيل الأجهزة الكهربية.

يعتمد عدد الإلكترونات الحرة، التي يمكن دفعها للانتقال خلال السلك، لإنتاج شحنات متحركة، على فرق الجهد الكهربي بين طرفي السلك، وبزيادة فرق الجهد يزداد عدد الإلكترونات الحرة المنتقلة؛ هذا العدد المتزايد من الشحنات المتحركة يعبر عن تيار كهربي ذي قيمة متزايدة. وبانخفاض فرق الجهد الكهربي ينخفض التيار المندفع خلال السلك، فإذا وصل فرق الجهد إلى الصفر يتوقف تماماً سريان التيار الكهربي بين طرفي السلك، ونخلص من ذلك إلى النتيجة التالية:

لسريان تيار كهربي في موصل يجب توصيل طرفي الموصل إلى نقطتين يوجد بينهما فرق جهد كهربي.

وللتعبير عن كمية التيار الكهربي، تستخدم وحدة قياس كهربية يطلق عليها اسم "أمبير"، تخليداً للعالم الفرنسي الشهير أندريه أمبير Andre Ampere 1775-1836، وهي وحدة تعبر عن المعدل الزمني، لتدفق الشحنات الكهربية، عبر موصل ما؛ يمثل الأمبير تدفق شحنات مقدارها كولوم واحد، خلال فترة زمنية، تقدر بثانية واحدة، ويرمز لشدة التيار بالرمز I.

الفرق بين الشحنة الكهربية والتيار الكهربي، أن الشحنة الكهربية، هي كمية من الكهرباء تتراكم في جسم عازل، وهي ساكنة لا تتحرك، فإذا تحركت نتج عنها تيار كهربي، يعبر عن شدته بالعلاقة التالية:

حيث I هو شدة التيار الكهربي مقاساً بالأمبير، و Q مقدار الشحنة الكهربية، مقاساً بالكولوم، وt زمن مرور الشحنة Q مقاساً بالثانية. هذا التعريف لا يختلف سواء كانت الشحنة Q سالبة، الإلكترونات الحرة في حالة سلك النحاس، أو موجبة، انتقال البروتونات في حالة السوائل أو الغازات أو شبه الموصلات، ولكن يختلف فقط اتجاه سريان التيار الكهربي، وتظل قيمته معرفة بالعلاقة نفسها.

3. المقاومة

عند تطبيق جهد كهربي ثابت، على أطراف أسلاك من مواد مختلفة بأطوال متساوية، يتضح أن التيار الكهربي يختلف من سلك لآخر، وهذا يرجع إلى تكوين ذرات المادة المصنع منها كل سلك؛ يطلق على خاصية المادة، التي تحدد شدة التيار الكهربي المار في السلك، تحت تأثير فرق جهد ثابت اسم "مقاومة الموصل"، وهذه المقاومة، هي التي يقوم الجهد الكهربي ببذل الشغل اللازم للتغلب عليها.

وللتعبير عن مقاومة مرور التيار الكهربي، تستخدم وحدة قياس كهربية يطلق عليها اسم "أوم"، تخليداً للعالم G. S. Ohm 1787-1854، وهي مقاومة سلك، تمر خلاله شدة تيار قيمته أمبير واحد. أما إذا ما طبق على طرفيه فرق جهد يساوى فولت واحد، فمقاومة سلك من النحاس، طوله قدم واحد، هي 0.01 أوم، بينما تصل مقاومة فتيل المصباح المصنع من مادة التنجستين، إلى 144 أوم.

وللتعبير عن قيمة المقاومة الكهربية يستخدم الرمز R، بينما يستخدم الرمز G للتعبير عن درجة سماح الموصل لمرور التيار الكهربي من خلاله؛ ولقياس درجة السماح تستخدم وحدة قياس يطلق عليها "موه" Mho.

4. مصادر الحصول على الكهرباء

توجد الإلكترونات والبروتونات في ذرات جميع المواد. وللتغلب على مقاومة المواد يلزم بذل شغل، وإحداث فرق جهد، يسمح بمرور تيار كهربي. وفيما يلي ذكر لبعض الطرق والوسائل للحصول على شواهد كهربية:

أ. الحصول على كهربية ساكنة بالاحتكاك، وفي هذه الطريقة، يتم فصل الإلكترونات، والبروتونات، من ذراتها في مادة عازلة، ببذل شغل ناتج من الاحتكاك؛ فتظل تلك الشحنات المتعاكسة، ساكنة داخل المادة العازلة.

ب. تحويل الطاقة الكيميائية، إلى طاقة كهربية، ويتمثل هذا التطبيق في البطاريات، أو الأعمدة الجافة، والمراكم، حيث يستخدم التفاعل الكيميائي في إنتاج الشحنات المتعاكسة.

ج. تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة كهربية، ويتمثل هذا التطبيق، في المولد الكهربي، الذي ينتج التيار الكهربي، من دوران موصل بين أقطاب مغناطيس قوي، حركة موصل في مجال مغناطيسي.

د. تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربية، ويتمثل هذا التطبيق، في استغلال خاصية بعض المواد، في إنتاج الإلكترونات الحرة، عند تعرضها للضوء، حيث إن مادة مثل السلينيوم، تتغير مقاومتها للتيار الكهربي، طبقاً لدرجة تعرضها للضوء.

هـ. تحويل الطاقة الحرارية، إلى طاقة كهربية، باستغلال الانبعاث الحراري، فعند تسخين بعض المواد، مثل فتيل شاشة التليفزيون، تنطلق منه الإلكترونات الحرة، فتكوّن تياراً كهربياً.

5. قانون أوم

الكهرباء موجودة في كل المواد، في صورة إلكترونات وبروتونات؛ والإلكترون هو الكمية الأساسية للكهربية السالبة، أما البروتون فهو الكمية الأساسية للكهربية الموجبة، وكلاهما يحمل المقدار نفسه من الشحنة، ولكن بقطبية مختلفة؛ فالشحنات متحدة القطبية تتنافر، بينما تتجاذب تلك التي لها قطبية متخالفة، ويلاحظ أن كتلة البروتون تساوي تقريباً ألفي مرة كتلة الإلكترون، وعند التجاذب يميل الإلكترون إلى التحرك نحو البروتون، مكوناً تياراً إلكترونياً. والرقم الذري لأي عنصر يعبر عن عدد البروتونات الموجودة في النواة، التي يعادلها عدد مساوٍ من الإلكترونات، في مدارات حول النواة. والإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي، هي التي تحدد الخواص الكهربية للعنصر. أما الدائرة الكهربية فهي مسار مغلق، يمكن أن تندفع خلاله الإلكترونات، ولدفع التيار الكهربي خلال الدائرة يجب تطبيق فرق جهد كهربي بين طرفيها.

في عام 1828، اكتشف العالم الطبيعي، جورج سايمون أوم G. S. Ohm ، عن طريق التجربة، أن هناك علاقة تناسب طردي بين الجهد، المطبق على طرفي دائرة كهربية، والتيار المندفع خلالها، نتيجة لهذا الجهد، وأطلق اسم هذا العالم، على العلاقة الكهربية الشهيرة، التي تحدد هذه العلاقة، وهي: V = I R حيث V ترمز للجهد المطبق على طرفي الدائرة، وI إلى التيار الكهربي الساري في الدائرة، وR إلى المقاومة الكلية لهذه الدائرة.

تتكون الدائرة الكهربية، (أُنظر شكل دائرة توضح قانون أوم)، من العداد A لقياس شدة التيار المار بالمقاومة R، وبطارية لتطبيق فرق جهد V بين طرفيها؛ بتغيير فرق الجهد، يتغير معه التيار، بحيث تظل العلاقة: V = I R صحيحة، لأي قيمة من قيم V و I المناظرة لها.

النسبة بين V وI هي نسبة خطية مباشرة، (أُنظر شكل علاقة قانون أوم)، يوضح العلاقة بي قيم V المختلفة، وقيم I المناظرة لها، وهي عبارة عن خط مستقيم؛ وهذا يعنى أن عند الجهد V1 نحصل على التيار I1، وعند الجهد V2 نحصل على التيار 2 I، وتتحقق دائماً العلاقة:

ويلاحظ، أن التيار المار بالدائرة يتوقف عندما يكون فرق الجهد يساوى صفراً، وعندما يعبر عن الجهد الكهربي بالفولت، والمقاومة بالأم، ويعبر عن شدة التيار بالأمبير


   

[1] النظام المغلق، هو تصور نظري لأي جسم، أو مجموعة من الأجسام، منعزلة تماماً عن باقي الكون، ولا يوجد بينه، وبين أي جسم أو نظام آخر في الكون، أي نوع من الاتصال، أو التفاعل.

[2] شحنة الإلكترون تساوي = 1.602  10 -19 كولوم.

[3] الشحنات الكهربية: إما أن تكون ذات قطبية موجبة، أو ذات قطبية سالبة، ويرمز لها بالرمز Q+ أو Q- وتعد الشحنة التي تساوي صفراً شحنة متعادلة.

[4] الميكرو أمبير وحدة قياس لشدة التيار الكهربي تساوي 10-6 أمبير.

[5] المللي أمبير وحدة لقياس شدة التيار تساوي 10-3 أمبير.

[6] للمقاومات التي تقل قيمتها عن 10 أوم، يمكن أن تأخذ الشريحة `ج` لونين إضافيين، هما اللون الفضي، وهذا يعني قسمة القيمة الموضحة على 10، واللون الذهبي، وهذا يعني قسمة القيمة على 100.

[7] تيار شدته من 50 إلى 200 أمبير في الساعة، يعد قيمة معتادة للبطاريات الحمضية.

الفصل الأول

الكهرباء



رابعاً: التحليل والقياس

1. تحليل الدوائر الكهربية

في الدوائر الكهربية، التي تم التعرض لها حتى الآن، استخدم مصدر واحد فقط للجهد الكهربي، ولكن في كثير من التطبيقات، يمكن استخدام أكثر من مصدر للتغذية الكهربية، حيث ينتج كل مصدر منها، تياراً كهربياً، يؤثر في جميع أجزاء الدائرة، ولدراسة الدوائر الكهربية وتحليلها، التي يكون فيها مصدر أو أكثر من مصادر التغذية، وضع جى. آر. كير شوف Kirchhoff ، عام 1847 القوانين الآتية:

أ. في أي دائرة كهربية مغلقة، يكون المجموع الجبري، لقيم جهود مصادر التغذية V وقيم فروق الجهد، الناتجة من مرور التيار I x R مساوياً لصفر.

ب. في أي نقطة، يتلاقى فيها أكثر من مكون من مكونات الدائرة الكهربية، يكون المجموع الجبري للتيارات الكهربية، الداخلة إلى هذه النقطة، مساوياً للمجموع الجبري، للتيارات الكهربية الخارجة منها، ويطلق على تلك النقطة، عقدة توصيل.

2. قانون سفنن

تعد هذه النظرية، أداة قوية لتبسيط الدوائر الكهربية، فبتطبيقها يمكن تحويل أي دائرة كهربية معقدة، تحتوي على أكثر من مصدر تغذية كهربية، وأكثر من مقاومة، أياً كانت طريقة التوصيل، إلى صورة بسيطة، تتكون من مصدر كهربي واحد، قيمته Vth، ومقاومة واحدة قيمتها Rt، ويمكن توضيح طريقة استخدام نظرية سفنن، بتطبيقها على الدائرة الكهربية التالية، ، حيث إن المطلوب، حساب قيمة التيار المار في المقاومةR3 .

يتم فصل المقاومة R3 من الدائرة، وترقيم طرفيها بالحرفين a، b، ويكون للمصدر الكهربي Vth قيمة، تساوي فرق الجهد بين الطرفينa ، b؛ بعد رفع المقاومة R3 من الدائرة، (أُنظر شكل تطبيق سفنن الخطوة الأولى)، فتصبح الدائرة متصلة على التوالي، ولها مصدر تغذية، يتيح فرق جهد، يساوي V1 - V2 ، أي 63 فولت؛ ولحساب فرق الجهد بين النقطتينa ، b، يجب حساب فرق الجهد الواقع على المقاومتين R1، R2، ولذلك يحسب التيار الكلي في الدائرة، ، كالآتي:

فرق الجهد الواقع على R1 هو:

VR1 = I R1 = 4.2 x 12 = 50.4 volts

Vth = Vab = 84 - 50.4 = 33.6 volts

لتطبيق نظرية سفنن، يتبقى حساب المقاومة Rth ، ولذلك يتم توصيل أسلاك كهربية، بدلاً من مصادر التغذية، (أُنظر شكل تطبيق سفنن الخطوة الثانية)، وحساب المقاومة بين النقطتينa ، b، وبالنظر إلي الدائرة، في وضعها الجديد، يتضح أنها تساوي المقاومتينR1 وR2، متصلتين على التوازي، وتكون Rth هي:

Rth = 2.4 ohms.

وطبقاً لنظرية سفنن، تكون الدائرة الكهربية (أٌنظر شكل دائرة تحليل الدوائر الكهربية)، مكافئة للدائرة الجديدة، (أُنظر شكل تطبيق سفنن المرحلة الأخيرة)، ويكون التيار I3 المار في المقاومةR3 هو:

I3 = 4 Amp

3. نظرية نورتون

في هذه النظرية، يعدّ مصدر الطاقة الكهربية، مصدراً مثالياً، للجهد الكهربي، أي أن له مقاومة داخلية، متصلة على التوالي، ويكون قادراً على تطبيق فرق جهد، له قيمة ثابتة، أياً كانت قيم المكونات المتصلة بين أطرافه.

يمكن، أيضاً، تصور مصدر الطاقة الكهربية، في صورة مصدر تيار كهربي، له مقاومة داخلية متصلة على التوازي، مع المصدر، ويكون هذا المصدر، قادراً على تغذية الدائرة الكهربية، بشدة تيار، لها قيمة ثابتة، أياً كانت مكونات هذه الدائرة.

تؤكد نظرية نورتون، أن أي دائرة كهربية ذات طرفين، وتحتوى على مصادر مختلفة للجهد الكهربي، وللتيار الكهربي، يمكن الاستعاضة عنها بدائرة بسيطة، تحتوى على مصدر تيار كهريي IN، له مقاومة داخلية RN متصلة مع المصدر على التوازي، ومقاومة واحدة، متصلة معها على التوازي؛ ولتوضيح طريقة استخدام نظرية نورتون، يمكن بتطبيقها على الدائرة الكهربية، (أُنظر شكل تطبيق سفنن الخطوة الأولى)، التي طبقت عليها نظرية سفنن، ومطلوب في هذه الحالة، حساب شدة التيار الكهربي المار في المقاومة R3 .

الخطوة الأولى في هذه الحالة، هي توصيل سلك بدلاً من المقاومة R3 (أُنظر شكل قانون نورتون الخطوة الأولى)، يتم حساب التيار I1 المار في المقاومة R1 ، والتيار I2 ، المار في المقاومة R2 كالآتي:

التيار IN ، المار في الموصل  abيكون:

IN = I1 + I 2 = 7 + 7 = 14 Amp.

الخطوة الثانية، حساب المقاومة المكافئة،RN بين النقطتين a، b وتحسب بالأسلوب نفسه، المستخدم عند حساب Rth في نظرية سفنن، أي أن:

RN = Rth = 2.4 ohms

الدائرة المكافئة، للدائرة الموضحة (أُنظر شكل تطبيق سفنن الخطوة الأولى)، طبقاً لمنطوق نظرية نورتون، الموضحة (أُنظر شكل تطبيق نورتون الخطوة الثانية)، وتكون شدة التيار المار في المقاومةR3 هي:

I3 = 4 Amp.

مع ملاحظة الآتي:

Rth = RN

Vth = IN x RN

IN = Vth /Rth

4. نظرية ميلمان Millman ' s Theorem

اسم هذه النظرية، على أسلوب خاص من تطبيقات نظرية نورتون، وذلك عند تطبيقها على كل فرع من فروع الدائرة على حدة؛ ولتوضيح أسلوب استخدام هذه النظرية، في تحليل الدوائر الكهربية، نستخدم الدائرة الموضحة، (أُنظر شكل نظرية ميلمان الخطوة الأولى) ولهذا الغرض نطبق نظرية نورتون، علي كل من الأفرع الثلاثة، على حدة، وتكون النتائج كالآتي:

أ. يستبدل الفرع الرقم 1 بمصدر للتيار شدته 7 أمبير، وتتصل به مقاومة علي التوازي، قيمتها 12 أوم.

ب. يستبدل الفرع الرقم 2 بمصدر للتيار شدته صفر، وتتصل به مقاومة على التوازي، قيمتها 6 أوم.

ج. يستبدل الفرع الرقم 3 بمصدر للتيار شدته 7 أمبير، تتصل به مقاومة على التوازي، قيمتها 3 أوم.

د. الأفرع الثلاثة البديلة، متصلة على التوازي، ولذلك هي تكافئ مصدر تيار قيمته 14 أمبير، يتصل به على التوازي ثلاث مقاومات، قيمتها 12، 3 ، 6 أوم، وتلك المقاومات تكافئ مقاومة، قيمتها 1.72 أوم، وتصبح الدائرة المكافئة طبقاً لنظرية ميلمان، هي تلك الموضحة (أُنظر شكل نظرية مليمان الخطوة الثانية) ، ويكون فرق الجهد بين b، a مساوياً 24 فولت، وهذا يؤدي إلى سريان تيار كهربي في المقاومة R3 الموصلة بين النقطتين b ، a شدته 4 أمبير.

وبصفة عامة، تستخدم نظرية ميلمان، من خلال الخطوات الثلاث الآتية:

أ. حساب التيار الكلي IT

ب. حساب المقاومة الكلية RT

ج. باستخدام قانون أوم يتم حساب فرق الجهد Vab

5. القياسات الكهربية

أ. المقياس ذو الملف المتحرك:

تعتمد فكرة المقياس ذي الملف المتحرك، على القوة المؤثرة، على أي سلك يحمل تياراً كهربياً، يوجد في منطقة، يؤثر فيها مجال مغناطيسي مناسب، وفي حالة ثبات شدة المجال المغناطيسي، فإن القوة المؤثرة على السلك تتناسب طردياً مع شدة التيار الكهربي، المار في هذا السلك. (أُنظر شكل المقياس ذو الملف المتحرك)، يوضح رسماً تخطيطياً لمقياس ذي ملف متحرك؛ التيار يمر في عدد كبير من اللفات السلكية، ذات المقاومة البسيطة، ملفوفة على إطار من معدن خفيف الوزن، وقابل للحركة الحرة، من دون معوقات على محور مركزي؛ تقع هذه الملفات في حقل مغناطيسي، ناشئ عن مغناطيس دائم قوي، ويرتبط مع الملف المتحرك، مؤشر مصنوع من مادة خفيفة الوزن، يتحرك طرفه على تدريج خاص، موضح عليه القيم الكهربية المطلوب قياسها، وعند مرور التيار الكهربي بين النقطتين 1، 2 تتولد قوة كهربية، تؤثر على الملف، وتدفعه للدوران حول مركزه، وهذا الدوران يتناسب مع القوة المحدثة له، التي تتناسب بدورها مع شدة التيار المار في الدائرة؛ أي أن زاوية دوران الملف المتحرك، تتناسب مع شدة التيار المار بين النقطتين 1، 2، وهذا يؤدي إلى انحراف المؤشر بزاوية، هي زاوية دوران الملف المتحرك نفسها، وبتقسيم قوس التدريج إلى مسافات مناسبة، يمكن ترقيم تلك المسافات، بحيث تعبر مباشرة عن الكمية الكهربية المطلوب قياسها.

يستخدم مبدأ المقياس ذي الملف المتحرك، في تصميم الكثير من أدوات قياس الكميات الكهربية المختلفة، التي يطلق عليها أسماء مختلفة، منها "الجلفانومتر" Galvanometer وهو مقياس شديد الحساسية، يستخدم لقياس القيم الصغيرة جداً للتيار الكهربي، تصل في بعض الأحيان، إلى قياس كسر من الميكرو أمبير[4]، باستخدام الجلفانومتر المعملي، ذي الملف المعلق، والعدسة المكبرة لقراءة الانحراف الصغير جداً للمؤشر، كما يطلق اسم الجلفانومتر البالستي، على الجلفانومتر الخاص المستخدم في قياس التيارات الصغيرة جداً، التي توجد لحظياً فقط، توجد خلال فترات لا تتعدى أجزاء من الثانية.

ب. مقياس شدة التيار الكهربي Ampere meter

يستخدم المقياس ذو الملف المتحرك، لقياس تيار كهربي، تتراوح شدته بين الأمبير، والميكروأمبير؛ وعند قياس شدة التيار الكهربي يجب ملاحظة الاعتبارات الآتية:

(1) يجب توصيل طرفي المقياس، وهما في الوقت نفسه، طرفا الملف المتحرك، على التوالي، في الجزء المحدد من الدائرة الكهربية، المطلوب قياس شدة التيار، المار بها، حيث سيتناسب انحراف مؤشر المقياس، مع شدة التيار المار في الملف المتحرك، وهو نفسه التيار المار في الدائرة، حيث إن الدائرة المتصلة على التوالي، يمر بها تيار ثابت.

(2) يجب مراعاة الاتجاه الصحيح، لمرور التيار الكهربي في المقياس، وخاصة عند قياس التيار المستمر، ذي الاتجاه الثابت، لتجنب حدوث آثار ضارة عند التوصيل في الاتجاه الخاطئ.

(3) يلزم أن تكون المقاومة، الداخلية لمقياس التيار صغيرة جداً، وتكون في معظم الأحيان، أقل من أوم واحد، وذلك حتى لا تؤثر هذه المقاومة، في رفع قيمة المقاومة الكلية للدائرة، المطلوب قياس التيار المار بها، وبذلك تنخفض شدة التيار المار في الدائرة، وتكون قراءة المقياس قراءة خاطئة.

يمكن استخدام مقياس التيار الكهربي الواحد، لقياس قيم مختلفة من شدة التيار، تتراوح بين القيم الصغيرة جداً، والكميات الكبيرة، وذلك باستخدام مقاومات، ذات قيم دقيقة، تركب على التوازي، مع مقاومة الملف المتحرك، ويطلق على هذه المقاومات الخاصة، R s مقاومة التوازي للملف Shunt resistance ، و يتم اختيار قيمة هذه المقاومة، بحيث يمر فيها الجزء الأكبر، من التيار الكهربي، وتمر نسبة بسيطة فقط منه، في الملف المتحرك، الذي ينحرف بزاوية تتناسب مع شدة التيار البسيط المار خلاله، ولكن يتم ترقيم أقسام التدريج، بالقيم التي يتم حسابها، باستخدام قانون أوم، والتي تعبر عن شدة التيار الكلي، المار في الدائرة، الذي تم تقسيمه إلى جزأين أحدهما يمر في مقاومة التوازي، والآخر يمر في الملف المتحرك؛ ولتوضيح ذلك ندرس المثال التالي:

مطلوب قياس شدة التيار المار في المقاومةR1 ، (أُنظر شكل مقاومة التوازي لقياس التيار)، بواسطة مقياس لشدة التيار، لا يتحمل ملفه المتحرك أكثر من 30 مللي أمبير[5]، بينما التيار المتوقع مروره في المقاومة، R1 يزيد على ذلك؛ مقاومة الملف المتحرك Rm، تساوي 1.2 أوم، والتيار الكلي المار في الدائرة IT يساوي 50 مللي أمبير. ولنجاح القياس، بواسطة مقياس شدة التيار، مع الحفاظ على سلامته، وبدقة قياس مناسبة، يتم توصيل مقاومة التوازي Rs، عبر طرفي الملف المتحرك للمقياس، وتكون قيمتها 1.2 أوم، مساوية لمقاومة الملف المتحرك؛ بذاك ينقسم التيار إلى قسمين متساويين، يمر قسم منهما في الملف المتحرك، لينحرف المؤشر، الانحراف المناسب لمرور تيار، شدته 25 مللي أمبير، ويمر النصف الثاني من التيار، خلال مقاومة التوازي، وللحصول على القياس السليم للتيار، تضاعف قيمة التيار المقاس بواسطة المقياس.

(أُنظر شكل قياس مستويات التيار)، يوضح كيفية استغلال فكرة مقاومة التوازي Rs، بصورة مبتكرة، لتزويد مقياس شدة التيار، بإمكانية قياس مستويات مختلفة من شدة التيار، حيث S هو مفتاح اختيار مستوى القياس، الذي يناسب شدة التيار المراد قياسها، وبواسطة مفتاح الاختيار S، تختار قيمة Rs المناسبة.

ج. مقياس فرق الجهد الكهربي Voltmeter

يعتمد المقياس ذو الملف المتحرك، على أن القوة الواقعة على الملف المتحرك، نظراً لوقوعه في مجال مغناطيسي ثابت القيمة، تتناسب مع شدة التيار المار في الملف؛ إلا أنه يمكن استخدامه، لقياس فرق الجهد، بإضافة مقاومة، ذات قيمة كبيرة، على التوالي مع الملف المتحرك، ويجب أن تكون قيمة تلك المقاومة، أكبر من مقاومة الملف المتحرك، ويطلق على تلك المقاومة، في هذه الحالة "المقاومة المضاعفة" multiplier resistance و يطلق على المقياس، مقياس فرق الجهد Voltmeter.

يوصل مقياس فرق الجهد، في الدائرة الكهربية، على التوازي بين النقطتين المراد قياس فرق الجهد بينهما، (أُنظر شكل قياس فرق الجهد)، لذلك يجب أن تكون قيمة المقاومة الموصلة على التوالي، مع الملف المتحرك، كبيرة جداً، حتى لا يكون لها أي تأثير يذكر في قيمة مقاومة الدائرة، المراد قياس فرق الجهد بين طرفيها.

يمكن استخدام مقياس واحد لقياس فرق الجهد، لمستويات مختلفة، من الجهود الكهربية، وذلك بتغيير قيمة المقاومة المضاعفة، Multiplier resistance لتتناسب قيمتها، مع مستوى فرق الجهد المطلوب قياسه، (أُنظر شكل المقاومة لقياس التيار).

د. مقياس المقاومة الكهربية Ohmmeters، وقياس الاتصال Continuity

يتكون مقياس المقاومة، بصفة أساسية، من مقياس ذي ملف متحرك، مزود ببطارية، ذات جهد كهربي ثابت، ومقاومة لتحديد شدة التيار الكهربي، كما هو موضح (أُنظر شكل قياس المقاومة)؛ يوصل جزء الدائرة الكهربية، المطلوب قياس مقاومته، بين الطرفينa ، b لمقياس المقاومة، مع مراعاة، أن تكون جميع مصادر التغذية الكهربية، بالدائرة الخاضعة للقياس، مفصولة، ويكون مصدر التغذية الكهربية الوحيد، هو البطارية المتصلة مباشرة بمقياس المقاومة.

عند عدم توصيل أي مقاومة، بين الطرفين a، b، لا يمر تيار كهربي، في الملف المتحرك، وبالتالي لا يتحرك المؤشر، وفي هذه الحالة تكون العلامة المواجهة لطرف المؤشر، على التدريج، مكافئة لمقاومة لا نهائية، وفي حالة توصيل سلك مقاومته صفر، بين الطرفينa، b، تكون العلامة المواجهة لطرف المؤشر، على التدريج، مكافئة لمقاومة قيمتها صفر، (أُنظر شكل تدريج مقياس المقاومة).

يمكن استخدام مقياس المقاومة، لقياس مستويات مختلفة، من المقاومات الكهربية، باستخدام فكرة مجزئ الجهد، بتوصيل فرع من المقاومات المتصلة على التوالي، (أُنظر شكل قياس مستويات جهد مختلفة)، هذا الفرع يتصل على التوازي مع البطارية الخاصة بالمقياس، وبواسطة المفتاح S يتم اختيار الجهد المناسب، لمستوى المقاومات المطلوب قياسها.

كثيراً ما تتعرض الدوائر الكهربية لأعطال، يلزم الكشف عنها، لإصلاحها، ومن أكثر الأعطال الشائعة للدوائر الكهربية، انفصال الاتصال، بين أي نقطتين في الدائرة أو انقطاعه؛ لاكتشاف هذا العطل، يستخدم مقياس المقاومة بأسلوب اختبار الاتصال، أي قياس المقاومة بين النقط المتصلة، والتأكد من أن المقياس، يشير إلى مقاومة قيمتها صفر أوم.

هـ. قياس القدرة الكهربية، والمقياس متعدد المهام multimeters

كما سبق توضيحه، فإن القدرة الكهربية P، في دائرة كهربية معينة، تحسب من المعادلة:

P = I V

و P = I2R

أي أنه يمكن حساب القدرة الكهربية لهذه الدائرة بقياس شدة التيار المار في الدائرة، وفرق الجهد المطبق بين أطرافها، أو المقاومة الكلية لتلك الدائرة. هذا النوع من القياسات، مطلوب في معظم الأحوال، ولذلك يتم تصنيع نوع من أجهزة القياس، ذات الملف المتحرك، يمكن بواسطة مفتاح خاص بها، اختيار نوع العمل، وتحويل المقياس ليتناسب، مع قياس شدة التيار، أو فرق الجهد، أو المقاومة الكهربية، ويطلق على هذا النوع من أجهزة القياس، "المقياس المتعدد" Multimeter.

خامساً: البطاريات

1. الموصلات والعوازل

تتميز المواد الموصلة، بتوافر عدد وافر، من الإلكترونات الحرة في تركيبها، وهذه الإلكترونات الحرة، يمكن تحريكها بسهولة، ببذل شغل، من مصدر مناسب للطاقة الكهربية، ويمكن، أيضاً، تعريف المواد الموصلة، بأنها تلك المواد التي لها مقاومة كهربية صغيرة جداً، فمقاومة سلك من النحاس طوله 10 أقدام، على سبيل المثال، تقل عن أوم واحد؛ عادة تستخدم أسلاك من المواد الموصلة، لتوصيل أطراف مصدر الجهد الكهربي، بأطراف الجهاز أو المعدة، المراد تغذيتها بالطاقة الكهربية، من دون فقد جزء من الطاقة الكهربية المخزونة، أو المتولدة من مصدر التغذية.

تتميز المواد العازلة، بعدم وجود إلكترونات حرة في تركيبها، ويصعب فصل الإلكترونات الموجودة في مدارات، حول ذرات تلك المواد، إلا في أحوال خاصة، وتوفير طاقة عالية جداً، ويمكن تعريف المواد العازلة، بأنها تلك المواد، التي لها مقاومة كهربية تزيد على بضعة ملايين أوم؛ ومن أمثلة هذه المواد، الهواء، والزجاج، والبلاستيك، والمطاط، والقطن، وهي تستخدم عادة لفصل، أو عزل الموصلات الكهربية، وكذلك لمنع انتقال الإلكترونات، أو التيار الكهربي، من موصل إلى أي جسم آخر.

هناك بعض العناصر الطبيعية، وبعض المواد المركبة، لها خواص كهربية متوسطة، بين الخواص الكهربية للمواد الموصلة، والخواص الكهربية للمواد العازلة؛ يطلق على هذه المواد أشباه الموصلات Semiconductors ، وتلك المواد، لها استخدامات عديدة ومهمة جداً، وتعد القاعدة الأساسية، التي ارتكز عليها التقدم التكنولوجي السريع، لعالم الإلكترونيات.

يستخدم الموصل الكهربي، كما سبق توضيحه، لتوصيل الطاقة الكهربية، من مصدرها، إلى الجهاز أو المعدة، المطلوب تغذيتها بالجهد الكهربي، وعلى سبيل المثال، توصيل مصباح كهربي قدرته 100 وات، بمصدر للجهد يوفر 200 فولت، وهذا يعنى، أنه لكي يضئ المصباح الإضاءة السليمة، يلزم أن ينطبق على طرفيه فرق جهد 200 فولت، ويمر به تيار شدته 0.5 أمبير؛ لكي يتحقق ذلك، يلزم توصيل المصدر الكهربي، والمصباح، بسلك ذي مقاومة صغيرة، بحيث يكون فرق الجهد الواقع على السلك قليلاً، لا يؤثر في قيمة الجهد المطبق على طرفي المصباح؛ (أُنظر شكل توصيل مصباح بسلك)، يوضح طريقة توصيل مصدر تغذية كهربية، جهده 200 فولت، بمصباح كهربي، قدرته 100 وات، بسلك مقاومته 1 أوم، لكل 10 أمتار من الطول؛ تحسب القدرة P ، من المعادلة:

P = I V

  100 = I x 200

I = 0,5 Amper

هذا التيار، يسبب فقداً في الجهد Vd يساوي:

Vd = 0,5 x 1

  Volt =0,5

ويكون فرق الجهد، المطبق على طرفي المصباح، عبارة عن الباقي:

200-0.5=199.5 Volts

وهذا الجهد، يناسب تماماً العمل السليم للمصباح، ويوفر الإضاءة القوية منه؛ لكن إذا ازدادت مقاومة سلك التوصيل، وأصبحت 100 أوم مثلاً، فإن الفرق في الجهد، يكون 50 فولت، والباقي 150 فولت؛ هذا لا يناسب العمل السليم للمصباح، وينتج إضاءة ضعيفة، إضافة إلى أن هناك طاقة مفقودة، خلال عملية التوصيل، لم يستفد منها، ولها آثار ضارة، على الدائرة الكهربية.

تصنع معظم أسلاك التوصيل الكهربي، من مادة النحاس، ذات المقاومة القليلة جداً، وهناك بعض الأسلاك المصنوعة، من الألومنيوم أو الفضة، تستخدم لأغراض خاصة؛ يكون سلك التوصيل منفرداً، (أُنظر شكل السلك المفرد)، أو مجموعة أسلاك رفيعة مجدولة، (أُنظر شكل السلك المجدول)، النوع المجدول يكون أكثر مرونة، ومقاومة للكسر، من النوع المفرد، وتكون مساحة مقطع السلك المجدول، هي مجموع مساحات مقاطع الأسلاك الرفيعة المكونة للجديلة.

يتكون الكابل cable ، من مجموعة من أسلاك التوصيل، تتكون من سلكين، أو أكثر بينها مادة عازلة، وأشهر أنواع الكوابل وأكثرها استخداماً، الكابل المحوري Coaxial cable ، (أُنظر شكل السلك المحوري)، حيث يكون الموصل الداخلي، أحد أسلاك التوصيل، وتكون الشبكة المجدولة، المحيطة بالموصل الداخلي، هي الموصل الثاني، الذي يمثل في الوقت نفسه، حاجباً يمنع تداخل المجالات الكهرومغناطيسية، غير المرغوب فيها، مع الإشارات الكهربية المفيدة، التي تسري في الموصل الداخلي.

لمنع حدوث قصر في الدوائر الكهربية، أو لمنع اتصال الأسلاك الكهربية مع أسلاك كهربية أخرى، أو مع أي مكون، أو نقطة موصلة أخرى من الدائرة، يلزم تغطية السلك الموصل، بمادة عازلة لها، مقاومة عالية القيمة، فالأسلاك الرفيعة جداً، تغطى بطبقة من طلاء، عازل مثل "الإنامل". أما الأسلاك، ذات القطر الأكبر نسبياً، فتغطى محيطها بمادة عازلة، عادة ما تكون مادة بلاستيكية، أو مطاطية، أو قطنية، وغالباً ما يحاط السلك الموصل، بأكثر من طبقة من المواد العازلة المختلفة، إذا كان يحمل تياراً كبيراً، أو كان فرق الجهد بين السلك الموصل، والمكونات القريبة منه كبيراً.

غالباً ما تمثل أسلاك التوصيل، في الدوائر الكهربية المعقدة، مشكلة كبيرة، نظراً لتداخلها وصعوبة تمييزها وتنسيقها، ونتيجة لذلك، تم تطوير تقنية جديدة، أطلق عليها تقنية الدوائر الكهربية المطبوعة، Printed circuits، وفيها يتم الاستغناء عن معظم أسلاك التوصيل المستخدمة للربط بين مكونات الدائرة الداخلية، وتستخدم بدلاً من أسلاك التوصيل، مسارات من الفضة أو النحاس، مطبوعة على رقيقة من مادة عازلة، ويتم تركيب المكونات بواسطة اللحام مباشرة على النقط، المخصصة لها مسبقاً على هذه المسارات؛ تتميز الدوائر الكهربية المطبوعة بالحجم الصغير المدمج، وجودة عالية للموصلات الكهربية.

2. مكونات الدوائر الكهربية

تتركب معظم الدوائر الكهربية المعروفة، من عناصر متعددة يمكن، أن تنقسم إلى قسمين رئيسيين:

أ. العناصر السلبية مثل: المقاومات، والمكثفات، والملفات، وأسلاك التوصيل، والمفاتيح المختلفة، والمنصهرات Fuses، ومصابيح الإضاءة المختلفة Pilot lamps، ومصادر التغذية... الخ.

ب. العناصر الإيجابية، التي تنقسم أساساً إلي:

(1) الصمامات، وهي قديمة، ولم تعد شائعة الاستخدام إلا في حالات خاصة ونادرة.

(2) أشباه الموصلات، مثل الوصلات الثنائية، Diodes ، والثلاثية، Transistors، والدوائر المتكاملة بأنواعها المختلفة.

3. المقاومات Resistors

في كثير من تطبيقات الدوائر الكهربية، تظهر الحاجة إلى استخدام مقاومة، لتقليل التيار الكهربي المار في جزء معين من الدائرة، أو لخفض فرق الجهد المطبق على جزء معين من الدائرة؛ تعد المقاومات هي أكثر مكونات الدوائر الكهربائية شيوعاً.

يتم تصنيع المقاومات بطرق مختلفة، أكثرها انتشاراً المقاومات السلكية، والمقاومات الكربونية؛ تنتج المقاومات بقيم متفاوتة، تتراوح من كسر من الأوم، إلى بضعة ملايين من الأوم، وذات قدرات تتراوح من كسر من الوات، إلى بضعة مئات من الوات؛ تعبر قدرة المقاومة، عن الطاقة الكهربية التي يمكن أن تبددها المقاومة بدون أن تتلف.

تستخدم المقاومات السلكية، في الاستخدام الذي يستدعي تبديد قدرة تزيد على 5 وات، أما إذا كانت القدرة أقل من 2 وات، فتفضل المقاومات الكربونية، حيث إن حجمها أصغر، وتكلفتها أقل، كما يمكن إنتاج كلا النوعين بقيم ثابتة، أو بقيم متغيرة، يمكن ضبطها، عند أي قيمة تتراوح بين الصفر وأقصى قيمة للمقاومة، وعادة ما تستخدم المقاومات المتغيرة كمجزئات للجهد.

يستخدم كود الألوان، لتحديد قيم المقاومات، وخاصة المقاومات صغيرة الحجم التي يصعب الكتابة عليها، فتعطي الألوان القيم الموضحة (أُنظر جدول كود الألوان للمقاومات اللاسلكية)، يتم وضع هذه الألوان كشرائح متوازية، تبدأ من الطرف الأيسر للمقاومة، (أُنظر شكل كود ترقيم المقاومات)؛ وتوضح الشريحة أ الرقم الأول من قيمة المقاومة، والشريحة ب الرقم الثاني منها، بينما توضح الشريحة ج[6] المعامل العشري، الذي يوضح عدد الأصفار، بعد الرقمين المحددين بالشريحتين أ، ب؛ أما الشريحة د فهي توضح درجة السماحة، Tolerance ، كما تعبر عن الاختلاف المقبول بين القيمة الفعلية للمقاومة، والقيمة المحددة عليها طبقاً لكود الألوان، وهذه الشريحة تكون باللون الفضي، إذا كانت السماحة ± 10 %، وباللون الذهبي إذا كانت ± 5 % فقط، أما إذا لم تكن هناك الشريحة د، فهذا يعنى أن السماحة ± 20 %.

هناك أنواع عديدة أخرى من المقاومات، من أهمها المقاومات الحرارية، التي يطلق عليها "ثرمستور" Thermestor، وهي مقاومة تتغير قيمتها في الدائرة الكهربية طبقاً لدرجة الحرارة؛ ومنهاً أيضاً، المنصهرات، وهي مقاومة خاصة ذات قيم صغيرة، تنصهر إذا زاد التيار المار بها على قيمة معينة، بهدف حماية بقية مكونات الدائرة، فإذا زادت شدة التيار الكهربي عن القيمة المسموح بها، ينصهر المنصهر، وينقطع التيار عن الدائرة، حتى يمكن دراسة سبب ارتفاع التيار ومعالجته.

4. البطاريات مصدر للطاقة الكهربية

البطارية مجموعة من الخلايا الكيميائية، تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وهي تُعد مصدراً للجهد المستمر D-C Voltage .

أ. خلية فولتايك Voltaic cell

عند وضع معدن ما، في محلول موصل للكهرباء، يعرف باسم "محلول إلكتروليتي" electrolytic مثل: المحاليل الحمضية acid solution، أو المحاليل القاعدية base solution، أو المحاليل الملحية salt solution؛ فإن المادة المعدنية، تكتسب جهداً كهربياً معيناً، نتيجة للتفاعل الكيميائي، الذي يؤدي إلى تبادل إلكتروني بين سطح المادة المعدنية والمحلول؛ وإذا وضع معدنان مختلفان في المحلول الكهربي، سيكتسب كل منهما جهداً كهربياً مختلفاً، وهذا يعني حدوث فرق جهد كهربي بين المعدنين، فإذا تم توصيل دائرة كهربية، بين هذين المعدنين،عمل فرق الجهد الكهربي بينهما، على دفع تيار من الإلكترونات يتحرك من الطرف الأقل جهداً، يعرف باسم آنود Anode، إلى الطرف الأعلى جهداً، يعرف باسم "كاثود" cathode؛ (أُنظر شكل خلية فولتايك)، تنتقل الإلكترونات، من المحلول الكهربي المتأين، إلى لوح الخارصين، zinc، وتتجمع عليه؛ كما تنتقل الجزئيات الموجبة من المحلول المتأين، إلي لوح النحاس لتتجمع عليه، فإذا تم توصيل دائرة كهربية بين الخارصين والنحاس، انتقلت الإلكترونات من لوح الخارصين خارجياً في الدائرة، إلى لوح النحاس، لتعادل الجزئيات الموجبة المتجمعة عليه، وهكذا يستمر سريان تيار الإلكترونات في الدائرة الخارجية، من الخارصين، الأنود، إلى النحاس، الكاثود، طالما استمر التفاعل الكيميائي داخل الخلية؛ ويمكن تلخيص التفاعل الذي يتم كآلاتي:

تفاعل أكسدة oxidation

تفاعل اختزال Reduction

ب. الخلية الأولية، والخلية الثانوية

في الخلية الأولية، لا يمكن عكس اتجاه التفاعل الكيميائي في المحلول الكهربي، فعلى سبيل المثال يمكن أن يذوب الخارصين، في محلول كلور يد الأمونيوم، متفاعلاً معه، ولكن لا يمكن عكس اتجاه التفاعل لاستعادة الخارصين المذاب في محلول كلور يد الأمونيوم؛ من أمثلة الخلايا الأولية الخلايا الجافة.

في الخلية الثانوية، يمكن عكس اتجاه التفاعل الكيميائي في المحلول الكهربي، إذ يمكن للأقطاب أن تذوب متفاعلة في المحلول، وأثناء ذلك يسير التيار الكهربي في اتجاه معين في الدائرة؛ وفي حالة عكس اتجاه مرور التيار الكهربي، يمكن استرجاع مادة الأقطاب المذابة في المحلول الكهربي؛ عند ذوبان الأقطاب في المحلول، يقال إنه يتم تفريغ الخلية، d ischarging، وفي هذه الحالة يعادل التيار الكهربي، الشحنات الكهربية الناتجة أثناء التفاعل، أي أن الخلية في هذه الحالة يمكن استخدامها مصدراً للجهد الكهربي، أما في الحالة العكسية، عند انعكاس اتجاه التيار الكهربي لاسترجاع مادة الأقطاب، فيقال إنه يتم شحن الخلية Charging ، وفي هذه الحالة يجب توفير التيار الكهربي من مصدر خارجي؛ من أمثلة تلك النوعية من الخلايا، الخلايا التي تستخدم ألواح الرصاص، ومحلول حامض الكبريتيك، التي تتكون منها البطاريات الحمضية، المستخدمة في السيارات.

ج. مجموعة العناصر الكهروكيميائية

لتكوين الخلايا الكهروكيمائية، تستخدم بعض العناصر، التي يمكنها أن تكتسب جهداً كهربياً، عند وضعها داخل محلول موصل كهربي، وتعرف هذه العناصر، باسم مجموعة العناصر الكهروكيميائية؛ (أُنظر جدول الجهد الكهربي لبعض العناصر مقارنة بعنصر الهيدروجين)، يبين الجهد الكهربي لهذه العناصر، مقارنة بجهد عنصر الهيدروجين؛ ويبين فرق الجهد بين أي عنصرين من هذه المجموعة، جهد خلية كهربية نموذجية، تستخدم هذين العنصرين قطبين بها، فالعنصر الأقل جهداً، يكون هو القطب السالب للخلية، والعنصر الأعلى جهداً، يكون هو القطب الموجب للخلية، وعند الحاجة لفرق جهد كهربي أكبر من الجهد الذي يمكن توفيره من خلية واحدة، فإنه يمكن توصيل أكثر من خلية على التوالي، لتكوين بطارية، لها فرق الجهد الكهربي المطلوب بين أطرافها.

د. الخلية الجافة (أُنظر شكل العمود الجاف)

تتكون من القطب السالب، وهو الوعاء الخارجي، المكون من مادة الخارصين، والقطب الموجب، وهو عمود من مادة الكربون، موجود في مركز الوعاء، ومعزول جيداً، حتى لا يمس وعاء الخارصين؛ والمحلول الكهربي وهو محلول كلور يد الأمونيوم، وحتى لا يكون في الحالة السائلة، يحوّل إلى عجينة من حبيبات الكربون ومسحوق ثاني أكسيد المنجنيز، ويحتفظ به في حالة رطبة؛ ولثاني أكسيد المنجنيز، دور آخر، إذ يتفاعل مع غاز الهيدروجين الناتج من التفاعل الرئيس، الذي يتجمع حول عمود الكربون، فيقلل من الجهد الكهربي للخلية، وبالتخلص منه، يمكن الاستفادة من جهدها الكهربي لفترة أطول، ونظراً للتفاعل الداخلي، والجفاف التدريجي للمحلول الكهربي في الخلية الجافة، فإن صلاحيتها للعمل تنتهي مع مرور الوقت، حتى في حالة عدم توصيلها مع أي دائرة كهربية.

هـ. البطارية الحمضية

تستخدم البطاريات الحمضية عند الحاجة إلى شدة تيار كهربي مرتفعة، والخلية الحمضية، ذات أقطاب من مادة الرصاص، Lead acid cell، وهي الأكثر شيوعاً، فمثلاً: لبدء تشغيل محرك السيارة، نحتاج إلى تيار كهربي شدته من 200 إلى 300 أمبير، وهو تيار ضخم جداً، لا يمكن الحصول عليه إلا من بطارية حمضية. والخلية الواحدة، من الخلايا الحمضية، تنتج من 2 إلى 2.2 فولت، وتوصل ست خلايا منها، لتكوين بطارية سيارة جهدها 12 فولت. وتعرف الخلايا الحمضية، بأنها خلايا ثانوية، أي أنها قابلة للشحن، وإعادة الشحن أكثر من مرة، ويتوقف عمرها الافتراضي على عدد دورات الشحن، والتفريغ، وكذلك التعرض لدرجات حرارة زائدة؛ كما تتميز البطاريات الحمضية بكمية التيار الكهربي[7] الذي يمكن سحبه منها بصفة مستمرة، في وقت زمني محدد، بحيث يظل الجهد الكهربي مستقرا، أعلى من القيمة الاسمية لجهد البطارية. "المقياس المتعدد" Multimeter.


   

[1] النظام المغلق، هو تصور نظري لأي جسم، أو مجموعة من الأجسام، منعزلة تماماً عن باقي الكون، ولا يوجد بينه، وبين أي جسم أو نظام آخر في الكون، أي نوع من الاتصال، أو التفاعل.

[2] شحنة الإلكترون تساوي = 1.602  10 -19 كولوم.

[3] الشحنات الكهربية: إما أن تكون ذات قطبية موجبة، أو ذات قطبية سالبة، ويرمز لها بالرمز Q+ أو Q- وتعد الشحنة التي تساوي صفراً شحنة متعادلة.

[4] الميكرو أمبير وحدة قياس لشدة التيار الكهربي تساوي 10-6 أمبير.

[5] المللي أمبير وحدة لقياس شدة التيار تساوي 10-3 أمبير.

[6] للمقاومات التي تقل قيمتها عن 10 أوم، يمكن أن تأخذ الشريحة `ج` لونين إضافيين، هما اللون الفضي، وهذا يعني قسمة القيمة الموضحة على 10، واللون الذهبي، وهذا يعني قسمة القيمة على 100.

[7] تيار شدته من 50 إلى 200 أمبير في الساعة، يعد قيمة معتادة للبطاريات الحمضية.

الفصل الأول

الكهرباء

الفصل الثاني

اللاسلكي

أولاً: مبادئ اللاسلكي

1. فكرة عامة عن المغناطيسية

اكتشفت ظاهرة المغناطيسية، أول مرة، منذ ما يقرب من 2500 سنة، عندما عثر على قطع من الحديد الممغنط، بمنطقة قريبة من مدينة مغنسية Magnesia، المعروفة الآن مدينة مانيزا في غرب تركيا، وقد تبين في ذلك الوقت، أنه عند تقريب قضيب من الحديد إلى مغناطيس طبيعي، فإن القضيب الحديد يكتسب بدوره الخواص المغناطيسية، وأنه عند تعليق مثل هذا القضيب الممغنط تعليقاً حراً، من منتصفه فإنه يتخذ اتجاهاً ثابتاً، عندما يستقر، وتبين فيما بعد أنه يشير دائماً إلى اتجاه الشمال. نتيجة لتلك الخاصية، استخدم الحديد الممغنط في الملاحة، لتحديد الاتجاهات أثناء السفر عبر البحار، وكان ذلك منذ القرن الحادي عشر.

في بداية الأمر، فسر العلماء الخواص المغناطيسية، والعلاقة بين المواد ذات المغناطيسية، باستخدام الأقطاب المغناطيسية Magnetic poles، فأطلقوا على نهاية القضيب الممغنط التي تشير إلى اتجاه الشمال، القطب الشمالي North pole، وأطلقوا على الطرف الآخر، القطب الجنوبي South pole، وأثبتوا أن القطبين المختلفين يتجاذبان، وأن القطبين المتشابهين يتنافران.

تبين فيما بعد، عجز نظرية الأقطاب المغناطيسية، عن تفسير العديد من الظواهر المتعلقة بالمغناطيسية، والمجالات المغناطيسية؛ بل إن هذه النظرية تؤدي في بعض الأحوال إلى نتائج خادعة، حيث إنه لا يتوفر دليل واحد حتى الآن، أن هناك قطباً مغناطيسياً مفرد، بل لا توجد الأقطاب المغناطيسية إلا أزواجاً، فكل قطب شمالي يصاحبه في الطرف الآخر قطب جنوبي، وإذا تم كسر مغناطيس فإن الطرف المكسور يتحول مباشرة إلى قطب، ذي طبيعة مخالفة لطبيعة الطرف المقابل للكسر.

تشير الإبرة الممغنطة، في البوصلة إلى اتجاه الشمال؛ لأن الأرض في حد ذاتها مغناطيس كبير، قطبه المغناطيسي الشمالي قريب جداً من القطب الجنوبي الجغرافي، والمحور المغناطيسي للكرة الأرضية، لا يوازي تماماً المحور الجغرافي لها، وهو محور الدوران، ولهذا السبب، تنحرف قراءة البوصلة قليلاً عن اتجاه الشمال الجغرافي؛ هذا الانحراف يتغير من موقع لآخر، ويطلق عليه "الانحراف المغناطيسي"، كما أن خطوط المجال المغناطيسي للأرض ليست أفقية تماماً، في معظم المناطق على سطح الأرض، ويطلق على ميل خطوط المجال المغناطيسي، إلى أعلى أو أسفل عن الاتجاه الأفقي، الميل المغناطيسي Magnetic dip.

في عام 1819، اكتشف العالم الهولندي، هانز كريستيان أورستد Hans Christian Oersted، أن إبرة البوصلة المغناطيسية، تنحرف عند مرور التيار الكهربي في سلك مجاور لها، وقد أجرى العالم الفرنسي، اندريه أمبير Andre Ampere، تجارب متشابهة؛ وبعد ذلك بسنوات قليلة، اكتشف كل من مايكل فارادي، في إنجلترا Michael Faraday ، وجوزيف هنري، في الولايات المتحدة Joseph Henry، أنه إذا تم تحريك مغناطيس بالقرب من سلك موصل، فإنه يتولد في هذا السلك تيار كهربي، كما اكتشفوا، أيضاً، أنه إذا مر تيار متغير في سلك كهربي، فإنه يسبب توليد تيار كهربي، في سلك موصل آخر بالقرب منه.

تلك الملاحظات والظواهر، التي اكتشفها كل من أورستد، وفارادي، وهنري، تدلل أن هناك ارتباطاً وثيقاً بين المغناطيسية، وبين الشحنات الكهربية المتحركة، وقد توصل العلم الحديث حالياً، إلي أن هناك ترابطاً وثيقاً، وتداخلاً تفاعلياً، بين المغناطيسية والكهربية.

2. المجال المغناطيسي

تبين مسبقاً، أن أي مجموعة من الشحنات الكهربية الساكنة، تخلق مجالاً كهربياً شدته E، في المنطقة المحيطة بها، وهي المنطقة التي تظهر فيها تأثيرات هذه المجموعة من الشحنات، وتبين، أيضاً، أن هذا المجال الكهربي يؤثر في أي شحنة كهربية، قيمتهاQ ، موجودة في المجال، بقوة F

حيث إن:

وعلى المنوال نفسه، يمكن وصف التفاعل المغناطيسي، فأي شحنة كهربية متحركة، أو أي تيار من الشحنات الكهربية، يخلق مجالاً مغناطيسياً، في المنطقة المحيطة به، إضافة إلى المجال الكهربي بطبيعة الحال؛ هذا المجال المغناطيسي، يؤثر في أي شحنة كهربية متحركة، أو أي تيار كهربي، واقع فيه، وقد استخدم العلماء الحرف B للرمز للمجال المغناطيسي.

يتضح مما سبق، أن يظهر مجال مغناطيسي، للمواد ذات الخواص المغناطيسية الطبيعية Ferromagnetic، وكذلك يظهر مجال مغناطيسي، لأي شحنات كهربية في حالة حركة؛ بالنسبة للحالة الأولى، يمكن إظهار خطوط عمل المجال المغناطيسي بنثر برادة الحديد خفيفة الوزن، فوق ورقة، حول مغناطيس طبيعي، (أُنظر شكل خطوط عمل المجال المغناطيسي)، فتتخذ قطع الحديد الصغيرة، شكل خطوط عمل المجال المغناطيسي، التي يطلق عليها اسم خطوط الفيض المغناطيسي، Magnetic flux، (أُنظر شكل خطوط الفيض المغناطيسي) يوضح، رسماً تخطيطياً لخطوط الفيض المغناطيسي حول قطعة من الحديد الممغنط، وهي تتجه من القطب الشمالي للمغناطيس نحو قطبه الجنوبي، كما أن كثافة خطوط الفيض المغناطيسي، تزيد بالقرب من القطبين، وتقل في منتصف المسافة بينهما؛ يرمز للفيض المغناطيسي بالحرف اللاتيني Φ ، ويقاس بوحدة قياس مغناطيسية، يطلق عليها ماكسويل[1] Maxwell، ويرمز لكثافة خطوط الفيض المغناطيسي بالرمز B، وتقاس بوحدة قياس مغناطيسية يطلق عليها جاوس Gauss [2]، وهي تعبر عن عدد خطوط الفيض المغناطيسي، التي تمر من خلال وحدة المساحات، العمودية على اتجاه خطوط الفيض المغناطيسي.

3. المجال المغناطيسي لشحنات متحركة

لاحظ العالم الهولندي أورستد Oersted، عام 1819، أن إبرة البوصلة الصغيرة الموجودة بجوار سلك يمر به تيار كهربي، تنحرف عند مرور التيار، وتعود إلى وضعها الطبيعي عند توقف مرور التيار، واستنتج من ذلك، أن انحراف مؤشر البوصلة، يرجع إلى وجود مجال مغناطيسي، ينشأ عند مرور التيار الكهربي في السلك المجاور، أي نتيجة لحركة الشحنات الكهربية.

يمكن دراسة شكل خطوط الفيض المغناطيسي، بالقرب من سلك مستقيم يمر به تيار كهربي، باستخدام برادة الحديد المنثورة على لوح أفقي من الورق المستوي، يحيط بسلك مستقيم في وضع رأسي، فيلاحظ أن قطع برادة الحديد، تتخذ شكل مجموعة من الدوائر متحدة المركز، مركزها السلك المار به التيار الكهربي، (أُنظر شكل الفيض المغناطيسي لسلك)، و(شكل الفيض المغناطيسي لحلقة)، خطوط الفيض المغناطيسي الناتجة عن حلقة من موصل، ملف، يمر بها تيار كهربي، حيث تتزاحم خطوط الفيض المغناطيسي داخل الملف، وتتباعد خارجه، وتكاد تكون مستقيمة عند محور الملف، ومتوازية تقريباً، ويمكن القول بأن المجال المغناطيسي، يكون منتظماً عند محور الملف، ويمكن زيادة كثافة الفيض المغناطيسي، عند محور الملف، بزيادة عدد حلقات الموصل التي يتكون منها الملف.

يوضح (شكل الفيض المغناطيسي لملف لولبي)، شكل خطوط الفيض المغناطيسي، الناتج عن مرور تيار كهربي في ملف حلزوني، لولبي، وهي تشبه إلى حد كبير خطوط الفيض المغناطيسي، لقضيب ممغنط، حيث تكون خطوط الفيض المغناطيسي، عند محور الملف اللولبي، وبالقرب منه على هيئة خطوط متوازية، أي أن المجال يكون منتظماً.

في عام 1831، أثبت العالم فارادي Faraday، أنه يمكن استخدام المجال المغناطيسي في توليد تيار كهربي، في دائرة مغلقة، وقد لاحظ أنه إذا قطع موصل مجالاً مغناطيسياً، يتولد في الموصل قوة دافعة كهربية، أطلق عليها اسم "قوة دافعة كهربية مستحثة"، وإذا كانت دائرة مغلقة، يمر في الموصل تيار كهربي يسمى التيار الكهربي المستحث، وتسمى هذه الظاهرة الحث الكهرومغناطيسى.

صنع فارادي ملفاً من سلك معزول من مادة النحاس، وقام بتوصيل طرفيه بجلفانوم حساس، (أُنظر شكل التيار الكهربي المستحث)، فوجد أنه عند إدخال مغناطيس في الملف، تقطع لفات السلك خطوط الفيض المغناطيسي، ولاحظ انحراف مؤشر الجلفانومتر، انحرافاً لحظياً في اتجاه معين، وعند إخراج المغناطيس من الملف فإن لفات السلك، تقطع خطوط الفيض المغناطيسي، أيضاً، ولاحظ انحراف مؤشر الجلفانوم انحرافاً لحظياً في الاتجاه المعاكس، ولاحظ، أيضاً، أنه يمكن الحصول على النتائج نفسها بتثبيت المغناطيس؛ وتحريك الملف؛ استنتج فارادي من هذه التجربة، أنه إذا حدث تغير في المعدل الزمني، الذي يقطع به الموصل خطوط الفيض المغناطيسي، نتيجة للحركة النسبية بين الموصل، والمجال المغناطيسي، تتولد في الموصل قوة دافعة كهربية مستحثة، ويتوقف اتجاه القوة الدافعة المستحثة، على اتجاه حركة الموصل.

إذا مر تيار كهربي، في ملف يطلق عليه الملف الابتدائي، وتحرك هذا الملف داخل ملف آخر، يطلق عليه الملف الثانوي، فإن الملف الثانوي، يقطع خطوط الفيض المتولدة عن مرور التيار الكهربي بالملف الابتدائي، فتتولد فيه قوة دافعة كهربية مستحثة، وتيار كهربي مستحث، إذا كانت الدائرة مغلقة، ويكون اتجاه هذا التيار المستحث هو نفس اتجاه التيار المار بالملف الابتدائي في الحالات الآتية:

أ. إبعاد الملف الابتدائي من الملف الثانوي أو إخراجه.

ب. في لحظة فتح الدائرة الابتدائية.

ج. عند إنقاص شدة التيار فجأة في الملف الابتدائي.

يطلق على هذا النوع من التأثير المغناطيسي الحس المتبادل، وهو التأثير الكهرومغناطيسي الحادث بين ملفين متجاورين، أو متداخلين، يمر بأحدهما تيار كهربي متغير الشدة، فيتأثر به الملف الثاني، ويتولد فيه تيار كهربي مستحث.

ثانياً: الخواص والمبادئ

قبيل نهاية القرن التاسع عشر، اكتشف العلماء خواص الموجات الكهرومغناطيسية، غير المرئية، القادرة على الانتشار عبر مسافات شاسعة، وأطلق على هذه الموجات موجات الراديو أو موجات اللاسلكي، وبناء على النتائج المعملية، وضع العالم الإنجليزي ماكسويل في عام 1860 أصول النظرية الكهرومغناطيسية،Electromagnetic Theory ، وأوضح الطبيعة العامة لموجات الضوء، وموجات اللاسلكي، والقوانين التي تحكم انتشارها.

تلا ذلك اكتشاف أنواع أخرى من الموجات الكهرومغناطيسية، مثل الأشعة فوق البنفسجية، والأشعة دون الحمراء، وأشعة إكس …الخ، ورغم وجود فروق جوهرية، بين هذه الأنواع المختلفة من الموجات، فهي تشترك كلها في كونها موجات كهرومغناطيسية، ولكن تختلف مواصفاتها مع اختلاف أطوالها الموجية.

في عام 1888، أثبت العالم هرتز H. Hertz بالتجربة المعملية، تطابق القوانين التي تحكم انتشار الضوء وانكساره وانحرافه، مع تلك التي تحكم ظواهر الموجات الكهرومغناطيسية نفسها. ولتفسير ظاهرة انتشار الموجات اللاسلكية، في ذلك الوقت، خاصة خلال الفراغ، افترض ماكسويل، وجود مادة خاصة تملأ الفراغ أطلق عليها اسم "الأثير" Ether، يمكن أن تهتز جزيئاتها، وتسمح بانتشار الموجات اللاسلكية خلالها، بالطريقة نفسها التي تهتز بها جزيئات الأجسام المادية، لتسمح بانتشار الموجات الميكانيكية المعروفة، مثل الصوت، أو مثل الموجات التي تنتشر في مياه بحيرة. وقد نجحت نظرية الأثير في تفسير بعض ظواهر انتشار الموجات، ولكن تلك النظرية لم تصمد كثيراً، وحلت محلها، في تفسير كل ظواهر الموجات الكهرومغناطيسية، نظرية الجسيمات الصغيرة، المصاحبة لحركة الموجات الكهرومغناطيسية Wave particle theory.

يتضح مما سبق، أن المجال الكهربي المتغير، ينتج مجالاً مغناطيسياً متغيراً أيضاً، ومن نظريات الحث المغناطيسي، يلاحظ أن المجالين الكهربي، والمغناطيسي متلازمان دائماً؛ إن وجد أحدهما يوجد الآخر في الوقت نفسه، وأن هناك قوانين، وعلاقات تربط كمياً بين كل من المجالين. بناء على ذلك يمكن القول، إن أي تغير في مجال كهربي أو في مجال مغناطيسي، ينتج عنه مجال كهرومغناطيسي، ينتشر في جميع الاتجاهات، منتجاً موجات كهرومغناطيسية.

الموجات الكهرومغناطيسية، هي موجات حاملة للطاقة، وهي التي تحمل الطاقة الشمسية إلى سطح الأرض، عبر الفضاء، والتي بدونها، لا يمكن أن تقوم الحياة على سطح الأرض؛ والطاقة الموجودة في الموجات الكهرومغناطيسية، هي في الأصل طاقة حركة الإلكترونات، أثناء تزايد العجلة التسارعية[3] لها، وهذا يعني تحول طاقة الجهاز المستخدم، لإكساب الإلكترون مزيداً من العجلة التسارعية، إلى طاقة للموجة الكهرومغناطيسية المنطلقة؛ وعند إكساب إلكترون أو إلكترونات، عجلات تسارعية وتباطئية بصورة متوالية، تتولد موجات كهرمغناطيسية بصفة مستمرة، ويمكن أحداث ذلك بصورة بسيطة، بواسطة موصل يتصل بالطرف النهائي لمصدر قوة دافعة كهربية متغيرة مترددة، Alternating emf source، تؤدي إلى اهتزاز الإلكترونات داخل الموصل بصورة مترددة، فتتولد موجات كهرومغناطيسية، في المنطقة المحيطة بالموصل؛ يطلق على هذا الموصل، الذي يحول طاقة القوة الدافعة الكهربية المترددة، إلى موجات كهرومغناطيسية، اسم الهوائي Antenna.

يمكن تلخيص الخواص العامة، التي تشترك فيها جميع الموجات الكهرومغناطيسية في الآتي:

1. تنتشر في الفراغ بسرعة انتشار الضوء نفسها 3 × 10 8 متر/ ثانية.

2. تنتشر في الأوساط المادية، أيضاً، غير أن سرعتها تختلف باختلاف الوسط.

3. تتكون من مجالات كهربية ومجالات مغناطيسية، مترددة ومتعامد بعضها على بعض، ومتعامدة على اتجاه انتشار الموجة، (أُنظر شكل مجالات الموجات الكهرومغنطيسية).

4. لها القدرة على الانتشار في الفراغ.

5. لها قدرة كبيرة على الاختراق، والنفاذ خلال المواد، وتزداد هذه القدرة بزيادة طاقتها، وزيادة ترددها.

6. تمتد أطوال الموجات الكهرومغناطيسية، لتشغل مدى كبيراً من الأطوال الموجية، يتراوح بين عدة كيلومترات، إلى جزء صغير جداً من المتر، ويسمى هذا المدى طيف الموجات الكهرومغناطيسية electromagnetic spectrum، ويمكن تقسيم الطيف إلى المناطق الآتية:

أ. موجات طولها الموجي، محصور بين عدة كيلومترات، وعدة سنتيمترات؛ تستخدم هذه الموجات في محطات الإذاعة والتليفزيون.

ب. الطيف المنظور، ويشغل منطقة طولها الموجي[4] محصـور بيــن 4 × 10 3 و7 × 10 3 أنجستروم[5].

ج. الأشعة دون الحمراء، وطولها الموجي أكبر من 7 × 10 3 انجستروم.

د. الأشعة فوق البنفسجية، وطولها الموجي أقل من 4 × 10 3 انجستروم.

هـ. أشعة إكس، وأشعة جاما، وأطوالها الموجية قصيرة جداً.

المبادئ العامة للاتصالات اللاسلكية

هل يمكن نقل الحديث البشرى بواسطة الموجات اللاسلكية، بتحويلها الذبذبات الصوتية إلي ذبذبات كهربية، وتحويلها بعد ذلك إلى موجات كهرومغناطيسية بواسطة هوائي، لتنتشر في الفضاء، ثم يعاد تحويلها في هوائي آخر، عند نقطة الاستقبال، إلى ذبذبات صوتية يمكن سماعها؟

للإجابة على هذا السؤال، يلاحظ أن الصوت البشري، عبارة عن ذبذبات منخفضة التردد، يتراوح ترددها من 75 إلى 3000 ذبذبة في الثانية الواحدة، وهذا يكافئ موجات طولها من 100 إلى 4000 كم، وإذا علم أن الموصل، لكي يعمل هوائياً للاستقبال، يجب أن يكون طوله مقارباً لطول الموجة، كان من المستحيل إنتاج هوائيات تصلح لتحويل ذبذبات لها تردد الصوت البشرى، مباشرة إلى موجات كهرومغناطيسية، وللتغلب على تلك المشكلة، تصنع هوائيات ذات أطوال معقولة، يمكنها التعامل مع ذبذبات طولها الموجي، لا يزيد على بضعة كيلومترات، وهي تلك الذبذبات التي يمكن تحويلها إلى موجات كهرومغناطيسية، ويطلق على هذه الموجات الموجات الحاملة Carrier Waves، حيث إن هذه الموجات، يمكن تحميلها بالذبذبات الصوتية الأقل تردداً، وذلك بتغير سعة الموجة الحاملة طبقا لتغير الذبذبة الصوتية؛ يطلق على هذه العملية التعديل Modulation.

تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية المعدلة بالذبذبات الصوتية، عبر المسافات حتى تصل إلى نقطة الاستقبال، فيحولها هوائي الاستقبال إلى تيار متغير، له مواصفات الموجة الكهرومغناطيسية نفسها؛ يمكن بعد ذلك استنتاج الذبذبات الصوتية المعدلة، للموجة الحاملة، بعملية يطلق عليها اسم الكشف Demodulation؛ بهذه الطريقة، يمكن استرجاع الذبذبات الصوتية، عبر مسافات شاسعة، وإعادة سماع الصوت مرة أخرى، وهذا الأسلوب هو أساس الإرسال والاستقبال اللاسلكي، في أبسط صوره، (أُنظر شكل أساس الإرسال والاستقبال اللاسلكي).

أوضحت الأبحاث، أن انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، في طبقات الجو المحيطة بسطح الكرة الأرضية، يختلف طبقاً لطولها الموجي، وبصفة عامة، أي موجة لاسلكية، تتخذ مسارين أحدهما ينتشر موازياً لسطح الأرض، ويطلق عليه اسم "الموجة السطحية"، والآخر ينتشر متخذاً زاوية مع الاتجاه الأفقي، ويطلق عليها اسم "الموجة السماوية"؛ علماً بأن الموجات السطحية تفقد كثيراً من طاقتها، أثناء انتشارها، ويزداد هذا الفقد مع ازدياد التردد؛ أما الموجات السماوية، فتصل إلى طبقات الجو العليا، التي يطلق عليها اسم طبقات الأيونوسفير Ionosphere، فتؤثر في الأيونات، والإلكترونات، الموجودة في هذه الطبقات، وتجعلها تهتز، وتولد بدورها موجات مطابقة للموجات السماوية، قد يرتد بعضها في اتجاه سطح الأرض مرة أخرى.

هناك موجات يزيد طولها على 3000 م، تنتشر سطحياً بدون طاقة، أو بفقد ضعيف جداً في الطاقة، بينما يتعرض الجزء الذي ينتشر في اتجاه السماء، إلي فقد كبير جداً في طاقته، وبذلك يمكن للموجات السطحية، عند هذا التردد أن تنتشر سطحياً إلي مسافات، تصل إلى بضعة آلاف من الكيلومترات بينما، لا تحقق الموجات السماوية مسافات تذكر؛ هذه الموجات يعرف باسم الموجات الطويلة Long Waves.

أما الموجات التي يقع طولها بين 100 و1000 م، يمكنها الانتشار سطحياً، إلى مسافات اقل نسبياً، بينما يمكنها، بالانتشار السماوي، تحقيق مسافات تصل إلى بضعة آلاف من الكيلومترات؛ يطلق على هذه الموجات اسم الموجات المتوسطة Medium Waves.

الموجات، التي يقع طولها بين 10 و100 م ، تعاني توهيناً شديداً بالنسبة للموجات السطحية، فلا تحقق مسافات تزيد على مائة كم، بينما يقل توهين الموجات السماوية، فتحقق مسافات شاسعة؛ هذه الموجات، يطلق عليها اسم الموجات القصيرة Short Waves.

الموجات التي يقل طولها عن 10 أمتار، تعاني توهيناً شديداً جداً، بالنسبة للموجات السطحية، ولا ترتد من طبقات الجو، تنفذ من خلالها، ولا تتبع في مسارها انحناء سطح الأرض؛ هذه المواصفات، أدت إلى استخدامات جديدة، مثل الاتصالات عبر خط الرؤية المباشرة، والتليفزيون والرادار، إذ يمكن إنتاج هوائيات ذات مواصفات خاصة، يمكنها أن توجه الموجة الكهرومغناطيسية في اتجاه واحد فقط؛ هذه الموجات يطلق عليها اسم الموجات شديدة القصر Ultra Short Waves، ويطلق على الهوائيات الخاصة الهوائيات الاتجاهية Directive antenna.


   

[1] أطلقت هذه التسمية تخليداً للعالم الاسكتلندي جيمس ماكسويل James Maxwell 1831-1879 الذي أسهم إسهاماً كبيراً في علوم الكهروبصريات وعلوم اللاسلكي.

[2] تخليداً للعالم الرياضي الألماني كارل جاوس Karl gauss 1777-1855.

[3] العجلة التسارعية، هي المعدل الزمني الموجب لتغير السرعة acceleration ، وسيستخدم لفظ عجلة التسارع فيما بعد، والعجلة التباطئية، هي المعدل الزمني السالب لتغير السرعة deceleration ، وسيكتفي باستخدام لفظ العجلة التباطئية.

[4] يتناسب تردد الموجة ؟ تناسباً عكسياً مع طولها ؟ وثابت التناسب هو سرعة انتشار الضوء c.

[5] الأنجستروم = 10 -10 متر.

[6] حاصل ضرب السرعة الزاوية ؟ و الزمن t يساوي زاوية دوران الملف.

[7] يطلق علي فارق زاوية الطور في هذه الحالة `زاوية السبق أو التقدم` Lead  angle.

[8] يطلق على فارق زاوية الطور في هذه الحالة ` زاوية التأخر` Lag angle .

[9] قد تحتوي الدائرة على مفاعلة حثية، ومفاعلة سعوية، ومقاومة أومية؛ يطلق على أي من هذه المكونات، إذا اجتمعت في دائرة كهربية معاً،  اسم `المعاوقة للتيار المتردد`، ويرمز لها بالرمز Z.

الفصل الثاني

اللاسلكي

       

ثالثاً: دوائر التيار المتردد

يستخدم في أجهزة اللاسلكي، كل من التيار المستمر Direct Current، والتيار المتردد Alternating current الذي تتغير قيمته واتجاهه مع تغير الزمن؛ هذا التغير، يمكن أن يتم بصور مختلفة، وطبقاً لقوانين مختلفة، أكثرها شيوعاً هي صورة التيار المتردد الذي يتغير طبقاً لدالة الجيب المثلثية، ويطلق عليها الموجة الجيبية Sine Wave، أو الموجة التوافقية Harmonic Wave، وتكون للتيار المتغير الصياغة الرياضية:

حيث I تعبر عن القيمة اللحظية للتيار الكهربي instantaneous current، وImax تعبر عن القيمة العظمي للتيار Maximum value of current، وω التردد الزاوي للدالة الجيبية angular frequency of sine function، و t، الزمن المتغير، (أُنظر شكل الموجة التوافقية)؛ ويعرف زمن الدورة الكاملة للتيار المتردد، المعرف وفق الدالة الجيبية، بأنه الزمن المنقضي قبل أن تتكرر قيمة التيار نفسه، وفي الاتجاه نفسه، ويرمز له بالرمز T، الذي تحسب قيمته من المعادلة التالية:

ويعرف تردد الموجة الجيبية، بأنه عدد الدورات الكاملة، التي تتم في الثانية الواحدة، ويرمز له بالرمز f الذي تحسب قيمته من المعادلة التالية:

1. إنتاج التيار المتردد

عندما يدور ملف، من سلك معزول، على شكل مستطيل، بسرعة زاوية ثابتة  ، في مجال مغناطيسي منتظم، تتولد في الملف قوة دافعة كهربية مستحدثة؛ وعندما يكون مستوى الملف عمودياً، على اتجاه الفيض المغناطيسي، فإن اتجاه حركة السلك توازي خطوط الفيض، فلا تقطعها، وتكون القوة الدافعة الكهربية المستحثة = صفراً، وشدة التيار المستحث I = صفراً؛ عندما يكون مستوى الملف موازياً للفيض المغناطيسي، فإن اتجاه حركة السلك تكون عمودية على خطوط الفيض المغناطيسي، فيقطعها، وتبلغ القوة الدافعة الكهربية المستحثة، وكذلك شدة التيار المستحث نهاية عظمى.

(أُنظر شكل التيار المتردد لدورة كاملة)، حيث تكون زاوية دوران الملف tω [6]، ممثلة على المحور الأفقي بفواصل 45 درجة، والقوة الدافعة الكهربية المستحثة، أو شدة التيار المستحث، ممثلة على المحور الرأسي، ومن الشكل البياني يتضح أن:

أ. التيار المتولد يغير اتجاهه كل نصف دورة.

ب. يمثل تغير شدة التيار منحنى جيبي.

ج. عندما يدور الملف دورة كاملة، يكون التيار قد أتم ذبذبة كاملة.

د. تزداد شدة التيار من صفر إلى نهاية عظمي، خلال الذبذبة الكاملة، ثم تتناقص إلى الصفر، خلال النصف الأول من الدورة، ثم يعكس التيار اتجاهه في الدائرة، وتزداد شدته من صفر إلى نهاية عظمى، ثم تتناقص إلى الصفر مرة أخرى، خلال النصف الثاني منها.

2. المكونات الأساسية الدوائر التيار المتردد

تحتوي دوائر التيار المتردد عادة على مقاومات أومية، وملفات، ومكثفات، ولكل من هذه المكونات تأثير على شدة التيار المتردد وجهده.

التيار وفرق الجهد المتردد، في مقاومة أومية عديمة الحث، (أُنظر شكل التيار وفرق الجهد):

عند إغلاق الدائرة، يلاحظ تغير قراءة مقياس الجهد، الفولتم ومقياس التيار الأمبير متر، ويلاحظ أن قراءتيهما، تزيدان معاً، حتى تصلا إلى النهاية العظمى في وقت واحد، ثم تنقصان معاً، لينقطع كل من التيار وفرق الجهد في اللحظة نفسها، ثم تزيدان في الاتجاه العكسي.

(أُنظر شكل التمثيل البياني للجهد)، التمثيل البياني للجهد، والتيار بالنسبة للزمن، ويقال في هذه الحالة: إن فرق الجهد المتردد، والتيار المتردد، في مقاومة عديمة الحث يكونان متفقين في الطور، أي أن لهما زاوية الطور نفسها، فإذا كان V هو فرق الجهد اللحظي بين طرفي المقاومة R، حيث V=Vmaxsint

    فإن:

3. التيار المتردد، وفرق الجهد، في ملف حث عديم المقاومة، (أنظر شكل التيار والجهد في ملف حث):

عند مرور تيار متردد، في ملف عديم المقاومة، يولد الحث الذاتي للملف قوة دافعة كهربية مستحثة عكسية في الملف، تقاوم التيار الأصلي، وتسمى هذه المقاومة "المفاعلة الحثية للملف"، ويرمز لها بالرمز XL، تمييزاً لها عن المقاومة الأومية R؛ وتقاس المفاعلة الحثية بالأوم.

عند إغلاق الدائرة، يلاحظ أن فرق الجهد V يصل إلى نهايته العظمى، عندما تكون شدة التيار I = صفراً، ثم يقل فرق الجهد تدريجياً، ليساوي صفراً، وعندئذ تصل قيمة شدة التيار إلى نهايتها العظمى؛ في هذه الحالة يقال: إن فرق الجهد المتردد، وشدة التيار المتردد، غير متحدين في الطور نفسه، بل يختلفان بزاوية مقدارها 90 درجة؛ (أُنظر شكل جهد المصدر والجهد المستحث)، يمثل المحور الرأسي، قيم كل من فرق الجهد للمصدر المتردد V، والقوة الدافعة الكهربية المستحثة في الملف V' ، وشدة التيار المتردد المار في الدائرة I؛ يتضح من الرسم البياني، أن اتجاه القوة الدافعة المستحثة، V' يكون عكس اتجاه القوة الدافعة للمصدر، V، وعندما يكون فرق الجهد V نهاية عظمى، تكون القوة الدافعة المستحثة، المتولدة بالحث الذاتي للملف V' نهاية عظمى كذلك، ولكن في الاتجاه المضاد، وتكون شدة التيار تساوى صفراً، والعكس بالعكس؛ يبلغ فرق الجهد V نهايته العظمى، عند الزاوية 90 درجة، بينما يبلغ التيار نهايته العظمى، عند الزاوية 180 درجة، ومعنى ذلك أن فرق الجهد للمصدر يتقدم شدة التيار، بزاوية قدرها 90 درجة[7].

يقال: إنه إذا وضع ملف عديم المقاومة، في دائرة تيار متردد، فإن الحث الذاتي للملف، يسبب تأخر قيم شدة التيار I، عن القيم المناظرة لفرق الجهد V، بزاوية طور مقدارها 90 درجة؛ تكون قيمة الممانعة الحثية للملف:

4. التيار المتردد، وفرق الجهد المتردد، في مكثف، (أُنظر شكل التيار والجهد في مكثف)

عند مرور التيار المتردد في مكثف، فإنه يلقى نوعاً من المقاومة، تسمى "المفاعلة السعوية للمكثف"؛ لأنها ناشئة عن سعة المكثف، ويرمز لها بالرمز XC وتقاس بالأوم. عند توصيل مكثف سعته C، بمصدر تيار متردد، وعند إغلاق الدائرة، يلاحظ أنه عندما يكون فرق الجهد بين لوحي المكثف = صفراً، يمر تيار من المصدر في الدائرة، تكون شدته نهاية عظمى؛ يعمل هذا التيار على شحن لوحي المكثف، بشحنتين مختلفتين، فيزداد فرق الجهد تدريجياً بين لوحي المكثف، ليصل فرق الجهد بين اللوحين إلى نهاية عظمى، فيقاوم التيار الأصلي، ويعمل على إيقافه، أي أن شدة التيار في هذه اللحظة تساوي صفراً.

(أنظر شكل شدة التيار وفرق الجهد)، يوضح أنه عندما تكون شدة التيار I نهاية عظمى، يكون فرق الجهد V مساوياً صفراً، وعندما تصبح شدة التيار صفراً، يصبح فرق الجهد نهاية عظمي؛ معنى ذلك أن شدة التيار، تتقدم على فرق الجهد، بزاوية قدرها 90 درجة[8]، أي أنهما ليسا متفقين في الطور، بل يختلفان في الطور بزاوية قدرها 90 درجة.

في هذه الحالة، يقال: إنه إذا وضع مكثف في دائرة تيار متردد، فإنه يسبب تقدم شدة التيار على فرق الجهد بزاوية قدرها 90 درجة.

التيار المتردد، وفرق الجهد المتردد، في ملف ومكثف ومقاومة، (أُنظر شكل التيار والجهد في مقاومة) عند إغلاق الدائرة، ومرور التيار الكهربي تتولد على المقاومة والملف والمكثف فروق الجهد التالية VR، VL ، VC على الترتيب و يكون VL متأخراً عن VR بزاوية 90 درجة ، وVC متقدما على VR بزاوية 90 درجة؛ يمكن حساب فرق الجهد الكلي الواقع على المعاوقة[9]، باستخدام قواعد المتجهات الرياضية Vectors Algebra، (أُنظر شكل قواعد جبر المتجهات)، ومراعاة أن VL يتأخر عنVR ، وVC يتقدم عن VR و تكون:

حيث إن:

VR = IR

VL = IXL

VC = IXC

VZ = IZ

حيث إن

تتوقف قيمة المعاوقة Z على العوامل الآتية:

أ. تردد التيار ƒ.

ب. المقاومة R .

ج. المفاعلة الحثية XL.

د. المفاعلة السعوية XC.

بدراسة المعادلة الرياضية للمعاوقة Z، يمكن استنتاج العلاقة بين Z والتردد ƒ ، (أُنظر شكل استنتاج علاقة الممانعة والتردد)، ويتضح الآتي:

أ. في الترددات المنخفضة تكونXC أكبر منXL.

ب. تزداد XL وتقلXC بزيادة التردد.

ج. المقاومة R تظل ثابتة لا تتغير بتغير التردد.

د. عندما تصبح XC = XL تصبح المعاوقة أقل ما يمكن، وتصبح شدة التيار أكبر ما يمكن.

5. القدرة المستنفذة في دوائر التيار المتردد

أ. القدرة المستنفذة في المقاومة الأومية = I2 R.

ب. القدرة المستنفذة في ملف حث عديم المقاومة = صفر.

ج. القدرة المستنفذة في مكثف = صفر.

د. يعرف معامل القدرة Ө cos ¸ و هو:

وتسعى شركات إنتاج الكهرباء في جعل هذا المعامل أقرب ما يكون إلى الواحد الصحيح في خطوط توزيع القدرة الكهربية.

6. دائرة الرنين Resonnance circuit

في الدوائر الكهربية، التي تحتوي على مقاومة أومية ومكثف وملف متصلة على التوالي تكون المعاوقة Z:

ونظراً لأن ملف الحث يعمل، على تأخر التيار عن فرق الجهد، بينما يعمل المكثف، على تقدم التيار عن فرق الجهد، فإنه يمكن التحكم في قيمة مفاعلة كل منهما بحيث يلاشي تأثير إحداهما تأثير الأخرى، وعندئذ تكون المفاعلة الحثية = المفاعلة السعوية، أي أن:

XL = XC

وفي هذه الحالة تكون معاوقة الدائرة أصغر ما يمكن وتكون

Z =R

وتصبح شدة التيار في الدائرة، أكبر ما يمكن، كما أن التيار يكون متفقاً في الطور مع فرق الجهد، وتسمى الدائرة في هذه الحالة "دائرة رنين"؛ ولتعيين التردد الذي تصبح عنده دائرة التيار المتردد في حالة رنين، نستنتج قيمة التردد f من المعادلات الآتية:

XL = XC

وهذا يعني أنه بتغير قيمة L أوC ، تتغير قيمة التردد، الذي تكون عنده الدائرة في حالة رنين. ولاختيار الترددات المناسبة تستخدم دوائر رنين ذات تردد رنين متغير، تكون الممانعة عندها أصغر ما يمكن، ورفض الترددات الأخرى، التي تكون الممانعة عندها كبيرة نسبياً، (أُنظر شكل ممانعة دائرة الرنين)، يبين منحنى تغير ممانعة دائرة الرنين مع تغير التردد؛ وإنه كلما كان الجزء المنحصر بين فرعي المنحنى ضيقاً، كانت قدرة دائرة الرنين على انتخاب التردد أفضل، ويطلق على هذه الخاصية الاختيارية selectivity ، ويطلق على دوائر الرنين في هذه الحالة دائرة التوليف.

رابعاً: انتشار الموجات اللاسلكية Radio wave propagation

1. معادلة انتشار الموجات اللاسلكية Radio wave propagation equation

تهتم المعادلة الخاصة بانتشار الموجات، بالتنبؤ بحساب قيم الطاقة الكهرومغناطيسية، التي تصل إلى نقطة الاستقبال، إذا ما علمنا القدرة المشعة، ومركز انطلاق الإشعاع، والمسافة بين المرسل والمستقبل. لدراسة المعادلة نفترض أن انتشار الموجات يتم في وسط مثالي، تكون فيه التوصيلية = صفراً، والسماحية المغناطيسية = 1، وثابت العزل النسبي =1، كما نفترض، أيضاً، أن جهاز الإرسال يشع في جميع الاتجاهات قدرة منتظمة ومتساوية Isotropic radiator؛ فإذا كانت القدرة المشعة هي PT والمسافة بين نقطة الإشعاع ونقطة استقبال الموجاتr فإن:

حيث E هي شدة المجال الكهرومغناطيسى الفعال، معبراً عنها بالفولت لكل متر، و PT هي قدرة الإشعاع معبراً عنها بالوات، و r المسافة معبراً عنها بالمتر؛ الاستقبال يتم عادة عبر مسافات كبيرة جداً تؤدي إلى اضمحلال قيمة الموجة المرسلة إلى حد كبير، ولذلك يعبر عن E بالميكروفولت لكل متر¼V/m؛ على سبيل المثال ، لو أن مرسلاً يشع قدرة 10 كيلوات بطريقة منتظمة في كل الاتجاهات، فإن القدرة المستقبلة في نقطة تبعد عنه 5000 كيلوم هي:

يطلق عادة على المعادلة السابقة، معادلة الانتشار المثالي للموجات اللاسلكية، وهي صالحة للتطبيق فقط عند حساب الانتشار خلال وسط مثالي فقط.

في الوسط المثالي يشع المرسل، موجات كروية الشكل في جميع الاتجاهات المحيطة به، ويمكن تمثيل هذه الموجات بأسطح كروية؛ كل سطح يمثل المحل الهندسي لشدة مجال ثابتة لكل سطح عند لحظة زمنية محددة، ولهذه الأسطح الكروية مركز مشترك، هو موقع جهاز الإرسال؛ هذه الأسطح الكروية يطلق عليها اسم "جبهة الموجة" Wave front ، (أُنظر شكل الموجات الكروية).

تختلف الهوائيات الحقيقية، عن الهوائيات المثالية، في كونها تشع في بطاقة إشعاعية أكبر في اتجاه معين عن الاتجاهات الأخرى، ويطلق على هذه الصفة، "الخاصية الاتجاهية للهوائي"، ويرمز لها بالرمز D؛ كما أن اتجاهية الهوائي D تعبر عن النسبة بين القدرة المشعة في اتجاه أقصى إشعاع والقيمة المتوسطة للإشعاع في باقي الاتجاهات، وإذا أخذ في الاعتبار تأثير اتجاهية الهوائي D في قيمة الموجة المستقبلة كانت النتيجة على المعادلة التالية:

وللتعبير عن القيمة اللحظية لشدة المجال الكهرومغناطيسى المستقبل،تحسب قيمة شدة المجال، وتعدل بضربها في المعامل:

وتكون القيمة اللحظية لشدة المجال الكهرومغناطيسي عند نقطة الاستقبال:

حيث تعبر عن التردد الزاوي للتيار المار في المشع، و تحقق العلاقة الآتية:

وv تعبر عن سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية (سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية تساوي3 × (10)8 م لكل ثانية).

المعادلات السابقة، لا تعتمد بصورة مباشرة على طول الموجة الكهرومغناطيسية، حيث يوجد تأثير ضمني للطول الموجي في قيمة القدرة المشعة PT ، وكما أوضحنا سابقاً أن هذا يُعد مقبولاً في الوسط المثالي فقط، ولكن في حالة الانتشار حول سطح الأرض، في ظروف طبيعية، فإن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر خلا ل طبقات الجو المحيطة بالكرة الأرضية، الذي تختلف خواصه كثيراً عن الوسط المثالي، كما أن الموجات تنتشر فوق سطح الأرض المحدب وغير المنتظم، وهو ليس موصلاً مثالياً ولا عازلاً مثالياً؛ تلك الظروف تجعل القوانين التي تحكم انتشار الموجات شديدة التعقيد، وشديدة التأثر بالطول الموجي، ونظراً لذلك فقد قسم مجتمع الاتصالات والأنشطة اللاسلكية الطيف الترددي إلى حيزات مختلفة، كل حيز له خواص انتشار متقاربة، (أُنظر جدول تقسيم حيز طيف الموجات اللاسلكية) يوضح أحد هذه التقسيمات.

2. سطح الأرض وطبقات الجو المحيطة

الأرض تقريبا كروية، نصف قطرها 6400 كم، ومحيط أكبر دائرة لها حوالي 40000 كم. (أُنظر شكل تأثير انحناء سطح الأرض)، يزيد الارتفاع h بين نقطتين، المسافة بينهما حوالي 250 كم، على 1كم ، وهذا الارتفاع يمثل عائقاً كبيراً يمنع انتشار الموجات بين النقطتين AوB ، ومع ذلك يمكن تحقيق الاتصال بين نقاط بينها حاجب، ناتج من انحناء سطح الأرض، أو عدم انتظام سطح الأرض، إذا ما توافر أحد الشروط الآتية:

أ. الموجات تتحرك في مسارات تتبع انحناء سطح الأرض وتعرجاتها.

ب. تعليق كل من هوائي الإرسال، وهوائي الاستقبال، على ارتفاعات مناسبة يوفر خط الرؤية المباشرة بين الهوائيين.

ج. توفير محطات إعادة إذاعة وسيطة، بين محطة الإرسال ومحطة الاستقبال.

تمثل تعرجات سطح الأرض، التي يقارن ارتفاعها بالطول الموجي للموجة المنتشرة،عائقاً بالنسبة للموجات التي تتحرك بالقرب من سطح الأرض، والتي يطلق عليها اسم "الموجات الأرضية" ground waves أما بالنسبة للموجات الطويلة، فتعتبر جميع التعرجات، فيما عدا الجبال، كأنها غير موجودة، ولا تمثل أي عائق أمام انتشار هذه الموجات، ولكن بالنسبة للموجات السنتيمترية، والديسيمترية، تمثل الأعشاب القصيرة، أو موجات البحر، عائقاً أمام انتشارها.

الطبقة الجوية الأرضية، تتكون من غازات أهمها غاز النيتروجين 78% وغاز الأكسجين 2%، وترتفع تلك الطبقة من سطح الأرض، وحتى20.000 كم؛ ويطلق على الطبقة السفلى من الغلاف الجوي اسم "التروبوسفير" Troposphere، وتتميز طبقة التربوسفير بثلاث خواص رئيسة مؤثرة على انتشار الموجات:

أ. كلما ارتفعنا عن سطح الأرض قلت درجة الحرارة، حتى تصل إلى -70 درجة مئوية عند ارتفاع 11كم.

ب. كلما ارتفعنا عن سطح الأرض قلت كثافة الغلاف الجوي والغازات المكونة له.

ج. درجة الرطوبة تقل كذلك مع الارتفاع عن سطح الأرض.

عند الارتفاعات التي تزيد على 60 كم، تبدأ جزيئات النتروجين والأكسجين في التأين، نتيجة الأشعة السينية والأشعة الكونية المختلفة، وهذا التأين شديد التأثير على انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، حيث يسبب المجال الكهربي المتردد، تحرك الإلكترونات، وبالتالي تتفاعل مع المجال الكهرومغناطيس للموجة اللاسلكية؛ وتصل الطبقة المتأينة تلك حتى ارتفاع من 300 إلى 400 كم، ولذلك يطلق على الطبقة من 60 إلى 400 كم، اسم "طبقة الأيونوسفبر السفلي"، lower ionosphere، وتنقسم طبقة الأيونوسفير، إلى طبقات فرعية يختلف سمكها ودرجة تأينها باختلاف الوقت ليلاً ونهاراً، وباختلاف الفصول صيفاً وشتاء، وباختلاف الظواهر الشمسية المختلفة؛ وأهم الطبقات الفرعية المكونة لطبقة الأيونوسفير، (أُنظر شكل طبقات الأيونوسفير)، هي:

أ. الطبقة D تظهر نهاراً، وتنخفض ليلاً، وهي من 60 إلي 90 كم، من سطح الأرض.

ب. الطبقة E تظهر نهاراً وليلاً، وهي من 100 إلى140 كم من سطح الأرض.

ج. الطبقة F1 تظهر ليلاً، وهي من 180 إلى 240 من سطح الأرض.

د. الطبقة F2 تظهر نهاراً وليلاً، وهي من 230 إلى 400 كم من سطح الأرض.

3. انتشار الموجات الطويلة Long - wave propagation

الموجات الطويلة التي يزيد طولها علي 1000م، وترددها أ قل من 300 كيلوهرتز، تظهر أعلى مقدرة على تتبع انحناءات سطح الأرض وتعاريجه، ويمكن بواسطتها تحقيق اتصال على مسافات تصل حتى 20 ألف كم، ويمكن تفسير ذلك بأن طبقة الأيونوسفير D، تمتلك، نهاراً وليلاً، كثافة التأين المناسبة، لعكس هذه الموجات، كما أن مياه البحار، والمحيطات، والتربة الرطبة، تمثل بالنسبة لهذه الموجات أوساطاً جيدة التوصيل، وبذلك تقطع الموجات الطويلة مسارها عن طريقين، إما متتبعة انحناءات سطح الأرض، أو من خلال انعكاسات متعددة بين طبقات الأيونوسفير السفلي وسطح الأرض، وجدير بالذكر أن تلك الموجات تنعكس من طبقات الأيونوسفير، ومن سطح الأرض، أياً كانت زاوية سقوطها، حتى السقوط العمودي.

من الأمور التي تشجع على استخدام الموجات الطويلة، تكرار الظواهر المتعلقة بطبيعة طبقات الأيونوسفير، بصورة ثابتة، في دورة زمنية طبيعية مدتها 11عاماً، أي أن طبيعة الأيونوسفير، في يوم ما، تتكرر بالصورة نفسها تماماً بعد 11عاماً، وهذا أدى إلى إعداد جداول ثابتة لدورة زمنية مدتها 11عاماً، لجميع الظواهر الجوية والمناخية المؤثرة على طبقات الأيونوسفير.

من معوقات اتصالات الموجات الطويلة، التوهين العالي لهذه الترددات أثناء انتشارها، ولذلك يجب أن تكون قدرة الإرسال مرتفعة جداً، آلاف الكيلوات، لتحقيق مسافات اتصال كبيرة، إضافة إلى تأثر جودة الاستقبال لهذه الموجات نتيجة للتداخل من الظواهر الجوية المختلفة، التي يطلق عليها ضوضاء الموجات الطويلة، long wave noise ؛ كما أنه نتيجة انخفاض التردد يكون عرض النطاق الترددي ضيق جداً، لا يسمح بتحميل قدر مناسب من المعلومات على الموجات الحاملة.

4. انتشار الموجات المتوسطة Medium wave propagation

استخدمت الموجات المتوسطة، من 100 إلى 1000 متر، لسنوات عديدة في محطات الإذاعة المختلفة، وفي الاتصالات اللاسلكية بين السفن التجارية، في العديد من الدول، ومن أهم خواصها، أن الكثافة الإلكترونية في طبقة الأيونوسفير D لا تناسب انعكاس هذه الأطوال الموجية، وأحياناً تكون كثافة الطبقة E قادرة على عكسها، في أوقات الليل فقط، مهما كانت قيمة زاوية السقوط المائلة.

تعمل طبقة الأيونوسفير D تعمل على إضعاف الموجات المتوسطة، وحيث إن تلك الموجات، أثناء انعكاسها من الطبقة E تمر مرتين صعوداً أو هبوطاً بالطبقة D، فتعاني توهيناً شديداً، وعندما تختفي الطبقة D ليلاً، يختفي معها هذا التأثير غير المرغوب فيه، وبصفة عامة يمكن القول إن الاتصالات، باستخدام الموجات المتوسطة، تتم ليلاً بواسطة الموجات الأرضية والموجات السماوية، وتتم نهاراً بواسطة الموجات الأرضية فقط.

تحدث ظاهرة الاضمحلال Fading في اتصالات الموجات المتوسطة، نظراً لأن كلاً من الموجة الأرضية والموجة السماوية تجتمعان عند نقطة الاستقبال، ونظراً لاختلاف طول كل من المسار الأرضي، والمسار السماوي، نلاحظ أنه، عند وصول الموجتين متحدتين في زاوية الطور، فإن شدة الإشارة تزداد، وعند وصولهما متضادتين في زاوية الطور، فإن الشدة تقل، وقد تصل إلى الصفر أحياناً؛ هذا يؤدي إلى الظاهرة التي يلاحظ فيها ارتفاع صوت الاستقبال، ثم انخفاضه تدريجياً حتى يختفي تماماً، ثم يتدرج مرة أخرى زيادة ونقصاناً.


           

[1] أطلقت هذه التسمية تخليداً للعالم الاسكتلندي جيمس ماكسويل James Maxwell 1831-1879 الذي أسهم إسهاماً كبيراً في علوم الكهروبصريات وعلوم اللاسلكي.

[2] تخليداً للعالم الرياضي الألماني كارل جاوس Karl gauss 1777-1855.

[3] العجلة التسارعية، هي المعدل الزمني الموجب لتغير السرعة acceleration ، وسيستخدم لفظ عجلة التسارع فيما بعد، والعجلة التباطئية، هي المعدل الزمني السالب لتغير السرعة deceleration ، وسيكتفي باستخدام لفظ العجلة التباطئية.

[4] يتناسب تردد الموجة ؟ تناسباً عكسياً مع طولها ؟ وثابت التناسب هو سرعة انتشار الضوء c.

[5] الأنجستروم = 10 -10 متر.

[6] حاصل ضرب السرعة الزاوية ؟ و الزمن t يساوي زاوية دوران الملف.

[7] يطلق علي فارق زاوية الطور في هذه الحالة `زاوية السبق أو التقدم` Lead  angle.

[8] يطلق على فارق زاوية الطور في هذه الحالة ` زاوية التأخر` Lag angle .

[9] قد تحتوي الدائرة على مفاعلة حثية، ومفاعلة سعوية، ومقاومة أومية؛ يطلق على أي من هذه المكونات، إذا اجتمعت في دائرة كهربية معاً،  اسم `المعاوقة للتيار المتردد`، ويرمز لها بالرمز Z.

الفصل الثاني

اللاسلكي



5. انتشار الموجات القصيرة Short -wave propagation

تنتشر الموجات القصيرة من10 إلى 100 م، بصفة عامة، عن طريق الموجات الأرضية، وعن طريق الموجات السماوية، مع ملاحظة أن امتصاص الموجات الأرضية، يزداد مع زيادة التردد، بينما يقل الامتصاص في طبقات الأيونوسفير، مع زيادة التردد؛ نتيجة لذلك تُعدُّ الموجات السماوية الوسيلة الرئيسة لانتشار الموجات القصيرة، حيث إن الموجات القصيرة الأرضية تنتشر فقط إلى مسافات بسيطة، لا تزيد على 50 كم، بينما تُعدُّ اتصالات الموجات القصيرة باستخدام الموجات السماوية، الوسيلة الاقتصادية لتحقيق الاتصالات عبر المسافات الكبيرة.

تُعدُّ طبقة الايونوسفير F الطبقة الأساسية لانعكاس الموجات القصيرة، في الظروف المناخية العادية، وفي هذه الحالة تعاني الموجات من اضمحلال ملحوظ نتيجة لمرورها مرتين خلال الطبقتين D و E صعوداً وهبوطاً، (أُنظر شكل مسار الموجات السماوية)، يوضح مساراً طبيعياً للموجة السماوية، بينما يوضح (أنظر شكل زيادة مسافة الاتصال)، إمكانية زيادة مسافة الاتصال نتيجة لتكرار عملية الانعكاس من خلال وثبتين hops2 ، حيث إن الموجة المشعة قد انعكست مرتين من طبقة الأيونوسفير، ومرة من على سطح الأرض، وفي هذه الحالة تتحدد مسافة الاتصال على سطح الأرض، من معرفة الزاوية التي تسقط بها الموجة القصيرة على طبقة الأيونوسفير F وكلما زادت زاوية السقوط، زادت مسافة الاتصال السطحية، مع الوضع في الاعتبار أن الموجات التي تسقط بزاوية تقترب من90 درجة، تخترق طبقة الأيونوسفير وتنتشر في الفضاء ولا تعود إلى سطح الأرض مرة أخرى؛ أما الانعكاس الكامل، فيحدث عند زاوية، يطلق عليها زاوية السقوط الحرجة critical angle و هي زاوية محددة لكل منطقة عمل و لكل تردد.

يجب اختيار تردد الاتصال، بحيث يكون أقل قليلاً من التردد الحرج، حتى ينعكس من الأيونوسفير، وكذلك بحيث يعاني من أقل توهين أثناء مروره بالطبقات E و D، ومن عيوب الاتصالات بالموجات القصيرة، أنه يلزم تغيير تردد الاتصال أكثر من مرة خلال اليوم، للحصول على أفضل اتصال؛ كما أنه معرض للتداخل من محطات الإرسال الأخرى، التي تعمل على الترددات نفسها، نظراً لندرة الترددات التي تناسب الاتصال الجيد طبقاً للوقت من اليوم، والفصل من العام؛ واتصالات الموجات القصيرة مثلها مثل الموجات المتوسطة، معرضة لظاهرة الاضمحلال، حيث تجتمع الموجات عند المستقبل قادمة من أكثر من مسار، ولكن في حالة الموجات المتوسطة، يكون التداخل بين موجة أرضية وموجة سماوية، أما في حالة الموجات القصيرة فيكون التداخل بين موجة سماوية قادمة مباشرة، وموجة سماوية قادمة من المسار الخلفي، (أُنظر شكل ظاهرة الاضمحلال)؛ ومن عيوب اتصالات الموجات القصيرة كذلك، وجود منطقة الصمت Silent zone ، وهي المنطقة المحصورة بين أقصى مدى لانتشار الموجة الأرضية، وبين أول سقوط للموجة السماوية، وفي هذه المنطقة يتعذر التقاط أي إشارات، (أُنظر شكل منطقة الصمت).

6. انتشار الموجات القصيرة جداً  Ultra short waves

للموجات القصيرة جداً، العديد من الاستخدامات في الإذاعة، والاتصالات، وبعض المجالات الهندسية، مثل الإرسال التليفزيوني، وأجهزة الرادار، والملاحة اللاسلكية، إضافة إلى العديد من الاستخدامات العسكرية الحديثة، مثل توجيه الأسلحة، والمقذوفات، وتقدير الارتفاع، والتصوير الجوى، ومراقبة الطرق والتحركات …الخ؛ وتتميز استخدامات الموجات القصيرة جداً، بضرورة توفير خط للرؤية المباشرة بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، حيث إن تلك الموجات لا يمكنها أن تتبع انحناءات سطح الأرض وتعاريجه، كما أنه لا يمكن أن تنعكس من طبقات الأيونوسفير، بل تخترقها وتندفع إلى الفضاء، ولا تعود مرة أخرى إلى سطح الأرض.

ينحصر استخدام الموجات القصيرة جداً في الاتصالات، في الاتصالات ذات المدى القصير فقط، مثل الإرسال الإذاعي والتليفزيوني المحلي، وكذلك الاتصالات بين الطائرات الحربية. وهذه الموجات تتميز بإمكان استخدامها للاتصالات عريضة النطاق، أي أنه يمكن بسهولة نقل الصوت أو المعلومات الرقمية التي تحتاج إلى حيز مرور عريض Wide Band width، ويمكن استخدام هذه الميزة في الاتصالات مع التغلب على قصر مسافة الاتصال، باستخدام محطات لإعادة الإذاعة بين المحطات الابتدائية والمحطات النهائية radio relay.

يؤثر انحناء سطح الأرض على اتصالات الموجات القصيرة جداً تأثيراً ضخماً، ولذلك توضع هوائيات الاستقبال وهوائيات الإرسال دائماً فوق أماكن مرتفعة، ويمكن حساب أقصى مسافة للاتصال، بدلالة ارتفاع الهوائيات، (أُنظر شكل تأثر الاتصال بارتفاع الهوائيات)، باستخدام القانون التالي:

حيث إن D هي أقصى مسافة اتصال، وh1 ارتفاع هوائي الإرسال، h2 ارتفاع هوائي الاستقبال.

يعتمد استخدام الموجات القصيرة جداً في الرادار، وفي توجيه الأسلحة، والمقذوفات، أساساً على إمكانية الحصول على نماذج إشعاعية موجهة جداً، عند أطوال هذه الموجات؛ وتتراوح زاوية الرأس في هذه النماذج من ست إلى عشر درجات، وقد تصل إلى درجة واحدة في معدات التوجيه، والتتبع العسكرية؛ كما أنه، نظراً لارتفاع تردد هذا الحيز من الموجات، يحدث اختلاف في التردد المستخدم عند انعكاسه من جسم متحرك، وهي الظاهرة التي تعرف باسم "تأثير دوبلر" Dopler effect؛ ويعتمد هذا الاختلاف في التردد على سرعة الجسم المتحرك، وقد وفرت هذه الظاهرة إمكانية تمييز الأهداف الثابتة والأهداف المتحركة على شاشات أجهزة الرادار، وإمكانية تتبع الأهداف المتحركة، وتحديد سرعتها، مثل رادارات مراقبة حركة المرور على الطرق السريعة، واكتشاف سرعة العربات المخالفة التي تتجاوز حدود السرعة المقررة.

وقصر الموجة، أيضاً، يؤدي إلى إمكانية استخدام هوائيات صغيرة، ومكونات إلكترونية صغيرة الحجم، الأمر الذي يؤدى إلى إمكانية إنتاج أجهزة اتصال، وأجهزة نقل صورة تليفزيونية، وأجهزة رادار صغيرة الحجم جداً، الأمر الذي مكن من تركيب مثل هذه الأجهزة في رأس الصواريخ الحربية، لتوجيهها بدقة على الأهداف المعادية.

خامساً: الهوائيات ANTENNAS

تنتج الشحنات الساكنة، مجالاً كهربياً ثابتاً في المنطقة المحيطة بها، بينما يسبب التيار المستمر مجالاً مغناطيسياً ثابتاً في المنطقة المحيطة به. أما التيار المتردد المار في زوج من الموصلات الكهربية، المتصلة بمصدر للقوة الدافعة الكهربية، فانه يولد مجالاً كهرومغناطيسياً متغيراً، ينتشر في الفراغ المحيط بهما، وعند تصميم الدوائر الكهربية للتيار المتردد، يبذل المصممون جهداً كبيراً للقضاء على إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية غير المرغوب فيها، ولهذا الغرض يتم دائماً استخدام أسلاك مزدوجة، وقريبة من بعضها، وفي هذه الحال تتعادل المجالات الناتجة عن تيارين متساويين، ومتخالفين في الاتجاه، وتصبح شدة المجال الكلية مساوية للصفر تقريباً، ويمكن، أيضاً، القضاء علي المجالات العشوائية، غير المرغوب فيها، باستخدام المواصلات المحورية، حيث ينحصر المجال في المنطقة المحصورة بين الموصل المركزي، وسطح الموصل الخارجي، الذي يحيط بالموصل الداخلي من جميع الاتجاهات.

1. المبادئ الأساسية والنظريات

عند تصميم الهوائيات يكون الهدف الرئيس هو إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية بأقصى قدرة ممكنة، ولهذا الغرض، يمكن استخدام الموصلات، كما سبق توضيحه، ولكن يتم إلغاء الاحتياطات والأسباب التي كانت تقلل أو تمنع الإشعاع، ويمكن تحقيق ذلك بطرق عديدة، فعلى سبيل المثال، يمكن تركيب الأسلاك الموصلة، بحيث تكون زاوية فيما بينها، ولا تكون متوازية، حتى لا يلاشي المجال الناشئ من سلك منهما، المجال الناشئ من السلك الآخر، وهذا مبدأ عمل الهوائيات التي على شكل حرفV ، (أُنظر شكل هوائي شكل حرف V)، أو تلك التي لها شكل المعين Rhombic antennas، (أُنظر شكل الهوائي ذو الشكل المعين)، التي تصطف مكوناتها محققة زواياً حادة بينها، أو الهوائي ثنائي القطبية المزدوج double -dipole antenna ، (أُنظر شكل الهوائي ثنائي القطبية المزدوج)، الذي يتكون من موصلين الزاوية بينهما 180 درجة، ويمكن كذلك، جعل أحد الموصلين أكثر طولاً من الآخر، فلا يتساوى المجالان الناشئان من مرور التيار في الموصلين، وبالتالي لا يتلاشيان، ومثل ذلك الهوائيTop fire antenna، (أُنظر شكل هوائي الإشعال العلوي) و(شكل هوائي ثنائي القطبية)، فقد ألغي الموصل الثاني بالكامل، ويطلق على هذا النوع، الهوائي ثنائي القطبية غير المتماثل assymetric dipole، وهناك عائلة كاملة من الهوائيات غير المتماثلة، من بينها الذي يكون على شكل الحرف L، (أُنظر شكل هوائي حرف L)، والذي يكون على شكل شكل الحرف T، (أُنظر شكل هوائي حرف T)، والهوائي المائل Tilted antenna، (أُنظر شكل الهوائي المائل)، وفي عائلة الهوائيات غير المتماثلة يتم توصيل الموصل الثاني بالأرض. وهناك عائلة أخرى من الهوائيات يطلق عليها اسم "الهوائيات متحدة زاوية الطور" cophased antenna، ومن أمثلتها الهوائي الموضح (أُنظر شكل هوائي متحد زاوية الطور)، إذ يتم جمع المجال المشع من كل موصل، بحيث يقوي كل منهما الآخر. أما في عائلة الهوائيات المتخالفة في زاوية الطور antiphased antenna ، فيتم ضبط المسافة بين الموصلين، للحصول على صور محددة لشكل المجال المشع، و(أُنظر شكل الهوائي متخالف زاوية الطور) يوضح أحد أفراد هذه العائلة.

بصفة عامة، إذا تكون الهوائي من مجموعة من الثنائيات المشعة، فإنه يمكن ضبط الفرق في زاوية الطور للتيارات المغذية لكل ثنائي، وذلك بانتخاب المسافات بين النقط التي تتصل بها تلك الثنائيات، كما يمكن تصميم هوائيات، تستخدم في بنائها أكثر من صورة من صور الهوائيات الموضحة في الفقرة السابقة.

2. تأثير سطح الأرض على إشعاع الهوائيات

كقاعدة عامة، تستخدم الهوائيات قريباً من سطح الأرض، وذلك يؤثر في القدرة الإشعاعية للهوائي، وكذلك على شكل النموذج الإشعاعي له، ولدراسة تأثير سطح الأرض على أداء الهوائيات، يفترض أن الهوائي مركب على ارتفاع معين من سطح الأرض، وأن سطح الأرض موصل جيد للكهرباء؛ (أُنظر شكل تأثير الانعكاس على الهوائي)، يصل للنقطة P الإشعاع قادماً من مسارين مختلفين، الأول مباشرة من الهوائي، والثاني منعكساً من سطح الأرض؛ ومن المعلوم من نظريات الكهربية الساكنة، أن أي شحنة كهربية، توجد على مسافة معينة من سطح موصل، تكون لها شحنة، صورة، تقع خلف السطح الموصل بالمسافة نفسها، وتكون ذات إشارة كهربية معاكسة للشحنة الأصلية، وإذا وضع سلك موصل عمودي فوق سطح الأرض، يمر به تيار كهربي، ويكون اتجاه مروره في لحظة ما، من أعلى إلى أسفل، تتكون له صورة تبعد المسافة نفسها عن سطح الأرض، وفي الاتجاه العكسي، وتتولد في الصورة شحنات ذات إشارة معاكسة، وتتحرك من أسفل إلى أعلى، أي أن التيار الكهربي المار في الصورة، سيكون في اتجاه مماثل لاتجاه التيار في الموصل الأصلي، (أُنظر شكل صورة الكهربية لسلك رأسي)، وهذا يعني أنه في حالة وضع هوائي رأسي فوق سطح الأرض، فإن المجال الكهرومغناطيسي الناتج، يكون محصلة المجالات الناشئة من الهوائي الحقيقي، ومن الهوائي الصوري، الذي يسري فيه تيار له القيمة نفسها، والاتجاه نفسه، وفي هذه الحالة يكون الهوائي الحقيقي وصورته مجموعة ثنائية متحدة زاوية الطور inphased dipoles ؛ أما إذا تحركت الشحنة الكهربية فوق السطح الموصل أفقياً (أُنظر شكل صورة الكهربية لسلك أفقي)، فإن الهوائي الأفقي، والهوائي الصوري له، يكونان مجموعة ثنائية متخالفة زاوية الطور antiphased dipoles.

يتضح مما سبق، أن سطح الأرض ذو التوصيل الجيد أسفل الهوائي، يغير من خواصه الأساسية، فإذا وضع هوائي رأسي بحيث يلامس طرفه السفلي سطح الأرض، يلاحظ أن الهوائي وصورته يكوّنان هوائياً ثنائي القطبية مزدوجاً، ويكون لتردد الرنين، طول موجي يساوى ضعف طول الهوائي، وبالتالي يساوي أربعة أضعاف ارتفاع الهوائي عن سطح الأرض، ولذلك أطلق على هذا الهوائي اسم "هوائي ثنائي القطب ربع موجي" quarter wave dipole، (أُنظر شكل تأثير سطح الأرض)، ويكون شكل الإشعاع الناتج عنه، النموذج الإشعاعي للهوائي، فوق سطح الأرض، مشابهاً للنموذج الإشعاعي لهوائي نصف موجة، (أُنظر شكل النموذج الإشعاعي لهوائي).

تُعد قيمة مقاومة سطح الأرض للتيار الكهربي عاملاً مهماً، والدراسة السابقة كلها تفترض أن سطح الأرض موصل جيد، وهذا الأمر ليس حقيقياً بدرجة كافية، ولذلك يجب اللجوء إلى بعض الإجراءات، التي تحسن من درجة توصيل سطح الأرض للتيارات الكهربية، وتقلل مقاومة سطح الأرض، ومن هذه الإجراءات دفن ألواح معدنية، أو أسلاك موصلة، في المنطقة المحيطة بالهوائي، أو خلطها ببعض محاليل ملحية، وقد أظهرت الحسابات، أن المنطقة المؤثرة من سطح الأرض حول الهوائي، هي الدائرة التي نصف قطرها يساوي 35 % من طول الموجة، ولذلك يعالج سطح الأرض بهذا الأسلوب في منطقة يصل قطرها حتى50 % من طول الموجة للهوائي، ويمكن الوصول إلى النتيجة نفسها، باستخدام مجموعة من الأسلاك مرتفعة عن سطح الأرض بدلاً من دفنها تحت السطح counterpoise.

3. تردد الرنين والهوائي المتوافق Resonant frequency and Harmonic antenna

لكل هوائي العديد من ترددات الرنين، التردد الذي عنده يشع الهوائي كل القدرة الناتجة من المصدر المغذي له، وتحدث ظاهرة الرنين كلما أصبح طول الهوائي أحد المضاعفات الصحيحة، لنصف طول الموجة، أي أنه عند تغذية هوائي معين بترددات مختلفة، تحدث ظاهرة الرنين، كلما كان خارج قسمة طول الهوائي على طول نصف الموجة يساوي عدداً صحيحاً، وتكون أطول موجة تحدث ظاهرة الرنين، هي التي يكون طول نصفها، مساوياً لطول الهوائي، وتعرف هذه الموجة باسم "الموجة السائدة" dominant wave of the antenna؛ أما الموجات الأقصر من الموجة السائدة، التي يحدث عندها حالة الرنين فتسمى "التوافقيات العليا للهوائي" a ntenna higher harmonics ولكل منها يحدد رقم محدد، يناظر عدد أنصاف الموجة التي يساويها طول الهوائي بالكامل.

الهوائيات الثنائية الأقطاب المزدوجة double dipoles، تكون في حالة رنين عندما يساوي طولها مضاعفات أنصاف الموجة

         طول الهوائي ……… l

         طول الموجة ……… 

         عدد صحيح ……… n

         أما الهوائيات غير المتماثلة assymetric antennas ، فتكون في حالة رنين عند

4. هوائيات الموجات الطويلة والمتوسطة Long and Medium wave antennas

حتى يكون الهوائي في حالة رنين، وحتى تكون له مقاومة إشعاعية تساوي فاعلية عالية للهوائي، يجب أن يكون طوله، على الأقل، يساوي 0.25 من طول الموجة، وهذا يمثل مشكلة كبيرة بالنسبة للموجات الطويلة، إذ يلزم أن يكون طول الهوائي بضعة مئات من الأمتار، وعلى هذا الأساس، إذ زاد طول الموجات على 1000م، يضطر المستخدم إلى استخدام هوائيات ذات أطوال تقل عن طول الرنين، وفي هذه الحالة، تظهر ممانعة سعوية ضمن معاوقة لدخل الهوائي، ويلزم معادلة هذه الممانعة بتركيب ملف على التوالي مع الهوائي، ويعرف هذا الملف باسم "ملف إطالة" lengthening coils، (أُنظر شكل ملف الإطالة).

وعند استخدام هوائي للموجات المتوسطة للعمل مع حيز كبير من الترددات، تكون بعض هذه الترددات أقل من تردد الرنين، وفي هذه الحالة تظهر ممانعة حثية ضمن معاوقة الدخل للهوائي، ويلزم معادلتها بتركيب مكثف لتوليف هذا الهوائي، يعرف باسم "مكثف تقصير" Shortening capacitor، وبصفة عامة تحتوى دائرة توليف الهوائي عريض النطاق، على كل من الملف والمكثف.

ولزيادة كفاءة الهوائي بدلاً من تركيب ملف إطالة، يزاد طول الهوائي حتى يصبح مساوياً لطول الرنين، وحتى يمكن استخدام صارٍ ذي ارتفاع معقول، يثنى سلك الهوائي بزاوية قائمة عند أقصى ارتفاع للصاري، ويشد الجزء الإضافي أفقياً، ويصبح شكل الهوائي في هذه الحالة على شكل حرف L، وهذا الهوائي كفاءته أفضل من الهوائي ذي ملف الإطالة، ولكن يحتاج الأمر إلى استخدام صارٍ إضافي، (أُنظر شكل إطالة الهوائي بإضافة فرع)، ويمكن تحسين أداء الهوائي أكثر من ذلك بزيادة الأفرع الأفقية إلى فرعين، (أُنظر شكل إطالة الهوائي بإضافة فرعين) أو أكثر (أُنظر شكل إطالة الهوائي بإضافة أفرع).

ولزيادة المقاومة الإشعاعية، وتحسين كفاءة إشعاع الهوائي، تستخدم محطات الإذاعة على الترددات المتوسطة، مجموعة هوائية تتكون من عدة هوائيات ثنائية الاستقطاب رأسية، مغذاة من مصدر واحد، (أُنظر شكل هوائي مركب)، ويبعد كل ثنائي عن الآخر بمسافة تقل عن الطول الموجي، ويتصل بعضها ببعض من أعلى بفرع أفقي للهوائي، ويمكن اعتبار هذا الهوائي ذي خواص مشتركة بين الهوائي الذي يكون على شكل الحرف T والحرف L.

5. هوائيات الموجات القصيرة Short wave antennas

كلما قل طول الموجة، ازدادت أنواع الهوائيات التي يمكن استخدامها، وعند الموجات القصيرة، تصبح مواصفات توصيلية الأرض سيئة للغاية، وتزداد نسبة الفاقد من الإشعاع المفيد للهوائي عند توصيله بالأرض، ولذلك يجب تجنب استخدام الهوائيات ثنائية الأقطاب، ذات التوصيل الأرضي، التي لا تكون لها نتائج جيدة، إلا في حالة الاستخدام بالقرب من مسطحات مائية كبيرة، أو على الأراضي الرطبة.

وعادة ما نرغب في خفض ارتفاع صاري الهوائي، ولذلك يمكن ثني سلك الهوائي بزاوية، ليصبح على شكل حرف L أو استخدام سلك مائل، (أُنظر شكل إمالة الهوائي لخفض الصاري)؛ وأكثر أنواع هوائيات الموجات القصيرة، "الهوائي ثنائي القطبية النصف موجة" Half - wave dipole antenna، وللحصول على أقصى مدى للاتصال يلزم أن تكون أقصى كثافة للإشعاع، عند الزاويا من 10 إلى 20 درجة بالنسبة للوضع الأفقي، ولذلك تصبح الدايبولات الأفقية، ذات مواصفات إشعاعية جيدة عند استخدامها على ارتفاع أكبر من نصف الطول الموجي.

وإذا زاد طول كابل تغذية الهوائي على، 3-4 طول موجي، تختلف مقاومته الموجية عن مقاومة دخل الهوائي، وبذلك يزيد الفقد للإشارات المفيدة داخل كابل التوصيل، ويلزم بذل عناية خاصة للموائمة بين مقاومة المغذي ومقامة الهوائي، ولتحقيق هذا الغرض تستخدم محولات المواءمة Matching transformer .

ولكي يؤدي الهوائي مهمته بصورة جيدة عند العمل على حيز كبير من الترددات، يلزم أن يكون نموذجه الإشعاعي، وكذلك مقاومة دخله، ثابتين نسبياً مهما تغير الطول الموجي، وهذه الخاصية ترتبط بالهوائيات ذات المقاومة المنخفضة، وذات مساحة المقطع الكبير نسبياً، وقد ثبت عملياً أنه إذا كان قطر السلك الموصل الذي يكون الدايبول يساوى 03, 0 من الطول الموجي، فإن مقاومة الدخل للهوائي تكون 300 أوم تقريباً، ويكون الهوائي ذا فعالية عالية في حيز عريض من الترددات.

ونظراً للأطوال القصيرة نسبياً للدايبول، تكون هناك إمكانية جيدة لتصميم هوائيات موجات قصيرة، ذات إشعاع اتجاهي، وأبسط نموذج من هذه الهوائيات، هو الهوائي المزود بعاكس، (أُنظر شكل هوائي مزود بعاكس)، ويمكن استخدام المعادلات الآتية لحساب أفضل طول للدايبول LA وأفضل طول للعاكس Lref وأفضل مسافة تفصل بينهما D:

حيث D ، Lrefl ، LA  مقاسة بالمتر.

6. هوائيات الموجات القصيرة جداًUltra short -wave antennas

في حيز الموجات القصيرة جداً، تستخدم الهوائيات ذات الخواص الاتجاهية، وعند الأطوال الموجية الصغيرة، تكون هذه الهوائيات مدمجة، وذات حجم مناسب يسمح بأن تكون هوائيات دوارة، ونتيجة لهذه الخاصية، أمكن نقل الإشارات اللاسلكية إلى مسافات بعيدة في الاتجاهات كافة، وكذلك أدت إلى الاستخدام الاقتصادي، لقدرة محطات الإرسال، والحد من تداخل محطات الإرسال المجاورة، ويمكن استخدام مجموعة الدايبولات، متحدة أو مختلفة زاوية الطور لهذا الغرض، إذا كانت الموجات مترية.

وعند العمل في حيز الموجات الديسمترية، والسنتيمترية، يمكن استخدام عواكس ذات أشكال مختلفة، ومن أهم هذه الأشكال العاكس البارابولي، شكل القطع المكافئ Parabolic reflector ، المصنوع من مادة الدورالمنيوم Duralumin ، وهو الذي يؤدي إلى خواص اتجاهية ممتازة للنموذج الإشعاعي. ويعتمد عمل العاكس البارابولي، على فكرة وضع المشع في بؤرة العاكس، ويصدر الإشعاع من البؤرة، لينعكس من على سطح العاكس، وطبقاً لقوانين المرايا الكروية المقعرة، ترتد الأشعة الساقطة موازية لمحور العاكس، (أُنظر شكل عاكس قطع مكافئ).

ولجعل النموذج الإشعاعي أكثر اتجاهية، وللتخلص من النصوص الجانبية Side lobes غير المرغوب فيها، يجب أن يزيد قطر عاكس الهوائي D بكثير على طول المشع، أي أن:

كما يجب تصنيع سطح العاكس بدقة عالية، وعادة ما تميز اتجاهية الهوائي بزاوية النموذج الإشعاعي،  والعلاقة التي تربط بين قطر العاكس، وزاوية رأس الشعاع هي:

وهذه العلاقة، توضح أنه باستخدام عاكس ذا قطر كبير نسبياً، يمكن الحصول على نموذج إشعاعي ضيق جداً، وعلى سبيل المثال إذا كان:

D = 20

نحصل على نموذج إشعاعي، اتساعه ثلاث درجات، وهذا الهوائي يمكن تنفيذه عند الموجات الديستمرية، والسنتيمترية.

وللأدلة الموجية المفتوحة النهاية خاصية اتجاهية، وهي تعمل كدابيول خطي، ويمكن زيادة خواصها الأتجاهية بتركيب نهاية قمعية Horn في الطرف المفتوح للدليل الموجي، وكلما زادت فتحة النهاية القمعية، زاد طولها، وكان الانتقال من الدليل الموجي إلى الفضاء المحيط من دون فقد أو انعكاسات، وكان النموذج الإشعاعي أكثر اتجاهيه. وللحصول على خواص اتجاهية جيدة يجب أن يكون طول النهاية القمعية أكبر من طول الموجات، على سبيل المثال للحصول على زاوية رأس للنموذج الإشعاعي تساوي 50 درجة، يجب أن يكون طول النهاية القمعية من 8 إلى10 أضعاف طول الموجة، (أُنظر شكل نهاية قمعية هرمية).


   

[1] أطلقت هذه التسمية تخليداً للعالم الاسكتلندي جيمس ماكسويل James Maxwell 1831-1879 الذي أسهم إسهاماً كبيراً في علوم الكهروبصريات وعلوم اللاسلكي.

[2] تخليداً للعالم الرياضي الألماني كارل جاوس Karl gauss 1777-1855.

[3] العجلة التسارعية، هي المعدل الزمني الموجب لتغير السرعة acceleration ، وسيستخدم لفظ عجلة التسارع فيما بعد، والعجلة التباطئية، هي المعدل الزمني السالب لتغير السرعة deceleration ، وسيكتفي باستخدام لفظ العجلة التباطئية.

[4] يتناسب تردد الموجة ؟ تناسباً عكسياً مع طولها ؟ وثابت التناسب هو سرعة انتشار الضوء c.

[5] الأنجستروم = 10 -10 متر.

[6] حاصل ضرب السرعة الزاوية ؟ و الزمن t يساوي زاوية دوران الملف.

[7] يطلق علي فارق زاوية الطور في هذه الحالة `زاوية السبق أو التقدم` Lead  angle.

[8] يطلق على فارق زاوية الطور في هذه الحالة ` زاوية التأخر` Lag angle .

[9] قد تحتوي الدائرة على مفاعلة حثية، ومفاعلة سعوية، ومقاومة أومية؛ يطلق على أي من هذه المكونات، إذا اجتمعت في دائرة كهربية معاً،  اسم `المعاوقة للتيار المتردد`، ويرمز لها بالرمز Z.

الفصل الثالث

الإلكترونيات

أولاً: الجزيء المشحون في المجال الكهرومغناطيسي

تعمل الوسائل الإلكترونية بمبدأ التحكم في الشحنات الكهربية، التي تتحرك خلال أشباه الموصلات أو الغازات أو الفراغ، وباستخدام هذه الوسائل في دوائر متصلة بطرق معينة، أمكن التحكم في الطاقة الكهربية، أو تحويلها إلى صور مختلفة، أو معالجة إشارات كهربية مختلفة، للوصول إلى معلومات مفيدة. ومن ضمن عائلة الوسائل الإلكترونية الحديثة، تلك المصنعة من الجوامد Solid-state، مثل الوصلات الثنائية diode، والوصلات الثلاثية transistor. وسيستخدم فيما يلي لفظ الترانزيستور شائع الاستخدام، والدوائر المتكاملة Integrated circuits، التي تُعد تطويراً للوسائل الأقدم، مثل: الصمامات الإلكترونية، التي تتحرك فيها الأجسام المشحونة في وسط غازي أو في الفراغ، وقد انقرضت تلك الصمامات، وأصبحت لا تستخدم في الوقت الحالي إلا في استخدامات نادرة.

بدأ علم الإلكترونيات الحديثة عام 1883 مع اكتشاف العالم أديسون Edison لظاهرة أطلق عليها اسمه، حيث كان يدرس تطوير مصباح الإضاءة، وأدخل في تركيبه لوحاً معدنياً إضافياً بجوار الفتيلة، ولاحظ إمكانية التحكم في التيار الكهربي المار في الطرف الموصل بهذا اللوح الإضافي؛ بعد ذلك استخدم العالم فليمنج J.A.Fleming عام 1897، ظاهرة أديسون لاكتشاف الإشارات اللاسلكية، و في عام 1906 أدخل العالم لي دي فورست Lee de Forest تعديلاً على صمام فليمنج، فأنتج أول صمام ثلاثي، الذي يُعدّ البداية الحقيقة للمسار الحالي لعلوم الإلكترونيات. استمر تطور الصمامات، واستحداث أنواع ووظائف جديدة، إلى أن تطورت أبحاث أشباه الموصلات عام 1948، حيث أنتج أول صمام ثلاثي من المواد شبه الموصلة، وأطلق عليه اسم "الترانزيستور"، وحتى الآن مازالت الدوائر التي تعتمد على أشباه الموصلات هي أساس التقدم الحالي في الإلكترونيات.

1. الذرة، الإلكترون، البروتون، النيوترون، الفوتون

في نهاية القرن التاسع عشر، كان من المعتقد أن الذرة هي أصغر مكونات المادة، وهي غير قابلة للتجزيء، ولكن بعد ذلك وضع العالم نيلز بوهر Niels Bohr تصوراً لتركيب الذرة أقرب في شكله للمجموعة الشمسية؛ وقد نجح تصور بوهر في تفسير العديد من الظواهر الطبيعية، مثل تفسير طيف الامتصاص، و طيف الانبعاث line spectra ، و كذلك تفسير الأشعة السينية، وحركة التيار الكهربي خلال الغازات؛ ورغم هذا النجاح، لم تستمر نظرية بوهر لفترة طويلة، نتيجة إخفاقها في تفسير العديد من الظواهر الأخرى. بعد ذلك ظهرت النظرية الذرية الحديثة، حيث أضيفت الخواص الموجية بالإضافة للخواص المادية للإلكترون، واستبدلت المدارات الإلكترونية بمستويات للطاقة.

يتكون التيار المار بين أقطاب صمام أديسون، أساساً من تيار من الشحنات السالبة، الإلكترونات، التي تُعد الآن العنصر الأساس في بناء علم الإلكترونيات، وهي أصغر وحدة كهربية، وغير قابلة للتجزيء، إذ لم يكتشف حتى الآن أجسام مشحونة أصغر منها. أثبتت القياسات والتجارب، في أوائل القرن العشرين، أن كل الإلكترونات تحمل نفس الكمية من الشحنة الكهربية. وفي عام 1910 نجح العالم ميليكان في قياس الشحنة الكهربية للإلكترون، ووجدها ثابتة، وهي تساوي:

         1.602 × 10 -19 كولوم، وكتلته تساوى 9.106 × 10 -31 كيلوجرام.

تتكون الذرة من إلكترونات، تتحرك حول مجموعة من الجزيئات، تتجمع في نواة مركزية، تمثل معظم كتلة الذرة، وبها كل الشحنات الموجبة الموجودة في الذرة؛ علماً بأن عدد الإلكترونات يساوي الرقم الذري للعنصر، وهو، أيضاً يعادل الشحنة الموجبة للنواة. أما النواة فهي تتكون من بروتونات و نيوترونات بأعداد متغيرة؛ البروتون جزئ يحمل شحنة موجبة، تساوي عددياً الشحنة السالبة للإلكترون، وكتلته تساوي تقريباً كتلة ذرة الهيدروجين، التي تتكون نواتها من بروتون واحد فقط. أما النيوترون فهولا يحمل شحنات كهربية، وكتلته تزيد قليلاً على كتلة البروتون؛ توجد النيوترونات في أنوية ذرات جميع العناصر، عدا ذرة الهيدروجين، وتكون هي و البروتونات المكون الأساسي لبناء النواة.

الفوتون ليس أحد الوحدات البنائية للمادة، ولكنه يمثل أحد الجزيئات الأساسية التي تدخل في تفسير النظرية الذرية الحديثة، وهو كمٌّ من الطاقة، وليست له كتلة بالمعنى المتعارف عليه، ولكن ترتبط معه كتلة إشعاعية متغيرة تكافئ طاقته طبقا لعلاقة أينشتين Einstein الشهيرة:

وتعتمد كمية الطاقة التي يحملها الفوتون، على تردد الإشعاع المرتبط به؛ باستخدام تعريف الفوتون، يمكن تفسير سلوك أشعة الضوء المرئي، والأشعة الحرارية، والموجات الكهرومغناطيسية، والأشعة السينية، وأشعة الليزر …ألخ.

2. تسارع الإلكترون في المجال الكهربي

تؤدي الوسائل الإلكترونية وظائفها من خلال حركة الإلكترون، تحت تأثير مجال كهربي أو مجال مغناطيسي، وتخضع تلك الحركة إلى قوانين الديناميكا البسيطة، إذ إنها تتم في وسط قليل الكثافة الإلكترونية، أي أنه يمكن إهمال التأثير المتبادل مع الإلكترونات المحيطة، من تصادم و قوى تجاذب أو تنافر، وكذلك يمكن إهمال تأثير قوى الجاذبية العامة، مقارنة بالقوة الناشئة عن المجال الكهربي؛ من قوانين الكهربية نجد أن القوة المؤثرة على إلكترون، نتيجة لوجوده في مجال كهربي، تعرف بالعلاقة:

F = q E ……….. 1

حيث F هي القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة، التي قيمة شحنتها q ، وموجودة في مجال كهربي شدتهE ، وإذا كانت تلك الشحنة هي التي يحملها الإلكترون، وقيمتها e ، وإشارتها سالبة؛ تكون القوة المؤثرة هي:

F = - e E ……… 2

ومن قوانين نيوتن Newton للحركة نعلم أن:

F = m a………3

وبمقارنة المعادلة 2 ، 3 نخلص إلى أن:

حيث a هي عجلة تسارع الإلكترون، نتيجة وجوده في المجال الكهربي E؛ اتجاه مسار التسارع يكون في اتجاه القطب الموجب المسبب للمجال الكهربي، ويتبع الإلكترون في حركته خطوط المجال.

إذا تحرك الإلكترون بين نقطتين فرق الجهد الكهربي بينهما V، فإن طاقة حركته تزداد وتصل سرعته v إلى القيمة المعروفة بالعلاقة التالية:

حيث v هي السرعة المكتسبة للإلكترون، وV فرق الجهد بين نقطتي بداية ونهاية الحركة، وm هي كتلة الإلكترون، وe قيمة شحنته الكهربية؛ بصفة عامة إذا انتقل إلكترون خلال فرق جهد قيمته فولت واحد تزداد طاقته بقيمة تساوي:

Ve = 1.60 × 10 -19  1 = 1.6 × 10 -19 joule = 1 e v

يعرف هذا المقدار من الطاقة بمصطلح إلكترون فولت electron volt ويختصرev ، وهذه الوحدة تستخدم عادة للتعبير عن الجسيمات ذات السرعات الكبيرة.

خلال الفترة من 1910 إلى 1916، أجرى العالم روبرت ميليكان R. A. Millikan تجربة نقطة الزيت الشهيرة، لتحديد الشحنة الكهربية للإلكترون، وتوصّل إلى أن شحنة الإلكترون تساوي 1.590  10 -19 كولوم؛ هذه النتيجة قريبة جداً من النتائج الأكثر دقة لشحنة الإلكترون، التي تم التوصل إليها حالياً، وهي 1.602 × 10 -19 كولوم. استخدم ميليكان الجهاز الموضح (أُنظر شكل تجربة نقطة الزيت لميلكان)، الذي يتكون من حجرة مزدوجة الجدار، تحتوي على لوحين من المعدن، وباللوح العلوي ثقب مركزي صغير يسمح بمرور قطرات صغيرة من الزيت؛ حيث يتولد بين اللوحين مجال كهربي شدته E، وبين اللوحين فولتومتر لقياس فرق الجهد بينهما، ويمكن ملاحظة حركة قطرة الزيت بواسطة ميكروسكوب خاص. قام ميليكان بدفع بعض قطرات من الزيت بواسطة الرشاش من خلال الثقب العلوي، فهبطت تلك القطرات تحت تأثير وزنها، ولكن أثناء حركتها تعرضت للأشعة السينية التي تؤين جزيئات الهواء بين اللوحين، فتنطلق بعض الإلكترونات التي تلتصق بقطرات الزيت؛ اكتسبت قطرات الزيت شحنات سالبة، واختار إحدى القطرات المناسبة، وافترض أن شحنتها تساوي q، إذا كانت كتلة قطرة الزيتm ، فإنه في حالة عدم وجود مجال كهربي بين اللوحين، تتحرك قطرة الزيت إلى أسفل، تحت تأثير وزنها فقط، الذي يساويg m، ولكن عند توصيل فرق جهد كهربي V بين اللوحين المعدنيين يتولد بينهما مجال كهربي

حيث d هي المسافة بين اللوحين؛ هذا المجال يؤثر في شحنة قطرة الزيت q بقوة إلى أعلى F، تساوي:

غيّر ميليكان قيمة فرق الجهد بين اللوحين، حتى لاحظ تعلق قطرة الزيت بين اللوحين، أي تتساوى القوة التي تحركها إلى أسفل مع القوة التي تدفعها إلى أعلى، أي أن:

وبالتالي أمكنه حساب شحنة قطرة الزيت q و هي تساوي

كرر ميليكان التجربة، آلاف المرات بتغيير شحنة القطرة بتعريضها تعريضاً متغيراً لأشعة اكس، فوجد أن شحنة القطرة تساوى دائما مضاعفات صحيحة للمقدار 1.590 × 10-19 فاستنتج من ذلك أن هذا المقدار، هو أقل شحنة يمكن أن تحملها القطرة، وهي شحنة الإلكترون e.

3. حركة الإلكترون في المجال المغناطيسي

إذا تحرك إلكترون كتلته m وشحنته e بسرعة v في مجال مغناطيسي كثافة فيضه B، واتجاهه عمودي على مستوى حركة الإلكترون، (أُنظر شكل حركة الإلكترون)، نجد أن الفيض المغناطيسي يؤثر في الإلكترون، بقوة مغناطيسية تساوي حاصل ضرب كثافة الفيض المغناطيسي، وشحنة الإلكترون وسرعته أي أن:

FB = B  x  e  x  v

ويكون اتجاه هذه القوة عمودياً على اتجاه كل من المجال المغناطيسي، واتجاه حركة الإلكترون، ونتيجة لذلك يتحرك الإلكترون، في مسار منحنى دائري، نصف قطره يساوي R ، ويمكن حسابه من اتزان الإلكترون تحت تأثير القوة FB والقوة الطاردة المركزية نتيجة الحركة الدورانية

ونتيجة لاتزان الإلكترون تتساوى القوتين، ويكون

ومن هذه العلاقة نستنتج النسبة بين شحنة الإلكترون وكتلته

في عام 1897، نجح العالم جى.جى.تومسون J .J . Thomson في إجراء تجربة معملية ناجحة لقياس الشحنة النوعية للإلكترون، باستخدام أنبوبة أشعة مهبط بها هواء تحت ضغط 0.01 مم زئبق، قاعدتها مغطاة بمادة قابلة للتوهج عند سقوط أي جسيمات مشحونة عليها، مثل جسيمات أشعة المهبط حصل تومسون على تيار من الإلكترونات، بتعجيل الإلكترونات التي تنفصل عن المهبط K ، (أُنظر شكل تجربة قياس الشحنة النوعية)، بواسطة الجهد الموجب المطبق على المصعد A؛ تمر الإلكترونات من ثقب صغير موجود في مركز المصعد، وفي غياب المجالات الكهربية والمغناطيسية، ويكون مسار هذه الإلكترونات مستقيماً، ويصطدم بمركز شاشة الصمام P الذي يتوهج. بعد ذلك طبق تومسون فرق جهد V بين ألواح الانحراف، فتولد بينهما مجال كهربي، شدته E ويساوي:

وتتأثر الإلكترونات بقوة

Fe = - e E

ونتيجة لذلك ينحرف الإلكترون إلى أعلى، ويصطدم بالشاشة في النقطة P ' بعد ذلك قام تومسون بتطبيق مجال مغناطيسي، شدته Bعن طريق ملفات خاصة، موجودة حول عنق أنبوبة أشعة المهبط، فيؤثر على الإلكترونات بقوة fm تساوي

fm = - B e v

وتحكم تومسون في شدة المجال المغناطيسي، حتى عاد شعاع الإلكترونات لموقعه الأصلي P ، وهذا يعنى أن تأثير القوتين fe وfm متعادل، أي أن:

e E = B e v

أي أن سرعة تحرك الإلكترون، تساوي النسبة بين شدة المجال الكهربي، وشدة المجال المغناطيسي، وبالتعويض بقيمة v في العلاقة التي تحدد الشحنة النوعية للإلكترون

حصل تومسون على العلاقة التالية:

وبمعرفة قيمة نصف قطر المسار الدائري للإلكترون من الشكل الهندسي، وأبعاد أنبوبة أشعة المهبط، تمكن تومسون من حساب قيمة الشحنة النوعية للإلكترون، وهي تساوي 1.7589 × 10 11.

4. صمام أشعة المهبط Cathode - Ray Tube

يُعد صمام أشعة المهبط من التطبيقات المهمة لمبادئ الحركة البالستيكية للإلكترونات، وله استخدامات عديدة حالياً، في المعامل لدراسة ورؤية العديد من الظواهر المرتبطة بالدوائر الإلكترونية، وكذلك هو وسيلة الرؤية للاستقبال التليفزيوني وللأنظمة الرادارية.

5. تركيز شعاع الإلكترونات

في المجال الكهربي تتسارع الإلكترونات في اتجاه خطوط المجال، حيث إن هذا الاتجاه هو اتجاه القوة المؤثرة عليها، فإذا تم تركيب مجموعة من الإلكترونات (أُنظر شكل تجميع الشعاع الإلكتروني)، حيث إن المصعد والمهبط أجسام أسطوانية، ويطبق عليها فرق جهد V ؛ والإلكترونات التي تدخل من الثقب A الموجود في المهبط تتشتت حتى تصل إلى المنطقة بين المصعد والمهبط، فتتعرض لقوى مائلة للداخل تعمل على تجميع معظم الإلكترونات، وتركيز الشعاع عند نقطة واحدة P على الشاشة؛ وفي تصميم المصعد B ثقب مركزي يسمح بمرور الحزمة المستقيمة من شعاع الإلكترونات، واستبعاد الإلكترونات التي لم تأخذ الاتجاه المناسب لتتجمع في النقطة P ؛ وبالتحكم في قيمة الجهدV  يمكن تحديد بعد النقطة P التي يتركز ويتجمع فيها شعاع الإلكترونات. يلاحظ أن النظرية الذرية الحديثة تصف الإلكترون بخواص موجية، وخواص مادية، فبالنسبة إلى الخواص الموجية للإلكترون، يتضح أن تركيبة المصعد والمهبط بالصورة الموضحة، تكافئ العدسة المجمعة بالنسبة للأشعة الضوئية، وكما أن العدسة المجمعة تؤثر تأثيرات مختلفة على الموجات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة، ونجد أن تركيز الشعاع الإلكتروني هو الآخر يعتمد على الطول الموجي المرتبط بالإلكترون، والمعرف بقانون بلانك Plank طبقاً للعلاقة:

وطول الموجة في هذه الصورة مرتبط بطاقة الإلكترون، أيضاً.

6. تركيب صمام أشعة المهبط

(أًُنظر شكل صمام أشعة المهبط)، يوضح رسماً تخطيطياً كاملاً لصمام أشعة المهبط، وهو صمام زجاجي مفرغ، له شاشة مسطحة نسبياً، ومغطاة بمادة فلورسنتية، تتوهج منها النقاط التي تصطدم بها الإلكترونات، وبداخل الصمام مجموعتان من المكونات الأساسية:

أ. المجموعة الأولى، ويطلق عليها اسم قاذف الإلكترونات، أو مدفع الإلكترونات electron gun وهو يتكون من:

(1) المهبط K وهو مصدر الإلكترونات.

(2) شبكة مثقوبة G ووظيفتها التحكم في عدد الإلكترونات المكونة للشعاع، وبالتالي التحكم في إضاءة الشعاع علي الشاشة.

(3) المصعد الأول A1، ويعمل على تعجيل الإلكترونات.

(4) المصعد الثاني A2 ويعمل على زيادة تعجيل الإلكترونات، وتعمل المنطقة المحصورة بين المصعد الأول والمصعد الثاني، على تركيز الشعاع على شاشة الصمام، ويمكن التحكم في درجة التركيز بالتحكم في جهد كل من المصعدين.

ب. المجموعة الثانية، وهي مجموعة ألواح الانحراف Deflection plates وتنقسم إلى:

(1) مجموعة تعمل على انحراف شعاع الإلكترونات في الاتجاه الأفقي اتجاه المحور السيني.

(2) مجموعة تعمل على انحراف شعاع الإلكترونات في الاتجاه الرأسي، اتجاه المحور الصادي، فإذا افترضنا أن سطح الشاشة واقع في المستوى س - ص، فبتطبيق جهد الانحراف على كل من مجموعتي الألواح في الوقت نفسه، يمكننا التحكم الكامل في النقطة المضيئة على الشاشة، في كلاً المستوى س - ص، ونظراً لصغر كتلة الإلكترون، فإن تطبيق جهد متردد على الألواح، يؤدى إلى تذبذب النقطة المضيئة على الشاشة، فإذا رغبنا في رسم شكل جهد متردد بالنسبة للزمن على الشاشة، يجب أن يكون الجهد المطبق على أحد محوري الإحداثيات، المحور السيني، مثلاً، معبراً عن الزمن، أو بمعنى آخر يجب أن يكون جهد الانحراف المطبق على ألواح الانحراف الأفقية متزايداً بنسبة مع الزمن، ويطلق على مثل هذا الجهد جهد المسح Sweep voltage أو موجة سن المنشار Saw tooth wave (أُنظر شكل جهد المسح)، وإذا طبقنا في الوقت نفسه، جهد التيار المتردد على ألواح الانحراف الرأسية، فإن النقطة المضيئة تتحرك على الشاشة راسمة شكل موجة التيار المتردد (أُنظر شكل رسم موجه جيبية).

يمكن الوصول إلى النتائج نفسها، باستخدام ملفات للانحراف المغناطيسي، بدلاً من ألواح الانحراف، أو استخدام تركيب مشترك من كلا المجالين، ولحسن أداء صمام أشعة المهبط يلزم أن تكون هناك نبضات للتزامن، تربط بداية موجة سن المنشار ونهايتها مع بداية الإشارات المطلوب رسمها على الشاشة، كما يجب أن يتناسب تردد موجة سن المنشار مع تردد الموجة المطلوب إظهارها على شاشة الصمام.

ثانياً: التوصيل في الجوامد وأشباه الموصلات

تعتمد خاصية التوصيل الكهربي للمواد، أساساً على عدد الجزيئات حاملة الشحنة الكهربية حرة الحركة، وعلى طبيعة الشحنة المحمولة، ففي المواد جيدة التوصيل يوجد دائماً عدد كافٍ من الإلكترونات الحرة، ويحدد هذا العدد، وعلاقة الإلكترون بالبناء البلوري للمادة، خواصها التوصيلية، التي يمكن التحكم فيها، بالتحكم في عدد الجزيئات حاملة الشحنة وطبيعتها، ويبرز ذلك بصفة خاصة في المواد شبه الموصلة.

يمكن تقسيم الجوامد، بصفة عامة، من حيث قدرتها على توصيل الكهربي إلى ثلاثة أقسام:

1. المواد الموصلة Conductors، وهي مواد جيدة التوصل للتيار الكهربي، لوفرة الإلكترونات الحرة بها، مثل الفضة والنحاس والحديد والرصاص.

2. مواد عازلة Insulator s وهي مواد رديئة التوصيل للتيار الكهربي، لندرة الإلكترونات الحرة بها مثل الزجاج والبورسلين والبلاستيك.

3. مواد شبه موصلة Semiconductors، وهي مواد ليست جيدة التوصيل، كما أنها ليست رديئة التوصيل، في درجات الحرارة العادية، وتتميز ببناء بللوري خاص بها.

المواد شبه الموصلة تنقسم أساساً إلى المواد شبه الموصلة النقية، والمواد شبه الموصلة غير النقية.

1. المواد شبه الموصلة النقية، ومن أمثلتها عنصر الجرمانيوم النقي pure germanium الذي تتركب ذرته، من نواة تحتوي على 32 بروتون، يحيط بها أربعة مستويات للطاقة، يحتوي الأول منها على إلكترونين، والثاني على ثمانية إلكترونات، والثالث على 18 إلكتروناً، ويوجد بمستوى الطاقة الأخير 4 إلكترونات، وهذا يعنى أن ذرة الجرمانيوم رباعية التكافؤ، وتربط بعض ذرات الجرمانيوم ببعضها مكونة، بللورات، ويتم ذلك بارتباط كل ذرة، مع أربع ذرات مجاورة، بروابط تساهمية Covalent bonds (أُنظر شكل الرابطة التساهمية لذرة الجرمانيوم)، وتصبح كل ذرة محاطة بثماني إلكترونات، ليستقر آخر مستوى للطاقة؛ وبوصول مستوى الطاقة الأخير إلى حالة الاستقرار، تكون الإلكترونات شديدة التماسك بذراتها، ويصعب تحريرها، وتكون بلورات الجرمانيوم، ومثلها تماماً بلورات السيليكون Selicon، عازلة للتيار الكهربي خاصة في درجة حرارة صفر كلفن؛ ويمكن زيادة درجة التوصيل الكهربي لبلورة الجيرمانيوم أو السليكون بإحدى طريقتين، أولاهما رفع درجة الحرارة حتى تصبح الطاقة الحرارية كافية لكسر بعض الروابط التساهمية، فتحرر بعض الإلكترونات (أُنظر شكل كسر الرابطة التساهمية)، وتصبح البلورة موصلة للكهربية، وهذا يعني أن أشباه الموصلات تمييز بزيادة قدرتها على توصيل الكهرباء مع زيادة درجة حرارتها[1]؛ وثاني طرق زيادة درجة التوصيل الكهربي هي إضافه شوائب معينة إلى البلورة النقية، للحصول على شبه موصل غير نقي، وهذه الشوائب المعينة إما أن تكون من عنصر خماسي التكافؤ مثل الزرنيخ، والفوسفور، والأنتيمون، أومن عنصر ثلاثي التكافؤ مثل الجاليوم، والأنديوم، والبورون، والألومنيوم.

2. أشباه الموصلات غير النقية

شبه موصل غير نقي من النوع السالب N - type:

إذا أضيفت نسبة قليلة من مادة الزرنيخ أو الأنتيمون خماسية التكافؤ إلى عنصر الجرمانيوم، بنسبة ذرة من المادة المضافة لكل 10 7 ذرة[2] من العنصر الأصلي، فإن العنصر المضاف، نظراً لقلته، يدخل في البناء البلوري لعنصر الجرمانيوم نفسه، فتشارك كل ذرة زرنيخ بأربعة إلكترونات من الإلكترونات الخمسة الموجودة في أعلى مستوى للطاقة لترتبط تساهمياً مع أربع ذرات جرمانيوم مجاورة، ويصبح الإلكترون الخامس في ذرة الزرنيخ ضعيف الارتباط نظراً لاكتمال مستوى الطاقة الأخير لكل ذرات البلورة الجديدة، وتكون الطاقة اللازمة لتحريره ضعيفة جداً، فيسهل انتقاله داخل البلورة من وضع لآخر، وعندئذ تصبح البلورة موصلة للكهربية بدرجة أكبر (أُنظر شكل شبه موصل سالب)؛ في هذه الحالة يسمى عنصر الزرنيخ، عنصر عنصراً معطياً Donor ؛ لأنه هو الذي يعطي الإلكترون الحر السالب، وتصبح ذرة الزرنيخ موجبة، ولكنها لا تجتذب الإلكترون مرة أخرى نظراً لاكتمال أعلى مستوى للطاقة بها بثمانية إلكترونات، أربعة من ذرة الجرمانيوم وأربعة من ذرة الزرنيخ، و تسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على شوائب من الزرنيخ، بلورة من النوع السالب N - type ، وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها نتيجة حركة الإلكترونات الزائدة، وتسمى هذه الإلكترونات حاملة الشحنات السائدة، وتكون البلورة كلها متعادلة كهربياً؛ لأن الشحنات الموجبة لذرات المعطي، (الزرنيخ) تتعادل مع الشحنات السالبة للإلكترونات المتحررة منه .

3. شبه موصل من النوع الموجب P - type

عند تطعيم بلورة الجرمانيوم بنسبة قليلة من ذرات الجاليوم ثلاثية التكافؤ أثناء تصنيع البلورة، فإن كل ذرة من ذرات الجاليوم تشترك مع ثلاث ذرات جرمانيوم في روابط تساهمية، و يبقى مكان خالٍ للإلكترون الناقص، لاستكمال مستوى الطاقة الأخير، يظهر على شكل فجوة أو ثقب Hole (أُنظر شكل شبه موصل موجب)، فتقتنص ذرة الجاليوم أحد إلكترونات الرابطة المجاورة، ليملأ هذه الفجوة تاركاً في مكانه الأصلي فجوة موجبة، وتصبح ذرة الجاليوم سالبة؛ وتعمل كل فجوة عمل شحنة موجبة تحاول اقتناص إلكترون سالب، وعلى ذلك تتحرك الفجوات الموجبة في البلورة في اتجاه عكس اتجاه حركة الإلكترونات، و يصبح الجرمانيوم، في هذه الحالة، موصلاً للكهربية بدرجة أكبر؛ تسمى بلورة الجرمانيوم التي تحتوي على شوائب من عنصر الجاليوم بلورة من النوع الموجب P - Type وذلك لأن التوصيل الكهربي يتم فيها نتيجة حركة الفجوات الموجبة، وتسمى هذه الفجوات الموجبة حاملات الشحنة السائدة، وتسمى مادة الجاليوم التي تقتنص الإلكترونات مادة متقبلة Acceptor، وتكون البلورة كلها متعادلة كهربياً؛ لأن الشحنات الموجبة للفجوات تساوي الشحنات السالبة لذرات المادة المتقبلة.

4. الوصلة الثنائية P - N Junction

عند التصاق بلورة من النوع الموجب P - type ، ببلورة من النوع السالب N - type ، تتكون بلورة مزدوجة، وتسمى منطقة الاتصال بينهما الوصلة الثنائية (أُنظر شكل الوصلة الثنائية)، وفي هذه الحالة تنتقل بعض الإلكترونات الحرة من البلورة سالبة النوع عبر منطقة الاتصال، لتملأ فجوات البلورة موجبة النوع، ونتيجة لذلك تتكون منطقة على جانبي منطقة الاتصال خالية تماماً من حاملات الشحنة السائدة، ونتيجة لفقد البلورة السالبة بعض إلكتروناتها، فإنها تكتسب جهداً موجباً، بينما تكتسب البلورة الموجبة جهدا سالباً لانتقال الإلكترونات سالبة الشحنة إليها، وبذلك يتكون عبر منطقة الاتصال فرق جهد كهربي يزداد تدريجياً مع استمرار عملية الانتقال، حتى يصل إلى قيمة معينة تمنع عبور المزيد من الإلكترونات، ويطلق على فرق الجهد عند ذلك اسم الجهد الحاجز  Barrier voltage (أُنظر شكل الجهد الحاجز).

يمكن الاستفادة من الوصلة الثنائية في الدوائر الإلكترونية بأحد أسلوبين:

أ. التوصيل الخلفي Backward connection حيث توصل البلورة الموجبة P بالطرف السالب للمصدر، وتوصل البلورة السالبة N بالطرف الموجب (أُنظر شكل التوصيل الخلفي للوصلة الثنائية)، فتنجذب الإلكترونات الحرة الموجودة في البلورة السالبة نحو القطب الموجب للمصدر، وبذلك تبتعد عن منطقة الاتصال، وتنجذب الفجوات هي الأخرى نحو القطب السالب للمصدر، وتتسع المنطقة الفاصلة الخالية من الشحنات السائدة، ويزداد الجهد الحاجز تدريجياً حتى يصل إلى جهد البطارية، وبذلك لا تسمح البلورة إلا بمرور تيار كهربي ضئيل جداً ناتج عن حركة حاملات الشحنات غير السائدة الناتجة من درجة الحرارة Intrinsic conduction ، وتكون هذه الحالة مقاومة الوصلة الثنائية للتيار الكهربي كبيرة جداً (أُنظر شكل الجهد الحاجز في التوصيل الخلفي).

ب. التوصيل الأمامي forward connection (أُنظر شكل التوصيل الأمامي للوصلة الثنائية)، حيث توصل البلورة P بالطرف الموجب لمصدر كهربي، وتوصل البلورة N بالطرف السالب، فتتنافر بعض الإلكترونات الحرة في البلورة السالبة مع القطب السالب للمصدر، وتتحرك مقتربة من منطقة الاتصال، وتتنافر الفجوات الموجبة مع القطب الموجب للمصدر، وتتحرك نحو المنطقة الفاصلة، وبذلك يقل جهد الحاجز (أُنظر شكل التوصيل الأمامي)؛ تعبر الإلكترونات المنطقة الفاصلة لتملأ الفجوات الموجبة، فيمر في الوصلة الثنائية تيار كبير نسبياً، وتكون في هذه الحالة مقاومة البلورة الثنائية صغيرة جداً.

تلخيصاً لما سبق، عند توصيل الوصلة الثنائية توصيلاً أمامياً تسمح بمرور تيار كبير نسبي، وتكون مقاومتها صغيرة جداً، وعند توصيلها توصيلاً خلفياً تسمح بمرور تيار صغير جداً، وتكون مقاومتها كبيرةً جداً، و يوضح منحنى التيار ـ الجهد للوصلة الثنائية (أُنظر شكل منحنى التيار للوصلة الثنائية) العلاقة بين التيار المار وفرق الجهد المطبق على الوصلة؛ يرمز للوصلة الثنائية في الدوائر الإلكترونية بالرمز الموضح في (شكل رمز الوصلة الثنائية)، وتستخدم عادة في تقويم التيار المتردد، أي توحيد اتجاه مروره؛ يوضح (شكل دائرة لتقويم التيار المتردد) دائرة بسيطة لتقويم التيار المتردد، (أُنظر شكل التيار بعد التقويم)، شكل التيار بعد التقويم.

5. دوائر التغذية الكهربية Power supply circuits

تغذى معظم الدوائر الإلكترونية بتيار مستمر d - c ، موحد الاتجاه، مشتق من مصدر التيار المتردد a - c المتوفر بسهولة، مثلاً، من خطوط التوصيل الكهربي المتاحة في المنازل والمعامل والمصانع … الخ، وذلك باستخدام خواص الوصلات الثنائية.

6. مقوم التيار نصف الموجة Half wave rectifier

يعرف مقوم التيار الموضح (أُنظر شكل دائرة لتقويم التيار المتردد)، باسم "مقوم نصف الموجة"، حيث إن أنصاف الموجات الموجبة تمر من خلال الوصلة الثنائية عندما يكون جهد البلورة الموجبة موجباً، وجهد البلورة السالبة سالباً توصيل أمامي، وبذلك يمر التيار الكهربي في مقاومة الحمل R في اتجاه واحد فقط من النقطة A إلى النقطة B، وينقطع مرور التيار في المقاومة R خلال النصف السالب من الذبذبة، ولهذا يطلق على هذه التوصيلة اسم مقوم نصف الموجة، ويلاحظ هنا أن التيار المار في حمل الدائرة R يمر في اتجاه واحد، ولكن قيمته تتغير من القيمة العظمى حتى الصفر، ثم ينقطع مرور التيار، وبعد ذلك يتكرر بالشكل نفسه مرة أخرى، وهذا يعني عدم الاستفادة من الطاقة الكهربية التي تحملها الأجزاء السالبة من التيار المتردد، وهذا فقد في الطاقة غير مستحب.

7. مقوم التيار موجة كاملة Full wave rectifier

للتخلص من العيب السابق، والاستفادة من الطاقة الكاملة للتيار المتردد يتم استخدام وصلتين ثنائيتين d1، d2 متصلين في دائرة إلكترونية كما هو موضح (أُنظر شكل مقوم الموجة الكاملة)؛ في النصف الموجب لذبذبة التيار المتردد تكون النقطة D موجبة بالنسبة للنقطة C والنقطة C موجبة بالنسبة للنقطة E، وفي هذه اللحظة تكون الوصلة d1موصلة أمامياً، فيمر فيها التيار من النقطة D إلى النقطة A إلى النقطة B، وفي هذه اللحظة نفسها تكون الوصلة d2 موصلة خلفياً فلا يمر فيها أي تيار؛ في النصف السالب لذبذبة التيار المتردد تكون النقطة E موجبة بالنسبة للنقطةC و النقطة C موجبة بالنسبة للنقطة D، وفي هذه اللحظة ينعكس توصيل الوصلتينd1 ،d2 فيمر التيار في الوصلة d2 في الاتجاه من E إلىA إلى B، و ينقطع التيار في الوصلةd1 ؛ نجد أنه خلال نصفي ذبذبة التيار المتردد يمر التيار في المقاومة R دائماً في الاتجاه نفسه من النقطة A إلى النقطة B، وبهذا الأسلوب أمكن رفع كفاءة دائرة التقويم، ولكن لا تزال قيمة التيار المار في المقاومة R تتغير من قيمة عظمى إلى الصفر ثم تتكرر، (أُنظر شكل خرج مقوم الموجة الكاملة).

8. ترشيح التيار المقوم

للتخلص من تغير قيمة التيار المقوم الناتج من مقوم الموجة الكاملة (أُنظر شكل مقوم الموجة الكاملة)، يوصل مكثف C ذو قيمة مناسبة على التوازي مع مقاومة الحمل R (أُنظر شكل مقوم موجة ذو مكثف)، وعند نصف الذبذبة الموجب يسري التيار في المقاومة R من النقطة A إلى النقطة B ، وعند ذلك يتم شحن المكثف C سريعاً من خلال مقاومة d1 الصغيرة جداً، حتى يصل إلى أقصى قيمة للجهد الناتج على المقاومة R؛ وعندما يبدأ التيار المار في المقاومة R في الانخفاض، خلال الذبذبة الموجبة، يبدأ المكثف C في تفريغ شحنته دافعاً تياراً كهربياً إضافياً في المقاومة R ، وفي الاتجاه نفسه فيعمل على الحفاظ على فرق الجهد بين النقطتين A و B ثابتاً؛ وفي النصف السالب للذبذبة يتكرر الشحن والتفريغ للمكثف C مع ثبات الاتجاهات، وبذلك نحصل خلال الذبذبة الكاملة للتيار المتردد تياراً في المقاومة R قيمته شبه ثابتة، (أُنظر شكل التيار المرشح).

9. وسائل التحكم Control Devices

اكتشف العالمان باردينBardeen وبراتين Brattain، أن إضافة شريحة أخري من شبه الموصل ذات توصيل خلفي إلى الوصلة الثنائية، تزيد من إمكانية التحكم في التيار المار بالوصلة، وكان ذلك الاكتشاف هو مولد كلمة الترانزيستور، أو الوصلة الثلاثية، التي تطورت تطوراً سريعاً وعميقاً منذ ذلك التاريخ حتى الآن، ثم تولدت منها الدوائر المتكاملة Integrated circuits التي لا تخلو منها أي دائرة إلكترونية حديثة.

10. الترانزيستور

هو وصلة ثلاثية من بلورة الجرمانيوم أو السليكون غير النقي تحتوي على بلورة رقيقة جداً من النوع الموجب، أو النوع السالب، تسمى القاعدة Base - B ، وتوجد في الوسط، تحيط بها من الطرفين بلورتان من نوع مخالف للقاعدة، وأكبر منها مساحة، يطلق على أحدهما اسم الباعث Emitter-E، وتتميز بصغر مساحة سطحها نسبياً، ووفرة الشوائب بها. أما الأخرى فيطلق عليها المجمع Collector-C-، وتتميز بكبر مساحة سطحها نسبياً، وقلة الشوائب بها، (أُنظر شكل ترسيب ترانزيستور) و(شكل بلورة القاعدة).

وقد تكون قاعدة الترانزيستور من النوع الموجب P، وفي هذه الحالة يكون المشع والمجمع من النوع السالب، ويكون الترانزيستور من النوع N P N أو قد تكون القاعدة من النوع السالب فيكون الترانزيستور من النوع P N P، (أُنظر شكل تغذية الترانزيستور N P N)، متصل في دائرة كهربية؛ وصلة القاعدة والباعث متصلتان بجهد ثابت Ve توصيلاً أمامياً، ويطلق عليه اسم جهد انحياز أمامي Forward bias ولذلك تكون مقاومة وصلة (الباعث - القاعدة) صغيرة، بينما يوصل المجمع والقاعدة بجهد ثابت Vc توصيلاً خلفياً يعرف باسم جهد الانحياز الخلفي، وتكون مقاومة وصلة، (المجمع - القاعدة)، عالية؛ يعمل جهد الانحياز الأمامي Ve على خفض الجهد الحاجز عند وصلة، (الباعث - القاعدة)، وينشأ عن ذلك زيادة اندفاع الإلكترونات عبر الوصلة من الباعث إلى القاعدة؛ نظراً لأن سمك القاعدة صغير، ولأن المشع به شوائب أكثر، ووصلة المجمع - القاعدة متصلة خلفياً، تنتقل تقريباً جميع الإلكترونات عبر القاعدة إلى المجمع، وتمر في دائرة المجمع، إلا العدد القليل من الإلكترونات، يمر في دائرة القاعدة. وخلاصة ذلك أنه عند توصيل القاعدة والباعث بجهد انحياز أمامي Ve، والمجمع والقاعدة بجهد انحياز خلفي Vc فإن معظم الإلكترونات تمر من الباعث إلى المجمع عبر القاعدة، ولا يمر في القاعدة إلا عدد قليل من الإلكترونات، ويكون تيار الباعث مساوياً لمجموع تياري المجمع والقاعدة

Ie = IC + IB

وبما أن تيار القاعدة صغير جداً يمكن إهماله، لذلك يمكن اعتبار أن شدة التيار الخارج من المجمع هي نفسها شدة تيار الباعث.

 (أُنظر شكل رمز الترانزيستور P N P) و(شكل  رمز الترانزيستور N P N) يوضحان الرسم الرمزي للترانزيستور في الدوائر الإلكترونية؛ ويلاحظ أن المشع يميز دائماً برسم سهم عليه، وهذا السهم دائماً يوضح اتجاه التيار الكهربي المار في وصلة (المشع ـ القاعدة)، وهي في حالة الترانزيستور N P N يكون للخارج، من القاعدة للمشع، وفي الترانزيستورP N P يكون للداخل من المشع إلى القاعدة.

11. الدوائر المتكاملة Integrated circuit

تتجه تكنولوجيا الإلكترونيات الحديثة دائماً نحو تصغير حجم المعدات والأجهزة، مع تقليل الطاقة المستهلكة، وتحقيق أعلى فاعلية للإلكترونيات، وأعلى درجة من الاعتماد، وقد كانت تلك الأسباب وراء التطوير الهائل الذي شهدته علوم أشباه الموصلات، وتكنولوجيا إنتاجها، حتى بدأ في الستينات من القرن العشرين إنتاج نوع مدمج من الدوائر الإلكترونية عرفت باسم الدوائر المتكاملة Integrated circuits وتختصر I C، وهي بلورات من المواد شبه الموصلة غير النقية، ترسب بترتيب معين على شريحة من الجرمانيوم، أوالسلكيون، أو الزجاج، أو السيراميك، أو أي مادة مناسبة للاستخدام، ويمكن بتكنولوجيا إنتاج تلك الدوائر تمثيل المقاومات والمكثفات والملفات، إلى جانب الوصلات الثنائية، والترانزستورات بأنواعها المختلفة، ويتم ذلك من خلال أحجام صغيرة جداً، وهذا يعنى أنه يمكن ترسيب دائرة كاملة لوحدة تكبير في شريحة واحدة، بدلاً من كونها دائرة موصلة بأسلاك حقيقية، أو مسارات مطبوعة Printed circuit . ومع التطور وصل الأمر إلى إمكان إنتاج شريحة واحدة تحتوى على عدد كبير من مراحل التكبير، وليس مرحلة واحدة، حتى وصلنا إلى ما عرف باسم الدوائر المتكاملة ذات المدى الواسعlarge scale I C 's -L S I C ، إذ تحتوي الشريحة الواحدة من تلك الدوائر المتكاملة، على آلاف من مراحل الدوائر الإلكترونية، ومع تطور أشباه الموصلات المصنعة من الأكاسيد المعدنية Metal Oxide Semiconductor - M O S، تمكن العلم من إنتاج دوائر متكاملة ذات مدى واسع جداً Very large Scale I C's VLSIC - ، وتحتوي على عدد من مراحل الدوائر الإلكترونية المختلفة يصل إلى ملايين المراحل. وهذا التقدم المذهل هو الذي سمح بإنتاج معدات وأجهزة إلكترونية ذات أحجام صغيرة جداً، و تستهلك قدرة كهربية لا تذكر مثل أجهزة التليفون المحمول شائعة الاستخدام، التي تؤدي الوظائف نفسها التي كان يؤديها جهاز إرسال واستقبال يزن عشرة كيلوجرامات منذ عشرين عاماً.

يوضح (شكل طريقة تنفيذ دائرة متكاملة) طريقة تنفيذ دائرة متكاملة بدائية جداً، تتضمن مرحلتي تكبير، ويوضح (شكل تنفيذ الدائرة المتكاملة بالترانزيستور) الدائرة منفذة باستخدام الترانزيستورات، والشكل شريحة واحدة تحتوي على مرحلتي التكبير، وتؤدي وظيفة الدائرة المكونة من الترانزيستورين نفسها.


   

[1] يعرف هذا النوع من التوصيل الكهربي باسم التوصيل الذاتي، نتيجة ارتفاع درجة الحرارة Intrinsic conduction وهو بصفة عامة غير مطلوب في الوسائل الإلكترونية المصنوعة من شبه الموصلات، (الترانزستورات والدوائر المتكاملة)؛ لأن تغير درجة التوصيل لا يتم بناء على التحكم  الإرادي ولهذا السبب معظم تلك الوسائل يجب أن تعمل في درجة حرارة تقل عن 70 درجة مئوية لتجنب تلك الظاهرة.

[2] مع أن هذه النسبة الصغيرة جداً إلى أنه تعني وجود 10 15 ذرة من العنصر المضاف في كل سنتيمتر مكعب من مادة شبه الموصل غير النقي.

[3] لا تختلف فكرة عمل الترانزيستور من النوع P N P عن فكرة عمل الترانزيستور من النوع N P N إلا في أن الفجوات هي التي تلعب الدور نفسه بدلاً من الإلكترونات.

[4] المتجهات أداة رياضية تستخدم للتعبير عن الكميات الطبيعية التي يلزم لوصفها بدقة تحديد مقدار الكمية الطبيعية واتجاه تأثيرها.

الفصل الثالث

الإلكترونيات


ثالثاً: دوائر التكبير amplifier circuit

دائرة التكبير؛ هي دائرة إلكترونية مصممة بغرض تكبير جهد الإشارات أو قدرتها، بدون تغيير شكلها، وتقسم دوائر التكبير طبقاً للنوع إلى:

1. مكبرات الترددات السمعيةAudio frequency amplifier ، وهي الدوائر المخصصة لتكبير الذبذبات التي يقع ترددها بين 20 ذبذبة في الثانية إلى 20 ألف ذبذبة في الثانية، وعادة ما تصمم دائرة مكبر التردد السمعي لتشغل جزءاً من حيز الترددات السمعية فقط، فالدائرة التي تكبّر الكلام البشري تتعامل مع حيز ترددي أقل من تلك التي تكبر الموسيقى.

2. مكبرات الترددات اللاسلكية Radio frequency amplifier ؛ هي دوائر تعمل على تكبير ذبذبات الموجات اللاسلكية، وحيز هذه الذبذبات يبدأ من الموجات الطويلة جداً إلى الموجات شديدة القصر.

3. مكبرات الترددات البينية Intermediate frequency amplifier ؛ هي دوائر تعمل على تكبير الموجات الحاملة للإشارات اللاسلكية بعد تخفيض ترددها بواسطة مخفض التردد إلى التردد البيني، إذ يمكن الوصول إلى معامل تكبير عالٍ نسبياً.

4. مكبرات النبضات Pulses ، ومكبرات الصور المرئية Video amplifier، يكون اتساع حيز مرورها عادة أكبر من حيز مرور باقي أنواع المكبرات، ويتوقف هذا الاتساع على اتساع النبضات وشكلها، ويصل اتساع حيز المرور في أنواع من هذه المكبرات إلى 4 ميجاهرتز أو أكثر.

يختلف تصميم دوائر التكبير اختلافاً بعيداً، أياً كان نوع المكبر، وذلك طبقاً للقدرة التي يتعامل معها، فالمكبرات التي تتعامل مع القدرات المنخفضة جداً، التي توجد في أجهزة الاستقبال تالية للهوائي مباشرة، تختلف في تصميمها، و في المكونات التي تستخدم فيها عن المكبرات التي تتعامل مع القدرات العالية جداً، التي تكون في أجهزة الإرسال قبل الهوائي مباشرة، وكلا النوعين يختلف عن المكبرات التي تتعامل مع القدرات المتوسطة.

تختلف المكبرات وتختلف مكوناتها وتكلفتها طبقاً لاختلاف مواصفاتها الفنية الموجزة فيما يلي:

1. النسبة الترددية؛ تعرف بحاصل قسمة قيمة أعلى تردد على قيمة أقل تردد في الحيز الذي يعمل فيه المكبر.

2. حساسية المكبر؛ هي قدرة المكبر على تكبير الإشارات الضعيفة، وتقاس بأقل جهد إشارة عند دخل المكبر تعطى إشارة محسوسة، لها الشكل نفسه عند خرج المكبر.

3. معامل تكبير الجهد؛ هو النسبة بين جهد الإشارة عند خرج المكبر إلى جهد الإشارة عند دخله (أنظر شكل منحنى التكبير).

وعادةً ما يعتمد معامل التكبير على التردد، وتعرف علاقة معامل التكبير بالتردد المنحنى الترددي للتكبيرFrequency characteristic أو رد الفعل الترددي Frequency response (أنظر شكل المنحنى الترددي للمكبر)؛ الإشارات ذات الترددات الواقعة في الجزء المسطح من المنحنى ذي معامل التكبير الثابت، يتم تكبيرها كلها بالقيمة نفسها، وبذلك يكون شكل الإشارة عند خرج المكبر مطابقاً لشكلها عند دخله، أما تلك التي تقع في الأجزاء المائلة فإن كل تردد يتم تكبيره بقيمة مختلفة، فيكون شكل الإشارة عند خرج المكبر مختلفاً عن شكل الإشارة عند دخل المكبر؛ ويعرف حيز الترددات الذي يتم تكبيره بمعامل تكبير ثابت تقريباً باسم حيز المرور للمكبر Pass band.

4. المدى الديناميكي للمكبرDynamic range هو النسبة بين جهد أكبر إشارة يتم تكبيرها بدون تشويه، إلى أصغر جهد إشارة يتم تكبيرها، ويُعد المدى الديناميكي للمكبر أحد أهم الخواص الفنية التي تؤثر في تصميم المكبر، وتكلفته المادية، إذ يصعب تصميم مكبر يتعامل مع الإشارات الصغيرة جداً، تقاس بالمايكروفولت، وفي الوقت نفسه يتعامل بالجودة نفسها مع الإشارات الكبيرة التي تقاس بالفولت، والعكس صحيح، وكلما زاد المدى الديناميكي للمكبر، كان استقراره يحتاج إلى دوائر إلكترونية إضافية مساعدة ترفع كثيرا من تكلفة المكبر.

1. استخدام الترانزيستور في دائرة تكبير

(أُنظر شكل دائرة تكبير باستخدام ترانزيستور) يوضح ترانزيستور من النوع  N P N[3] موصلاً في دائرة تكبير، إذ تم توصيل وصلة، (الباعث - القاعدة) بجهد انحياز أمامي Ve، ومقاومة دخل Rin صغيرة نسبياً، بينما توصل وصلة، (المجمع - القاعدة) بجهد انحياز خلفي ثابتVC ، ومقاومة خرج Rout كبيرة؛ الجهد المتردد المراد تكبيره يوصل بدائرة الباعث، والقاعدة، فيعمل على إحداث تغير في شدة التيار المار في دائرة الباعث Ie ينتج عنه تغير في عدد الإلكترونات التي تندفع إلى المجمع، وبالتالي يحدث تغير مماثل في شدة تيار المجمع Ic

أي أن

IC = Ie

أي أن معامل التكبير يساوي النسبة بين مقاومة الخرج ومقاومة الدخل، وكما هو معروف مقاومة الخرج كبيرة جداً نتيجة للتوصيل الخلفي، ومقاومة الدخل صغيرة جداً نتيجة للتوصيل الأمامي، و يتضح من ذلك أنه بتوصيل الترانزيستور في الدائرة الكهربية بهذا الشكل يمكن تكبير الجهد الكهربي المتردد بمعامل كبير نسبياً.

2. دوائر إنتاج الذبذبات - المذبذبات -Oscillators

في الأقسام السابقة عولج موضوع التردد، والموجات، والذبذبات، وعلاقتها، ودورها في الدوائر الكهربية، والإلكترونية، وحتى هذه اللحظة يرتبط لفظ التيار أو الجهد المتردد، بمصدر التيار أو الجهد المتردد، الناتج من مولدات الجهد والتغذية الكهربية، التي لها تردد ثابت من 50 إلى 400 ذبذبة في الثانية. ولكن عند دراسة انتشار الموجات، والهوائيات، ظهرت موجات ترددها يصل إلى ملايين أو مئات الملايين من الذبذبات في الثانية الواحدة، والسؤال الذي يطرح نفسه هنا، هو هل تنتج هذه الإشارات الكهربية ذات الترددات العالية جداً، بطريقة توليد جهود التغذية الكهربية لمعروفة نفسها، والإجابة هي أنه لا يمكن ذلك، ولكن هذه الإشارات تنتج من دوائر إلكترونية خاصة يطلق عليها مولدات الذبذبات أو باختصار مذبذبات Oscillator.

المذبذب هو دائرة إلكترونية تنتج ذبذبات لها ترددات ذات درجة ثبات عالية، ودرجة ثبات التردد هي الخاصية الأساسية لأي مذبذب ؛ علماً بأن أي مذبذب يكون ذا درجة ثبات عالية لو أنه كان يعمل في الفراغ، في درجة حرارة ثابتة، ومصمم من مكونات ذات درجة ثبات عالية، وتغذى دائرته من مصدر تغذية ذو جهد ثابت، مع عدم تحميله، سحب قدرة من خرج المذبذب، وبالطبع هذه الشروط بعيدة كل البعد عن الاستخدام الواقعي للمذبذبات، وتنحصر صعوبة تصميم دوائر المذبذبات وتنفيذها في محاولة الحصول على قدرة معقولة كخرج له في درجة حرارة مناسبة، بحيث يكون التردد الناتج ثابتاً.

3. زاوية الطور Phase Angle

يوضح (شكل العلاقة بين الجهد والمحور) العلاقة بين الجهد الكهربي الناتج من مولد قدرة كهربية، و زاوية دوران محوره، و يلاحظ أن الجهد الناتج له شكل الموجة الجيبية؛ (أُنظر شكل فارق زاوية الطور)، تظهر موجتان جيبيتان بينهما فارق في زاوية الطور، لأنهما لا تبدآن معا من الزاوية صفر، في اللحظة الزمنية نفسها؛ فالموجة A تبدأ قبل الموجة B ، ويقال إنها متقدمة Leading عنها بزاوية 90 درجة. أما الموجة B فهي متأخرة Lagging عن الموجة A بزاوية 90 درجة.

تستخدم المتجهات[4] Vectors للتعبير عن علاقات زاوية الطور بين الموجات المختلفة ويطلق على الرسم الذي يوضح تلك العلاقات الرسم الطوري Phasor diagram (أُنظر شكل الرسم الطوري)؛ وتعبر أطوال المتجهاتA ، B عن القيمة العظمى للجهود، فإذا كانت للجهود القيمة نفسها تكون أطوال المتجهات متساوية، والزاوية بين المتجهين تعبر عن فارق زاوية الطور بين الجهدين، ويعرف اتجاه الزاوية بأنه عكس اتجاه دوران الساعة، وطبقاً للشكل فإن الجهد A يتقدم الجهد B بزاوية طور مقدارها 90 درجة.

4. التغذية الرجعية Feed Back

التغذية الرجعية؛ هي عملية تتم بأخذ جزء من إشارة خرج دائرة التكبير (أُنظر شكل التغذية الرجعية)، وإضافته على دخل الدائرة ليكونا معاً - إشارة التغذية الرجعية والدخل - إشارة دخل جديدة للمكبر، فإذا كانت إشاراتا الدخل والخرج متحدتين في زاوية الطور يقال إن التغذية الرجعية موجبة Positive Feedback وأما إذا كانتا متضادتين في زاوية الطور، (فارق زاوية الطور 180 درجة)، فإن التغذية الرجعية تكون سالبة Negative feedback.

تزيد التغذية الرجعية الموجبة للمكبر من معامل تكبيره، وتقلل من اتساع حيز عمله الترددي، وإذا وصلت التغذية الرجعية الموجبة لمكبر إلى حد معين، يبدأ خرج المكبر في التذبذب، أي أنه يبدأ في إنتاج خرج بدون أن يكون هناك إشارة دخل، وهذه هي فكرة عمل دوائر المذبذبات.

5. فكرة عمل المذبذب

يمكن توضيح فكرة عمل المذبذب باعتباره مكبراً، له تغذية رجعية ، تخضع لمواصفات خاصة؛ (أُنظر شكل مذبذب مكبر ذو تغذية)، للمكبر معامل تكبير يساوي A، أما إشارة التغذية الرجعية، فتوصل إلى دخل المكبر مرة أخرى بعد تكبيرها بمعامل تكبير مقداره B ، فإذا كانت إشارة الدخل EI، وإشارة الخرج Eo، وإشارة التغذية الرجعية Efb، تكون العلاقات التالية صحيحة:

Eo = A E i

B A E I = Efb

فإذا تلاشت إشارة الدخل الخارجية تماماً أصبحت إشارة التغذية الرجعية هي دخل المذبذب فقط أي أن

Efb = Ei

و Efb = Ei = BEo = BAEI

أي أن

هذه المعادلة هي الشرط الأول لكي تبدأ دائرة التكبير في التحول إلى توليد الذبذبات، وهذا الشرط يتحقق بمجرد أن يصبح حاصل ضرب معاملات التكبير A ، B يساوي الواحد الصحيح.

يبدأ عمل المذبذب مع توصيل التغذية الكهربية له، ونتيجة للحركة العشوائية للإلكترونات تمر مجموعة قليلة، تمثل تياراً ضئيلاً جداً، داخل المكبر، فتزداد قيمة هذه الإشارة، ويتم إدخالها بالتغذية الرجعية إلى المكبر كإشارة دخل، وتكون هي الدخل الفعلي Ei، فيتم تكبيرها مرة أخرى لتزداد قيمتها، وتعود دخلاً مرة أخرى، ويظل هذا الوضع يتكرر حتى تصبح إشارة الدخل كبيرة نسبياً، فتجعل المكبر في وضع التشبع، فلا يمكنه تكبير الإشارات أكثر من ذلك، وتحقق قيمة معامل التكبير A شرط المعادلة الرقم 1، وعند ذلك يثبت خرج المكبر A على قيمة واحدة، وتعمل الدائرة كمذبذب.

يكون خرج المذبذب تكراراً لشكل النبضة الفجائية التي بدأ عمله بها، وهي تكون ذات شكل مشوه نظراً لعمل المذبذب دائماً في حالة التشبع، وللحصول على ذبذبات ذات شكل وتردد مناسبين لنوع العمل المصممة له الدائرة، تستخدم في مرحلة خرج المذبذبة دائرة رنين تتكون من ملفات ومكثفات يمكن بواسطتها تحديد تردد خرج المذبذب، (أُنظر شكل دائرة مذبذب) يوضح دائرة مذبذب مصممة باستخدام ترانزيستور من النوع N P N؛ الدائرة الرقم 2؛ هي دائرة التوليف التي تحدد التردد الذي ينتجه المذبذب. ويمكن تحديده باختيار القيمة المناسبة للمكثف المتغير C. أما المحول 1 Transformer ، فهو الذي يأخذ عينة من إشارة الخرج ليعيدها مرة أخرى إلى دخل المذبذب، قاعدة الترانزيستور، وتردد دائرة التوليف 2 هو الذي يحدد تردد الذبذبات الناتجة، ولزيادة درجة ثبات هذا التردد، كثيراً ما تستخدم بلورة crystal ذات مواصفات محددة بديلاً لدائرة التوليف، إذ يكون للتردد الناتج درجة ثبات عالية جداً، والمذبذبات التي تستخدم دوائر التوليف المكونة من ملفات حث ومكثفات تنتج ذبذبات لها شكل الموجات الجيبية، ولكن العديد من التطبيقات الإلكترونية مثل أجهزة التليفزيون والرادار وأجهزة القياس، تحتاج في عملها لذبذبات ذات أشكال مختلفة سيتم عرضها في بند لاحق .

رابعاً: دوائر التعديل ودوائر إنتاج النبضات

1. دوائر التعديل Modulator circuits

أكثر استخدام لظاهرة انتشار الموجات اللاسلكية، هو تحقيق الاتصال بين نقطتين متباعدتين، ونقل الصوت والمعلومات عبر المسافة بين هاتين النقطتين؛ وبما أن الموجات اللاسلكية في طبيعتها متماثلة، ولا تعبر عن أي معلومات؛ فقد فكر العلماء في وسيلة لاستغلال قدرة هذه الموجات على قطع المسافات الطويلة في تحقيق الاتصال، ونقل المعلومات، وقد لاحظوا أن الموجة اللاسلكية الجيبية تتميز بثلاث مواصفات أساسية هي :

أ. السعة           Amplitude.

ب. التردد           Frequency.

ج. زاوية الطور     Phase angle.

التعديل الإلكتروني Electronic modulation ؛ هي عملية تغيير بعض، مواصفات الموجة اللاسلكية الجيبية أو كلها، تغييراً يعبر عن المعلومات المطلوب نقلها بواسطة تلك الموجة أثناء انتشارها، وعند وصولها للطرف الآخر تستنتج تلك التغيرات، ويحصل منها على المعلومات، وفي هذا الأسلوب من العمل أطلق على الموجة اللاسلكية الجيبية اسم الموجة الحاملةCarrier wave وعلى إشارة المعلومات اسم الموجة المعدلة Modulation wave، ويمكن تلخيص ما سبق بان الموجة المعدلة أو موجة التعديل تعمل على تغيير أحد المواصفات الأساسية للموجة الحاملة، لينتج أحد أنواع التعديل الرئيسة التالية:

·       التعديل السعوي    Amplitude Modulation .

·       التعديل الترددي     Frequency Modulation.

·       التعديل الطوري        Phase Modulation .

·       التعديل النبضي         Pulse Modulation .

أ. التعديل السعوي

يعرف التعديل، باسم التعديل السعوي عندما تستغل موجة التعديل Modulation wave التي تعبر عن المعلومات المطلوب نقلها، لإحداث تغيير في سعة الموجة الحاملة بصورة تتناسب مع مواصفات موجة التعديل. أما باقي خواص الموجة الحاملة من تردد وزاوية الطور فتبقى كما هي بدون تغيير، (أُنظر شكل الموجة الحاملة قبل التعديل)، يوضح شكل الموجة اللاسلكية الحاملة قبل تعديلها، (أُنظر شكل موجة التعديل)، يوضح موجة التعديل التي تحمل المعلومات المطلوب نقلها، (أُنظر شكل الموجة الحاملة بعد التعديل)، يوضح شكل الموجة الحاملة بعد تعديلها بالمعلومات، وهي الموجة التي تنتشر عبر المسافات لتحقيق الاتصال اللاسلكي أو البث التليفزيوني … الخ؛ و (أُنظر شكل عمق التعديل السعوي)، يلاحظ أن سعة الموجة الحاملة تتغير زيادة ونقصاناً عن سعتها الأصلية، ويطلق على الفرق بين أكبر سعة، وأقل سعة لها اسم " عمق التعديل" Depth of Modulation.

الموجة الحاملة المعدلة Modulated carrier؛ هي في حقيقة الأمر ناتجة من مزج موجتين لهما ترددان مختلفان، الأول هو تردد الموجة الحاملة fC، والآخر هو تردد موجة التعديل fm ونتيجة لعملية المزج تنتج الإشارة الموضحة (أُنظر شكل الترددات الجانبية)؛ تلك الإشارة التي لها طيف توافقي Harmonic Spectrum، يتكون من تردد الموجة الحاملة، وتردد يساوي مجموع ترددي الموجة الحاملة، وموجة التعديل، fc + fm، وتردد يساوي الفرق بين الموجة الحاملة، وتردد موجة التعديل fc - fm، (أُنظر شكل الحيزات الجانبية)؛ يطلق على التردد fc + fm اسم التردد الجانبي العلوي، وعلى التردد fc - fm اسم التردد الجانبي السفلي، وإذا كانت موجة التعديل موجة ذات تردد متغير مثل تلك التي تعبر عن صوت بشري، فإن الترددات الجانبية تصبح حيزات من التردد، وينتج من ذلك حيز تردد جانبي علوي Upper side band، وحيز سفلي Lower side band ، (أُنظر شكل الموجة العالية ترددياً)، وحتى يكون هناك نقل للمعلومات بدون تشويه، يجب أن تصلح جميع مكونات دوائر الاستقبال ودوائر الإرسال للتعامل مع الترددات، التي تبدأ من أقل تردد في الحيز السفلي، حتى أعلى تردد في الحيز العلوي، ويطلق على هذه المسافة الترددية اسم حيز مرور الدائرة الإلكترونية Elect ronic Band width .

ب. التعديل الترددي

يعرف التعديل، باسم التعديل الترددي عندما تستغل سعة موجة التعديل في تغيير تردد الموجة الحاملة FC، الذي يطلق عليه في هذه الحالة اسم التردد المركزي Center frequency، بينما تظل سعة الموجة الحاملة ثابتة، وهذا على خلاف التعديل السعوي، الذي تقل جودة المعلومات المحملة على الموجة الحاملة، نتيجة لتأثر الأخيرة بأي ترددات عشوائية في حيز انتشارها؛ (أُنظر شكل التعديل النبضي)، يوضح موجة التعديل، والموجة الحاملة بعد تعديلها ترددياً، ويلاحظ أن تردد الموجة الحاملة المركزي fC يتغير بين تردد أقصىfmax ، وتردد أدنى fmin طبقاً لسعة موجة التعديل، ويتوقف الفرق بين هذين الترددين على المعلومات المضمنة في موجة التعديل، ويطلق على الفرق، fmax - fmin اسم عمق التعديل الترددي.

ج. التعديل الطوري Phase modulation

هذا النوع من التعديل يشبه إلى حد كبير التعديل الترددي، ولكن بدلاً من تغيير تردد الموجة الحاملة يتم تغيير زاوية الطور لها، مع ثبات كل من السعة والتردد، ولا يستخدم هذا النوع بكثرة إلا عند نقل المعلومات الرقمية Digital data.

د. التعديل النبضي Pulse Modulation

في هذا النوع من التعديل، تعدل الموجة الحاملة باستخدام موجة تعديل لها شكل نبضي؛ أي أن جهد الموجة يكون في فترات زمنية قصيرة، ويتلاشى تماماً بعد ذلك، ثم تتكرر فترات الوجود وفترات الانعدام، ونتيجة للتعديل ينتج نبضات من الموجة الحاملة في فترة تواجد نبضة موجة التعديل نفسها، ثم تنعدم الموجة الحاملة في فترة انعدام موجة التعديل نفسها (أُنظر شكل التعديل النبضي الموضعي).

هناك أنواع عديدة من التعديل النبضي، منها التعديل النبضي الترددي، وفيه يتم تغيير تردد تكرار النبضات بناءً على تغير تردد موجة التعديل frequency modulation Pulse، ومنها التعديل النبضي الموضعيPulse position Modulation، وفيه يتم تغيير الفاصل الزمني بين النبضات المتتالية بناء على سعة موجة التعديل.

(أُنظر شكل مثال لدائرة تعديل سعوي)، نجد مثال عملي لدائرة تعديل سعوي تستخدم ترانزيستوراً من النوع PN P، إذ تدخل الموجة الحاملة إلى قاعدة الترانزيستور عن طريق دائرة انتخاب ترددي، ويتم إدخال موجة التعديل، أيضاً، على قاعدة الترانزيستور من خلال محول خاص، وتؤخذ الموجة الحاملة بعد تعديلها من دائرة المجمع من خلال دائرة انتخاب ترددي، ويلاحظ تطابق تردد دائرتي الانتخاب في كل من دخل دائرة التعديل وخرجها نظراً لثبات تردد الموجة الحاملة في حالة التعديل السعوي.

2. دوائر إنتاج النبضات

تحتاج كثير من الأجهزة، والمعدات الإلكترونية، لتأدية وظائفها، إلى إشارات كهربية لها شكل يختلف عن شكل الموجات الجيبية، ويطلق على هذه الإشارات اسم الإشارات أو الموجات النبضية، (أُنظر شكل قطار النبضات) يوضح قطاراً من النبضات المتتالية؛ وتتميز مثل تلك الإشارات بالخواص الرئيسة التالية:

أ. سعة النبضة Pulse amplitude.

ب. زمن النبضة أو الاتساع الزمني للنبضة .Pulse duration

ج. زمن تكرار النبضة Pulse repetition time P وهو الزمن المقاس من لحظة بداية نبضة، إلى لحظة ابتداء النبضة التي تليها مباشرة.

د. تردد تكرار النبضات Pulse repetition frequency؛ يقصد به عدد النبضات خلال ثانية واحدة، ويساوي مقلوب زمن التكرار.

أبسط طرق إنتاج الموجات النبضية، هي استخدام دوائر القطع Clippers ، ودوائر التحديد Limiters ، تغيير شكل الموجات الجيبية البسيطة؛ ويستخدم في تنفيذ دوائر القطع، البللورات الثنائية التي تمرر التيار دون مقاومة إذا كان اتجاه التيار مطابقاً لاتجاه عمل البلورة. ويزيد على قيمة تيار القطع لها، (أُنظر شكل دائرة القطع)، عندما تزيد قيمة الجهد الكهربي المطبق على البللورة الثنائية عن قيمة مستوى القطع الموجب، وتصبح البلورة في حالة توصيل، ويثبت الجهد بين طرفيها عند قيمة هذا الجهد، مهما تغيرت قيمة الجهد المطبق على الدائرة. وعند انخفاض قيمة الجهد عن جهد التوصيل، لا يمر في البللورة أي تيار، ويكون فرق الجهد بين طرفيها مطابقاً لفرق الجهد المطبق على الدائرة. توضح الدائرة الأولى دائرة قطع علوية، أما الثانية فتوضح دائرة قطع سفلية، بينما الثالثة توضح دائرة قطع مزدوجة مكونة من بللورتين متصلتين بطريقة مختلفة في الدائرة، فتقطع موجة الدخل الجيبية من أسفل ومن أعلى، ويطلق عليها في هذه الحالة دائرة التحديد Limiter .

تنتج دوائر القطع أو دوائر التحديد إشارات لها شكل نبضي تقريبي، تصلح لبعض الاستخدامات، ولكنها لا تصلح للاستخدامات الأكثر دقة، التي تحتاج إلى إشارات ذات شكل نبضي كامل، ولإنتاج هذه الإشارات الدقيقة تستخدم دوائر إلكترونية خاصة يطلق عليها اسم المذبذبات متعددة حالات الاستقرار Multivibrators أوFlip -Flop circuits ، وتنقسم هذه النوعية من المذبذبات إلى ثلاثة أقسام:

·       المذبذبات غير المستقرة       Astable multivibrators

·       المذبذبات أحادية الاستقرار    Monostable multivibrators

·       المذبذبات ثنائية الاستقرار     Bistable multivibrators

أ. بناء المذبذبات متعددة حالات الاستقرار

تشترك هذه النوعية من المذبذبات في كونها تتركب من ترانزستورين متصلين بطريقة خاصة، بحيث يكون أحدهما في حالة مرور للتيار، والآخر في حالة عدم مرور، ثم يتبادلان حالة المرور وعدم المرور، وللمذبذب أشارتا خرج، إحداهما تؤخذ من مجمع الترانزيستور الأول، والثانية من مجمع الترانزيستور الثاني، ومن النظريات الكهربية وقانون أوم يكون الخرج جهداً منخفضاً من الترانزيستور الذي يكون في حالة التمرير، و يكون الخرج جهداً مرتفعاً من الترانزيستور الذي يكون في حالة عدم التمرير.

ب. المذبذب عديم الاستقرار

المذبذب عديم الاستقرار تتغير حالته بصفة مستمرة، ولا يستقر أبداً، فبمجرد توصيل التغذية الكهربية للمذبذب ينتج خرج مرتفع وخرج منخفض، ويستمر هذا الوضع لفترة زمنية محددة، تتوقف على قيمة الثابت الزمني للدائرة، ثم ينتقل تلقائياً إلى الحالة الثانية، فيتبادل الخرجان الوضع، ويستمر الحال للفترة الزمنية نفسها، وبعدها يعود إلى الحالة الأولى، ويستمر عمل المذبذب بهذا الأسلوب حتى تفصل عنه التغذية الكهربية؛ (أُنظر شكل المذبذب عديم الاستقرار)، يوضح شكل إشارتي الخرج لهذا النوع من المذبذبات.

ج. المذبذب أحادي الاستقرار

    لهذا المذبذب حالة استقرار واحدة، يكون فيها أحد الترانزيستورين في حالة تمرير، والآخر في حالة عدم تمرير، ويستمر المذبذب على هذه الحالة دائماً حتى يأتيه مؤثر خارجي في شكل إشارة للتشغيل،نبضة البدء Trigger pulse ، ونتيجة لهذه النبضة يتغير وضع الترانزيستورين إلى وضع انتقالي مؤقت لفترة زمنية محددة، يعودا بعدها إلى حالة الاستقرار بدون مؤثر خارجي، وهذه الفترة الزمنية الانتقالية يحددها الثابت الزمني للدائرة؛ (أُنظر شكل المذبذب أحادي الاستقرار)، يوضح شكل إشارة الخرج لهذا النوع من المذبذبات.

د. المذبذب ثنائي الاستقرار

لهذا المذبذب حالتا استقرار، يستمر على أي منهما حتى يأتيه مؤثر خارجي في شكل نبضة تشغيلTrigger pulse ، فينتقل من حالة استقرار إلى الحالة الأخرى، ويستمر على هذه الحالة حتى يتكرر المؤثر الخارجي، فيعود إلى الحالة الأولى، ويتكرر الانتقال من حالة إلى حالة مع تكرار المؤثر الخارجي؛ (أُنظر شكل المذبذب ثنائي الاستقرار)، يوضح شكل إشارتي الخرج لهذا النوع من المذبذبات.

هـ. دائرة تطبيقية للمذبذب عديم الاستقرار

(أُنظر شكل دائرة مذبذب عديم الاستقرار)، يوضح رسماً تفصيلياً لدائرة مذبذب عديم الاستقرار مكونة أساساً من ترانزيستورين من النوع N P N ، وتعمل هذه الدائرة وفق التسلسل الآتي:

(1) بمجرد توصيل التغذية الكهربية +V يبدأ أحد الترانزيستورين، T1 مثلاً، في العمل، فيمر خلاله تيار بسيط؛ هذا التيار يعمل على إيجاد فرق جهد على المقاومة R1 فينخفض جهد مجمعT1 .

(2) انخفاض جهد المجمع  T1ينتقل عبر المكثف C1 إلى قاعدة الترانزيستور T2، فتعمل على تخفيض التيار المار فيه، فيقل فرق الجهد الواقع على R2، ويرتفع جهد مجمع T2 .

(3) ارتفاع جهد مجمع T2 ينتقل عبر المكثف C1 إلى قاعدة T1 ، فيعمل على زيادة التيار المار فيه، وهكذا تستمر هذه الدورة حتى يصبح T1 عاملاً بكامل طاقته، ويصبح T2 غير عامل تماماً، وفي هذه الحالة يكون جهد الخرج E2 مرتفعاً، وجهد الخرج E1 منخفضاً.

(4) الطرف الأيسر للمكثف C1 يصبح متصلا بجهد الخرج المنخفض E1 والطرف الأيمن له متصل بالجهد المرتفع لمصدر التغذية + V عن طريق المقاومة R3، فيبدأ في اكتساب شحنات كهربية بثابت زمني للشحن مقداره C1 R3، وخلال عملية الشحن يرتفع جهد الطرف الأيمن للمكثف تدريجيا.

(5) طرف المكثف C1 الأيمن متصل كذلك بقاعدة الترانزيستور T2 التي يبدأ جهدها في الارتفاع مع ارتفاع جهد C1 ، حتى تصل قيمته إلى القيمة المناسبة لبدأ مرور تيار بسيط في T2 ، فيحدث انخفاض لجهد المجمع E2 ، وتبدأ دورة عمل أخرى تنتهي بأن يكون T2 عاملاً بكامل طاقته، وT1 لا يعمل تماماً، فيرتفع الجهدE1 ، وينخفض جهد E2 .

(6) يستمر تبادل حال الترانزيستورين بين العمل وعدمه، حتى يتم فصل التغذية عن دائرة المذبذب.

3. إنتاج النبضات ذات أشكال خاصة

أ. إنتاج نبضات سنّ المنشار Saw tooth pulses

تعرف الدائرة المستخدمة لتحويل النبضات مستطيلة الشكل، (أُنظر شكل دائرة المكامل)، إلى نبضات ذات شكل سن المنشار، باسم دائرة المكامل، وهي تتكون من مقاومة ومكثف C ، وهي تعمل كالآتي:

(1) عند تطبيق نبضة مستطيلة الشكل على دخل الدائرة، يبدأ المكثف C في اكتساب الشحنات الكهربية فيرتفع فرق الجهد بين طرفيه تدريجياً، وفق قيمة الثابت الزمني للشحن R C

(2) يتم اختيار قيمة المقاومة R و المكثف C بحيث يصل المكثف إلى أقصى شحنته عند انتهاء زمن النبضة تماماً.

(3) عند انتهاء النبضة المطبقة على دخل الدائرة، يبدأ المكثف في تفريغ الشحنات المتراكمة عليه، فينخفض فرق الجهد بين طرفيه تدريجياً، وفق الثابت الزمني نفسه RC ، حتى يصل فرق الجهد إلى أدنى قيمة له، قبل بدء النبضة التالية، وتتكررعملية الشحن والتفريغ مع كل نبضة جديدة.

(4) الثابت الزمني RC تكون قيمته كبيرة نسبياً.

ب. إنتاج نبضات التشغيل الحادة Trigger pulses

تعرف الدائرة المستخدمة لتحويل النبضات مستطيلة الشكل إلى نبضات حادة، باسم دائرة المفاضل، وهي تتكون من مكثف C ومقاومة R، (أُنظر شكل نبضات دائرة المفاضل)، وتعمل كالآتي:

(1) عند تطبيق النبضة المستطيلة على داخل الدائرة يبدأ المكثفC  في اكتساب الشحنات الكهربية، ويزداد فرق الجهد بين أطرافه تدريجياً، وفق الثابت الزمني RC، وينخفض الجهد تدريجياً، وبالنسبة نفسها على مقاومة الخرج R، وعند وصول قيمة فرق الجهد على المكثف إلى أعلى قيمة، يكون فرق الجهد على أطراف المقاومة له أقل قيمة.

(2) عند انتهاء النبضة المطبقة على دخل الدائرة، يبدأ المكثف في التفريغ، ويكون اتجاه تيار التفريغ المار في الدائرة عكس اتجاه تيار الشحن، ويزداد فرق الجهد بين طرفي المقاومة R وفق قيمة الثابت الزمني RC، و تتكرر دورة الشحن و التفريغ مع كل نبضة جديدة.

(3) للحصول على نبضات حادة يجب أن تكون قيمة الثابت الزمني للشحن RC صغيرة نسبياً.


   

[1] يعرف هذا النوع من التوصيل الكهربي باسم التوصيل الذاتي، نتيجة ارتفاع درجة الحرارة Intrinsic conduction وهو بصفة عامة غير مطلوب في الوسائل الإلكترونية المصنوعة من شبه الموصلات، (الترانزستورات والدوائر المتكاملة)؛ لأن تغير درجة التوصيل لا يتم بناء على التحكم  الإرادي ولهذا السبب معظم تلك الوسائل يجب أن تعمل في درجة حرارة تقل عن 70 درجة مئوية لتجنب تلك الظاهرة.

[2] مع أن هذه النسبة الصغيرة جداً إلى أنه تعني وجود 10 15 ذرة من العنصر المضاف في كل سنتيمتر مكعب من مادة شبه الموصل غير النقي.

[3] لا تختلف فكرة عمل الترانزيستور من النوع P N P عن فكرة عمل الترانزيستور من النوع N P N إلا في أن الفجوات هي التي تلعب الدور نفسه بدلاً من الإلكترونات.

[4] المتجهات أداة رياضية تستخدم للتعبير عن الكميات الطبيعية التي يلزم لوصفها بدقة تحديد مقدار الكمية الطبيعية واتجاه تأثيرها.

الفصل الثالث

الإلكترونيات

الفصل الرابع

بعض الاستخدامات التطبيقية

يعيش العالم المتحضر حالياً عصر تقدم علوم الإلكترونات، وتطبيقاتها المختلفة، التي تشمل جميع نواحي الحياة الحديثة، وكل أنشطتها المختلفة، فمن الزراعة والصناعة، إلى التعدين وإنتاج النفط وتكريره، ومن استكشاف الفضاء واستخدامه، إلى دراسة أعماق المحيطات واستغلالها، ومن اكتشاف ومقاومة الأمراض والأوبئة، إلى الجراحات الدقيقة، وأحدث وسائل العلاج، ومن وسائل الاتصال ونقل المعلومات، التي جعلت من الكرة الأرضية قرية صغيرة، يستحيل عزل جزء منها عن الآخر، إلى ثورة المعلومات وتكنولوجيا الحواسب الآلية.

بعض التطبيقات في المجال العسكري

أولاً: حرب المعلومات Information Warfare

حرب المعلومات؛ هي عملية استخدام المعلومات، ونظمها ضمن الأعمال الهجومية والدفاعية، بغرض استغلال الإجراءات المعادية، التي تعتمد علي المعلومات ونظمها وتشويهها أو تدميرها، ومنع العدو من تحقيق التأثير نفسه على نظم المعلومات الصديقة، أي أن حرب المعلومات تنقسم إلى شقين رئيسين، أولهما هو التفوق في استخدام المعلومات ونظمها، أو السيطرة المعلوماتية على ميدان القتال، والآخر، هو حرمان العدو، من الحصول على معلومات عن قواتنا، أو الاستفادة من تلك المعلومات في حالة نجاحه في الحصول عليها.

يرتكز تحقيق النجاح في حرب المعلومات بشقيها، على تطبيقات متقدمة، لعلوم الكهرباء، والاتصالات، والإلكترونيات وتقنياتها، أهمها معدات القيادة والسيطرة، والاتصال، والحاسبات الآلية، ووسائل جمع المعلومات C4I.

تتحقق السيطرة المعلوماتية على مسرح العمليات، في الحرب الحديثة، من خلال شبكات الحاسبات الآلية العسكرية المتقدمة، التي تتميز بالآتي:

1. السرعة العالية في معالجة المعلومات والبيانات، تصل إلى معالجة أكثر من ألف مليون معلومة، في الثانية الواحدة.

2. المقدرة على تحمل ظروف ميادين القتال الصعبة، مثل درجات الحرارة المرتفعة، والصدمات، والاهتزازات، والرمال، (أُنظر صورة حاسب ميداني).

3. المقدرة العالية، على رسم، الخرائط وإظهارها، وتوقيع المعلومات الطبوغرافية، والرموز العسكرية عليها، (أُنظر صورة استخدام الحاسب للتوقيع).

4. انخفاض مستوى الطاقة الكهربية، اللازمة لحسن الأداء، والاعتماد على مصادر طاقة، غير تقليدية، مثل الطاقة الشمسية.

5. انخفاض وزن الحاسبات، ووسائل الاتصال، والربط بينها، وصغر حجمها، بما يسمح بقدر عال من المرونة، كما يتيح إمكانية استخدام مراكز عمليات، محمولة جواً، أو مجهزة على عربات قتال، ذات قدرة عالية على المناورة.

6. استخدام هوائيات لأجهزة الاتصال، صغيرة الحجم، وذات نماذج إشعاعية موجهة، لضمان تحقيق الاتصال، وتقليل فرصة تداخل العدو، سواء بالتقاط المعلومات المتبادلة، أو بالتداخل بالشوشرة الإلكترونية.

7. سعة ذاكرة ضخمة، لتستوعب قاعدة البيانات الأساسية، والمعلومات المتدفقة من وسائل الاستطلاع المختلفة، والبيانات الناتجة من التطورات السريعة لميادين القتال.

8. السماح بتعدد المستخدمين، لطاقات الحاسبات المتاحة، مع تأمين المعلومات المخزنة فيها، والمتداولة عليها، بحيث لا يسمح بوصول المعلومات إلا إلى المستخدم، المصرح له بالاطلاع عليها.

9. استخدام الكود، والشفرات المركبة، عالية التعقيد، التي يصعب كسرها، في حالة التقاطها بواسطة العدو، وخروج العنصر البشري، من عملية تأمين الوثائق المتبادلة.

10. استخدام حزم البرمجيات التفاعلية، التي تجعل المعلومات الطبوغرافية للخرائط، والرموز العسكرية، والقرارات، والخطط، ومواقف العمليات المختلفة، المدخلة إلى الحاسبات، قابلة للمعالجة الرقمية، للخروج بالإحصائيات، وحساب القدرات، واستنزال الخسائر، وإضافة التعزيزات، والتقويات، والتحديث المستمر للبيانات، بناء على تدفق معلومات الاستطلاع، وتطور أعمال القتال.

11. إمكانية تلقي المعلومات مباشرة، من وسائل الاستطلاع والمراقبة لميدان القتال، أو من الحاسب الآلي للمستوي القيادي الأعلى، حيث إن الحاسب الرئيس، في كل مستوى من مستويات القيادة والسيطرة المختلفة، يرتبط مع المستوى الأعلى، والمستويات الأدنى، في شبكة تشبه إلى حد بعيد، شبكة الإنترنت العالمية، ولكن تتميز بسرعات وقدرات، تناسب الاستخدام العسكري، مع تمتعها بأعلى درجات التأمين والسرية.

12. تخزين خبرات قتال القادة السابقين، وكذلك قرارات وخطط المواقف التدريبية المختلفة، بصورة تسمح بتكوين قاعدة خبرات إلكترونية، يمكن للقادة الاستفادة منها مباشرة، في ميادين القتال الفعلية، أو عند الإعداد للمعارك في مراحلها المختلفة.

13. الاستخدام محاكيات وقت السلم، للتدريب، والاختبار، وتقويم أداء القادة، خلال المشروعات، والمواقف التدريبية المختلفة.

وسائل جمع المعلومات

هي جميع الوسائل المتاحة للقائد، وهيئة القيادة، لجمع البيانات، والمعلومات، عن قدرات وإمكانات العدو، وحلفائه، وهي تنقسم إلى مجموعتين رئيستين؛ المستشعرات قصيرة المدى Close In sensors، والمستشعرات بعيدة المدى Stand off sensors.

المستشعرات بعيدة المدى، (أُنظر صورة مستشعر بعيد المدى)، هي تلك المستشعرات المجهزة بها الأقمار الصناعية، التي تدور حول الأرض، في مدارات فضائية منخفضة، ومتوسطة الارتفاع، وطائرات الاستطلاع التي تطير على ارتفاعات شاهقة، والطائرات الموجهة بدون طيار، التي تنطلق من القطع البحرية، أو من طائرات حاملة خاصة، وتتميز هذه المستشعرات بالآتي:

1. تنوع تقنيات الاستشعار المستخدمة من القمر الصناعي، أو الطائرة، بحيث تشمل الاستشعار الضوئي، والحراري، والكهرومغناطيسي، والسزمي.

2. زيادة المساحة، التي يغطيها المستشعر، في اللقطة الواحدة، مع قدرة التمييز العالية، بين الأهداف المتقاربة.

3. المقدرة علي إرسال المعلومات المكتشفة، إلى مراكز التجميع، والتحليل، والدمج الأرضية، في نفس لحظة اكتشافها.

4. صغر الحجم، وانخفاض مستوى الطاقة اللازمة، لعمل هذه المستشعرات؛ الأمر الذي يتيح استخدام أقمار صناعية، أو طائرات أصغر حجماً وأقل تكلفة.

5. إمكانية تصفية المعلومات، والتعامل فقط مع المعلومات ذات الأهمية العسكرية، والتخلص من المعلومات غير ذات القيمة، لتقليل حجم المعلومات المطلوب معالجتها، والمطلوب تبادلها عبر وسائل الاتصال.

المستشعرات قصيرة المدى، (أُنظر صورة مستشعر أرضي قصير المدى)، هي تلك المستشعرات، التي تعمل من فوق منصات طائرة، أو من فوق منصات برية، أو عائمات بحرية، وهذا يؤدي إلى قصر مدى المراقبة، في مقابل زيادة المقدرة على التمييز، وتشمل هذه النوعية من المستشعرات، بالإضافة إلى السابق ذكرها، وسائل استشعار الاهتزازات، مثل المستشعرات الصوتية، والسزمية، والمغناطيسية.

ثانياً: الاتصالات العسكرية

منذ فجر التاريخ، ومع اندلاع الصراعات العسكرية، بين الجيوش المنظمة، ظهرت الحاجة الملحة لتحقيق اتصالات سريعة، ونقل معلومات مهمة، بين جوانب، الجيش الواحد وفرقه، بهدف حسم القتال، وتحقيق النصر؛ والحاجة هي أم الاختراع، كما يقال، فقد تم اختراع ما عرف باسم الإشارات المنظورة، باستخدام الأيدي، أو الأعلام، أو الدخان، أو عكس ضوء الشمس، مع إعطاء كل إشارة معنى متفق عليه، وما زالت القوات المنوط بها تحقيق الاتصالات العسكرية، يطلق عليها اسم سلاح الإشارة Signal Corps حتى الآن.

من الناحية النظرية، لا تختلف أجهزة معدات الاتصال العسكرية، من حيث التصميم، ونظريات العمل، عن تلك المستخدمة في المجالات المدنية، فمكونات جهاز الاتصال اللاسلكي الرئيسة واحدة، حيث إنه يتكون بصفة عامة، من وحدة إرسال، ووحدة استقبال، (أُنظر شكل أساس الإرسال والاستقبال اللاسلكي)، وتتكون كل منهما من الوحدات الفرعية الآتية:

1. وحدة الإرسال؛ وتتكون من محول الصوت إلى إشارات كهربية، الميكروفون، ووحدة تكبير التردد السمعي، ومعدل التردد، ومكبر القدرة، وهوائي الإرسال.

2. وحدة الاستقبال؛ وتتكون من هوائي الاستقبال، ومكبر التردد العالي، ووحدة خفض التردد، ومكبر التردد البيني، ووحدة الكاشف، ومكبر التردد السمعي، ووحدة البيان الصوتي، السماعات.

رغم اشتراك معدات الاتصال العسكرية، والمدنية، في المكونات الرئيسة، فإن هناك أوجه اختلاف جوهرية، أهمها أسلوب التصنيع؛ فإنتاج الأجهزة الإلكترونية بصفة عامة، و أجهزة الاتصالات بصفة خاصة، يتم وفق مستويات معينة من المواصفات، تبدأ من المعدات ذات المواصفات التجارية، وتنتهي بأعلى هذه المواصفات، وهي المعدات ذات المواصفات العسكريةMilitary Standards ؛ والمعدات ذات المواصفات القياسية العسكرية، التي تستطيع التغلب على الظروف الطبيعية القاسية، في ميادين القتال، وكذلك ظروف المعارك الحربية، وما يمكن أن تتعرض له تلك المعدات، من أحوال مختلفة؛ وتعد المعدات ذات المواصفات القياسية العسكرية أعلى تكلفة من المعدات ذات المواصفات القياسية الأخرى.

تطبق الاتصالات العسكرية، مبدءاً مهماً، حتى لا يستفيد العدو من استقبال الرسائل المتبادلة، وهذا المبدأ، هو استخدام القدرة التي تكاد تكفي لتحقيق الاتصال الآمن، ولذلك تتنوع قدرات أجهزة الإرسال المستخدمة، كما تتنوع، أيضاً، تلك الأجهزة، طبقاً لخواص انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، في الأوساط المختلفة، إذ تحتاج الاتصالات العسكرية، لتحقيق الاتصال بين قوات تعمل على سطح الأرض، القوات البرية، بينها وبين الطائرات في الجو، وبين السفن في عرض البحر، وأحياناً مع الغائصات، ولكل خواصه المميزة.

تطور العلوم الإلكترونية، وظهور مكونات الدوائر الإلكترونية، التي تعمل باستخدام الأساليب الرقمية، أدخل الاتصالات العسكرية في حقبة جديدة، أطلق عليها اسم حقبة تحول ميدان القتال إلى استخدام الأساليب الرقمية، وأبرز ما حققه هذا التحول في مجال الاتصال الآتي:

1. تصغير حجم المعدات، مع تخفيف وزنها، إلى نسبة قد تصل أحياناً إلى عُشر وزن المعدات، التي لا تستخدم الأساليب الرقمية، وهذا يقلل من حجم مراكز الإشارة العسكرية، الاتصالات الثابتة، علي مختلف المستويات، مما يقلل ظهورها، وتعرضها لهجمات العدو؛ كما يتيح إمكانية استخدام مراكز إشارة متحركة، مجهزة فوق مركبات برية، أو قطع بحرية، وبعضها مجهز على متن طائرات خاصة، تؤدي دوراً رئيساً في تحقيق الاتصالات العسكرية.

2. زيادة سرعة، الاتصالات وكفاءتها وسريتها، كما أتاحت فرصة دمج العديد من الوظائف، التي كان يحتاج تنفيذ كل منها معدة مستقلة، في معدة واحدة.

3. استخدام الكود بأنواعه ودرجاته المختلفة، والشفرة في الرسائل المتبادلة، بلغ درجة عالية من الرقي، إلى درجة أن أصبحت نسبة كبيرة، من الوثائق والرسائل المتبادلة، خلال أجهزة الاتصال العسكرية، خاضعة لعملية تكويد وتشفير آلية لا يتدخل فيها العامل البشري.

4. إضافة إمكانية عقد المؤتمرات المسموعة فقط، أو المسموعة والمرئية، بين القادة عبر الأثير، وكل منهم موجود في مركز قيادته، بين جنوده، وذلك من خلال شبكة الاتصالات الرقمية العسكرية، والكاميرات التليفزيونية، وهذا النوع من الاتصالات، لا يحتاج إلى إمكانات إضافية لشبكة الاتصالات العسكرية، ولكنه يستغل إمكاناتها الذاتية.

5. سيطرة الحاسب الآلي، على تخطيط الاتصالات وتنظيمها، وتوزيع الحيزات الترددية، بدون أي تدخل بشري، فالقائد العسكري، أو المستخدم بصفة عامة، ما عليه إلا أن يطلب تحقيق الاتصال بالطرف الآخر، وذلك من خلال الهاتف، أو من نهاية طرفية للحاسب الآلي، أو أي وسيلة أخري، بدون أن يهتم هو أو أحد معاونيه، بكيفية ووسيلة الاتصال، فإن الحاسب الآلي يقوم بتنفيذ المهمة، بعد تقويم تأثير العديد من المتغيرات، التي تؤثر في عملية الاتصال، مثل طبيعة الأرض، وحالة الطقس، والوقت من الليل والنهار، وكثافة حركة تبادل الرسائل، ومدى تدخل العدو على قنوات الاتصال العاملة، بالأعمال الإلكترونية المضادة، …الخ؛ وسيكون اختيار الحاسب الآلي للمسار، ووسيلة تنفيذ الاتصال، هو الاختيار الأمثل في لحظة طلب الاتصال، كما سيكون أكثر الوسائل أمناً وسرية.

6. إتاحة استخدام البنية الأساسية للاتصالات المدنية، أو أجزاء منها، لتحقيق الاتصالات العسكرية، دون أي تفريط في متطلبات الاتصالات العسكرية، من حيث السرية والأمن والسرعة والكفاءة.

7. إتاحة فرصة إنشاء شبكة المعلومات العسكرية، على نمط شبكة المعلومات العالمية، (الإنترنت)، وإتاحة الفرصة لتعامل القادة مع قواعد البيانات المخزونة على حاسبات الشبكة، أثناء ظروف القتال.

أحد المطالب الرئيسة للاتصالات العسكرية، هو تجنب تنصت العدو، وكذلك حرمانه من الاستفادة من المعلومات، في حالة حصوله عليها، ولذلك يتم تطوير، وسائل آلية للكود، والرمز واستخدامها؛ كما يتم تزويد أجهزة الاتصالات العسكرية، بدوائر خاصة، لمنع تداخل العدو المقصود، لمنع تحقيق الاتصال بين القوات الصديقة، ويطلق على هذه الدوائر اسم دوائر مقاومة الإجراءات الإلكترونية المضادة Electronic Counter Counter measures .

ثالثاً: أنظمة التنشين والتوجيه الكهروبصرية في ساحة الحرب الحديثة

في الآونة الأخيرة، حدث تحول كبير، في القوات المسلحة، في معظم دول العالم من ناحية تصميم المستشعرات وأنظمة التتبع، ولهذا التحول ثلاثة أسباب رئيسية:

1. أصبحت الأسلحة اليوم، أكثر دقة وتأثيراً، من تلك التي استخدمت في الحروب السابقة، حتى القريبة، كما أن الإصابات المباشرة للسفن، والطائرات، والمدرعات، أصبحت اليوم ممكنة أكثر مما كانت سابقاً.

2. تعد تكاليف معظم الأسلحة الحديثة باهظة، بحيث إن إجراءات خفض النفقات في معظم دول العالم، تتجه للحد من كمية إنتاج هذه الأسلحة.

3. حيث إن الإصابة المباشرة أصبحت شبه مؤكدة، فإن الخصم، الذي يستطيع رؤية عدوه أولاً، والمبادرة بإطلاق النار تصبح له الفرصة الأكبر لكسب المعركة؛ هذه العوامل سارعت في تطوير تقنية الكهروبصريات، التي أدت بدورها إلى تحسينات جوهرية، في الكفاءة القتالية، لجميع الأسلحة مثل المدرعات، والدفاع الجوي، والمروحيات، والمشاة، والطائرات الموجهة بدون طيار.

تقوم الأنظمة الكهروبصرية بإنتاج، الأشعة أو التقاطها، باستخدام مذبذبات متطورة، وكاشفات حساسة جداً، ويقع حيز اهتمام العلماء، والمهندسين المصممين، لأنظمة الأسلحة الكهروبصرية، ما بين الأطوال الموجية من 0.3 إلى 15 ميكروناً[1]، وهذا الحيز هو الأكثر استخداماً، من الناحية العملية، في التطبيقات العسكرية، بسبب الظروف الجوية، وأنواع الأهداف المحتملة، إلا أن هناك بعض التطبيقات العسكرية الخاصة، تستخدم الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء؛ وهناك عادة نوعان من التقنيات في مجال الأنظمة الكهروبصرية الحديثة، هما أنظمة الرؤية الحرارية، وأنظمة الليزر، وكل منهما عادة، جزء من نظام معقد، مثل نظام لقيادة النيران، أو اكتشاف الأهداف.

1. تقنية الرؤية الحرارية

تعد أنظمة الرؤية الحرارية، معدات كهروبصرية سلبية، مصممة لالتقاط الأشعة تحت الحمراء، الصادرة من كل من الهدف والخلفية، وحيز الأطوال الموجبة من 3 إلى 5 ميكرون، أو من 8 إلى 14 ميكروناً؛ هذه الأطوال الموجية هي التي يحدث لها أقل توهين أثناء انتشاره في الغلاف الجوي الأرضي.

تجمّع الأشعة بواسطة تلسكوب خاص، ذي عدسات مصنوعة، إما من عنصر الجرمانيوم، أو من عنصر السليكون؛ حيث تركز العدسات الأشعة على كاشف حساس، وتمر إشارة الكاشف بعد ذلك في دوائر إلكترونية معقدة، حتى تظهر صورة حية على شاشة تليفزيونية، وعلى ذلك، فجهاز الرؤية الحرارية، يعمل في الحقيقة، محولاً للأطوال الموجبة من الأشعة تحت الحمراء إلى حيز الموجات المرئية.

تتيح تقنية الرؤية الحرارية، الرؤية أثناء الظلام التام، وخلال الضباب، والدخان، ولا تتأثر بتداخل أشعة الشمس، أو المشاعل، أو الأضواء الكاشفة؛ ويتكون جهاز الرؤية الحرارية عادة، من الكاشف، ونظام المسح الخاص[2]، بالإضافة إلى التلسكوب، والدائرة الإلكترونية، وشاشة الرؤية، وجهاز تبريد الكاشف[3].

كان المسرح العسكري، أكبر مجال لتطور تقنية الرؤية الحرارية، والمتطلبات الحالية والمستقبلية لهذه الأنظمة، تنحصر في مدى أطول للكشف والتمييز، في الأحوال الجوية السيئة، والعمل على أن تكون هذه الأنظمة، أقل وزناً، وتكلفة، واستهلاكاً للطاقة، وذات كفاءة أعلى، وهذا أدى إلى إنتاج كاشف أكثر حساسية، ومصفوفات ذات أعداد أكبر من العناصر الحساسة، وإلى تصميمات أدق، تستخدم مواد أخف، ودوائر كهربية أقل استهلاكاً للطاقة، ومبردات أكثر كفاءة.

2. تقنية الليزر

ظهر أول جهاز ليزر في سنة 1958، وكلمة ليزر LASER؛ هي اختصار لعدة كلمات، تعني تكبير الضوء بواسطة الانبعاث الحثي للأشعة، وهذا يعني أن أشعة الليزر، لها الخواص نفسها من حيث التركيز في اتجاه دقيق، والقطبية، وزاوية الطور، والطيف، مثل الطاقة الباعثة لها، مما يعطي شعاع الليزر الخاصية المتفردة، من حيث أحادية اللون، والتردد، والإشعاع في خط مستقيم، بشعاع مركز، له قدرة عالية.

من أمثلة الليزر المستخدم في المجال العسكري، ليزر المادة الصلبة، وهو ذو الطول الموجي 1.06 ميكرون، الذي يستخدم لتحديد المسافة، وإضاءة الهدف لصالح المقذوفات الموجهة.

3. استخدام الكهروبصريات في المدرعات

رغم أن أنظمة الرؤية الحرارية، قد صممت أساساً، في أواخر حقبة الستينيات للتطبيقات المحمولة جواً، وكانت تسمى أجهزة الرؤية تحت الحمراء الأمامية، الفلير FLIR، فإنها توجد الآن في أنظمة قيادة النيران للدبابة، وعربة القتال المدرعة.

حلّت أجهزة الرؤية الحرارية، محل أجهزة الأشعة تحت الحمراء الإيجابية، أو أجهزة التكثيف الضوئي في العمليات الليلة؛ بالإضافة إلى ذلك حلت الأجهزة الدقيقة لتقدير المسافة بالليزر، محل أجهزة تقدير المسافة البصرية.

الأجزاء الرئيسة، في نظام قيادة النيران في الدبابة الحديثة؛ هي جهاز تنشين الرامي، وحاسب إدارة النيران، (أُنظر صورة لدبابة بالأشعة)، ومستشعرات قياسية؛ وجهاز التنشين هو الجزء الكهروبصري الرئيس، ويتكون عادة من بايروسكوب، به مرآة رأسية متزنة، وجهاز رؤية حراري، وجهاز ليزر لتقدير المسافة، ووحدة رؤية نهارية، بالإضافة إلى نظام التكبير الضوئي، وفي بعض الأحوال يكون جهاز ليزر تقدير المسافة وحدة منفصلة بذاتها، وليس ضمن جهاز التنشين؛ وأهم ميزة لاستخدام الليزر لتحديد المسافة، هي زيادة احتمال إصابة الهدف، عن طريق القياس السريع، والدقيق، لمسافة الهدف، وبالتالي فإن معظم الأنظمة، تحقق زمن رد فعل من1 إلى 3 ثانية، ولمدى يصل إلى 10 كم، وبخطأ في تحديد المسافة لا يزيد على ±5 م، ويمكن أن تمر معلومات قيادة النيران آلياً إلى الحاسب، الذي يساعد على تقليل زمن رد الفعل الكلي، كما يؤدي التحديد الدقيق للمسافة، بالإضافة إلى الحاسبات الدقيقة إلى تأكيد الإصابة المباشرة للهدف.

جهاز ليزر تحديد المسافة، المستخدم في الدبابات الأمريكية، هو ليزر الياقوت، بينما تستخدم الأنواع الأخرى ليزر الياج، والأخير ينتج أشعة ذات طول موجي 1.06 ميكرون، وهي أشعة غير مرئية للإنسان، ولكنها قد تكون ضارة بالعين، أثناء التدريب، أو الصيانة، وللحفاظ على سلامة العين، يتم تعديل شعاع الليزر، ليصبح طوله الموجي 1.54 ميكرون.

4. استخدام الكهروبصريات في الدفاع الجوي

أصبحت معظم القوات المسلحة في العالم، في الوقت الراهن، في حاجة لنظام إنذار وتتبع جوي، مدمج ومتحرك ومتكامل، ومثل هذا النظام عليه اعتراض الهجوم المنخفض، الذي تنفذه طائرات المعاونة الجوية القريبة، والمروحيات والصواريخ؛ لتحقيق ذلك، يستخدم ليزر نبضي سريع، لقياس المسافات، مع كاميرات تليفزيونية، ومستشعرات للرؤية الحرارية، وأجهزة تتبع كهروبصرية، وأجهزة حاسبات سريعة، وهو ما يكون نظام قيادة النيران لكل من صواريخ ومدافع الدفاع الجوي، (أنظر صورة صاروخ موجهة بالأشعة دون الحمراء).

وحالياً تستخدم أغلب الأنظمة، ليزر عند الطول الموجي 1.54 ميكرون، وفي المستقبل، قد تستخدم نظم الدفاع الجوي، رادار ليزر ثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى أجهزة الرادارات التقليدية المعروفة؛ وميزة رادار الليزر هي أن له طولاً موجياً أقل، مما يعطيه قدرة تحليلية أكبر في المسافة، أو الزمن، كما أن له حساسية أكبر في قياس سرعة الأهداف، ويمكنه إعطاء صورة للهدف الملتقط.

5. الكهروبصريات في الطائرات الهليكوبتر

أدت ظروف المعركة الحديثة، التي يستمر القتال فيها، نهاراً وليلاً، أوفي مختلف الظروف الجوية، إلى تطوير النظم الكهروبصرية لطائرات الهليكوبتر، لمواكبة هذه الظروف؛ هذه النظم لها القدرة على الاستخدام الماهر للذخيرة، وعلى إطلاق الصواريخ كافة، سواء الموجهة بالليزر، أو غيرها؛ غير أن الهليكوبتر تعد هدفاً جوياً سهلاً، ولذا يلزم الاستخدام الجيد للهيئات الأرضية، في الإخفاء، وكذا استعمال التمويه والإخفاء البصري، للوصول إلى تحقيق أهدافها.

أجهزة الإنذار، والرؤية الحرارية، تجعل من الهليكوبتر واحدة من أكثر وسائل استخدام الأسلحة تقدماً، فبواسطة الكهروبصريات، أصبح لها القدرة على الاستخدام الدقيق للأسلحة ليلاً ونهاراً، ضد مختلف الأهداف، وكما هو في المدرعات، تستخدم أنظمة الرؤية الحرارية في عدة مهام، فعادة تستخدم أجهزة الفلير FLIR للكشف عن الأهداف، (أُنظر صورة أجهزة الرؤية والتنشين الحراري)، كما تستخدم أجهزة الليزر لإضاءتها، ولتوجيه الأسلحة عند اللزوم، أيضاً، يستخدم نظام رؤية حرارية إضافي، في عمليات الملاحة المنخفضة، في الظروف الجوية السيئة، بما في ذلك الإقلاع، والهبوط، والطيران على ارتفاع منخفض، وفي بعض الأحوال، تستخدم نظارات الرؤية الليلية.

لهذه النظم مجال رؤية عريض، نظراً لاستخدامها على مدى قريب نسبياً، وتركب على أبراج تتحرك أفقياً ورأسياً؛ يستخدم الليزر لإضاءة الهدف، في حالة الأسلحة الموجهة بالليزر، كما يستخدم لتقدير المسافة للمدفعية، وهكذا تُعد أجهزة الرؤية الحرارية، والليزر، حماية للهليكوبتر، نظراً لأنها تتيح لها فرصة إطلاق الأسلحة من المدى الآمن.

6. استخدام الأنظمة الكهروبصرية للمشاة

تستخدم كل من أجهزة الرؤية الحرارية، والليزر، جزءاً من أسلحة المشاة، أو معدات منفصلة لصالحها، وقد دخلت الخدمة فعلاً في معظم الجيوش الحديثة، ومن أمثلة ذلك جهاز ليزر تقدير المسافة، الصغير المحمول باليد، الذي يصل مداه إلى 20 كم، (أُنظر صورة جهاز تقدير المسافة اليدوي )، والأجيال القادمة من أنظمة الليزر للمشاة، تحتوي على أجهزة إضافية، واقية للعين، وهي صغيرة، ورخيصة الثمن، ومثالية للاستخدام اليدوي، كما ستتسم هذه الأجيال بالأداء الأفضل، والحجم الأصغر.

ومن المنتظر ظهور معدات رؤية حرارية، تعمل في الحيز من 3 إلى 5 ميكرون، لمساعدة المشاة المترجلة في العمل ليلا بكفاءة؛ وعلى وجه العموم، سوف تكون أنظمة الليزر والفلير، الخاصة بالمشاة، قليلة التكلفة، خفيفة الوزن، وذات كفاءة عالية.

7. استخدام الكهروبصريات في الطائرات الموجهة من دون طيار

في الماضي كانت الطائرات الموجهة من دون طيار، (أُنظر صورة طائرة موجهة من دون طيار)، تستخدم أهدافاً متحركة لتدريب رماة الدفاع الجوي. أما الآن، فإن لها مهمات أكثر تعقيداً، مثل الاستطلاع القريب، والمتوسط، واكتشاف الأهداف وتصويرها.

تستخدم الأنواع الحديثة، من هذه الطائرات، أنظمة الليزر، لتقدير المسافة وإضاءة الأهداف، وأنظمة الفلير للاستطلاع في مختلف الظروف، ونظراً لأنها تعمل في الأجواء المعادية، فهي تعطي معلومات استطلاع فورية للقائد وتعد عيوناً له في السماء، وباستخدام جهاز ليزر صغير للإضاءة، أصبحت هذه الطائرات، أكثر الوسائل شيوعاً، للكشف عن الأهداف لمساعدة الطائرات الحاملة للصواريخ، أو الأسلحة الموجهة بالليزر؛ ومن المنتظر أن تكون للأجيال القادمة من هذه الطائرات، القدرة على أعمال الحرب الإلكترونية، من إعاقة وتأمين، كما يتوقع أن تحتوي على معدات كهروبصرية، قليلة التكاليف، وتعمل في الظروف الجوية كافة.


   

[1] الميكرون وحدة قياس للأطوال تساوي 10-6 م.

[2] هي عملية تقسيم الصورة إلى عدد معين من الأقسام المتوازية، و التعامل مع هذه الأقسام كل على حدة، وعلى التوالي، وبسرعة عالية تجعل المتلقي يشعر أنه يتعامل مع الصورة كاملة.

[3] كاشف الأشعة تحت الحمراء لا يعمل إلا في درجات حرارة منخفضة جداً، ويحتاج إلي تبريد مستمر.

[4] تأثير دوبلر هو اختلاف تردد الموجة الكهرومغناطيسية المرتدة من سطح جسم متحرك عن تردد الموجة الساقطة عليه؛ الاختلاف يعبر عن سرعة الجسم العاكس.

[5] هو زمن الدورة الكاملة حول الكرة الأرضية.

[6] معروف عالمياً بالأحرف G P S. 

الفصل الرابع

بعض الاستخدامات التطبيقية



رابعاً: اتصالات الأقمار الصناعية

أصبحت الأقمار الصناعية للاتصالات، تمثل جانباً مهماً في توفير الاتصالات الهاتفية، ونقل القنوات التليفزيونية، إلى أجزاء عديدة من الكرة الأرضية، نظراً لتغطية تلك الأقمار المتزامنة Synchronous satellite ، مساحات شاسعة من الكرة الأرضية، قد تصل إلى ثلث الكرة الأرضية للقمر الواحد.

ومع اتساع أرض المعارك، وقيام التجمعات العسكرية المتحالفة، لزم امتداد المواصلات العسكرية إلى مساحات شاسعة، وهكذا يتزايد دور الأقمار الصناعية لتوفير الاتصالات العسكرية.

1. نظام الاتصال بواسطة الأقمار الصناعية:

الاتصال بواسطة الأقمار الصناعية، عبارة عن اتجاهات مفردة، لمواصلات الموجات المتناهية القصر ميكروويف، متعددة القنوات، ذات خط رؤياً مباشر بدون عوائق Clear line of sight، مع وجود محطة إعادة الإذاعة Repeater station في القمر الموجود بالفضاء.

يلاحظ أن المسافة، بين محطتين لاتجاه متعدد القنوات، لا تزيد في الغالب على 60 كم، نظراً لتأثير كروية الأرض كعائق في مواجهة مسار الأشعة المرسلة والمستقبلة، بينما في حالة وجود محطة إعادة الإذاعة في القمر الصناعي، فإن الأشعة المرسلة والمستقبلة، لا تعترضها أي عوائق.

يقوم الجزء المختص بالاتصالات في القمر الصناعي، والمسمى بالمستجيب Transponder، بتحقيق الاتصال بين عشرات من المحطات الأرضية، Earth stations؛ فبينما يتكون محور متعدد القنوات، من عدد من المحطات النهائية، ومحطات إعادة الإذاعة، طبقاً للبعد بين الأماكن، المراد تحقيق الاتصال بينها، فإن هذا المحور بواسطة الأقمار الصناعية، يتكون من محطتين أرضيتين، وإعادة الإذاعة بالأقمار الصناعية، وذلك مهما كان طول المسافة بين المحطتين.

2. تقنية الدخول المتعدد في الأقمار الصناعية Multiple Access Technique

نظراً لامتداد المساحة، التي تغطيها الأشعة، من هوائي القمر الصناعي، فإن ذلك يتيح لمجموعة من المحطات الأرضية، الاتصال من خلال القمر نفسه، ولدخول تلك المجموعة من المحطات الأرضية، على القمر توجد عدة أساليب، وعند وضع أي نظام اتصال يسمح بالدخول المتعدد لمجموعة من المحطات الأرضية، يجب مراعاة الآتي:

أ. عندما تشترك مجموعة من المحطات الأرضية للاتصال، عبر قمر مشترك، فإن مواصفات هذه المحطات، قد لا تتطابق من حيث الحيز الترددي لكل محطة، ونظام التعديل،وأنواع القنوات المرسلة، وعلى ذلك يجب أن يحدد نظام، بحيث يمكن استخدم القمر بكفاءة، من حيث قدرة أجهزة الاتصالات بالقمر، والحيز الترددي الكلي، وقطر الهوائي المستخدم.

ب. هناك ظاهرة تأثر الإشارات من المحطات المختلفة، نتيجة للتعديل البيني Intermodulation، الذي ينتج من عدم استقامة منحنيات خواص مكبر القدرة، TWTA، لأجهزة القمر قرب التشبع، وبالتالي يجب أن يقلل النظام المستخدم من هذا التأثير، على اتصال المحطات الأرضية.

ج. في الاتصالات العسكرية، يجب أن تكون الإشارات المرسلة مشفرة بالكامل، ولها مواصفات خاصة، تتحمل التشويه الموجه، والتداخل، لذا يجب أن يقبل النظام تلك الإشارات المشفرة، أو يكون النظام نفسه، يعتمد في عمله علي السرية الكاملة؛ وتوجد ثلاثة أنظمة رئيسة لدخول المحطات الأرضية على المستجيب في القمر الصناعي، أهمها نظام الدخول ذو التقسيم الكودي، وهو الأنسب للاستخدام العسكري.

3. نظام الدخول ذو التقسيم الترددي Frequency Division Multiple Access

هذا النظام يتيح استخدام القمر، في الاتصال بين عدة محطات أرضية، بواسطة تخصيص تردد حامل لكل محطة أرضية، بحيث تصل إلى القمر، فتكون علn هيئة عدة ترددات حاملة، متجاورة، وذات عرض نطاق محدود، يمكن تكبيرها بواسطة المستجيب؛ النظام المتكامل، FDM-FM-FDMA، الذي يحمل أكثر من قناة هاتفية، بنظام التقسيم الترددي، FDM، ثم يتم تعديل الحيز باستخدام تعديل التردد، FM ، بالتردد المرسل من المحطة الأرضية، خلال نظام دخول متعدد ذي تقسيم ترددي FDMA؛ بفرض أن عدد المحطات المطلوب تحقيق الاتصال فيما بينها عن طريق مستجيب في القمر الصناعي، هو n فإن هذه المحطات ترسل عدد N من الترددات في الوقت نفسه، إذ تحدد قيمة N من العلاقة الآتية:

ولتحسين هذا الوضع، في نظام FDMA ، تستعمل الموجات متعددة الاتجاهات Multi Destination Carriers، وبهذا الأسلوب تجمع الإشارة الهاتفية، للجهات المتعددة، بكل محطة، في حيز أساسي واحد، Base band، ويرسل من خلال تردد مرسل واحد، وفي الاستقبال، يتم استقبال هذا التردد، ثم استخلاص القنوات المطلوبة من الحيز الأساسي، وهكذا فإن عدد الموجات المرسلة ينخفض إلى n فقط من الترددات، ويقل تأثير التعديل البيني.

4. نظام الدخول ذو التقسيم الزمني Time Division Multiple Access TDMA

في هذا النظام، يستخدم التقسيم الزمني للدخول المتعدد، لمجموعة من المحطات الأرضية، لها التردد نفسه، الذي يشغل حيزاً مستجيباً كاملاً؛ بالتقسيم الزمني، ترسل كل محطة إشاراتها على شكل دفعات Bursts، وذلك خلال شريحة زمنية مخصصة لها، Time slot، ثم تتابع باقي المحطات الأرضية بالأسلوب نفسه، ويستغرق مجموع الدفعات المتتالية للمحطات الأرضية، المشتركة في النظام، زمناً قدره حوالي 2 مللي ثانية؛ ومن مميزات الاتصال المتعدد ذي التقسيم الزمني:

أ. يعمل المستجيب، عند نقطة التشبع أو قريباً منها، ولا توجد ظاهرة التعديل البيني؛ لأن كل الإشارات المرسلة تشغل حيز التردد نفسه.

ب. عدم انخفاض سعة قنوات المستجيب، بزيادة عدد المحطات الأرضية كما هو الحال في نظام FDMA، وهذا يعني زيادة سعة القنوات في نظام TDMA.

ج. سهولة التحكم الآلي في المحطات الأرضية، والتعامل معها بواسطة ومن خلال الدوائر الرقمية.

د. إمكان استخدام الأسلوب النبضي لاستكمال التخاطب Digital Speech Interpolation، الذي يعتمد على أنه في أي دائرة تخاطب، هناك فترات توقف؛ في هذه الفترات، يتم إدخال قنوات أخرى، مما يعمل على زيادة عدد القنوات بما يصل إلى 2.4 مرة.

هـ. في نظام التقسيم الزمني، يكون التحكم في تعيين الدفعات، عن طريق البرمجيات Software، مما يعني السرعة والسهولة، بينما توزع الموجات في نظام التقسيم الترددي بواسطة الدوائر الإلكترونية،Hardware، مما يتطلب أجهزة إضافية.

5. نظام الدخول ذو التقسيم الكودي Code Division Multiple Access

في هذا النظام، تشغل كل محطة أرضية، حيز التردد نفسه، كما في نظام التقسيم الترددي، وكذلك الزمن نفسه كما في التقسيم الزمني، أي أن النظام يجمع بين الاستمرارية، وعدم تغيير الحيز المرسل؛ لكن الإشارات من المحطات الأرضية تعامل بكود (مفتاح) خاص لكل محطة، ويختلف عن كود المحطات الأخرى، وبالتالي فإن المحطة الأرضية المستقبلة، تكون على علم بهذا الكود، وفي تزامن تام مع الإرسال؛ وهناك طريقتان لتنفيذ هذا النظام، هما الترتيب المباشر Direct Sequence، و القفز الترددي Frequency hopping، إذ يضاف في الطريقة الأولي، كود خاص للمعلومات، قبل إجراء التعديل في جهاز الإرسال، وفي الاستقبال يدخل هذا الكود مع عملية الكشف؛ أما في الطريقة الثانية، فتخلط الموجات المعدلة، وموجة أخرى ذات تردد متغير، إذ يعتمد هذا التغير على كود خاص لكل محطة؛ هذا النظام يلائم الاستخدامات العسكرية نظراً للميزات الآتية:

أ. لا يتأثر بالإعاقة والشوشرة المعادية، إذ تختزل ويخفض تأثيرها على الإشارات المرسلة.

ب. يصعب التسمع على محتوى الاتصال، إلا بأجهزة خاصة.

ج. سرية الاتصال، التي تعتمد على التكويد ومفاتيحه.

بعض التطبيقات في المجال المدني

خامساً: التليفزيون

التليفزيون، أو الإرسال التليفزيوني، أكثر التقنيات الإلكترونية انتشاراً على مستوى العالم، فعلاوة علي استغلاله وسيلة ترفيهية وتعليمية، فإنه يدخل في العديد من النواحي الأخرى المتنوعة، التي تحتاج لنقل الصورة في الوقت الحقيقي، أي نقل صورة الحدث وقت وقوعه، مثل وكالات الأنباء، و أعمال المراقبة الأمنية، ومراقبة التجارب العلمية الدقيقة، ومتابعة التفاعلات، ووسائل الاستشعار عن بعد، التي تعتمد على الصور المرئية، … الخ، ولعل من أشهر المشاهد التي نقلت تليفزيونياً خلال القرن العشرين، وبثت إلى جميع أنحاء العالم، مشهد الخطوات الأولى لأول إنسان على سطح القمر.

بدأ الإرسال التليفزيوني أول الأمر، بنقل اللونين الأبيض والأسود فقط، ثم تطور إلى الإرسال الملون بتقنيات مختلفة ومتطورة، وأتاحت هذه التقنيات المتطورة للدول التي بدأت الإرسال التليفزيوني بها باللونين الأبيض والأسود، أن تطور إرساله إلى الأحدث، أو أن تبدأ مباشرة في استخدام التليفزيون الملون؛ ولكي يمكن بث الإرسال التليفزيوني الملون، مع الأبيض والأسود، هناك عدة متطلبات تقنية، يجب أن توضع في الاعتبار؛ وأول هذه المتطلبات، ضرورة توافق إشارات التليفزيون الملون، مع النطاق الترددي لقنوات إرسال التليفزيون الأبيض والأسود، الموجودة بالفعل، وثانيها، ضرورة أن تكون أجهزة الاستقبال التليفزيوني الأبيض والأسود، قادرة على إعطاء صورة مرضية أبيض ـ أسود، عند استقبالها إشارات الإرسال التليفزيوني الملون، وتعرف هذه الخاصية بالتوافقية، والمطلب الثالث، ضرورة أن تكون أجهزة الاستقبال الملون، قادرة على إعطاء صورة جيدة، أبيض وأسود، لدى استقبالها، إشارات الإرسال التليفزيوني الأبيض والأسود، وتعرف هذه الخاصية بالتوافقية العكسية؛ فيما يلي استعراض مبسط لتقنيات التليفزيون الملون، أحد مظاهر الثورة العلمية في مجال الإلكترونيات.

1. المعلومات اللونية

لتحقيق البث الملون، فإن نظام الإرسال التليفزيوني الملون، يجب أن يحمل إضافة إلى الصورة، إشارات إضافية، لإعطاء المعلومات اللازمة عن الألوان، ولذلك فإن الصورة التليفزيونية الملونة، هي في أساسها، صورة بيضاء وسوداء، تمتلئ مساحتها باللون المناسب، ولكي يكون جهاز الاستقبال التليفزيوني، قادراً على إعطاء اللون الصحيح، لكل مساحة من المساحات الملونة في الصورة، فإنه يجب إمداده، بنوعين من المعلومات : اللون الأساسي، وشدة اللون (درجة التشبع).

يتحدد اللون الأساسي، أحمر كان أو أصفر أو أخضر أو خلاف ذلك، حسب موضع اللون في الطيف، بينما تكون درجة التشبع للون، مقياساً لشدته أو ضعفه، فإذا كان اللون الأساسي هو الأحمر، فإن هذا اللون، قد يكون أحمر وردياً أو قرمزياً، أو أية درجة متوسطة بينهما؛ بمعنى آخر، فإن درجة تشبع اللون، هي مقياس لمدى تخفيف اللون باللون الأبيض، فاللون القرمزي، هو لون أحمر مشبع، بينما يُعد اللون الوردي، لونا أحمر غير متشبع، لذلك فإنه من الضروري، أن يغذى الجهاز المستقبل بالمعلومات، عن اللون الأساسي، ودرجة تشبع هذا اللون، لكل مساحة من المساحات الملونة من الصورة.

يمكننا الحصول على طلاء أخضر، بمزج طلاء أزرق مع آخر أصفر، بينما يمكن الحصول على طلاء أرجواني، بمزج طلاء أزرق مع آخر أحمر، و في الحقيقة، فإنه يمكن، باستخدام ثلاثة ألوان رئيسة، الحصول على جميع الألوان المعروفة، وذلك بتغيير نسب كل لون من هذه الألوان الثلاثة، ويستخدم هذا المبدأ في عمليات الطباعة بالألوان، وكذلك في التليفزيون الملون؛ والألوان الرئيسة الثلاثة، المستخدمة في التليفزيون هي، الأحمر والأخضر والأزرق، وسيرمز لها فيما بعد بالحروف ح، خ، ز للاختصار.

ولذلك فإنه من الضروري، تحليل صورة المنظر الملون الأصلي، وقياس نسبة وجود كل من هذه الألوان الرئيسة، في كل مساحة ملونة من الصورة، وتتم عملية تحليل الصورة، وفصل مركباتها الحمراء والخضراء والزرقاء، في كاميرا التصوير التليفزيوني الملون، وذلك باستخدام مرايا ثنائية اللون، وهي مرايا ذات تركيب خاص، لها القدرة على عكس ضوء ذي لون معين، بينما تسمح في الوقت نفسه، بمرور بقية الألوان خلاله، دون اعتراضها، وبذلك يتم الحصول على صورة حمراء، وأخرى خضراء، وثالثة زرقاء للمنظر نفسه.

تركز هذه الصورة، على الأهداف الموجودة بأنابيب ثلاث، متشابهة، بالكاميرا، تحتوى كل منها على شعاع إلكتروني، ويمسح الهدف الموجود في كل أنبوبة، بوساطة الشعاع الإلكتروني الموجود في الأنبوبة نفسها، والمركز على هذا الهدف، بحيث تتم عمليات المسح في تزامن تام بين الأنابيب الثلاث، وبذلك يمكن الحصول على ثلاث إشارات للصورة، من الأنابيب الثلاث، تمثل الإشارة الأولى، المضمون الأحمر للصورة، بينما تمثل كل من الإشارتين الثانية والثالثة، المضمون الأخضر والأزرق، على التوالي، للصورة نفسها.

بتجميع خرج هذه الأنابيب الثلاث، نحصل على إشارة، تمثل المضمون الأبيض، والأسود للصورة، مثل تلك الإشارة، التي نحصل عليها، من كاميرا التصوير التليفزيوني الأبيض والأسود، ذات الأنبوبة الواحدة، وتسمى هذه الإشارات المجمعة، بـ "إشارة النصوع، أو الإضاءة"، وهي الإشارة الرئيسة، في نظام الإرسال التليفزيوني الملون؛ هذه الإشارة، هي ما يتم استقباله، وعرضه بوساطة جهاز الاستقبال التليفزيوني الأبيض والأسود، عندما يكون مؤلفاً لاستقبال إشارات الإرسال التليفزيوني الملون.

الكاميرا ذات الأنابيب الأربع :لكي نحصل على إشارة نصوع جيدة من الكاميرا ذات الأنابيب الثلاث، فإنه من الضروري، أن يمسح العنصر نفسه، من الخط ذاته، من خطوط الصورة الضوئية، بوساطة أشعة المسح الإلكترونية، في الأنابيب الثلاث في اللحظة نفسها، ومن الصعب تنفيذ ذلك، ولكن يمكن تلافى هذه الصعوبة، باستخدام الكاميرا ذات الأنابيب الأربع، التي تستخدم أنابيب اللون الأحمر، واللون الأخضر، واللون الأزرق، الموجودة فيها، لإنتاج المعلومات اللونية فقط. أما الأنبوبة الرابعة، فتغذى بالصورة الملونة الأصلية، وبذلك نحصل في خرج هذه الأنبوبة، على إشارة للصورة، تشبه التي نحصل عليها من كاميرا التصوير الأبيض والأسود، وتستخدم هذه الإشارة، إشارة نصوع، ومن الضروري أن تكون أشعة المسح الإلكتروني، متزامنة في جميع الأنابيب الأربع، ومن الضروري كذلك أن تكون الصورة الضوئية، المسلطة على الأنابيب الأربع، محاذاة بدقة.

إرسال المعلومات اللونية: يجب إرسال الإشارات الناتجة، من الأنابيب اللونية الثلاث، الموجودة بالكاميرا إلى المستقبل؛ لأن أنبوبة الصورة الملونة بالمستقبل، تحتاج إلى إمدادها بالمعلومات اللونية، الحمراء والخضراء والزرقاء، وإرسال معلومات عن ثلاث كميات متغيرة القيمة، مثل المضمونات الحمراء والخضراء والزرقاء للصورة، يتطلب استخدام ثلاث إشارات منفصلة، ومع ذلك فإنه ليس من الضروري أن تكون هذه الإشارات، هي إشارات الصور الحمراء والخضراء والزرقاء نفسها، الناتجة من الأنابيب اللونية الثلاث، ولكن أية ثلاث إشارات تحتوي على المضمونات الحمراء والخضراء والزرقاء تفي بالغرض، إذ أنه من الممكن استخلاص هذه المضمونات منها، ببعض العمليات الجبرية، باستخدام دائرة إلكترونية، تسمي المصفوفة.

تعمل دائرة المصفوفة، بالطريقة نفسها، التي تستخدم لحل المعادلات الآنية، التي تحل آنياً، وإحدى الإشارات التي يتم إرسالها بالفعل، هي تلك الإشارة التي تستخدم إشارة نصوع؛ لأنها تحتوى على معلومات لونية عن الألوان الحمراء والخضراء والزرقاء، ويرمز عادة لهذه الإشارة بالرمز ن، وبذلك يكون مطلوباً إرسال إشارتين أخريين، وقد اختيرت هاتان الإشارتان، لتكونا إشارة ح-ن، وإشارة ز-ن، وتسمى هاتان الإشارتان، بإشارتي التباين اللوني، وتستخدم موجة حاملة فرعية، لإرسال إشارتي التباين اللوني، وقد ابتكرت عدة طرق لتضمين الموجة الحاملة الفرعية، بإشارتين منفصلتين، واستخلاصهما مرة ثانية في المستقبل، وللاحتفاظ بالإرسال الملون، في حدود النطاق الترددي للقناة التليفزيونية المستخدمة للإشارة الصورية، ويختار تردد هذه الموجة بدقة بحيث لا تحدث هي، أو إشارات التضمين، تداخلاً مع إشارة النصوع.

2. تكنولوجيا التليفزيون

من المعلوم، أن الصورة التليفزيونية، تتكون من عدد كبير من الخطوط المتجاورة، وتتيح هذه الطريقة في عرض الصورة التليفزيونية، تنفيذ بعض التأثيرات الخاصة واستغلالها، عند إنتاج البرامج التليفزيونية.

من هذه التأثيرات، الطرق والأساليب التي تستخدم لإحلال صورة تليفزيونية، محل صورة أخرى، إذ يمكن تنفيذ ذلك لحظياً، وتسمى هذه الطريقة بطريقة القطع، أو بإخفاء الصورة الأولى تدريجياً، في الوقت نفسه الذي تبدأ فيه الصورة التالية في الظهور؛ وتسمى هذه الطريقة بطريقة الخبو المضاد؛ كذلك يمكن تركيب صورتين، أي إضافة الصورة الثانية إلى الصورة الأولى، أو اشتراك نصفين من صورتين مختلفتين، في الظهور على الشاشة التليفزيونية، بمعنى أن يظهر النصف الأيسر من إحدى الصور التليفزيونية، مع النصف الأيمن من صورة تليفزيونية أخرى، على الشاشة في الوقت نفسه، وتسمى هذه الطريقة طريقة الشاشة المقسمة، وتستخدم عادة في إظهار الممثلين القائمين بمحادثة تليفونية، في التمثيليات التليفزيونية، وفي العادة، يفصل بين نصفي الصورتين بخط رأسي، ولكن يمكن، أيضاً، أن يكون هذا الخط الفاصل أفقياً أو قطرياً مائلاً، وكذلك يمكن تحريك هذا الخط الفاصل، عبر الشاشة، لإخفاء أحد النصفين، وإظهار الصورة الثانية بكاملها.

أصبحت جميع هذه التسهيلات المذكورة، للمزج البصري، متيسرة، باستخدام بعض الأساليب التقنية، مثل أسلوب تطعيم الصورة، أو أسلوب الفصل بالألوان، فأسلوب تطعيم الصورة يتيح حذف أية مساحة محددة من الصورة التليفزيونية، وإحلال المساحة المناظرة، لها من صورة أخرى، محل هذه المساحة المحذوفة، ويمكن تنفيذ ذلك باستخدام صمام أشعة المهبط، الذي تمسح شاشته، بوساطة شعاع إلكتروني، غير معدل الشدة، وفي صورة متزامنة، مع عمليات المسح، التي تتم في كل من كاميرات التصوير التليفزيوني، التي يتم بها تصوير المنظرين، المراد تنفيذ عملية التزاوج بينهما.

في هذه الحالة تكون شاشة صمام أشعة المهبط، مضيئة بشكل منتظم، بوساطة خطوط المسح، التي يبلغ عددها، 405 أو625 خطاً، وفي الوقت نفسه، توضع خلية كهروضوئية، بالقرب من منتصف الشاشة، وتستجيب هذه الخلية للضوء المنبعث من الشاشة، ويستغل خرج هذه الخلية، بعد تكبيره، في تشغيل مفتاح تحويل، يتم بوساطته إبدال خرج إحدى الكاميرات، بخرج الكاميرا الثانية، فإذا غطى نصف شاشة، صمام أشعة المهبط بوساطة قناع معتم، بحافة مستقيمة رأسية، فإن الخلية الكهروضوئية، تعمل خلال فترات الأنصاف المضيئة من خطوط المسح، بينما لا تعمل خلال الأنصاف المعتمة فيها، وبذلك تحدث عملية إبدال خرج الكاميرات، عند منتصف كل خط من خطوط المسح، فنحصل على صورة تليفزيونية مركبة، يتكون نصفها الأيسر، من خرج إحدى الكاميرات، بينما يكون نصفها الأيمن، هو خرج الكاميرا الثانية.

وبتحريك القناع المعتم، يمكن إخفاء أحد هذه الأنصاف، وإظهار الصورة الأخرى بكاملها؛ كذلك فقد يأخذ القناع المعتم، أشكالاً مختلفة، للحصول على بعض التأثيرات المشوقة؛ فمثل، إذا كان المنظر، الذي يتم تصويره بوساطة الكاميرا الأولى، منظراً داخلياً، يمثل غرفة لها نافذة، وإذا ما جعل القناع المعتم، مناسباً تماماً للمساحة، التي تحتلها النافذة من المنظر، فإنه يمكن تطعيم هذه الصورة، في المساحة التي تحتلها النافذة، بخرج الكاميرا الثانية، الذي قد يكون منظراً ريفياً، مصوراً من صورة فوتوغرافية، أو منظراً لحركة المرور في الطريق، يؤخذ من أجهزة التليسينما، أو من شرائط الفيديو؛ تعرف هذه الطريقة بالتزاوج بين الأجزاء المختلفة لصورتين مختلفتين، بطريقة التطعيم.

يستخدم أسلوب الفصل بالألوان الطريقة الثانية بالتزاوج بين أجزاء صورتين مختلفتين، في النظام التليفزيوني الملون، ولا تحتاج هذه الطريقة لصمام أشعة المهبط، والقناع المعتم، المستخدمين في الطريقة الأولى، ولكن تلون أجزاء الصورة الأولى، المطلوب عدم إظهارها في الصورة المركبة النهائية، باللون الأزرق، ويستغل خرج صمام اللون الأزرق، للتحكم في تشغيل مفتاح التحويل، بحيث يقوم هذا المفتاح باستبدال، أية مساحة ملونة باللون الأزرق في الصورة الثانية؛ تعرف هذه الطريقة، بطريقة "الفصل بالألوان".

هذه الطريقة مفيدة، بصفة خاصة، عند إنتاج البرامج التليفزيونية الإخبارية، التي يكون مطلوب فيها، أن يظهر المذيع في الصورة أمام خلفية، تمثل مجلس الشعب، مثلاً، ويمكن إنتاج مثل هذه الصورة، بتصوير المذيع أمام خلفية بسيطة زرقاء، بوساطة الكاميرا الأولى، بينما تقوم الكاميرا الثانية، بتصوير منظر لمجلس الشعب، من صورة فوتوغرافية، أو شريحة شفافة ملونة، ولكن، يجب التأكد، من عدم ارتداء المذيع أية ملابس زرقاء؛ لأنه إذا كان المذيع يرتدي، مثلاً، رباط عنق، كرافتة، أزرق، فإن المشاهد يرى المساحة المناظرة لرباط العنق، من صورة مجلس الشعب، في مكان رباط العنق.

3. أجهزة تفسير الصور

تُعد الطريقة الواضحة، لإنتاج التفسيرات المكتوبة، وعرضها على الشاشة التليفزيونية، هي كتابة هذه التفسيرات، بوساطة الفنانين المتخصصين، ثم تصويرها بالكاميرا التليفزيونية، أو تصويرها فوتوغرافياً، وتحويلها إلى شرائح شفافة، يمكن بعد ذلك تصويرها تليفزيونياً مباشرة، أو بعد عرضها بجهاز عرض الشافات، وكل من هذين الأسلوبين، يحول التفسيرات المكتوبة، إلى إشارات صورية، فيديو، إذ يمكن بعد ذلك، مزجها مع الإشارات الصورية للمنظر، المطلوب التعليق عليه كتابة، وذلك إذا كان المطلوب، هو إضافة التعليق المكتوب، إلى الصورة الموجودة على الشاشة التليفزيونية.

ولكن هذه الأساليب، تحتاج إلى وقت لتنفيذها، وقد استبدل بهذه الأساليب، أسلوب تقني آخر، وفيه يتم إنتاج التفسيرات، والتعليقات المكتوبة إلكترونياً؛ والأجهزة المستخدمة في إنتاج التفسيرات إلكترونياً، تحتوي على مفاتيح مماثلة لتلك الموجودة بالآلات الكاتبة، ولكن عند الضرب على مفتاح حرف هجائي معين، يقوم الجهاز بإنتاج إشارة صورية، فيديو، لهذا الحرف، وإذا ما غذيت هذه الإشارة إلى جهاز الاستقبال التليفزيوني، يظهر الحرف الهجائي على شاشته، وبمجرد أن يضرب على أحد مفاتيح هذا الجهاز، فإنه يقوم بإنتاج الإشارة الصورية للحرف الهجائي المناظر لهذا المفتاح، بصورة مستمرة، بحيث يظل الحرف الهجائي، ظاهراً على الشاشة التليفزيونية، دون أن يختفي، ويمكن بوساطة هذا الجهاز إظهار حتى 25 حرفاً هجائياً، في صورة صف بعرض الشاشة، وهذا هو المطلوب في أغلب الأحيان، للتعليق على الصورة بالكتابة في أسفلها، ولكن عند الضرورة، يمكن لهذا الجهاز، إنتاج حتى 14 صفاً من الحروف الهجائية، لتملأ الشاشة التليفزيونية.

4. إشارات الاختبار

من المعروف، أن خطوط المسح التليفزيوني، التي يبلغ عددها 625 خطاً، لا تظهر جميعها على شاشة جهاز الاستقبال التليفزيوني، وذلك لأن بعضاً من هذه الخطوط، يفقد بسبب قطع الشعاع الإلكتروني، في صمام الصورة، في لحظات وصول إشارات تزامن الحقل، التزامن الرأسي، ومن الممكن استغلال هذه الخطوط غير المستخدمة، لإرسال بعض المعلومات، التي لا يمكن لأجهزة الاستقبال التليفزيونية الإحساس بها.

وقد تأخذ المعلومات التي يمكن إرسالها بهذه الطريقة، في أحد أشكالها، صورة سلسلة من إشارات الاختبار الهندسي؛ عند استقبال الإشارة التليفزيونية، في محطة الإرسال التليفزيوني، فإن هذه الإشارات، تعطي بياناً عن أداء الدوائر الكهربائية، والمعدات التي تمر بها الإشارات، منذ لحظة نشأتها في الاستوديو، وتعطي إشارات الاختبار، معلومات مفيدة للمهندسين، الموجودين بمحطة الإرسال، عن العيوب الموجودة، بحيث يمكنهم اتخاذ الإجراءات اللازمة لعلاجها.

من التطورات الحديثة، استخدام معدات مزودة بأجهزة حاسبة إلكترونية، في محطات الإرسال التليفزيوني؛ وتستطيع هذه المعدات بطريقة مشابهة لما سبق، اختبار أداء سلسلة المعدات التي تمر بها الإشارة التليفزيونية وتحسينها، بل تستطيع أيضا، تنفيذ بعض الإجراءات، مثل تحويل الإشارة إلى مسار تبادلي.

5. قنوات المعلومات

هذه خدمة حديثة، أصبحت متاحة لأصحاب أجهزة الاستقبال التليفزيوني، وهي تستخدم الإشارات، التي ترسل خلال فترات إشارات تزامن الحقل، التزامن الرأسي، و بذلك لا يمكن لأجهزة الاستقبال التليفزيوني المألوفة، الإحساس بها، ولكن يمكن انتقاؤها باستخدام جهاز خاص، يوصل بجهاز الاستقبال، أو يركب بداخله، وبذلك يمكن عرض هذه الإشارات على شاشة الجهاز، بدلاً من الصورة العادية، أو مضافة إليها، وتظهر هذه الإشارات لدى عرضها على الشاشة، في صورة صفحات من المعلومات، تصل إلى مائة صفحة، ويمكن اختيار الصفحة المطلوبة، بوساطة أزرار خاصة، وتتكون كل صفحة، من عدد من السطور، قد يصل إلى 24 سطراً، بينما يحتوى كل سطر،على عدد من الحروف الهجائية، يبلغ حتى 40 حرفاً؛ ويمكن أن تخصص الصفحات للموضوعات الإخبارية، أو التنبؤات الجوية، أو نتائج المباريات الرياضية، أو أسعار الأوراق المالية، أو أية موضوعات أخرى؛ من مزايا هذا النظام، أنه يمكن تغيير هذه المعلومات باستمرار أثناء عرضها، لتصبح مطابقة لآخر موقف.

6. الدائرة التليفزيونية المغلقة

لا يقتصر استخدام الأساليب التليفزيونية، على مجال الإذاعة التليفزيونية فحسب، بل يتعداها، ليغطى كثيراً من المجالات الأخرى، فهناك مناسبات كثيرة، يكون مطلوباً فيها مشاهدة ما يحدث في مكان بعيد؛ يمكن تحقيق ذلك، باستخدام كاميرا تليفزيونية، ملحقة بجهاز استقبال تليفزيوني أو أكثر، وفي العادة، لا تكون هناك ضرورة لوجود وصلة لاسلكية، بين الكاميرا وأجهزة الاستقبال، كما هو الحال في الإذاعة المرئية، ولكن يكون الاتصال المباشر كافياً، وهذا ما يسمى بالدائرة التليفزيونية المغلقة؛ في المجالات الصناعية مثل، أن يمكن استخدام التليفزيون، في مراقبة العمليات الصناعية عن بعد، في الحالات التي يكون فيها، من الخطر ومن غير المناسب، وجود الأشخاص قريباً منها، وفي مجال التحكم في حركة المرور، يمكن استخدام التليفزيون، بوضع كاميرات تليفزيونية، في النقط الإستراتيجية، وملاحظة انسياب المرور من غرفة تحكم مركزية، وكذلك، يمكن باستخدام التليفزيون، توفير الأمن، فمثلاً، تستخدم دائرة تليفزيونية مغلقة، في المحلات التجارية الكبيرة، و يستطيع فرد واحد، بوساطتها، مراقبة دور كامل من أدوار المحل التجاري.

يستخدم التليفزيون كذلك في السجون، لمساعدة الحراس في مراقبة الأسوار الخارجية، التي تحيط بالسجن، ويستخدم بكثرة، لعرض المعلومات، وبصفة خاصة، حين يكون مطلوباً، باستمرار، تجديد هذه المعلومات، فمثلاً، يستخدم التليفزيون في المطارات، ومحطات السكك الحديدية، لعرض جداًول مواعيد قيام، ووصول القطارات، ويستخدم التليفزيون، أيضاً، في المستشفيات، للأغراض التعليمية، فمثلاً، يمكن تثبيت كاميرا تليفزيونية أعلي منضدة العمليات الجراحية، ليتمكن عدد من الطلبة، من مراقبة تسلسل خطوات العملية، باستخدام أجهزة الاستقبال.


           

[1] الميكرون وحدة قياس للأطوال تساوي 10-6 م.

[2] هي عملية تقسيم الصورة إلى عدد معين من الأقسام المتوازية، و التعامل مع هذه الأقسام كل على حدة، وعلى التوالي، وبسرعة عالية تجعل المتلقي يشعر أنه يتعامل مع الصورة كاملة.

[3] كاشف الأشعة تحت الحمراء لا يعمل إلا في درجات حرارة منخفضة جداً، ويحتاج إلي تبريد مستمر.

[4] تأثير دوبلر هو اختلاف تردد الموجة الكهرومغناطيسية المرتدة من سطح جسم متحرك عن تردد الموجة الساقطة عليه؛ الاختلاف يعبر عن سرعة الجسم العاكس.

[5] هو زمن الدورة الكاملة حول الكرة الأرضية.

[6] معروف عالمياً بالأحرف G P S.

الفصل الرابع

بعض الاستخدامات التطبيقية



سادساً: تلسكوب لاسلكي

لا تقتصر الأجرام الفلكية على إصدار الضوء المرئي، الذي يرتبط عادة بالنجوم والأجرام السماوية الأخرى فحسب، بل تنتج، أيضاً، جميع الأطوال الموجية الأخرى، التي يتضمنها الإشعاع الكهرومغناطيسى، ابتداء من أشعة جاما، وحتى الموجات اللاسلكية، ومن بين كل هذه الإشعاعات، تتمكن موجات الضوء المرئي، والموجات اللاسلكية فقط، من الوصول إلى سطح الأرض، ويرجع ذلك إلى انعكاس الموجات، ذات الطول الموجي الأطول من الموجات اللاسلكية، ثانية إلى الفضاء، بوساطة طبقة الأيونوسفير، وهي الطبقة العليا المتأينة من الغلاف الجوي، بينما تمتص باقي الأطوال الموجية، في الطبقات الدنيا من الغلاف الجوى، لذلك فإن على سطح الأرض، نافذتين من الأطوال الموجية للمشاهدات الفلكية، تستخدم التلسكوبات الضوئية إحداهما، وتستخدم التلسكوبات اللاسلكية النافذة الأخرى.

تكون كمية الطاقة المستقبلة من الفضاء، على هيئة موجات لاسلكية متناهية الصغر، إذ لا تكفي الكمية الكلية للطاقة المجمعة، بوساطة جميع التلسكوبات اللاسلكية، منذ عرف علم الفلك اللاسلكي، لإضاءة مصباح وميض، لمدة جزء من مليون من الثانية، ولمنع التداخل الناشئ عن محطات الإذاعة، فقد تم تخصيص ترددات لاسلكية معينة، باتفاقية عالمية، للاستخدام في أغراض الفلك اللاسلكي وحدها.

تطور علم الفلك اللاسلكي، نتيجة التطوير الذي حدث في التلسكوبات اللاسلكية المستخدمة بمثابة مكشاف؛ يتضمن أي تلسكوب لاسلكي، أساساً، ثلاثة أجزاء، أولها هوائي الاستشعار، الذي يستقبل الموجات اللاسلكية، ويحولها إلى خرج كهربائي؛ وثانيها مكبر، مضخم، لزيادة الإشارة الضعيفة جداً الخارجة من الهوائي، حتى تكتسب قدرة كبيرة كافية لتشغيل المراحل التالية، وثالثها وحدة الخرج والبيان،التي تعرض النتيجة، أو تخزنها، على وسيط مغنطيسي، لتحليلها في وقت لاحق.

1. هوائي الاستشعار

يمكن أن يتخذ هوائي التلسكوب اللاسلكي، صوراً متعددة، يتكون أبسطها من عدد كبير من الهوائيات البسيطة، ثنائية القطب، مثل هوائي التليفزيون، على مساحة محددة، متصل بعضها ببعض بأسلاك، ويعد الهوائي ذو الشكل الطبقي الكبير أكثر الأنواع شيوعاً، وفيه تنعكس الموجات اللاسلكية، إلى بؤرة عاكس معدني مقعر، ويتم استشعارها بوساطة هوائي بسيط ثنائي القطب؛ يوجد أكبر طبق متحرك في العالم، قطر 100م أو 328 قدما، في أفلسبرج بألمانيا، رغم وجود طبق ثابت قطره 300 م، 1000قدم، منشأ في منخفض من الأرض في أريسيبو، في بورتوريكو، (أُنظر صورة منظر من الجو لطبق أريسيبو)، مخصص فقط للكشف عن المصادر التي تمر فوق الرأس تقريباً، العمودية.

هناك سببان يكمنان خلف الرغبة في تصنيع هوائي له أكبر مساحة تجميع، أولهما، أن الهوائي الكبير، يستطيع تجميع قدرة أكبر من المصدر، والسبب الثاني توقف قدرة التمييز أصغر التفاصيل التي يمكن اكتشافها، لأي نوع من التلسكوبات، على الطول الموجي للإشعاع، مقسوماً على قطر فتحة التلسكوب، ومن المعروف أن الموجات اللاسلكية، أطول كثيراً من الموجات الضوئية، لذلك يلزم أن يكون قطر التلسكوب اللاسلكي، الذي يمكنه تمييز ما يميزه أكبر تلسكوب ضوئي، عدة أميال، ولا يمكن إنشاء مثل هذا الطبق عملياً، ولكن يمكن الحصول على تأثير الطبق الكبير، بالتجميع الكهربائي لخرج عدد من الهوائيات الأصغر، تغطى مساحة من الأرض، تساوي مساحة هذا الهوائي الخيالي الكبير.

ويتخذ أبسط ترتيب للأطباق المناسبة لهذا الغرض، هيئة خط يمتد من الشرق إلى الغرب، بحيث يؤدي دوران الأرض، إلى أن يدور كل طبق حول الآخر، بطريقة فعالة في قطاعات ناقصة، وذلك عندما يتسنى مشاهدتها من نقطة خارج الأرض؛ وأكبر تلسكوب يعمل وفقاً لهذه الطريقة في كامبردج، يبلغ طوله خمسة كيلومترات، عند طول موجي يبلغ عدة سنتيمترات، يمكن بوساطته تمييز تفاصيل دقيقة، مثل تلك التي يميزها التلسكوب الضوئي.

2. مكبرات التليسكوب

تعمل التلسكوبات اللاسلكية غالباً، عند أعلى تردد ممكن، أقصر طول موجي، إذ يتيح ذلك الحصول على أفضل قدرة تمييز لهوائي له حجم معين، وقد ارتبط تقدم علم الفلك اللاسلكي، ارتباطاً وثيقاً بتطور المكبرات الكهربائية، حتى تعمل بكفاءة عند الترددات العالية جداً، التي تصل إلى عدة آلاف من الملايين من الذبذبات في الثانية، وقد تم تطوير عدد من الأنواع التخصصية؛ يوضع أحد هذه المكبرات في بؤرة الهوائي كمكبر أولي للإشارة الضعيفة جداً، قبل أن تمر خلال الموصل إلى المكبر الرئيس، الذي يوجد على بعد عدة مئات من الأمتار، ويقوم المكبر الأولي، أيضاً، بخفض تردد الإشارة، لخفض اضمحلالها بسبب الموصل، وكذلك حتى يمكن تكبيرها بوساطة مكبر تقليدي من الترانزستورات، يوجد عند النهاية الأخرى من الموصل.

3. وسيلة البيان

يمكن أن تتخذ وسيلة البيان ببساطة، هيئة مسجل بياني، وفيه يكون انحراف الريشة، معبراً عن شدة الإشعاع، الصادر من أجزاء مختلفة من المصدر، عندما يقوم التلسكوب بمسحه، ويحتاج التلسكوب الذي يعمل على الاستفادة من حركة الأرض، إلى مراقبة مستمرة لمدة 12 ساعة، قبل أن يمكن عمل خريطة للمصدر، لذلك يجب تسجيل الإشارات بمجرد ورودها، وفي نهاية الفترة الزمنية، يتم معالجتها لإنتاج خريطة، يمكن رسمها بوساطة راسم خرائط كنتورية؛ في حالة التلسكوب الذي يراقب خط الهيدروجين المتعادل، عند الطول الموجي 21.1 سم، يتم تقسيم الخرج الناتج، إلى ترددات مختلفة، بوساطة دائرة إلكترونية، تعرف بمقياس الطيف، ويكون الخرج عند كل تردد، مناظراً لسحابة من الهيدروجين لها سرعة مختلفة عن غيرها، و يمكن إظهار ذلك، بأية طريقة من الطرق السابقة.

من ناحية أخرى، بالنسبة لموقع معين من السماء، يمكن للرسم البياني الخاص بالقدرات اللاسلكية عند ترددات مختلفة، التمييز بين سحابات من الهيدروجين، تقع على مساحات مختلفة على خط الرؤية نفسه، ولكل منها سرعة مختلفة بعض الشيء، وهناك تطور أحدث، تم أخيراً، وهو القياسات المتداخلة، إذ يقوم فيه تلسكوبان لاسلكيان، في قارتين مختلفتين، تفصل بينهما عدة آلاف من الأميال، بمراقبة المصدر نفسه، وفي اللحظة الزمنية نفسها، ويتم تسجيل خرج كل منهما، ثم تجميع التسجيلين إلكترونياً بعد ذلك، كي يعطي نموذجاً متداخلاً للمصدر، ومن هذا النموذج، يمكن استنتاج بعض التفصيلات عن المصدر، وبقدرة تمييز أفضل، من التلسكوب الضوئي بألف مرة، ويمكن قياس المسافة بين التلسكوبين، أيضاً، بهذا الأسلوب، بدقة عالية جداً.

سابعاً: تحديد إحداثيات المكان باستخدام نظام الأقمار الصناعية G. P. S.

عبر عصور التاريخ المختلفة، استخدم الإنسان الأجرام السماوية، لأغراض الملاحة، فاستخدم أولاً النجوم، علامات إرشاد، لتحديد إحداثي المكان علي سطح الأرض.

ومنذ بداية الستينيات، نشطت القوات الجوية، والبحرية الأمريكية، في الأخذ بفكرة أن عملية الملاحة، سواء كانت بحرية أو جوية، يمكن إجراؤها، وكذلك تحديث إحداثي المكان على سطح الأرض، باستخدام إشارات عالية التردد، مرسلة من المركبات الفضائية؛ ثم بوساطة أجهزة لاستقبال الإشارات عالية التردد، المرسلة من الأقمار الصناعية، أمكن تحديد إحداثيات المكان، ويعد ذلك من أحدث الطرق المساحية في العالم في الوقت الحاضر، لهذا فإن مجالات تطبيقها، واستخداماتها، في مختلف فروع علم المساحة، أخذت تظهر بشكل أو بآخر، وتعطي نتائج جيدة، لما لها من مواصفات، وظروف ميسرة، تذلل كثيراً من العقبات في طرق المساحة التقليدية.

وفي يناير 1964، بدأت الولايات المتحدة الأمريكية، في تشغيل النظام العابر للأقمار الصناعية، الترانزيت Transit system للأغراض العسكرية، وبدأ استخدامه في الأغراض المدنية، في 29 يوليو 1967، وظل هذا النظام يعمل حتى عام 1995، وعمل هذا النظام، بمبدأ الدوبلر[4] الذي يعرف التغير الظاهر، في تردد الإشارة المرسلة، بسبب الحركة النسبية بين المرسل والمستقبل، لذا فإن أي تحرك بين مصدر التردد الثابت، والراصد، ينتج عنه تغير في تردد الإشارة المرسلة؛ يتكون نظام الترانزيت، من ستة أقمار صناعية، وكل منها يدور حول الأرض في مسارات قطبية، في زمن[5] قدره 107 دقيقة، باتجاه ثابت، علي ارتفاع 1075 كم فوق سطح الأرض.

ثم أنتجت وزارة الدفاع الأمريكية، نظاماً عالمياً للأقمار الصناعية، لتحديد إحداثيات المكان على سطح الأرض، يسمى نظام[6] Global positioning System، وقد بدأ استخدامه في التطبيقات المساحية في يناير 1983.

1. الجيوديسيا والفلك وعلاقتهما بالأقمار الصناعية

الجيوديسيا علم، يبحث في كثير من الموضوعات التي تتصل بحجم، الأرض وشكلها، وأبعادها، ويغطي علم الجيوديسيا، مدارات الأقمار الصناعية، وخصائصها المميزة، وتعد المساحة الجيوديسية، من أدق العلوم المساحية على الإطلاق، وهدفها الرئيسي تحديد إحداثيات نقط، على سطح الأرض بدقة عالية.

كما أن علم الفلك، أدى دوراً جوهرياً، في ظهور الأقمار الصناعية، من خلال قوانين كبلر Keppler للكواكب السيارة، التي توصل إليها في الفترة من عام 1609 إلى 1619، وقوانين نيوتن Newton التي توصل إليها عام 1666، إذ كانت تلك القوانين، هي المصدر الرئيس لمحددات حركة الأقمار الصناعية.

تحديد إحداثيات النقط على سطح الأرض، باستخدام الأقمار الصناعية، يتطلب ما يلي:

أ. إنشاء محطات وشبكات أرضية، لتتبع مسارات الأقمار الصناعية.

ب. تحديد أماكن هذه المحطات على سطح الأرض، بدقة عالية باستخدام المساحة الجيوديسية.

ج. أن تكون إحداثيات هذه المحطات، مسندة إلى أساس Datum جيوديسي عالمي، وبالتالي تكون قادرة على تحديد معاملات Parameters مدارات نظم الأقمار الصناعية، التابعة لها بدقة عالية.

د. إمداد ذاكرة القمر الصناعي بالمعلومات الخاصة بالمدار، بوساطة محطات بث أرضية.

هـ. تقوم الأقمار الصناعية، بإرسال تلك المعلومات إلى أجهزة الاستقبال الأرضية، التي تعمل مع هذا النظام من الأقمار الصناعية، إذ تتمكن تلك الأجهزة من حساب إحداثيات النقطة، التي يوجد بها هوائي كل جهاز.

2. النظام العالمي للأقمار الصناعية Global Positioning System

يتكون هذا النظام في صورته الفلكية الكاملة، من 18 قمراً صناعياً، موزعة على 6 مدارات متساوية الفواصل، بين كل مدار والآخر زاوية 60 درجة، على خط الاستواء، وزاوية ميل كل مدار عن خط الاستواء 55 درجة، وهذا يحقق رصد 4 أقمار صناعية على الأقل في الوقت نفسه، وفي أي مكان على سطح الكرة الأرضية، هذا بالإضافة إلى 3 أقمار صناعية احتياطية، في مدارات في الفضاء.

أوضاع 21 قمراً صناعياً لنظام Gps

أ. تدور هذه الأقمار حول الأرض على ارتفاع 20200 كم فوق سطح الأرض في زمن مداري قدره 12ساعة.

ب. إذا مر القمر فوق سمت الراصد، فسوف يمكن رصده لمدة 5 ساعات تقريباً؛ توزيع الأقمار الصناعية، يحقق رصداً من 4إلى 6 أقمار صناعية، لمدة 8 ساعات، علي فترتين يوميا، من أي مكان على سطح الكرة الأرضية.

3. أجهزة استقبال إشارات النظام العالمي للأقمار الصناعية G.P.S

أنتجت شركات عالمية متعددة أجهزة استقبال إشارات النظام العالمي للأقمار الصناعية؛ يحتاج الراصد للأجهزة الآتية، لاستقبال تلك الإشارات، المعلومات المرسلة، من القمر الصناعي:

أ. هوائي ليستقبل الإشارات المرسلة من القمر الصناعي، وهو جهاز يستخدم لتحويل الطاقة من موجات كهرومغناطيسية، إلى تيار كهربي، ويوضع فوق النقطة المطلوب إيجاد الإحداثي لها.

ب. مستقبل ليكشف، ويقوي، ويحل شفرة الإشارات المرسلة، وهو يعد الوحدة الرئيسة، في محطة الرصد، ويتكون من 4 قنوات وحاسب آلي صغير داخلي، يمكنه إعطاء إحداثي مطلق، غير مصحح، لكل محطة رصد، (أُنظر صورة مستقبل لنظام تحديد المواقع).

ج. وسط مناسب لتسجيل المعلومات المرصودة، لمعالجتها وتحليلها، وهو شريط كاسيت، أو قرص مرن، ذي مواصفات معينة.

د. أجهزة لتسجيل درجات الحرارة، والرطوبة، والضغط الجوي، في محطة الرصد لتصحيح الأخطاء المنتظمة، نتيجة العوامل الجوية.

4. الأجهزة المستخدمة، في معالجة إشارات النظام العالمي، للأقمار الصناعية G.P.S وتحليلها وحسابها

أ. قارئ لشرائط الكاسيت، لنقل المعلومات المرصودة إلى الحاسب الآلي.

ب. حاسب آلي مزود ببرامج تحقق الإمكانات الآتية:

(1) الاستعداد الميداني Field Preparation، لإعطاء معلومات الاستعداد اللازمة لاستقبال الأقمار الصناعية، في أي وقت، وفي أي مكان، بالأسلوب الذي يعطي أدق النتائج.

(2) تأمل المعلومات Data transfer يسمح بنقل المعلومات، بوساطة القارئ من شريط الكاسيت، أو القرص المرن.

(3) المعالجة الابتدائية للمعلومات Data Pre-processing، تحدد معلومات مدار القمر الصناعي، وحساب المكان المطلق لمحطة الرصد.

(4) القيام بالعمليات الحسابية Computation، وحل الشبكات الجيوديسية وضبط؛ جميع النتائج تعطى بنظام الإحداثيات، المستخدم مع النظام G.P.S. للأقمار الصناعية.

(5) تحويل الإحداثيات والنتائج Transformation and Results من نظام إحداثيات الأقمار الصناعية، إلى نظام إحداثيات معرف بوساطة المستخدم.

(6) جهاز طابع Printer، لطبع جميع المعلومات المعطاة للحاسب الآلي، بالإضافة إلى نتائج تحليل ومعالجة تلك المعلومات، ونتائج الحاسب التي تكون في صورة إحداثيات كارتيزية، منسوبة إلى مركز الأرض.

5. تشغيل النظام العالمي للأقمار الصناعية G.P.S

هنالك نظامان، يعملان بطريقة واحدة، وهو نظام G.P.S، أحدهما أمريكي Navstar، والآخر روسي، Glonass، وكلاهما يعمل بالفكرة نفسها؛ يرسل القمر الصناعي رسالة بمعدل 1500حرف bit كل 30 ثانية، تحتوي على كل المعلومات اللازمة لحساب مكان القمر الصناعي، رسالة القمر الصناعي، Code C/A تعمل مع الموجة الحاملة L1، بينما Code P يعمل مع التردد L2 ولقد صُمم الترددان الحاملان، L1، L2 ليكونا 154 و120 مرة تردد موجة نظام GPS الأساسية، وهو 10.23 ميجاهرتز، أي أن التردد L1 يساوي 1575.42 ميجاهرتز، والتردد L2 يساوي 1227.60 ميجاهرتز.

ولتحديد الإحداثي ثلاثي الأبعاد لمكان هوائي المستقبل، يلزم متابعة مسار ثلاثة أقمار صناعية ومتابعة مسار القمر الصناعي الرابع، مطلوب لتحديد معلومات الزمن، لتصحيح الخطأ الناتج عن وجود إزاحة به.

يجب اختيار الشكل الهندسي لمجموعة الأقمار الصناعية، بالنسبة لأماكن محطات الرصد، بحيث تعطي أعلى دقة، وهذا يتم بواسطة الحاسب الآلي؛ المسافة بين أجهزة الاستقبال الأرضية والقمر الصناعي، وقياس الزمن، هما المعلومتان الأساسيتان، في نظام G P S للأقمار الصناعية. وذلك النظام يعتمد على التزامن الدقيق، بين ساعة النظام، وساعة القمر الصناعي، وساعة جهاز الاستقبال الأرضي، وتستخدم الإشارات المتعددة المستقبلة في الوقت نفسه، من الأقمار الصناعية، من أماكن مختلفة، في الحصول على الإحداثي ثلاثي الأبعاد، المكان المطلق، وتتيح تحديد المكان النسبي ذي الثلاثة أبعاد، للأماكن غير المعلومة، بالنسبة لمكان آخر معلوم الإحداثيات؛ استخدام أجهزة استقبال مزدوجة التردد، يلاشي تأثير الانكسار التروبوسفيري، والأيونوسفيري.

ثامناً: شبكة الإنترنت

شبكة الإنترنت: شبكة من الحاسبات الآلية، تنتشر في جميع دول العالم، وتحمل كماً هائلاً من المعلومات والبيانات، بعضها يتبع جهات حكومية، وبعضها يتبع مؤسسات، وشركات، وأعمال خاصة، وبعضها له الصفة الشخصية. وتعد شبكة الإنترنت، في الوقت الحالي، الطريق السريع لتداول المعلومات، والمعارف، بين معظم ساكني الكرة الأرضية. إن السبب الرئيس الذي أدى، ويؤدي إلى النمو الضخم، لهذه الشبكة، ويعمل على زيادة انتشارها بمعدل نمو عالٍ جداً، هو سهولة الانضمام إلى هذه الشبكة، فأي مستخدم يمتلك حاسباً آلياً شخصياً يطابق مجموعة معينة من المعايير، يمكن له ببساطة أن يتصل ويرتبط بالشبكة، ويبدأ بث المعلومات عليها، أو تلقي البيانات منها، طبقاً لإرادته الخاصة.

المستخدم العادي لشبكة الإنترنت، لا يحتاج لمعلومات خاصة، عن كيفية بناء شبكات الحاسبات، وتقنيات تداول المعلومات وتأمينها، وأساليب التعديل Modulation، وحل التعديل Demodulation، لكي يستطيع الحصول على الفائدة الكاملة، من تعامله مع الإنترنت، وهذا أحد أسرار سحر هذه الشبكة وجاذبيتها الشديدة، لجميع فئات المستخدمين، بصرف النظر عن السن والجنس واللغة والثقافة والدرجة العلمية والمهنية، فالجميع يتحركون خلال الشبكة، من حاسب خادم Server، إلى آخر بسرعة فائقة، هي سرعة تدفق المعلومات عبر وسائط الاتصال المتاحة، وينتقلون من بلد إلى بلد، ويزورون الجامعات والمسارح والمكتبات، ويقابلون العلماء في معاملهم، ويحضرون اجتماعات وجلسات تبادل الآراء، وهم قابعون في أماكنهم، يداعبون بأصابعهم مفاتيح لوحة التحكم لحاسبهم الشخصي، وأعينهم مركزة على شاشات العرض لساعات طوال، بغرض البحث، والاطلاع، أو التجارة، وعقد الصفقات، أو ربما مجرد التسلية، عن طريق المشاركة في الألعاب، مع نظراء تفصل بينهم محيطات وقارات.

بدأت شبكة الإنترنت أول الأمر مشروعاً تموله وزارة الدفاع الأمريكية، تحت مسمى أربانت Arpanet ، وهي الأحرف الأولى من Advanced Research Projects Agency Net، وهي تعني شبكة وكالة برامج الأبحاث المتقدمة، وكانت تهدف إلى ربط تلك الوكالة، مع متعهدي القوات المسلحة، وعدد كبير من الجامعات، التي تعمل في أبحاث، ممولة من وزارة الدفاع؛ أصبحت (أربانت) نفسها، برنامج بحثي متقدم، يهدف إلى تطور تقنية بناء شبكات الحاسبات الآلية، ويمكنها الصمود أمام الهجمات العسكرية، ومع بداية عام 1969، كانت هناك شبكة حاسبات، تربط بين أربع جامعات كبيرة، هي جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، وجامعة إس. آر. إى، بمدينة ستافورد، وجامعة كاليفورنيا في سانتا بربرا، وجامعة أوتاه.

مع بداية الثمانينيات، ازداد عدد المشتركين في شبكة (اربانت) خصوصاً الجامعات المختلفة، إلى حد أنها بدأت لا تفي بمتطلبات تداخل حجم المعلومات المتدفق خلالها، وصار من الضروري إنشاء شبكة جديدة، فظهرت شبكة أطلق عليها Milnet، واختصت بالربط بين المواقع العسكرية فقط، بينما استمرت أربانت في التعامل مع الجهات ذات الطابع غير العسكري، واستخدم بروتوكول خاص، يسمح بتداول المعلومات بين الشبكتين، وأطلق عليه اسم "بروتوكول تبادل المعلومات بين الشبكات" Internet Protocol، وشاع تحت المسمي المختصر IP؛ وقد بلغ عدد مستخدمي الشبكتين، في ذلك الوقت 1024 مشتركاً.

في نهاية الثمانينات أنشأت مؤسسة العلوم الوطنية في الولايات المتحدة، National Science Foundation، الجهة المسؤولة عن إدارة شبكة الإنترنت في هذا الوقت، شبكة أقوى وأسرع أطلق عليها شبكة NSFNET، وانضمت إليها سريعاً كل الجهات، التي كانت تربط بينها شبكة أربانت، التي اختفت تماماً مع بداية التسعينات؛ وشهدت بداية التسعينات، شهدت الشركات والمؤسسات الكبيرة، في بناء شبكاتها المحلية الخاصة، التي تخدم احتياجاتها، واحتياجات المتعاملين معها، وبارتباط هذه الشبكات بشبكة NSFNET، نشأ الكيان العنكبوتي العملاق، واستخدم بتوسع لفظ الإنترنت، الذي يعني الربط بين الشبكات المحلية المختلفة؛ وفي عام 1995، أعلنت مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، أنها لن تسمح بالدخول المباشر، على الهيكل الأساسي لشبكة المعلومات، ولكنها أعطت هذا الحق لأربع شركات رئيسة، وهذه الشركات بعد ذلك تقوم ببيع الوصلات إلى المجموعات، والمنظمات، والشركات التي يمكنها أن تبيع هذا الحق إلى الأفراد، وتخضع شبكة الإنترنت حاليا، لما يطلق عليه Intrnet Society، جمعية الإنترنت، وتسعى لتطوير بروتوكول تداول المعلومات، وتخصيص العناوين للمشتركين، لرفع عدد المشتركين الحالي، الذي يقدر في حدود 15 مليون مشترك في أنحاء العالم المختلفة إلى أكثر من بليون مشترك.

ظهور شبكة الإنترنت العملاقة، وقدراتها الفائقة، يرجع أساساً إلى تطور علوم الإلكترونيات، وتقنيات إنتاج معالجات البيانات فائقة السرعة، ووسائط تخزين المعلومات الإلكترونية ذات السعة الضخمة، وكذلك تصميم وسائل الاتصال الرقمية المتطورة، التي تربط بينها الحاسبات الآلية، مكونة شبكات الحاسبات المحلية، وتلك التي تربط بين الشبكات المحلية وبعضها، مكونة الشبكة العنكبوتية، مع ابتكار الوسائل التقنية المناسبة، لتشفير المعلومات، والتحقق من هوية المستخدمين، وحظر دخول غير المسموح لهم، على المعلومات المتداولة على الشبكة.


   

[1] الميكرون وحدة قياس للأطوال تساوي 10-6 م.

[2] هي عملية تقسيم الصورة إلى عدد معين من الأقسام المتوازية، و التعامل مع هذه الأقسام كل على حدة، وعلى التوالي، وبسرعة عالية تجعل المتلقي يشعر أنه يتعامل مع الصورة كاملة.

[3] كاشف الأشعة تحت الحمراء لا يعمل إلا في درجات حرارة منخفضة جداً، ويحتاج إلي تبريد مستمر.

[4] تأثير دوبلر هو اختلاف تردد الموجة الكهرومغناطيسية المرتدة من سطح جسم متحرك عن تردد الموجة الساقطة عليه؛ الاختلاف يعبر عن سرعة الجسم العاكس.

[5] هو زمن الدورة الكاملة حول الكرة الأرضية.

[6] معروف عالمياً بالأحرف G P S.