کاربرد فیزیک در مخابرات

کاربرد فیزیک در مخابرات

همان طور که میدانید تمام برنامه های رادیو و تلویزیون و مخابرات توسط اصول و قوانین فیزیک مخابره میشوند.
این بخش از فیزیک مربوط به فیزیک اواج می باشد.



الکترومغناطیسی

فیزیک امواج الکترو مغناطیسی یک رده از فیزیک امواج است که دارای مشخصات زیر است.
• امواج الکترو مغتاطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج با هم تفاوت دارند
• در طیف فیزیک امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.
• برای مقیاس‌های بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.
• از جمله منابع زمینی فیزیک امواج الکترومغناطیسی می‌توان به فیزیک امواج دستگاه رله تلفن ، چراغ‌های روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.
• این فیزیک امواج برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.
• قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.
• فیزیک امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.
گستره فیزیک امواج الکترومغناطیسی
فیزیک امواج الکترومغناطیسی از طولانی‌ترین موج رادیویی ، با طول موج‌های معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می‌یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و پرتوی کیهانی می‌شود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می‌شوند در شکل آمده است که این تقسیم بندی‌ها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاری‌اند.
یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی
• طول موج λ بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر μm ، واحد آنگستروم A و واحد ایکس XU نشان داده می‌شود.
• با به کار بردن متر به عنوان واحد طول ، طول موج‌های نوری بایستی بنا به تناسب برحسب ، nm سنجیده شوند، ولی هنوز آنگستروم یک واحد رسمی بوده و به عنوان متداول ترین واحد در طیف نمایی به کار برده می شود.
• واحد XU ابتدا به شکل مستقل طوری تعریف شده بود که رابطه آن با آنگستروم به صورت 1A=XU 1002.060 بود. این واحد اکنون دقیقا معادل 10-10 یا m 10-13 تعریف شده است.
• علی رغم طبقه بندی عمومی تابش با طول موج ، کمیت مهم از نظر ساختار اتمی و مولکولی فرکانس <ν=c/λvacvac=c/v جایگزین شود. مولفین مختلف واحدهای مختلفی را برای عدد موجی مانند ΄ν ، K و δ به کار می‌برند که همگی یکسان‌اند، در این بحث علامت δ انتخاب شده است، زیرا امکان اشتباه آن با خود ν و یا سایر ثابت ها کم است.
• واحد عدد موجی یک بر سانتیمتر است که گاهی کایزر (K) نامیده می‌شود. واحد کوچکتر آن میلی کایزر است که ( mk ) واحد مناسبی برای ساختار فوق ریز و کارهای مربوط به عرض خطی است. هر چند که متخصصین طیف نمایی فرکانس رادیویی برای این قبیل کمیت‌ها واحد فرکانس یعنی MHz را به کار می‌برند(MHz 29.979=mk 1 ).
• انرژی موج را بر حسب واحد الکترون ولت ( ev ) بیان می‌کنند که انرژی‌های فوتونی خیلی بالا ( مربوط به طول موج‌های خیلی کوتاه ) یک الکترون ولت معادل 1.6x10-19J است.
طیف نمایی و فیزیک امواج الکترومغناطیسی
• ناحیه مرئی یا نور مرئی ( 4000-7500 آنگستروم ) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موج‌های بلند ، فرابنفش از طرف طول موج‌های کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمت های فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدوده‌هایی به ترتیب در حدود 30 میکرومتر و 2000 آنگستروم تقسیم می‌شوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسی‌ها می‌باشند.
• تا این اواخر ناحیه مرئی متشکل از فروسرخ تا فرابنفش نور توسط گاف‌هایی از نواحی رادیویی و اشعه ایکس سوا می‌شدند که در آنها بر انگیزش و آشکارسازی تابش با طول موج‌های متناسب ممکن نبوده است. اختراع رادار در سال‌های جنگ ( 45- 1938 ) راه ورود به نواحی فیزیک امواج خیلی کوتاه رادیویی یا کهموج را باز کرد، در حالی که در همان زمان طیف شناسان فروسرخ دامنه فعالیت خود را تا به نواحی طول موج‌های بلندتر توسعه می‌دادند. این دو ناحیه هم اکنون ابعاد کوچکتر از میلیمتر روی هم می‌افتند.
• گاف طول موج کوتاه ، به خاطر جالب بودنش برای متخصصین فیزیک پلاسما و اختر فیزیک به خوبی پر شده است. هم اکنون حدود طیف نمایی نوری به زیر 2 آنگستروم رسیده است در حالی که مرز پرتوهای ایکس نرم تا 50 آنگستروم می‌رسند. تشخیص بین پرتو نوری و پرتو ایکس ، در ناحیه پوشش فوق الذکر بر منشا خطوط طیفی مبتنی است.
• طیف نمایی نوری با گذار‌های الکترونهای خارجی یا ظرفیتی و طیف نمایی اشعه ایکس با گذارهای الکترون‌های داخلی مربوط می‌کند. طیف‌های نوری ، طول موج‌های خیلی کوتاه از الکترون‌های خارجی عناصری با درجه یونش بسیار بالا به وجود می‌آیند
س در زندگی بشر عنوان کرد.
نظریه ماکسول با آزمایشهایی با امواج الکترومغناطیسی تایید شدند و آزمایشهای هرتز خیلی زود برای تمام دانشمندان سراسر جهان شناخته شدند. و بدین ترتیب اندیشه استفاده از فیزیک امواج الکترومغناطیسی برای مخابرات و حتی برای انتقال بی سیم ، انرژی پدیدار شد.

تاریخچه :
پوپوف فیزیکدان و مهندس برق با تکرار آزمایشات هرتز طرح سوار کردن را بهبود بخشید. و در خلال سال 1889 توانست در تشدید کننده های گیرنده حرفه هایی را به وجود آورد که در سالن بزرگ و بدون تاریک کردن، مرئی باشد. بزودی او متوجه شد که برای استفاده علمی از فیزیک امواج الکترومغناطیسی ، اول از همه گیرنده حساس و مناسبی مورد نیاز است.
پوپوف در 7 مه 1895 طرز کار گیرندهایش را در انجمن فیزیک و شیمی روسیه نمایش داد و این روز به راستی باید روز تولد رادیو در نظر گرفته شود. چنین گیرندهای در سال 1894 توسط پوپوف طرح شد. که اجزای اصلی دستگاه او را در وسیله گیرنده امروزی می توان یافت.

گیرنده پوپوف:
ویژگیهای اصلی اولین گیرنده پوپوف چه بود و اساس کار آن چیست؟
پوپوف برای بهتر شدن حساسیت گیرنده از پدیده تشدید استفاده کرد. مزیت دوم اختراع پوپوف در آرایه آنتن گیرنده بسیار خوبی بود که گستره دریافت فیزیک امواج را به مقدار خیلی زیادی افزایش داد و هنوز هم در ایستگاههای دریافت موج رادیویی به کار می روند.
ویژگیهای ممتاز در گیرنده پوپوف در روش ثبت فیزیک امواج است. برای این منظور پوپوف به جای جرقه وسیله خارجی را بکار برد، یعنی موج یابی را که به تازگی توسط برنلی اختراع شده بود، در تجارب آزمایشگاهی به کار گرفت.

ساختمان موج یاب :
براده های ظریف آهن در یک لوله شیشه ای قرار داده می شوند دو سیم به دو انتهای شیشه محکم شده اند به طوری که با براده ها تماس دارند در شرایط عادی مقاومت الکتریکی بین براده های مجزا نسبتا زیاد است به طوری که کل موج یاب مقاومت بالایی دارد. موج الکترومغناطیسی جریان متناوب با فرکانس بالا در مدار موجیاب ایجاد می کند. و جریان مخصوص بین براده ها باعث می شود، که آنها به هم جوش بخورند.
در نتیجه مقاومت موج یاب ناگهان افت می کند. برای افزایش مقاومت موج یاب تا مقدار اولیه و حساس کردن دوباره آن به امواج الکترومغناطیسی باید آنرا تکان داد. پوپوف موج یابی را در مداری شامل باتری و یک رله تلگراف قرار داد. قبل از وارد شدن موج الکترومغناطیسی مقاومت موج یاب زیاد است و جریان جاری از آن و رله ضعیف است و آرمیچر جذب آهنربای الکتریکی پایینی نمی شود.
وقتی که موج الکترومغناطیسی ظاهر شد، مقاومت فیزیک امواج موج یاب افت می کند، جریان الکتریکی به تندی فردی می یابد و رله آرمیچر جذب آهنربای الکتریکی می شود. بنابراین اتصال رله آهنربای پایینی که یک زنگ الکتریکی معمولی را به باطری وصل می کند، برقرار می شود. چکش به زنگ می خورد یا سوراخی بر نوار کاغذی متحرک ثبت می کند، و به این ترتیب ورود موج خبر داده می شود. در حرکت به عقب چکش به موج یاب میخورد و در نتیجه حساسیت آن برقرار می ماند. به این ترتیب پوپوف به اصطلاح رله مدار اتصال را تحقق بخشید.
یرنده رادیویی:
انرژی خیلی کم فیزیک امواج ورودی به طور مستقیم برای دریافت (مثلا برای هر جرقه) به کار نمی رود، بلکه برای کنترل چشمه انرژی ای که وسیله ثبت کننده را تغذیه می کنند، به کار گرفته می شوند. در گیرنده های رادیویی امروزی، لامپهای الکترونی جایگزین موج یاب شده اند ولی اساس رله به قوت خود باقی است. لامپ الکترونی اصولا مثل رله کار می کند. سیگنالهای ضعیفی که به لامپ داده می شوند قدرت و جریان چشمه های تغذیه لامپ را کنترل می کنند.
به علاوه پوپوف در گیرنده اش اساس پسخوراند را که هنوز هم در مهندسی رادیو به کار می رود، نشان داد. سیگنال تقویت شده در خروجی گیرنده «مدار زنگ الکتریکی) به طور خودکار بر ورودی گیرنده «مدار موج یاب) اثر می کند. پسخوراند در اختراع پوپوف از اساس امر به کلی تازهای است.
پوپوف در بررسیهای بیشتری که همراه با ریبکین آنجام داد به دریافت سیگنالهای صوتی نیز پی برد و معلوم شد که اگر سیگنالها برای به کارانداختن موجیاب خیلی ضعیف باشند، تماسهای ناچیز براده ها به صورت آشکارساز عمل می کند. و هر سیگنالی با صدایی در تلفن متصل به موج یاب همراه است. این کشف امکان داد تا گستره مخابرات رادیویی وسیع شود.

تکامل رادیو:
قدم بعدی که در تکامل رادیویی خیلی سریع پس از اختراع پوپوف برداشته شد و آن بهبود فرستنده ها بود فاصله جرقه را از آنتنها حذف کردند و به جای آن مدار نوسانی خاصی قرار دادند که به صورت چشمه نوسانها کار میکرد. آنتن متصل به این مدار به صورت تابشگر فیزیک امواج عمل می کند.
اختراع لامپ های الکترونی توسط لوی دوفارست (ت1906) دانشمند آمریکایی که راه را برای ایجاد چشمه های نوسانهای الکتریکی نامیرا بازکرد، در تکامل رادیو اهمیت فوق العاده ای داشت. این اختراع نه فقط سیگنالهای تلگرافی ، بلکه انتقال صوتهای کلامی ، موسیقی ، و غیره را نیز توسط رادیو میسر ساخت، یعنی مخابرات بی سیم و پخش رادیویی را تحقق بخشید.

موجهای رادیو
موجهای رادیویی یک فرمی از اشعه الکترومغناطیس هستند و بوجود می آیند. وقتی یک شارژ الکتریکی موضوع شتاب با یک فرکانس که در فرکانس رادیو قرار دارد و قسمتی از طیف الکترومغناطیسی است. این یک تیررس از مقداری هرتز در برابر مقداری گیگا هرتز. اشعه الکترومغناطیس (تکثیر) حرکت می‌کنند توسط نوسان الکتریکی و زمینه‌های مغناطیسی که از هوا و خلاء فضا بخوبی عبور می‌کند و نیاز به وسیله برای حرکت و جابجایی ندارد.
توسط تفاضل ، دیگر اشعه‌های الکترومغناطیسی با فرکانسهای بیشتر از RF اشعه گاما ، اشعه ایکس و مادون قرمز ، ماورای بنفش و روشنایی قابل دیدن هستند. وقتی موجهای رادیو از یک سیم عبور می‌کنند، نوسان الکتریکی آنها یا زمینه مغناطیسی (بستگی به جنس سیم دارد) که ولتاژ را زیاد می‌کند، که این می‌تواند به صدا یا علامتهای دیگر که حاوی اطلاعات هستند تغییر فرم دهد. با وجود اینکه کلمه رادیو برای توضیح این پدیده بکار می‌رود، وسایل ارتباطی که ما می‌شناسیم تلویزیون ، رادیو ، رادار و موبایل ، همه در زیر مجموعه فرکانسهای رادیو قرار دارند.

E-MAILE:amerim70@yahoo.com