الموجات الكهرومغناطيسية والهوائيات وخطوط النقل

الموجات الكهرومغناطيسية والهوائيات
وخطوط النقل

إن من أعظم الاكتشافات التي حققها البشر
على مدى تاريخهم بعد اكتشافهم وتوليدهم للطاقة الكهربائية هو اكتشافهم
للموجات الكهرومغناطيسية ، ويعود الفضل في ذلك لعالم الفيزياء الاسكتلندي
الشهير جيمس كلارك ماكسويل والذي تكمن عبقريته في مقدرته الفذة على استخدام
الرياضيات في صياغة مختلف أنواع الظواهر الفيزيائية وكذلك استنباط الحقائق
الفيزيائية من الصيغ الرياضية ، لقد تمكن ماكسويل في عام 1860م من صياغة
جميع القوانين المتعلقة بالكهربائية والمغناطيسية وتفاعلهما مع بعضهما
البعض في أربع معادلات تفاضلية. ولم يتوقف الأمر عند هذا الحد بل استطاع
من خلال حل هذه المعادلات التنبؤ بوجود ما يسمى بالموجات الكهرومغناطيسية
والتي تم التحقق من وجودها وإيجاد طرق لتوليدها على يد عالم الفيزياء
الألماني هينرتش هيرتز (Heinrich Hertz) وذلك في عام 1887م.

من الجدير بالذكر أنه لولا تطور علوم الرياضيات وخاصة علمي التفاضل
والتكامل لما كان بإمكان ماكسويل صياغة قوانين الكهرباء والمغناطيسية بهذا
الشكل المميز ولما كان بإمكانه التنبؤ بوجود الموجات الكهرومغناطيسية.

لقد سهلت الموجات الكهرومغناطيسية عملية نقل مختلف أنواع المعلومات بطريقة
لاسلكية (wireless) إلى أي مكان على سطح هذه الأرض بل وتعداها إلى الفضاء
الخارجي ، فبعد سنوات قليلة من اكتشاف وتوليد هذه الموجات بدأ ظهور كثير
من الأنظمة اللاسلكية فظهر التلغراف اللاسلكي في عام 1900م ومن ثم البث
الراديوي في عام 1918م والبث التلفزيوني في عام 1935م ، ولولا اكتشاف هذه
الموجات لبقي البشر مقيدين في نقل معلوماتهم المختلفة بالقنوات السلكية
التي تحتم عليهم التواجد في أماكن محددة حيث توجد أطراف هذه الأسلاك كما هو
الحال مع الهواتف السلكية ، لقد مكنت هذه الموجات بناء أنظمة اتصالات
تكون فيها المرسلات ثابتة والمستقبلات متحركة أو بالعكس أو يكون كليهما
متحركا وهذا لا يمكن إنجازه باستخدام القنوات السلكية إلا على نطاق ضيق جدا
، ولذلك أصبح الاتصال ممكنا مع السفن وهي في عرض البحار والطائرات وهي في
جو السماء والمركبات أين ما كان موقعها والأشخاص وهم في أي واد أو جبل
يهيمون ، بل أصبح بالإمكان باستخدام هذه الموجات مشاهدة صور في غاية الوضوح
لأسطح كواكب المجموعة الشمسية من خلال كاميرات مثبتة على مركبات فضائية
وترسل هذه الصور وغيرها من المعلومات من على بعد مئات الملايين من
الكيلومترات ، وباستخدام هذه الموجات أصبح بإمكان البشر التحكم عن بعد
بمختلف أنواع الأجهزة والمعدات الموجودة في البيوت والمكاتب والمصانع وكذلك
في الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية والطائرات والصواريخ.

ومع التقدم المذهل في مجال الإلكترونيات والاستغلال الأمثل لترددات الطيف
الكهرومغناطيسي بدأ التحول كليا من القنوات السلكية إلى القنوات اللاسلكية
لنقل إشارات المعلومات والتحكم في مختلف المجالات.

معادلات ماكسويل والمعادلة الموجية
Wave Equation

ذكرنا أن عالم الفيزياء والرياضيات الاسكتلندي الفذ جيمس كلارك ماكسويل
James Clerk Maxwell (1831-1879م) قد تمكن في عام 1860م من صياغة جميع
القوانين المتعلقة بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية وتفاعلهما مع بعضهما
البعض ومع الشحنات والتيارات الكهربائية التي تنتجها في أربع معادلات
تفاضلية فقط.

المعادلة الأولى ما هي إلا قانون جاوس بشكله
التفاضلي والذي مفاده أن أي شحنة كهربائية نقطية في الفضاء لا بد أن تولد
حولها مجالا كهربائيا تنطلق خطوطه من مكان الشحنة ويكون هذا المجال ساكنا
لا يتغير مع الزمن إذا كانت الشحنة ساكنة ومتغيرا مع الزمن إذا كانت
متغيرة.

المعادلة الثانية فما هي إلا قانون جاوس
للمغناطيسية بشكله التفاضلي والذي ينص على أنه لا وجود للشحنات المغناطيسية
وعليه فإن خطوط المجال لا بد وأن تكون منغلقة على نفسها.

المعادلة الثالثة فما هي إلا قانون فارادي للحث
حيث قام ماكسويل بتحويله من شكله التكاملي إلى شكله التفاضلي أو النقطي
ومفاد هذه المعادلة أن المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن يولد حوله مجالا
كهربائيا تتناسب قيمته وتوزعه في الفضاء مع معدل تغير كثافة المجال
المغناطيسي مع الزمن وكذلك اتجاهه في الفضاء.

المعادلة الرابعة فهي شكل معدل لقانون أمبير فبعد
أن قام ماكسويل بتحويله من شكله التكاملي إلى شكله التفاضلي أضاف إليه حدا
جديدا أطلق عليه اسم تيار الإزاحة displacement current وهذه الإضافة هي
من أهم إسهامات ماكسويل في مجال الكهرومغناطيسية حيث مكنته من التنبؤ بوجود
الأمواج الكهرومغناطيسية ، وبإضافة تيار الإزاحة لمعادلة أمبير أصبح مفاد
معادلة ماكسويل الرابعة أن التيار الكهربائي أو المجال الكهربائي المتغير
مع الزمن يولد حوله مجالا مغناطيسيا تتناسب قيمته وتوزعه في الفضاء مع
قيمة واتجاه التيار وكذلك مع معدل تغير شدة المجال الكهربائي مع الزمن
واتجاهه في الفضاء.

وفي عام 1865م تمكن ماكسويل من خلال دمج المعادلات الثالثة والرابعة وهما
قانون فارادي وقانون أمبير المعدل الحصول على معادلة تفاضلية من الدرجة
الثانية وعندما حل هذه المعادلة تبين له أن المجالات الكهربائية
والمغناطيسية لا بد وأن تنتشر على شكل موجات في الفضاء وبهذا فقد أثبت
وتنبأ من خلال التحليل الرياضي البحت وجود ما يسمى بالموجات
الكهرومغناطيسية electromagnetic waves.

ويمكن لنا من خلال تمعن معادلات ماكسويل وبدون حلها أن نستشف ونستنتج معظم
ظواهر الكهرومغناطيسية وخاصة حقيقة وجود الموجات الكهرومغناطيسية ففي حالة
وجود شحنات كهربائية ساكنة فقط () فإن المعادلة الأولى تؤكد وجود مجال
كهربائي ساكن فقط ولا وجود للمجال المغناطيسي حيث أن الطرف الأيمن من
المعادلة الرابعة يساوي صفر. وفي حالة وجود تيار كهربائي ثابت فقط (J)
فإن المعادلة الرابعة تؤكد وجود مجال مغناطيسي ساكن فقط ولا وجود للمجال
الكهربائي حيث أن الطرف الأيمن من المعادلة الأولى يساوي صفر.

وفي حالة وجود شحنات كهربائية متغيرة فقط فإن المعادلة الأولى تؤكد وجود
مجال كهربائي متغير وهذا المجال الكهربائي المتغير سيولد مجالا مغناطيسيا
متغيرا كما هو واضح من المعادلة الرابعة حيث أن الحد الثاني من طرفها
الأيمن لا يساوي صفر. إن هذا المجال المغناطيسي المتولد من المجال
الكهربائي الذي ولدته الشحنة الكهربائية ابتداءا سيولد بدوره مجالا
كهربائيا جديدا حوله كما هو واضح من المعادلة الثالثة وهكذا تتوالى هذه
السلسلة حيث يقوم كل من نوعي المجال بتوليد الأخر حسب المعادلتين الثالثة
والرابعة وبهذا سيمتلئ كامل الفضاء بهذه المجالات الكهربائية والمغناطيسية
المتفاعلة والتي أطلق عليها ماكسويل اسم الموجات الكهرومغناطيسية.

إن مثل هذه الموجات يمكن أن نحصل عليها أيضا من تيار كهربائي متغير فقط كما
هو واضح من المعادلة الرابعة حيث سيولد هذا التيار مجالا مغناطيسيا متغيرا
يقوم بدوره بتوليد مجال كهربائي متغير تبعا للمعادلة الثالثة وهكذا
دواليك. لقد تحققت نبوءة ماكسويل بوجود الموجات الكهرومغناطيسية على يد
عالم الفيزياء الألماني هينرتش هيرتز Heinrich Hertz (1857-1894م) وذلك في
عام 1887م حيث تمكن من توليد الموجات الكهرومغناطيسية باستخدام أشكال بسيطة
من الهوائيات.

ومنذ أن صاغ ماكسويل قوانين الكهرومغناطيسية في معادلاته الأربع لم يتم
إضافة إلا الشيء القليل إلى علم الكهرومغناطيسية النظري. أما في المجال
التطبيقي فقد تم استخدام هذه المعادلات بشكل كبير من قبل المهندسين
الكهربائيين لحل كثير من المسائل كانتشار الموجات في الأوساط المختلفة
كخطوط النقل ومرشدات الموجات والألياف الضوئية وفي تصميم هوائيات الإرسال
والاستقبال وفي تطبيقات أخرى لا حصر لها.

الطيف الكهرومغناطيسي Electromagnetic
Spectrum

يتكون الطيف الكهرومغناطيسي من ثلاثة أجزاء رئيسية وهي الطيف الراديوي
radio spectrum الذي يمتد من الصفر حتى 300 جيغاهيرتز والمستغل بأكمله في
أنظمة الاتصالات الراديوية وطيف الأشعة المرئية وما تحت الحمراء والذي يمتد
من 300 جيغاهيرتز إلى ثلاثة ملايين غيغاهيرتز والمستغل جزئيا في أنظمة
الاتصالات الضوئية وأجهزة الرؤيا الليلية وطيف الأشعة فوق البنفسجية
والأشعة السينية والكونية والتي يتعذر استخدامها لصعوبة توليدها ولخطورتها
على الكائنات الحية إلا في بعض التطبيقات الطبية والصناعية كاستخدام الأشعة
السينية في تصوير الأجسام الحية واختبار المواد.

ونظرا للتباين الكبير في خصائص الموجات الكهرومغناطيسية الراديوية من حيث
طرق توليدها وانتشارها وأنواع الهوائيات المستخدمة فيها فقد تم تقسيمها
إلى عدة مناطق وهي الترددات مفرطة الإنخفاض extremely low frequency ELF (3
إلى 30 هيرتز) ، والترددات فائقة الإنخفاض superlow frequency SLF (30
إلى 300 هيرتز) ، والترددات بالغة الإنخفاضultra low frequency ULF (300
إلى 3000 هيرتز) ، والترددات المنخفضة جدا very low frequency VLF (3
إلى 30 كيلوهيرتز) ، والترددات المنخفضة low frequency LF (30 إلى 300
كيلوهيرتز) ، والترددات المتوسطةmedium frequency MF (300 إلى 3000
كيلوهيرتز) ، والترددات العالية high frequency HF (3 إلى 30 ميغاهيرتز) ،
والترددات العالية جدا very high frequency VHF (30 إلى 300 ميغاهيرتز) ،
والترددات بالغة العلو ultra high frequency UHF (300 إلى 3000 ميغاهيرتز) ،
والترددات فائقة العلو super high frequency SHF (3 إلى 30 جيغاهيرتز) ،
والترددات مفرطة العلو extremely high frequency EHF (30 إلى 300
جيغاهيرتز).

لقد أحدث اختراع العنصر الإلكتروني المسمى بالصمام الثلاثي triode valve
على يد المهندس الكهربائي الأمريكي لي ديفورست Lee Deforest في عام 1906م
ثورة في أنظمة الاتصالات الكهربائية ، فإلى جانب استخدام هذا العنصر في
المضخمات الإلكترونية electronic amplifiers فقد تم استخدامه في المذبذبات
الإلكترونية electronic oscillators التي تقوم بتوليد الترددات اللازمة
لحمل إشارات المعلومات. لقد تم استخدام هذه المذبذبات في العشرينيات من
القرن العشرين لتوليد الترددات المنخفضة والمتوسطة ثم العالية في
الثلاثينيات ثم العالية جدا وبالغة العلو في الأربعينات ، وتستخدم اليوم
الترانزستورات كبديل عن هذه الصمامات لتوليد الترددات في جميع أجزاء الطيف
الراديوي إلا أن الصمامات لا زالت مستخدمة لتوليد الترددات في الأنظمة ذات
القدرات العالية كما في محطات البث الإذاعي والتلفزيوني وفي أنظمة الرادار.

وتواجه مصممي أنظمة الاتصالات الراديوية أو اللاسلكية مشكلة توفير الترددات
اللازمة لأعداد كبيرة ومتزايدة من أنظمة الاتصالات المختلفة كأنظمة البث
الإذاعي والتلفزيوني والهواتف اللاسلكية والخلوية وأنظمة الأقمار الصناعية
وأنظمة الرادار وأنظمة الاتصالات العسكرية والمدنية وأنظمة الملاحة الجوية
والبحرية والبرية. ويعود السبب في هذه المشكلة للعدد المحدود من الترددات
المتاحة في الطيف الكهرومغناطيسي ولكون جو الأرض وسطا مشتركا تنتشر فيه
جميع الترددات التي تبثها الأنظمة اللاسلكية مما يمنع إعادة استخدام نفس
التردد في نفس المنطقة تجنبا لتداخل إشارات الأنظمة المختلفة.

وقد استخدمت أنظمة الاتصالات معظم مناطق الطيف الراديوي باستثناء الترددات
بالغة العلو التي حال دون استخدامها تأثرها الكبير بالأحوال الجوية بسبب
قصر طول موجتها ولكن مع تزايد الطلب على استخدام الأقمار الصناعية وشح
الترددات المتاحة فقد بدأ باستخدام هذه الترددات في بعض التطبيقات. يتم
تخصيص الترددات للمستخدمين من قبل هيئات تنظيم قطاع الاتصالات الوطنية
بالتعاون مع الاتحاد الدولي للاتصالات International Telecommunication
Union ITU الذي يحدد الترددات المتاحة لأنظمة الاتصالات المختلفة والذي
عادة ما يسمح بإعادة استخدام نفس التردد شريطة عدم وجود تداخل بين الأنظمة
المختلفة وذلك بالاستفادة من التباعد الجغرافي وقدرة البث المحدودة
واستخدام طرق تعديل وتشفير واستقطاب مختلفة. ولقد تم تخصيص أجزاء من الطيف
الراديوي لبعض التطبيقات المهمة بشكل دائم كتخصيص جزء من الترددات
المتوسطة (540 إلى 1700 كيلوهيرتز) للبث الإذاعي متوسط الموجة بواقع
تسعة كيلوهيرتز لكل محطة وجزء من الترددات العالية للبث الإذاعي قصير
الموجة وجزء من الترددات العالية جدا (من 88 إلى 108 ميغاهيرتز) للبث
الإذاعي بتعديل التردد بواقع مائتي كيلوهيرتز لكل محطة وأجزاء من الترددات
العالية جدا (من 54 إلى 88 ومن 174 إلى 216 ميغاهيرتز) وجزء كبير من
الترددات فوق العالية (470 إلى 824 ميغاهيرتز) للبث التلفزيوني بواقع ستة
ميغاهيرتز لكل محطة ، أما أنظمة اتصالات الأقمار الصناعية والأمواج
الدقيقة والرادارات فتستخدم الترددات التي تمتد من واحد إلى مائة
جيقاهيرتز.
.