📄 اطبع pdf
00971504825082
المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفراغ
المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفراغ |
ما هي الموجات الكهرومغناطيسية؟
الموجات الكهرومغناطيسية هي شكل من أشكال الطاقة التي تنتشر عبر الفضاء على شكل موجات تتكون من مجالين متعامدين:
- مجال كهربائي (Electric Field)
- مجال مغناطيسي (Magnetic Field)
تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بقدرتها على الانتقال في الفراغ دون الحاجة إلى وسط مادي، على عكس الموجات الميكانيكية التي تحتاج إلى وسط لانتقالها.
الحركة في الفضاء واستحثاث المجالات الكهربائية
في الفضاء، يمكن للمجالات الكهربائية أن تُستحث حتى بدون الحاجة إلى أسلاك، وهذا يرجع إلى عدة ظواهر فيزيائية:
1. الحث الكهرومغناطيسي
عندما يتحرك موصل في مجال مغناطيسي، أو عندما يتغير المجال المغناطيسي حول موصل، فإن ذلك يولد قوة دافعة كهربائية (EMF) في الموصل حتى بدون وجود أسلاك توصيل.
2. الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء
تنتقل الطاقة الكهرومغناطيسية عبر الفضاء على شكل موجات يمكنها استحثاث مجالات كهربائية في الأجسام الموضوعة في مسارها.
3. البلازما الفضائية
في الفضاء، توجد كميات هائلة من البلازما (غاز متأين) التي يمكنها نقل التيارات الكهربائية وتوليد مجالات كهربائية دون الحاجة إلى أسلاك تقليدية.
جيمس مكسويل
ولد في 13 يونيو 1831 في إدنبرة اسكتلندا توفي ماكسويل في كامبريدج بإنجلترا في 5 نوفمبر 1879 | جيمس مكسويل |
|
وضع الأسس النظرية لنظرية المجال الكهربائي في مقالته حول الكهرباء والمغناطيسية حيث أسس النظرية الكهرومغناطيسية الكاملة للضوء بناءً على أفكار مايكل فاراداي.التي أظهرت أن الشحنات المتذبذبة تنتج موجات في مجال كهرومغناطيسي (1873) |
مجال كهربائي ناتج من تغير المجال المغناطيسي |
مجال مغناطيسي ناتج من تغير المجال كهربائي |
خصائص الموجات الكهرومغناطيسية
من أهم خصائص الموجات الكهرومغناطيسية:
- تسير بسرعة الضوء (299,792 كم/ثانية في الفراغ)
- تتكون من مجالين متعامدين: كهربائي ومغناطيسي
- لا تحتاج إلى وسط مادي للانتقال
- تخضع لظاهرتي الانعكاس والانكسار
- يمكن استقطابها
جميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل
في الفراغ بنفس السرعة C=3×108m/s C=v=Xt=λT=λf
c =v |
X |
t |
λ |
T |
f |
سرعة الضوء |
المسافة المقطوعة |
الزمن |
طول الموجة. |
الزمن الدوري. |
التردد |
الطول الموجي للضوء الأزرق يعادل λ=5×10−7m
فإن تردد الضوء يعادل
أختر الإجابة الصحيحة
ما هو تردد موجة كهرومغناطيسية طولها الموجي
3.2 × 10-7m
أختر الإجابة الصحيحة
امتحان قصير: خصائص الموجات الكهرومغناطيسية
أنواع الأمواج الكهرومغناطيسية
المصدر الرئيسي للأمواج الكهرومغناطيسية هو الشمس
تنقسم الأمواج الكهرومغناطيسية إلى سبع أنواع
أمواج الأشعة تحت الحمراء |
أمواج الميكرويف |
أمواج راديوية |
|
|
|
تستخدم في كميرات التصوير الليلي -وأجهزة التحكم عن بعد |
تستخدم في أفران الميكرويف - الرادارات |
تستخدم في أجهزة البث الإذاعي والتلفزيوني |
الأشعة السينية |
أمرج الأشعة فوق البنفسجية |
أمواج الضوء المرئي |
|
|
|
تستخدم في التصوير الطبي- معالجة بعض أورام السرطان |
تستخدم في تعقيم مياه الشرب - تعقيم الأدوات الطبية |
تستخدم في المنزل والمجهر ورؤية الأجسام |
أشعة جاما |
||
|
||
تستخدم في معالجة بعض أورام السرطان |
اختبار قصير: الأمواج الكهرومغناطيسية
1. أي من الأنواع التالية يعتبر من الأمواج الكهرومغناطيسية؟
ب. الموجات الصوتية
ج. موجات الماء
د. جميع ما سبق
الإجابة الصحيحة: أ. موجات الراديو
2. ما العلاقة بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي في الأمواج الكهرومغناطيسية؟
ب. متعامدان
ج. متعاكسان
د. غير مرتبطان
الإجابة الصحيحة: ب. متعامدان
3. ما اتجاه انتشار الموجة الكهرومغناطيسية بالنسبة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية؟
ب. في نفس اتجاه المجال المغناطيسي
ج. عمودي على كلا المجالين
د. لا يوجد اتجاه محدد
الإجابة الصحيحة: ج. عمودي على كلا المجالين
4. أي من التالي ليس من الأمواج الكهرومغناطيسية؟
ب. الأشعة تحت الحمراء
ج. الموجات فوق الصوتية
د. أشعة جاما
الإجابة الصحيحة: ج. الموجات فوق الصوتية
5. ما الخاصية التي تختلف بها الأمواج الكهرومغناطيسية عن بعضها البعض؟
ب. التردد والطول الموجي
ج. الشدة
د. الاتجاه
الإجابة الصحيحة: ب. التردد والطول الموجي
6. أي من الأمواج الكهرومغناطيسية التالية له أقصر طول موجي؟
ب. الضوء المرئي
ج. الأشعة السينية
د. الأشعة تحت الحمراء
الإجابة الصحيحة: ج. الأشعة السينية
7. كيف تنتشر الأمواج الكهرومغناطيسية في الفراغ؟
ب. بسرعة الضوء
ج. بسرعة الصوت
د. بسرعة أقل من سرعة الصوت
الإجابة الصحيحة: ب. بسرعة الضوء
8. أي من التالي يصف بشكل صحيح العلاقة بين المجال الكهربائي (E) والمجال المغناطيسي (B) في الموجة الكهرومغناطيسية؟
ب. E ⊥ B
ج. E ∥ B
د. E = 1/B
الإجابة الصحيحة: ب. E ⊥ B
9. ما مصدر الأمواج الكهرومغناطيسية؟
ب. الشحنات الكهربائية المتسارعة
ج. المجالات المغناطيسية الثابتة
د. الجاذبية الأرضية
الإجابة الصحيحة: ب. الشحنات الكهربائية المتسارعة
10. أي من الأمواج الكهرومغناطيسية التالية يستخدم في الاتصالات اللاسلكية؟
ب. موجات الميكروويف
ج. أشعة جاما
د. الأشعة السينية
الإجابة الصحيحة: ب. موجات الميكروويف
نقل الموجة الكهرومغناطيسية
يتم إرسال الموجات عبر هوائي ويعمل فرق الجهد بين طرفي الهوائي على تسريع حركة الشحنات التي بدورها تكون مجال مغناطيسي متغبر نتيجة حركتها الذي يعمل على توليد مجال كهربائي متغير وهكذا تنتشر في الفراغ وبسرعة تعادل سرعة الضوء
المجال الكهربائي المتغير ينتج مجال مغناطيسي متفير الذي بدوره ينتج مجال كهربائي متغير وهكذا
سرعة انتشار الموجة في الوسط المادي
أقل من سرعة الموجة في الفراغ وتعطى بالعلاقة v=C√K (K ) حيث أن
هي ثابت العزل الكهربائي وهي تتغير حسب الوسط وتعادل √K=n (n) هي معامل النفاذية للوسط
إذا كان ثابت العزل الكهربائي للزجاج يعادل K=2.28
فإن سرعة الضوء في الزجاج تعادل
أختر الإجابة الصحيحة
اختبار قصير عن نقل الموجة الكهرومغناطيسية
1. كيف تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ؟
2. ما الذي يسبب توليد المجال المغناطيسي في الهوائي؟
3. ما سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ؟
4. ما العلاقة بين سرعة الموجة في الوسط المادي وسرعتها في الفراغ؟
5. ما العامل الذي يؤثر على سرعة الموجة الكهرومغناطيسية في الوسط المادي؟
6. ما العلاقة بين معامل الانكسار (n) وثابت العزل الكهربائي (K)؟
7. ماذا يحدث لسرعة الموجة الكهرومغناطيسية عندما تنتقل من الفراغ إلى وسط مادي؟
8. ما دور الهوائي في نقل الموجات الكهرومغناطيسية؟
9. ما الذي يولد المجال الكهربائي المتغير في عملية نقل الموجة الكهرومغناطيسية؟
10. كيف تتغير سرعة الموجة الكهرومغناطيسية مع زيادة ثابت العزل الكهربائي للوسط؟
كيف تعمل محطات الراديو؟
عملية بث الراديو
إشارة صوت ← تعديل ← موجة حاملة ← إرسال ← استقبال ← فك التعديل ← صوت
الموجات الحاملة
كل محطة راديو لها موجة حاملة خاصة بتردد محدد في الطيف الكهرومغناطيسي. في الإمارات العربية المتحدة، يتم تخصيص ترددات محددة لكل محطة.
مكونات جهاز الإرسال
1. المذبذب (Oscillator)
ينشئ الموجة الحاملة الأساسية بتردد محدد (حتى 400 ميجا هرنز ).
يتكون من ملف ومكثف متصلين على التوالي.
2. المغيِّر (Modulator)
يستخدم الإشارة الصوتية (الموسيقى/الكلام) لتعديل خصائص الموجة الحاملة:
- تعديل السعة (AM)
- تعديل التردد (FM)
3. المضخم (Amplifier)
يقوي الإشارة المعدلة قبل إرسالها عبر الهوائي.
كيف يعمل المذبذب LC؟
دورة التذبذب الكاملة:
- يتم شحن المكثف بجهد كهربي، فينشئ مجالاً كهربائياً ويخزن الشحنات
- عند إزالة الجهد، يفرغ المكثف عبر الملف
- التيار المار في الملف ينشئ مجالاً مغناطيسياً متغيراً
- المجال المغناطيسي المتغير يحث قوة دافعة كهربية تعيد شحن المكثف في الاتجاه المعاكس
- تتكرر العملية في الاتجاه المعاكس

وبذلك يتم انشاء مجال كهربائي متغير ومجال مغناطيسي متغير ذات تردد معين
معادلة تردد الرنين
f=12π√LC
حيث:
f = التردد (هرتز)
L = محاثة الملف (هنري)
C = سعة المكثف (فاراد)
كيف يتحول هذا إلى صوت؟
في جهاز الراديو الخاص بك:
- يستقبل الهوائي الموجات الكهرومغناطيسية
- يتم ضبط الدائرة على التردد الحامل للمحطة المطلوبة
- يتم فصل الإشارة الصوتية عن الموجة الحاملة (فك التعديل)
- تضخم الإشارة الصوتية وتوجه إلى السماعات
التذبذبات المستقرة في الدوائر الكهربائية
التشابه بين البندول والدائرة الكهربائية
مثلما يؤدي الاحتكاك إلى توقف حركة البندول إذا ُ ترك بمفرده، كذلك تسكن التذبذبات في الملف والمكثف بمرور الوقت بسبب انتشار الطاقة في صورة موجات كهرومغناطيسية وبسبب مقاومة الدائرة.
وبإضافة طاقة إلى كلا النظامين، تستمر التذبذبات. فالدفعات اللطيفة للبندول في الأوقات المناسبة ستجعله يستمر في التأرجح.
ظاهرة الرنين
تبلغ سعة اهتزاز البندول أقصاها عندما يتطابق تردد الدفعات مع تردد حركة الاهتزاز وتكون متفقة في الطور. وهذه هي حالة الرنين التي قرأت عنها في وحدة سابقة.
ومثلما تفيد الدفعات اللطيفة في استمرار حركة البندول، كذلك تعمل فروق الجهد المطبقة على دائرة الملف والمكثف بالتردد الملائم على استمرار التذبذبات.
دور المحول في استمرار التذبذبات
من بين طرق استمرار التذبذبات في الدائرة إضافة ملف ثاني إلى الدائرة لإنشاء محوِّل. يعمل المحول على:
- نقل الطاقة من مصدر خارجي إلى الدائرة الرنانة
- الحفاظ على التردد المتناسب مع تردد الرنين للدائرة
- تعويض الطاقة المفقودة بسبب المقاومة والإشعاع الكهرومغناطيسي

عندما يمر تيار متذبذب في الملف الأول (L1)، يولد مجالاً مغناطيسياً متغيراً يؤثر على الملف الثاني (L2) الذي يكون متصلاً بمصدر تغذية. هذا التفاعل الكهرومغناطيسي بين الملفين يحافظ على استمرار التذبذبات في الدائرة الرنانة (L1 و C) بتعويض الطاقة المفقودة.
الترددات في التجويف الرنان
يمكن زيادة التردد الناشئ عن دائرة ملف ومكثف عن طريق:
- خفض قدرة الملف على تخزين الطاقة المغناطيسية
- تقليل السعة الكهربائية للمكثف
حدود الملفات والمكثفات
تصبح الملفات والمكثفات غير مفيدة في حالة الترددات التي تتجاوز 400 ميجا هرتز .
موجات المايكروويف والتجويف الرنان
تنشأ موجات المايكروويف التي تتراوح تردداتها ما بين 0.4 كي كا هرتز إلى 100 كي كا هرتز عن استخدام التجويف الرنان، وهو عبارة عن صندوق فلزي مستطيل الشكل يعمل كملف ومكثف في نفس الوقت.
التحكم في التردد
يتحكم حجم الصندوق في تردد التذبذب. لاحظ أنه في أفران المايكروويف، لا يؤثر حجم الفرن نفسه في تردد الموجة؛ وإنما حجم التجويف الرنان بالفرن فقط هو الذي يؤثر في التردد.
الترددات العالية جداً
لإنتاج موجات تتجاوز تردداتها 100 كي كا هرتز ، يجب تقليل حجم التجويف الرنان إلى حجم الجزيء.
الأشعة تحت الحمراء والضوء
تتولد الأشعة تحت الحمراء، على سبيل المثال، عن طريق اهتزاز النوى داخل الجزيئات. وتتولد موجات الضوء عالية التردد والموجات فوق البنفسجية وأشعة إكس بسبب حركة الإلكترونات داخل الذرات.
موجات جاما
تتولد موجات جاما، التي تعد الأعلى ترددًا، بسبب تسارع الشحنات في الأنوية الذرية.
ملخص:
- التردد يزداد بتقليل سعة المكونات
- التجويف الرنان يحل محل الملف والمكثف في الترددات العالية
- التردد يتناسب عكسياً مع حجم التجويف
- الترددات الأعلى تتطلب هياكل أصغر (جزيئية وذرية)
الكهرباء الإجهادية وتوليد الموجات الكهرومغناطيسية
توجد طرق متعددة لتوليد فروق جهد متذبذبة لأجهزة الإرسال. إحدى هذه الطرق تعتمد على ظاهرة الكهرباء الإجهادية في بعض البلورات مثل الكوارتز.
الكهرباء الإجهادية في بلورات الكوارتز
تتشوه بلورات الكوارتز عند تعريضها لفرق جهد كهربائي، وهي الخاصية التي تعرف باسم الكهرباء الإجهادية. وعند استعمال فرق جهد التيار المتردد لقطع جزء من بلورة الكوارتز، تنشأ تذبذبات متواصلة.

بلورة كوارتز تستخدم في توليد التذبذبات
مبدأ عمل البلورات الإجهادية
مثلما تهتز قطعة المعدن بتردد معين عند ثنيها ثم إطلاقها، كذلك تفعل بلورات الكوارتز. وكلما قل سمك البلورة، زاد تردد اهتزازها.
تنشأ عن خاصية الكهروضغطية في البلورات قوة دافعة كهربائية عند تشوه البلورة. وهذه القوة الدافعة كهربائية تنتج عن تردد اهتزاز البلورة، وبالتالي يمكن تضخيمها وإعادتها إلى البلورة لجعلها تواصل الاهتزاز.
التطبيقات العملية
بسبب ترددات الاهتزاز الثابتة تقريباً، تستخدم بلورات الكوارتز على نطاق واسع لإنشاء الموجات الكهرومغناطيسية في:
- الهواتف الخلوية
- أجهزة التلفاز
- الهواتف اللاسلكية
- أجهزة الكمبيوتر
- أجهزة توجيه WiFi اللاسلكية
نظام استقبال الموجات الكهرومغناطيسية
سلك الهوائي (Antenna)
طريقة عمل الهوائي
يعمل الهوائي على تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى تيارات كهربائية يمكن معالجتها:
- تصل الموجة الكهرومغناطيسية إلى سلك الهوائي
- تسبب المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الموجة حركة الإلكترونات في السلك
- تتحول هذه الحركة إلى تيار كهربائي متناوب (AC)
- ينتقل هذا التيار إلى جهاز الاستقبال لمعالجته
العلاقة بين طول الهوائي وطول الموجة
يوجد علاقة أساسية بين طول الهوائي وطول الموجة المستهدفة:
الطول الأمثل للهوائي = λ/2 أو λ/4حيث λ هو طول الموجة الكهرومغناطيسية.
لكي يكون الهوائي فعالاً في استقبال موجة معينة، يجب أن يكون طوله متناسباً مع طول تلك الموجة. عادةً ما تكون الهوائيات الأكثر كفاءة هي تلك التي يبلغ طولها نصف طول الموجة (λ/2) أو ربع طول الموجة (λ/4).
أطباق الاستقبال الفضائي
اتجاه الطبق وضبطه
يجب توجيه طبق الاستقبال الفضائي بدقة نحو القمر الصناعي المراد استقبال إشارته:
- الزاوية الأفقية : اتجاه الطبق بالنسبة للشمال المغناطيسي
- الزاوية الرأسية : ميل الطبق بالنسبة للأفق
- زاوية الاستقطاب: زاوية دوران المغذي حول محوره
طريقة استقبال الموجات
تعمل أطباق الاستقبال الفضائي على مبدأ التركيز البؤري:
- يستقبل الطبق الكبير الموجات الكهرومغناطيسية الضعيفة القادمة من الفضاء
- يعكس السطح المكافئ للطبق الموجات نحو نقطة البؤرة حيث يوجد المغذي
- يقوم المغذي بتحويل الموجات عالية التردد إلى ترددات أقل يمكن نقلها عبر الكابل
- تنتقل الإشارة عبر الكابل إلى جهاز الاستقبال (الريسيفر) لمعالجتها
محاكاة استقبال الموجات
نظام استقبال الموجات الكهرومغناطيسية
سلك الهوائي (Antenna Wire)
تحكم في هوائي الاستقبال
قوة الإشارة المستلمة: متوسطة
طبق الاستقبال الفضائي (Satellite Dish)
تحكم في طبق الاستقبال الفضائي
جودة الإشارة الفضائية: جيدة
معلومات عن استقبال الموجات الكهرومغناطيسية
تقوم أنظمة الاستقبال بتحويل الموجات الكهرومغناطيسية إلى إشارات كهربائية يمكن معالجتها.
الهوائي (السلك الهوائي) يستقبل الموجات الراديوية، بينما تستخدم الأطباق الفضائية لاستقبال إشارات الأقمار الصناعية عالية التردد.
00971504825082
No comments:
Post a Comment