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.