إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية - e/m radiation

توجد إشارات الراديو كشكل من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية، وهذا هو نفس شكل الإشعاع مثل الضوء والأشعة فوق البنفسجيةوالأشعة تحت الحمراء حيث يختلف فقط في الطول الموجي أو تردد الإشعاع، يمكن أن ينتقل الإشعاع الكهرومغناطيسي عبر العديد من أشكال الوسط، حيث يشكل الهواء والمساحة الحرة وسائط مثالية، لكن الوسائط الموصلة مثل المعادن تشكل حاجزاً لا تنتقل من خلاله، وهناك بعض الوسائط التي يمكن للإشعاع من خلالها الانتقال.

ما هو إشعاع الموجات الكهرومغناطيسية – e/m radiation؟

الموجات الكهرومغناطيسية (E / M): هي نوع الموجة الأساسي المستخدم لموجات الراديو والضوء والعديد من أشكال الإشعاع حيث أنّها مفتاح الاتصالات اللاسلكية والراديو، وحقيقة أنّها يمكن أن تنتقل عبر مسافات شاسعة بالإضافة إلى انعكاسها وانكسارها وانحرافها، ممّا يعني أنّها استخدمت لسنوات عديدة كأساس للاتصالات اللاسلكية عبر جميع المسافات من بضعة سنتيمترات إلى عدة مئات الآلاف أو ملايين الأميال.

أساسيات الإشعاع e/m:

تتكون الموجات الكهرومغناطيسية أو إشعاع (e/m) من مكونات كهربائية ومغناطيسية لا تنفصل حيث تكون مستويات الحقول في زوايا قائمة مع بعضها البعض وفي الاتجاه الذي تسير فيه الموجة.

من المفيد معرفة المكان الذي تنبثق منه العناصر المختلفة للموجة للحصول على فهم أشمل للموجات الكهرومغناطيسية، حيث ينتج المكون الكهربائي للموجة عن تغيرات الجهد التي تحدث عندما يتحمس عنصر الهوائي بالشكل الموجي المتناوب، كما تعمل خطوط القوة في المجال الكهربائي على طول نفس محور الهوائي، لكنّها تنتشر عندما تبتعد عنه.

يُقاس المجال الكهربائي الإشعاع (e/m) من حيث تغير الجهد على مسافة معينة، فعلى سبيل المثال فولت لكل متر ويعرف هذا باسم شدة المجال، وغالباً ما يستخدم هذا المقياس في قياس شدة الموجة الكهرومغناطيسية عند نقطة معينة، أمّا المكون الآخر أي المجال المغناطيسي يقع في زوايا قائمة على المجال الكهربائي، وبالتالي فهو يقع في زوايا قائمة على مستوى الهوائي.

تُعد الأشكال الأخرى من الموجات الكهرومغناطيسية التي تنعكس فيها إشارات الراديو وتنكسر وتخضع للحيود، حيث أثبتت بعض التجارب الأولى على الموجات الراديوية هذه الحقائق، وتم استخدامها لتأسيس صلة بين موجات الراديو وأشعة الضوء.

خصائص الموجة الكهرومغناطيسية:

هناك عدد من الخصائص الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية أو أي موجات متكررة لها أهمية خاصة حيث أنّ التردد والطول الموجي والسرعة هي ثلاث معلمات رئيسية لأي موجة كهرومغناطيسية.

1. سرعة الموجة  – E/m wave speed:

تنتقل موجات الراديو بنفس سرعة الضوء حيث يتم أخذ السرعة لتكون (3×10ˆ8 متر في الثانية) وعلى الرغم من أنّ القيمة الأكثر دقة هي (299792500 متر في الثانية)، وكما أنّها سريعة للغاية إلّا أنّها تستغرق وقتاً محدوداً للانتقال عبر مسافة معينة، أمّا مع تقنيات الراديو الحديثة يجب أن يؤخذ في الاعتبار وقت انتشار الإشارة عبر مسافة معينة.

يستخدم الرادار على سبيل المثال حقيقة أنّ الإشارات تستغرق وقتاً معيناً للانتقال لتحديد مسافة الهدف حيث تحتاج التطبيقات الأخرى مثل الهواتف المحمولة إلى مراعاة الوقت المستغرق لانتقال الإشارات لضمان عدم تعطل التوقيتات الحرجة في النظام وعدم تداخل الإشارات.

2. الطول الموجي للموجة – E/m wave wavelength:

يُعد الطول الموجي بأنّه المسافة بين نقطة معينة في دورة واحدة ونفس النقطة في الدورة التالية حيث أنّ أسهل النقاط للاختيار هي القمم لأنّها أسهل في تحديد موقعها، كما تم استخدام الطول الموجي في الأيام الأولى للراديو أو اللاسلكي لتحديد موضع الإشارة على قرص المجموعة، وعلى الرغم من أنّها لا تستخدم لهذا الغرض اليوم إلّا أنّها مع ذلك ميزة مهمة لأي إشارة راديو أو لأي موجة كهرومغناطيسية.

يتم الآن تحديد موضع الإشارة على قرص جهاز الراديو أو موضعها داخل الطيف الراديوي من خلال ترددها حيث يوفر ذلك طريقة أكثر دقة وملاءمة لتحديد خصائص الإشارة.

3. التردد – Frequency:

يُعد التردد هو عدد المرات التي تتحرك فيها نقطة معينة على الموجة لأعلى ولأسفل في وقت معين عادةً ثانية حيث تكون وحدة التردد هي هيرتز وهي تساوي دورة واحدة في الثانية، سميت هذه الوحدة على اسم العالم الألماني الذي اكتشف موجات الراديو، وعادةً ما تكون الترددات المستخدمة في الراديو عالية جداً.

ما هو التردد المستخدم لتحويل الطول الموجي؟

على الرغم من استخدام الطول الموجي كمقياس للإشارات، فإنّ الترددات تستخدم حصرياً اليوم ومن السهل جداً ربط التردد وطول الموجة حيث أنّهما مرتبطان بسرعة الضوء.

موجات الراديو: هي أحد أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي حيث يكون لديها أدنى تردد وبالتالي أطول موجات، كما يمكن العثور على أشكال أخرى من الإشعاع فوق الطيف الراديوي وتشمل هذه الأشعة تحت الحمراء والضوء والأشعة فوق البنفسجية وعدد من أشكال الإشعاع الأخرى، وغالباً ما يُنظر إلى الموجات على أنّها كيانات مختلفة إلّا أنّها جميعاً أشكال من الموجات الكهرومغناطيسية.

الاختلاف الأساسي الوحيد هو الطول الموجي أو التردد، ونتيجة لهذا الاختلاف فإنّ الإشارات تتصرف بطرق مختلفة قليلاً ويمكن استخدامها لأغراض مختلفة، فعلى سبيل المثال يمكن استخدام الأشعة تحت الحمراء للتدفئة، بينما يستخدم الضوء لإضاءة المناطق ورؤية الأشياء بشكل مرئي ومع ذلك فإنّها جميعها متماثلة في الأساس.

يمكن عرض الأنواع المختلفة من الموجات الكهرومغناطيسية وتردداتها النسبية وأطوالها الموجية على ما يسمى بالطيف الكهرومغناطيسي، حيث يغطي هذا الموجات الراديوية في الطرف السفلي بأقل ترددات وأطول موجات للأشعة تحت الحمراء والضوء والأشعة فوق البنفسجية ويمتد إلى أعلى في التردد للإشعاع مثل أشعة جاماوالأشعة السينية.

بينما يغطي طيف الموجات الكهرومغناطيسية بالكامل نطاقاً كبيراً من الترددات، فإنّ موجات الراديو نفسها تمتد عبر نطاق كبير جداً أيضاً، ومن المفيد أن تكون قادراً على الرجوع بسهولة إلى أقسام مختلفة من الطيف، ولتحقيق هذه التسميات المختلفة تعطى لمناطق مختلفة الترددات التي يتم تناولها مقسمة إلى أقسام تختلف بمعامل 10، فعلى سبيل المثال من (3 ميجا هرتز إلى 30 ميجا هرتز).

كما يتم تخصيص اسم لكل قسم مثل التردد العالي ويتم اختصار هذه المناطق لإعطاء مصطلحات مثل (HF) و(VHF) والتي يتم استخدامها، وغالباً ما يُسمع الحديث عن تلفاز (VHF FM) أو (UHF) حيث يشير كل من (VHF) و(UHF) إلى مناطق الطيف الراديوي حيث تتم عمليات الإرسال هذه.

إنّ الإرسال في نطاق البث طويل الموجة الذي يمتد من (140.5 إلى 283.5 كيلو هرتز) المتوفر في بعض أجزاء العالم يقع في التردد المنخفض أو الجزء (LF) من الطيف، وهناك أيضاً عدد من أنواع الإرسال الأخرى فعلى سبيل المثال هناك عدد من منارات الملاحة التي ترسل على ترددات حوالي (100 كيلو هرتز) أو أقل.

يتحرك نطاق بث الموجة المتوسطة في التردد، ويقع في التردد المتوسط ​​أو جزء (MF) من الطيف، وغالباً ما يكون فوق نطاق البث هذا حيث تبدأ نطاقات الموجات القصيرة ذات التردد الأدنى حيث يوجد هنا نطاق راديو للهواة مع تخصيصات للاتصالات البحرية.

ما بين (3 و30 ميغا هرتز) هو جزء التردد العالي أو (HF) وضمن هذا النطاق الترددي تقع نطاقات الموجة القصيرة الحقيقية يمكن سماع الإشارات من جميع أنحاء العالم حيث يستخدمها المذيعون وهواة الراديو ومجموعة من الآخرين، ومع زيادة التردد العالي جداً أو الجزء (VHF) من الطيف وهذا يحتوي على عدد كبير من مستخدمي المحمول كراديو تاكسيات وما شابه لها مخصصات هنا، كما هو الحال بالنسبة للبث المألوف (VHF FM).

في جزء الترددات الفائقة أو (UHF) من الطيف، توجد معظم محطات التلفزيون الأرضية بالإضافة إلى ذلك هناك المزيد من مستخدمي الهواتف المحمولة بما في ذلك الهواتف المحمولة التي تزداد شهرة، وفوق هذا في الترددات الفائقة أو (SHF) والترددات العالية للغاية أو أجزاء الترددات العالية جداً من الطيف فهناك العديد من الاستخدامات للطيف الراديوي حيث يتم استخدامها بشكل متزايد للأقمار الصناعية التجارية والاتصالات من نقطة إلى نقطة.

ما هو الاستقطاب – Polarization of electromagnetic waves؟

يُشير استقطاب الموجة الكهرومغناطيسية إلى المستوى الذي تهتز فيه، ونظراً لأنّ الموجات الكهرومغناطيسية تتكون من مجال كهربائي ومغناطيسي يهتز بزوايا قائمة مع بعضها البعض، فمن الضروري اعتماد اتفاقية لتحديد استقطاب الإشارة ولذلك يتم استخدام مستوى المجال الكهربائي.

الاستقطاب الرأسي والأفقي هما الشكلان الأكثر وضوحاً وهما يندرجان في فئة تعرف باسم الاستقطاب الخطي حيث يمكن اعتبار الموجة على أنّها تهتز في مستوى واحد أي لأعلى ولأسفل أو من جانب إلى جانب وهذا الشكل من الاستقطاب هو الأكثر استخداماً والأكثر مباشرة.

ليس هذا هو الشكل الوحيد لأنّه من الممكن إنشاء أشكال موجية لها استقطاب دائري، كما يمكن تصور الاستقطاب الدائري من خلال تخيل انتشار إشارة من هوائي يدور حيث يمكن رؤية طرف ناقل المجال الكهربائي لتتبع الحلزون أو المفتاح اللولبي أثناء انتقاله بعيداً عن الهوائي، كما يمكن أن يكون الاستقطاب الدائري إمّا يميناً أو يساراً يعتمد على اتجاه الدوران كما يُرى من هوائي الإرسال.

من الممكن الحصول على استقطاب بيضاوي بحيث يحدث هذا عندما يكون هناك مزيج من الاستقطاب الخطي والدائري، وكما يمكن تصور ذلك من خلال تخيل طرف المجال الكهربائي متتبعاً مفتاحاً بيضاوي الشكل.

أهمية التكاثر في الموجات الكهرومغناطيسية:

وجد أنّه بمجرد إرسال إشارة فإنّ استقطابها سيبقى كما هو على نطاق واسع حيث تُعد الانعكاسات من الكائنات الموجودة في المسار يمكن أن تغير الاستقطاب بالنسبة للعديد من التطبيقات الأرضية، ونظراً لأنّ الإشارة المستقبلة هي مجموع الإشارة المباشرة بالإضافة إلى عدد من الإشارات المنعكس، فإنّ الاستقطاب الكلي للإشارة يمكن أن يتغير قليلاً على الرغم من أنّه عادةً ما يظل كما هو على نطاق واسع، وعندما تحدث الانعكاسات من طبقة الأيونوسفير فقد تحدث تغييرات أكبر.

توجد اختلافات في الأداء بين الاستقطاب الأفقي والرأسي في بعض التطبيقات، فعلى سبيل المثال تُستخدم محطات إذاعة الموجة المتوسطة عموماً الاستقطاب الرأسي لأنّ انتشار الموجة الأرضية على الأرض أفضل بكثير باستخدام الاستقطاب العمودي.

بينما يُظهر الاستقطاب الأفقي تحسناً هامشياً في الاتصالات طويلة المدى باستخدام الأيونوسفير، كما يُستخدم الاستقطاب الدائري أحياناً للاتصالات الساتلية، حيث توجد بعض المزايا من حيث الانتشار والتغلب على الخبو الناجم إذا كان القمر الصناعي يغير اتجاهه.