استعمال كهرضغطية الكوارتز في الاتصالات الراديوية والهاتفية

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

ويعود التطبيق الثاني الذي يستمر إلى يومنا هذا لكهرضغطية الكوارتز في حيز الاتصالات الراديوية والهاتفية إلى بدايات سنوات العشرينات من القرن العشرين، فمحطة اتصالات راديوية ترسل إشارة عند تردد محدد، وتُرسَل مكالمة خط هاتف أرضي عبر أسلاك نحاسية، كما تُرسَل مكالمة هاتف جوال عبر الهواء بواسطة تعديل موجة حاملة تمتلك تردداً محدداً.

وفي كل حالة، ينبغي أن يكون التردد الموافق للمرسلات مستقراً دون انزياح مع الزمن. ولقد أدخل والتر ج. كادي (Walter G. Cady) في جامعة ويسليان (Wesleyan) (Cady 1920) وألكسندر ماكلين نيكولسون (Alexander McLean Nicolson) في قسم البحوث في شركة ويستيرن إلكتريك (Western Electric) (Nicolson 1918) بلورات كهرضغطية في دارات طنين كهربائية لتأمين الترددات المستقرة.

ولقد قادت القيمة الاقتصادية لهذا الاختراع في صناعة الاتصالات الناشئة إلى معركة براءات طويلة الأمد. ولقد خسر والتر كادي المعركة لصالح ألكسندر نيكولسون وشركة وسترن إلكتريك.

عند الطنين، تزداد سعة الإشارة بشكلٍ كبيرٍ عند تردد محدد، وتعتبر نغمات الآلات الموسيقية مثل الأرغن والأبواق والمزامير حالات طنين يتحكم بها طول عمود الهواء الذي يلعب دور طنّان لتقوية الاهتزاز والتحكم به عند تواتر النغمة. وعلى نحو مماثل، تمتلك بلورة أو شوكة طنانة ترددات طنين تتعلق بأبعاد البلورة وبخواصها الذاتية.

وفي هزاز كوارتز، تولد البلورة الكهرضغطية فولطية تهتز عند تواتر طنين البلورة. ويُثبِت الهزاز الكهرضغطي تردد الهزاز عند تواتر الطنين الطبيعي لبلورة الكوارتز ويعتبر معيار تردد دقيق (Heising 1946).

يمكن أيضاً استعمال بلورة طنّانٍ كمرشح لتمرير عصابة الترددات المرغوبة فقط. وفي الاتصالات التلفونية أو تعديل السعة الراديوي (AM radio)، تُرسَل على أسلاك النحاس أو على أمواج الهواء عدة محادثات أو محطات راديوية مع احتفاظ كل منها بعصبة تردداتها الخاصة. ويسمح مرشِّح بلوري الكشف بواسطة مستقبل عن عصبة ترددات محددة في حين يحذف كل الترددات الأخرى القريبة.

يعتبر الكوارتز المادة المختارة للهزازات والمرشحات البلورية لأن الطنين ضيق بشكلٍ خاص.

ومنذ عام 1920، شكلت هزازات ومرشحات الكوارتز أجهزة معيارية في تجهيزات الاتصالات الهاتفية والراديوية.

وفي يومنا الراهن، تتواجد طنانات الكوارتز في الهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون والتجهيزات الإلكترونية المنزلية الأخرى التي تتطلب التشغيل عند ترددات مستقرة.

مع اقتراب الحرب العالمية الثانية، توسع في الواقع إنتاج طنانات الكوارتز. ومن أجل الاتصال بين الطائرات والسفن والقواعد الأرضية، احتاجت الجيوش إلى أعداد كبيرة من المرسلات والمستقبلات التي يتطلب كل منها طنان كوارتز.

ولتصنيع الطنانات، استعملت الصناعة خلال النصف الأول من القرن العشرين بلورات الكوارتز الطبيعية المستخرجة بشكل رئيسي من البرازيل. ومع زيادة الطلب على طنانات الكوارتز، بُذلت المحاولات من أجل تنمية (زرع) بلورات الكوارتز الصنعية على مستوى صناعي.