الحقل الكهرومغناطيسي: كيفية حدوثه والتردد والطول الموجي له والطيف الكهرومغناطيسي

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

تولِّد مُرسِلاتُ التردّد الراديوي RF إشاراتٍ باستخدام الهزّازات والمُرنِّمات والمُضخِّمات وداراتٍ أخرى بهدف إرسال معطيات لاسلكيّة من مكانٍ لآخر بشكل حقل كهرو مغنطيسي EM.

– الحقل الكهرومغنطيسي

تتحرّك الإلكترونات في هوائي مُرسِل ذي تردّد راديوي ذهاباً وإياباً بسرعاتٍ عالية. تتغيّر سرعة هذه الإلكترونات بشكل دائم لأنها تتسارع (Accelerate) في اتّجاه ما ثم تتباطأ، وتعكِس اتّجاهها، فتتسارع مرّة أخرى، وهكذا دواليك.

 

– كيف يحدث هذا؟

عندما تتحرّك الإلكترونات فإنها تخلق حقلاً مغنطيسيّاً (M). عندما تتسارع الإلكترونات (أي تزداد سرعاتها أو تتباطأ) فإنها تُولِّد حقلاً مغنطيسيّاً M متأرجحاً (Fluctuating).

عندما تتسارع الإلكترونات نحو الأمام ونحو الخلف فإنها تولِّد حقلاً مغنطيسيّاً متناوِباً (Alternating) بالتردّد نفسه للتيار المتناوِب الذي تُنتِجه الإلكترونات نفسها.

يولِّد الحقل المغنطيسي M المتناوِب بدوره حقلاً كهربائيّاً (E) متناوِباً، يعود بدوره ليُحدِثَ تيّارّاً مغنطيسيّاً M متناوباً آخر. تُعيد هذه الإجراءات نفسها لأجل غير مُسمّى، وينتشر (يتحرّك) الأثرُ عبر المكان بسرعة الضوء.

يتمدّد الحقلان E وM بالتناوب نحو الخارج انطلاقاً من المصدر، فتكون خطوط تدفّق الحقل E في كلّ نقطةٍ مُعطاةٍ عموديةً على خطوط تدفّق الحقل M.

تنتشر الموجات بزوايا عمودية على خطوط التدفّق لكلا الحقلَين E وM. ندعو هذه الظاهِرة المتحرّكة باسم الحقل الكهرو مغنطيسي (Electromagnetic Field) (EM).

 

يمكن للحقل الكهرو مغنطيسي في كوننا المعروف أن يكون له أيّ تردّد نتصوّره، فتمتدّ قيمُه من دورة واحدة خلال قرون زمنية عدّة إلى كوادرليونات من الدورات في الثانية (أي من وحدات الهرتز).

يهتزّ الحقل المغنطيسي للشمس بمعدّل دورة كلّ 22 سنة، بينما تهتزّ الموجات الراديوية عند تردّداتٍ بقيم آلافٍ أو ملايينَ أو ملياراتٍ (آلاف الملايين) من الهرتز.

تُشكِّل الأشعةُ تحت الحمراء (IR)، والضوء المرئي، والأشعةُ فوق البنفسجيّة (UV)، والأشعة السينيّة، وأشعةُ غامّا حقولاً كهرو مغنطيسيّةً (EM) تتناوب وتهتزّ بتردّدات من تريليوناتٍ (ملايين الملايين) عديدةٍ من الهرتز.

 

– التردّد مقابل الطول الموجي

هناك سمتان هامّتان لجميع الحقول الكهرو مغنطيسي EM: التردّد والطول الموجي [طول الموجة]. عندما نقوم بدراسةٍ كمِّيَّةٍ لهاتَين السمتَين فإننا نجد أنهما تُبدِيان علاقةً عكسيّة (Inverse Relation): عندما يزداد أحد المقدارَين فإن المقدارَ الآخر ينقص.

لقد تعلّمنا وسمعنا سابقاً عن تردّد التيّار المتناوب AC. يمكن أن نعبّر عن الطول الموجي للحقل EM على أنه الطول الفيزيائي الفاصل بين نقطتَين متجاورتَين يكون فيهما إمّا الحقل الكهربائي E أو الحقل المغنطيسي M بسعتين واتجاهَين متطابقَين.

لنرمز بـ f_MHz لتردّد موجة الحقل EM مُقدّراً بالميغا هرتز أثناء انتقال الموجة في الفضاء الحرّ (الهواء أو الفضاء الفارغ). لنرمز بـ λ_ft للطول الموجي مُقدَّراً بالأقدام. يرتبط هذان المقداران مع بعضهما وفقاً للعلاقة:

 

إذا قدّرنا الطول الموجيّ بالأمتار ورمزنا له بـ λ_m كان لدينا

العلاقات العكسيّة للعلاقتَين السابقتَين هما:

استخدمنا في هذه العبارات الرمز λ المقابل للحرف اليوناني لامبدا الصغير والمائل، ويستخدمه المهندسون والعلميون عادةً لتمثيل الطول الموجي.

 

– طيف الحقل الكهرو مغنطيسي EM

يُشير الفيزيائيّون والفلكيّون والمهندسون إلى الحيز الإجمالي لأطوال الحقل EM الموجيّة باسم الطيف الكهرو مغنطيسي (EM).

يُشكِّل طيف التردّد الراديوي RF -الذي يحوي موجات البثّ الراديوي والتلفزيوني والموجات المكروية- قسماً صغيراً من الطيف الإجمالي للحقل EM يُصنَّف ضمن ما يُدعى بـحزمٍ تمتدّ من التردّد المنخفض جداً (VLF) إلى التردّد العالي إلى أبعد حدّ (EHF) وفقاً للجدول 9-1.

تُشكِّل القيمةُ الدقيقة للحدّ الأدنى لمجال الـ VLF موضوعَ خلافٍ في الأدبيّات. لنعرِّف هذه القيمة على أنها مساوية لـ 3 كيلو هرتز، بما يتّسق مع الحدود التردّدية الفاصلة بين حزم التردّد الراديوي RF المقاسة أبعادُها عبر مراتب أسية (قوىً للأساس 10) Orders of Magnitude.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]