بالرغم من أن الكثير من الاجهزة التي استخدمنها شهدت انتشاراً واسعاً، الا انها اصبحت الأن قطعاً اثرية قلما نستخدمها واذكر على سبيل المثال جهاز الفيديو الذي استبدل بجهاز تشغيل اقراص الليزر والكاميرا التقليدية التي استبدلت بكاميرا ديجيتال. وبالرغم من تطور اجهزة التلفزيون واوسائل نقل الاخبار مثل الصحف والانترنت وغيره الا ان جهاز الراديو لا زال الجهاز القديم الجديد الذي لا يمر يوم الا واستخدم سواء في البيت او في السيارة او في المحال النجارية لدرجة انه ادمج مع اجهزة الجوال لتكون دائماً مطلعاً على اخر الاخبار والمستجدات والاستماع إلى البرامج والنقاشات في شتى المجالات.
يستخدم الراديو في إرسال واستقبال المعلومات أمواج كهرومغناطيسية تعرف باسم أمواج الراديو radio waves الراديو التي بواسطتها تنقل لنا الأخبار والحوارات والأغاني الموسيقية عبر الفراغ ولمسافات تصل إلى ملايين الكيلو مترات وبالرغم من انها أمواج غير مرئية ولا يمكن ان نشعر بوجودها إلا انها لها الأثر الكبير على المجتمع والفرد، فأمواج الراديو تستخدم أيضا في أجهزة الجولات وأجهزة مراقبة الأطفال وأجهزة التلفونات اللاسلكية وأجهزة الرادار والكثير الكثير من الأجهزة تستخدم أمواج الراديو.
ومن استخدامات امواج الراديو في حياتنا اليومية:
1. محطات الاذاعات التي تعمل على الارسال بالمواج AM و FM.
2. اجهزة الهواتف المنزلية اللاسلكية.
3. شبكات الحاسوب اللاسلكية
4. العاب الاطفال اللاسلكية.
5. محطات الارسال التلفزيوني.
6. اجهزة الجوال.
7. اجهزة تحديد الموضع على الأرض GPS.
8. اجهزة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية
9. اجهزة اللاسلكي المستخدمة لافراد الشرطة.
10. أجهزة الرادار.
11. أفران الميكوويف.
12. أجهزة المراقبة والتحكم في الملاحة الجوية.
13. الاتصال اللاسلكي بشبكة الإنترنت.
إن الأساس العلمي لهذه الأجهزة يكمن حول استخدام أمواج الراديو والتي تعتبر تكنولوجيا بسيطة تعتمد على قطع الكترونية محدودة يمكنك الحصول عليها بالقليل من المال لتعمل منها دائرة الكترونية للإرسال وأخرى للاستقبال. ان الأمر المحير هو كيف لشيء بسيط ان يكون حجر الأساس في تقنيات مذهلة وتحصل عليها بآلاف الدولارات في حين ان مكوناتها لا تتجاوز البضع دولارات.
في هذه المقالة من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بجولة استكشافية حول تكنولوجيا الراديو لنعرف في النهاية كيف لأشعة غير مرئية ان تكون أساسا لأجهزة مفيدة على درجة عالية من التقنية والتكنولوجيا.
الراديو البسيط
من الممكن تصميم راديو يعمل من خلال دائرة كهربائية بسيطة جداً فكل ما عليك هو الحصول على بطارية جديدة ذات الـ 9 فولت وقطعة من النقود. باستخدام جهاز راديو لديك يعمل على نظام AM قم بتشغيله وثبته على اي تردد لا توجد عليه اية محطات اذاعية بحيث لا تسمع شيء. قم باستخدام البطارية والقطعة النقدية وبالقرب من انتينا الراديو وقم بنقر قطبي البطارية بواسطة القطعة النقدية للحظة زمنية قصيرة وبسرعة. سوف تسمع صوت خشخشة تصدر من جهاز الراديو كلما وصلت وفصلت قطبي البطارية باستخدام القطعة النقدية.
من خلال النقر المتكرر بالقطعة النقدية على طرفي توصيل البطارية فإنها سوف تصدر امواج راديو يستقبلها راديو يعمل على نمط AM
ان البطارية والقطعة النقدية عملتا معا كأنهما جهاز ارسال امواج راديو. ولكن لا ترسل اي شيء في هذه التجربة البسيطة، كما انها لا ترسل الامواج لمسافات كبيرة. ولكن باستخدام هذه الخشخشة الصادرة عن تلامس وفصل قطبي البطارية والتحكم فيها يمكنك ارسال اشارات موريس وبالتالي فإنك تكون قد استخدمت امواج الرديو هذه لترسل معلومة ما ولكن لمسافة محدودة.
وفي بدايات استخدام اجهزة الراديو للارسال لمسافات طويلة استخدمت ملفات تحدث شرارة كهربية نتيجة لاستخدام فرق جهد كهربي كبير يصل إلى 20,000 فولت، وبهذا الجهد الكهربي يمكن ارسال اشارات راديو لمسافات كبيرة ولكن استخدام هذه الطريقة في الارسال تعتبر هذه الايام غير قانونية لانها سوف تعمل على تغطية نطاق واسع من ترددات الراديو والتي تكون محجوزة لاستخدام محطات راديوا اخرى وبالتأكيد سوف تشوش عليها، ولكن في القديم لم تكن هذه مشكلة لان مستخدمي الراديو كانوا محدودين وعددهم قليل.
اساسيات الراديو
كما لاحظنا من الفقرة السابقة بساطة فكرة إرسال أمواج الراديو غير محملة بأية معلومات. ولتحميل أمواج الراديو المعلومات مثل الصوت والصورة والبيانات يتم استخدام أمواج جيبية sine waves متصلة، بمعنى ان الأمواج لها تردد يتغير من خلال دالة جيبية ووهي دالة sin. بدلا من استخدام الشرارة الكهربية والسبب في ذلك ان الكثير من الناس تستخدم أمواج الراديو في الكثير من الأجهزة والتي تعمل في نفس الوقت، وتخيل انه الآن وأنت تقرأ هذه المقالة ان ألاف من ترددات الراديو تحيط بك من كل جانب مثل إشارات التلفزيون ومحطات الراديو وإشارات المحطات التلفزيونات الفضائية التي تعمل بالأقمار الصناعية وأجهزة الجوال وأجهزة الاتصالات اللاسلكية بمختلف أنواعها وأشكالها.
إن كل اشارة راديو مختلفة تستخدم موجة جيبية ذات تردد مختلف ويهذا يمكن فصل عمل هذه الاجهزة عن بعضها البعض ولا تتداخل الا في بعض الحالات حيث يمكنك سماع اتصال لاسلكي على جهاز الراديو.
ولشرح الفكرة اكثر سوف نقوم بتقسيم موضوع اساسيات الراديو إلى عدة اجزاء وهي على النحو التالي:
أولاً مكونات الرادي ويتكون الراديو من جزئين عما المرسل transmitter والمستقيل receiver، حيث يقوم المرسل باخذ المعلومة التي تكون اما صورة او صوت او اشارة تلفزيونية او غير ذلك ومن ثم يقوم بتشفيرها في صورة موجة جيبية وارسالها بواسطة امواج الراديو. في حين ان المستقبل يقوم باستقبال أمواج الراديو ومن ثم يقوم بفك شيفرة المعلومة من الموجة الجيبية المستقبلة. ان كلاً من المرسل والمستقبل يستخدما الانتينا antennas لارسال واستقبال اشارة الراديو.
مثال توضيحي 1
لنأخذ على سبيل المثال جهاز مراقبة الاطفال فهو جهاز راديو بسيط وسوف نستخدمه لتوضيح فكرة عمل المرسل والمستقبل في الراديو. يستخدم جهاز مراقبة الاطفال baby monitor لمعرفة اذا استيقظ الطفل من نومه في حين ان امه في مكان اخر حيث يتم وضع جهاز الارسال بجوار الطفل ويوضع جهاز الاستقبال مع الام. ومن خلاله تستطيع الام سماع صوت طفلها اذا استيقظ واخذ في البكاء. وهنا بعض الخصائص المهمة لجهاز مراقبة الاطفال وهي على النحو التالي:
تستخدم نظام راديو يعمل على محطة AM المدى الترددي له يساوي 49 ميجا هيرتز. عدد الترددات المستخدمة 1 أو 2 قدرة المرسل تساوي 0.25 وات.
صورة لجهاز مراقبة الاطفال والمكون من قطعتين الاولى على اليسار هي المرسل ويكون عند الطفل والقطعة الثانية على البمين هي المستقبل ويكون لدى الام
ويعتبر جهاز مراقبة الاطفال مثالاً على محطة راديو منزلي في ابسط صورة حيث تحمل الام جهاز الاستقبال لتستمع الى اي اشارة تصدر من الطفل عبر جهاز الارسال ويصل مدى هذا الجهاز إلى مسافة تصل إلي 60 متر وهي كافية للغرض المطلوب منه.
مثال توضيحي 2
لنأخذ مثالاً توضيحياً اخرتً ولكن اكثر تعقيداً، وهو جهاز التلفون الخلوي او المحمول أو الجوال والذي سبق وان قمنا بشرحه بالتفصيل، ولاحظنا انه عبارة عن جهاز راديو معقد من الناحية التقنية. ويتكون جهاز الجوال من المرسل والمستقبل في نفس الوقت، ويتعامل مع مئات الترددات المختلفة ويمكن بطريقة اتوماتيكية ان ينتقل من تردد إلى تردد اخر حسب ما هو متاح لتحميل المعلومات عليها. وتشترك الجوالات في الخصائص المهمة التالية:
تستخدم نظام راديو يعمل على محطة FM المدى الترددي له يساوي 800 ميجا هيرتز. عدد الترددات المستخدمة 1,664 تردد مختلف. قدرة المرسل تساوي 3 وات.
جهز الجوال والذي هو عبارة عن راديو فيه جهاز للارسال والاستقبال ويعملان قي نفس الوقت ويتصل الجوال مع برج التقوية الخاص به والذي يمكن ان بعد عنه مسافة تصل إلى 5 كيلومتر
فكرة عمل المرسل
يمكن شرح فكرة عمل المرسل بالاعتماد على بطارية وسلك توصيل كما هو موضح في الشكل أدناه حيث يتم توصيل طرفي البطارية بواسطة السلك. تقوم البطارية بارسال التيار الكهربي والذي هو عبارة عن سيل من الالكترونات خلال سلك التوصيل عند اغلاق الدائرة الكهربية. تعمل الالكترونات المتحركة في السلك على إنشاء مجالاً مغناطيسياً حول السلك، ويمكن الاستدلال على وجود المجال المغناطيسي من خلال استخدام بوصلة صغيرة بجوار السلك.
دائرة كهربية بسيطة تحتوي على بطارية موصلة في دائرة كهربية بسيطة
تتكون من سلك ومفتاح لاغلاق الدائرة وفتحها والبوصلة المستخدمة في الدائرة للتأكد من وجود مجال مغناطيسي حول السلك عند توصيل الدرائرة الكهربية لنقوم الان بوضع سلك أخر بشكل موازي للسلك المتصل بالبطارية ويبعد عنه بمسافة 5 سم. على ان يتم توصيل السلك الثاني بمقياس لفرق الجهد حساس “فولتميتر” وذلك لمعرفة التأثير الحادث على السلك الثاني كما هو موضح في الشكل ادناه.
عندما القيام بغلق الدائرة الأولى وفتحها أي بتوصيل قطبي البطارية وفصلهما نلاحظ تغير قراءة الفولتميتر في المتصل في السلك الثاني دلالة على مرور تيار كهربي فيه كلما اغلقنا الدائرة أو فتحنها. وهذه ظاهرة معروفة حيث ان المجال المغناطيسي الناشئ عن الدائرة الأولي عند مرور التيار الكهربي في السلك واغلاق الدائرة يعمل على جعل المجال المغناطيسي المتولد هو مجال مغناطيسي متغير وعندما تقطع خطوط المجال المغناطيسي الدائرة الثانية يتولد تيار كهربي حثي ليعمل على توليد مجال مغناطيسي مضاد للمجال المغناطيسي الأول، وهذه هي فكرة عمل المولد الكهربي والذي سبق شرحه في مقال منفصل بعنوان كيف يعمل الموتور الكهربي.
ملاحظة: التيار الكهربي المتولد في الدائرة الثانية يتولد فقط عن التغير في المجال المغناطيسي ولذلك نقوم بتكرار اغلاق وفتح المفتاح الكهربي لنضمن ان المجال المتولد سيكون متزايد في حالة الاغلاق ومتناقص في حالة فتح الدائرة الكهربية.
عمل جهاز ارسال بسيط
لعمل مرسل امواج راديو فإنه يجب ان نعمل على تغير التيار الكهربي المار في السلك باستمرار وذلك لنحصل على تيار كهربي كما هو موضح في الشكل والذي ينتج عن تكرار فتح واغلاق المفتاح الكهربي بسرعة. حيث تمثل اعلى قيمة للاشارة حالة مرور التيار الكهربي بينما تمثل ادنى قيمة للاشارة حالة عدم مرور التيار الكهربي.
عند توصيل البطارية فإن فرق الجهد سيرتفع إلى 1.5 فولت وعند فصل البطارية فإن فرق الجهد سينخفض إلى القيمة صفر. وبتوصيل وفصل البطارية بسرعة فإن هذا سوف يؤدي إلى تكوين موجة مربعة تتردد بين القيمتين 0 و 1.5 فولت
ولكن من المستحسن ان نجعل التغير في التيار الكهربي يتغير بدالة جيبية بدلاً من دلة مربعة كما في الشكل المبين ادناه
الدالة الجيبية للتغير في فرق الجهد بين القيمتين -10 إلى +10 تكون افضل لان التغير يحدث تدريجياً وليس بطريقة فجائية كما في الدالة المربعة الموضحة في الشكل السابق
ومن خلال جعل التيار الكهربي المار في السلك متغير بدالة جيبية بدلاً من دالة مربعة فإننا نحصل على جهاز ارسال بسيط. ومن السهل جداً ان نصمم دائرة كهربية تصدر تغير بدالة جيبية للتيار الكهربي، وهذه الدائرة تتكون من مكثف كهربي وملف كهربي وبتوصيلهما في دائرة كهربية يعملان على اصدار موجة جيبية ويمكن تكبير الاشارة باستخدام الترانزيستورز.
كيف نحصل على امواج راديو جيبية باستخدام دائرة مكونة من مكثف كهربي وملف كهربي.
1. قم بشحن المكثف باستخدام بطارية .
2. قم بتوصيل المكثف المشحون مع ملف كهربي كما في الدائرة الموضحة في الشكل اعلاه
3. يفرغ المكثف شحنته الكهربي عن طريق تمرير تيار كهربي في الدائرة فيمر التيار في الملف مما يولد مجالاً مغناطيسياً ويتسمر حتى يفرغ المكثف كل شحنته
4. يتسبب هذا المجال المغناطيسي المتولد في الملف في توليد تيار كهربي يعمل على شحن المكثف مرة أخرى ولكن بقطبية معاكسة فالقطب الموجب للمكثف يصبح سالب والعكس.
5. تتكرر عملية الشحن والتفريغ للمكثف بشكل دوري تذبذبي وفي كل مرة يفقد جزء من الطاقة في شكل حرارة تتبدد عبر مقاومة سلك التوصيل.
6. يعتمد تردد التذبذب على قيمة سعة المكثف وقيمة الحث المغناطيسي للملف.
وبتوصيل هذه الاشارة الجيبية بانتينا antenna فإنها سوف تصدر امواج الراديو الجيبيبة في الفراغ.
التردد يعتبر احد خصائص الموجة الجبيبة وهو عدد الاهتزازات التي تحدث للإشارة بين أعلى قيمة واقل قيمة في الثانية. وعندما نستمع إلى محطة راديو مثبتة على احد ترددات إرسال الـ AM فإن جهاز الراديو يستقبل أمواج الراديو الجيبيبة بتردد يصل إلى 1,000,000 دورة في الثانية الواحدة. وتعرف الدورة في الثانية باسم هرتز hertz وهي وحدة قياس التردد. فعندما بكون مؤشر الراديو على القيمة 680 فإن التردد الذي يستقبله الراديو يساوي 680,000 دورة في الثانية (هرتز) بينما المحطات التي تعمل على ترددات FM فإنها تصل إلى 100,000,000 هرتز. فمثلا عندما يكون مؤشر الراديو على الرقم 101.5 فهذا يعني ان موجة الراديو التي يتقبلها لها تردد يساوي 101,500,000 هرتز.
كيف تعمل راديو من 3 قطع نقدية؟ هنا على هذا الموقع
http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/radio/three_penny/three_penny.html
والبقية في تستكمل في الجزء الثاني
