Blog

النار يمكنها ان تدمر كل ما هو حولنا في غضون ساعة أو أقل، كما ان النار قادرة على ان تأتي على غبة من الاشجار وتحولها إلى كومة من الرماد.  وتستخدم النار كسلاح فتاك في الحروب وحسب الاحصائيات السنوية تعتبر كوارث النار الاكثر سببا للوفيات كل عام.

ولكن وبالرغم من الصوةر القاتمة التي بدأنا بها المقال فإن النار مفيدة للغاية. فهي الوسيلة الأولى للنسان استخدمها للاضاءة والتدفئة، هذا بالطبع استخدامها لطهو الطعام ودخل استخدام النار في الصناعة لتشكيل الحديد وتحويله الى الات مفيدة للبشرية.  لا يوجد مثيل للنار في المضار التي يمكن أن تسببها للانسان وفي نفس الوقت للنار الكثير من الفوائد.  ولذلك فإن النار بالتأكيد مهمة جداً لنا وعنصرا اساسياً للحياة وقوة مهمة للبشرية ولكن ماهي النار؟

 في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بشرح من كيف تتولد النار وما مصدرها وكيف تتصرف؟؟!!

ما هي النار؟

اعتبر القدماء اليونانيون أن النار أحد العناصر الرئيسية للكون بجانب الماء والهواء والأرض.  فانت تستطيع الشعور بالنار كما تشعر بالماء والهواء والارض فيمكنك ان تراها وتشمها وتحركها من مكان لأخر. ولكن في الحقيقة النار شيء مختلف تماماً.  الارض والماء والهواء وكلها تتشكل من المادة والتي تتكون من الملايين الملاين من الذرات المتجمعة مع بعضها

البعض.  ولكن النار ليست مادة على الاطلاق. انها مرئية ملموسة وهي اثر لتحول المادة من شكل الى اخر، وتكون النار جزء من تفاعل كيميائي.

من الطبيعي اننا نعرف ان النار تأتي من تفاعل كيميائي بين الاكسجين الموجود في الغلاف الجوي ومادة تعرف باسم الوقودمثل الخشب او البنزين.  ولكن طبعا بوجود الخشب والبنزين لا يحدث النار تلقائيا بمجرد توفر الأكسجين ولكن يجب ان ان تتوفر الحرارة اللازمة للوقود لكي يصل الى درجة حرارة الاشتعال.

فيما يلي نستعرض الخطوات التي تحدث لاشتعال الخشب وانطلاق النار.

1. شيء ما يجب ان يسخن الخشب ليصل إلى درجة حرارة عالية.  مثل عود ثقاب أو ضوء مركز او الاحتكاك او مصدر نار متوفر مسبقاً
2. عندما يصل الخشب إلى درجة حرارة 150 درجة مئوية فإن الحرارة تسبب تغير في جزء من مادة السيليلوز التي تكون الخشب.
3. التغير الذي يطرأ على مادة السليلوز يسبب في انطلاق غاز قابل للاحتراق في الصورة التي نعرفها باسم الدخان تحتوي على الهيدروجين والكربون والاكسجين.  عندما يتوقف الدخان فإن الخشب يكون تحول إلى كربون نقي يسمى الفحم ولهذا فإننا عندما نشتري الفهم فإنه يكون خشب تم تسخينه للتخلص من الدخان الذي يصدر من مادة السليلوز لارتفاع درجة حرارته وبالتالي عند اشعال الفحم لا نجد له دخان. وباحتراق الفحم يتحول في النهاية إلى رماد وهي المادة المتبقية من احتراق الفحم أو ما نسميه بمخلفات الحريق او المادة الغير قابلة للاحتراق والتي تكون في الغالب كالسيوم وبوتاسيوم وغيرها من المواد.  والمعادلة الموضحة في الشكل التالي توضح الغازات لمنبعثة من تشخين الخشب.

اذا نستنتج مما سبق ان حرق الخشب يحدث على مرحلتين منفصلتين كل مرحلة عبارة عن تفاعل كيميائي وهما كما يلي:

1. عندما تكون الغازات القابلة للاحتراق والتي تنطلق في صورة دخان عند درجة حرارة 260 درجة مئوية فإن جزيئات الخشب تتكسر وتنفصل عن بعضها البعض وتتحد ذراتها مع الاكسجين لتكون الماء واول اكسيد الكربون ومواد أخرى وتلك العملية نسميها عملية الاحتراق.

2. الكربون الموجود في الخشب بعد الاحتراق يكون في صورة فحم يتحد مع الاكسحين ايضاً في تفاعل كيميائي ولكن عملية الاتحاد مع الأكسحين في هذا التفاعل تكون أبطىء ولهذا نلاحظ ان الفحم المشتعل يبقى حاراً لفترات طويلة. ينتج عن التفاعلات الكيميائة السابقة انطلاق الحرارة والتي تؤدي الى استمرار وبقاء النار مشتعلة.

ولهذا السبب تعلم الانسان كيف يستفيد من تلك الخاصية في الابقاء على النار مشتعلة لفترات زمنية طويلة فنحن نعلم مثلا ان وقود مثل البنزين يحترق في لمح البصر نتيجة لتبخر البنزين بارتفاع درجة الحرارة وتحوله الى غازات قابلة للاشتعال بدون ترك مخلفات مادية مثل الفحم ولكن بااستخدام مادة الشمع يمكن ان نجعل النار مستمرة لفترة طويلة نتيجة لان تبخر الشمع ابطىء بكثير من تبخر البنزين لذا بتقليل معدل التبخر للمادة المحترقة “الوقود” يمكننا الحصول على نار لفترة زمنية طويلة.

ينتج الضوء من النار لان ذرات الكربون في المادة المحترقة تسخن وبالتالي تثار هذه الذرات بالحرارة وتتخلص تلك الذرات من اثارتها باصدار الضوء المرئي كما يحدث في المصباح الكهربي عندما يمر التيار الكهربي في فتيلة المصباح وترتفع درجة حرارتها نتيجة لمقاومتها للتيار فينطلق الضوء منها طالما استمرت درجة حرارة الفتيلة مرتفعة.

ينطلق الضوء من النار في صورة لهب Flame والهب له لون مميز يعتمد على مادة الاحتراق بدرجة رئيسية ويعتمد أيضا على درجة الحرارة.  الالوان المختلفة والصادرة من اللهب هي بسبب تغير درجة الحرارة في شعلة اللهب نفسها.  فالجزء الاسخن في اللهب يكون في اسفله والجزء الاكثر برودة في اعلى منطقة في اللهب.ولهذا يبدو لون اللهب في الاسفل ازرق بينما أعلى اللهب يكون اللون قريبا من اللون البرتقالي أو الأصفر.

وبالاضافة الى الضوء المنبعث من اللهب فإن جسميات من الكربون تتجمع حول اللهب في صورة شبيه بجسميات الغبار كما في الشكل التالي:

يكمن الخطر في النار في انها عملية كيميائية تستمر ذاتياً وبدون توقف طالما توفرت المواد اللازمة للاحتراق، فالحرارة التي تنتج عن اللهب توفر للوقود درجة حرارة الكافية لاستمرار في الاشتعال طالما توفر الوقود والاكسجين حول اللهب.  ويقوم اللهب بتسخين الغازات المحيطة باللهب لتطلق المزيد من الغازات التي تنتشر بسرعة لتعمل على نشر النار واتساع منطقة تأثيره

على الارض حيث تؤثر الجاذبية على الطريقة التي ينتشر فيها اللهب فالغازات التي تحيط به تكون درجة حرارتها كبيرة واقل كثافة من الهواء المحيط بها ولهذا فإن اللهب يتجه للأعلى حيث يكون الضغط اقل.  ولهذا السبب فإن النار دائما تتنتشر وتنطلق للاعلى في شكل سهم متجه للاعلى كما يتضح في الشكل التالي:

الغازات المحيطة وتأثيرها على شكل اللهب

ولكن لو نظرنا الى اللهب في مكان عديم الجاذبية مثل على سطح مركبة فضائية فإن اللهب يأخذ شكل كروي كما في الشكل التالي:

 (A) شكل النار على الأرض، (B) شكل النار في حالة انعدام الجاذبية

المتغيرات المؤثرة على النار

الاكسجين

مما سبق وجدنا ان النار هي عبارة عن نتيجة لعملية تفاعل كيميائية بين نوعين من الغازات هما الاكسجين والغاز المتسرب من المادة في صورة وقود، مع ضرورة توفر الحرارة اللازمة لذلك.  حيث تعمل الحرارة على توفير الطاقة اللازمة للذرات لتتمكن من التحرر من ارتباطها وتتبخر لتتحد مع ذرات الاكسجين في الجو لتكون مادة جديدة تساهم في توفير مصدر مستمر من الحرارة لتستمر العملية الكيميائية وتستمر النار.

يجب ان نعلم ان الكثير من العمليات الكيميائية المشابهة تحدث في حياتنا العملية ولكن لا تنتج ناراً فعلى سبيل المثال عندما نقوم بتسخين الماء فان الغاز المتبخر في صورة بخار ماء لا يتحد مع ذرات الاكسجين في الهواء وبالتالي لايمكن ان يتولد عن هذه العملية ناراً.

ولكن اكثر المركبات تحدث نار هي التي تحتوي الكربون والهيدروجين لانهما يتحدان مع الاكسجين بسهولة لتكوين ثاني اكسيد الكربون او تكوين الماء وغازات اخرى.

درجة الحرارة

تختلف درجات الحرارة اللازم توفرها للوقود لكي يشتعل وينتج النار.  وهذا بالتأكيد بسبب اختلاف طبيعة المادة ودرجة الحرارة اللازمة للتحول من حالتها الصلبة او السائلة الى الحالة الغازية.

حجم الوقود

يلعب حجم المادة القابلة للاشتعال “الوقود” في درجة انتشار النار واتساع تأثيره، فمثلاً في منطقة تكثر فيها الاشجار فإنها تمتص الحرارة بكمية كبيرة وبالتالي سوف توفر الغازات القابلة للاشتعال بكثافة مما يساهم في انتشار النار بسرعة كبيرة.

الحرارة الناتجة من الوقود

عند احتراق الوقود فإن الحرارة المنطلقة منها تختلف في مقدارها حسب نوع مادة الوقود وكذلك سرعة انتشاره الذي يعتمد على سرعة تفاعله مع الاكسجين.

شكل اللهب

يلعب شكل اللهب بدرجة كبيرة دوراً اساسياً في سرعة الاحتراق، فقطعة صعيرة من الوقود (قطعة من الخشب) تحترق اسرع بكثير من قطعة كبيرة وذلك لان اغلب سطحها يكون معرضاًً للاكسجين. ومثال على ذلك اذا كان لديك قصاصات صغيرة من الورق تحترق بسرعة اكبر من نفس كتلة الورق المكدسة.

بهذا نكون قد وضحنا ما هي النار وكيف تنتج وسببها والظروف اللازمة توفرها وعلمنا ان النار تختلف باختلاف العوامل المؤثرة عليها.

لمزيد من المعلومات يرجى الاطلاع على الروابط التالية

 http://webexhibits.org/causesofcolor/3B.html

 http://science.nasa.gov/headlines/y2000/ast12may_1.htm

 http://microgravity.grc.nasa.gov/combustion/cfm/cfm_index.htm

عصر التلفزيون والكمبيوتر والطائرة من أهم مظاهر التطور في القرن العشرين ولكن عصر النانو تكنولوجيا هو المستقبل الذي ينتظرنا بكل ما يحمل من تكنولوجيا لها ميزاتها ومخاطرها. إن النانو تكنولوجيا هو اسم كبير يخفي في طياته العديد من مواضيع البحث العلمي التي تتعامل مع الأجسام التي بحجم النانومتر (النانومتر هو جزء من البليون متر اي ان النانومتر هو 1/1000,000,000 متر)،  في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نلقي الضوء على هذه التكنولوجيا الجديدة.

ما هي التكنولوجيا النانوية

تهتم النانو تكنولوجيا بتصنيع الآلات والأدوات والمواد إلى الدرجة النانوية وتطوير أساليب الإنتاج والتحليل النانوي. تعبر كلمة نانو في الفيزياء عن وحدة قياس والتي تعادل 1×10^-9 من المتر، وعلى هذا الطول يمكن ترتيب حوالي ثمانية ذرات بجانب بعضها البعض، وهكذا فإن النانومتر أصغر منقطر شعرة من شعر الإنسان بحوالي 70000 مرة، بكلمة أخرى يمكن مقارنة حجم الجسيم النانوي بحجم كرة القدم بالنسبة لحجم الكرة الأرضية. تعود كلمة نانو في أصلها إلى اللغة اليونانية وتعني عالم الأقزام الخرافي المتناهيفي الصغر، وعليه فإن عالم التكنولوجيا النانوية هو أشبه بعالم المخلوقات الخرافية غير قابلة للملاحظة بالعين المجردة، حيث تسري فيه قوانين ميكانيكوفيزياء الكم.

لتقريب فكرة التكنولوجيا النانوية الى الأذهان استعن بالصورة في الشكل التالي وهي صورة مكبرة باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني.

في هذه الصورة نلاحظ وجود ترس لجزء من محرك نانوتكنولوجي بحجم حبيبة غبار وفوقه حشرة وهذا يوضح أن العلماء يستطيعون صنع آلات صغيرة بصغر حبيبة الغبار! (حجم حبيبة الغبار يوازي حجم ربع نقطة عادية على الصفحة) هذا المثال جزء فقط مما يمكن لهذه التكنولوجيا أن تحقق.

البناء باستخدام الذرات

الذرات هي وحدة البناء الرئيسية لكل المواد في هذا الكون الفسيح. فنحن البشر وكل شيء حولنا مكون من الذرات.  فعلى سبيل المثال اجسامنا عبارة عن خلايا مكونة من تجمع لعدد هائل من الذرات بطريقة معينة، هذه الخلايا عبارة عن الات نانوية طبيعية لا دخل للانسان فيها. كما ان المواد التي نشتريها هي ايضا عبارة عن ترتيب معين للذرات لتكون تلك المواد، تخيل عزيزي القارئ الان انه بالامكان ان نتحكم بترتيب ذرات اي مادة من المواد هذا هو اختصاص تكنولوجيا النانو والكثير من العلماء يؤكد على انه في غضون عشرة سنوات سيتم التحكم كل ذرة من الذرات المكونة للمادة.

مجموعة تروس ذرية تستخدم في تصنيع الآلات الناتوية

تعتمد التكنولوجيا النانوية على التشبيك والتنسيق بين العلوم البيولوجية والفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والإلكترونية وعلم المواد وتقنية المعلومات وذلك من أجل دراسة الهياكل البنائية للمادة الحية واللاحية، وكما حدث في القرن العشرين من تبدل في حياة الشعوب كنتيجة لثورة المعلومات والاتصالات بدأت علائم تبدل جذري جديد بالظهور بفعل التطور الهائل في مجال التكنولوجيا النانوية والبيولوجية والنانوبيولوجية والميكروية والبصرية.

هناك ثلاثة مراحل للوصول إلى مواد واجهزة والات مصنعة بالتكنولوجيا النانوية هي:

 (1) العلماء عليهم ان يتمكنوا من التأثير والتحكم بكل ذرة من الذرات المكون للمادة، وهذا يعني تطوير طريقة للامساك بالذرة وتحريكها إلى المكان المطلوب، وفي الحقيقة تمكنت شركة IBM في العام 1990 من كتابة اسم الشركة على بواسطة ترتيب 35 ذرة من ذرات عنصر الزينون على سطح بلورة من النيكل واستخدموا علماء شركة IBM في ذلك جهاز الميكروسكوب الذري atomic force microscopy.

صورة تحت الميكروسكوب الالكتروني لكلمة كتبت بذرات الزينون

(2) المرحلة الثانية وهي تطوير ألات نانوية تسمى المجمع assembler، تبرمج مسبقاً لتتحكم في الذرات والجزيئات، وحيث أن مجمع واحد يحتاج إلى الاف السنين ليصنع مادة من نوع واحد من الذرات لذلك فإن المطلوب هو ملايين من هذه المجمعات تعمل مع بعضها البعض لتصنع جهاز أو ألة أو مادة.

(3) ليتمكن العلماء من تطوير ملايين المجمعات فإن أجهزة نانوية تسمى المستنسخات replicators تكون مبرمجة لتبني هذه المجمعات.

نستنتج مما سبق أن التكنولجيا النانوية تحتاج إلى بلايين من المستنسخات لبناء البلايين من  المجمعات وهذه لن يزيد حجمها عن مكعب بحجم 1 ميليمتر مكعب والتي بدورها تتحكم في الذرات. هذا كله لن يرى بالعين المجردة وهذا يعني أن أيدي عاملة من نوع جديد بانتظارنا!

 بعض تطبيقات التكنولوجيا النانوية

(4) في عالم الميكانيك الهندسي حقق الباحثون نتائج مذهلة في مجال السيطرة على عمليات الاهتراء والصدأ والتآكل الميكانيكي والكيميائي، وكذلك في مجال التغلب على الاحتكاك الميكانيكي حيث أنه سيتم الاستغناء عن مواد التزييت والتشحيم، وهذا ما يساعد على إطالة عمر الآلة وزيادة كفاءتها.

(5) في مجال صناعة السيارات تم استخدام طرق ومواد نانوية جديدة في مجالات الطلاء والتغليف والعزل والمساهمة في تخفيف وزن السيارات وزيادة صلادتها وبالتالي تخفيض مصروفها من الوقود. وهناك العديد من الأبحاث في مجال تطوير وتصنيع عجلات السيارات والتي ستكون لها خاصية التلاؤم الأتوماتيكي مع ظروف الطقس وطبيعة الأرض والعوامل الخارجية الأخرى.

(6) تمكن الباحثون الألمان من تخزين المعلومات في ذرات قليلة وقراءتها، وإذا ما استمر النجاح في هذا الاتجاه فإنه سيصبح قريباً من الممكن تخزين كل ما تم إنتاجه من الأدب العالمي على رقاقة بحجم الطابع البريدي.

(7) لقد فتحت التكنولوجيا النانوية آفاقاً جديدة في المجال الطبي والجراحي، هناك دراسات عديدة من أجل تطوير روبوتات نانوية والتي يمكن إرسالها إلى الجسد للتعرف على الخلايا المريضة وترميمها وكذلك للتعرف على محرضات الأمراض ومعالجة الأمراض المستعصية والأورام الخبيثة.

إن الأمثلة التي تم طرحها فيما سبق لا تشكل سوى غيض من فيض تطبيقات التكنولوجيا النانوية والتي بدأت برسم ملامح المستقبل القادم.  ومازالت تتسرب من وقت لآخر، معلومات عن مشروعات طموحة تجري فيبعض مراكز البحوث بالعالم، منها فكرة لبناء محركات في حجم الخلية البكتيرية، تدير آلات مجهرية أو “فوق مجهرية”، قادرة على التقاط جزيئات من المواد في البيئة المحيطة بها، ومعالجتها، تخلصاً من جوانب غير مرغوب فيها، أو تعظيماً للفائدة في جوانب أخرى، ومن المتوقع أن تزيد الاستثمارات في هذا الحقل العلمي الفريد الذي سيحدث ثورة صناعية جديدة في المستقبل القريب.

مراجع

http://www.royalsoc.ac.uk/landing.asp?id=1210

http://encyclopedia.quickseek.com/index.php/Nanotechnology

 http://physicsweb.org/articles/world/17/8/7

قد يصل عمر قطعة من الخشب او العظام إلى 5000 عام.  ومن الطبيعي ان نتسأل عن كيفية تمكن العلماء من تقدير عمر الأثار والحفريات التي توجد على الكرة الأرضية، وما هي الطريقة المستخدمة؟ وفي هذه المقالة سوف نشرح الفكرة الفيزيائية لتقدير أعمار الكائنات باستخدام الكربون-14.

يستخدم كربون-14 كمقياس لتقدير أعمار الحفريات ذات الأساس البيولوجي والتي قد يصل عمرها في بعض الأحيان أكثر من 50000 سنة.

ما هو كربون-14؟

تصطدم الأشعة الكونية cosmic rays الغلاف الجوي باستمرار،  ويقدر أن ملايين الاشعة الكونية تصطدم بجسم الانسان كل ساعة.  تصطدم الأشعة الكونية بذرات الغلاف الجوي مما ينتج عنه اشعة كونية ثانوية في شكل نيوترون تحمل طاقة حركة، تصطدم هذه النيوترونات بذرات النيتروجين-14 المكون من سبع بروتونات وسبع نيوترونات.  ينتج عن هذا التصادم ذرة كربون-14 المكونة من ستة بروتونات وثمانية نيوترونات وتتحرر ذرة هيدروجين المكونة من بروتون واحد فقط.  تعتبر ذرة الكربون-14 ذرة غير مستقرة لأن عدد بروتوناتها لايساوي عدد نيوتروناتها مما تسمي بالكربون المشع الذي له عمر نصف (وهو العمر اللازم لكي تقل كمية النشاط الإشعاعي إلى النصف) هو 5730 سنة.

n + ¹⁴N → ¹⁴C + ¹H

كربون 14 هو نظير من نظائر الكربون المشعة ، وهو مصدر لاشعة (B) يتحلل بمرور الوقت. فاذا كان لدينا كمية معينة منه، بعد مرور 5730 عام يكون قد تحلل نصفها. وهذا ما ندعوه بعمر النصف، ويكون لنا هذا العمر بمثابة الاساس الذي نعتمد عليه في اعتبار كربون 14 كطريقة ناجعة في تحديد العمر.

 شرح للدورة الطبيعية لانتاج كربون 14 وامتصاصه في النبات ومن ثم للانسان إلى ان يتحلل إلى نيتروجين 14 وتقل نسبته في الجسم بمرور الزمن.

الكربون 14 موجود في كل الكائنات الحية

ذرات الكربون14 التي تنتج من الأشعة الكونية تتحد مع الأكسجين لتكون ثاني أكسيد الكربون، يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون من قبل النباتات خلال عملية التمثيل الضوئي،  ينتقل كربون-14 من النبات إلى الانسان والحيوان من خلال الأكل.  تكون نسبة الكربون-12 إلى الكربون-14 في الهواء وفي كافة الكائنات الحية نفس النسبة.  ويقدر عدد ذرات الكربون-14 في الهواء بذرة واحدة لكل 1012 ذرة كربون-12، ذرات الكربون-14 مشعة وتضمحل باستمرار من خلال اطلاق اشعة بيتا ولكن يتم تعويض الفاقد من جسم الكائنات الحية بمعدل ثابت من خلال ما نتناوله من طعام أو ماء.

عند هذه اللحظة نؤكد على أن جسم الانسان يحتوي على نسبة ثابتة من الكربون-14 فيه وتساوي نفس النسبة في الحيوان والنبات.

حساب العمر

تكمن الفكرة في الاعتماد على الكربون-14 لحساب العمر عن توقف توزيد الكمية المفقودة من الكربون-14 عند الوفاة للكائن الحي فتختلف النسبة بين الكربون-12 إلى الكربون-14 عن باقي الكائنات الحية لان الكربون-14 هو عنصر مشع ويضمحل بمعدل ثابت مع الزمن من خلال اطلاق جسيمات بيتا ولا يتم تعويضه كما هو الحال للكائن الحي.  بينما يبقى الكربون-12 ثابتا في جسم الكائن قبل الوفاة وبعده.  وعليه نستنتج أنه بقياس النسبة بين الكربون-14 إلى الكربون-12 ومقارنة النتيجة مع النسبة بينهما في الكائنات الحية يمكن حساب عمر العينة.

والمعادلة التالية توضح نحسب العمر

t = [Ln (N_f/N_o) / (-0.693) ] x t_1/2

حيث Ln هي دالة اللوغاريتم الطبيعي، N_f/N_o هي النسبة بين كربون-14 في العينة إلى الجسم الحي.  و t_1/2  هو عمر النصف للكربون-14 والذي يساوي 5730 سنة.

فإذا افترضنا أن هناك عينة تم قياس نسبة كربون-14 ووجدت أنها 10% بالمقارنة مع نسبته في الاجسام الحية فإن حساب عمر العينة يكون حسب المعادلة السابقة على النحو التالي:

t = [ Ln (0.10) / (-0.693) ] x 5,700 years

t = [ (-2.303) / (-0.693) ] x 5,700 years

t = [ 3.323 ] x 5,700 years

t = 18,940 years old

ملاحظة

لأن عمر النصف للكربون-14 هو 5730 سنة فإن الكربون-14 يستخدم لتقدير عمر كائنات لا يزيد عمرها عن 60000 سنة.  ولكن بنفس المبدأ الذي يستخدم لتقدير العمر في الكربون-14 يطبق على عناصر مشعة أخرى تتواجد في جسم الانسان مثل البوتاسيوم-40 وعمر النصف له كبير جداً ويساوي 1.3×10⁹ سنة.  كذلك عنصر اليوراتيوم-238 وعمر نصفه 4.5×10⁹ سنة ةعنصر الثوريوم-232 الذي عمر نصفه 14×10⁹ سنة وعنصر الرابيديوم-87 الذي عمر نصفه 49×10⁹ سنة.

باستخدام العناصر السابقة يتمكن العلماء من تقدير أعمار العينات التي اساسها كائنات حية أو العينات الجيولوجية.

جدير بالذكر ان تقدير الاعمار باستخدام الكربون-14 او غيره من العناصر المشعة لا يعطي نتائج دقيقة للعينات بعد العام 1940 حيث تم اكتشاف القنابل النووية والمفاعلات النووية التي انتجت التجارب عنها اضافة لنسبة العناصر المشعة الموجودة في الطبيعة مما احدث خلل في النسبة الطبيعية بين الكربون-12 والكربون-14 في الغلاف الجوي التي اعتمدنا عليها في حساب عمر العينة.

انحناء الضوء

ان الظاهرة الاساسية لحدوث قوس قزح هي ظاهرة الانكسار الضوئي التي يحدث فيها انحناء للضوء نتيجة لمرور اشعة الضوء في وسطين مختلفين في معامل الانكسار حيث ينتقل الضوء في هذين الوسطين بسرعتين مختلفتين.

ولمزيد من الفهم لظاهرة انحناء الضوء نتيجة لظاهرة الانكسار دعنا نتأمل في المثال التالي: تخيل انك تدفع عربة بقوة منتظمة كما في الشكل ادناه،  وحيث ان القوة التي تدفع بها العربة منتظمة اي ثابتة فإن سرعة العربة ستكون ثابتة ايضا، هذا اذا كان الوسط الذي تتحرك فيه العربة متجانس اي له طبيعة منتظمة كأن تدفع العربة على الرصيف.  ولكن ماذا يحدث لو بدأت تدخل بالعربة على ارض عشبية؟  فإن العربة سوف تقل سرعتها حيث ان قوة الاحتكاك تصبح اكبر ولهذا تحتاج ان تزيد قوة الدفع لتحافظ على نفس السرعة على الرصيف.

 والآن تخيل أنك قمت بدفع العربة إلى الأرض العشبية بزاوية فإن شيئ أخر سيحدث! حيث ان العجلة اليمين للعربة تدخل الى منطقة الأرض العشبية قبل العجلة اليسار فإن العجلة اليمين تقل سرعتها بينما العجلة اليسار لازالت محتفظة بسرعتها الاصلية وهذا سيؤدي الي انحراف العربة إلى اليمين نتيجة لاختلف سرعة العجلتين للعربة.

بنفس الطريقة يحدث ذلك لحزمة الضوء عندما ينفذ من خلال منشور زجاجي.  حيث يتباطء جزء الضوء الذي ينفذ من زجاج المنشور بينما يحافظ الجزء المتبقي من حزمة الضوء على سرعته.  وهذ يؤدي الى انحراف الضوء عند حافة الزجاج الذي يفصل بين وسط الهواء والزجاج.  ويحدث انحراف معاكس للضوء عندما يخرج من المنشور إلى الهواء.

هذا بالإضافة إلى ان المنشور يقوم بتفريق الضوء الأبيض إلى مكوناته الرئيسية (ألوان الطيف) حيث ان الضوء الأبيض الذي نراه هو خليط من من الترددات المختلفة بحيث ان لكل لون من الوان الطيف تردد ممختلف وهذا   يسبب ان الضوء ينتقل بسرعات مختلفة عندما ينفذ من الزجاج او اي وسط شفاف.

فاللون الذي ينتقل بسرعة بطيئة في الزجاج سوف ينحرف عن مساره بحدة كبيرة عند الحد الفاصل بين الهواء والزجاج.  اما اللون الذي يتحرك بسرعة كبيرة في الزجاج فلن يتأثر كثيرا كما في الحالة السابقة، ولهذا فإن الضوء الأبيض المكون من الوان الطيف فإنه سوف يتفرق حسب تردد كل لون وسرعته عندما ينفذ إلى الزجاج وبالتالي نستطيع رؤية الوان الطيف بشكلها البديع عند خروج الضوء من الجهة الأخرى للمنشور وهذه الظاهرة تعرف باسم تشتيت الضوء dispersion.

يقوم المنشور بتشتيت حزمة الضوء إلى مكوناتها من الوان الضيف وللتسهيل سوف نعتبر اللون الاول (الأحمر) واللون الأخير (البنفسجي) اللذان يقعان على طرفي حزمة ألوان الطيف تحدث قطرات المطر في السماء على اشعة الضوء نفس تأثير المنشور حيث تقوم كل قطرة بتشتيت الضوء الأبيض الى مكوناته الاساسية (الوان الطيف) عندما تعترض مسار اشعة الضوء الصادر من الشمس وفي الاجمالي تعمل هذاه الاقطرات على تشكيل قوس قزح.

قوس قزح

لنأخذ قطرة واحدة ذات الشكل الكروي كما هو موضح في الشكل أدناه، هذه القطرة تمثل فكر عمل المنشور الزجاجي عندما يسقط عليه شعاع من الضوء فيتشتت إلى اللوان الطيف السبعة المعروفة.  ولنأخذ على سبيل التبسيط لونين هما الأحمر والبنفسجي كما في الشكل.

عندما ينفذ اللضوء الأبيض قطرة الماء في السماء فإن مكونات الضوء ذات الترددات المختلفة تتباطىء الى سرعات مختلفة كل حسب تردده.  فاللون البنفسجي ينحرف بزاوية كبيرة عندما يعبر من خلال قطرة المطر وعلى الجزء الداخلي من القطرة فإن جزء من الضوء ينفذ الى الهواء بينما الجزء الباقي ينعكس لينفذ إلى الهواء من الجانب الايسر للقطرة كما هو موضح في الشكل السابق.

 وبهذا الشكل فإن كل قطرة مطر تعمل على تشتيت اشعة الشمس إلى مكوناتها ذات الالوان المختلفة.

 وبهذه الطريقة فإن كل قطرة مطر تعمل على تشتيت اشعة اشمس لتظهر الوان الطيف.  ولكن لماذا نرى حزمة عريضة من الألوان كما لو أن كل منطقة من المطر تشتت لون محدد؟ والسبب يعود لاننا نرى فقط لون واحد من كل قطرة مطر كما سيأتي شرحه في الشكل التالي:

عندما تقوم قطرة المطر A بتشتيت الضوء فيخرج اللون الأحمر المتشتت من القطرة بزاوية مناسبة لعين المشاهد،  بينما للون الأخر يخرج على زاوية اقل بحيث لا تسقط على عين المشاهد.  اشعة الشمس سوف تصطدم بجميع قطرات المطر في المحيط بنفس الطريقة بحيث تحرف اللون الأحمر إلى عين المشاهد.

 أما قطرة المطر B فتكون في مكان اسفل القطرة A في السماء بحيث تحرف اللون الأحمر بزاوية لا تسقط على عين المشاهد، ولكن اللون البنفسجي ينعكس على زاوية مناسبة لتستقبلها عين المشاهد. وكل القطرات المحيطة بالقطرة B تعمل على اسقاط اللون البنفسجي على عين المشاهد.  القطرات في السماء التي تقع بين A وبين B تعمل على تجميع باقي اللوان الطيف على عين المشاهد، وبهذا فإن المشاهد سوف يرى كل الوان الطيف.

إذا تواجد المشاهد في السماء فوق المطر فإنه سيرى قوس قزح على شكل دائرة كاملة ولكن على الارض فإن المشاهد يرى جزء من هذه الدائرة على شكل قوس لان الجزء المتبقي من القوس مختفي خلف الافق!

السؤال الآن كيف يمكن تحسين مدى الرؤية في الظلام؟

للإجابة على هذا السؤال يجب أن نلقى بعض الضوء على الطيف الكهرومغناطيسي الذي يحيطنا، وإن ما نراه من ألوان هو جزء بسيط من الطيف الكهرومغناطيسي كما هو واضح في الشكل.

لكل منطقة على الطيف الكهرومغناطيسي طاقة محددة تعتمد على الطول الموجي: حيث أن الطول الموجي الأقصر له طاقة أكبر.  وبالتالي يكون اللون الازرق ذو الطول الموجي الأقصر في الطيف المرئي له طاقة اكبر من اللون الأحمر لأن له طول موجي أكبر.  ويأتي طيف الاشعة تحت الحمراء قبل اللون الأحمر وهذا يعني أن طاقتها أقل.

الاشعة تحت الحمراء تقسم إلى ثلاثة مناطق كما تقسم الاشعة المرئية إلى سبعة ألوان مختلفة (ألوان الطيف المعروفة) وهذه المناطق الثلاثة لطيف الاشعة تحت الحمراء هي:

المنطقة القريبة من الاشعة تحت الحمراء Near-infrared وهي أقرب مايمكن من الطيف المرئي والتي يبلغ مداها من 0.7 مايكرون إلى 1.3 مايكرون.

المنطقة الوسطى Mid-infrared وهي المنطقة من الطيف الكهرومغناطيسي في المدى 1.3 مايكرون إلى

3 مايكرون. وهذه الاشعة المستخدمة في أجهزة التحكم عن بعد الرموتكنترول.

الاشعة الحرارية Thermal-infrared وهي التي تحتل أكبر مدى من الطيف الكهرومغناطيسي من 3 مايكرون إلى 30 مايكرون.

الاشعة الحرارية Thermal-infrared هي اشعة تنبعث من الاجسام نتيجة لدرجة حرارتها وليست أشعة تنعكس عن الاجسام.  ويعود انبعاث الاشعة الحرارية في منطقة الأطياف تحت الحمراء من اثارة الذرات المكونة للجسم عند درجات حرارة فوق الصفر المطلق وعودتها إلى حالة عدم الاثارة وهذا يسبب إلى انطلاق الاشعة الكهرومغناطيسية في المنطقة تحت الحمراء.  حيث أن الذرات في حالة اثارة مستمرة excitation إلى مستويات الطاقة العليا excited level ثم عودتها إلى مستوى الطاقة الأرضي ground-state energy level.

ومن هنا تعتمد فكرة الرؤية الليلية على الاشعة تحت الحمراء (الحرارية) المنبعثة من الأجسام، وهذا ما سنقوم بشرحه الآن…….

كيف تعمل أجهزة الرؤية الليلية 

1. بواسطة نظام عدسات شبيه بعدسات كاميرا الفيديو يعمل على تجميع الاشعة تحت الحمراء المنبعثة من الاجسام.
2. الاشعة الحمراء المجمعة تسقط على مصفوفة من المجسات الحساسة للاشعة تحت الحمراء تعمل على رسم خريطة حرارية للجسم تسمى thermogram.
3. تقوم اجهزة اكترونية بتحويل الصورة الحرارية thermogram إلى نبضات الكترونية.
4. تقوم وحدة معالجة الاشارة signal-processing unit بترجمة الصورة الحرارية المأخوذة من المجسات إلى معلومات لتعرض على الشاشة.
5. ترسل وحدة معالجة الاشارة signal-processing unit المعلومات إلى الشاشة على شكل مناطق ملونة تعكس درجات الحرارة وجميع المعلومات المجمعة تكون الصورة.

هناك نوعان من اجهزة الرؤية الليلية أحدهما يعمل عند درجة حرارة الغرفة ويعرف باسم Un-cooled وبامكانه رصد فروقات في درجة الحرارة تصل إلى 0.2 درجة مئوية وهو اكثر انتشاراً. والنوع الاخر يعمل تحت درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة وذلك بتبريده ويعرف باسم Cryogenically cooled وهو مرفع الثمن وبامكانه رصد فروقات في درجة الحرارة تصل إلى 0.1 درجة مئوية ولمسافات تصل إلى 300 متر.

يوضح الشكل التالي درجة وضوح الرؤية في ثلاث حالات مختلفة (من اليمين) رؤية بواسطة ضوء النهار وتليها صورة للرؤية الليلية بواسطة مصابيح السيارة ويليها صورة ليلية بستخدام كاميرا تعمل بالاشعة تحت الحمراء الحرارية.

الرؤية في ضوء النهار	الرؤية في الليل	الرؤية باستخدام الاشعة تحت الحمراء الحرارية

أنواع اجهزة الرؤية الليلية 

يمكن تقسيم اجهزة الرؤية الليلية إلى ثلاثة أقسام هي:

التلسكوب Scopes وهي الاجهزة التي تثبت على الاسلحة لاصابة الاهداف الليلية أو التي تحمل باليد للانتقال من الرؤية الليلية إلى الرؤية الطبيعية.

المنظار Goggles وهي في الغالب ما تثبت على الرأس وتستخدم للتجول بواسطتها خلال الليل.

الكاميرا Cameras وهي تشبه كاميرا الفيديو التقليدية ولكن تعتمد على التصوير بواسطة الاشعة تحت الحمراء وتستخدف في طائرات الهيلوكوبتر أو مراقبة الابنية.

الكاميرا  Cameras

Stealth 301 Series Day/Night Video Camera

استخدامات اجهزة الرؤية الليلية 

للاجهزة الرؤية الليلية العديد من التطبيقات مثل التطبيقات في المجالات العسكرية وفي الابحاث الجنائية وفي رحلات الصيد الليلية وفي البحث عن الاشياء المفقودة وفي التسلية وفي انظمة الحماية والمراقبة.  وتجدر الاشارة إلى أن أول وأهم تطبيقات اجهزة الرؤية الليلية هي الاستخدامات العسكرية في التجسس على تحركات الخصم ومعداته في اثناء الليل، كما يستخدمه رجال الاعمل في مراقبة ابنيتهم من اللصوص والمعتدين. كما يستحدمه رجال التحريات الجنائية في دراسة تحركات اللصوص من الاثار الحرارية التي تركتها اقدامهم على الأرض وتحديد فترة الاعتداء ومتابعة المسروقات وغيره….

الجزء الخامس

الأشعاع الصادر عن الجوال

هل تشكل خطورة على صحة الانسان ام لا؟

تحدثنا في الأجزاء السابقة من هذا المقال عن شبكة الجوال ككل، وفي هذا الجزء سوف نتحدث عن الجوال والاشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث منه، حيث انه كما تعلم فإن الجوالات أجهزة لاسلكية ترسل اشارة صوتية محملة عبر أمواج الراديو “أمواج راديوية” وهذه الأمواج لها طاقة في شكل اشعاع كهرومغناطيسي.

وكثيراً ما نسمع ونقرأ في الاخبار عن المضار الصحية للجوال على الانسان وخصوصاً ان الجوال يستخدم بجوار الدماغ مباشرة وهو الجزء الأكثر حساسية في جسم الانسان، وهذا يعني ان الاشارات الراديوية التي يتبادلها الجوال مع محطة الارسال خلال المحادثة التلفونية تعرض أغشية الدماغ مباشرة لطاقة هذه الأشعة.  وفي الحقيقة هناك الكثير من التجارب العلمية التي تخبرنا مرة بأن استخدام الجوال ضار وتجارب علمية اخرى تأتي لنا بأخبار مفادها ان الجوال لا مضار من استخدامه على صحة الانسان وكلا الطرفين يقدم أدلته من خلال التجارب والأبحاث العلمية التي قام كل طرف باجرائها والحقائق التي استند عليها.

في هذا المقال سوف نلقى الضوء على هذا الموضوع في محاولة لتوضيح الاختلاف وشرح كيف يصدر الجوال الاشعاع الكهرومغناطيسي، وكيف نقوم بتحديد مستوى الاشعاع، وستجد في نهاية المقال عزيزي القارئ انك قادراً على أن تحكم على مدى خطورة أو سلامة استخدام الجوال.

مصدر الاشعاع

عند التحدث عبر الجوال فإن جهاز الارسال في الجوال يقوم باستقبال الاشارة الصوتية الصادرة عن المتحدث ويقوم بتحويلها وبتشفيرها ثم تحميلها على موجة جيبية متصلة كما هي موضح في الشكل ادناه.  (في مقالات اخرى قادمة سوف نقوم بشرح فكرة عمل الراديو وارسال الصوت واستقباله)

 الموجة الجيبية

الموجة الجيبية عبارة عن موجة تنبعث من الانتينا antenna تتذبذب باستمرار وتنتشر في الفراغ.  تتحدد خصائص الموجة الجيبية وتقاس بترددها frequency والذي يعرف على انه عدد الاهتزازات التي تعملها الموجة في الثانية.  

عندما يتم تحميل الاشارة الصوتية المشفرة على الموجة الجيبية فإنها تكون جاهزة للارسال من خلال المرسل transmitter عبر الانتينا كما هو موضح في الشكل ادناه.

الاشعاع الصادر عن الجوال مصدره المرسل transmitter ويخرج عبر الانتينا antenna. يستخدم الجوال مرسل transmitter ذو طاقة ضعيفة فعلى سبيل المثال في السيارات المزودة باجهزة الجوال اللاسلكي تصل طاقة الارسال فيها إلى 3 وات، في حين أن الجوال اليدوي الذي نستخدمه فإن طاقة الارسال فيه تتراوح بين 0.75 إلى 1 وات فقط.  ويكون موضع المرسل في داخل الجوال حسب الشركة المصنعة ولكن في الأغلب يكون بجوار الانتينا كما هو في الشكل اعلاه.

الأمواج الراديوية التي تحمل الاشارات الصوتية المشفرة عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية تنتشر بواسطة الانتينا. ووظيفة الانتينا في أي جهاز ارسال هو بث أمواج الراديو التي يصدرها المرسل في الفراغ.  وفي حالة الجوال يتم التقاط تلك الامواج مرة اخرى عبر الاننينا من قبل أجهزة الاستقبال في ابراج محطات الجوال لتوجيهها إلى الجوال الذي تم الاتصال معه.

الأشعة الكهرومغناطيسية

الاشعة الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة ثابتة هي سرعة الضوء وقيمتها 3x108m/s وهي سرعة كبيرة جداً بدليل ان الاشعة الكهرومغناطيسية تستطيع ان تلف محيط الكرة الارضية 7 مرات بمجرد ان تنتهي من نطق كلمة واحد.  وتنتقل هذه الاشعة في الفراغ وتنقل الطاقة من المصدر source إلى المستقبل receiver.

وقد تم اكتشاف هذه الاشعة على مراحل حيث كان العالم هيرتز Hertz 1887 أول من عمل في هذا المجال وكان في ذلك الوقت فقط اشعة الراديو والاشعة المرئية ومن ثم تم اكتشاف باقي الطيف  الكهرومغناطيسي من خلال الملاحظات والظواهر الفيزيائية العديدة.

الاشعة الكهرومغناطيسية لها طول موجي وتردد يحدد خصائصها وترتبط سرعة الاشعة الكهرومغناطيسية مع التردد والطول الموجي من خلال السرعة حيت أن سرعة الاشعة الكهرومعناطيسية تساوي تردد الاشعة في طولها الموجي (تذكر عزيزي القارئ أن السرعة ثابتة كما ذكرنا وهذا يعني انه اذا زاد الطول الموجي قل التردد واذا قل الطول الموجي ازداد التردد).

الشكل ادناه يوضح مخطط كامل للطيف الكهرومغناطيسي حيث يبدأ من أمواج الراديو ذات الطول الموجي الطويل والتردد المنخفض ثم منطقة أشعة المايكروويف ومنطقة الأشعة تحت الحمراء ثم منطقة الأشعة المرئية ثم منطقة الأشعة فوق البنفسجية ثم منطقة أشعة اكس ثم منطقة أشعة جاما. وهذا التسلسل هو تبعاً لزيادة تردد هذه الموجات.  ولكل منطقة من مناطق الطيف الكهرومغناطيسي خصائص تميزها عن بعضها البعض وبناء عليه نتجت تطبيقات مختلفة لهذه الاشعة وللعلم فإن منطقة الطيف المرئي هي التي منحنا الله سبحانه وتعالى القدرة على رؤيتها وهي المنطقة التي تستجيب لها شبكية العين لتتمكن من رؤية الاشياء من حولنا.

كما يجب ان نعلم أن الاشعة الكهرومغناطيسية لها طاقة تتناسب طردياً مع التردد وعكسيا مع الطول الموجي من خلال المعادلة

طاقة الاشعاع الكهرومغناطيسي = ثابت بلانك x التردد

نستنتج من ذلك أنه كلما زاد التردد ازدادت طاقة الأشعة الكهرومغناطيسية، وعليه فإن طاقة أشعة جاما أكبر ما يمكن في الطيف الكهرومغناطيسي وكما نعلم أن جسم الانسان يتحمل طاقة اقصاها طاقة الطيف المرئي وتعتبر طاقة الطيف فوق الازرق ultra-violet ضارة وتسبب حرق لخلايا الجسم وكذلك طاقة اشعة اكس تستطيع اختراق جلد البشري والتعرض لها يسبب خطورة كبيرة.

من المعلومات السابقة التي تحدثنا عنها في الاجزاء السابقة نستطيع ان نحدد المدى الذي تستخدمه شبكة الاتصالات اللاسلكية من الأشعة الكهرومغناطيسية والتي في منطقة الميكروويف الموضحة في الشكل أدناه.

 الطيف الكهرومغناطيسي

نلاحظ من الشكل السابق للطيف الكهرومغناطيسي أن أشعة الميكروويف تقع في مدى الترددات الأقل من تردد الضوء المرئي وهذا يعني ان طاقة أشعة الميكروويف أقل من طاقة الضوء المرئي كما أنها تقع ضمن المنطقة المحددة بالأشعة الغير مؤينة non-ionizing radiation.

مخاطر الاشعة المنبعثة من الجوال على الانسان

كل الهواتف المحمولة تبعث قدراً من الاشعة الكهرومغناطيسية التي تحدثنا عنها سابقاً، والابحاث التي يقوم بها العلماء تعتمد على تحديد الكمية التي لو تعرض لها الدماغ فإن هذه الاشعة تصبج غير أمنة للانسان، وكذلك تحديد مخاطر تعرض الانسان لتلك الأشعة الصادرة من أجهزة الجوال على المدى الزمني البعيد.

يمكن تقسيم الاشعة الكهرومغناطيسية إلى نوعين هما:

اشعة مؤينة Ionizing radiation وهي تلك الاشعة التي تحتوي على قدر من الطاقة كافي لانتزاع الذرات والجزيئات من الخلايا الحية، وتعتبر اشعة جاما واشعة اكس من الاشعة المؤينة.  وهذا الاشعة بدون شك تسبب اضراراً على الخلايا الحية.

اشعة غير مؤينة Non-ionizing radiation وهي اشعة امنة ولا تشكل خطر على الانسان. ولكن تسبب ارتفاع درجة حرارة الجزء من الجسم الذي يتعرض لها. ومن هذه الاشعة امواج الراديو والضوء المرئي وامواج الميكروويف.

اثبتت الابحاث العلمية عدم وجود اية مخاطر للاشعة المنبعثة عن الجوال على صحة الانسان، ولكن هذا لا يعني انه لا يوجد اي ضرر من استخدام الجوال، فالاشعة الصادرة من الجوال هي من نوع اشعة الراديو RF وقد ثبت التأثير الضار لاشعة الراديو المركزة على خلايا الانسان، حيث ان لهذه الاشعة القدرة على تسخين الخلايا التي تتعرض لها بنفس فكرة امواج الميكروويف التي تستخدم في الافران لتسخين الاطعمة.  وبالتالي فإن الضرر من هذه الاشعة يكمن في الاثر الحراري الذي تحدثه تلك الاشعة في الخلايا التي لا تستطيع تبديد الحرارة الزائدة بسهولة مثل الخلايا الموجودة في العين، حيث ان معدل تدفق الدم فيها قليل.  هذا بالاضافة الى التأثير على المدى الزمني البعيد والعلماء والباحثون حتى هذه اللحظة لا يجزمون بنفي او اثبات ضرر اشعة الجوال على جسم الانسان، وبعض الدراسات ربطت بين الامراض التي يصاب بها الانسان واستخدامه للجوال ومن هذا الامراض هي السرطان وورم الدماغ والصداع والضعف العام الزهيمر.

ان التقليل من مخاطر الجوال على صحة الانسان والاثار الضارة التي من الممكن ان تسببها لنا تطمس في ظل التنافس الشديد بين الشركات لدرجة اننا لا نفكر بمخاطر هذه التقنيات على حياتنا بقدر سعينا لامتلاك الاحدث دائماً، وفي اغلب النشرات العلمية التي تخفف من مخاطر الجوال على الانسان فإنها تكون صادرة من الشركات المصنعة للجوال، ولهذا يتطلب منا الحذر والتقنين قدر الامكان من التحدث لفترات زمنية طويلة ومنع الاطفال تماماً عن استهدامه وهذه بعض النصائح والارشادات للتقليل من مضار الاشعة الصادرة عن الجوال.

معلومات تفصيلية عن الاشعة الكهرومغناطيسية تجدها على الانترنت على الرابط التالي:

http://www.hazemsakeek.net/QandA/EMR/electromagneticradiation.htm

• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الاول
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثاني
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثالث
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الرابع

الجزء الرابع

النظام العالمي للاتصالات اللاسلكية  GSM

النظام العالمي للاتصالات اللاسلكية Global System for Mobile Communication GSM هو نظام معتمد لتشغيل شبكات الاتصالات اللاسلكية ويعمل على الميكروبروسيسور الخاص بأجهزة الجوال التي تعمل على نظام GSM كما أن هناك نظام تشغيل أخر هو IS-136، ويمكن تشبيه انظمة تشغيل الجوال بأنظمة تشغيل الكمبيوتر مثل الويندوز واللينكس.

يقوم نظام الـ GSM على تشفير البيانات المرسلة بواسطة الجوال لتحقيق اقصى درجة من الامان وتعمل على ترددات من 900 ميجاهيرتز إلى 1800 ميجاهيرتز في كلاً من اوروبا واسيا بينما تعمل على ترددات من 850 إلى 1900 في الولايات المتحدة الامريكية وتسمى في كلا الحالتين بموجة الـ 1.9 جيجاهيرتز (الجيجاهيرتز =10⁹ هيرتز = 10³ميجاهيرتز.

يعتبر نظام GSM نظاماً عالميا للاتصالات اللاسلكية حيث انه منتشر في مختلف دول العالم بحيث يمكنك شراء جوال من أي مكان في العالم وأستخدامه في أي دولة تعتمد هذا النظام.  وللاتصال عبر مزود خدمة الجوال في أي من تلك الدول فإن فإن مستخدمي GSM يحصل على شريحة الاتصال التي تعرف باسم SIM وهي اختصار لـ subscriber identification module أي وحدة تعريف بهوية المشترك، وهي عبارة عن ذاكرة كمبيوترية يتم تثبيتها في جوال الـ GSM، ويتم تخزين كل البيانات اللازمة للاتصال وأرقام التعريف اللازمة للولوج لخدمات الجوال المقدمة من الشركة التي حصلت منها على شريحة الـ SIM.

ملاحظة: في منطقة الولايات المتحدة التي تستخدم ترددات 850/1900 ميجاهيرتز فهي لا تتوافق مع النظالم العالمي الذي يعمل بترددات 900/1800 ميجاهيرتز، فإن من يعيش في أمريكا ويسافر إلى دول أخرى فإنه بحاجة إلى شراء جوالات GSM ذات النظام tri-band أو quad-band ويعمل على جميع نطاقات الترددات المذكورة السابقة.  والحل الانسب هو الحصول على جوال بنظام GSM بترددات 900/1800 ميجاهيرتز.

تكنولوجيا جولات الجيل الثالث

تعتبر تكنولوجيا الجيل الثالث من الجوال احدث انظمة الاتصالات اللاسلكية، فقد سبق وان شرحنا أن جوالات التي تعمل بالنظام التناظري analog هي جوالات الجيل الأول والجوالات التي تعمل بنظام الرقمي digital هي جوالات الجيل الثانيز.  أما جوال الجيل الثالث فيعد جوال الوسائط المتعددة multimedia cell phone.  وتسمى هذه الجوالات بالجوالات الذكية smartphones ويمتاز بقدرته على تبادل البيانات بسرعة كبيرة ليساعد المستخدم لتصفح الأنترنت بسرعة كبيرة كما يمكن ارسال واستقبال الرسائل الصوتية والفيديو.

التقنيات التي تعمل بها جوالات الجيل الثالث

انتشرت جوالات الجيل الثالث أولاً في اليابان في منتصف العام 2002 ثم ومع مطلع العام 2003 انتشرت هذه التكنولوجيا في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية. إن ما يمتاز به الجيل الثالث عن الجيلين السابقين من الاتصالات اللاسلكية هو أن الجيل الثالث مصمم للتعامل مع البيانات والصوت والصورة معاً وبسرعة تبلغ 2.5 كيلوبت في الثانية وهذه تعادل ضعف سرعة الاتصال السلكي الحالي.. وجدير بالذكر أن مصطلح الجيل الثالث هو مصطلح واسع يغطي العديد من المعايير والتقنيات التي تطبق في مختلف الدول والبلدان وقد تختلف من قارة إلى أخرى.  وتستخدم شبكات جوال الجيل الثالث عدة تقنايت أيضا لتبادل المعلومات بينها وبين الجوال وهذه التقنيات هي:

• تقنية الوصول المتعدد بالتقسيم الكودي المطور CDMA2000 والتي تعتمد على تطوير تقنية Code Division Multiple Access المستخدمة في الجيل الثاني والتي شرحت في الجزء السابق من هذه المقالات.
• تقنية الوصول المتعدد بالتقسيم الكودي العريض النطاق WCDMA أي Wideband Code Division Multiple Access.
• تقنية الوصول المتعدد بالتقسم الكودي المتزامن مع التقسيم الزمني TD-SCDMA أي Time-division Synchronous Code-division Multiple Access.

وتقنيات الجيل الثالث هذه تعمل على سرعة نقل بيانات كبيرة تصل إلى 3Mbps (بمعنى انك تحتاج إلى 15 ثانية لتحميل مقطوعة موسيقية مدتها 3 دقائق على جوالك) وبالمقارنة فإن اسرع جوالات الجيل الثاني لا يعملبأكثر من 144Kpbs (أي أنك تحتاج إلى 8 دقائق لتحميل مقطوعة موسيقية مدتها 3 دقائق)  ولهذا فإن جوالات الجيل الثالث تعتبر جوالات الوسائط المتعددة لدعمها نقل البيانات بسرعات كبيرة وتواصلها مع شبكة الانترنت وتحميل الافلام وتبادل البريد الالكتروني والفاكس.

مقارنة بين النطاق المتعدد Multiple Bandوالنمط المتعدد Multiple Mode

إذا كنت من الأشخاص الذين يسافرون كثيراً فإنه من الضروري أن تعرف إذا ما كان جوالك يعمل بنظام النطاق المزدوج أو بالنمط المزدوج أو بكليهما وسوف نقوم بشرح فكرة هذين الخيارين:

النطاق المتعدد Multiple Band يتمكن الجوال الذي يتمتع بهذه الخاصية من الانتقال إلى ترددات مختلفة مثل جوالات التي تعمل بتقنية الـ TDMA يمكنها أن تستخدم هذه التقنية مع كل الأنظمة التي تعمل سواء بالتردد 800 ميجاهيرتز أو 1900 ميجاهيرتز وفي هذه الحالة يكون من خصائص الجوال أنه ذو نطاق مزدوج Dual Band، كما يوجد أنظمة جوالات GSMتعمل بخاصية النطاق الرباعي Quad Band وهي التي تعمل على الترددات 850 و 950 و 1800 و 1900 ميجاهيرتز.

النمط المتعدد Multiple Mode في مواصفات الجوالات تشير هذه الخاصية إلى نوع تكنولوجيا الارسال المستخدم فالجولات التي تدعم AMPS وTDMA من الممكن أن تستخدم كلا من هذين التقنيتين في استقبال وارسال البيانات من وإلى الشبكة اللاسلكية حسب  الحاجة، بمعنى لو وجد الجوال في منطقة لا يوجد فيها شبكة رقمية فإن الجوال سوف يستخدم الشبكة التناظرية فينقل اتوماتيكياً إلى خاصية AMPS ولكن بمجرد أن يصل إلى منطقة تدعم الشبكة الرقمية يعود إلى TDMA.

النطاق المتعدد والنمط المتعددMultiple band/Multiple mode وهو بالطبع الأفضل فالجوالات التي من مواصفاتها هذه الخاصية أي انها تعمل على كل الترددات وعلى الشبكات التناظرية والرقمية فإنه جوال يصلح لكل دول العالم.

وفي الحقيقة فإن الجوال ينتقل من نمط ارسال غلى أخر ويستخدم نطاق تردد معين يتم بطريقة اوتوماتيكية من خلال الجوال دون تدخل المستخدم أو الحاجة إلى برمجته، وفي الوضع الطبيعي للجوال أو ما يسمى بوضع الشركة defaultفإن الجوال يعمل دائماً على تردد 1900 ميجاهيرتز وبتقنية TDMA وهذا ما يحاول الجوال استخدامه في كل الظروف أولاً ولكن في حالة ما يكون الجوال مدعم بالنطاق المتعدد فإنه سوف يستخدم 800 ميجاهيرتز إذا لم يتمكن من العمل على التردد الأول وإذا لم يستطع العمل على الشبكة الرقمية فإنه ينتقل تلقائياً إلى جوال يعمل بالنمط التاظري.

جوال النمط الثلاثي tri-mode

من الممكن أن تجد جوال من مواصفاته أنه جوال tri-mode أشارة إلى أن الجوال بعمل بثلاثة تقنيات متعددة وهنا من الممكن أن تكون خدعة قد يقصد بها أحياناً أن الجوال يدعم تقنيتين رقميتين CDMA وTDMA وتقنية تناظرية AMPS. وهذا ممتاز ولكن قد تعني أيضا أن الجوال يعمل بتقنية رقمية واحدة بترددين وتقنية تناظرية، وهذا في الحقيقة من ناحية تقنية جوال تقنيات متعددة ثنائي dual mode.

يمكنك عزيزي القارئ ان تطلع على الموقع التالي www.gsmarena.com

والذي يزودك بمواصفات الجوال وستجد أن من اول المواصفات التي تحدد الجوال هي الجيل الذي ينتمي له الجوال والترددات والنطاقات التي يدعمها.

مشاكل الجوال

الجوال مثله مثل باقي الأجهزة الإلكترونية له بعض العيوب والمشاكل منها:

1. من المحتمل ان يصاب الجوال بصدأ وتأكل لمكوناته الإلكترونية الداخلية بسبب الرطوبة أو حتى العرق الذي قد يتسرب للجوال من اليدين أُناء حمله أو استخدامه عند الضغط على الازرار، ولهذا يفضل استخدام حافظة للجوال لتبعد الماء عنه والتأكد قبل تشغيله من أنه جاف تماماً لتجنب المشاكل الناتجه عن الصدأ والحفاظ عليه لأكبر فترة ممكنة.
2. الحرارة المرتفعة التي قد يتعرض لها الجوال خلال وجوده في السيارة يسبب تلف للبطارية وبعض الأجزاء الإلكترونية، كما أن درجات الحرارة المنخفضة قد تسبب أختفاء البيانات من على الشاشة لفترة محدودة.
3. تطوير فيروسات خاصة بالهواتف المحمولة والتي تنتشر بين الأجهزة من خلال تبادل الارسائل عبر تقنية البلوتوث تسبب في فقدان البيانات المخزنة على الجهاز وقد تسبب اعطال لذاكرة الجهاز.
4. أمكانية اختراق الجهاز والحصول على بيانات تسجيل الجهاز مع الشركة واجراء مكالمات على حسابك وهذه حدثت فقط مع جوالات الجيل الأول التي تعمل النظام التماثلي analog، حيث من الممكن ان يتم استخدام أجهزة تلتقط كود التعريف الخاص بك ESNوالذي تعرفك شركة الجوال من خلاله واستخدامه بدلاً منك لتحميلك نفقات مكالمات لم تقم بها.

لمزيد من المعلومات

http://www.privateline.com/PCS/GSM0.html

 كل شيء عن الـ GSM

 http://en.wikipedia.org/wiki/Global_System_for_Mobile_Communications

موضوع شامل عن اساسيات الجوال

 http://www.privateline.com/mt_cellbasics/index.html

مصطلحات تقنية للاتصالات اللاسلكية

 http://www.wirelessadvisor.com/glossary.cfm

 كل المعلومات عن الجوال

 http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_phone

احدث انواع الجوالات ومواصفاتها

www.gsmarena.com

إلى اللقاء مع الجزء الثاني في

• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الاول
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثاني
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الرابع
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الخامس

الجزء الثالث

 اجيال الجوال

عندما نحاول ان نقتني جوال جديد فإنه ما يلفت انتباهنا هو جيل الجوال والتقنيات التي يدعمها في التعامل مع شبكات وانظمة الاتصالات العديدة المعتمدة في انحاء العالم، فهناك جوالات من الجيل الاول والجيل الثاني والثالث والرابع وقريبا الخامس، والانتقال من جيل إلى اخر يعتمد على التقنيات التكنولوجية التي ادخلت على الجوال والشبكة وفي هذا الجزء من كيف يعمل الهاتف المحمول (الجوال) سوف نتعرف على أجيال الجوال والفرق بين كل جيل وميزاته ومدى التقنيات التي استحدثت وادخلت على هذه التقنية المتطورة.

تم تخصيص 832 تردد مختلف للناقلين A و B منهم 790 تردد للصوت و42 تردد للبيانات.  وتكونت كل قناة اتصال من ترددين واحد للارسال والثاني للاستقبال.  واختيرت الترددات باتساع 30 كيلوهيرتز وذلك لضمان نقل الصوت بجودة الاتصال السلكي حيث ان الترددات السمعية. 

فكرة عمل الجيل الأول من الجوالات اعتمدت فكرة عمل جوالات الجيل الأول على ترددات راديوية متغيرة بطريقة مستمرة لنقل أصوات المستخدمين. حيث يتيح ذلك الاتصال المتعدد لأكثر من هاتف خلوي بمحطة الإرسال ويستخدم كل جوال تردد مختلف كما هو موضح في الشكل بالأشرطة الملونة حيث كل لون يعبر عن تردد مخصص لمكالمة واحدة، ويشير الانقطاع في تلك الأشرطة إلى أن استخدام تلك القنوات لا يكون بشكل دائم.

ويفصل الترددات المرسلة عن المستقبلة لكل قناة صوتية عن بعضها البعض بـ 45 ميجاهيرتز لتضمن عدم حدوث تداخلات بين المرسل والمستقبل.  وكل ناقل يحتوي على 395 قناة اتصال و21 قناة تبادل للبيانات تستخدم لتبادل المعلومات بين الهاتف الجوال والهاتف المنزلي.

وتطورت هذه الانظمة من الجوالات التناظرية الى ما يسمى NAMPS أي Narrowband Advanced Mobile Phone Service أي انظمة التلفونات الجوالة المتطورة ذات النطاق الضيق حيث تم ادخال تقنيات رقمية لتسمح لهذه الأنظمة بزيادة قدرتها لاجراء اتصالات اكثر بثلاث مرات لكل قناة.  وبالرغم من ادخال التقنيات الرقمية لجوالات NAMPS إلا انها بقيت تعتبر تناظرية تعمل على تردد 800 ميجاهيرتز ولا تدعم العديد من الخدمات المتطور مثل البريد الالكتروني أو تصفح الانترنت.

 تحول تكنولوجيا الجوال من النظام التناظري إلى الرقمي

جوالات الجيل الثاني 2G

تعتبر جوالات الجيل الثاني 2G هي اول جوالات تعمل بالنظام الرقمي والتي بدأ استخدامها في التسعينات من القرن الماضي، ويستخدم جوال الجيل الثاني نفس تكنولوجيا الراديو كما في التلفون الجوال التناظري (جوال الجيل الأول) ولكن تستخدم بطريقة مختلفة، ففي النظام التناظري لا تستخدم كل امكانيات الاشارة المتبادلة بين الجوال والشبكة التابع لها.  حيث انه من غير الممكن ان يتم ضغط وتشفير الاشارة التناظرية مثل الاشارة الرقمية.  ولكن في الاشارة الرقمية يتم ضغط واعادة معالجة الاشارة مما يسمح بزيادة عدد القنوات لنفس المدى الترددي المستخدم.

الجوالات الرقمية تحول الاشارة الصوتية التناظرية الصادرة عن المتحدث إلى معلومات رقمية بنظام العدد الثنائي binary والمكون من الرقمين (0 و 1) فتصبح الاشارة الصوتية عبارة عن معلومات مكونة من هذين الرقمين، ثم يتم تشفير وضغط هذه المعلومات ليسهل ارسالها بكفاءة عالية وفي فترة زمنية قصيرة.  كما أن ضغط البيانات يجعل من الممكن ان يتم اجراء عدد يصل من 3 إلى 10 اتصالات مرة واحدة  بالمقارنة مع مكالمة واحدة على نفس التجهيزات المستخدمة في النظام التناظري.  فيمكن استخدام قناة واحدة لأكثر من مستخدم في نفس الوقت حيث تقسم الإشارة اللاسلكية إلى شرائح من البيانات تحمل كود بعنوان المستخدم للجوال.  وإثناء انتقالها إلى المستقبل تتوزع الشرائح على نطاق الترددات ثم يعاد تجميعها عند الاستقبال. ويسمى هذا بالنظام العالمي للاتصالات اللاسلكية Global System for Mobile Communication GSM وسنقوم بشرحه بالتفصيل لاحقاً.

ولكن قبل ان نشرح نظام GSM سوف نقوم بشرح التقنيات المستخدمة لتشغيل الجيل الثاني من الجوالات. وهناك ثلاث تقنيات مختلفة تستخدم في جوالات الجيل الثاني لنقل المعلومات الرقمية من الجوال إلى الشبكة  والعكس هي:

الوصول المتعدد بالتقسيم الترددي Frequency division multiple access (FDMA)

الوصول المتعدد بالتقسيم الزمني Time division multiple access (TDMA)

الوصول المتعدد بالنظام الكودي Code division multiple access (CDMA)

والمصطلح الإنجليزي لكل تقنية من التقنيات الثلاثة يشرح نفسه فهذه التسمية العلمية اشتقت من فكرة عملها.  فمثلا لو اخذنا الكلمة الاولى من كل تقنية وهي Frequency  وTime و Code فنجد انها تشير إلى التقنية المستخدمة لطريقة الدخول اإلى الشبكة في تناقل المعلومات، فالاولى يعتمد على التردد والثانية تعتمد على الزمن والثالثة تعتمد على الشيفرة.  أما الكلمة الثانية division فهي تشير إلى أن طريقة فصل المكالمات يعتمد على طريقة الدخول الى الشبكة، ونستنتج من ذلك اننا من خلال فهمنا للمصطلح الانجليزي يمكننا أن نوصف كل تقنية على النحو التالي:

FDMA وتعني انه يتم تخصيص تردد معين لكل مكالمة.

TDMA وتعني أن هذه التقنية تعتمد على الزمن حيث يتم تخصيص جزء زمني صغير من التردد لكل مكالمة.

CDMA وفيه يعطى لكل مكالمة شيفرة وحيدة تنقل على اي تردد متاح.

كما نلاحظ أن كل التقنيات الثلاثة تحتوي على الجملة multiple access والتي تعني انه أكثر من مستخدم يمكنه استخدام الشبكة في نفس الوقت.

الوصول المتعدد بالتقسيم الترددي Frequency division multiple access (FDMA)

في كل محطة اتصال جوال توجد محطة ارسالة راديوية ترسل الاشارة بترددات مختلفة خلال النطاق المخصص من المدى الترددي.  وتعتمد تقنية FDMA على تقسيم هذا المدى الترددي إلى عدة قنوات ترددية أصغر كما في الشكل الموضح حيث تم تخصيص مدى ترددي مقداره 45 ميجاهيرتز وكل محطة ارسال تستخدم تردد مختلف لارسال الاشارات بطريقة تناظرية للاتصال وتدعم نقل البيانات الرقمية، ولكن لا تعتبر هذه التقنية فعالة للاتصالات الرقمية.

في تقنية FDMA كل جوال يستخدم تردد مختلف

الوصول المتعدد بالتقسيم الزمني Time division multiple access (TDMA)

في هذه التقنية يمكن استخدام نفس التردد لاجراء ثلاثة اتصالات لاسلكية من خلال توزيع التردد على ثلاثة فترات زمنية، فمثلا عند اجراء ثلاثة مكالمات في نفس الوقت على نفس التردد تقوم هذه التقنية بتحويل الاشارة الصوتية التناظرية إلى اشارة رقمية وتضغطها ثم ترسلها كمجموعة خلال ثلث الفترة الزمنية للتردد والثلث الثاني يخصص للمكالمة الثانية والثلث الثالث للمكالمة الثالثة ثم تكرر الدورة وعلى هذا النحو يتم على نفس التردد اجراء ثلاثة مكالمات مختلفة. 

شرح توضيحي لنظام TDMA  يخصص لكل مستخدم حيز زمني متكرر كما هو موضح في تعاقب تكرار الالوان في الشريط الأول مثلاً،  ويمثل كل شريط قناة ذات تردد محدد وعلى نفس التردد تجد ثلاثة الوان مختلفة تتكرر خلال الزمن،  يمثل كل لون مكالمة مرسلة وبهذا يمكن على نفس التردد ارسال ثلاثة مكالمات في نفس الوقت.

ويوضح الشكل ادناه النطاقات الزمنية المستخدمة لكل جوال لارسال البيانات الصوتية من خلال تخصيص فترة زمنية تقدر بـ 6.7ms وبمدى ترددي قدره 30 كيلوهيرتز ترسل على نفس قناة اتصال واحدة تعمل على تردد محدد.

يقسم التردد في تقنية TDMA إلى فترات زمنية 

وللميزات العديدة التي وفرتها تقنية TDMA لاتصالات اللاسلكية فإن انظمة الاتصالات الجوالة التي تعمل بنظام GSM أي Global System Mobile Communication تستخدم هذه التقنية كنظام تشغيل لها ولتوضيح هذه الفكرة افترض انك حصلت على جهاز كمبيوتر من نوع بنتيوم فيمكنك ان تشغله إما بنظام الويندوز أو بنظام اللينكس وهكذا الحال في جوالات من نوع GSM فهي أما تعمل بنظام تشغيل TDMA أو نظام CDMA وسيتم شرح ذلك في الجزء القادم من كيف يعمل الجوال.

الوصول المتعدد بالنظام الكودي Code division multiple access (CDMA)

تستخدم تقنية CDMA وسيلة مختلفة تماما عن تقنية TDMA فهذه التقنية تقوم بعد عملية التحويل (من التناظري إلى الرقمي) بنشر البيانات الرقمية المضغوطة على ما هو متوفر في النطاق الترددي، أي ان البيانات ترسل في صورة حزم أو رزم على ترددات متفرقة متاحة للاستخدام خلال اي فترة زمنية.

شرح توضيحي لنظام CDMA بدلاً من إرسال البيانات على قنوات مخصصة وترددات محددة فإنه هذه التقنية تقوم بتقسيم المعلومات والبيانات إلى حزم (رزم) ثم ترسلها على أحد القنوات المتاحة. كما هو موضح بالشكل وكل لون من الوان المربعات يعود إلى حزم صادرة من جوال محدد ترسل على نطاقات ترددية مختلفة ثم يعاد تجميعها عند الاستقبال، وبهذه الطريقة اجراء عدد كبير من المكالمات على نفس النطاق الترددي في نفس اللحظة.

والشكل التالي يوضح كيف ان البيانات الصوتية الصادرة من جواليين احدهما يستخدم شيفرة مختلفة عن الشيفرة الاخرى وتحمل البيانات على نفس القناة.  حيث كل مستخدم يرسل بياناته على كل النطاق الترددي للقناة على شكل رزم ترتبط مع بعضها البعض بشيفرة مميزة لكل مكالمة، وعند الطرف المستلم فإن الشيفرة المميزة تقوم بجمع هذه الرزم وفكها.  ويمكن بهذه التقنية أن تجري عدة اتصالات على نفس القناة.

في تقنية CDMA كل مكالمة تحول الى بيانات رقمية وتقسم إلى رزم ترتبط مع بعضها البعض بشيفرة مميزة.

الخلاصة

تعرفنا في هذا الجزء على فكرة عمل الجيل الأول والجيل الثاني للاتصالات اللاسلكية والتقنيات المختلفة المستخدمة لكل جيل، وفي الجزء الرابع سوف نشرح فكرة نظام الاتصالات العالمي GSM ونستكمل شرح الجيل الثالث من الجوالات اللاسلكية.

مصادر

لمزيد من المعلومات عن TDMA و CDMA اطلع على هذين الموقعين

 http://en.wikipedia.org/wiki/Time_division_multiple_access

http://en.wikipedia.org/wiki/CDMA

إلى اللقاء مع الجزء الرابع في

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الأول

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثاني

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثالث

كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الخامس

الجزء الثاني

شيفرات codes التلفون المحمول

يمتلك التلفون المحمول شيفرات خاصة مرتبطة به ويعمل من خلالها.  تستخدم هذه الشيفرات لتعريف جهاز الجوال، ومالكه، ومزود الخدمة او الشركة التابع لها. دعنا نفترض عزيزي القارئ أنك تمتلك جهاز جوال وقمت بتشغيله ثم حاول صديق لك الاتصال بك فماذا يحدث حتى يتم الاتصل بك؟

تبدأ الخطوة الأولى بتشغيل الجوال واثناء التشغيل التي تستغرق من 25-40 ثانية لكي يكون الجولال جاهزاً للاستخدام فإنه خلال مرحلة التشغيل يستقبل اشارة تسمى بشيفرة نظام التعريف SID وهي اختصار لـ System Identification Code (أنظر المربع التوضيحي في الاسفل لتتعرف على هذه الشيفرة).  وهنا يتم التعرف بين جهاز الجوال ومحطة الارسال، وذلك باستخدام قناة تحكم عبارة عن تردد محدد ليتمكن الجوال من التقاط اشارة الخدمة من محطة الارسال في الخلية القريبة منه (تذكر من الجزء الأول أن المدينة تقسم إلى خلايا سداسية الشكل وفي كل خلية محطة ارسال) وتحديد محطة الارسال التي في منطقة تواجده. واذا لم يجد الجوال قناة التحكم هذه يعطيك اشارة انه خارج منطقة الخدمة.

ثم تبدأ الخطوة الثانية بعد استقبال اشارة SID، يقوم الجوال بمقارنة شيفرة نظام التعريف الخاصة التي استقبلها ومقارنتها بتلك المخزنة بالجهاز.  فإذا ما تمت المقارنة وتبين أنها نفس الشيفرة المتعارف عليها بين الجوال والمحطة فإن الجوال يتعرف على الخلية التي سيتعامل معها.

يقوم الجوال في الخطوة الثالثة بارسال طلب تسجيل إلى مكتب التحويلاتMobile Telephone Switching Office (MTSO) التي تمكن محطة الارسال من تعقب مكان تواجد الجوال وتخزن بيانات الموقع في قاعدة بيانات لاستخدامها في اللحظة التي يأتيك فيها اتصال وذلك لانها تراقب دوما مكان الجوال والخلية التي تغطي الخدمة لتلك المنطقة المتواجد فيها الجوال.

مكتب التحويلات Mobile Telephone Switching Office (MTSO) وهو عبارة عن كمبيوتر في محطة الارسال الخاصة بالجوال ويتحكم في كل نظام الجوال ويتعقبه ويقيس قوة الاشارة التي تصل لجوالك ويعطي الأمر للانتقال الى خلية اخرى عندما تضعف الإشارة، كما ويربط كل محطات التقوية الموجودة في كل الخلايا التابعة لمحطة المركزية ومن مهامه ايضا حساب قيمة الفاتورة لمكالماتك.

يعمل مكتب التحويلات MTSO بالتقاط زوج من الترددات المخصصة لجوالك وتخصصهما للاتصال وتبادل المعلومات بين الجوال والخلية لاستقبال وارسال المكالمات.  وعندما يصبح الجوال ومحطة التحكم على اتصال باستخدام الترددين المحددين فإن الاتصال يتم ويمكنك التحدث والاستماع من خلال موجتين راديو (الترددين المخصصين).

اذا كنت متحرك اثناء الاتصال ووصلت إلى طرف الخلية، فإن مركز الخلية سيعلم بضعف الإشارة بينما تعلم الخلية التي تتجه إليها بأن اشارة الجوال القادم تبدأ بالزيادة.  تشتركان مركز الخليتان التي تتركها والتي تقترب منها من خلال مكتب التحويلات MTSO وعند نقطة معينة يصدر مكتب التحويلات تعليماته للخلية الثانية بتستلم المهمة وتكمل الاتصال على ترددين اخرين كما هو موضح في الشكل أدناه.

بينما تنتقل اثناء الاتصال فإن الاشارة تتحول من خلية إلى أخرى دون أن ينقطع الاتصال ويقوم بذلك ويشرف عليه مكتب التحويلات MTSO وهو الصندوق الاسود المبين في الرسم

شيفرات الجوال Mobile Codes 

الرقم التسلسلي الإلكتروني Electronic Serial Number والمعروف بـ ESN وهو عبارة عن رقم من 32-bit مبرمج في جوالك مسبقاً عند تصنيعه.

رقم تعريف الجوال Mobile Identification Number والمعروف بـ MIN وهو عبارة عن رقم من 10 خانات يشتق من رقم جوالك.

نظام تعريف الشيفرات System Identification Code والنعروف بـ SID وهو عبارة عن رقم من 5 خانات مخصص لكل محطة ارسال من قبل مؤسسة الاتصالات الدولية FCC Federal Communications Commission.

بينما يعتبر ESN جزء رئيسي ودائم في جوالك إلا أن كلا من شيفرة MIN و SID تبرمجان في جوالك عند الشراء والاشتراك في خدمة الجوال.

التجوال Roaming

دعنا نفترض أن هناك أكثر من شركة تزود مدينتك خدمة الجوال وبنيما انت تتحرك اثناء الاتصال وانتقلت إلى خلية أخرى خارج نطاق شركتك التي تشترك عبرها إلى خلية لشركة أخرى، فقد ينقطع الاتصال حيث لا يتعرف نظام تعريف الشيفرات SID على جوالك لانه غير مبرمج لديها إلا إذا كنت مشترك في خدمة التجوال roaming. وفي هذه الحالة فإن MTSO الخاص بالخلية الجديدة يتصل بالـ MTSO الخاص بشركتك ويفحص قاعدة البيانات لديها ليتأكد من نظام تعريف الشيفرات SIDللجوال الذي تستعمله، ويقوم هذا النظام بارسال اشارة تأكيد أن الجوال الذي دخل المنطقة الجديدة يتبع له من خلال MTSO ويستمر في تعقب مكان جوالك من خلية إلى أخرى حتى لو كانت تلك الخلايا لا تخص الشركة التي تتبع لها، والمدهش في هذا كله انه يحدث في ثواني معدودة.

كما أن تكلفة الاتصال تتغير من شركة إلى أخرى أثتاء استخدام خاصية التجوال roaming وتظهر اشارة roam على شاشة جوالك لتخبرك أنك انتقلت من منطقة تغطية شركة إلى شركة أخرى.  ويجب على من يستخدم خدمة التجوال roaming أن يدرس جيداً خرائط التغطية للشبكة التي يتعامل معها حيث أن الكثير من الاشخاص لم يكونوا مسرورين باستلامهم فاتورة الاتصال الباهظة نهاية الشهر.  حيث ان التجوال خدمة تخضع لاتفاقات بين الشركات وكل شركة معنية بان توفر لك عزيزي القارئ خدمة التحدث عبر الجوال بدون انقطاع ومن الممكن ان يكون ذلك عبر شركات أخرى تدفع لها نظير استخدام جوالك لشبكتها وأنت بدورك ستدفع للأثنتين معاً وخصوصاً عند استخدام هذه الخدمة خلال التجوال الدولي.

والأن سوف نقوم بدراسة وشرح تركيب جهاز الجوال

تركيب جهاز الجوال

يعتبر جهاز الجوال من اكثر الاجهزة التقنية تعقيداً من ناحية تكدث الدوائر الالكترونية فيه على مساحة صغيرة ويقوم جهاز الجوال باجراء الملايين من الحسابات كل ثانية اثناء ضغط الموجات الصوتية التي يرسلها واعادة فك الموجات الصوتية التي يستقبلها لتتمكن من الحديث والاستماع الى من تتصل بهم.

مكونات واجزاء الجوال اذا ما قمنا بالنظر إلى مكونات جهاز الجوال كما هو في الصورة أعلاه فإن الجوال يحتوي على الاجزاء التالية:

• لوحة الدائرة الالكترونية والتي تعتبر دماغ الجوال
• الانتينا
• شاشة العرض LCD
• لوحة المفاتيح
• الميكروفون
• السماعات
• البطارية

اللوحة الإلكترونية للجوال وعلى اليمين الواجهة الأمامية وعلى اليسار الواجهة الخلفية اللوحة الالكترونية قلب نظام الجوال وترى فيها عدة قطع تشبه قطع الكمبيوتر chips ومن هذه القطع الكمبوترية ما يقوم بتحويل الاشارة التناظرية الى رقمية وأخرى تقوم بتحويل الاشارة الرقمية إلى تناظرية حيث تعمل على تحويل الاشارة الصوتية وتترجمها إلى اشارة رقمية وتعمل القطعة الاخرى على استقبال الاشارة الرقمية التي تحتوي على شيفرة الصوت وتترجمها وتحولها إلى اشارة تناظرية.  ويقوم بعمل التحويل والترجمة ميكروبروسسور خاص بنظام التعامل مع الاشارات الرقمية ويعرف باسم digital signal processor ويختصر DSP وهو ميكروبروسسور عالى الكفاءة ويقوم بانجاز الحسابات المتعلقة بالتحويل بين الاشارات التناظرية والرقمية بسرعة عالية جداً.

ويعمل الميكروبروسسور على الربط بين لوحة المفاتيح وشاشة العرض من خلال الاوامر التي تعضيها للجوال بواسطة لوحة المفاتيح ويظهر كل ما تقوم به على شاشة العرض، كما يعمل على ارسال بعض الأوامر التي تتطلب تنفيذها من محطة الجوال الرئيسية ويستقبل المعلومات منها ويفهمها ويعرضها لك باللغة التي اخترتها مسبقاً.

ميكروبروسيسور الجوال

كما تحتوي اللوحة الالكترونية على ذاكرة عشوائية والتي تعرف باسم ROM في مصطلحات الكمبيوتر وتحتوي ايضا على ذاكرة فلاش لتعطي مساحة اكبر لتخزين نظام تشغيل الجوال والعديد من البرامج المساعدة مثل برنامج ادارة دليل الاتصالات وبرنامج الاجندة وتنظيم المواعيد.

تحتوي اللوحة الالكترونية ايضا على مولد امواج الراديو RF الذي يتعامل مع المئات من ترددات قنوات FM وتحتوي على قسم الطاقة الكهربية المسؤول عن ادارة الطاقة الكهربية واعادة الشحن. كما تحتوي اللوحة الالكترونية على مكبر امواج الراديو التي تتعامل مع الاشارات المرسلة والمستقبلة من والى الجوال عبر الانتينا.

شاشة العرض LCD

تطورت شاشات العرض كثير من حيث دقة العرض والالوان والمساحة لتتماشى من التطور الحادث على الجوال وعلى الخدمات التي نحصل عليه منها حيث الجوالات الحديثة اصبحت تحتوي على دليل هاتف وعلى الة حاسبة وعلى العديد من الالعاب الالكترونية كما اصبح الجوال يستخدم لارسال واستقبال الرسائل الاكترونية وكذلك لتصفح الانترنت وهذا يتطب الجودة العالية والدقة والوضوح واللوان الزاهية والمساحة الكبيرة لشاشة العرض. وفكرة عمل شاشات العرض هذه قد سبق شرحها في موضوع منفصل بعنوان كيف تعمل شاشات البلورات السائلة LCD.

المكان المخصص لشريح الجوال

بعض انواع الجوالات تحتوي على المعلومات الخاص بشيفرة الجوال مثل SID و MIN مخزنة على ذاكرة فلاشية داخلية أو على شريحة الجوال الخارجية والتي تشبه كثيراً شريح الذكية SmartMedia.

صورة توضح بعض أجزاء الجوال: من اليمين البطارية الداخلية والميكروفون والسماعة تتحتوي اجهزة الجوال على سماعة وميكرفون باحجام صغيرة جداً وكفاءة عالية كما توجد بطارية صغيرة لتغذية الساعة الداخلية للجوال بالطاقة الكهربائية.

وبالحديث عن الجوال وكل مكوناته هذه فإنه لو وجد الجوال من 30 عام لكانت هذه المكونات تشغل حيز كبير يصل الى مساحة غرفة بتسع كل ماذكر من ميكروبروسسور ومزود الطاقة الكهربائية والسماعة والميكرفون وشاشة العرض.  ولكن شكرا للتقدم العلمي والتقنيات الصناعية المذهلة التي جعلت من كل هذه الأجهزة تتجمع في جهاز واحد اسمه الجوال ولايزيد عن حجم كف اليد.

مراجع كل ما ترغب في الاستفسار عنه عن الجوال والمصطلحات وماذا تعني تجدها على هذا الموقع

Homepage

 معلومات عن تركيب الجوال

http://www.cellular.co.za/in-fone.htm

 موقع مؤسسة الاتصالات الدولية FCC

http://www.fcc.gov/

 موقع الاتحاد الدولي للاتصالات

http://www.itu.int/home/index.html

إلى اللقاء في الجزء الثالث من كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال)

• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الأول
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثالث
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الرابع
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الخامس

الجزء الأول

ملايين من الناس في أنحاء العالم تستخدم جهاز المحمول (الجوال)، وربما تكون عزيزي القارئ أيضا مما يستخدموا الجوال وتمتلك جهاز أو أكثر، وقريباً جداً سيصبح الجوال الجهاز الذي لاغنى عنه وسيمتلكه كل فرد. يمكنك باستخدام الجوال من التحدث إلى أي شخص في العالم من أي مكان في العالم أنت موجود فيه، ليس هذا فحسب فأجهزة الجوال الحديثة مزودة بالعديد من الوظائف وكل يوم نسمع عن أجهزة جوال جديدة وبإضافات عديدة منها:

1. دليل معلومات عن الأشخاص الذين تتعامل معهم مع كامل البيانات الخاصة بهم.
2. أجندة الكترونية تسهل عليك تتبع مواعيدك وتذكرك بها قبل موعدها بمنبه صوتي.
3. تمكنك من انشاء أجندة لاعمالك اليومية وترتيب اولوياتها.
4. تتوفر في أجهزة الجوال ألة حاسبة لاجراء الحسابات اليومية البسيطة.
5. تمكنك أجهزة الجوال من ارسال الرسائل القصيرة ورسائل البريد الإلكتروني.
6. الاتصال مع الانترنت واحصول على الاخار العاجلة وأسعار البورصة وغيره من المعلومات التي تهمك.
7. يمكنك استخدام جوالك كوسيلة للتسلية من خلال الألعاب التي تختزنها في الجهاز.
8. دمج أجهزة أخري مثل الراديو ومشغل MP3 لتشغيل الملفات الصوتية ومشغل فيديو لعرض لقطات الفيديو وكاميرا للتصوير الثابت والمتاحرك وقارئ نصوص إلكترونية PDF ومرشد مكاني GPS.

تقسيم المدينة إلى خلايا Cells ادى إلى تسمية الجوالات بالانجليزية Cell Phone أي الجوال الخلوي وهذا هو الاساس في التسمية، أما كلمة المحمول والجوال فهي دلالات على قابلية التحدث من أي مكان في العالم.

لفهم دقيقة لفكرة عمل الجوال سوف نقوم بمقارنة الجوال مع بعض الأجهزة اللاسلكية مثل جهاز CB radio ووهو اختصار لما يعرف باسم جهاز راديو موجة المدينة (City Band Radio) وللتعرف أكثر على هذا الجهاز اطلع على الموقع التالي على الانترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Cb_radio

CB Radio

كما سوف نقارن الجوال بجهاز أخر معروف أكثر لنا وهو أو جهاز walkie-talkie وهو جهاز يعمل بنظام راديو ارسال واستقبال. وستجد المزيد عن هذا الجهاز على الموقع التالي على شبكة الإنترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Walkie-talkie

Walkie-Talkie

عناصر المقارنة بين جهازي CB radios و Walkie-Talkie وجهاز الجوال هي

1. طريقة الاتصال Duplex
2. القناوات Channels
3. المدى Range

أولاً طريقة الاتصال Duplex

كلأ من جهازي CB radios و Walkie-Talkie يعتبران أجهزة ذات half-duplex، حيث أن في أجهزة CB Radio يتم الاتصال بين شخصين باستخدام نفس التردد، لذا فإن شخص واحد فقط يستطيح التحدث والأخر يستمع. أما الجوال فيعمل بنظام full-duplex وهذا يعني أن هناك تردد مخصص للحديث وتردد اخر مختلف للاستماع مما يعني أن كلأ الشخصين يمكنهما التحدث في نفس الوقت.

إن مصطلح كلمة “Duplex” يعني امكانية ارسال واستقبال البيانات بين الأجهزة الإلكترونية باستخدام الصوت. ولمزيد من المعلومات عن هذا المصطلح تجده على الموقع التالي:

http://telecom.hellodirect.com/docs/Tutorials/DuplexExplained.1.080801.asp

ثانيأ القناوات Channels

يوجد في أجهزة walkie-talkie قناة واحدة للاتصال بينما في أجهزة CB radio يوجد 40 قناة للاتصال. ولكن في أجهزة الجوال يتعامل مع أكثر من 1664 قناة

ثالثاً: المدى Range

يمكن لأجهزة walkie-talkie أن تغطي مدى يصل إلى 2 كيلومتر باستخدام قدرة 0.25 وات. وأجهزة CB radio تعمل على قدرة أكبر تصل إلى 5 وات فإن مداها يصل إلى 8 كيلومتر.  أجهزة الجوال تعمل ضمن الخلايا التي قسمت لها المدينة ويمكن ان تتحول من خلية إلى أخرى كلما تحركت من مكان لأخر اثناء الاستخدام، وهذا يعني أن المدى الذي يعمل فيه جهاز الجوال كبير جداً ويمكنك بالطبع التحدث مع أي شخص وأنت مسافر مئات الكيلومترات دون أن ينقطع الاتصال.

اتصال بين سائقي شاحنتين يستخدما نظام راديوا يعمل على تردد واحد (half-duplex) حيث يتحدث أحدهما والأخر يستمع،

في أجهزة الراديو التي تعمل بنظام full-duplex فإن الشخصين المتحدثين يستخدما ترددات مختلفة مما يسمح لهما التحدث في نفس الوقت

ولتوضيح فكرة تقسيم المدينة إلى خلايا فسوف نستعين بالشكل التوضيحي أدناه، حيث تقسم المدينة إلى خلايا كل خلية بمساحة 26 كيلومتر مربع وتأخذ شكل سداسي ا لأضلاع كما في الشكل. كل خلية من الخلايا التي قسمت إليها المدينة تحتوي على محطة تقوية تحتوي على برج يحمل معدات ارسال راديو.

وبسبب أن أجهزة الجوال ومحطات الارسال تعمل بقدرة منخفضة فإن نفس الترددات يمكن ان تستخدم في الخلايا البعيدة مثل الخليتين المميزتين باللون الداكن الموضحتين في الشكل أعلاه.

كم عدد الاشخاص في الخلية الواحدة الذين يمكنهم استخدام الجوال في نفس الوقت؟

في خلية واحدة تعمل بالنظام التناظري analog system تستخدم سبع (1/7) القنوات المتوفرة، أي أننا لو افترضنا ان المدينة مقسمة إلى سبع خلايا فقط فإن كل خلية سيكون لها مجموعة من الترددات الخاصة التي تستخدمها دون ان يحدث تداخل مع خلية أخرى.

1. يوجد في كل مدينة عدد 832 من ترددات الراديو المتاحة لاستخدام الجوال.

2. كل جوال عند اجراء اتصال يستخدم ترددين واحد للارسال (التحدث) وأخر للاستقبال (الاستماع) وهذا يعني انه يوجد 395 قناة اتصال لكل محطة ارسال (لكل خلية في المدينة) ويتبقى عدد 42 تردد لاستخدام قنوات التحكم (سيتم شرحها لاحقاً)

3. وحيث ان كل خلية تحتاج فقط إلى سبع (1/7) من الترددات المتاحة لذا فإن كل خلية يوجد بها 56 قناة متوفرة للاتصال.

بمعنى اخر 56 شخص في الخلية الواحدة يمكنهم التحدث من خلال هواتف الجوال في نفس الوقت.

ملاحظة: أنظمة الهواتف الخلوية التي تعمل بالنظام التناظري analog تسمى بتكنولوجيا جوال الجيل الأول first-generation mobile technology ويرمز لها بالرمز 1G. ونظام الهواتف الخلوية التي عملت بالنظام الرقمي تسمى تكنولويجا الجيل الثاني 2G حيث ازدادت عدد القنوات المتوفرة للاستخدام بحوالي ثلاثة اضعاف أي أصبح 168 قناة متوفرة للاتصال في نفس الوقت للخلية الواحدة. وسوف نشرح تطور تكنولوجيا الجوال وأجياله المعروفة بالاختصارات TDMA, CDMA, GSM لاحقاً.

مزايا اتصالات الجوال عن الأنظمة القديمة للاتصالات اللاسلكية

يستخدم الجوال قدرة منخفضة تصل ما بين 0.6 إلى 3 وات فقط وهذا أقل بما هو مستخدم في CB radio حيث كانت القدرة 4 وات. كما أن محطات الارسال تعمل بطاقة منخفضة ايضا، مما يعني أن:

أن منطقة التغطية للترددات بين محطة الارسال والجوال لن تزيد عن مساحة الخلية السداسية الشكل وهذا يجعل اعادة استخدام نفس الترددات في خلايا اخرى ممكن. أي 56 شخص لكل خلية يمكنهم التحدث مع بعضهم البعض في نفس الوقت باستخدام نفس الترددات.

قلة الطاقة التي يعمل بها جهاز الجوال يضيف ميزة أخرى لاجهزة الجوال وهي استهلاكه للطاقة الكهربية فكما نعلم أن هذه الأجهزة تعمل بواسطة البطارية، وقلة استهلاك الجوال للطاقة يجعل البطارية المصاحبة للجوال أصغر مما سهل في تصنيع جوالات بأحجام صغيرة للغاية.

في النهاية فإن عدد كبير من محطات الارسال توجد في كل مدينة تستخدم هواتف الجوال وقد يصل عدد هذه المحطات بالمئات ويتحكم بها محطة مركزية للتحويلات تعرف باسم Mobile Telephone Switching Office (MTSO). تعمل هذه المحطة على الحكم في المحطات المنتشرة في المدينة (الخلايا) وتعمل ايضا على ربط كل الاتصالات من الهواتف الجوالة مع الهواتف الأرضية التي تعمل بنظام الاتصال التقليدي.

هذا فقط اذا افترضنا أن شركة واحدة موجودة في المدينة أما اذا كان هناك أكثر من شركة فإن هذا يتطلب محطات ارسال خاصة بها وبالتالي عدد أكبر من محطات الارسال في نفس المدينة. وبالطبع هذه المحطات لها تكاليف انشاء وصيانة باهظة مما يجعل استخدام الجوال مكلف عن التلفون العادي، ولكن لأن الاشخاص الذين يستخدموا الهواتف الجوالة في تزاديد مستمر فإن تكلفة الاتصال تكون قليلة، لأنه في النهاية تقسم على عدد أكبر من المشتركين.  لهذا تحرص الشركات المتنافسة على استقطاب أكبر عدد ممكن من الزبائن لتستطيع المنافسة في تقليل تكلفة الاتصال للدقيقة الذي هو في النهاية العامل الأهم بالنسبة للمستخدم للاشتراك مع شركة دون غيرها.

إلى اللقاء مع الجزء الثاني في

• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثاني
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الثالث
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الرابع
• كيف يعمل جهاز الهاتف المحمول (الجوال) الجزء الخامس