مقدمه
فيزيك و كاربردهای آن
فيزيک و زندگی - فيزيك و كاربردهای آن
فيزيك، علم شناختن قانونهاي عمومي و كلي حاكم بر رفتار ماده و انرژي است. كوششهاي پيگير فيزيكدانان در اين راه سبب كشف بسياري از قانونهاي اساسي، بيان نظريهها و آشنايي با بعضي پديدههاي طبيعي شده است. هر چند اين موفقيتها در برابر حجم ناشناختهها، اندك است، ولي تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان، اميد بسيار آفريده كه انسان ميتواند رازهاي هستي را دريابد.
انسان در يكي دوقرن اخير، با بهرهگيري از روش علمي و ابزارهاي دقيق توانسته است در هر يك از شاخههاي علم، به ويژه فيزيك دنياي روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در اين مدت با دنياي بينهايت كوچك آشنا شده، به درون اتم راه يافته، انواع نيروهاي بنيادي طبيعت را شناخته، الكترون و ويژگيهاي آن را دريافته و طيف گسترده امواج الكترومغناطيسي را كشف كرده است.
فيزيك كه تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مكانيك، گرما، نور، صوت، الكتريسيته را شامل ميشد، اكنون در اوايل قرن بيستو يكم در اشتراك با ساير علوم( مانند شيمي، زيستشناسي و …) روزبهروز گستردهتر و عميقتر شده و بيش از 30 موضوع و مبحث مهم را دربرگرفته است (در دانشنامه فيزيك تعداد شاخههاي فيزيك را 33 شاخه معرفي كرده است).
فناوري
فناوري، چگونگي استفاده از علم، ابزار، راه و روش براي انجام دادن كارها و برآوردن نيازهاست. به عبارت ديگر فناوري، به كارگيري آگاهيهاي انسان براي تغيير در محيط به منظور رفع نيازهاست. بنابراين،
اگر علم را فرايند شناخت طبيعت تعريف كنيم، فناوري، فرايند انجام دادن كارها خواهد بود.
در گذشته گرچه انسان به برخي از قانونهاي طبيعي دست يافته بود، ولي علم و عمل كمتر اثر متقابل در يكديگر داشتند. دانشمندان راه خود را ميپيمودند و صنعتگران و ابزاركاران به راه خود ميرفتند تا آن كه عصر جديد آغاز شد و تمدني به وجود آمد كه همه چيز را در راه مصالح زندگي انسان و توانايي او به كار گرفت.
در سال 1662 ميلادي " جامعه سلطنتي لندن " تاسيس شد و هدف خود را ارتقاي علوم مربوط به امور و پديدههاي طبيعي و هنرهاي مفيد از طريق آزمايش و تجربه به نفع "ابناي بشر" انتخاب كرد، چهار سال بعد فرهنگستان براي هر چه بيشتر به ثمر رساندن تحقيقات علمي در زندگي انسان، كوشيدند و از اين بابت حقوق دولتي دريافت ميكردند.1
در سال 1853 موزه علوم لندن با نام " هيئت معتمدين دايره علم وهنر و موزه ملي علم و صنعت " گشايش يافت. اما نزديكتر شدن علم و صنعت سبب شد كه در سال 1882 بخشهاي گوناگون اين مؤسسه درهم ادغام شود و سازمان جديدي با نام "دايره علوم كاربردي وفناوري" تأسيس شود.
نقش فيزيك در فناوري
علم، كوششي در جهت دانايي و فناوري تلاشي در جهت توانايي است. اين هر دو اثر متقابل درهم داشتهاند. دانش سبب شده كه ابزارها و روشها كامل شوند و ابزارها نيز دقت انسان را در اندازهگيريها و رسيدن به نتايج علمي بيشتر كرده است.
اكنون بسياري از موضوعها ومباحث فيزيك پيامدهاي كاربردي داشته و در عمل در فناوريها مؤثر بوده است. فناوريهاي ارتباطات، فناوريهاي حمل و نقل( خشكي، دريايي، هوايي و فضايي)، فناوريهاي توليد( كشاورزي- صنعتي)، فناوريهاي استخراج انواع معادن و فناوريهاي ساختمان و انواع ماشينها و فناوريهاي آموزشي به دانش مكانيك، الكتريسيته، الكترومغناطيسي، ترموديناميك و فيزيك هستهاي، نورشناسي، فيزيك بهداشت و فيزيك پزشكي و … وابسته است.
نقش فيزيك در فناوريهاي آموزشي
بسياري از شاخههاي فيزيك به طور مستقيم و غيرمستقيم در توليد تجهيزات ورسانههاي آموزشي و روشهاي آن مؤثر است. به طور اصولي هرگونه يادگيري از طريق حواس و در ارتباط با محيط صورت ميگيرد و علم فيزيك توانسته است توانايي حواس مارا بسيار افزايش دهد و ما رانه تنها به اطراف خود بلكه به زمانها و مكانهاي ناپيدا و دور نيز پيوند دهد. در اين نوشته به بخشي از اثرهاي فيزيك در آموزش و پرورش اشاره ميكنيم.
1. نور و وسايل نوري: مبحث نور يكي از شاخههاي فيزيك است كه در آن از ماهيت و رنگ نور، رفتارهاي نور و نيز چشم و دستگاههاي نوري بحث ميشود. بعضي از دستگاههاي نوري كه به منزله تجهيزات آموزشي به كار ميروند، عبارتاند از: عدسيها و ميكروسكپ براي ديدن اشياي ريز،دوربين و تلسكوپ براي ديدن چيزهاي دور، دوربينهاي عكاسي و فيلمبرداري براي تهيه و مشاهده تصاوير، طيفنما براي تجزيه رنگهاي نور و بررسي اجسام نوردهنده. دستگاههاي نور از وسايلي هستند كه در آموزش كاربرد فراوان دارند. با اين وسايل ميتوان دانشآموزان را با دنياي بينهايت كوچكها، دنياي بينهايت بزرگها و دورها آشنا كرد و بسياري از چيزها يا پديدههايي را كه به طور مستقيم دسترسي به آنها مشكل است با عكس و فيلم و اسلايد نشان داد. ديگر در كلاسهاي تاريخ و جغرافيا معلم سخنگو آموزش نميدهد، بلكه براي بررسي هر فصل از تاريخ و يا هر ناحيهاي از زمين فيلمهايي تهيه شده كه دانشآموز به طور مستقيم خود را در جريان تاريخ و يا در محل جغرافيايي احساس ميكند.
كشف پرتوهاي فرابنفش، ايكس و گاما از يك طرف و از طرف ديگر كشف پرتوهاي فروسرخ و مايكرويو امواج راديويي و اختراع انواع دستگاههايي كه با اين امواج كار ميكنند سبب شده كه بتوانيم به بررسي چيزهايي بپردازيم كه در فاصله بسيار دور قرار دارند و يا آن كه چشم ما به طور مستقيم قادر نيست كه آنها را از پس مواد كدر ببيند. به كمك اشعه ايكس ميتوانيم ساختمان درون بدن را مطالعه كنيم و با دوربينهاي فرابنفش و فرسرخ از منظرههايي عكس بگيريم كه مشاهده آنها ممكن نيست.
2 . صوت و وسايل صوتي : در مبحث صوت(آكوستيك) از ماهيت صوت و رفتارهاي آن و نيز گوشي و وسايل صوتي بحث ميشود. در گذشته اگر تجهيزات صوتي مدارس فقط زنگ مدرسه بود كه با صداي رساي ناظم، دانشآموزان را به كلاس درس هدايت ميكرد تا سخنان معلم را بشنوند و به خاطر بسپارند و بعد فراموش كنند، اكنون به جاي آن" وسايل سمعي_ بصري" به كار گرفته ميشود. ديگر معلم، سخنگو نيست بلكه راهنمايي است كه به دانشآموزان كمك ميكند تا وسايل را خود به كار اندازند و از ضبط صوت، راديو، تلويزيون و ... براي آموختن استفاده كنند.
3. الكتريسيته و الكترونيك: روزي كه گالواني، پزشك ايتاليايي، متوجه جريان الكتريسيته شد يا زماني كه ولتا، اهم و فارادي، ماكسول و هرتز و مليكان بر روي الكتريسيته و موج و الكترون كار ميكردند نميدانستند جرياني از علم و صنعت را به وجود ميآورند كه بر همه ابعاد زندگي انسان اثر ميگذارد و به طور مثال " شبكههاي اطلاعاتي(اينترنت)به وجود ميآورد كه بزرگترين تحول را در آموزش و پرورش ايجاد ميكند. كافي است كه بگوييم مطالعات فيزيك در شاخههاي نور، الكتريسيته، صوت، مكانيك، امواج، الكترونيك و ... سبب اختراعاتي چون ماهواره ، مخابرات دوربرد و اينترنت شده و جهان را به صورت يك دهكده(دهكده جهاني) درآورده و جهاني شدن آموزش و پرورش و اقتصاد و فرهنگ را شكل داده است.
اكنون شبكههاي عمومي اطلاعرساني با استفاده از فرستندهها و گيرندههاي مايكروويو، ماهواره و رايانه انواع اطلاعات را از بانكهاي اطلاعاتي به سراسر جهان ميرساند. ديگر دانشآموز براي يادگيري مقيد به زمان و مكان و ابزارهاي آموزشي محدود و معلم مشخص نيست، بلكه ميتواند به طور انفرادي، در هر كجا هست رايانه خود را به كار اندازد و با جستجو در كتابها و كتابخانههاي جهان و پرسش از انواع سايتها اطلاعات لازم را كسب كند و آنها را در دستگاه خود ذخيره كند.
اثر رايانه و اينترنت در آموزش و پرورش آن اندازه قوي است كه تقريبأ در تمام كشورهاي جهان آن را به منزله يك ابزار تدريس پيشرفته پذيرفتهاند و آموزش مبتني بر اينترنت را به جاي روشهاي سنتي برگزيدهاند و استفاده از اينترنت را به منزله يك منبع اطلاعات و يك رسانه ارتباطي به كار ميبرند. يكي از پيامدهاي مهم آموزش از راه رايانه و اينترنت استقلال بيشتر فراگيرندگان، يعني انتخاب مكان و زمان و روش يادگيري است. در ضمن معلمها كمتر به انتقال مطالب ميپردازند و بيشتر تلاش آنها آن است كه دانشآموز را به كاوشگري (جمعآوري اطلاعات، تجزيه و تحليل، كشف ارتباطات موجود و توليد دانش) و تفكر انتقادي( از كتابها، برنامههاي تلويزيوني و برنامههاي رايانهاي)و مهارتهاي زندگي برانگيزانند.
نگاهي به بهرهگيري از انواع فناوريها در آموزش در كشورمان نشان ميدهد كه ما با اندكي تأخير نسبت به بعضي از كشورهاي پيشرفته جهان از دستاوردهاي علمي و اختراعات صنعتي در آموزش و پرورش استفاده كردهايم و با تشكيل ادارات سمعي و بصري وبعدها دفتر تكنولوژي آموزشي كوششهايي در اين زمينه كردهايم ولي يكي از مشكلات آموزش ما آن است كه فقط به سوي آموزش فرآوردههايي كه ديگران به دست آوردهاند حركت كردهايم و به جمعآوري اطلاعات پرداختهايم. رايانه و اينترنت نيز به انتقال سريع اطلاعات بسيار كمك كرده است، در صورتي كه ما نياز داريم اين اطلاعات را پردازش كنيم و به كمك آنها مسائل فردي و اجتماعي خود را حل و فصل كنيم. آموزش معلمهايي كه بتوانند دانشآموزان را به طرف توليد دانش حركت دهند نياز اصلي ما است. جامعه جديدي در حال تكوين است كه با جامعه قبلي ما متفاوت است. در جامعه جديد لازم است افراد با فناوريهاي جديد آشنا باشند. اين آشنايي را در مدرسه بايد به دست آورند. اما مسئله آن است كه معلمهاي ما كمتر با اينترنت و فناوريهاي اطلاعات آشنا هستند. بسياري از دانشآموزان و دانشجوياناز معلمهاي خود جلوتر هستند. ما به جاي معلمهايي كه از پرسشهاي دانشآموزان خود را دور ميكنند و يا جوابهاي نادرست ميدهند، معلمهايي ميخواهيم كه برانگيزاننده باشند، پرسش به وجود آورند، خلاقيت ايجاد كنند و تفكر انتقادي را باعث شوند. بنابراين، پيش از آن كه مدرسهها را انبار انواع تجهيزات آموزشي كنيم لازماست مهارتهاي معمي را به آموزگاران آموزش دهيم.
کاربرد فیزیک در مخابرات
همانطور که گفته شد تمام برنامه های رادیو و تلویزیون و مخابرات توسط اصول و قوانین فیزیک مخابره میشوند.
این بخش از فیزیک مربوط به فیزیک انواج می باشد.
الکترومغناطیسی
فیزیک امواج الکترو مغناطیسی یک رده از فیزیک امواج است که دارای مشخصات زیر است.
• امواج الکترو مغتاطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج با هم تفاوت دارند
• در طیف فیزیک امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را میتوانیم تولید کنیم.
• برای مقیاسهای بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.
• از جمله منابع زمینی فیزیک امواج الکترومغناطیسی میتوان به فیزیک امواج دستگاه رله تلفن ، چراغهای روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.
• این فیزیک امواج برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.
• قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.
• فیزیک امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.
گستره فیزیک امواج الکترومغناطیسی
فیزیک امواج الکترومغناطیسی از طولانیترین موج رادیویی ، با طول موجهای معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد مییابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و پرتوی کیهانی میشود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده میشوند در شکل آمده است که این تقسیم بندیها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاریاند.
یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی
• طول موج λ بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر μm ، واحد آنگستروم A و واحد ایکس XU نشان داده میشود.
• با به کار بردن متر به عنوان واحد طول ، طول موجهای نوری بایستی بنا به تناسب برحسب ، nm سنجیده شوند، ولی هنوز آنگستروم یک واحد رسمی بوده و به عنوان متداول ترین واحد در طیف نمایی به کار برده می شود.
• واحد XU ابتدا به شکل مستقل طوری تعریف شده بود که رابطه آن با آنگستروم به صورت 1A=XU 1002.060 بود. این واحد اکنون دقیقا معادل 10-10 یا m 10-13 تعریف شده است.
• علی رغم طبقه بندی عمومی تابش با طول موج ، کمیت مهم از نظر ساختار اتمی و مولکولی فرکانس <ν=c/λvacvac=c/v جایگزین شود. مولفین مختلف واحدهای مختلفی را برای عدد موجی مانند ΄ν ، K و δ به کار میبرند که همگی یکساناند، در این بحث علامت δ انتخاب شده است، زیرا امکان اشتباه آن با خود ν و یا سایر ثابت ها کم است.
• واحد عدد موجی یک بر سانتیمتر است که گاهی کایزر (K) نامیده میشود. واحد کوچکتر آن میلی کایزر است که ( mk ) واحد مناسبی برای ساختار فوق ریز و کارهای مربوط به عرض خطی است. هر چند که متخصصین طیف نمایی فرکانس رادیویی برای این قبیل کمیتها واحد فرکانس یعنی MHz را به کار میبرند(MHz 29.979=mk 1 ).
• انرژی موج را بر حسب واحد الکترون ولت ( ev ) بیان میکنند که انرژیهای فوتونی خیلی بالا ( مربوط به طول موجهای خیلی کوتاه ) یک الکترون ولت معادل 1.6x10-19J است.
طیف نمایی و فیزیک امواج الکترومغناطیسی
• ناحیه مرئی یا نور مرئی ( 4000-7500 آنگستروم ) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موجهای بلند ، فرابنفش از طرف طول موجهای کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمت های فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدودههایی به ترتیب در حدود 30 میکرومتر و 2000 آنگستروم تقسیم میشوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسیها میباشند.
• تا این اواخر ناحیه مرئی متشکل از فروسرخ تا فرابنفش نور توسط گافهایی از نواحی رادیویی و اشعه ایکس سوا میشدند که در آنها بر انگیزش و آشکارسازی تابش با طول موجهای متناسب ممکن نبوده است. اختراع رادار در سالهای جنگ ( 45- 1938 ) راه ورود به نواحی فیزیک امواج خیلی کوتاه رادیویی یا کهموج را باز کرد، در حالی که در همان زمان طیف شناسان فروسرخ دامنه فعالیت خود را تا به نواحی طول موجهای بلندتر توسعه میدادند. این دو ناحیه هم اکنون ابعاد کوچکتر از میلیمتر روی هم میافتند.
• گاف طول موج کوتاه ، به خاطر جالب بودنش برای متخصصین فیزیک پلاسما و اختر فیزیک به خوبی پر شده است. هم اکنون حدود طیف نمایی نوری به زیر 2 آنگستروم رسیده است در حالی که مرز پرتوهای ایکس نرم تا 50 آنگستروم میرسند. تشخیص بین پرتو نوری و پرتو ایکس ، در ناحیه پوشش فوق الذکر بر منشا خطوط طیفی مبتنی است.
• طیف نمایی نوری با گذارهای الکترونهای خارجی یا ظرفیتی و طیف نمایی اشعه ایکس با گذارهای الکترونهای داخلی مربوط میکند. طیفهای نوری ، طول موجهای خیلی کوتاه از الکترونهای خارجی عناصری با درجه یونش بسیار بالا به وجود میآیند
س در زندگی بشر عنوان کرد.
نظریه ماکسول با آزمایشهایی با امواج الکترومغناطیسی تایید شدند و آزمایشهای هرتز خیلی زود برای تمام دانشمندان سراسر جهان شناخته شدند. و بدین ترتیب اندیشه استفاده از فیزیک امواج الکترومغناطیسی برای مخابرات و حتی برای انتقال بی سیم ، انرژی پدیدار شد.
تاریخچه :
پوپوف فیزیکدان و مهندس برق با تکرار آزمایشات هرتز طرح سوار کردن را بهبود بخشید. و در خلال سال 1889 توانست در تشدید کننده های گیرنده حرفه هایی را به وجود آورد که در سالن بزرگ و بدون تاریک کردن، مرئی باشد. بزودی او متوجه شد که برای استفاده علمی از فیزیک امواج الکترومغناطیسی ، اول از همه گیرنده حساس و مناسبی مورد نیاز است.
پوپوف در 7 مه 1895 طرز کار گیرندهایش را در انجمن فیزیک و شیمی روسیه نمایش داد و این روز به راستی باید روز تولد رادیو در نظر گرفته شود. چنین گیرندهای در سال 1894 توسط پوپوف طرح شد. که اجزای اصلی دستگاه او را در وسیله گیرنده امروزی می توان یافت.
گیرنده پوپوف:
ویژگیهای اصلی اولین گیرنده پوپوف چه بود و اساس کار آن چیست؟
پوپوف برای بهتر شدن حساسیت گیرنده از پدیده تشدید استفاده کرد. مزیت دوم اختراع پوپوف در آرایه آنتن گیرنده بسیار خوبی بود که گستره دریافت فیزیک امواج را به مقدار خیلی زیادی افزایش داد و هنوز هم در ایستگاههای دریافت موج رادیویی به کار می روند.
ویژگیهای ممتاز در گیرنده پوپوف در روش ثبت فیزیک امواج است. برای این منظور پوپوف به جای جرقه وسیله خارجی را بکار برد، یعنی موج یابی را که به تازگی توسط برنلی اختراع شده بود، در تجارب آزمایشگاهی به کار گرفت.
ساختمان موج یاب :
براده های ظریف آهن در یک لوله شیشه ای قرار داده می شوند دو سیم به دو انتهای شیشه محکم شده اند به طوری که با براده ها تماس دارند در شرایط عادی مقاومت الکتریکی بین براده های مجزا نسبتا زیاد است به طوری که کل موج یاب مقاومت بالایی دارد. موج الکترومغناطیسی جریان متناوب با فرکانس بالا در مدار موجیاب ایجاد می کند. و جریان مخصوص بین براده ها باعث می شود، که آنها به هم جوش بخورند.
در نتیجه مقاومت موج یاب ناگهان افت می کند. برای افزایش مقاومت موج یاب تا مقدار اولیه و حساس کردن دوباره آن به امواج الکترومغناطیسی باید آنرا تکان داد. پوپوف موج یابی را در مداری شامل باتری و یک رله تلگراف قرار داد. قبل از وارد شدن موج الکترومغناطیسی مقاومت موج یاب زیاد است و جریان جاری از آن و رله ضعیف است و آرمیچر جذب آهنربای الکتریکی پایینی نمی شود.
وقتی که موج الکترومغناطیسی ظاهر شد، مقاومت فیزیک امواج موج یاب افت می کند، جریان الکتریکی به تندی فردی می یابد و رله آرمیچر جذب آهنربای الکتریکی می شود. بنابراین اتصال رله آهنربای پایینی که یک زنگ الکتریکی معمولی را به باطری وصل می کند، برقرار می شود. چکش به زنگ می خورد یا سوراخی بر نوار کاغذی متحرک ثبت می کند، و به این ترتیب ورود موج خبر داده می شود. در حرکت به عقب چکش به موج یاب میخورد و در نتیجه حساسیت آن برقرار می ماند. به این ترتیب پوپوف به اصطلاح رله مدار اتصال را تحقق بخشید.
گیرنده رادیویی:
انرژی خیلی کم فیزیک امواج ورودی به طور مستقیم برای دریافت (مثلا برای هر جرقه) به کار نمی رود، بلکه برای کنترل چشمه انرژی ای که وسیله ثبت کننده را تغذیه می کنند، به کار گرفته می شوند. در گیرنده های رادیویی امروزی، لامپهای الکترونی جایگزین موج یاب شده اند ولی اساس رله به قوت خود باقی است. لامپ الکترونی اصولا مثل رله کار می کند. سیگنالهای ضعیفی که به لامپ داده می شوند قدرت و جریان چشمه های تغذیه لامپ را کنترل می کنند.
به علاوه پوپوف در گیرنده اش اساس پسخوراند را که هنوز هم در مهندسی رادیو به کار می رود، نشان داد. سیگنال تقویت شده در خروجی گیرنده «مدار زنگ الکتریکی) به طور خودکار بر ورودی گیرنده «مدار موج یاب) اثر می کند. پسخوراند در اختراع پوپوف از اساس امر به کلی تازهای است.
پوپوف در بررسیهای بیشتری که همراه با ریبکین آنجام داد به دریافت سیگنالهای صوتی نیز پی برد و معلوم شد که اگر سیگنالها برای به کارانداختن موجیاب خیلی ضعیف باشند، تماسهای ناچیز براده ها به صورت آشکارساز عمل می کند. و هر سیگنالی با صدایی در تلفن متصل به موج یاب همراه است. این کشف امکان داد تا گستره مخابرات رادیویی وسیع شود.
تکامل رادیو:
قدم بعدی که در تکامل رادیویی خیلی سریع پس از اختراع پوپوف برداشته شد و آن بهبود فرستنده ها بود فاصله جرقه را از آنتنها حذف کردند و به جای آن مدار نوسانی خاصی قرار دادند که به صورت چشمه نوسانها کار میکرد. آنتن متصل به این مدار به صورت تابشگر فیزیک امواج عمل می کند.
اختراع لامپ های الکترونی توسط لوی دوفارست (ت1906) دانشمند آمریکایی که راه را برای ایجاد چشمه های نوسانهای الکتریکی نامیرا بازکرد، در تکامل رادیو اهمیت فوق العاده ای داشت. این اختراع نه فقط سیگنالهای تلگرافی ، بلکه انتقال صوتهای کلامی ، موسیقی ، و غیره را نیز توسط رادیو میسر ساخت، یعنی مخابرات بی سیم و پخش رادیویی را تحقق بخشید.
موجهای رادیو
موجهای رادیویی یک فرمی از اشعه الکترومغناطیس هستند و بوجود می آیند. وقتی یک شارژ الکتریکی موضوع شتاب با یک فرکانس که در فرکانس رادیو قرار دارد و قسمتی از طیف الکترومغناطیسی است. این یک تیررس از مقداری هرتز در برابر مقداری گیگا هرتز. اشعه الکترومغناطیس (تکثیر) حرکت میکنند توسط نوسان الکتریکی و زمینههای مغناطیسی که از هوا و خلاء فضا بخوبی عبور میکند و نیاز به وسیله برای حرکت و جابجایی ندارد.
توسط تفاضل ، دیگر اشعههای الکترومغناطیسی با فرکانسهای بیشتر از RF اشعه گاما ، اشعه ایکس و مادون قرمز ، ماورای بنفش و روشنایی قابل دیدن هستند. وقتی موجهای رادیو از یک سیم عبور میکنند، نوسان الکتریکی آنها یا زمینه مغناطیسی (بستگی به جنس سیم دارد) که ولتاژ را زیاد میکند، که این میتواند به صدا یا علامتهای دیگر که حاوی اطلاعات هستند تغییر فرم دهد. با وجود اینکه کلمه رادیو برای توضیح این پدیده بکار میرود، وسایل ارتباطی که ما میشناسیم تلویزیون ، رادیو ، رادار و موبایل ، همه در زیر مجموعه فرکانسهای رادیو قرار دارند.
فيبر نوری
تاريخچه
بعد از اختراع ليزر در سال 1960 میلادی، ایده بکارگیری فيبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت .خبر ساخت اولين فيبر نوری در سال 1966 همزمان در انگليس و فرانسه با تضعيفی برابر با اعلام شد که عملا درانتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود تا اينکه در سال 1976 با کوشش فراوان محققين تلفات فيبر نوری توليدی شدیدا کاهش داده شد و به مقدار رسيد که قابل ملاحظه با سيم های کوکسيکال مورد استفاده در شبکه مخابرات بود.
در ایران در اوايل دهه 60 ، فعاليت های تحقيقاتی در زمينه فيبر نوری در مرکز تحقيقات منجر به تاسيس مجتمع توليد فيبر نوری در پونک تهران گرديدو عملا در سال 1373 توليد فيبرنوری با ظرفيت 50.000 کيلومتر در سل در ایران آغاز شد.فعالیت استفاده از کابل های نوری در ديگر شهرهای بزرگ ايران شروع شد تا در آينده نزدیک از طريق يک شبکه ملی مخابرات نوری به هم متصل شوند.
چگونگي
می دانيم هر گاه نور از محيط اول به محيط دوم که غليظتر است وارد شود دچار شکست ميشود.واگر نور از محيط غليظ با بيش از زاويه حد به سطح آن برخورد کندسطح ماده همانند يک آينه تخت عمل می کند و نور بازتابش می کند.
از اين خاصيت در فيبرهای نوری استفاده شده است. فيبرنوری يک موجبر استوانه ای از جنس شيشه (يا پلاستيک) که دو ناحيه مغزی وغلاف با ضريب شکست متفاوت ودولايه پوششی اوليه وثانويه پلاستيکی تشکيل شده است . بر اساس قانون اسنل برای انتشار نور در فيبر نوری شرط : می بايست برقرار باشد که به ترتيب ضريب شکست های مغزی و غلاف هستند . انتشار نور تحت تاثير عواملی ذاتی و اکتسابی ذچار تضعيف می شود. اين عوامل عمدتا ناشی از جذب ماورای بنفش ، جذب مادون قرمز ،پراکندگی رايلی، خمش و فشارهای مکانيکی بر آنها هستند . منحنی تغييرات تضعيف برحسب طول موج در شکل زير نشا ن داده شده است.
فيبرهای نوری نسل سوم
طراحان فیبرهای نسل سوم ، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای حداقل تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها، محققین از حداقل تلفات در طول موج 55/1 میکرون و از حداقل پاشندگی در طول موج 3/1 میکرون بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتا پیچیده تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم ، که حداقل پاشندگی ان در محدوده 3/1 میکرون قرار داشت ، به محدوده 55/1 میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی.اس.اف ساخته شد.
نکته قابل ذکر اين است که مشخصات يک محيط (ماده) را با پنج عامل &(سيکما)،u(ميو)، 'u(ميو پريم)،E(اپسيلن)و'E(اپسيلن پريم) تعريف ميکنند.حال فيبر نوری را با يک Eی يعنی از جنسی می سازند تا نور با هر زاويه ای هم که به سطح مقطع آن برخورد کرد از آن خارج نشود و در طول فيبر حرکت کند.فرايند انتقال سيگنال بدين صورت است که يک سيگنال را توسط چند عمل مدولاسيون به فرکانس ۶۴kHzمی رسانند سپس توسط ليزر آن را به فرکانس نور تبديل و به داخل فيبر می تابانند.چون فر کانس نور در حد گيگابايت است يک پهنای باند فوق العاده زياد برای انتقال سيگنال در اختيار ما قرار می دهد وهمچنين با مالتی پلکس کردن سيگنالها ميتوان ۱۹۲۰ کانال را همزمان از داخل فيبر عبور داد.اين خاصيت باعث شده تا ارتباط بين دو مرکز مخابرات تنها با يک رشته فيبر بر قرار شود.اتلاف توان سيگنال در ۱ کيلومتر از فيبر نوری در فرکانس ۴۰۰ گيگا هرتز ۱۰dB است در مقايسه با کابل هم محور به قطر ۱ سانتی متر که در فرکانس ۱۰۰ کيلو هرتز ،۱dBو در فرکانس ۳مگاهرتز dB ۱/ ۵ اتلاف دارد .اين اتلاف کم کم فيبرها باعث شده تا در ميان راه ازrepeater کمتری استفاده شود و از هزينه ها کاسته شود.همچنين ارزان بودن فيبر وخواصی همچون ضد آب بودن آن باعث شده تا از فيبر روز به روز به طور گسترده تری استفاده شود.تنها ايرادی که به فيبر وارد است اينست که به راحتی سيمها نميتوان آنها را پيچ وخم داد زيرا زاويه تابش نور در داخل آن تغيير ميکند و باعث می شود نور از سطح آن خارج شودو اينکه اتصال دو رشته فيبر نيز احتياج به دقت ولوازم خاص خود را دارد.
انواع فيبر نوری:
1 -(single mode fiber)ـsmf:قطر هسته ۹ ميکرون و طول موج ۳/۱ ميکرومتر:
2 -(multi mode fiber)ـmmf:خود بر دو نوع است:
الف:multi mode stop index:زاويه شکست در سراسر کابل يکسان است ودارای پهنای باند ۲۰ تا ۳۰ مگاهرتز است.
ب:multi mode graded index:سرعت انتشار نور در اين کابل در جايی که شکست نور تحت زاويه کمتری صورت می گيرد نسبت به جايی که تحت زاويه بزرگتری صورت می گيرد،بيشتر است.پهنای باند آن ۱۰۰مگا هرتز تا ۱ گيگا هرتز است.
فن آوری ساخت فيبرهای نوری
برای تولید فیبر نوری ، ابتدا ساختار آن در یک میله شیشه ای موسوم به پیش سازه از جنس سیلیکا ایجادمی گردد و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبرمی گردد . از سال 1970 روش های متعددی برای ساخت انواع پیش سازه ها به کار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب دهی لایه های شیشه ای در اخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند .
روشهای ساخت پيش سازه
روش های فرایند فاز بخار برای ساخت پيش سازه فیبرنوری را می توان به سه دسته تقسیم کرد :
- رسوب دهی داخلی در فاز بخار
- رسوب دهی بیرونی در فاز بخار
- رسوب دهی محوری در فاز بخار
موادلازم در فرايند ساخت پيش سازه
- تتراکلريد سیلسکون :این ماده برای تا مین لایه های شیشه ای در فرایند مورد نیاز است .
- تتراکلريد ژرمانیوم : این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش سازه استفاده می شود .
- اکسی کلريد فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش سازه ، این مواد وارد واکنش می شود .
- گازفلوئور : برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می شود .
- گاز هليم : برای نفوذ حرارتی و حباب زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می گیرد.
-گاز کلر: برای آب زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است .
مراحل ساخت
+ مراحل سیقل حرارتی: بعد از نصب لوله با عبور گاز های کلر و اکسیژن ، در درجه حرارت بالاتر از 1800 درجه سلسیوس لوله صیقل داده می شود تا بخار اب موجود در جدار داخلی لوله از ان خارج شود.
+ مرحله اچینگ: در این مرحله با عبور گازهای کلر، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می شود تا ناهمواری ها و ترک های سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند .
+ لایه نشانی ناحیه غلاف : در مرحله لایه نشانی غلاف ، ماده تترا کلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گاز های هلیم و فرئون وارد لوله شیشه ای می شوند ودر حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی 120 تا 200 میلی متر در دقیقه در طول لوله حرکت می کند و دمایی بالاتر از 1900 درجه سلسیوس ایجاد می کند ، واکنش های شیمیایی زیر ب دست می آیند.
ذرات شیشه ای حاصل از واکنش های فوق به علت پدیده ترموفرسیس کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب شده وبر روی جداره داخلی رسوب می کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آنها اعمال می شود به طوری که تمامی ذرات رسوبی شفاف می گردند و به جدار داخلی لوله چسبیده ویکنواخت می شوند.بدین ترتیب لایه های یشه ای مطابق با طراحی با ترکیب در داخل لوله ایجاد می گردد و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می دهد.
مزاياي فيبر نوري
1- انتقال اطلاعات در فيبر نوري بسيار بالا و در حد سرعت نور مي باشد
2- فيبر هاي نوري از عوامل طبيعي كمتر تاثير مي پذيرند بدين صورت كه ميدان هاي مغناطيسي و يا الكتريكي شديد بر آن هيچ تاثيري نمي گذارد
3- به دليل عدم تاثير پذيري عواملي چون ميدان هاي مغناطيسي مي توان آن را در كنار كابلهاي فشار قوي استفاده كرد
4- توليد آن مقرون به صرفه است به طوري كه حتي از كابلهاي مسي كه هم اكنون براي انتقال اطلاعات استفاده مي شود مقرون به صرفه تر مي باشد
5- به دليل تضعيف بسيار كم شعاع نوري در فيبر نوري نيار به تقويت كننده هاي بين راهي در مسافت هاي طولاني بسيار كمتر از كابلهاي كواكسيال مي باشد
معايب فيبر نوري
1- از فيبر نوري فقط مي توان براي انتقال اطلاعات آن هم به صورت شعاع هاي نوري استفاده كرد و نمي توان براي انتقال الكتريسيته استفاده نمود
2- اتصال دو فيبر نوري به يكديگر بسيار مشكل و وقت گير مي باشد و نياز به دانش فني خاص خود را دارد
3- نمي توان چند شعاع نوري را به طور همزمان انتقال داد
برای واضح شدن رابطه علم مادر فیزیک با مخابرات و مخابره اطلاعات بصورت بی سیم به تاریخچه ارتباط بی سیم نگاهی میکنیم .قابل ذکر می باشد که تمام این اختراعات توسط فیزیکدانان صورت پذیرفته است.
مخابره اولين پيام تلگرافي و امواج کوتاه
در دسامبر 1902 او اولين پيغام کامل تلگرافي را از ايستگاههايي در گلاس باي (Glace Bay)، نوا سوتيا (Nova Scotia) و پس از آن کيپ کود (Cape Cod) و ماسا چوست (Massachusetts) به پولد هو (Poldhu) مخابره شد. اين آزمايشات در سال 1907 در مراسم افتتاحيه اولين سرويس بازرگاني آن سوي اقيانوس اطلس بين گالاس باي و کليفدن (Clifden) ايرلند به اوج خود رسيد.
اين ماجرا پس از آن بود که اولين سرويس عمومي تلگراف بي سيم در فاصله اي کوتاهتر ميان باري (Bari) در ايتاليا و آويداري (Avidari) درمونته نگرو (Montenegro) برقرار شد.
مارکوني در سال 1905 امتياز آنتن هوايي راديويي را نيز به نام خود ثبت کرد. در سال 1914 به عنوان ستوان ارتش ايتاليا و پس از آن درسال 1916 در پست کاپيتان ناوگان ايتاليايي و سرکرده آنان، در ارتش خدمت کرد.
يکي از دستگاههاي فرستنده راديويي مارکوني
نماينده ايتاليا در کنفرانس صلح پاريس
در سال 1917 او عضو هيئت اعزامي ايتاليا به آمريکا بود و در سال 1919 به عنوان نماينده تام الاختيار ايتاليا در کنفرانس صلح پاريس شرکت کرد. او نشان افتخار ارتش ايتاليا را به خاطر خدمت صادقانه به ارتش اين کشور در سال 1919 دريافت کرده و طي سالهاي خدمت در ارتش به تحقيق و پژوهش در مورد امواج کوتاه ادامه داد و اولين آزمايشات پيرامون اين امواج را به طور عملي انجام داد، در سال 1923 با همکارانش در انگليس به آزمايش روي اين سري از امواج پرقدرت ميان ايستگاه راديويي پولدهو و قايق تفريحي مارکوني که در آتلانتا و مديترانه بود پرداخت .
پيشنهادات استفاده از اين سيستم به معناي امپراطوري باشکوه ارتباطات بود که از سوي دولت انگلستان پذيرفته گشت و بدين ترتيب اولين ايستگاه ارتباطي ميان انگليس و کانادا در سال 1926 شکل گرفت و ايستگاههاي بعدي متعاقبا" در سالهاي بعد اضافه شدند.
کشف امواج کوتاه
دانشگاه کلمبيا، نشان مارکوني در حال اعطا به
Tim Berners-Lee از بنيانگذاران وب
در سال 1931 مارکوني تحقيقات وسيع خود را درباره انتشار گسترده امواج کوتاه از سر گرفت که نتيجه آن در سال 1932 در قالب اولين تلفن بي سيم که از امواج کوتاه الکترومغناطيسي بهره مي برد ارائه داد که ميان واتيکان رم و کستل گاندولفو (Castel Gandolfo)، شهري که پاپ تابستانها در آنجا مستقر بود مورد استفاده قرار گرفت.
دو سال بعد در سستري لوانته (Sestri Levante) امواج کوتاه راديويي که براي هدايت کشتي کشف کرده بود را در برابر نيروي دريايي به معرض نمايش گذاشت. او پس از اين اختراعات، مدرک دکتراي افتخاري دانشگاههاي بسياري را در سراسر اروپا کسب کرد و در مجامع بين المللي جوائز و افتخارات زيادي را به نام خود ثبت نمود که از ميان آنها ميتوان به جايزه نوبل در فيزيک که در سال 1909، نشان آلبرت از جامعه سلطنتي هنري (The Royal Society of Art)، نشان جان فريتز ( John Fritz)، نشان کلوين (Kelvin) و ... اشاره کرد.
او همچنين از طرف تزار روسيه نيز مفتخر به کسب عنوان شد و حتي از سوي سنت آن (St.Anne)، پادشاه ايتاليا به لقب فرمانده ارشد نايل آمد. بسياري ديگر نيز در همان زمان به استعداد و نبوغ او واقف بودند. در 1914 او در مجلس سناي ايتاليا به مقام سناتوري رسيد و در انگلستان به عنوان يک نجيب زاده در رويال ويکتورين (Royal Victorian) به شهرت رسيد و متعاقب آن در سال 1929 به عنوان موروثي مارچس (Marchese) دست پيدا کرد.
زندگي شخصي
در سال 1905 با بئاتريس اوبرين (Beatrice O"Brien) دختر بارون چهاردهم اينچيگوئين (Inchiquin) ازدواج کرد. ازدواجي که تا 1927 بيشتر دوام نداشت و در همان سال با کنتس بتزي-اسکالي (Bezzi-Scali) از شهر رم پيمان زناشويي بست. مارکوني از ازدواج اولش يک پسر و دو دختر داشت و از همسر دومش فقط صاحب يک دختر شد. تفريح او در زمان فراغتش شکار، دوچرخه سواري و اتومبيل راني بود. وي در نهايت در 20 ژولاي 1937 در رم درگذشت.
مارکوني
1896، Guglielmo Marconi در کنار اولين دستگاه مخابراتي خود
گوليلمو مارکوني در 25 آوريل 1874 در بولوگنا (Bologna) ايتاليا متولد شد. وي دومين پسر خانواده جوزپه مارکوني و آني جيمسون که از خانواده هاي اشراف و متشخصين ايتاليا به شمار مي رفتند، بود. مادرش آني دختر آندرو جيمسون از نوادگان دافنه (Daphne) در وکسفورد (Wexford) ايرلند براي خود تاريخچه بزرگي خانوادگي داشت.
مارکوني به طور خصوصي درس خواند و تحصيلاتش را زير نظر معلمان کار کشته ايتاليايي در بولوگنا و فلورانس ادامه داد. به عنوان يک پسربچه علاقه زيادي به فيزيک و علوم الکترونيکي داشت و کارها و پژوهش هاي کساني مثل ماکسول، هرتز و....را بررسي و مطالعه ميکرد.
در سال 1895 تجربيات و فعاليتهاي آزمايشگاهي اش را در لابراتوار پدرش در پونتچيو (Pontecchio) شروع کرد جايي که اولين سيگنالها و نشانه هاي راديويي تلگراف بي سيم را در فاصله يک و نيم مايلي مخابره کرد. در سال 1896 مارکوني تجهيزات آزمايشگاهي خود را به انگليس آورد و در آنجا با سر ويليام پريس (William Preece) مهندس الکترونيک اداره پست آشنا شد و بعد از يک سال حق ثبت امتياز اولين سيستم تلگراف بي سيم را دريافت کرد و اين اختراع را به نام خود ثبت کرد.
تاسيس کمپاني مارکوني
او با موفقيت تمام سيستم مخابره بي سيم خود را در لندن بين ايستگاه مخابراتي ساليسبوري (Salisbury) و بريستول (Bristol) در معرض نمايش گذاشت و در ژولاي 1897 کمپاني تلگراف بي سيم و سيگنال The Wireless Telegraph & Signal را با مسووليت محدود تاسيس کرد. اين شرکت در سال 1900 به کمپاني تلگراف بي سيم مارکوني تغيير نام داد. در همان سال سيستم بي سيم خود را در حضور مقامات دولتي ايتاليا در اسپزيا (Spezia) به معرض نمايش گذاشت. اين نمايش در ايتاليا در فاصله 12 مايلي انجام شد که رکوردي چشمگير تا آنزمان بود.
در سال 1899 ارتباط تلگراف بي سيم ميان دو کشور فرانسه و انگليس برقرار شد. او ايستگاههاي بي سيم ثابتي را در نيدلز (Needles)، ايسل آو ويت ( Isle of Wight)، بورن موث (Bournemouth) و پس از آن در هاون هتل (Haven Hotel) ، پول (Poole) و دورست (Dorset) ايجاد کرد. وي همچنين در سال 1900 شماره مشهور 7777 را براي امتياز مخابرات بي سيم هم فرکانس را به نام خود ثبت کرد.
يک فرضيه با اثبات تجربي
در دسامبر سال 1901 او توانست فرضيه امواج راديويي که تحت تاثير چرخش زمين و در مدار آن قرار نمي گرفتند را اثبات کند. او با بيان اين فرضيه اقدام به مخابره کردن اولين سيگنالهاي امواج راديويي در درياي آتلانتيک ميان پولدهو (poldhu)، کورن وال ( Cornwall) و سنت جونز (St. John"s )، نيو فاوند لند (Newfoundland) به فاصله 2100 مايلي مخابره کرد.
سالهاي 1902 تا 1912 او اختراعات ديگري را به ثبت رساند. در 1902 در طول سفر دريايي خود به فيلادلفياي آمريکا تاثيرات روشنايي روز و ارتباط مستقيم آن با ارتباطات و امواج بي سيم را کشف کرد و در همان سال امتياز رد ياب مغناطيسي خود را که پس از آن تبديل به گيرنده استاندارد امواج راديويي شد ثبت نمود. اين گيرنده براي سالهاي طولاني يک الگوي استاندارد و جامع بود.
تکنولوژی تلفنهای همراه
در سال 2003 ، بيش از 500 ميليون دستگاه برآورد شده يك سوم مردم ژاپن با تلفن همراه به شبكه اينترنت پيوستهاند.آمريكاييها 15ميليارد ساعت از تلفنهاي همراه خود استفاده كردهاند و اروپاييان بيش از 113 ميليارد پيام كوتاه خدماتي براي همديگر فرستادهاند. چين 220 ميليارد پيام را داشته است.
تلفنهاي همراه وسايل ارتباطي بي سيم هستند كه از امواج الكترومغناطيسي براي برقراري ارتباط بهره ميبرند. اين امواج نخستين بار توسط هانيريش هرتز كشف شدند.
امواج الكترومغناطيسي، همانند هر نوع موج ديگر حامل انرژي هستند. اين امواج عرضي هستند، يعني راستاي نوسان آنها بر جهت انتشار عمود است. براي انتقال نياز به محيط واسطه نداشته و ميتوانند در خلا منتشر شوند. درست مثل هر موج ديگر، اين امواج نيز داراي مشخصههاي فركانس، دامنه و طول موج ميباشند. سرعت آنها ثابت و برابر ٣٠٠ هزار كيلومتر بر ثانيه ميباشد.
طيف امواج الكترومغناطيس بسيار گسترده است و از امواج راديويي با فركانس در محدوده كيلوهرتز تا گيگا هرتز كه معادل طول موجهاي كيلومتري تا سانتيمتري است، تا پرتوهاي گاما كه طول موج كمتر از ٠/١ نانومتر دارند گسترده است.
نور مرئي از امواج الكترومغناطيسي با طول موج بين ٠/٤ تا ٠/٨ ميكرومتر تشكيل شده. دستگاههاي تلفن همراه در محدودههاي فركانسي خاصي از امواج راديويي فعاليت ميكنند كه عبارتند از ٨٧٢ تا ٩٦٠، ١٧١٠ تا ١٨٧٥ و ١٩٢٠ تا ٢١٧٠ مگاهرتز.
امواج الكترومغناطيس به دو دسته يونيزان و نايونيزان تقسيم ميشوند. امواج يونيزان عبارتند از پرتوهاي فوق بنفش، ايكس و گاما و به دليل انرژي زيادي كه دارند ميتوانند اتمهاي موجود در مسير را يونيزه كنند. ساير امواج از جمله امواج راديويي چنين خاصيتي را ندارند. به همين دليل تا مدتها تصور ميشد امواج راديويي بي خطر هستند.
در واقع خطر موجود در امواج يونيزان به دليل اثرات بيولوژيكي است كه ايجاد ميكنند. اين آسيب در اثر بر هم كنش پرتو يونيزان باDNA سلولها رخ ميدهد و در نتيجه سلولها از نظر ژنتيكي آسيب ميبينند كه ممكن است آنها را از بين ببرد يا در بدترين حالت به سلولهاي سرطاني تبديل كند و اين آثار يك قرن است كه شناخته شدهاند. اما تنها چند دهه است كه آثار مخرب پرتوهاي پرتوهاي نايونيزان نيز شناسايي شده است.
مهمترين تاثيري كه اين نوع امواج دارند ايجاد گرما است. اجاقهاي مايكروويو كه در زندگي خانگي بسياري از انسانها وارد شدهاند از امواج مايكروويو كه از نظر طول موج بين امواج راديويي و فرو سرخ قرار دارند. براي گرم كردن غذا به همين شيوه استفاده ميكنند. امواج راديويي كه از تلفن همراه منتشر ميشوندنيز طول موج نزديك به مايكروويو داشته و قابليت ايجاد حرارت در محيط اطراف خود را دارند. اين موضوع باعث ميشود وقتي از اين تلفنها استفاده شود، درجه حرارت بخشي از مغز كه در مجاورت آنها قرار دارد اندكي بالا رود.
فیزیک امواج رادیویی
مقدمه:
انسان بیش از 100سال است که با امواج الکترومغناطیسی آشناست و امروزه از آنها به طور وسیعی در زندگی خود استفاده می کند و این فیزیک امواج در یک میدان مغناطیسی و یک میدان الکتریکی عمود برهم بوجود آمده اند. ویژگی بارزشان که آنها را متمایز ساخته این است که برای سیر نیاز به محیط هادی ندارد و در خلاء به راحتی حرکت می کنند. فیزیک امواج رادیویی نیز دسته ای از این فیزیک امواج هستند.
ماهیت فیزیک امواج رادیویی:
هر اتم از الکترون و نوترون تشکیل شده است. نوترون و پروتون در مرکز قرار گرفته اند و هسته اتم را تشکیل می دهند و الکترونها اطراف هسته می چرخند. هسته بعضی از اتم ها به دلیل پروتون های آنها خنثی می شود. دارای حرکت وضعی هستند. یعنی به دور محور خود می چرخند. این نوع حرکت را حرکت اسپنی می گویند که ویژگی های طبیعی هسته ها است. همچنین هسته به دلیل وجود پروتون دارای بار مثبت هست و از هر ذره بارداری که حرکت داشته باشد فیزیک امواج الکترومغناطیس تابش می شود.
بطور کلی فیزیک امواج از جمله فیزیک الکترومغناطیسی دارای فرکانس هستند. در اینجا فرکانس به معنی تعداد نوسان های میدان الکتریکی با مغناطیسی در واحد زمان از هر نقطه از فضا است. اگر نیروی محرکی را با فرکانس یکسان با فرکانس طبیعی نوسانگر بکار ببریم دامنه حرکت نوسانی یعنی حداکثر فاصله ای تا نقطه ای از امواج از مرکز تعادل می گیرد افزایش می یابد که این پدیده را تشدید می گویند.
نحوه برخورد فیزیک امواج رادیویی با بافتها:
در بیشتر اجسام مانند بافت نرم هسته ای دارای راستای دو قطبی تصادفی هستند در نتیجه برآیند کلی موجها به دلیل اینکه همدیگر را خنثی می کنند صفر است. ولی اگر میدان مغناطیسی در اطراف نمونه ایجاد کنیم بخشی از اتم های h که انرژی کمتری دارند درراستای میدان و عده ای دیگر که انرژی بیشتر دارند در خلاف راستای میدان قرار می گیرند. در اثر ایجاد این میدان h یا هر هسته فعال تشدید مغناطیسی دارای حرکت انتقالی نیز می شود و در راستای یک دایره با زاویه نسبت به خط عمود چرخش می کند. بسماند این حرکت برای اتمها متفاوت است و به نوع هسته و بزرگی میدان بستگی دارد.
هر چقدر مغناطیسی قویتر باشد بسماند چرخش انتقالی افزایش می یابد. بسماند چرخش هسته دارای حرکت اسپینی را حول میدان بزرگتر بسماند لارمور می گویند. با محاسبه فرکانس لارمو می توان نسبتی به نام نسبت ژیرومغناطیسی را محاسبه کرد. که آنرا با ((y)) نشان می دهند. هر هسته دارای نسبت ژیرومغناطیسی ویژه خود است و با کمک آن می توان نوع هسته را تعیین کرد. این نسبت برای اتم h وقتی در میدان مغناطیسی یک تسلا قرار می گیرد. برابر 42.57 است.
امواج rf در فیزیک امواج رادیویی:
با ایجاد یک میدان مغناطیسی رادیو فرکانسی (امواج rf در گسترده فیزیک امواج الکترومغناطیسی است) تمام هسته ها را در راستای آن قرار دهیم, در rf برای ایجاد تصویر مطلوب باید به گونه ای باشد که زاویه انحراف راستای حرکت از حالت و پایه برابر 90 درجه شود. اگر فرکانس میدان با فرکانس لامور هسته یکی باشد پدیده تشدید رخ می دهد. این حالت را برانگیختگی هسته می گویند. وقتی که میدان قطع می شود پروتونها که انرژی دریافت کرده به تراز انرژی بالاتر رفته بود انرژی را به صورت فیزیک امواج rf و به مقدار ناچیزی هم به صورت گرما از دست می دهند.
آسایش فیزیک امواج rf:
میزان انرژی جذب شده توسط هسته به شدت rf در مدت زمان اعمال موج rf بستگی دارد و میزان انرژی که پروتون به اطراف می فرستد به هسته و ترکیبات شیمیایی مواد اطراف مربوط می شود. این پدیده از دست دادن انرژی و با گذشت به حالت پایه را آسایش و زمان لازم برای رسیدن به حالت پایه را زمان آسایش می گویند. پدیده آسایش یا از دست دادن انرژی به صورت فیزیک امواج rf به دو صورت روی می دهد. یا موج روی بافت اثرمی گذارد که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش طولی می گویند و با t2 نشان می دهند و t1 اسپین خود مولکول یا مولکول های دیگر اثر می گذارد که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش عرضی می گویند و با t2 نشان می دهند و به عبارت دیگر t1 مدت زمانی است که طول می کشد تا پروتون به انرژی اولیه اش برسد و t2 مدت زمانی است که طول می کشد تا دامنه موج rf ضعیف شود و از بین برود.
