الموجات الكهرمغنطيسية ونقل المعلومات

1) مقدّمة: الموجات الكهرمغنطيسية ونقل المعلومات في حياتنا اليومية

اليوم، تقريباً كل تواصل نقوم به يمرّ عبر موجات كهرمغنطيسية: مكالمة هاتفية، رسالة واتساب، بث مباريات كرة القدم في التلفاز، الأنترنت عبر الواي فاي أو شبكة الجيل الرابع والخامس… كلها تعتمد على إرسال معلومة من مرسل إلى متلقٍ باستعمال موجة كهرمغنطيسية كتدعامة للنقل.

هدف الدرس

يهدف هذا الدرس، حسب البرنامج المغربي لمادّة الفيزياء–الكيمياء 2 باك (شعبة العلوم الفيزيائية وشعبة علوم الحياة والأرض)، إلى:

فهم طبيعة الموجات الكهرمغنطيسية وخصائصها الأساسية.
اكتشاف الطيف الكهرمغنطيسي ومجالاته المستعملة في الاتصالات.
التمييز بين الإشارة التناظرية (analogique) والإشارة الرقمية (numérique).
فهم مبدأ التعديل (AM / FM) لنقل المعلومة على موجة حاملة.
التعرّف على بعض تطبيقات نقل المعلومات: الراديو، التلفاز، الهاتف النقال، الألياف البصرية…

انتبه: في الامتحان الوطني تطرح أسئلة كثيرة حول تفسير الدارات التجريبية، قراءة وترجمة الرسوم البيانية للإشارات، والربط بين المفاهيم الفيزيائية (التواتر، طول الموجة، سرعة الانتشار) وبين الجانب المعلوماتي (رموز ثنائية، تشفير، جودة النقل).

2) الموجة الكهرمغنطيسية: تعريف، خصائص وعلاقة \(\lambda, f, c\)

تعريف موجة كهرمغنطيسية

الموجة الكهرمغنطيسية هي اضطراب ينتشر في الفراغ أو في وسط مادي دون انتقال للمادة، ناتج عن تذبذب حقل كهربائي وحقل مغنطيسي متعامدين فيما بينهما ومتعامدين مع اتجاه الانتشار.

سرعة انتشار الموجة الكهرمغنطيسية

في الفراغ والهواء (تقريباً)، تنتشر الموجات الكهرمغنطيسية بسرعة ثابتة تقريباً:

\[ c \approx 3{,}0\times 10^8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} \]

حيث \(c\) هي سرعة الضوء في الفراغ.

العلاقة بين طول الموجة \(\lambda\) والتواتر \(f\)

ترتبط سرعة انتشار الموجة الكهرمغنطيسية بطول موجتها \(\lambda\) وتواترها \(f\) بالعلاقة:

\[ c = \lambda \, f \]

\(c\): سرعة الانتشار (في \(\mathrm{m\cdot s^{-1}}\)).
\(\lambda\): طول الموجة (في \(\mathrm{m}\)).
\(f\): التواتر (في \(\mathrm{Hz}\)).

مثال عددي

موجة راديو ذات تواتر \(f = 100\,\mathrm{MHz}\) (\(1\,\mathrm{MHz} = 10^6\,\mathrm{Hz}\)). احسب طول الموجة \(\lambda\) في الهواء.

لدينا: \[ c = \lambda f \Rightarrow \lambda = \dfrac{c}{f} \] بالتعويض: \[ c = 3{,}0\times 10^8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}},\quad f = 100\times 10^6\ \mathrm{Hz} \] إذن: \[ \lambda = \dfrac{3{,}0\times 10^8}{100\times 10^6} = 3{,}0\ \mathrm{m} \]

طول الموجة حوالي \(3\,\mathrm{m}\).

3) الطيف الكهرمغنطيسي واستعمالاته في نقل المعلومات

الطيف الكهرمغنطيسي

الطيف الكهرمغنطيسي هو مجموعة كل الموجات الكهرمغنطيسية بمختلف تواتراتها وأطوال موجاتها، من الموجات الطويلة جداً (موجات الراديو) إلى القصيرة جداً (أشعة \(\gamma\)).

بعض مناطق الطيف تستعمل في الاتصالات (موجات راديو، ميكروويف، تحت حمراء، ضوء في الألياف البصرية).

مجالات مستعملة في الاتصالات

موجات الراديو: بث الإذاعة (AM, FM)، التلفاز الأرضي، الاتصالات البحرية والجوية.
الميكروويف: هوائيات relais، الأقمار الاصطناعية، الواي فاي.
الضوء تحت الأحمر: بعض أجهزة التحكم عن بعد (remote).
الضوء المرئي أو تحت الأحمر القريب: يستعمل في الألياف البصرية لنقل الأنترنت بسرعة عالية.

4) الإشارة التناظرية والرقمية وتمثيل المعلومات

إشارة تناظرية (Analogique)

الإشارة التناظرية هي إشارة متغيّرة بشكل مستمر مع الزمن، يمكن أن تأخذ عدداً لا نهائياً من القيم بين حدّين معينين. مثال: التوتر الكهربائي الناتج عن ميكروفون عند تسجيل الكلام (شكل موجة جيبية تقريباً مع تشوّهات).

إشارة رقمية (Numérique)

الإشارة الرقمية هي إشارة لا تأخذ إلا قيماً منفصلة، غالباً قيمتان فقط في الإلكترونيات الرقمية: مستوى منخفض (0) ومستوى مرتفع (1). تستعمل لتمثيل المعلومات على شكل رموز ثنائية (bits).

في الأنظمة الحديثة يتم غالباً تحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية قبل إرسالها.

ترميز المعلومة رقمياً

المعلومة النصية أو الصوتية تُحوّل إلى سلسلة من الأعداد الثنائية (0 و1).
كل رقم ثنائي يسمى bit.
مزايا النقل الرقمي: مقاومة أكبر للضجيج، إمكانية ضغط وتشغيل المعالجة المعلوماتية.

5) مبدأ التعديل (Modulation) لنقل المعلومات

الموجة الحاملة والمعلومة

لنقل المعلومة عبر الفضاء نستعمل موجة كهرمغنطيسية عالية التواتر تسمى موجة حاملة (onde porteuse)، ونقوم بتغيير إحدى خصائصها (سعة، تواتر، طور) حسب الإشارة التي تمثل المعلومة المراد إرسالها.

في تعديل السعة (AM) تتغيّر سعة الحاملة وفق الإشارة المعلوماتية.

أنواع شائعة من التعديل في البرنامج

تعديل السعة (AM): يتم تغيير سعة الموجة الحاملة بحسب الإشارة المرسلة.
تعديل التواتر (FM): يتم تغيير توتر (أو نبض) الحاملة بحسب الإشارة.
في الأنظمة الرقمية، يمكن أيضاً تغيير طور الموجة أو استعمال نبضات رقمية (0/1) على قنوات متعدّدة.

في المستوى 2 باك، الأسئلة تكون غالباً نوعية: تفسير الرسم، التمييز بين AM وFM، معرفة دور الحاملة والتعديل، وليس الدخول في حسابات رياضية معقّدة.

6) سلسلة إرسال–استقبال المعلومات بالموجات الكهرمغنطيسية

مراحل أساسية لسلسلة الإرسال–الاستقبال

المعلومة: صوت، صورة، بيانات رقمية…
المبدِّل / الحساس: ميكروفون يحوّل الصوت إلى إشارة كهربائية.
المعدِّل: يدمج الإشارة مع موجة حاملة (AM أو FM…).
المُضخِّم: يرفع القدرة قبل الإرسال.
الهوائي المرسِل: يحوّل الإشارة الكهربائية إلى موجة كهرمغنطيسية تنتشر في الفضاء.
وسط الانتشار: هواء، فراغ، كابل، ألياف…
الهوائي المستقبل: يستقبل الموجة ويحوّلها إلى إشارة كهربائية.
مزيل التعديل: يستخلص المعلومة الأصلية.
المخرج: مكبر صوت، شاشة، حاسوب…

سلسلة إرسال–استقبال مبسطة: المعلومة تُحمَل على موجة كهرمغنطيسية ثم تُسترجَع.

نقطة مهمة للامتحان

كثيراً ما يطلب منك في التمارين تحديد دور كل جزء من السلسلة (المعدِّل، الهوائي، مزيل التعديل، المضخِّم) أو ترتيب العناصر حسب ما إذا كانت تنتمي إلى سلسلة الطاقة أو سلسلة المعلومات.

7) نقل المعلومات بواسطة الألياف البصرية

ما هي الألياف البصرية؟

الليفة البصرية هي خيط رفيع جداً من الزجاج أو البلاستيك ينقل الضوء لمسافات طويلة اعتماداً على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي. يستعمل لتشكيل كابلات ألياف بصرية لنقل الأنترنت والاتصالات.

مزايا الألياف البصرية لنقل المعلومات

سرعة عالية جداً (الضوء قريب من \(c\)).
ضياع أقل للمعلومة لمسافات طويلة مقارنة بالكابلات النحاسية.
مقاومة قوية للتشويش الكهرمغنطيسي (لا تتأثر بسهولة بالضجيج الخارجي).
إمكانية تمرير عدد كبير من القنوات في نفس الليف (تقنيات تعدد الأطوال الموجية).

مثال نوعي: مقارنة بين كابل نحاسي وليف بصري

في شبكة أنترنت منزلية قد يكون الاتصال مع المركز عبر كابل نحاسي أو عبر ألياف بصرية.

الكابل النحاسي: عرض حزمة ضعيف، سرعة محدودة، ضياع أكبر.
الألياف البصرية: عرض حزمة أكبر، سرعات تصل إلى مئات \(\mathrm{Mbit/s}\) أو أكثر، ضياع أقل.

8) جودة نقل المعلومات: عرض الحزمة، الضجيج، التوهين

عرض الحزمة (Bande passante)

عرض الحزمة لقناة اتصال هو مجال التواترات التي تسمح هذه القناة بمرورها بكيفية فعّالة. كلّما كان عرض الحزمة أكبر، أمكن نقل كمية أكبر من المعلومات (سرعة تدفّق أعلى).

التوهين (Atténuation)

التوهين هو انخفاض سعة الإشارة أثناء انتقالها داخل القناة (سلك، ليف، هواء…). يؤدي التوهين القوي إلى صعوبة استقبال الإشارة، مما يستدعي استعمال مضخِّمات دورية.

الضجيج (Bruit)

الضجيج هو مجموعة الإشارات العشوائية غير المرغوب فيها التي تضاف إلى الإشارة المفيدة أثناء الانتقال (تشويش من أجهزة أخرى، ضوضاء حرارية…). كلما زاد الضجيج، انخفضت جودة المعلومة المستقبَلة.

في المستوى 2 باك، لا نحتاج تعابير رياضية مفصّلة للتوهين أو نسبة الإشارة إلى الضجيج، لكن يجب فهم التأثير النوعي: التوهين والضجيج يفسدان جودة الاتصال، ويمكن تقليلهما باستعمال قنوات أفضل (ألياف بصرية)، ومضخّمات، وتقنيات رقمية.

9) تمارين تطبيقية (10) مع حلول مفصّلة

تمرين 1 — حساب طول موجة كهرمغنطيسية

موجة كهرمغنطيسية تستعمل لنقل المعلومات لها تواتر \(f = 2{,}4\,\mathrm{GHz}\) (شبكات واي فاي تقريباً).

1) حوّل هذا التواتر إلى \(\mathrm{Hz}\).
2) احسب طول الموجة \(\lambda\) في الهواء (اعتبر \(c = 3{,}0\times 10^8\,\mathrm{m\cdot s^{-1}}\)).
3) علّق على النتيجة (هل الطول الموجي كبير أم صغير؟).

1) \[ 1\,\mathrm{GHz} = 10^9\,\mathrm{Hz} \Rightarrow f = 2{,}4\times 10^9\,\mathrm{Hz} \]

2) نستعمل العلاقة: \[ c = \lambda f \Rightarrow \lambda = \dfrac{c}{f} \] إذن: \[ \lambda = \dfrac{3{,}0\times 10^8}{2{,}4\times 10^9} \approx 0{,}125\,\mathrm{m} \] أي حوالي \(12{,}5\,\mathrm{cm}\).

3) الطول الموجي صغير نسبياً (بضعة سنتيمترات)، وهذا يفسّر استعمال هوائيات صغيرة الحجم لأجهزة الواي فاي.

تمرين 2 — ربط بين المجال الطيفي والاستعمال

ضع علامة (✓) أمام التركيبة المناسبة و(✗) أمام الغير مناسبة:

المجال في الطيف	الاستعمال	مناسب؟
موجات راديو	بث محطات FM	؟
ضوء مرئي	نقل الأنترنت في الألياف البصرية	؟
أشعة X	مكالمة هاتفية عادية	؟

ثم برّر بإيجاز جوابك في كل حالة.

1) موجات راديو / بث FM ⇒ مناسب (✓) لأن بث FM يستعمل حقاً موجات راديو ذات تواتر معيّن.

2) ضوء مرئي / ألياف بصرية ⇒ في الواقع تستعمل الألياف غالباً الضوء تحت الأحمر القريب أو المرئي بهدف نقل الأنترنت بسرعة عالية ⇒ يمكن اعتباره مناسباً (✓) في هذا المستوى.

3) أشعة X / مكالمة هاتفية ⇒ غير مناسب (✗) لأن الهاتف يستعمل موجات راديو في مجال الميكروويف تقريباً، بينما أشعة X مخصصة للتطبيقات الطبية والتصوير الإشعاعي ولا تستعمل في الاتصالات الهاتفية.

تمرين 3 — إشارة تناظرية ورقمية

اختر الجواب الصحيح في كل حالة، مع التبرير باختصار:

(أ) إشارة تغيّر شدة الصوت المسجّل على شكل توتر يتغير بشكل مستمر مع الزمن: هل هي إشارة تناظرية أم رقمية؟
(ب) سلسلة نبضات كهربائية لا تأخذ إلا قيمتين: \(0\,\mathrm{V}\) أو \(5\,\mathrm{V}\) تمثل أرقاماً ثنائية: هل هي إشارة تناظرية أم رقمية؟

(أ) إشارة الصوت المسجّل التي يتغيّر توترها باستمرار مع الزمن هي إشارة تناظرية لأنّها يمكن أن تأخذ عدداً لا نهائياً من القيم في المجال المسموح.

(ب) سلسلة النبضات التي لا تأخذ إلا مستويين \(0\) أو \(5\,\mathrm{V}\) تمثل أرقاماً ثنائية هي إشارة رقمية لأنها لا تأخذ إلا قيماً منفصلة.

تمرين 4 — تحديد نوع التعديل من الشكل

في تجربة بث إذاعي، تم تسجيل موجة حاملة بتواتر ثابت ولكن سعتها تتغيّر مع الزمن حسب الكلام.

1) ما اسم نوع التعديل المستعمل؟
2) كيف يمكن وصف هذا التعديل بكلمات بسيطة لتلميذ في نفس المستوى؟

1) بما أن سعة الحاملة هي التي تتغير حسب الإشارة (الكلام)، فنوع التعديل هو تعديل السعة (AM).

2) يمكن القول: "نحمل الكلام على موجة عالية التواتر بجعل ارتفاع (سعة) هذه الموجة يزيد وينقص حسب شكل الإشارة التي تمثّل الكلام."

تمرين 5 — سلسلة إرسال–استقبال: تحديد الدور

في جهاز هاتف نقال، توجد العناصر التالية:

ميكروفون.
هوائي.
مضخّم قدرة.
دائرة مزيل التعديل.

اربط كل عنصر بدوره في سلسلة إرسال–استقبال، واذكر هل يشتغل في جانب الإرسال أو الاستقبال أو كليهما.

الميكروفون: يحوّل الصوت إلى إشارة كهربائية ⇒ عنصر في بداية سلسلة الإرسال.
الهوائي: يرسل الموجة الكهرمغنطيسية أو يستقبلها ⇒ موجود في الإرسال والاستقبال.
مضخّم القدرة: يرفع قدرة الإشارة قبل الإرسال لتصل لمسافات أكبر ⇒ يستعمل في جانب الإرسال.
مزيل التعديل: يسترجع المعلومة من الإشارة المستقبلة ⇒ عنصر في سلسلة الاستقبال.

تمرين 6 — مقارنة بين كابل نحاسي وليف بصري

نريد نقل أنترنت عالي الصبيب بين مدينتين. لدينا خياران: كابل نحاسي أو ألياف بصرية.

1) أي الخيارين أفضل لنقل كمية كبيرة من المعلومات بسرعة عالية؟ علّل.
2) اذكر ميزتين رئيسيتين للألياف البصرية تجعلانها مفضّلة في هذا الاستعمال.

1) الألياف البصرية أفضل لنقل أنترنت عالي الصبيب، لأنها تسمح بسرعات أكبر وضياع أقل للمعلومة على مسافات طويلة.

2) ميزتان رئيسيتان:

عرض حزمة كبير جداً ⇒ إمكانية نقل عدد كبير من القنوات (معلومات أكثر في نفس الزمن).
توهين وضجيج أقل مقارنة بالكابل النحاسي ⇒ جودة إشارة أفضل.

تمرين 7 — عرض الحزمة والتدفّق المعلوماتي

لدينا قناتان لنقل المعلومات:

قناة (أ): عرض الحزمة فيها صغير.
قناة (ب): عرض الحزمة فيها كبير.

1) أي القناتين تسمح بنقل أكبر عدد من المعلومات في نفس الزمن؟
2) أي القناتين تناسب أكثر بث فيديو عالي الجودة؟ علّل.

1) القناة (ب) ذات عرض الحزمة الكبير تسمح بمرور مجال أوسع من التواترات، وبالتالي يمكنها نقل معلومات أكثر في نفس الزمن.

2) بث فيديو عالي الجودة يحتاج إلى تدفّق معلوماتي كبير، لذلك القناة (ب) هي الأنسب لأنها ذات عرض حزمة أكبر.

تمرين 8 — تأثير الضجيج على الإشارة

أثناء نقل مكالمة هاتفية، تتعرض الإشارة لوجود ضجيج (تشويش من أجهزة أخرى، ضوضاء كهربائية…).

1) ماذا نقصد بالضجيج في قنوات الاتصال؟
2) ما أثر الضجيج القوي على المعلومة المستقبَلة؟
3) لماذا يعتبر النقل الرقمي غالباً أكثر مقاومة للضجيج من النقل التناظري؟

1) الضجيج هو مجموعة الإشارات غير المرغوب فيها التي تُضاف إلى الإشارة المفيدة أثناء انتقالها.

2) إذا كان الضجيج قوياً فإن الإشارة المستقبَلة تصبح مشوّهة، وقد تُسمع المكالمة مع تشويش أو تنقطع بعض المعلومات (كلمات غير واضحة، صورة مقطّعة…).

3) في النقل الرقمي، يكفي عادةً التمييز بين مستويين (0 و1) حتى لو انحرفت الإشارة قليلاً بسبب الضجيج، بينما في النقل التناظري يتأثّر الشكل الكامل للإشارة، مما يجعلها أقل مقاومة للضجيج.

تمرين 9 — سلسلة الطاقة وسلسلة المعلومات

في محطة بث تلفزيوني توجد العناصر التالية:

مضخّم قدرة للهوائي.
معدّل (Modulateur).
مولّد لتوتر التغذية الكهربائية.
كاميرا تحوّل الصورة إلى إشارة كهربائية.

1) حدّد العناصر التي تنتمي أساساً لسلسلة المعلومات.
2) حدّد العناصر التي تنتمي أساساً لسلسلة الطاقة.
3) اشرح بإيجاز الفرق بين سلسلة الطاقة وسلسلة المعلومات في هذا السياق.

1) سلسلة المعلومات:

الكاميرا (تحوّل الصورة إلى إشارة).
المعدّل (يحمل الإشارة على حاملة).

2) سلسلة الطاقة:

مولّد التغذية الكهربائية.
مضخّم القدرة (يزوّد الهوائي بطاقة كافية للإرسال).

3) سلسلة المعلومات تهتم بتشكيل ومعالجة ونقل الإشارة التي تحتوي على المعلومة، بينما سلسلة الطاقة تهتم بتوفير ونقل الطاقة الضرورية لتشغيل الأجهزة وتمكين الإرسال.

تمرين 10 — سؤال مقالي: خلاصة حول الموجات الكهرمغنطيسية ونقل المعلومات

اكتب فقرة (5–7 أسطر) تشرح فيها كيف تتم عملية نقل المعلومات من هاتف نقال إلى آخر باستعمال الموجات الكهرمغنطيسية، مستعملاً المفاهيم: موجة حاملة، تعديل، هوائي، قناة، ضجيج، إزالة التعديل.

في الهاتف النقال، تتحول أصواتنا أولاً إلى إشارة كهربائية بواسطة الميكروفون. هذه الإشارة تمثل المعلومة وتُستعمل في مرحلة التعديل لتغيير خاصية من خصائص موجة كهرمغنطيسية عالية التواتر تسمى الموجة الحاملة (مثلاً سعتها أو تواترها). الإشارة المعدّلة تُرسل بعد تضخيمها بواسطة الهوائي على شكل موجة كهرمغنطيسية تنتشر في الفضاء عبر قناة الاتصال (الهواء، هوائيات محطات القاعدة…). أثناء الانتقال قد تنضاف إليها ضوضاء خارجية. في الهاتف المستقبل، يلتقط الهوائي هذه الموجة، ثم تقوم دائرة إزالة التعديل باستخلاص الإشارة التي تحمل المعلومة الأصلية رغم وجود الضجيج. في النهاية تُحوَّل هذه الإشارة إلى صوت بواسطة مكبر الصوت فنسمع كلام المتصل الآخر.

10) خلاصة مركّزة للباك — الموجات الكهرمغنطيسية ونقل المعلومات

الموجة الكهرمغنطيسية اضطراب ينتشر بسرعة \(c \approx 3{,}0\times 10^8\,\mathrm{m\cdot s^{-1}}\) في الفراغ والهواء، ويرتبط طول الموجة والتواتر بالعلاقة \(\lambda = \dfrac{c}{f}\).
الطيف الكهرمغنطيسي يضم موجات الراديو، الميكروويف، تحت الحمراء، الضوء المرئي، فوق البنفسجي، أشعة X و\(\gamma\)، وبعض هذه المجالات يستعمل في الاتصالات (راديو، تلفاز، هاتف، أنترنت).
يمكن تمثيل المعلومة بإشارة تناظرية أو رقمية، والنقل الرقمي أكثر مقاومة للضجيج ويسمح بمعالجة أفضل للمعلومات.
مبدأ التعديل يقوم على حمل المعلومة على موجة حاملة عالية التواتر (AM, FM…) ثم إرسالها عبر هوائي واستقبالها عبر هوائي آخر مع إزالة التعديل لاسترجاع المعلومة.
الألياف البصرية تسمح بنقل المعلومات بسرعة عالية وجودة كبيرة بفضل عرض حزمة واسع وتوهين وضجيج منخفضين.
جودة الاتصال تتأثر بعرض الحزمة، التوهين، الضجيج، ولذلك نختار قنوات ووسائل مناسبة حسب نوع الخدمة (مكالمة، راديو، أنترنت عالي الصبيب…).