تطبيقات فيزيائية وفكرة عملها
 

تطبيقات فيزيائية وفكرة عملها

المصدر : الموقع التعليمى للفيزياء
http://www.hazemsakeek.com/QandA/index.htm




جهاز كشف الدخان المستخدم للتحذير من اندلاع حريق في غرفة أو مبني من الاجهزة الهامة والضرورية فبالرغم من انخفاض تكلفتها التي تبلغ في حدود 15 دولار فإنها تقي من نشوب حريق قد يقضي على ممتلكات مؤسسة بكاملها. يتكون جهاز كاشف الدخان Smoke Detector من جزئين اساسيين اولهما مجس حساس للضوء وهو الفوتوديود Photodiode والجزء الثاني هو جهاز الكتروني يصدر صوت منبه مرتفع. يعمل جهاز انذار الحريق من خلال بطارية 9 فولت أو من خلال مزود الكهرباء المنزلي.



فكرة عمل جهاز انذار الحريق


يعتمد هذا النوع من كاشف الدخان على فوتوديود وهو حساس للضوء، وإذا ما تم تصميم دائرة إلكترونية بحيث اذا سقط الضوء على الفوتوديود تصدر الدائرة الإلكترونية جرس منبه ذو صوت عالي. وهذه فكرة عمل جهاز انذار الحريق حيث أن الجهاز يحتوي على شعاع ضوئي عادي يصدر من ديود باعث للضوء LED مثبت في نهاية انبوبة اسطوانية الشكل وعلى زاوية 90 درجة يتفرع اسطوانة اخرى مثبت في نهايتها فوتوديود. كما في الشكل التوضيحي التالي:





في حالة تواجد دخان كثيف في الغرفة فإن هذا الدخان سيدخل من الجهة المقابلة للاسطوانة المثبت بها المصدر الضوئي وسيعمل على تشتيت الضوء ليسقط على الفوتوديود وبالتالي سيتم تفعيل الدائرة الإلكترونية التي بدورها ستطلق صفارة الإنذار

من المعروف أن عملية الرؤية تتم بواسطة انعكاس أشعة الضوء المرئي من الجسم الذي ننظر إليه على أعيننا والتي بدورها تكون صورة للجسم على شبكية العين وتنتقل معلومات الصورة من خلال الألياف البصرية إلى الدماغ ليترجم صورة الجسم. ومن هنا فإن عملية الرؤية تعتمد اساساً على اشعة الضوء المرئي سواء كان مصدره اشعة الشمس أو مصابيح الإضاءة الكهربية. ولهذا السبب فإن في الظلام لايمكن للعين رؤية الاشياء لعدم توفر الضوء المرئي المنعكس من الجسم إلى العين.



السؤال الآن كيف يمكن تحسين مدى الرؤية في الظلام؟

للإجابة على هذا السؤال يجب أن نلقى بعض الضوء على الطيف الكهرومغناطيسي الذي يحيطنا، وإن مانراه 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.



الذرة ومستويات الطاقة






عند اكتساب الكترونات الذرة طاقة نتيجة لدرجة حرارتها تنتقل إلى مدارات ذات طاقة اعلى ثم ما تلبث وأن تعود إلى مستوى الطاقة الاساسي Ground State مطلقة الطاقة التي اكتسبتها في صورة طيف كهرومغناطيسي في منطقة الاشعة تحت الحمراء بطول موجي يتراوح من 3 مايكرون إلى 30 مايكرون حسب درجة الاثارة. فعلى سبيل المثال عند تسخين ملعقة على لهب تبدأ درجة حرارة الملعقة بالازدياد وينتج عند كل درجة حرارة انبعاث للاشعة تحت الحمراء (الحرارية) إلى أن تصل درجة الحرارة إلى حد معين تبدأ فيه الملعقة بالتوهج ويحمر لونها وهنا نكون قد دخلنا في الأطوال الموجية المرئية لأن درجة الحرارة تقترب من 500 درجة مئوية وتصل أقصى درجات التوهج عندما يصبح لون المعلقة قريبا من اللون الأبيض (اكثر من 1000 درجة مئوية).

نستنتج من ذلك أن كل جسم يشع طيف كهرومغناطيسي عند درجات الحرارة فوق الصفر المطلق وكلما ازدادت درجة الحرارة ازدادت درجة الاثارة وهذا يوؤدي إلى انبعاث طيف كهرومغناطيسي يكون في منطقة الاشعة تحت الحمراء عند درجات الحرارة المنخفضة وكلما ازدادت درجة الحرارة اقترب الطيف المنبعث إلى الطيف المرئي.




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



بواسطة نظام عدسات شبيه بعدسات كاميرا الفيديو يعمل على تجميع الاشعة تحت الحمراء المنبعثة من الاجسام.

الاشعة الحمراء المجمعة تسقط على مصفوفة من المجسات الحساسة للاشعة تحت الحمراء تعمل على رسم خريطة حرارية للجسم تسمى thermogram.

تقوم اجهزة اكترونية بتحويل الصورة الحرارية thermogram إلى نبضات الكترونية.

تقوم وحدة معالجة الاشارة signal-processing unit بترجمة الصورة الحرارية المأخوذة من المجسات إلى معلومات لتعرض على الشاشة.

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.

انتشر استخدام السي دي CD ليحل محل اشرطة الكاسيت المغناطيسية لما تمتاز به هذه التكنولوجيا من ميزات اهمها سعتها التخزينية الكبيرة وجودة المادة المخزنة عليها وعمرها الأفتراضي الطويل، الـ CD متعددة الاستخدامات حيث يمكن استخدامها لتخزين مواد سمعية أو معلومات، ولأهمية هذا الموضوع سنقوم بتوضيح فكرة عمل اقراص السي دي وجهاز قراءة وكتابة هذه الاقراص.

جاءت تسميتها بهذا الاسم (سي دي) من أول أحرف للاسم الإنجليزي
Compact Disk
سي دي CD

السعة التخزينية لأقراص السي دي

يمكن تخزين ما يقارب 74 دقيقة من المعلومات الصوتية على القرص الواحد، وهذا يعادل 740 ميجابيت من المعلومات على القرص الذي يبلغ قطره 12 سم، مما يعني أن المساحة المخصصة لكل بايت على القرص يجب أن تكون متناهية الصغر وبدراسة تركيب قرص لسي دي يمكن فهم كيف يمكن تخزين هذا الكم الهائل من المعلومات على المساحة الصغيرة نسبياً.

مكونات قرص السي دي

يتكون السي دي من البلاستيك بسمك قدره 1.2 مم تعرف باسم polycarbonate وعلى هذه الطبقة يوجد طبقة رقيقة من الألومنيوم اللامع بسمك 1.25 نانومتر مغطاة بطبقة حماية من مادة الاكريلاك acrylic كما في الشكل.






السي دي يحتوي على مسار متصل من البيانات في شكل لولبي يبدأ من الداخل إلى الخارج، وهذا يعني أنه بالامكان تقليل قطر السي دي عن 12 سم إذا رغبنا في ذلك. وفي الحقيقة يوجد بطاقات بحجم بطاقة business cards يمكن وضعها في جهاز قارئ السي دي وتحتوي على بيانات بسعة تخزينية قدرها 2 ميجابيت






وبالنظر تحت المجهر على شكل هذه المسارات اللولبية التي تحتوي على البيانات نجدها تظهر كما في الشكل المقابل على صورة مرتفعات Bits عرضها لايتجاوز 0.5 ميكرون وارتفاعها 125 نانومتر ويفصل بين المسار والذي يليه مسافة تبلغ 1.6 ميكرون. وهذه مساحات متناهية في الصغر وللتوضيح أكثر نفترض أننا قمنا تحويل المسار اللولبي إلى مسار مستقيم سنحصل على شريط عرضه 0.5ميكرون وطوله يتجاوز الـ 5 كيلومتر!! ولقراءة هذه المعلومات نحتاج إلى جهاز خاص هو جهاز الـ CD ROM Drive.



يقوم جهاز مشغل أقراص السي دي بالبحث عن المعلومات المخزنة في صورة Bits على المسارات اللولبية سابقة الذكر وقراءتها وهذا يتطلب دقة عالية. ويمكن تقسيم مشغل اقراص السي دي إلى ثلاثة اقسام رئيسية هي:

الموتور: يقوم بتدوير قرص السي دي والتحكم بسرعته التي تتراوح من 200-500 دورة في الدقيقة.

الليزر: وهو الاداة المستخدمة لقراءة البيانات من القرص.

الباحث: وهو الذي يقوم بتوجيه شعاع الليزر على المسارات المخصصة للبيانات بدقة فائقة.





كما تجدر الاشارة إلى أن مشغل الأقراص يحتوي على قطع الكترونية تقوم بتحويل البيانات المخزنة في صورة رقمية Digital إلى اشارة تناظرية Analogue كما هو الحال في استخدامه لسماع الموسيقى أو لنقل البيانات إلى الكمبيوتر.





إن الوظيفة الاساسية لمشغل افقراص السي دي هي تركيز أشعة الليزر على المسارات التي تحتوي البيانات، حيث تنفز أشعة الليزر من الطبقة البلاستيكية لتسقط على طبقة الألومنيوم العاكس، وحيث أن المسارات تحتوي على البيانات على شكل Bits متقطعة مما يسبب في اختلاف انعكاس شعاع الليزر على هذه المناطق والمناطق التي لاتحتوي على البيانات وبالتالي يكون الشعاع المنعكس عبارة عن نبضات متقطعة هي بمثابة 0 , 1 هذه النبضات المتقطعة يقرأها فوتوديود يحول النبضات الضوئية إلى تيار كهربي. تقوم اجهزة الكترونية في مشغل اقراص السي دي بتفسير هذه التيارات الكهربية الناتجة من الـ Bits المخزنة على القرص وتحويلها إلى معلومات.



من المهم التحكم في موقع شعاع الليزر على المسار اللولبي خلال دوران القرص المرن وهذا يتم من خلال موتور خاص مبرمج لتحريك الليزر بسرعات تتناسب مع سرعة دوران البيانات على القرص حيث أن سرعة تدفق البيانات تساوي حاصل ضرب السرعة الزاوية للقرص في نصف قطر المسار. ولهذا يجب على الموتور المتحكم في تحريك الليزر أن يتباطأ كلما اتجهنا من المسار الداخلي إلى المسار الخارجي. لنحافظ على معدل تدفق ثابت للبيانات.
شكل البيانات المخزنة على السي دي

يستطيع كل شخص ان يخزن البيانات التي يريدها على قرص السي دي إذا امتلك جهاز قراءة وكتابة وكل ما عليه هو تحديد نوع البيانات اذا كانت بيانات كمبيوتر CD-ROM أو موسيقى CD-DA فيقوم البرنامج بعملية الكتابة دون تدخل منا ولكن هذه العملية البسيطة تخفي تعقيدات بحاجة إلى متخصص لفهم ألية تخزين البيانات على السي دي وهذا ما يعرف بألية التشفير data encoding methodology. والتي يجب أن تراعى النقاط التالية:

توجيه الليزر بين مناطق البيانات المخزنة مثل بداية المقطوعة الموسقية ونهايتها والمقطوعة التي تليها.

أن يتضمن التشفير كاشف للخطأ الناجم عن الخطأ في تفسير بعض الـ Bits وهذا مايعرف بـ error-correcting codes.

الخدوش التي قد تحدث عن الاستخدام الخاطئ لقرص السي دي مما ينتج عنه انقطاع في تدفق البيانات.

اشعة المايكروويف هي جزء من الاشعة الكهرومغناطيسية ذات طول موجي طويل يقاس بالسنتمتر في المدى من 0.3 إلى 30 سنتمتر ولهذه الاشعة استخدامات عديدة منها في طهي الطعام وهو مايعرف بفرن المايكروويف Microwave oven كما تستخدم في الاتصالات ونقل المعلومات واجهزة الاستشعار عن بعد واجهزة الرادار ومن هنا فإن استخدامها في الطهي هو جزء بسيط من تطبيقاتها العملية العديدة، ويعتبر الطهي بواسطة اشعة الميكروويف من تكنولوجيا القرن العشرين لما توفره من سرعة في تحضير الطعام أو تسخينه وكفائته العالية في توفير الطاقة المستخدمة في الافران التقليدية التي تعمل بالكهرباء أو الغاز حيث أنها تعمل على تسخين المواد الغذائية فقط دون غيرها. وتجدر الاشارة إلى أن هذه الاجهزة موجودة في كل بيت في امريكا وأوروبا وبدأت تنتشر عندنا، ولكن كثيراً ما دار التساؤل عن خطورة استخدام هذه الاجهزة على سلامة الانسان, وقبل الاجابة على هذا التساؤل يتوجب علينا شرح فكرة عمل فرن المايكروويف.

فكرة عمل طابعات الكمبيوتر




اول طابعة ابرية ظهرت فى عام 1964 وهى (Epson DP-101) وظهرت بعد ذلك (Epson FX80) فى عام 1984 وكانت هذه الطابعات بطيئة نوعا ما. سميت بالطابعات الابرية او النقطية نسبة إلى فكرة عمل هذا النوع من الطابعات حيث تستخدم ابرة متحركة لتصطدم بشريط محبر. تكون نتيجة اصطدام الابرة الواحدة على الشريط الحبري المثبت أمام الورق المراد الطباعة عليه هو ظهور نقطة بلون شريط الحبر. فإذا تخيلنا أن اى حرف أو رقم يمكن طباعته على شكل نقاط متراصة لترسم لنا الحرف على الورقة عن طريق عدة ضربات على الشريط الحبرى. وفى أغلب الأحيان يكون هناك تسع ابر او 24 ابرة مثبتة فى الرأس يتحكم بهم برنامج خاص ليرسم شكل الحرف اثناء حركة الراس والورقة.

ان الفكرة الميكانيكية فى تحريك الابر هو عن طريق مغناطيس كهربى يقوم بجذب الابر باتجاه الشريط الحبرى وتعود الابر إلى مكانها بواسطة زنبرك بعد زوال التاثير المغناطيسى.




أول شركة صنعت هذا النوع الجديد من الطابعات هى شركة Hewlett-Packard عام 1984 واطلقت عليها اسم Ink jet printers وتبعتها شركة Canon عام 1986 واطلقت على هذا النوع من الطابعات اسم Bubble jet printers وكلاهما له نفس فكرة العمل. هذه الطابعات اخذت مكانه اوسع من الطابعات الابرية سابقة الذكر عند الكثير من المستخدمين للكمبيوتر خاصة بعد انخفاض سعرها فى هذه الايام.






تعتمد طابعة الـ inkjet على قذف قطرات متناهية في الصغر من الحبر على الورق لرسم الصورة أو طباعة النصوص ومن خصائص هذه الطابعات هي:

يصل حجم القطرات من الحبر إلى 50 مايكرون وهذا ادق من قطر شعرة.

يتم توجية القطرات إلى الورق بدقة متناهية مما يعطي وضوح يصل إلى دقة 1440x720 نقطة في الإنش. وهذا مايعرف الـ resolution والتي تقدر بوحدة dpi أي dots per inch.

يمكن الحصول على طباعة ملونة معن طريق التحكم بنسبة خلط الألوان الأساسية لكل قطرة قبل وصولها إلى الورقة.





فكرة عمل الطابعة قاذفة الحبر

تعتمد فكرة عمل هذا النوع من طابعات الكمبيوتر على تسخين جزء من مستودع الحبرإلى درجة حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية. وهذا سوف يحدث فقاعات بخار داخل مستودع الحبر مما تدفع قطرات الحبر إلى الخارج من فتحة خاصة تدعى Jet يصل عدد هذه الفتحات إلى 400 فتحة دقيقة يخرج منها الحبر قطرات الحبر في نفس اللحظة. بمجرد ملامسة قطرات الحبر الورقة تجف مباشرة. هذه العملية تتكرر عدة الاف مرة فى الثانية الواحدة.

وهنا نلاحظ أنه لايوجد أجزاء متحركة فى الرأس -ما عدا الحبر بالطبع- مما يجعل الطابعة اكثر هدوءاً وتصل دقة هذا النوع من الطابعات إلى 300dpi أى تضاهى طابعات الليزر. وهذا سبب تسمية الطابعة من هذا النوع بطابعة نصف ليزر.





ماذا يحدث عندما نضغط على امر الطباعة في الكمبيوتر؟

عند الضغط على امر الطباعة في الكمبيوتر تحدث الخطوت التالية:

يقوم برنامج الطابعة بارسال البيانات إلى معالج الطابعة الـ Driver.

يقوم الـ Driver بمعالجة البيانات وترجمتها إلى اللغة التي تفهمها الطابعة ويتأكد البرنامج من ان الطابعة المتصلة بالكمبيوتر وانها تعمل.

ترسل البيانات عبر السلك المتصل بين الكمبيوتر والطابعة.

تخزن البيانات في ذاكرة الطابعة RAM.





طابعة الـ Inkjet تعمل من خلال دفع قطرات الحبر إلى الورق ليتم نقل البيانات والمعلومات من الكمبيوتر إلى الطابعة ولكن كيف تعمل طابعة الليزر التي تستخدم شعاع الليزر؟؟

اخترعت شركة Xerox تكنولوجيا طابعات الليزر فى اوائل السبعينات وفى عام 1977 تم تسويق طابعات ليزر تصل سرعة طباعتها إلى 120 صفحة فى الدقيقة ومنذ 1984 سعت شركة Hewlett-Packard إلى تطوير عدة انواع من طابعات الليزر لتناسب جميع الاعمال واصبحت طابعات الليزر التى تحمل ماركة Hewlett-Packard تحتل 70% من سوق طابعات الليزر.


تختلف طابعات الليزر عن غيرها فى انها تطبع الصفحة كاملة وليس سطر سطر كما فى النوعين سابقى الذكر ولهذا السبب تحتاج طابعة الليزر إلى ذاكرة داخلية 1Mbyte على الأقل. وسعة الذاكرة تلعب دورا في سعر الطابعة.

بعض طابعات الليزر تكون مزودة بـ Post ++++++ وسعرها مرتفع عن اخرى لا تحتوى على هذه القطعة، لأنها تزيد من كفاءة الطابعة حيث يقوم الكمبيوتر بإرسال ما تحتويه الصفحة المراد طباعتها من تصاميم ورسومات وغيره فى صورة وصف دقيق إلى الـ Post ++++++ الذى بدوره يقوم بباقى العمل تاركا لك الكمبيوتر لتكمل عملك بينما الطابعات التى لا تحتوى Post ++++++ فإن البرنامج المستخدم سوف يقوم بعمل كل شئ ليرسل تفاصيل الصفحة مما يستغرق الكمبيوتر وقتا طويلاً لينهى عمله.


فكرة عمل طابعة الليزر

تعتمد فكرة عمل طابعة الليزر على الشحنة الكهروستاتيكية، مثلها مثل فكرة عمل ماكنة تصوير المستندات. والشحنة الكهروستاتيكية هي الي يكتسبها الجسم المعزول مثل الشحنة التي يكتسبها المشط عند تمشيط الشعر أو البالون عند حكة بالصوف ومن المعروف أن الشحن السالبة تجذب الشحنة الموجبة.






وتعمل طابعة الليزر من خلال مادة حساسة للضوء تسمي photoconductive هذه المادة تفقد شحنتها اذا سقط ضوء عليها. ففي البداية يتم شحن الدرم drum بشحنة موجبة بواسطة سلك يمر به تيار يسمى بـ charge corona wire وبدوران الدرم تقوم الطابعة بتسليط شعاع الليزر المنعكس من المرأة بمسح الاسطوانة اثناء حركتها على شكل سطور افقية حيث يحتوى كل سطر على مجموعة من النقط، يتحكم بعملية المسح هذه معالج خاص microprocessor موجود داخل الطابعة فيقوم بتشغيل الليزر عند المناطق البيضاء ويطفئه عند المناطق السوداء ليتم تفريغ الشحنة من بعض المواقع بحيث ترسم الحروف والاشكال المرسلة من الكمبيوتر فى صورة مناطق مشحونة كهربيا.





بعد ذلك تقوم الطابعة بتمرير الدرم على حبيبات الحبر والذي يسمى بالتونر toner المشحون بشحنة موجبة نتيجة للشحنة الموجبة لحبيبات الحبر فإنها تلتصق على الدرم في المناطق التي مر عليها الليزر أما المناطق من الدرم المشحونة بشحنة موجبة فلن يلتصق بها التونر لأن الشحنات المتشابه تتنافر. وباستمرار دوران الدرم ينتقل الحبر الملتصق به إلى الورق المراد الطباعة عليه حيث تقوم الطابعة باكساب الورقة شحنة سالبة من خلال سلك يمر به تيار corona wire. وهذا يساعد الورقة على جذب حبيبات التونر المشحون بشحنة موجبة لينتقل من الدرم إلى الورقة.






ولمنع الورقة من الانجذاب إلى الدرم فإن الطابعة بمجرد انتقال حبيبات التونر إلى الورقة يتم تفريغ شحنة الدرم من خلال لمبة ضوئية لتجهيز الدرم للدورة الثانية. كل ذلك يعمل خلال دوران الدرم وحركة الورقة بفس السرعة والتوقيت. وفي المرحلة الاخيرة تمرر الورقة قبل خروجها من الطابعة على فرن حراري على شكل اسطوانتين دائريتين لتثبيت التونر على الورقة. وهذا يفسر سخونة الورقة بعد خروجها من الطابعة مباشرة

يختصر اسم الدايود الباعث للضوء بـ LED وهي اول حرف من كلمات Light Emitting Diodes والتي توضح فكرة هذه الأداء وهي اصدار الضوء، ولهذه الاداة LED تطبيقات عديدة في مجال الالكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الاجهزة الحديثة حيث تضيء الـ LED لتعلم المستخدم ان الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفزيزن في حالة الاستعداد أو في اجهزة الراديو عند استقبال محطة عليه وتدخل في الساعات الرقمية والرموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي اضاءة اشارات المرور.






باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء الكترونية اي لا تحتوي على فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية. فهي تصدر الضوء من خلال حركة الالكترونات في داخل مواد من اشباه الموصلات semiconductor التي تتكون منها الترانسستورات.

سنحاول في هذا الشرح القاء المزيد من الضوء عن هذه الاداة موضحين الفكرة الفيزيائية لعملها.

ما هو الديود

الديود هو اصغرأداة مصنعة من مواد اشباه الموصلات، حيث ان اشباه الموصلات هي مواد شبه موصلة للكهرباء وهي مصنعة من مواد ضعيفة التوصيل للتيار الكهربي ومطعمة بنسبة من الشوائب من مادة اخرى وتسمي عملية التطعيم Doping.

في حالة الـ LED فإن المادة الموصلة هي الومنيوم جاليوم ارسانيد (AlGaAs) التي تكون في الحالة النقية تماماً فإن كل الذرات تكون مرتبطة مما ينتج عنه عدم توفر الكترونات حرة لنقل التيار الكهربي، ولكن عند تطعيم هذه المادة بنسبة محددة فإن الحالة السابقة من عدم توصيل التيار الكهربي تتغير حيث باضافة الكترونات او سحب الكترونات لترك فجوات يمكن للالكترون من الحركة فإن المادة تصبح شبه موصلة للتيار الكهربي.

اشباه الموصلات بالكترونات اضافية من التطعيم تسمى مواد من النوع N وهو الحرف الأول من كلمة Negative أي سالبة الشحنة لان حاملات الشحنة هي الالكترونات التي تتحرك من المناطق السالبة الشحنة إلى المناطق الموجبة الشحنة.

اما اشباه الموصلات التي تحتوي على نقص في الكترون أو اكثر أي ما يعرف بالفجوة تسمى مواد من النوع P وهو الحرف الأول من كلمة Positive اي موجبة الشحنة حيث ينتقل الالكترون من فجوة الى اخرى مما يعتبر من ناحية اخرى ان الفجوة هي التي تنتقل والتي تمثل الشحنة الموجبة التي تنتقل من المنطق الموجبة إلى المناطق السالبة.

الديود هو عبالرة عن اتصال مادتين شبه موصلتين احدهما من النوع N والأخرى من النوع P مع وجود الكترود على الطرفين الخارجيين لتوصيل الديود بفرق الجهد الكهربي في دائرة كهربية. فعندما لا يوجد فرق جهد كهربي مطبق على طرفي الالكترود فإن الالكترونات في المادة N تنتقل إلى الفجوات في المادة P من خلال الوصلة بين المادتين مكونة منطقة استنزاف Depletion Zone. في منطقة الاستنزاف تتحول الى منطقة عازلة لان كل الفجوات احتوت على الكترونات مما اصبحت حركة الالكترونات معدومة لعدم توفر الفجوات.





للتخلص من المنطقة العازلة التي تكونت عند الوصلة فإنه يجب دفع الالكترونات على الحركة من المادة N إلى المادة P خلال منطقة الستنزاف ولعمل هذا نحتاج الى بذل شغل على هذه الالكترونات لاجبارها على الحركة خلال المنطقة العازلة من خلال استخدام بطارية كهربية لانتاج فرق جدهد كهربي ينتج عنه مجال كهربي يؤثر بقوة على الالكترونات. فنقوم بتوصيل الالكترود الموصول على المادة N بالقطب السالب للبطارية ويوصل الالكترود على المادة P بالطرف الموجب للبطارية فتتنافر الالكترونات في المادة N مع طرف البطارية السالب وتندفع تجاه منطقة الاستنزاف وتتحرك الفجوات في المادة P تحت تأثير قوة التنافر مع القطب الموجب للبطارية تجاه منطقة الاستنزاف وبزيادة فرق جهد البطارية تستطيع الالكترونات من عبور منطقة الاستنزاف وتتحد مع الفجوات وتلغي منطقة الاستنزاف وتصبح وصلة الديود موصلة للتيار الكهربي.





في حالة توصيل البطارية بالاتجاه المعاكس للمرة السابقة تصبح وصلة الديود عازلة للتيار الكهربي، فبتوصيل الالكترود على الطرف N مع القطب الموجب للبطارية وتوصيل الكترود المادة P بالطرف السالب للبطارية كما في الشكل ادناه فإن منطقة الاستنزاف تتزداد وذلك لانجذاب الالكترونات ناحية الطرف الموجب للبطارية والفجوات تجاه الطرف السالب للبطارية وينعدم مرور التيار نتيجة لحركة الالكترونات والفجوات في اتجاهين متعاكسينن يزيد من منطقة الاستنزاف

لا يوجد مكان لا يستخدم مصابيح الاضاءة الفلوريسنت المعروفة باسم ضوء النيون. فهي تستخدم في المنازل وفي المكاتب وفي تزيين المحلات التجارية والأعلانات التجارية. ماذا يحدث داخل انبوبة الفلوريسنت؟ وما هي فكرة عمله لاصدار الضوء الابيض الساطع؟ في هذه الاجزء سنحاول شرح فكرة عمل هذا النوع من المصابيح الذي يصدر ضوء أبيض ساطع وبكفاءة أعلى من المصابيح الكهربية العادية.



ما هو الضوء
لفهم فكرة عمل مصابيح الفلوريسنت سوف نعطي فكرة مبسطة عن الضوء اولاً. فما هو الضوء؟ الضوء هو عبارة شكل من اشكال الطاقة وهذه الطاقة هي التي تنطلق من الذرة. تنطلق الطاقة من الذرة على شكل جسيمات تسمى الفوتونات الضوئيو Light Photons وهي ابسط مكونات الضوء وليس لها كتلة ولكن لها طاقة وكمية حركة.

انبعاث الفوتونات الضوئية من الذرة
نعلم أن الذرة لها مستويات طاقة محددة تسمى مدارات تتوزع فيها الالكترونات بطريقة معينة. عندما تكتسب هذه الالكترونات طاقة فإنها تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى وعندها تصبح الذرة في حالة اثارة Excited atom، تزداد درجة اثارة الذرة كلما انتقلت الالكترونات إلى مدارات ذات طاقات اعلى وهكذا.


كيف يصدر الضوء
نستخلص من ذلك أن الذرة عندما تكتسب طاقة أو تفقدها فإن التغير يحدث على اتتقال للالكترونات على مدارات الطاقة للذرة. فالطاقة الحرارية أو التصادمات بين الذرات مع بعضها البعض تكسب الالكترةونات الطاقة الكافية لتنتقل إلى مدارات اعلى. إن وجود الذرة في حالة الاثارة تعتبر حالة غير مستقرة وما تلبث أن تعود الالكترونات المثارة من المدارات ذات الطاقة العالية إلى مداراتها الأصلية وهنا تطلق الالكترونات اثناء رجوعها كمية من الطاقة على شكل فوتون ضوئي.





تختلف طاقة الفوتون المنبعث من ذرة إلى أخرى وذلك لان طاقة الفوتون تساوي الفرق بين طاقة المدرات التي ينتقل بينها الألكترون. وهذا يؤدي إلى أن ذرات مختلفة تطلق فوتونات مختلفة وهذا ينعكس على لون الضوء المنبعث لان هنالك علاقة تربط بين طاقة الفوتون وطوله الموجي وهي

hc/l = E2-E1

حيث ان h هو ثابت فيزيائي يدعى ثابت بلانك، و c هي سرعة الضوء في الفراغ، و l الطول الموجي للفوتون المنبعث، أما المقدار E2-E1 فهو فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل الالكترون بينهما.

كل مصادر الضوء تعمل بنفس الفكرة السابقة ولكن باختلاف طريقة اثارة الذرة فإحياناً تكون الطاقة حرارية مثل المصابيح العادية او مصابيح الغاز، او أن تكون الاثارة ناتجة عن التفاعلات الكيميائية مثل الاصابع المضيئة، او ان تكون الاثارة من خلال التصادمات بين الذرات كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي سنوضحها في الجزء القادم.


داخل انبوبة الفلوريسنت
العنصر الأساسي في انبوبة الفلوريسنت هي الانبوبة الزجاجية المفرغة من الهواء. هذه الانبوبة تحتوي على القليل من جزيئات الزئبق Hg وغاز خامل هو الأرجون Ar عند ضغط منخفض. كذلك تغطي سطح الانبوبة الداخلي طبقة من مادة فوسفورية. يوجد على طرفي الانبوبة الكترود للتوصيل الكهربي وفي داخل الأنبوبة يتصل الالكترود بفتيلة حرارية تطلق الالكترونات عندما تسخن بمرور التيار الكهربي بها.

الاتصال بين الاجهزة المختلفة بدون اسلاك






تكنولوجيا الاتصال (بلوتوث) اللاسلكية هي مواصفات عالمية لربط كافة الاجهزة المحمولة مع بعضها البعض مثل الكمبيوتر والهاتف النقال والكمبيوتر الجيبي والاجهزة السمعية والكاميرات الرقمية. بحيث تتمكن هذه الاجهزة من تبادل البيانات ونقل الملفات بينها وبنها وبين شبكة الانترنت لاسلكياً. تم تطوير تكنولوجيا الاتصال اللاسلكي البلوتوث بواسطة مجموعة من المهتمين يطلق عليهم اسم Blutooth Special Interest Group GIS






هناك الكثير من الطرق التي من خلالها يمكن ربط الاجهزة الالكترونية مع بعضها البعض مثل توصيل الكمبيوتر بلوحة المفاتيح او بالماوس أو بالطابعة أو بالماسحة الضوئية وذلك من خلال اسلاك التوصيل المؤلوفة. كما يمكن توصيل المفكرة الشخصية الالكترونية بجهاز الحاسوب لتبادل المعلومات من خلال اسلاك خاصة. كما ان جهاز التلفزيون وجهاز الفيديو وجهاز استقبال المحطات الفضائية كلها تتصل مع بعضها من خلال كوابل خاصة ويتم التحكم بها من خلال اجهزة الرموت كنترول التي تعمل في مدى الاشعة تحت الحمراء. اما جهاز التلفون المتنقل يتصل بالقاعدته من خلال امواج الراديو تعمل على مسافة محدودة (50 متر). وجهاز الستيريو يتصل بالسماعات من خلال اسلاك توصيل.

الاجهزة السابقة الذكر وغيرها الكثير تتواجد في كل بيت ويطلق عليها اجهزة الكترونية. وحتى هذا اليوم تترابط هذه الاجهزة من خلال اسلاك توصيل. إن توصيل هذه الاجهزة في اغلب الاحيان مزعج من الناحية الجمالية ومربك من الناحية العملية. وقد يشعر المرء أنه عليه دراسة تخصص الهندسة الالكترونية ليتمكن بنسه من ضبط هذه الاجهزة والاستفادة القصوى منها.

في هذا الموضوع من تفسيرات فيزيائية سوف نقدم شرح مبسط لتكنولوجيا جديدة تعرف باسم البلوتوث التي ستخلصنا من كل هذه المتاعب بالاضافة إلى توصيل اجهزة عديدة مع بعضها البعض لم تكن تخطر على بالنا ان ذلك سيصبح ممكنا في يوم من الايام.
توضيح مشكلة التوصيل بين الاجهزة
ان توصيل جهازين الكترونين مع بعضهما البعض يحتاج إلى توافق في العديد من النقاط، من هذه النقاط نذكر
(1) كم عدد الاسلاك اللازمة لتوصيل جهازين؟ ففي بعض الاحيان يكون سلكين فقط مثل توصيل الستيريو بالسماعات وفي احيان اخرى يتطلب الامر 8 اسلاك أو 25 سلك كالوصلات المستخدمة في الكمبيوتر واجهزته الطرفية.
(2) ما نوع التوصيل المستخدم بين الأجهزة لتبادل المعلومات؟ هل هو على التوالي أم على التوازي؟ فمثلا الكمبيوتر يستخدم الطريقتين للتوصيل من خلال المخارج المثبتة في لوحة الأم فتصل الطابعة مع الكمبيوتر على التوازي أما لوحة المفاتيح والمودم فيتصلا مع الكمبيوتر على التوالي.
(3) ما نوع البيانات المتبادلة بين الأجهزة؟ وكيف تترجم إلى اشارات خاصة تستجيب لها الاجهزة؟ هذا ما يعرف باسم البروتوكول Protocol. وهذا البروتوكولات يتم استخدامها من قبل جميع الشركات المصنعة فمثلاً يمكن توصيل جهاز فيديو من نوع Sony مع جهاز تلفزيون من نوع JVC. وذلك لان البروتوكولات المستخدمة لتبادل المعلومات موحدة مسبقاً.

هذه النقاط التي استخدمها المنتجون (الشركات المصنعة للاجهزة الالكترونية) جعلت من الصعب التحكم في كمية الوصلات المستخدمة حتى ولو تم استخدام اسلاك ملونة للتميز بينها كما أنه لا يمكن ربط كافة الاجهزة الالكترونية مع بعضها البعض مثل الكمبيوتر وملحقاته واجهزة الاتصالات واجهزة الترفيه المنزلية بعضها البعض لان ذلك يتطلب اعداد بروتوكولات جديدة واضافة المزيد من الاسلاك.





فكرة التوصيل اللاسلكي (البلوتوث Bluetooth)
البلوتوث هي تكنولوجيا جديدة متطورة تمكن من توصيل الاجهزة الالكترونية مثل الكمبيوتر والتلفون المحمول ولوحة المفاتيح وسماعات الرأس من تبادل البيانات والمعلومات من غير اسلاك أو كوابل أو تدخل من المستخدم.

وقد انضمت أكثر من 1000 شركة عالمية لمجموعة الاهتمام الخاص بالبلوتوث Bluetooth Special Interest Group وهي ما تعرف اختصارا بـ SIG وذلك لتحل هذه التكنولوجيا محل التوصيل بالاسلاك



ما الفرق بين البلوتوث والاتصال اللاسلكي
لاشك أن الاتصال اللاسلكي مستخدم في العديد من التطبيقات مثل التوصيل من خلال استخدام اشعة الضوء في المدى الاشعة تحت الحمراء وهي اشعة ضوئية لا ترى بالعين وتعرف باسم تحت الحمراء لان لها تردد اصغر من تردد الضوء الأحمر (ارجع إلى الاشعة الكهرومغناطيسة للمزيد من المعلومات).
تستخدم الاشعة تحت الحمراء في اجهزة التحكم في التلفزيون (الرموت كنترول) وتعرف باسم Infrared Data Association وتختصر بـ IrDA كما انها تستخدم في العديد من الاجهزة الطرفية للكمبيوتر. بالرغم من ان الاجهزة المعتمدة على الاشعة تحت الحمراء إلا أن لها مشكلتين هما:
المشكلة الأولى: أن التكنولوجيا المستخدمة فيها الاشعة تحت الحمراء تعمل في مدى الرؤية فقط line of sight أي يجب توجيه الرموت كنترول إلى التلفزيون مباشرة للتحكم به.
المشكلة الثانية: أن التكنولوجيا المستخدمة فيها الاشعة تحت الحمراء هي تكنولوجيا واحد إلى واحد one to one أي يمكن تبادل المعلومات بين جهازين فقط فمثلا يمكن تبادل المعلومات بين الكمبيوتر وجهاز الكمبيوتر المحمول بواسطة الاشعة تحت الحمراء أما تبادل المعلومات بين الكمبيوتر وجهاز الهاتف المحمول فلا يمكن.

تكنولوجيا البلوتوث جاءت للتغلب على المشكلتين سابقتي الذكر حيث قامت شركات عديدة مثل Siemens و Intel و Toshiba, Motorola و Ericsson بتطوير مواصفات خاصة مثبته في لوحة صغيرة radio module تثبت في اجهزة الكمبيوتر والتلفونات واجهزة التسلية الالكترونية لتصبح هذه الاجهزة تدعم تكنولوجيا البلوتوث والتي سيصبح الاستفادة من ميزاتها على النحو التالي:

اجهزة بدون اسلاك: وهذا يجعل نقل الاجهزة وترتيبها في السفر او في البيت سهلا وبدون متاعب.

غير مكلفة بالمقارنة بالاجهزة الحالية.

سهلة التشغيل: تستطيع الاجهزة من التواصل ببعضها البعض بدون تدخل المستخدم وكل ما عليك هو الضغط على زر التشغيل واترك الباقي للبلوتوث ليتحوار مع الجهاز المعني بالامر من خلال الموديول مثل تبادل الملفات بكافة انواعها بين الاجهزة الالكترونية.


تعمل وسيلة اتصال البلوتوث عند تردد 2.45 جيجاهيرتز وهذا التردد يتفق مع الاجهزة الطبية والاجهزة العلمية والصناعية مما يجعل انتشار استخدامه سهل. فمثلا يمكن فتح باب الكارج من خلال اشعة تحت الحمراء يصدرها جهاز خاص لذلك ولكن باستخدام البلوتوث يمكن فتح الكراج باستخدام جهاز الهاتف النقال.



ماذا عن التشويش الذي قد يحدث نتيجة للتداخلات بين الاشارات المتبادلة
من المحتمل أن يتسائل القارئ إذا كانت الاجهزة سوف تبادل المعلومات والبيانات باشارات راديو تعمل عند تردد 2.45 جيجاهيرتز. فماذا عن التداخلات التي قد تسبب في التشويش الذي قد نلاحظه على شاشة التلفزيون عندما تتداخل مع اشارات لاسلكية!!
مشكلة التداخل تم حلها بطريقة ذكية حيث أن اشارة البلوتوث ضعيفة وتبلغ 1 ميليوات إذا ما قورنت باشارات اجهاز الهاتف النقال التي تصل إلى 3 وات. هذا الضعف في الإشارة يجعل مدى تأثير اشارات البلوتوث في حدود دائرة قطرها 10 متر ويمكن لهذه الاشارات من اختراق جدراان الغرف مما يجعل التحكم في الأجهزة يتم من غرفة لاخرى دون الحاجة للانتقال مباشرة للأجهزة المراد تشغيلها.


عند تواجد العديد من الاجهزة الالكترونية في الغرفة يمكن أن يحدث تداخل لاننا ذكرنا أن مدى تأثير البلوتوث في حدود 10 متر وهو اكبر من مساحة الغرفة ولكن هذا الاحتمال غير وارد لان هناك مسح متواصل لمدى ترددات اشارة البلوتوث، وهذا مايعرف باسم spread-spectrum frequency hopping حيث أن المدى المخصص لترددات البلوتوث هي بين 2.40 إلى 2.48 جيجاهيرتز ويتم هذا المسح بمعدل 1600 مرة في الثانية الواحدة. وهذا ما يجعل الجهاز المرسل يستخدم تردد معين مثل 2.41 جيجاهيرتز لتبادل المعلومات مع جهاز أخر في حين أن جهازين في نفس الغرفة يستخدموا تردد آخر مثل 2.44 جيجاهيرتز ويتم اختيار هذه الترددات تلقائيا وبطريقة عشوائية مما يمنع حدوث تداخلات بين الاجهزة، لانه لا يوجد اكثر من جهازين يستخدما نفس التردد في نفس الوقت. وان حدث ذلك فإنه يكون لجزء من الثانية.



بيتك يدعم (البلوتوث Bluetooth)
لنفترض انك حصلت على بيت عصري اجهزته تعمل بتكنولوجيا البلوتوث مثل جهاز تلفزيون ورسيفر وجهاز DVD واجهزة ستيريو سمعية وكمبيوتر وهاتف نقال. كل جهاز مما سبق يستخدم البلوتوث. كيف ستعمل هذه الاجهزة؟

عندما تكون الاجهزة مزودة بتكنولوجيا البلوتوث فإن هذه الاجهزة تتمكن من معرفة المطلوب منها دون تدخل من المستخدم حيث يمكنها الاتصال فيما بينها فتعرف فيما اذا كان مطلوب منها نقل بيانات مثل بيانات البريد الالكتروني من جهاز الهاتف المحمول إلى الكمبيوتر أو التحكم بأجهزة أخرى مثل تحكم جهاز الستيريو بالسماعات. حيث تنشئ شبكة تواصل صغيرة بين الأجهزة وتوابعها تعرف باسم الشبكة الشخصية personal-area network وتختصر PAN أو باسم البيكونت piconet تستخدم كل شبكة احد الترددات المتوفرة في المدى من إلى 2.48 جيجاهيرتز.


لنأخذ على سبيل المثال جهاز الهاتف النقال وقاعدته فالشركة المصنعة قد وضعت شريحتي بلوتوث في كل منهما، وتم برمجة كل وحدة بعنوان address محدد يقع في المدى المخصص لهذا النوع من الاجهزة. فعند تشغيل القاعدة فإنها ترسل اشارة راديو لاجهزة الاستقبال التي تحمل نفس العنوان وحيث أن الهاتف النقال يحمل نفس العنوان المطلوب فإنه يستجيب للاشارة المرسلة ويتم انشاء شبكة (بيكونت) بينهما. وعندها لا يستجيب هذين الجهازين لأية اشارات من أجهزة مجاورة لانها تعتبر من خارج تلك الشبكة.

كذلك الحال مع الكمبيوتر واجهزة الترفيه الالكترونية تعمل بنفس الالية حيث تنشئ شبكات تربط الاجهزة بعضها ببعض طبقا للعناوين التي صممت من قبل الشركات المصنعة. وعندها تتواصل هذه الاجهزة التي تصبح ضمن الشبكة الخاصة وتتبادل المعلومات بينها باستخدام الترددات المتاحة. ولا تتدخل اجهزة شبكة بأجهزة شبكة مجاورة لان كل منها يعمل بتردد مختلف.
وقد تمت برمجة هذه شرائح البلوتوث بكل المعلومات اللازمة لتشغيلها وعمل المطلوب منها دون تدخل من المستخدم.
لماذا سميت هذه التكنولوجيا باسم بلوتوث؟

تعود التسمية إلى ملك الدينمارك هارولد بلوتوث Harald Bluetooth الذي وحد الدنمارك والنورويج وادخلهم في الديانة المسيحية توفى في 986 في معركة مع ابنه. واختير هذا الاسم لهذه التكنولوجيا للدلالة على مدى اهمية شركات في الدينمارك والنورويج والسويد وفنلند إلى صناعة الاتصالات، بالرغم من أن التسمية لا علاقة لها بمضمون التكنولوجيا...

Harald Bluetooth was king of Denmark around the turn of the last millennium. He managed to unite Denmark and part of Norway into a single kingdom then introduced Christianity into Denmark. He left a large monument, the Jelling rune stone, in memory of his parents. He was killed in 986 during a battle with his son, Svend Forkbeard. Choosing this name for the standard indicates how important companies from the Baltic region (nations including Denmark, Sweden, Norway and Finland) are to the communications industry, even if it says little about the way the technology works.