امواج رادیویی

اختراع و تاریخچه
اینکه چه کسی مخترع اصلی رادیو است، که در آن زمان تلگراف بی سیم نامیده می‌شد، مورد اختلاف است. ادعاهایی وجود دارد که ناتان ستابلفیلد رادیو را پیش از تسلا و مارکونی ساخت، اما به نظر می‌رسد که دستگاه وی به جای ارسال رادیویی با ارسال القایی کار می‌کرده است. انسان بیش از ۱۰۰ سال است که با امواج الکترومغناطیسی آشناست و امروز از آنها به طور وسیعی در زندگی خود استفاده می‌کند و این امواج در یک میدان مغناطیسی و یک میدان الکتریکی عمود بر هم بوجود آمده‌اند. ویژگی بارزشان که آنها را متمایز ساخته این است که برای سیر نیاز به محیط‌ هادی ندارد و در خلا به راحتی حرکت می‌کنند. امواج رادیویی نیز دسته‌ای از این فیزیک امواج هستند.

گوگلیلمو مارکونی (به ایتالیایی: ‎Guglielmo Marconi‏)[۱] (۲۵ آوریل ۱۸۷۴ – ۲۰ ژوئیه ۱۹۳۷) مهندس برق ایتالیایی و دریافت‌کننده جایزه نوبل بود که سیستم بی‌سیم تلگرافی یا همان رادیو را اختراع کرد. مارکونی رئیس فرهنگستان ایتالیا[۱] و عضو شورای عالی فاشیستی ایتالیا بود.
تأسیس کمپانی مارکونی
یکی از دستگاههای فرستنده رادیویی مارکونی او با موفقیت تمام سیستم مخابره بی سیم خود را در لندن بین ایستگاه مخابراتی سالیزبوری[۶] و بریستول[۷] در معرض نمایش گذاشت و در ژولای ۱۸۹۷ کمپانی تلگراف بی سیم و سیگنال[۸] & [۹] را با مسوولیت محدود تأسیس کرد. این شرکت در سال ۱۹۰۰ به کمپانی تلگراف بی سیم مارکونی تغییر نام داد. در همان سال سیستم بی سیم خود را در حضور مقامات دولتی ایتالیا در اسپتزیا[۱۰] به معرض نمایش گذاشت. این نمایش در ایتالیا در فاصله ۱۲ مایلی انجام شد که رکوردی چشمگیر تا آن زمان بود.

در سال ۱۸۹۹ ارتباط تلگراف بی سیم میان دو کشور فرانسه و انگلیس برقرار شد. او ایستگاههای بی سیم ثابتی را در نیدلز[۱۱] ، ایسل آو ویت[۱۲] ، بورن موث[۱۳] و پس از آن در هاون هتل[۱۴] ، پول[۱۵] و دورست[۱۶] ایجاد کرد. وی همچنین در سال ۱۹۰۰ شماره مشهور ۷۷۷۷ را برای امتیاز مخابرات بی سیم هم فرکانس را به نام خود ثبت کرد.
[ویرایش] یک فرضیه با اثبات تجربی
در دسامبر سال ۱۹۰۱ او توانست فرضیه امواج رادیویی که تحت تأثیر چرخش زمین و در مدار آن قرار نمی‌گرفتند را اثبات کند. او با بیان این فرضیه اقدام به مخابره کردن اولین سیگنالهای امواج رادیویی در اقیانوس اطلس میان پولدهو[۱۷] ، کورن وال[۱۸] و سنت جونز[۱۹] ، نیوفوندلند به فاصله ۲۱۰۰ مایلی مخابره کرد.
سالهای ۱۹۰۲ تا ۱۹۱۲ او اختراعات دیگری را به ثبت رساند. در ۱۹۰۲ در طول سفر دریایی خود به فیلادلفیای امریکا تأثیرات روشنایی روز و ارتباط مستقیم آن با ارتباطات و امواج بی سیم را کشف کرد و در همان سال امتیاز ردیاب مغناطیسی خود را که پس از آن تبدیل به گیرنده استاندارد امواج رادیویی شد ثبت نمود. این گیرنده برای سالهای طولانی یک الگوی استاندارد و جامع بود.
[ویرایش] مخابره اولین پیام تلگرافی و امواج کوتاه
مارکونی به همراه همسر دوم و فرزندشان در دسامبر ۱۹۰۲ او اولین پیغام کامل تلگرافی را از ایستگاه‌هایی در گلاس بی[۲۰] ، نووا اسکوشیا[۲۱] و پس از آن کیپ کود[۲۲] و ماساچوست به پولدهو[۲۳] مخابره شد. این آزمایشات در سال ۱۹۰۷ در آیین گشایش نخستین سرویس بازرگانی آن سوی اقیانوس اطلس بین گالاس بی و کلیفدن[۲۴] ایرلند به اوج خود رسید.
این ماجرا پس از آن بود که نخستین سرویس همگانی تلگراف بی سیم در فاصله‌ای کوتاهتر میان باری در ایتالیا و آویداری در مونته‌نگرو برقرار شد.
مارکونی در سال ۱۹۰۵ امتیاز آنتن هوایی رادیویی را نیز به نام خود ثبت ک

رد. در سال ۱۹۱۴ به عنوان ستوان ارتش ایتالیا و پس از آن درسال ۱۹۱۶ در سمت ناخدای ناوگان ایتالیایی و سرکرده آنان، در ارتش خدمت کرد.
در سال ۱۹۱۷ او عضو هیئت اعزامی ایتالیا به امریکا بود و در سال ۱۹۱۹ به عنوان نماینده تام‌الاختیار ایتالیا در کنفرانس صلح پاریس شرکت کرد. او نشان افتخار ارتش ایتالیا را به خاطر خدمت صادقانه به ارتش این کشور در سال ۱۹۱۹ دریافت کرده و طی سالهای خدمت در ارتش به پژوهش در مورد امواج کوتاه ادامه داد و اولین آزمایش‌ها پیرامون این امواج را به طور عملی انجام داد، در سال ۱۹۲۳ با همکارانش در انگلیس به آزمایش روی این سری از امواج پرقدرت میان ایستگاه رادیویی پولدهو و قایق تفریحی مارکونی که در آتلانتا و مدیترانه بود پرداخت.

 

پیشنهادات استفاده از این سیستم به معنای امپراتوری باشکوه ارتباطات بود که از سوی دولت انگلستان پذیرفته گشت و بدین ترتیب اولین ایستگاه ارتباطی میان انگلیس و کانادا در سال ۱۹۲۶ شکل گرفت و ایستگاههای بعدی متعاقباً در سالهای بعد اضافه شدند.
[ویرایش] کشف امواج کوتاه
در سال ۱۹۳۱ مارکونی پژوهشهای گسترده خود را درباره انتشار گسترده امواج کوتاه از سر گرفت که نتیجه آن در سال ۱۹۳۲ در قالب اولین تلفن بی سیم که از امواج کوتاه الکترومغناطیسی بهره می‌برد ارائه داد که میان واتیکان رم و کستل گاندولفو[۲۵] ، شهری که پاپ تابستانها در آنجا مستقر بود بکار گرفته شد. دو سال بعد در سستری لوانته[۲۶] امواج کوتاه رادیویی که برای هدایت کشتی کشف کرده بود را در برابر نیروی دریایی به معرض نمایش گذاشت. او پس از این اختراعات، مدرک دکترای افتخاری دانشگاههای بسیاری را در سراسر اروپا کسب کرد و در مجامع جهانی جوائز و افتخارات زیادی را به نام خود ثبت نمود که از میان آنها می‌توان به جایزه نوبل با مشارکت فردیناند برون در فیزیک در سال ۱۹۰۹، نشان آلبرت از جامعه سلطنتی هنری[۲۷] ، نشان جان فریتز[۲۸] ، نشان کلوین[۲۹] و … اشاره کرد.
او همچنین از طرف تزار روسیه نیز مفتخر به کسب عنوان شد و حتی از سوی سنت آن[۳۰] ، پادشاه ایتالیا به لقب فرمانده ارشد نایل آمد. بسیاری دیگر نیز در همان زمان به استعداد و نبوغ او واقف بودند. در ۱۹۱۴ او در مجلس سنای ایتالیا به مقام سناتوری رسید و در انگلستان به عنوان یک نجیب زاده در رویال ویکتورین[۳۱] به شهرت رسید و پس از آن در سال ۱۹۲۹ به عنوان موروثی مارچس[۳۲] دست پیدا کرد.

 

پایه‌های تئوری انتشار امواج الکترومغناطیسی برای اولین بار توسط جیمز کارل ماکسول در سال ۱۸۷۳م در مقاله‌ای تحت عنوان یک تئوری دینامیک از میدان الکتریکی که به انجمن رویال ارائه شده بود، بیان شد که نتیجه کار وی در طی سالهای بین ۱۸۶۱م تا ۱۸۶۵م بود. در سال ۱۸۹۳م در سنت لوییس میسوری)) ، نیکلا تسلا اولین نمایش عمومی ارتباطات رادیویی را انجام داد.

او در مقابل مؤسسه فرانکلین در فیلادلفیا و انجمن روشنایی الکتریکی ملی اصول ارتباطات رادیویی را به دقت شرح و توضیح داد. تجهیزاتی که او استفاده کرد تمامی اجزایی را که قبل از ساخته شدن تیوب خلا در سیستمهای رادویی وجود داشت، دارا بودند. او بر خلاف مارکونی و دیگران که از کوهیرر استفاده می‌کردند، برای اولین بار از گیرنده‌های مغناطیسی استفاده کرد .
در سال ۱۸۹۴م سر الیور لوج نشان داد که می‌توان با استفاده از یک آشکار ساز با نام کو

هیرر پیام دادن توسط امواج رادیویی را ممکن ساخت. این آشکار ساز متشکل از تیوبی پر شده با براده‌های آهن بود که توسط تمیستوکل کالزچی ـ اونستی در فرموی ایتالیا در سال ۱۸۸۴م ساخته شده بود. بعدها ادوارد برنلی از فرانسه و الکساندر پوپوف از روسیه نسخه بهبود یافته‌ای از کوهیرر را ابداع کردند. مردم روسیه ادعا می‌کنند پوپوف که سیستم ارتباطاتی عملیای بر پایه کوهیرر ساخت‏، مخترع رادیو بوده است.
فیزیکدانی هندی با نام جاجدیش چاندرا بوس استفاده از امواج رادیویی را به صورت عمومی در تاریخ نوامبر ۱۸۹۴م در کلکته نمایش داد، اما او مایل به ثبت کارش نبود.. در سال ۱۸۹۶م گاگلیلمو مارکونی جایزه آنچه که گاها به عنوان اولین حق ثبت اختراع رادیو در دنیا با شماره (حق ثبت اختراع بریتانیا ۱۲۰۳۹ از آن یاد می‌شود، را دریافت کرد، بهبود در ارسال ضربه‌های الکتریکی و سیگنالها و در نتیجه بهبود دستگاهها.
در سال ۱۸۹۷م در ایالات متحده برخی پیشرفتهای کلیدی در رادیو توسط نیکولا تسلا بوجود آمد و به نام او ثبت شد. در سال ۱۹۰۴م دفتر ثبت اختراع ایالات متحده احتمالا به دلیل پشتیبانهای مالی مارکونی که شامل توماس ادیسون و اندریو کارنجی می‌شد، تصمیم گرفت که حق ثبت اختراع رادیو را به مارکونی اعطا کند. برخی اعتقاد دارند که دولت ایالات متحده بدین دلیل حق ثبت اختراع را به تسلا نداد که از مجبور شدن به پرداخت حق امتیازی که نیکولا تسلا برای استفاده دولت از حق ثبت اختراعش مطالبه می‌کرد خودداری کند.

در سال ۱۹۰۹م مارکونی به همراه کارل فردیناند براون جایزه نوبل فیزیک را برای تلاشهایی برای ساخت تلگراف بیسیمدریافت کردند. به هرحال کمی بعد از مرگ تسلا در سال ۱۹۴۳م اختراع تسلا (شماره ۶۴۵۵۷۶) توسط دادگاه عالی ایالات متحده به وضع اول بازگشت. این تصمیم بر این اساس گرفته شده بود که تسلا کارهایی را پیش از حق ثبت مارکونی انجام داده بود. برخی معتقدند که این کار احتمالا به دلایل مالی انجام شده است تا دولت بتواند از پرداخت خساراتی که شرکت مارکونی ادعا می کرد که به دلیل استفاده اختراعش در جریان جنگ اول باید دریافت کند، سر باز زند. برخی حدس می‌زنند که دولت در ابتدا حق ثبت اختراع را به ماکونی داد تا هر گونه ادعای تسلا را برای جبران خساراتش بی اعتبار کند.
مارکونی اولین کارخانه بی سیم را در جهان در خیابان هال ، در چلمسفورد انگلستان در سال

۱۸۹۸م افتتاح کرد و حدود ۵۰ نفر را نیز استخدام کرد. در حوالی ۱۹۰۰م تسلا برج واردنکلیف را افتتاح کرد و شروع به تبلیغ خدمات آن کرد. در سال ۱۹۰۳ ساختمان برج تقریبا کامل شد. نظرات مختلفی وجود دارد که چگونه تسلا قصد داشت به اهداف این سیستم (آنگونه که بیان شده یک سیستم ۲۰۰ کیلو واتی) بی سیم دست یابد. تسلا ادعا کرد که واردنکلیف به عنوان بخشی از سیستم انتقال جهانی ، قابلیت دریافت و ارسال مطمئن چند کاناله اطلاعات ، جهتیابی جهانی ، هماهنگی زمان و یک سیستم جهانی موقعیت را دارا خواهد بود.
اختراع بزرگ بعدی آشکار ساز تیوب خلا بود که توسط تیمی از مهندسین وستینگهاوس ساخته شد. در شب کریسمس سال ۱۹۰۶م ، ریجینالد فسندن (با استفاده از مدار بازز) اولین ارسال صوتی رادیویی را از برنت راک ، ماساچوست انجام داد. کشتیهای روی دریا امواج ارسال شده‌ای را شنیدند که شامل صدای فسندن در حال نواختن آواز اوه شب مقدس با ویلون و خواندن متنی از انجیل بود. اولین برنامه خبری رادیویی توسط ایستگاه ۸MK در میشیگان در ۳۱ آگوست ۱۹۲۰م ارسال شد. اولین پخش بی سیم منظم برنامه‌های سرگرمی جهان در سال ۱۹۲۲م از مرکز تحقیقاتی مارکونی در ریتل نزدیک چلمسفورد ، انگلستان شروع شد که مکان اولین کارخانه بی سیم نیز بود.
رادیوهای اولیه تمامی توان فرستنده را از طریق یک میکروفن کربنی ارسال می کردند. درحالی که برخی از رادیوها از نوعی تقویت جریان الکتریکی یا باتری استفاده می‌کردند، از اواسط دهه ۱۹۲۰م اکثر انواع گیرنده‌ها دستگاههای کریستالی بودند. در دهه ۱۹۲۰م تیوبهای خلا تقویت کننده منجر به انقلابی در گیرنده‌های رادیویی و فرستنده‌های رادیویی شد. بین سالهای ۱۸۸۶م و ۱۸۸۸م ، هاینریش رودلف هرتز برای اولین بار تئوری ماکسول را از طریق آزمایشاتش تأیید کرد. آزمایشات وی نشان می‌دادند که تشعشعات رادیویی تمامی خواص امواج (که امروزه امواج هرتز خوانده می‌شوند) را دارا هستند، و کشف کرد که معادلات الکترومغناطیس را می‌توان به صورت معادلات مشتقات جزئی بازنویسی کرد که معادلات موج نامیده شد.
ماهیت امواج رادیویی
هر اتم از الکترون و نوترون تشکیل شده است. نوترون و پروتون در مرکز قرار گرفته‌اند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند و الکترونها اطراف هسته می‌چرخند. هسته بعضی از اتم‌ها به دلیل پروتونهای آنها خنثی می‌شود. دارای حرکت وضعی هستند. یعنی به دور محور خود می‌چرخند. این نوع حرکت را حرکت اسپنی می‌گویند، که ویژگیهای طبیعی هسته‌ها است. همچنین هسته به دلیل وجود پروتون دارای بار مثبت هست و از هر ذره بارداری که حرکت داشته باشد‌، فیزیک امواج

الکترومغناطیس تابش می‌شود.
بطور کلی فیزیک امواج ، از جمله فیزیک امواج الکترومغناطیسی دارای فرکانس هستند. در اینجا فرکانس به معنی تعداد نوسانهای میدان الکتریکی یا 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 فاصله‌ای تا نقطه‌ای از موج از مرکز تعادل می‌گیرد افزایش می‌یابد، که این پدیده را تشدید می‌گویند. امواج رادیو نوعی از تشعشعات الکترومغناطیسی هستند و هنگامی بوجود میآیند که یک شی باردار شده با فرکانسی که در بخش فرکانس رادیویی (RF) طیف الکترومغناطیسی قرار دارد شتاب بگیرد. این محدوده فرکانس از ده ها هرتز تا چند گیگا هرتز تغی

یر میکند. تشعشعات الکترومغناطیسی توسط نوسانات میدانهای الکتریکی و مغناطیسی انتشار مییابند و از طریق هوا و نیز خلا به همان خوبی عبور میکنند و نیازی به واسطه انتقال ندارند. در مقابل، دیگر انواع تشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس هایی بالای محدوده RF به این شرح اند: اشعه گاما، اشعه X و مادون قرمز، ماوراء بنفش و نور مرئی.
وقتی که امواج رادیویی از یک سیم عبور می‌کنند، میدان الکتریکی و مغناطیسی متغیر آنها (بر حسب شکل سیم) جریان و ولتاژی متناوب در سیم القا می‌کنند. این جریان و ولتاژ را میتوان به سیگنالهای صوتی و دیگر انواع سیگنال تبدیل کرد که اطلاعات را انتقال دهند. با وجودی که واژه رادیو برای توصیف این پدیده به کار میرود، ارسال داده‌هایی که ما به عنوان تلویزیون ، رادیو ، رادار و تلفن می‌شناسیم، همگی در کلاس انتشار فرکانس رادیویی هستند.

نحوه برخورد امواج رادیویی با بافتها
در بیشتر اجسام مانند بافت نرم هسته‌ها دارای راستای دوقطبی تصادفی هستند‌، در نتیجه برآیند کلی موجها به دلیل اینکه همدیگر را خنثی می‌کنند صفر است. ولی اگر میدان مغناطیسی در اطراف نمونه ایجاد کنیم، بخشی از اتمهای H که انرژی کمتری دارند در راستای میدان و عده‌ای دیگر که انرژی بیشتر دارند‌، در خلاف راستای میدان قرار می‌گیرند. در اثر ایجاد این میدان H یا هر هسته فعال تشدید مغناطیسی دارای حرکت انتقالی نیز می‌شود و در راستای یک دایره با زاویه نسبت به خط عمود چرخش می‌کند. بسامد این حرکت برای اتمها متفاوت است و به نوع هسته و بزرگی میدان بستگی دارد.
هرچقدر میدان مغناطیسی قویتر باشد، بسامد چرخش انتقالی افزایش می‌یابد. بسامد چرخش هسته دارای حرکت اسپینی را حول میدان بزرگتر ، بسامد لارمور می‌گویند. با محاسبه فرکانس لارمو ، می‌توان نسبتی به نام نسبت ژیرومغناطیسی را محاسبه کرد. که آنرا با «γ» نشان

می‌دهند. هر هسته دارای نسبت ژیرومغناطیسی ویژه خود است و با کمک آن می‌توان نوع هسته را تعیین کرد. این نسبت برای اتم H وقتی در میدان مغناطیسی یک تسلا قرار می‌گیرد. برابر ۴۲٫۵۷ است.

امواج RF در امواج رادیویی
با ایجاد یک میدان مغناطیسی رادیو فرکانسی (امواج RF در گستره فیزیک امواج الکترومغناطیسی است) قوی تمام هسته‌ها را در راستای آن قرار دهیم. در RF برای ایجاد تصویر مطلوب باید به گونه‌ای باشد که زاویه انحراف راستای حرکت از حالت و پایه برابر ۹۰ درجه شود. اگر فرکانس میدان با فرکانس لارمور هسته یکی باشد پدیده تشدید رخ می‌دهد. این حالت را برانگیختگی هسته می‌گویند. وقتی که میدان قطع می شود پروتونها که انرژی دریافت کرده به تراز انرژی بالاتر رفته بوده ، انرژی خود را به صورت فیزیک امواج RF و به مقدار ناچیزی هم به صورت گرما از دست می‌دهند.
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 می‌فرستد به هسته و ترکیبات شیمیایی مواد اطراف مربوط می‌شود. این پدیده از دست دادن انرژی و بازگشت به حالت پایه را آسایش و زمان لازم برای رسیدن به حالت پایه را زمان آسایش می‌گویند. پدیده آسایش یا از دست دادن انرژی به صورت فیزیک امواج RF به دو صورت روی می‌دهد. یا موج روی بافت اثر می‌گذارد، که به آن آسایش اس

پین شبکه یا آسایش طولی می‌گویند و با T2 نشان می‌دهند و T1 اسپین خود مولکول یا مولکولهای دیگر اثر می‌گذارد. که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش عرضی می‌گویند و با T2 نشان می‌دهند. و به عبارت دیگر T1 مدت زمانی است که طول می‌کشد تا پروتون به انرژی اولیه‌اش برسد. و T2 مدت زمانی است که طول می کشد تا دامنه موج RF ضعیف شود و از بین برود.