اتصال کوتاه

.

.

در این دورانِ مدرن، سخن راندن از فن آوری های پیشرفته مانند تلفن همراهِ نسل 5 و ماهواره های مخابراتی و تلویزیون سه بُعدی کار ساده ای است. اما اگر به دنیای دور و بر خود طوری نگاه کنیم که گویا نخستین بار است که با این تجهیزات روبرو می شویم و انگار این چیزها را پیش از این ندیده بودیم، ممکن نیست که حیرت زده و متعجب نشویم. کدام فن آوری در پشت همه ی این ابزار زندگی مدرن پنهان است؟ آن فن آوری چگونه به وجود آمد و دوران کودکی و نوجوانی خود را چگونه گذراند؟

من می خواهم در این مقاله داستانی را برای شما تعریف کنم که پیش زمینه ی بسیاری از مهم ترین اختراع های فن آوری در عصر جدید قرار دارد: داستان مخابرات بی سیم.

همچنین، در اینجا تجربه ی خودم را در ارتباط با ساختن یک «فرستنده ی جرقه ایِ ولتاژ بسیار زیاد» و «آشکارسازِ کوهرر» (Coherer) شرح می دهم! اما پیش از آن که سخن ام را در این موردها آغاز کنم، داشتنِ کمی اطلاعات زمینه ای در مورد طرز کار این روش مخابره ی بی سیمِ پیام لازم است. ما در اینجا پا در کفش پیشگامان و نخستین ها در عرصه ی دانش الکتریسیته خواهیم کرد و به دنیای فن آوری بی سیم از زاویه ی کاملاً متفاوتی نگاه خواهیم کرد!

***

سال ها پیش، در روزگاری که نه تلفن همراهی در کار بود و نه واژه ی اینترنت به گوش کسی خورده بود، یک دانشمند بزرگ به نام «مایکل فارادی» هنگام بررسی اثر میدان مغناتیسی بر روی نور قطبیده (اثر فارادی)، حدس و گمان هایی را در مورد «وجود امواج الکترومغناتیسی» مطرح کرد. فارادی گمان می برد که نور هم باید شکلی از انتشارِ اختلالیِ الکترومغناتیسی در فضا باشد. البته، این فکر با شک و تردیدهای فراوانی مواجه شد، و تا پیش از اثبات ریاضیاتی آن توسط ریاضی دان برجسته، جیمز کلارک ماکسوِل، در مقاله ای با نام «نظریه ی دینامیک میدان الکترومغناتیسی» (1865) توسط همه ی صاحب نظران دوران رد شد. ماکسول وجود ان چنان امواج الکترومغناتیسی ای را پیش گویی کرده بود که می توانستند با سرعت نور تا بی نهایت سفر کنند، تا این که روزی به کلّی جذب و محو شوند. او وجود این امواج را به صورت نظری و با استفاده از روش های ریاضی، اما بدون آزمایش و تجربه، اثبات کرد.

در حدود سیزده سال بعد، دیوید ادوارد هیوز (یک نوازنده ی آکاردئون و مخترع) چیز عجیبی را مشاهده کرد: وقتی روی «ترازوی اندوکسیونی» خود کار می کرد، در محلِ یک کنتاکتِ شُل جرقه هایی زده می شدند. هیوز متوجه شد که یک مدار تلفن بسته شده به میکروفن ذغالی در سمت دیگر اتاق، به ترتیبی که برای او ناشناخته بود، این اختلال را دریافت می کند و با هر جرقه صدای کوتاه و ناواضحی از میکروفن آن به گوش می رسد. او مدار تلفن را از اتاق بیرون برد و دید که حتی تا 500 متری نیز صداهای «کلیکی» که سیم پیچ او تولید می کردند، از میکروفن شنیده می شوند! ما می توانیم این موضوع را به عنوان اولین تلفن همراه در تاریخ فرض کنیم! هیوز می نویسد:

..."علاوه بر این، تحقیقات نشان دادند که در هر بار قطع جریان در هر سیم پیچ، این افزاره چنان جریان نیرومندی از خود بیرون می دهد که تمام فضای اتاق (یا حتی چندین اتاق) را دارای یک «بار لحظه ای نامریی» می کند، به طوری که، اگر یک میکروفن در ارتباط با یک تلفن در دسترس و در نزدیکی آن باشد، می تواند با ایجاد صداهایی، حضور جریان نیرومند این بارها را آشکار کند. این موضوع مرا به انجام آزمایش هایی برای یافتن بهترین نوع گیرنده برای این امواج الکتریکی نامریی، که به روشنی تا فاصله های دور نفوذ می کنند و از همه ی موانع مانند دیوارها و غیره رد می شوند، انگیزاند. من به این نتیجه رسیدم که همه ی کنتاکت های میکروفنی و پست های تلفن شدیداً به این امواج حساس هستند..."

به نظر می رسد که اعضای «انجمن سلطنتی» هنگام نمایش این کشف هیوز تصور کردند که این موضوع تنها نتیجه ی «اثر خودالقایی» است. آنها نفهمیدند که هیوز به طور اتفاقی همان «امواج الکترومغناتیسی» را کشف کرده است که ماکسول و فارادی وجود آن را پیش گویی کرده بودند. هیوز هیچ مقاله ای در مورد کشف خود به چاپ نرساند و موضوع به بوته ی فراموشی سپرده شد.

.

.

هاینریش هرتس، فیزیکدان آلمانی، در سال 1880 تلاش کرد تا وجود امواج الکترومغناتیسی ماکسول را اثبات کند. او پس از مشاهده ی جرقه های القا شده در یک جفت «چنبره ی ریس» (Riess Spiral) به این نتیجه رسید که این پدیده می تواند برای آشکارسازی امواج مورد استفاده قرار گیرد.

.

.

او یک «فرستنده با فاصله ی جرقه»، و یک گیرنده (شامل یک حلقه ی سیمی با شکاف کوچکی در آن به عنوان فاصله ی جرقه) تدارک دید. هرتس فکر می کرد که اگر فرستنده ی جرقه ای امواج الکترومغناتیسی ایجاد کند، حلقه ی سیمی که در بالا ذکر شد، آن را دریافت خواهد کرد و او جرقه ی کوچکی را در فاصله ی جرقه ی این حلقه ی سیمی خواهد دید. به علت ریز بودن جرقه ها، هرتس مجبور بود در اتاق تاریک از میان یک ذره بین به این شکاف بنگرد تا بتواند شاهد ظاهر شدن جرقه ای باشد.

.

.

در همین حدود زمانی، دانشمند دیگری به نام «اولیور لاج» (Oliver Lodge) بررسی هایی در ارتباط با جرقه زنی میله های عایق شارژشده با الکتریسیته ی ساکن را انجام می داد. او برای آزمایش های خود در تولید «صاعقه ی مصنوعی» یا همان «جرقه های ولتاژ زیاد» ، از «بطری های لایدن» استفاده می کرد. او دو رشته سیم اضافی را به فاصله ی جرقه وصل کرد (تصویر زیر را ببینید) و بر روی آنها تعدادی فاصله ی جرقه ی دیگر نیز تعبیه کرد. او مشاهده کرد که وقتی بطری های لایدن تخلیه می شوند، جرقه در تمام فاصله ها به طور همزمان پیدا می شوند. او همچنین متوجه شد که جرقه ها در نقاط بخصوصی قوی تر از دیگر نقاط هستند. امروز می توانیم بگوییم که او در یک اتاق تاریک به روشنی شاهد قوس الکتریکی بین سیم ها در فواصل «نیم طول موجی» بوده است. لاج با دیدن این الگوی جرقه زنی، فهمید که امواج الکترومغناتیسی پیش گویی شده توسط ماکسوِل را کشف کرده است.

.

.

هرتس هم جرقه هایی را که آرزوی دیدن شان را داشت، دید. نهایتاً، در نتیجه ی آزمایش ها و تجربیات هرتس و لاج، وجود امواج الکترومغناتیسی ماکسوِل به اثبات رسید.

لاج در پی طراحی وسیله ی بهتری (آشکارساز یا دتکتور) برای آشکار کردن این امواج بود. آشکارسازی که لاج مورد استفاده قرار داد «کوهِرِر» نامیده شد. به عقیده ی من، این وسیله بر مبنای ایده ی هیوز در خصوص «آشکارساز میکروفن ذغالی» ساخته شد. همان طور که در ساختمان میکروفن ذغالی از دانه های ریز کربن در میان دو پایانه ی فلزی استفاده می شد و جابجایی آنها بر اثر فشار صوتی باعث تغییر متناسب در مقاومت اهمی آن می شد، کوهرر نیز از مقداری بُرّاده ی آهن در میان دو الکترود تشکیل شده بود. در حالت عادی مقاومت بین الکترودها بسیار زیاد می بود. اما، با پدیدار شدن جرقه، مقاومت میان دو الکترود افت می کرد.

.

کوهِرِر دست ساز من

من پس از خواندن داستان کشف امواج الکترومغناتیسی، تصمیم گرفتم یک کوهرر برای خودم بسازم. جالب ترین نکته در مورد کوهرر سادگی حیرت انگیز آن است. این که این آشکارساز واقعاً چگونه کار می کند، خیلی رازآمیز به نظر می رسد. ظاهراً امواج الکترومغناتیسی به شکلی سبب آهنربا شدن براده های آهن شده و یکدیگر را جذب می کردند و به هم می چسبیدند. من کوهرر خودم را در داخل یک قطعه لوله ی پلاستیکی با مقداری براده ی آهن در میان دو پیچ به قطر 6 میلی متر درست کردم.

.

.

من در طول ساخت و آزمایش این کوهرر متوجه شدم که برای کارکرد کوهرر مقدار بسیارکمی براده میان دو پیچ لازم است. به عبارت دیگر، کیفیت آشکارسازی کوهرر تا حد زیادی به فاصله ی بین دو پیچ در داخل لوله ی پلاستیکی بستگی دارد. این فاصله را من به این ترتیب پیدا کردم که ابتدا پیچ ها را آرام آرام به طرف هم آنقدر فشار دادم تا مولتی متری که به آنها وصل کرده بودم (در حالت تست پیوستگی) شروع به بوق زدن کرد. سپس، به اندازه ی بسیار کمی پیچ ها را بیرون کشیدم تا صدای مولتی متر قطع شود. ظاهراً این فاصله، مقدار بهینه برای کوهرر است. در این فاصله، مقاومت بین دو پیچ بسیار زیاد، در حد مگااهم، است. هنگامی که کوهرر امواج الکترومغناتیسی را کشف می کند، این مقاومت به 10 تا 20 اهم کاهش پیدا می کند. معمولاً کوهرر پس از آشکارسازی در حالت «کم اهم» باقی می ماند و باید تلنگُری بر آن نواخت تا دوباره به حالت «پُراهم» پیشین بازگردد. حالا مشغول کار روی یک سازوکار خودکار «تلنگرزن» با استفاده از یک سولنویید هستم.

.

فرستنده جرقه ای

برای آزمایش کوهرر دست سازم، من از یک فندک پیزوالکتریک مخصوص روشن کردن شعله ی اجاق گاز (با مشعل بلند) استفاده کردم. جرقه ی الکتریکی که توسط این فندک زده می شد، می توانست کوهرر مرا به کار بیاندازد، اما لازم بود که چندین بار فندک زده شود و در کل نتیجه ی خیلی قابل اطمینانی نداشت. به این دلیل، تصمیم گرفتم تا یک فرستنده ی جرقه ای بسازم. به یک اوراقچی خودرو سر زدم و از یک خودروی کهنه «کویل جرقه»ی آن را باز کردم. می دانیم که «کویل جرقه» یک ترانسفورمر افزاینده است که ولتاژ 12 باتری خودرو را به 20 هزار تا 40 هزار ولت تبدیل می کند. این ولتاژ زیاد بعداً به «شمع جرقه زن» در سیلندر موتور می رود تا با ایجاد جرقه باعث انفجار مخلوط سوخت و هوا در سیلندر شود و انرژی شیمیایی ذخیره شده در ماده ی سوختی را به کار مکانیکی (فشار دادن پیستون به سمت پایین) تبدیل کند.

انواع مختلفی از کویل های جرقه وجود دارد. برای تعیین هویت کویل باید مقدار اهمی مقاومت های اولیه و ثانویه ی آن را اندازه گیری کرد. پیچش اولیه ی کویل باید بسیار کم اهم باشد و در حدود 0/4 تا 2 اهم مقاومت داشته باشد، در حالی که مقدار اهمی پیچش ثانویه باید در بازه ی 6 کیلواهم تا 15 کیلواهم اندازه گیری شود.

.

.

من برای آزمایش کویل یک باتری 9 ولتی را به پیچش اولیه ی آن وصل کردم. همین برای تولید یک جرقه در ثانویه ی آن کافی بود. وقتی با یکی از دوستانم در مورد آزماش های خودم صحبت کردم، اطلاعات اش در مورد برق خودرو را با من در میان گذاشت و گفت که می توان با اضافه کردن یک خازن به دو سر پلاتین خودرو، جرقه زنی کویل را بهبود بخشید. در سامانه ی جرقه زنی خودرو، یک خازن به دو سر پلاتین وصل است. این خازن «نیروی الکتروموتوری برگشتی» (Back EMF) را، که بر اثر پدیده ی خودالقایی در پیچش اولیه ی کویل ایجاد می شود، جذب می کند و جرقه زدن در سمت اولیه ی کویل را کاهش می دهد. این موضوع دو فایده دارد: اول این که  از خال زدن پلاتین تا حدود زیادی جلوگیری کرده و عمر پلاتین را درازتر می کند، و دوم این که باعث زدن جرقه های قوی تر در ثانویه ی کویل می شود. علت آن در فرونشاندن سریع تر میدان مغناتیسی است، زیرا نیروی الکتروموتوری برگشتی بر روی اولیه را توسط خازن جذب می کند و این امر سبب بالا رفتن «نیروی الکتروموتوری القایی» در ثانویه می شود.

پس از این راهنمایی ها بود که من در کشوی میز کارم به جستجوی یک خازن مناسب با ولتاژ کار بالا پرداختم، اما هیچ نیافتم. در همین گیرودار بود که تماشای اتفاقیِ یک مستند جالب با عنوان «داستان الکتریسیته» مرا با آزمایش های یک دانشمند هلندی به نام «پیتر فان موشنبروک» (Pieter van Musschenbroek) آشنا کرد. او روش ذخیره کردن الکتریسیته را کشف کرده بود. تا پیش از کشف او، دانشمندان آن زمان می توانستند با به کار گیری «مولد هاوکسبی» (Hauksbee Generator) الکتریسیته تولید کنند، اما توانایی ذخیره کردن آن را نداشتند.

.

.

در آن روزگار، مردم تصور می کردند که الکتریسیته چیزی شبیه یک شاره (مایع) است. موشنبروک، با این پیش زمینه ی فکری، پیش خودش استدلال کرد که اگر الکتریسیته مانند مایعات است، پس باید بتوان آن را در یک بطری یا پارچ ذخیره کرد، درست مانند کاری که آدم با آب می کند! بنابراین، در سال 1745 میلادی، او یک بطری دهان گشاد را از آب پر کرد و از آن برای ذخیره کردن برق استفاده نمود. او با این کار خود آنچه را که به نام «بطری لایدن» (Leyden / Leiden Jar) خوانده می شود (این نام از اسم شهری به همین نام در هلند گرفته شده است) ساخت. بطری لایدن اولین خازن تاریخ است.

.

.

من هم بطری لایدن خودم را در یک بطری پلاستیکی پر از آب نمک درست کردم. یک میخ را به ضرب چکش در دربطری فروکردم و یک رزورق آلومینیومی را به دیواره ی خارجی بطری چسباندم. این خازن را بین دو سر پلاتین وصل کردم و در کمال تعجب دیدم که این خازن واقعاً جرقه زنی در سمت اولیه را کاهش می دهد و شدت جرقه ها در سمت ثانویه را بیش تر می کند.

.

.

بعد دیگر وقت آن رسیده بود که یک مدار نوسانگر برای ایجاد جرقه های ممتد و پیوسته طراحی کنم. پس از مقداری سعی و خطا و خراب کردن چند آل.سی. زمانگیر 555، بالاخره به مدار زیر رسیدم که عملکرد بسیار خوبی دارد.

.

.

.

با پیچاندن پتانسیومترهای مدار می توانید شکل موج و فرکانس نوسان های خروجی مدار را تنظیم و انتخاب کنید. همراه با این تغییرات، کیفیت جرقه های تولیدی نیز تغییر خواهند کرد.

من همچنین تلاش کردم تا دو عدد کویل جرقه را (در ترکیب «وارو-موازی») به هم وصل کنم تا ولتاژ خروجی بیش تری به دست آورم. بر اساس درازی جرقه در محل فاصله ی جرقه و ولتاژ شکست هوا به عنوان عایق،گمان می برم که ولتاژم در این حالت به 60 هزار ولت نزدیک شده بود. اگر شما هم خواستید این آزمایش را انجام دهید، بسیار دقت و احتیاط کنید و وقتی دست به این کار بزنید که فرد متخصصی همواره در کنار شما و مراقب کار شما باشد. برخلاف تصوری که ممکن است داشته باشید، شوک 60 کیلوولتی الزاماً حادثه ی دلپذیری نیست. این را بنا به تجربیات دردناک خودم می گویم. من بسیار خوش شانس بودم که آسیب جدّی به تندرستی خودم وارد نیاوردم، اما مطمئن هستم که «شانس و اقبال» همیشه همراه انسان نیست. واقعاً می گویم: هنگام کار با «های-ولتاژ» بسیار مراقب و محتاط باشید. عواقب بی احتیاطی در این آزمایش و کارهای مشابه، شدید است. به فاصله ی جرقه و یا به هر آنتنی که به فرستنده ی جرقه وصل شده، خیلی نزدیک نشوید.

در هر صورت، در اینجا ویدیویی از فرستنده ی جرقه ای و کوهرر من را می بینید. نحوه ی عملکرد «فرستنده ی جرقه ای» و «گیرنده با کوهرر» به زیباترین شکل نمایش داده شده است:

.

.

این فرستنده، همان طور که در فیلم هم دیده می شود، با قابلیت اطمینان بالا می تواند کوهرر را از فاصله ی دور تحریک کند. با بازگشت به زمانی که فرستنده های جرقه ای عملاً برای مخابره ی پیام به کار برده می شدند، مردم فهمیده بودند که با افزودن یک خازن ولتاژ بالا به ثانویه ی کویل، می توانند جریان گذرنده از فاصله ی جرقه را بدون هیچ افزایشی در توان ورودی به مدار، بالا ببرند.

برای درست کردن یک «مدار تنظیم» (tune circuit) می توان به پیچش ثانویه ی کویل یک خازن و یک سیم پیچ اضافه کرد. هنگامی که خازن به طور کامل شارژ باشد، انرژی ذخیره شده در خود را درون سیم پیچ تنظیم و فاصله ی جرقه خالی می کند. این امر سبب می شود که خازن و سیم پیچ تنظیم در «فرکانس تشدید» شان تشدید شوند. به این ترتیب از پهنای باند انتشار امواج تولید شده در فاصله ی جرقه کاسته می شود و بُرد فرستنده افزایش پیدا می کند.

.

.

مطالب مرتبط:

http://etesalkootah.ir/1394/07/24/Hi_Voltage_from_Ignition_Coils

http://etesalkootah.ir/1394/11/24/How_did_Discovered_the_Electric_Power_Radiation

http://etesalkootah.ir/1394/11/24/Ruehmkorff_Inductor_Spark_Coil

.

.

منابع:

http://ashishrd.blogspot.de

http://www.aa1car.com

https://en.wikipedia.org

.

.