موج‌بر: تفاوت میان نسخه‌ها

هادی موج ساختاری است که امواجی چون امواج الکترو مغناطیسی و امواج صوتی را هدایت می کند. برای هر نوع موج انواع گوناگونی هادی موج وجود دارد.نوع اصلی و معمول آن یک لولهٔ فلزی توخالی است که به این منظور به کار می رود.هادی‌های موج در شکل هندسی تفاوت دارند که می توانند انرژی را در یک بعد محدود کنند، همچون هادی‌های موج ورقه ای و نیز می توانند در دو بعد انرژی را محدود کنند همچون هادی‌های موج تاری یا شیاری . بعلاوه هادی‌های موج مختلفی برای فرکانس‌های مختلف مورد نیاز است. به عنوان مثال یک فیبر نوری که امواج نوری را هدایت می‌کند، نخواهد توانست ریز موج‌ها را نیز هدایت کند.

طبق یک حساب تخمینی؛ پهنای هادی موج باید در مرتبهٔ اندازهٔ طول موج امواج هدایت شده باشد . در طبیعت نیز ساختارهایی وجود دارد که همانند هادی موج عمل می کنند .برای مثال یک لایه در اقیانوس می تواند آواز نهنگ‌ها را تا فاصله‌های خیلی دور هدایت کند.

موج‌ها در فضاهای باز در تمام جهات به شکل '''موج کروی''' منتشر می شوند و این امواج توان خود را متناسب با مجذور فاصله از دست می دهند. در فاصلهٔ '''R''' از یک منبع توان برابر است با توان منبع تقسیم بر '''<math>\ R^2</math>''' .هادی‌های موج، امواج را محدود می سازند تا در در یک بعد انتشار یابند. با استفاده از هادی‌های موج در شرایط ایده‌آل امواج توان خود را هنگام انتشار از دست نمی‌دهند.

به علت بازتاب کامل ازدیواره‌های هادی موج؛ موج‌ها درون آن به دام می افتند و بنا براین انتشار درون هادی موج تقریباً به شکل زیک زاک بین دیواره‌ها خواهد بود.این توصیف برای موجهای الکتزو مغناطیسی در لوله‌های تو خالی مستطیلی و دایره ای دقیق تر و کامل تر است.

اولین ساختار برای هدایت موج‌ها توسط '''J. J. Thomson''' در سال '''۱۸۹۳''' پیشنهاد شد که اولین بار به شکل تجربی توسط '''O. J. Lodge''' در سال '''۱۸۹۴''' امتحان گردید.

اولین آنالیز ریاضی از امواج الکترو مغناطیسی در یک استوانهٔ فلزی توسط '''Lord Rayleigh''' در سال '''۱۸۹۷''' انجام گرفت.

برای اموج صوتی '''Lord Rayleigh''' یک آنالیز ریاضی کامل از حالت‌های انتشار را تحت عنوان '''تئوری امواج صوتی''' چاپ کرد.

مطالعات در زمینهٔ هادی موج دی الکتریک همچون فیبرهای نوری ازاوایل سال '''۱۹۲۰''' آغاز شد، اینکار توسط چند نفر انجام شد که معروفترین آنها '''Sommerfeld''' و '''Debye''' بودند . فیبرهای نوری توجهات خاصی را از آغاز سال '''۱۹۶۰''' به خود جلب کرد که علت اصلی آن اهمیت این فیبرها در صنعت ارتباطات بود.

استفاده از هادی‌های موج حتی قبل از اینکه این اصطلاح به وجود آید، شناخته شده بود . از زمانهای قدیم انتشار امواج صوتی در امتداد یک سیم کشیده شده یک پدیدهٔ آشنا بوده است؛ همانطور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی‌های طبی شناخته شده بود.

استفاده‌های دیگر از هادی‌های موج در انتقال توان بین دو جزء از سیستم مثل رادیو، رادار و یا وسایل نوری می باشد. هادی‌های موج از اصول پایه ای آزمودن موج هدایت شده پیروی می کنند که از روشهای ارزیابی غیر مخرب است.

* فیبرهای نوری که نور و سیگنال‌ها را تا فاصله‌های دور با سرعت‌های زیاد انتقال می دهند.

* در اجاق‌های ماکروویو یک هادی موج برق را از یک '''ماگنترون''' هدایت می‌کند که در قالب فضای آشپزخانه طرح ریزی شده است.

* هادی‌های موج در ابزارهای علمی برای اندازه گیری خواص نوری، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوند.

هادی‌های موج میتوانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند، برای مثال در سونوگرافی‌های پزشکی که در این نوع موارد هادی موج باعث می‌شود تا توان موج آزمایشگر محفوظ بماند و یا اینکه نمونهٔ آزمایشی درون هادی موج قرار بگیرد همانند سنجش دی الکتریک دائمی. بنابر این اجسام کوچکتر مورد آزمایش قرار می گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.

انتشار امواج در امتداد محورهای هادی موج توسط معادله موج تشریح می‌شود و طول موج بستگی به ساختار هادی موج و همچنین فرکانس آن دارد.

اگر امتداد عرضی هادی موج را در نظر بگیریم، موج در یک الگوی موج ایستاده محبوس می شود. معادله ای که شکل امواج متقاطع را توصیف می کند، بسیار پیچیده تر است. در مورد امواج الکترومغناطیسی از '''معادلات ماکسول''' سرچشمه می گیرد و در مورد امواج صوتی از معادلهٔ '''الکتریسیته خطی''' همراه با شرایط مرزی گرفته می‌شود که به شکل هادی موج و نیز مواد سازندهٔ هادی موج بستگی دارد.

در حالتی که یک موج مسطح داریم پهنای باند بزرگی وجود دارد که می تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبهٔ اندازهٔ عرض هادی موج داشته باشد .

در دو انتهای هادی موج تشدیدی حاصل می‌شود که در این حالت تنها فرکانس‌های مشخصی – حالت‌های طبیعی تشدید - برای دوره‌های طولانی می تواند وجود داشته باشد .

یک حالت انتشار در یک هادی موج، یکی از راه حل‌های معادله موج یا به عبارت دیگر شکل موج است .

بعلت محدودیت شرایط مرزی برای تابع موج فقط فرکانس‌ها و شکل‌های محدودی وجود دارد که بتواند در هادی موج انتشار یابد.کمترین فرکانسی که در یک حالت مشخص می تواند انتشار یابد ، '''فرکانس قطع''' آن حالت نامیده می شود.حالتی که در پایین‌ترین فرکانس قطع وجود دارد، حالت پایهٔ هادی موج است و فرکانس قطع آن، فرکانس قطع هادی موج است.

و <math>k_x</math> عددهای موج متقاطع هستند و بستگی به ساختار هادی موج و حالت آن دارد و نسبتی با فرکانس ندارد. قطع جریان موج به این معناست که موج منتشر نمی‌شود و بنابر این عدد موج طولی برابر صفر است.

و بدین ترتیب عدد موج قطع <math>k_c=k=\sqrt{k_x^2+k_y^2}</math> و بنابراین فرکانس قطع برابر است با <math>f_c=\frac{k_c v}{2\pi}=\frac{v}{2\pi}\sqrt{k_x^2+k_y^2}</math> .

هادی‌های موج می توانند به منظور حمل موجها بر فراز بخش وسیعی از طیف الکترو مغناطیسی ساخته شوند. اما خصوصاً در مورد محدودهٔ فرکانس‌های نوری و میکرو ویوها سودمند می باشند.

بنا به فرکانس مورد نیاز می توانند از مواد رسانا یا عایق ساخته شوند . هادی‌های موج همچنین برای انتقال سیگنال‌های برق و مخابراتی استفاده می شود.

هادی‌های موجی که در فرکانس‌های نوری استفاده می شوند و معمولاً دارای ساختار عایق می باشند که با مواد عایق ساخته شده و در جریان‌های الکتریکی بالا قرار می گیرند و بنابراین شاخص بازتاب بالایی دارند و توسط یک ماده با الکتریسیتهٔ پایین تر احاطه می شوند.

این ساختار موج‌های نوری را توسط بازاب کامل داخلی انتشار می دهد و نوع رایج آن فیبرهای نوری است.

این سطح درونی ممکن است یک فلز صیقلی باشد یا اینکه با غشای چندلایه ای پوشانده شده باشد که نور را توسط بازتاب براگ ( نوع مخصوصی از فیبرهای بلور شفاف ) هدایت کند و همچنین یک منشور کوچک در اطراف لوله مورد استفاده قرار می گیرد تا نور را از طریق بازتاب کامل درونی انعکاس دهد.

این تحدید کردن موجها کامل نیست زیرا بازتاب کامل درونی هیچگاه به خوبی نمی‌تواند نور را توسط یک هسته با شاخص پایین تر هدایت کند. ( در مورد منشور بعضی نورها به گوشه‌های منشور نفوذ می کنند )

یک هادی موج صوتی، ساختاری فیزیکی برای هدایت امواج صوتی می باشد. یک مجرا برای انتشار امواج است که همچون یک خط مخابره ای عمل میکند.این مجرای عبوری شامل بعضی محیط‌ها همانند هوا می‌باشد که انتشار صوت را پشتیبانی می کند.

از خطوط تاخیری دیجیتال همچون عناصر شمارشگر برای ساده کردن انتشار موج در لوله‌های ابزارهای موسیقی بادی و ارتعاش سیم‌ها در ابزارهای موسیقی سیم دار استفاده می شود.

== منابع ==