تفاوت میان نسخه‌های «موج‌بر»

جز
ربات: تبدیل ه‌ی به هٔ
جز (ربات: تبدیل ه‌ی به هٔ)
== '''مقدمه''' ==
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 لوله یلولهٔ فلزی توخالی است که به این منظور به کار می رود.هادی های موج در شکل هندسی تفاوت دارند که می توانند انرژی را در یک بعد محدود کنند ، همچون هادی های موج ورقه ای و نیز می توانند در دو بعد انرژی را محدود کنند همچون هادی های موج تاری یا شیاری . بعلاوه هادی های موج مختلفی برای فرکانس های مختلف مورد نیاز است. به عنوان مثال یک فیبر نوری که امواج نوری را هدایت می کند ، نخواهد توانست ریز موج ها را نیز هدایت کند.
طبق یک حساب تخمینی ؛ پهنای هادی موج باید در مرتبهمرتبهٔ ی اندازه یاندازهٔ 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 نهنگ ها را تا فاصله های خیلی دور هدایت کند.
== '''اصول عملکرد''' ==
موج ها 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 فاصله یفاصلهٔ '''R''' از یک منبع توان برابر است با توان منبع تقسیم بر '''<math>\ R^2</math>''' .هادی های موج ، امواج را محدود می سازند تا در در یک بعد انتشار یابند. با استفاده از هادی های موج در شرایط ایده آل امواج توان خود را هنگام انتشار از دست نمی دهند.
به علت بازتاب کامل ازدیواره های هادی موج ؛ موج ها درون آن به دام می افتند و بنا براین انتشار درون هادی موج تقریباً به شکل زیک زاک بین دیواره ها خواهد بود.این توصیف برای موجهای الکتزو مغناطیسی در لوله های تو خالی مستطیلی و دایره ای دقیق تر و کامل تر است.
== '''تاریخچه''' ==
اولین ساختار برای هدایت موج ها توسط '''J. J. Thomson''' در سال '''1893''' پیشنهاد شد که اولین بار به شکل تجربی توسط '''O. J. Lodge''' در سال '''1894''' امتحان گردید.
اولین آنالیز ریاضی از امواج الکترو مغناطیسی در یک استوانه یاستوانهٔ فلزی توسط '''Lord Rayleigh''' در سال '''1897''' انجام گرفت.
برای اموج صوتی '''Lord Rayleigh''' یک آنالیز ریاضی کامل از حالت های انتشار را تحت عنوان '''تئوری امواج صوتی''' چاپ کرد.
مطالعات در زمینه یزمینهٔ هادی موج دی الکتریک همچون فیبرهای نوری ازاوایل سال '''1920''' آغاز شد ، اینکار توسط چند نفر انجام شد که معروفترین آنها '''Sommerfeld''' و '''Debye''' بودند . فیبرهای نوری توجهات خاصی را از آغاز سال '''1960''' به خود جلب کرد که علت اصلی آن اهمیت این فیبر ها در صنعت ارتباطات بود.
== '''کاربردها''' ==
استفاده از هادی های 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 پدیده یپدیدهٔ آشنا بوده است ؛ همانطور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی های طبی شناخته شده بود.
استفاده های دیگر از هادی های موج در انتقال توان بین دو جزء از سیستم مثل رادیو , رادار و یا وسایل نوری می باشد. هادی های موج از اصول پایه ای آزمودن موج هدایت شده پیروی می کنند که از روشهای ارزیابی غیر مخرب است.
=== ''مثالهای ویژه'' ===
* در اجاق های ماکروویو یک هادی موج برق را از یک '''ماگنترون''' هدایت میکند که در قالب فضای آشپزخانه طرح ریزی شده است.
* هادی موج در رادار ها ، موجها را به یک آنتن هدایت میکند که باید مقاومت ظاهری آن با توان موثر انتقال ، مطابقت داشته باشد.
یک نوع از هادی موج که به آن باریکه یباریکهٔ خطی میگویند ، میتواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می شود. این نوع از هادی موج خیلی ارزان ساخته می شود و ابعاد کوچکی دارد که میتواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد .
* هادی های موج در ابزار های علمی برای اندازه گیری خواص نوری ، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوند.
هادی های موج میتوانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند ، برای مثال در سونوگرافی های پزشکی که در این نوع موارد هادی موج باعث می شود تا توان موج آزمایشگر محفوظ بماند و یا اینکه نمونه ینمونهٔ 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.
== '''تحلیل نظری''' ==
انتشار امواج در امتداد محور های هادی موج توسط معادله موج تشریح می شود 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 معادله یمعادلهٔ '''الکتریسیته خطی''' همراه با شرایط مرزی گرفته میشود که به شکل هادی موج و نیز مواد سازنده یسازندهٔ هادی موج بستگی دارد.
این معادلات راه حل های مختلفی دارند که روش های انتشار نامیده می شود. در هر کدام از این حالت ها که موج در امتداد هادی موج حرکت میکند، سرعت و شکل انتشار با نوع دیگر متفاوت خواهد بود.
دسته فرکانس هایی که یک هادی موج می تواند هدایت کند به عرض آن بستگی دارد. تخمین زده می شود که برای طول موج های بلند تر هادی موج عریض تری احتیاج است .
چون طول موج با وارون فرکانس متناسب است ، در فرکانس های بالا هادی های موج عرض کمتری دارند و بالعکس.
یک استثنا که در این قانون قابل ذکر است ، برای حالت امواج مسطح در یک هادی موج مشخص وجود دارد.( مثل یک سیم هم محور در امواج الکترومغناطیسی یا لوله های توخالی برای امواج صوتی )
در حالتی که یک موج مسطح داریم پهنای باند بزرگی وجود دارد که می تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبهمرتبهٔ ی اندازه یاندازهٔ عرض هادی موج داشته باشد .
در دو انتهای هادی موج تشدیدی حاصل می شود که در این حالت تنها فرکانس های مشخصی – حالت های طبیعی تشدید - برای دوره های طولانی می تواند وجود داشته باشد .
== '''حالت های انتشار و فرکانس های قطع''' ==
یک حالت انتشار در یک هادی موج ، یکی از راه حل های معادله موج یا به عبارت دیگر شکل موج است .
بعلت محدودیت شرایط مرزی برای تابع موج فقط فرکانس ها و شکل های 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 پایین ترین فرکانس قطع وجود دارد ، حالت پایه یپایهٔ هادی موج است و فرکانس قطع آن ، فرکانس قطع هادی موج است.
یک حالت ویژه یویژهٔ هادی موج هنگامی است که یک حالت موج مسطح داریم.
یک موج مسطح در فضای آزاد منتشر می شود و جبهه موج آن نیز مسطح است . یک موج مسطح می تواند در یک باند فرکانسی وسیع انتشار یابد . در یک هادی موج ایده آل که دیواره های آن بشکل کامل بازتاب می کنند ، فرکانس قطع نزدیک صفر است. البته موج های مسطح نمی توانند در هر نوع از هادی موج انتشار یابند ، برای مثال یک کابل هم محور میتواند یک موج مسطح الکترومغناطیسی را پشتیبانی کند اما یک لوله یلولهٔ توخالی نمی تواند این کار را انجام دهد.
موج در امتداد هادی موج ( حول محور z ) با رابطه یرابطهٔ
<math>\ v_z=\frac{2\pi f}{k_z}</math>
بدست می آید که<math>\ f</math> فرکانس <math>\ \vec v</math> سرعت موج در فضای آزاد و <math>\ \vec k</math> عدد موج است که بشکل برداری است و اندازه یاندازهٔ آن برابر است با <math>\ k=\frac{2\pi f}{v}</math>
ارتباط بین اندازه یاندازهٔ عدد موج و مولفه های آن از رابطه یرابطهٔ <math>\ k^2=k_x^2+k_y^2+k_z^2</math> بدست می آید که <math>k_y</math>
و <math>k_x</math> عدد های 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 نمی شود 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> .
== '''هادی های امواج الکترومغناطیسی''' ==
هادی های موج می توانند به منظور حمل موجها بر فراز بخش وسیعی از طیف الکترو مغناطیسی ساخته شوند. اما خصوصاً در مورد محدوده یمحدودهٔ فرکانس های نوری و میکرو ویو ها سودمند می باشند.
بنا به فرکانس مورد نیاز می توانند از مواد رسانا یا عایق ساخته شوند . هادی های موج همچنین برای انتقال سیگنال های برق و مخابراتی استفاده می شود.
== '''هادی های امواج نوری''' ==
هادی های موجی که در فرکانس های نوری استفاده می شوند و معمولاً دارای ساختار عایق می باشند که با مواد عایق ساخته شده و در جریان های الکتریکی بالا قرار می گیرند و بنابراین شاخص بازتاب بالایی دارند و توسط یک ماده با الکتریسیته یالکتریسیتهٔ پایین تر احاطه می شوند.
این ساختار موج های نوری را توسط بازاب کامل داخلی انتشار می دهد و نوع رایج آن فیبر های نوری است.
انواع دیگری از هادی های موج نوری نیز که مورد استفاده می باشند ، شامل فیبرهای بلور شفاف است که امتیازاتی نسبت به نوع پیشین دارد.
همچنین در لامپ های لوله ای که در چراغانی ها کاربرد دارد ، هدایت از طریق یک لوله یلولهٔ توخالی صورت می گیرد که سطح درونی آن دارای خاصیت انعکاسی بالایی می باشد.
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 نمی تواند نور را توسط یک هسته با شاخص پایین تر هدایت کند. ( در مورد منشور بعضی نورها به گوشه های منشور نفوذ می کنند )
۱۶۴٬۵۲۷

ویرایش