كيف تعمل الاشياء بحوث متنوعة ومتجددة

[dododa]

وبهذه الفكرة تعمل الاقمار الثالثة لتحديد موقعك على سطح الأرض حيث يصنع كل قمر سطح كروي ومن تقاطعات هذه الأسطح مع سطح الكرة الأرضية يتم تحديد الموقع بدقة كبيرة.

تقاطع الاسطح الكروية عن الأقمار الصناعية الثالثة مع سطح الأرض يعطي نقطة هي المكان الموجود فيه جهاز الاستقبال GPS

كل قمر من الأقمار الــ 24 يرسل باستمرار على نفس التردد إشارة كهرومغناطيسية محملة على موجة ترددها 1575MHz كل قمر صناعى له شفرة معينة Code خاصة به ترسل مع الإشارة الحاملة وبالتالى يمكن لأى قمر صناعى يلتقط هذه الشفرة أن يحدد مكان وزمان تواجد هذا القمر.
أما المستقبل فهو جهاز في حجم راديو صغير يحتوى على دوائر إلكترونية معقدة يتحكم بها ميكروبروسسر Microprocessor متطور يقوم المستقبل بتحديد الموقع بإستخدام طريقتين مختلفتين الأولى تعتمد على إزاحة دوبلر Doppler Shift للاشارات الكهرومغناطيسية المرسلة من الأقمار الصناعية وهذه الإزاحة تكون ناتجة عن السرعة النسبية بين الأرض والأقمار الصناعية.

إستخدامات نظام الــ GPSالحالية والمستقبلية.
كثيرون جدا الذين يستخدمون هذا النظام مثل البواخر الكبيرة وحتى القوارب الخاصة تستعين بالــ GPS لتحديد موقعها في البحار والمحيطات كذلك شركات النقل تستخدم هذا النظام لتحديد مواقع سياراتها فمثلا شركات السيارات الأجرة في أوربا تستخدم الـــ GPS حتى ترسل أقرب سيارة متواجدة بجوار صاحب الطلب.
وفي النهاية أتمنى أن أكون قد أوضحت فكرة تحديد الموقع بالأقمار الصناعية ومدى تأثيرها على حياتنا فى السنوات القادمة من حيث زيادة الكفاءة وتقليل المخاطر في جميع أنواع المواصلات وكذلك مراقبةكل التحركات على الأرض سواء كانت بشرية أو حتى تغيرات في الظروف المناخية أو حركة الزلازل.
لمزيد من المعلومات عن نظام تحديد الموقع GPS تجدها على هذه المواقع
http://www.trimble.com/gps/whygps.shtml
http://www.nasm.si.edu/exhibitions/gps/
http://electronics.howstuffworks.com/gps.htm

[dododa]

سيارة المستقبل من مرسيدس تعمل بالوقود الهيدروجين



جهاز كمبيوتر دفتري يحصل على الطاقة الكهربية من خلية وقود



في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بشرح فكرة عمل خلايا الوقود وميزاتها واستخداماتها الحالية والمستقبلية.





أصبح البحثعن بدائل للوقود التقليدي "النفط" أمرًا ضرورياً بالنسبة للدول الصناعية المتقدمة ولا سيما بعد الارتفاع الملحوظ لاسعار الوقود على مستوى العالم وترصد هذه الدول المبالغ المالية الطائلة لتمويل ابحاث البحث عن مصادر للطاقة البديلة والمقصود هنا بديلة عن النفط، وفي المقابل عكف العلماء والباحثون على إجراء الدراسات والابحاث للحصول على مصادر بديلة للطاقة، فقد تمتطوير استخدام الطاقة الشمسية لتوليدالطاقة الكهربائية، واستخدام طاقات المد والجذروأمواج البحر كطاقات حركية يمكن تحويلهالطاقة كهربائية، أو استخدام المياه الساقطة من الشلالات لتويد الطاقة الكهربية والاستعاضة بالعديد منمصادر الطاقة البديلة عن الوقود التقليدي.





تم اختراع تقنية خلايا الوقود في انجلترا في منتصف القرن التاسع عشر الميلادي على يد السير وليام روبرت جروف William grove، منذ اكثر من 160 عاماً حيث لم يكن يعلم ان اختراعه الذي وضعه في العام 1839 سيحل مشكلة تواجه العالم في القرن الواحد والعشرين لاكتشاف خلايا الوقود التييمكن عن طريقها الحصول على الكهرباءمن الهيدروجين أو الكحول دون أي عمليةاحتراق؛ وبذلك يكون قد حل المعادلةالصعبة، وهي الحصول على طاقة نظيفة منغير أن نلوث البيئة وبأقل الأسعار؛حيث إن المشكلة ثلاثية الجوانب: الطاقة، والبيئة، والتكلفة. وهيالاتجاهات الثلاثة التي يصبو العلماءلحلها.
والحل يكمن في هذه الخليةالصغيرة التي تدعى خلية الوقود، ولكن نظرا لعدمجدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من 130سنة، ولكن عادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلكعندما طورت شركة «جنرال إليكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائيةاللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أبوللو» و«جيمني»، بالإضافة إلىتوفير مياه نقية صالحة للشرب، كانت الخلايا في تلك المركبتين كبيرة الحجموباهظة التكلفة، لكنها أدت مهامها دون وقوع أي أخطاء، واستطاعت أن توفرتيارا كهربائيا وكذلك مصدرا للمياه النقية الصالحة للشرب.


تتميز خلايا الوقود عن البطاريات التقليدية في اعتمادها على دمج عنصري الهيدروجين والأ**يجين لإنتاج الكهرباء والتي تحصل الخلية عليهما من مصدر خارجي ولا تعدان من مكونات خلية الوقود نفسها وهذا ما يعطي لهذه الخلايا الاهمية بالمقارنة مع البطاريات، حيث أن في البطاريات التقليدية فإن مكونات البطارية هي اساس توليد الطاقة حيث يحدث التفاعل الكيميائي لمكونات البطارية لانتاج الطاقة الكهربية وتستمر هذه العملية الى حين انتهاء المواد الكيميائية المتفاعلة فتتوقف البطارية لحين إعادةشحنها مرة أخرى، في حين إن خلايا الوقود تعمل بصفة مستمرة لأن وقودهاالهيدروجين والأ**جين يأتيان من مصادر خارجية، كما أن خلايا الوقود في حد ذاتها ليستسوى رقائق مسطحة تنتج كل واحدة منها فولطاً كهربائياً واحداً، وهذا يعنيأنه كلما زاد عدد الرقائق المستخدمة كلما زادت قوة الجهد الكهربائي.

[dododa]

تعتبر خلية الوقود أداة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية اي انها تقوم من خلال تفاعلات كيميائية بتحويل الهيدروجين والا**جين إلى ماء وينتج عن هذه العملية طاقة كهربية. وبالمقارنة مع البطارية التقليدية المعروفة فإن الاختلاف يكمن في ان المواد الكيميائية الداخلة في التفاعل لتوليد الكهرباء هي جزء من تركيب البطارية وتوجد في داخلها، وبانتهاء المواد الكيميائية هذه فإن البطارية تصبح عديمة الفائدة ويتم استبداله أو اعادة شحنها مرة اخرى، في حين ان خلايا الوقود لا يمكن ان تنتهي فهي تعمل باستمرار لان مصدر المواد الكيميائية هي من الهواء.

شرائح من خلايا الوقود تستخدم كمصدر للطاقة في السيارات

يوجد العديد من خلايا الوقود تصنف حسب المواد الكيميائية التي تستخدمها، وكذلك صفائح المحلل electrolyte التي تستخدماها. والنوع الاكثر شيوعا ورواجا هو خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) والموضح فكرة عملها في الشكل التالي:

فكرة عمل وتركيب خلية الوقود لانتاج الطاقة الكهربية

يوضح الشكل اعلاه تركيب خلية الوقود وفكرة عملها تتلخص في المراحل التالية:
هذه هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث على طرفي الخلية

إن النماذج البسيطة التي تصنع منها الخلية الهيدروجينية و المستخدمة فيوسائط النقل تنتج حوالي 1.16 Volt لذلك يتم وصل عدد كبير من الخلايالتوليد الطاقة الكهربائية المطلوبة . يبين الشكل التالي خلية هيدروجينية مكونة من عدد كبير من الشرائح لتوليد فرق الجهد المطلوب.

لقد تنوعت أماكن استخدام الخلية الهيدروجينية و اختلفت التصاميم و الأبعاد الموضوعة لها تبعاً للطاقة المطلوبة منهاوفي الصورتين التاليتن مثالاً لذلك

دراجة نارية تستخدم وقود الهيدروجين بدلا من الوقود التقليدي من خلال خلايا الوقود

سيارة تعمل بواسطة محرك كهربي يحصل على الطاقة من خلايا الوقود الهيدروجيني

[dododa]

لعلك عزيزي القارئ لاحظت بساطة الفكرة وسهولة تطبيقها وحالياً تعقد الكثير من الأبحاثعلى إيجاد تطبيقات جديدة لخلاياالوقود؛ حتى تصبح بديلًا لكل صور الطاقةالأخرى، وتكون بحق وقود المستقبل وقود القرن الواحد والعشرين.
لمزيد من المعلومات يرجى الاطلاع على المواقع التالية

http://www.howstuffworks.com/fuel-cell.htm

http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/macombbd.htm

http://www.estarfuturecorp.com/fuelcellworks.html

http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/grove.htm

[dododa]

من المدهش أن تعرف أن جهاز الجوال هو جهاز يشبه في عمله جهاز الراديو، ولكن راديو بدرجة عالية من الدقة والتعقيد. أخترع التلفون العادي بواسطة العالم الا**ندر جراهام بل Alexander Graham Bell في 1876، والاتصالات اللاسلكية تطورت نتيجة لاختراع وتطور اجهزة الراديو الذي اخترع بواسطة العالم نيكولاي تسلا Nikolai Tesla في 1894. ومن الجدير بالذكر أنه من الطبيعي أن تتحد وتندمج فكرة الهاتف والراديوا معا.
هذا بالنسبة لتلفونات الراديو، أما في نظام تلفون الجوال فإن المدينة تقسم إلى خلايا صغيرة cells وفي كل خلية يوجد محطة ارسال (أنتينا)، وبهذه الطريقة يمكن اعادة استخدام نفس التردد على كل المدينة وبالتالي فإن الملايين من الأفراد يمكنهم استخدام الجوال في نفس الوقت،

[dododa]

تقسيم المدينة إلى خلايا Cells ادى إلى تسمية الجوالات بالانجليزية Cell Phone أي الجوال الخلوي وهذا هو الاساس في التسمية، أما كلمة المحمول والجوال فهي دلالات على قابلية التحدث من أي مكان في العالم.

لفهم دقيقة لفكرة عمل الجوال سوف نقوم بمقارنة الجوال مع بعض الأجهزة اللاسلكية مثل جهاز CB radio ووهو اختصار لما يعرف باسم جهاز راديو موجة المدينة (City Band Radio) وللتعرف أكثر على هذا الجهاز اطلع على الموقع التالي على الانترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Cb_radio

CB Radio

كما سوف نقارن الجوال بجهاز أخر معروف أكثر لنا وهو أو جهاز walkie-talkie وهو جهاز يعمل بنظام راديو ارسال واستقبال. وستجد المزيد عن هذا الجهاز على الموقع التالي على شبكة الإنترنت http://en.wikipedia.org/wiki/Walkie-talkie

Walkie-Talkie

عناصر المقارنة بين جهازي CB radios و Walkie-Talkie وجهاز الجوال هي

• <LI style="TEXT-JUSTIFY: kashida; TEXT-ALIGN: justify; TEXT-KASHIDA: 0%; COLOR: #cc3300" dir=rtl class=MsoNormal>طريقة الاتصال Duplex <LI style="TEXT-JUSTIFY: kashida; TEXT-ALIGN: justify; TEXT-KASHIDA: 0%; COLOR: #cc3300" dir=rtl class=MsoNormal>القناوات Channels
• المدى Range

كلأ من جهازي CB radios و Walkie-Talkie يعتبران أجهزة ذات half-duplex، حيث أن في أجهزة CB Radio يتم الاتصال بين شخصين باستخدام نفس التردد، لذا فإن شخص واحد فقط يستطيح التحدث والأخر يستمع. أما الجوال فيعمل بنظام full-duplex وهذا يعني أن هناك تردد مخصص للحديث وتردد اخر مختلف للاستماع مما يعني أن كلأ الشخصين يمكنهما التحدث في نفس الوقت.


إن مصطلح كلمة "Duplex" يعني امكانية ارسال واستقبال البيانات بين الأجهزة الإلكترونية باستخدام الصوت. ولمزيد من المعلومات عن هذا المصطلح تجده على الموقع التالي

http://telecom.hellodirect.com/docs/...d.1.080801.asp

يوجد في أجهزة walkie-talkie قناة واحدة للاتصال بينما في أجهزة CB radio يوجد 40 قناة للاتصال. ولكن في أجهزة الجوال يتعامل مع أكثر من 1664 قناة

اتصال بين سائقي شاحنتين يستخدما نظام راديوا يعمل على تردد واحد (half-duplex) حيث يتحدث أحدهما والأخر يستمع،

في أجهزة الراديو التي تعمل بنظام full-duplex فإن الشخصين المتحدثين يستخدما ترددات مختلفة مما يسمح لهما التحدث في نفس الوقت

ولتوضيح فكرة تقسيم المدينة إلى خلايا فسوف نستعين بالشكل التوضيحي أدناه، حيث تقسم المدينة إلى خلايا كل خلية بمساحة 26 كيلومتر مربع وتأخذ شكل سداسي ا لأضلاع كما في الشكل. كل خلية من الخلايا التي قسمت إليها المدينة تحتوي على محطة تقوية تحتوي على برج يحمل معدات ارسال راديو.

وبسبب أن أجهزة الجوال ومحطات الارسال تعمل بقدرة منخفضة فإن نفس الترددات يمكن ان تستخدم في الخلايا البعيدة مثل الخليتين المميزتين باللون الداكن الموضحتين في الشكل أعلاه.

[dododa]

ملاحظة: أنظمة الهواتف الخلوية التي تعمل بالنظام التناظري analog تسمى بتكنولوجيا جوال الجيل الأول first-generation ****************************** technology ويرمز لها بالرمز 1G. ونظام الهواتف الخلوية التي عملت بالنظام الرقمي تسمى تكنولويجا الجيل الثاني 2G حيث ازدادت عدد القنوات المتوفرة للاستخدام بحوالي ثلاثة اضعاف أي أصبح 168 قناة متوفرة للاتصال في نفس الوقت للخلية الواحدة. وسوف نشرح تطور تكنولوجيا الجوال وأجياله المعروفة بالاختصارات TDMA, CDMA, GSM لاحقاً.

مزايا اتصالات الجوال عن الأنظمة القديمة للاتصالات اللاسلكية

يستخدم الجوال قدرة منخفضة تصل ما بين 0.6 إلى 3 وات فقط وهذا أقل بما هو مستخدم في CB radio حيث كانت القدرة 4 وات. كما أن محطات الارسال تعمل بطاقة منخفضة ايضا، مما يعني أن:
أن منطقة التغطية للترددات بين محطة الارسال والجوال لن تزيد عن مساحة الخلية السداسية الشكل وهذا يجعل اعادة استخدام نفس الترددات في خلايا اخرى ممكن. أي 56 شخص لكل خلية يمكنهم التحدث مع بعضهم البعض في نفس الوقت باستخدام نفس الترددات.

في النهاية فإن عدد كبير من محطات الارسال توجد في كل مدينة تستخدم هواتف الجوال وقد يصل عدد هذه المحطات بالمئات ويتحكم بها محطة مركزية للتحويلات تعرف باسم ****************************** Telephone Switching Office (MTSO). تعمل هذه المحطة على الحكم في المحطات المنتشرة في المدينة (الخلايا) وتعمل ايضا على ربط كل الاتصالات من الهواتف الجوالة مع الهواتف الأرضية التي تعمل بنظام الاتصال التقليدي.

[dododa]

[dododa]

يعتبر جهاز الجوال من اكثر الاجهزة التقنية تعقيداً من ناحية تكدث الدوائر الالكترونية فيه على مساحة صغيرة ويقوم جهاز الجوال باجراء الملايين من الحسابات كل ثانية اثناء ضغط الموجات الصوتية التي يرسلها واعادة فك الموجات الصوتية التي يستقبلها لتتمكن من الحديث والاستماع الى من تتصل بهم.

مكونات واجزاء الجوال

اذا ما قمنا بالنظر إلى مكونات جهاز الجوال كما هو في الصورة أعلاه فإن الجوال يحتوي على الاجزاء التالية:

اللوحة الإلكترونية للجوال وعلى اليمين الواجهة الأمامية وعلى اليسار الواجهة الخلفية

اللوحة الالكترونية قلب نظام الجوال وترى فيها عدة قطع تشبه قطع الكمبيوتر chips ومن هذه القطع الكمبوترية ما يقوم بتحويل الاشارة التناظرية الى رقمية وأخرى تقوم بتحويل الاشارة الرقمية إلى تناظرية حيث تعمل على تحويل الاشارة الصوتية وتترجمها إلى اشارة رقمية وتعمل القطعة الاخرى على استقبال الاشارة الرقمية التي تحتوي على شيفرة الصوت وتترجمها وتحولها إلى اشارة تناظرية. ويقوم بعمل التحويل والترجمة ميكروبروسسور خاص بنظام التعامل مع الاشارات الرقمية ويعرف باسم digital signal processor ويختصر DSP وهو ميكروبروسسور عالى الكفاءة ويقوم بانجاز الحسابات المتعلقة بالتحويل بين الاشارات التناظرية والرقمية بسرعة عالية جداً.
ويعمل الميكروبروسسور على الربط بين لوحة المفاتيح وشاشة العرض من خلال الاوامر التي تعضيها للجوال بواسطة لوحة المفاتيح ويظهر كل ما تقوم به على شاشة العرض، كما يعمل على ارسال بعض الأوامر التي تتطلب تنفيذها من محطة الجوال الرئيسية ويستقبل المعلومات منها ويفهمها ويعرضها لك باللغة التي اخترتها مسبقاً.

ميكروبروسيسور الجوال

كما تحتوي اللوحة الالكترونية على ذاكرة عشوائية والتي تعرف باسم ROM في مصطلحات الكمبيوتر وتحتوي ايضا على ذاكرة فلاش لتعطي مساحة اكبر لتخزين نظام تشغيل الجوال والعديد من البرامج المساعدة مثل برنامج ادارة دليل الاتصالات وبرنامج الاجندة وتنظيم المواعيد.
تحتوي اللوحة الالكترونية ايضا على مولد امواج الراديو RF الذي يتعامل مع المئات من ترددات قنوات FM وتحتوي على قسم الطاقة الكهربية المسؤول عن ادارة الطاقة الكهربية واعادة الشحن. كما تحتوي اللوحة الالكترونية على مكبر امواج الراديو التي تتعامل مع الاشارات المرسلة والمستقبلة من والى الجوال عبر الانتينا.

شاشة العرض LCD
تطورت شاشات العرض كثير من حيث دقة العرض والالوان والمساحة لتتماشى من التطور الحادث على الجوال وعلى الخدمات التي نحصل عليه منها حيث الجوالات الحديثة اصبحت تحتوي على دليل هاتف وعلى الة حاسبة وعلى العديد من الالعاب الالكترونية كما اصبح الجوال يستخدم لارسال واستقبال الرسائل الاكترونية وكذلك لتصفح الانترنت وهذا يتطب الجودة العالية والدقة والوضوح واللوان الزاهية والمساحة الكبيرة لشاشة العرض. وفكرة عمل شاشات العرض هذه قد سبق شرحها في موضوع منفصل بعنوان كيف تعمل شاشات البلورات السائلة LCD.

المكان المخصص لشريح الجوال

بعض انواع الجوالات تحتوي على المعلومات الخاص بشيفرة الجوال مثل SID و MIN مخزنة على ذاكرة فلاشية داخلية أو على شريحة الجوال الخارجية والتي تشبه كثيراً شريح الذكية SmartMedia.

صورة توضح بعض أجزاء الجوال: من اليمين البطارية الداخلية والميكروفون والسماعة

تتحتوي اجهزة الجوال على سماعة وميكرفون باحجام صغيرة جداً وكفاءة عالية كما توجد بطارية صغيرة لتغذية الساعة الداخلية للجوال بالطاقة الكهربائية.
وبالحديث عن الجوال وكل مكوناته هذه فإنه لو وجد الجوال من 30 عام لكانت هذه المكونات تشغل حيز كبير يصل الى مساحة غرفة بتسع كل ماذكر من ميكروبروسسور ومزود الطاقة الكهربائية والسماعة والميكرفون وشاشة العرض. ولكن شكرا للتقدم العلمي والتقنيات الصناعية المذهلة التي جعلت من كل هذه الأجهزة تتجمع في جهاز واحد اسمه الجوال ولايزيد عن حجم كف اليد.

مراجع

كل ما ترغب في الاستفسار عنه عن الجوال والمصطلحات وماذا تعني تجدها على هذا الموقع
http://www.tech-faq.com/
معلومات عن تركيب الجوال
http://www.cellular.co.za/in-fone.htm
موقع مؤسسة الاتصالات الدولية FCC
http://www.fcc.gov/
موقع الاتحاد الدولي للاتصالات
http://www.itu.int/home/index.html

[dododa]