نوع جديد من الألياف الضوئية بسرعات عالية

أعلن باحثون من جامعة آيندهوفن التقّنية (Eindhoven University Technology TU/e) في هولندا وجامعة وسط فلوريدا (Central Florida CREOL) في مجلة (Nature Photonics) عن عملية إرسال ناجحة لتَسجيل بِسرعة 225 تيرابت في الثانية بإستخدام نوعاً جديداً من الألياف يَمنح عرض نطاق ترددي أعلى ب(21) مرة من المُعدل الحالي المُتوفر في شبكات الإتصالات.

النوع الجديد من الألياف قدّ يَكون هو الحل للتخفيف من الأزمة الوشيكة لسعة الإرسال البصري الناجمة عن زيادة الطلب على عرض النطاق الترددي (bandwidth).

بِسبب شيوع خدمات الأنترنت والشبكات الناشئة من مراكز البيانات ذات القدرة الاستيعابية الهائلة، من المتوقع أن يستمر الطلب على معدّل نقل البيانات لأغراض الإتصالات بمعدل تصاعدي. لِنقل معلومات أكثر خلال الألياف البصرية الحالية، يجب أولاً زيادة قدرة الإشارات للتَغلّب على الخسائر المُتأصلة في الزجاج الذي صُنعت منهُ الألياف. مع ذلك، هذا يُنتج تأثيرات ضوئية لاخطية غير مرغوب بها، والتي تحدد كميّة المعلومات التي يُمكن إستردادها عبر الإرسال بإستخدام الليف القياسي.

تمت قيادة الفريق في كلا الجامعتين (جامعة آيندهوفن التقنية و وسط فلوريدا) من قبل الدكتور جيغو أوكونكو (Chigo Okonkwo)، وهو أستاذ مساعد في فريق بحث الإتصالات الألكتروبصرية من جامعة آيندهوفن التقنية ، والدكتور رودريغو أميزكوا كورا (Rodrigo Amezcua Corra) ، وهو أستاذ مساعد في بحوث إنشاء الألياف الدقيقة في جامعة وسط فلوريدا. أظهر الفريق قدرة النوع الجديد من الألياف على زيادة سعة الإرسال وتخفيف أزمة السعة الوشيكة، في ورقة بحثهم التي نشروها أمس في النسخة الألكترونية لمجلة (Nature Photons).

يَمتلك اليف الجديد سبعة أنوع مختلفة من اللُب، ينتقل الضوء خلالها، بدلاً من النوع الواحد الموجود في الألياف الحالية. يُمكن مقارنة هذا بتطور طريق عام ذو إتجاه واحد إلى طريق عام بِسبع ممرات. وقد قدموا أيضاً بُعدين إضافيين عموديين لنقل البيانات. وهذا يشبه ثلاثة سيارات إحداها فوق الأخرى يُمكن قيادتها في الممر الواحد. خلال الجمع بين تلك الطريقيين. حَقّق الفريق سرعة إنتقال إجمالية مقدارها 225 تيرابت في الثانية عبر وصلة الليف. وهذا هو أكثر ب20 مرة من المعيار الحالي، 4-8 تيرابت في الثانية.

صرّح، الدكتور جيغو أوكونكو: “بألياف ذات قطر أقل من 200 مايكرومتر، ولا تأخذ مساحة ملحوظة أكثر من الألياف الحالية المُنتشرة. هذه النتائج رائعة وإنها ستُعطي حتماً إمكانية تحقيق سرعة إرسال تصل لبيتابت في الثانية. وهو مِحور تركيز المُفوضية الأوربية في السبع سنوات القادمة، وهو أفق البرنامج البحثي لسنة 2020. تُظهر هذه النتائج أيضاً الأهمية الرئيسية للبرنامج المُنفذ في أوربا، وبحالة خاصة في جامعة آيندهوفن التقنية مع الفرق الأخرى المعروفة في جميع أنحاء العالم في مجال أنظمة الإرسال الضوئية عالية السعة”.

المصدر

مدخل إلى الملفات Inductors

مقدمة :

الملف هو عنصر كهربائي يعاكس سلوكه في الدارة سلوك المكثف وهو يقاوم تغيرات التيار ويمرر التيارات المستمرة DC وهو في أبسط صوره عبارة عن سلك ملفوف كما في الشكل المجاور الذي يوضح شكل بسيط للملف .

بنية الملف 

يتركب الملف من سلك معزول ملفوف على إطار من مادة عازلة former ويمكن أن تكون على عدة أشكال منها :

1-على شكل أسطوانة أو مكعب أو متوازي مستطيلات .

2-على شكل قلب مجوف وفارغ ، ويمكن أن يكون قلب الإطار مشغولاً بشرائح حديدية أو مسحوق حديد أو مادة الفيريت ferrite أو أن يكون الهواء .

3-يمكن أن يغلف الملف بغلاف من الحديد وذلك عند الرغبة في ألا يتأثر الملف بالمجالات المغناطيسية الخارجية وقد يغلف بغلاف من البلاستيك لحمايته ، وقد يترك بدون تغليف .

مرور تيار في سلك:

عندما يمر تيار في سلك ينشأ حول هذا السلك مجال مغناطيسي ، يتزايد هذا المجال بتزايد التيار المار في السلك .

مرور تيار في ملف:

يلف السلك بطريقة معينة ليعطي مجالاً مغناطيسياً في اتجاه معين محدد مسبقا من قبل المصمم .

وتخضع اتجاهات التيار واللف والمجال المغناطيسي لقاعدة اليد اليمنى و نلاحظ أنه بلف السلك بهذه الطريقة فإن كل لفة تولد مجالا مغناطيسيا نتيجة مرور التيار فيها والمحصلة تكون مجال مغناطيسي كبير له شكلواتجاه محدد .

قاعدة اليد اليمنى :

إذا وضع الملف في يدك اليمنى بحيث تلتف أصابعك حول الملف في نفس اتجاه مرور التيار فان أصبع الإبهام يشير إلى اتجاه المجال داخل الملف والى القطب الشمالي للمغناطيس المؤقت الذي يصنعها هذا الملف .

 فكرة عمل الملف :

قلنا بأنه نتيجة مرور التيار في الملف يتولد حقل مغناطيسي ولكن ما مصير هذا الحقل المتولد وكيف يؤثر على بقية حلقات الملف نناقش هذا الموضوع خلال هذه الفقرة .

التيار المتحرض (المستحث) :

نعلم من خلال دراستنا بأنه عندما يكون لدينا مجال مغناطيسي خارجي وهذا المجال يتم قطعه بواسطة سلك أو ملف آخر (نحرك السلك أو الملف ضمن الحقل المغناطيسي الخارجي) فإنه يتولد في هذا السلك تيار كهربائي متحرض .

الفكرة الآن كالتالي :

لدينا ملف يمر فيه تيار كهربائي نتيجة مرور هذا التيار يتولد مجال مغناطيسي نحدد جهته حسب قاعدة اليد اليمنى

وهذا المجال المغناطيسي الناشئ سوف يتم قطعه بواسطة حلقات الملف التالية وبالتالي سوف يتولد جهد على طرفي الملف .

الخلاصة :

1-مرور تيار في ملف

2- ينشأ حول الملف مجال مغناطيسي

3- تقطع حلقات الملف هذا المجال

4- يتولد جهد نتيجة هذا القطع

ويكون هذا الجهد المولد معاكس للجهد الأصلي ويحارب تغير قيمة التيار الأصلي .

لتوضيح الفكرة السابقة نناقش المثال التالي :

بفرض لدينا ملف موصول مع بطارية كما في الشكل :

• عند إغلاق القاطعة سوف يمر تيار في الدارة 

• ونتيجة لعمل الملف (الخطوات الأربعة السابقة) سوف يتولد جهد على طرفي الملف وهذا الجهد المتولد سيكون بقطبية معاكسة للجهد الأصلي كما مر معنا 

  أي في لحظة وصل البطارية يصبح الملف وكأنه عبارة عن بطارية موصولة بشكل عكسي مع البطارية الأصلية .

• هذا الجهد المتولد يعمل على محاربة مرور التيار الأصلي

• هذه المحاربة لن تستمر طويلا وسيختفي الجهد المتحرض بعد فترة لأنه جهد مؤقت ولحظي ويتعلق بتزايد تدفق التيار عبر الملف

• الملف له وظيفة هامة وهي محاربة التغير المفاجئ في التيار وهذه الصفة ممتازة ولها تطبيقات كثيرة وتعد هذه الصفة  جوهر عمل الملف في الدوائر .

الملف عنصر في الدارة الكهربائية يمنع التغير المفاجئ في التيار

  لاحظ أن أن الجهد حول الملف يعتمد على التغير في التيار , فإذا لم يتغير التيار فإن الجهد يكون صفر أي  في الدارة السابقة يظهر الجهد على الملف لحظة إغلاق القاطعة ويصبح الملف في هذه اللحظة كأنه بطارية مؤقتة ذات استقطاب معاكس للبطارية الأصلية ولكن عندما يستقر مرور التيار في الملف يختفي هذا الجهد المؤقت .

وكذلك عند فتح القاطعة أي عند تناقص التيار إلى الصفر يظهر الجهد على الملف .

خاصية الملف تظهر في لحظات تغير التيار أما عند استقرار التيار يتصرف الملف كسلك عادي .

مما سبق نجد أن الجهد على الملف يتناسب مع التغير في التيار ومنه نستنتج القانون :

تدل الإشارة السالبة على أن الجهد معاكس للجهد الأصلي .

الحث الذاتي Self Inductance 

نعلم بأنه كلما زاد معدل تغير التيار كلما زادت قيمة الجهد المعارض لحدوث التغيير ، وخاصية المعارضة هذه تسمى " الحث الذاتي " .يرمز له L ويقاس بالهنري ويعطى بالعلاقة :

L: الحث الذاتي بالهنري

N: عدد اللفات

Φ: تدفق الحقل المغناطيسي

I: التيار الكهربائي

يمكن تلخيص خصائص الملف بما يلى:

• ✔  لا يستطيع توليد جهد على طرفي ملف إلا تيار يتغير مع الزمن لذا يكون الملف (بافتراض أن مقاومته معدومة) دارة قصر للتيار المستمر ويمكن توليد جهود عالية جداً على طرفي ملف عند قطع التيار المار فيه فجأة (يمكن أن تتكون قوس كهربائية في نقطة القطع إذا كان الانقطاع سريعأ جدأ).
• ✔ ونظراً إلى أن الطاقة (التي لا يمكن أن نتغير على نحو مفاجئ) المخزونة في ملف تعطى بالعلاقة نستنتج أن التيار المار عبر الملف لا يمكن أيضاً أن يتغير فجائيأ إلا إذا أردنا توليد جهود لانهائية، وهذا شيء غير عملي. لذا يتصف التحريض بخواص تنعيم للتيار فالملف الموضوع في دارة يمر عبرها تيار فيه تغيرات، سوف ينعم تلك التغيرات.
• ✔ يمكن خزن مقدار محدد من الطاقة في الملف، ونظرا إلى عدم وجود آلية لتبديد الطاقة في الملف المثالي، لا يتبدد شيء من الطاقة.

المكثفات في دوائر التيار المتناوب Capacitance in AC Circuits

مدخل :

وجدنا سابقاً عند دراسة المكثف في دوائر الـ DC أن سلوك المكثف يكون عبارة عن (دارة قصر) في بداية عملية الشحن (تيار عالي) ثم يتحول سلوكه إلى (دارة مفتوحة) في نهاية الأمر (تيار صفري) .

وتم تفسير ذلك أن في التيار المستمر ولأنه ثابت الاتجاه فإن عملية الشحن تستمر إلى أن يمتلئ المكثف بالكامل وبعد ذلك المكثف يعمل كدارة مفتوحة ويمنع مرور التيار .

في دوائر التيار المتردد :

في دوائر التيار المتناوب مصدر الجهد عبارة عن موجة متغيرة لها نصف موجب ونصف سالب

عند مرور نصف الموجة الموجب يشحن المكثف

وعند مرور نصف الموجة السالب سوف يتم تفريغ ما شحنه المكثف في النصف الموجب

أي أنه في دوائر التيار المتناوب ولأنه متغير الاتجاه فإن عملية الشحن لا تستمر بشكل كامل بل يتم تفريغ المكثف عندما يتغير اتجاه التيار بالاتجاه المعاكس ويكون المكثف في عملية شحن وتفريغ دائمتين .

 المفاعلة السعوية للمكثف The Capacitive Reactance

يشحن المكثف وتفرغ شحنته باستمرار في دوائر التيار المتردد بعكس التيار المستمر حيث يسمح المكثف بمرور التيار فقط في حالة التوصيل , لذلك عند توصيل المكثف بالجهد المتردد تتوالى عمليات الشحن والتقريغ ويبدو الأمر وكأن المكثف يمرر التيار المتردد. ويعتمد التيار المار في المكثف على عدة عوامل هي:

١ - سعة المكثف(C): حيث يزداد التيار بزيادة السعة.

٢ - تردد التيار (F): يتناسب التيار طرديأ مع التردد.

٣ - الجهد (V): ينتاسب التيار طرديأ مع الجهد.

مما سبق نستنج العلاقة التالية للتيار المارفي المكثف :

I=V×2×π×F×C

وبمقارنة هذه العلاقة بقانون أوم (I = V × G) حيث G الموصلية نستنتج أن المواصلة في هذه الحالة هي (2×π×F×C) لذلك فمقلوب هذا المقدار عبارة عن مقاومة وتسمى هذه المقاومة بالمفاعلة السعوية.

ويرمز لها بالرمز X_c وتحسب من العلاقة التالية:

                                                                               

 في التيار المتردد المكثف يعمل كمقاومة وهذه المقاومة تسمى مفاعلة سعوية Capacitive Reactance واحدتها الأوم

خصائص المفاعلة السعوية X_c

المنحني المبين بالشكل المجاور يبين كيفية تغير المفاعلة السعوية مع التردد حيث نجد أن Xc  تتناسب عكساً مع تردد المنبع F
ونلاحظ مايلي :
عندما يكون تردد المنبع صغير F=0 سوف تكون Xc بالنسبة له كبيرة جدا ولن يمر تيار .

مع زيادة التردد تزدادقيمة الممانعة السعوية Xc .
عندما يكون تردد المنبع كبير جدا  ∞ =F سيكون عندها Xc صغير جدا بالنسبة له وبالتالي وسوف يمر تيار أعظمي I=max .
الخلاصة :
 في التيار المتناوب إذا كان التردد صغير مثل DC (حيث التيار المستمر هو تيار تردده صفر) يتحول المكثف إلى مقاومة كبيرة وتتحول الدارة إلى open circuit .
إذا كان التردد كبير فإن Xc تقترب من الصفر وبالتالي يمر تيار في الدارة .

المكثفة لا تمرر التيار المستمر وتشكل بالنسبة له open circuit (عند اكتمال الشحن ) أما التيار المتردد فإن المكثف يتحول إلى مقاومة ممانعتها متناسبة عكسا مع تردد المنبع حيث كلما زاد التردد قلت الممانعة وبالتالي زاد مرورو التيار عبر المكثف .

تقدم تيار المكثف على الجهد 

الدارة المبينة في الشكل تمثل منبع تيار متردد مع مكثفة .

نفرض أنه عند بداية التجربة  كان المكثف مفرغ من الشحنة تماما.

المنحني الأزرق يمثل الجهد حول المكثفة بينما يمثل المنحني الثاني التيار عبر المكثفة .

• عند بداية تطبيق الجهد المتناوب على المكثفة  يبدأ الجهد على المكثف بالتزايد (شحن المكثف) ويكون التيار في الدارة أعظميا عند بداية الشحن كما هوواضح بالشكل .
  

  تفسير كون التيار أعظميا عند بداية شحن المكثف أن لبوسا المكثف غير مشحونين في البداية وأكثر قابلية لامتصاص الشحنات من المنبع وبالتالي التيار يكون أكبر في بداية الشحن .

• ثم يتناقص التيار مع تزايد الجهد على المكثف حتى ينعدم عندما يصبح جهد المكثف أعظميا .

أي أن الجهد عندما يبدأ من الصفر يكون التيار قد سبقه ووصل إلى القيمة العظمى ونعبر عن ذلك بالقول أن المكثف يعمل على تأخير الجهد عن التيار .

في دوائر التيار المتردد التي تحوي على مكثف , فإن الجهد يتأخر عن التيار بزمن قدره ربع دورة , أي بزاوية 90 درجة وهذا التأخير ثابت وغير متغير .

تبدد القدرة في المكثف :

عند رسم القدرة المستهلكة في المكثف وذلك بحاصل ضرب القيمة اللحظية للجهد والتيار نحصل على المنحني المجاور .

ومنه نلاحظ أن متوسط القدرة المستهلكة في المكثفات هي صفر حيث أن المكثف يشحن في الريع الأول ويفرغ في الربع الثاني وهكذا .

في دوائر التيار المتردد يكون متوسط القدرة المستهلكة في مكثف مثالي صفر .

المكثف المثالي والمكثف الحقيقي في دوائر التيار المتناوب

المكثف المثالي يتسبب في إزاحة بين الجهد والتيار مقدارها 90 إلا أن ذلك لا يحدث مطلقاً في الحياة العملية والسبب في ذلك مقاومة المادة العازلة الموجودة بين الألواح حيث إنه يلزم إعادة استقطاب المادة العازلة في كل نصف دورة من الجهد مما يسبب في حرارة ترفع حرارة المكثف والتي بدورها هي عبارة عن قدرة مفقودة ناهيك عن القدرة المفقودة في أسلاك التوصيل. وهذه القدرة المفقودة تودي إلى أن تكون قيمة زاوية الإزاحة بين الجهد والتيارأقل من 90 ويمكن أن يمثل المكثف الحقيقي بمكثف مثالي موصل بالتوازي مع مقاومة R .