คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. 3.การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1.1. การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหลายสาเหตุเช่น

1.1.1. 1. เกิดจากประจุบวกและประจุลบมีการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาแบบซิมเปิลฮาร์มอนิกในตัวน า

1.1.2. 2. เกิดจากประจุไฟฟ้าบวกหรือลบเคลื่อนที่ด้วยความเร่งหรือความหน่วง (ถ้าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ จะเกิดอ านาจแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นรอบๆ โดยอ านาจแม่เหล็กที่แต่ละต าแหน่งจะมีค่าคงที่จึงไม่เกิดการเหนี่ยวน าให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นในไฟฟ้ากระแสตรงที่กระแสไฟฟ้ามีค่าคงที่จึงไม่เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า )

1.1.3. 3. วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสมบูรณ์(0 K ) จะมีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(รังสีอินฟาเรด)ออกมา

1.1.4. 4. เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม

1.1.5. 5. เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของนิวเคลียส

1.2. การค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของเฮิรตซ์

1.2.1. ใน ค.ศ. 1888 ไฮน์ริช เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) ได้สร้างเครื่องก าเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องแรกที่มุมห้องทดลองของเขาที่กรุงเบอร์ลิน เขาใช้วงจรไฟฟ้าที่มีแท่งโลหะที่มีช่องว่างเล็กๆอยู่ ระหว่างกึ่งกลาง เมื่อเกิดการสปาร์คระหว่างช่องว่าง ประจุไฟฟ้าจะสั่นด้วยความถี่สูงเกิดคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าออกมา เฮิรตซ์ได้พิสูจน์ว่าคลื่นนี้แผ่ไปในอากาศโดยการใช้เครื่องมือแบบเดียวกัน ตั้งอยู่ในระยะที่ไกลออกไป เฮิรตซ์ได้แสดงให้เห็นว่าคลื่นเหล่านี้สามารถสะท้อนและหักเหได้ เช่นเดียวกับแสง และเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับแสงโดยไม่ขึ้นอยู่กั[ความยาวคลื่น คลื่นที่เฮิรตซ์ค้นพบ ถูกรู้จักใน นามคลื่นเฮิรตซ์ (Hertzian waves) (ซึ่งต่อมาพบว่าเป็นคลื่นวิทยุ) การทดลองนี้เป็นการทดลองที่สนับสนุนการ ทeนายของแมกซ์เวลล์ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีอยู่จริง ทั้งในรูปของแสงและคลื่นวิทยุ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ ใช้วงจรไฟฟ้าที่มีแท่งโลหะที่มีช่องว่างเล็กๆอยู่ระหว่างกึ่งกลาง เมื่อเกิดการสปาร์คระหว่าง ช่องว่าง ประจุไฟฟ้าจะสั่นด้วยความถี่สูงเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาแผ่ไปในอากาศ โดยการใช้ลวดโลหะดัดโค้งเกือบ เป็นวงกลมโดยเปิดช่องว่างไว้เล็กน้อยตั้งอยู่ในระยะที่ไกลออกไป จะเกิดการสปาร์คระหว่างช่องว่างของห่วงโลหะ

2. 4.สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum)

2.1. สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คือ ชุดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จากการศึกษาพบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามี แหล่งกำเนิดและมีช่วงความถี่แตกต่างกันจึงมีชื่อเรียกแตกต่างกัน เมื่อเรียงล าดับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากความถี่ต่ำไป สูง จะได้ดังนี้ คือกระแสสลับ คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา

3. 5.สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

3.1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถือว่าเป็นคลื่นชนิดหนึ่งจึงมีสมบัติของคลื่นครบทั้งสี่ข้อคือ สะท้อน หักเห เลี้ยวเบนและแทรกสอด นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติพิเศษอีกดังนี้

3.1.1. 1. เคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง

3.1.2. 2. มีความเร็วในสุญญากาศเท่ากับ 3*10^8เมตร/วินาที(ถ้าเคลื่อนที่ในตัวกลางอื่นๆ ที่มีความหนาแน่นมาก ขึ้นเช่น เคลื่อนที่ในน้ำ เคลื่อนที่ในแก้ว ก็จะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่านี้)

3.1.3. 3. เป็นคลื่นตามขวาง

3.1.4. 4. เคลื่อนที่ผ่านโลหะไม่ได้

4. 7.โพราไรเซชัน (Polarization)

4.1. โพลาไรเซชัน เป็นลักษณะเฉพาะตัวของคลื่นตามขวางทุกคลื่น เพื่อให้น้องเห็นแนวคิดเกี่ยวกับโพลาไรเซชัน พี่จะขอย้อนไปพิจารณากรณีคลื่นในเส้นเชือกซึ่งเป็นคลื่นตามขวางที่น้องคุ้นเคยมาแล้วก่อนดังนี้

4.1.1. ถ้าคลื่นในเส้นเชือกมีการกระจัดเฉพาะในแนวแกน y แนวเดียวเท่านั้น ในทางฟิสิกส์เราพูดว่า “ คลื่นมีโพลาไรซ์เชิงเส้นในทิศ y”

4.1.2. ถ้าคลื่นในเส้นเชือกมีการกระจัดเฉพาะในแนวแกน z แนวเดียวเท่านั้น ในทางฟิสิกส์เราพูดว่า “ คลื่นมีโพลาไรซ์เชิงเส้นในทิศ z”

4.2. นิยาม

4.2.1. 1. แสงไม่โพลาไรซ์ คือ แสงที่มีระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้าหลายระนาบไม่แน่นอน เช่น แสงอาทิตย์ แสงจากหลอดไฟ

4.2.2. 2. แสงโพลาไรซ์ คือ แสงที่มีระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้าเพียงระนาบเดียว

4.2.3. 3. โพราไรเซชันของแสง คือ ค าที่ใช้เรียกปรากฎการณ์ที่ท าให้แสงไม่โพลาไรซ์กลายเป็นแสงโพลาไรซ์

4.2.4. 4. แผ่นโพลารอยด์ เป็นวัสดุที่ช่วยลดความเข้มแสงโดยยอมให้สนามไฟฟ้าของแสงผ่านไปได้เฉพาะในแนวที่ขนานกับแกนที่ขนานกับแกนของโพลารอยด์เท่านั้น

5. 1.ลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

5.1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnetic Wave, EMW) เป็นคลื่นที่ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่

5.2. เกิดจากการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกันระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าโดยสนามทั้งสองจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

5.3. ซึ่งทิศทางของสนามทั้งสองจะตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่

5.4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจัดเป็นคลื่นตามขวาง

6. 2.ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กเวลล์

6.1. James Clerk Maxwell(พ.ศ.2374-2422) นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้รวบรวมกฎต่างๆที่เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้ามาสรุปเป็นทฤษฏีโดยนำเสนอในรูปสมการทางคณิตศาสตร์(สมการนี้จะใช้แคลคลูลัส ซึ่งน้องๆจะได้เห็นสมการนี้ตอนเรียนในระดับมหาวิทยาลัย) ซึ่งเขาได้ทำนายไว้ว่า

6.2. 1. เมื่อสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นรอบๆ ไม่ว่าสิ่งนั้นจะเป็น ตัวนำฉนวน ที่ว่างเปล่า หรือสุญญากาศก็ตาม

6.3. 2. ในทางกลับกัน เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆไม่ว่าสิ่งนั้นจะเป็น ตัวนำฉนวน ที่ว่างเปล่า หรือสุญญากาศก็ตาม

6.4. สนามทั้งสองจะเหนี่ยวนำซึ่งกันและกันอย่างต่อเนื่อง เกิดเป็นคลื่นแผ่กระจายออกไปรอบๆแหล่งกำเนิด เนื่องจากเป็นคลื่นที่เกิดจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเหนี่ยวนำกันและกันเราจึงเรียกคลื่นชนิดนี้ว่า“คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า”

7. 6.ชนิดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

7.1. 6.1) คลื่นวิทยุ ( Radio Wave)

7.1.1. มีความถี่อยู่ในช่วง10^4-10^9เฮิรตซ์ เป็นคลื่นที่ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิง ทำการส่งได้โดยเปลี่ยน สัญญาณเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วผสมกับคลื่นวิทยุซึ่งท าหน้าที่เป็นคลื่นพาหะ คลื่นที่ผสมแล้วจะถูกขยายให้มี กำลังสูงขึ้น แล้วส่งไปยังสายอากาศเพื่อกระจายคลื่นไปยังเครื่องรับวิทยุ

7.2. 6.2) ไมโครเวฟ (Microwave)

7.2.1. คลื่นไมโครเวฟมีความถี่อยู่ในช่วง 10^8-10^12 เฮิรตซ์

7.2.2. ไม่สะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์

7.2.3. สะท้อนกับผิวโลหะได้ดีจึงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์ค้นหาวัตถุในท้องฟ้าที่เรียกว่า“เรดาร์”

7.2.4. ไม่ทำปฏิกิริยากับฟิล์มถ่ายรูป

7.2.5. ถูกดูดกลืนด้วยน้ าได้เป็นอย่างดี จึงถูกนำไปใช้ประโยชน์ในเตาไมโครเวฟ

7.2.6. ใช้ส่งสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียม

7.3. 6.3) รังสีอินฟาเรด (Infrared Ray)

7.3.1. รังสีอินฟาเรดมีความถี่อยู่ในช่วง 10^8-10^12 เฮิรตซ์

7.3.2. ทำปฏิกิริยากับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิด

7.3.3. สามารถทะลุผ่านเมฆหมอกที่หนาๆได้

7.3.4. มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่ให้ความรู้สึกร้อนกับผิวหนัง

7.3.5. ใช้สำรวจทรัพยากรธรรมชาติ เช่นการอพยพ

7.3.6. ของฝูงสัตว์โดยใช้ดาวเทียมถ่ายภาพ

7.3.7. ใช้ในอาวุธนำวิถี

7.3.8. ประยุกต์ทำเป็นกล้องส่องสัตว์ในเวลากลางคืน

7.3.9. ใช้เป็นสัญญาณควบคุมในรีโมท

7.4. 6.4) แสงที่ตามองเห็น (Visible Light)

7.4.1. มีความถี่อยู่ในช่วง10^4เฮิรตซ์

7.4.2. ทำปฏิกิริยากับฟิล์มถ่ายรูป

7.4.3. มนุษย์สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า มี 7 สี

7.5. 6.5) รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet Light)

7.5.1. มีความถี่อยู่ในช่วง10^15-10^18 เฮิรตซ์

7.5.2. สามารถฆ่าเชื้อโรคบางชนิดได้

7.5.3. ทำให้สารเรืองแสงเกิดการเรืองแสง

7.5.4. เป็นอันตรายต่อผิวหนังและตาของมนุษย์ถ้าได้รับในปริมาณมาก

7.5.5. ส่วนใหญ่เกิดจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์

7.5.6. ช่วยในกระบวนการสังเคราะห์วิตามินดี

7.5.7. ทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์

7.6. 6.6) รังสีเอกซ์ (X-Ray)

7.6.1. มีความถี่อยู่ในช่วง10^16-10^22 เฮิรตซ์

7.6.2. เกิดจากการเร่งอิเล็กตรอนเข้าชนโลหะหนัก

7.6.3. มีอำนาจทะลุทะลวงสูง

7.6.4. ใช้ตรวจวินิจฉัยโรค และตรวจสอบอาวุธในกระเป๋าเดินทาง

7.6.5. ใช้ศึกษาโครงสร้างของอะตอม

7.6.6. ถูกกันโดยอะตอมของโลหะหนักได้ดีกว่าโลหะเบา

7.7. 6.7) รังสีแกมมา(Gamma Ray)

7.7.1. ถูกกั้นด้วยอะตอมของธาตุหนักได้ดีกว่าอะตอมของธาตุเบา เช่น ตะกั่ว

7.7.2. ใช้ในการรักษาโรค เช่น ใช้โคบอลต์ – 60 รักษาโรคมะเร็ง ใช้ไอโอดีน-131 รักษาโรคคอพอก

7.7.3. ใช้อาบรังสีผลผลิตทางการเกษตรเพื่อให้เก็บรักษาได้นานๆ

7.7.4. ใช้ในการแปลงพันธ์พืช

7.7.5. ใช้เปลี่ยนสีอันญมณี

7.7.6. ทำให้เกิดโรคมะเร็ง

7.7.7. ทำลายเซลของร่างกายตลอดจนเนื้อเยื่อ ถ้าได้รับปริมาณมากอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตได้

7.7.8. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ขึ้นไป ส่วนใหญ่เกิดจากธาตุกัมมันตรังสี

7.7.9. มีอำนาจทะลุทะลวงสูงมาก