WANISA

BENCHAMARACHUTHIT CHANTHABURI คลืน่ แม่เหล็กไฟฟา้ Electromagnetic wave คณุ ครวู นิสา สขุ ประเสริฐ ตาแหน่ง ครู คศ.1 โรงเรียนเบญจมราชทู ิศ จงั หวดั จนั ทบรุ ี สานักงานเขตพนื้ ที่การศึกษามธั ยมศึกษาเขต 17

สเปกตรัม ของคลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ จะประกอบดว้ ย คลื่นแมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ทีม่ คี วามถแ่ี ละความยาวคล่นื แตกตา่ งกัน ซึง่ ครอบคลุมต้ังแต่ คลน่ื แสงที่ตา มองเห็น อัลตราไวโอเลต อนิ ฟราเรด คลน่ื วิทยุ โทรทศั น์ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รงั สแี กมมา เป็น ต้น สมบตั ขิ องคลื่นแม่เหล็กไฟฟา้ 1. ไม่ตอ้ งใช้ตวั กลางในการเคล่อื นท่ี 2. อตั ราเร็วของคล่นื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ทกุ ชนิดใน สญุ ญากาศเท่ากับ อตั ราเรว็ ของแสง คอื 299,792,458 m/s 3. เป็นคลื่นตามขวาง 4. ถ่ายเทพลังงานจากทห่ี นึ่งไปอีกท่หี นึ่ง 5. ถกู ปลอ่ ยออกมาและถกู ดูดกลืนได้โดยสสาร 6. ไม่มีประจุไฟฟา้ 7. คลนื่ สามารถแทรกสอด สะทอ้ น หักเห และ เลย้ี วเบนได้ ** V = ความเรว็ แสง(m/s) **

ประเภทของคลืน่ แมเ่ หล็กไฟฟา้ แสงท่ตี ามองเห็น (Visible light) เป็นเพียงสว่ นหนึ่ง ของคลน่ื แมเ่ หล็กไฟฟา้ ในช่วงซึ่งประสาทตาของมนษุ ย์ สามารถสัมผัสได้ ซง่ึ มีความยาวคลนื่ อยรู่ ะหวา่ ง 400 – 700 นาโนเมตร หากนาแทง่ แก้วปริซมึ (Prism) มาหักเหแสงอาทติ ย์ เราจะเห็นวา่ แสงสขี าวถกู หักเหออกเป็นสีมว่ ง คราม น้าเงิน เขยี ว เหลือง แสด แดง คลา้ ยกับสขี องรุ้งกนิ น้า เรียกวา่ “สเปคตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสมี คี วาม ยาวคล่นื แตกต่างกัน สีมว่ งมคี วามยาวคล่นื นอ้ ยทส่ี ดุ สี แดงมีความยาวคลน่ื มากทีส่ ดุ นอกจากแสงที่ตามองเห็นแลว้ ยังมคี ล่ืนแมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ชนดิ อน่ื ๆ ไดแ้ ก่ รงั สที ม่ี ีความยาวคลน่ื ถัดจากสแี ดงออกไป เรา เรยี กวา่ “รงั สีอนิ ฟราเรด” หรือ “รังสีความร้อน” เรามอง ไมเ่ ห็นรงั สีอินฟราเรด แต่เรากร็ ู้สกึ ถึงความรอ้ นได้

รงั สีแกมม่า (γ - Ray) เป็นคล่นื แมเ่ หล็กไฟฟา้ ทมี่ ีความยาวคลนื่ นอ้ ยกวา่ 0.01 นาโนเมตร โฟตอนของรังสแี กมมามีพลังงานสูง มาก กาเนิดจากแหลง่ พลงั งานนิวเคลียร์ เช่น ดาว ระเบดิ หรอื ระเบดิ ปรมาณู เป็นอันตรายมากตอ่ สงิ่ มชี วี ติ รงั สีเอ็กซ์ (X - Ray) มีความยาวคล่นื 0.01 - 1 นาโนเมตร มีแหลง่ กาเนิดในธรรมชาติ มาจากดวงอาทติ ย์ เราใช้รงั สีเอก็ ซใ์ นทางการแพทย์ เพ่ือส่องผา่ น เซลลเ์ นื้อเย่อื แต่ถ้าไดร้ ่างกายได้รบั รงั สนี ม้ี ากๆ กจ็ ะเป็นอันตราย

รังสเี หนอื มว่ ง (UV) มีความยาวคลืน่ 1 - 400 นาโนเมตร รงั สอี ลุ ตรา ไวโอเลต็ มอี ยู่ในแสงอาทติ ย์ เป็นประโยชน์ตอ่ รา่ งกาย แต่หากไดร้ บั มากเกินไปกจ็ ะทาใหผ้ ิวไหม้ และอาจทาให้เกดิ มะเรง็ ผิวหนัง แสงทีต่ ามองเหน็ (Visible Light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร พลงั งานท่แี ผอ่ อกมาจากดวงอาทิตย์ ส่วนมากเป็นรงั สี ในชว่ งน้ี แสงแดดเป็นแหล่งพลังงานทส่ี าคัญของโลก และยังช่วยในการสังเคราะห์แสงของพืช

รงั สอี นิ ฟราเรด (IR) มคี วามยาวคลื่น 700 นาโนเมตร – 1 มลิ ลิเมตร โลกและสิ่งชีวติ แผ่รงั สีอนิ ฟราเรดออกมา ก๊าซเรือน กระจก เชน่ คารบ์ อนไดออกไซด์ และไอน้า ในบรรยากาศ ดดู ซับรังสีนี้ไว้ ทาใหโ้ ลกมคี วามอบอุ่น เหมาะกับการ ดารงชวี ติ คลนื่ ไมโครเวฟ (Microwave) มคี วามยาวคลน่ื 1 มลิ ลเิ มตร – 10 เซนตเิ มตร ใชป้ ระโยชน์ ในดา้ นโทรคมนาคมระยะไกล นอกจากนนั้ ยงั นามา ประยกุ ตส์ รา้ งพลงั งานในเตาอบอาหาร

คลืน่ วิทยุ ( Radio Wave) คลื่นวทิ ยุมคี วามถ่ีชว่ ง 104 - 109 Hz( เฮิรตซ์ ) ใชใ้ นการสือ่ สาร คลื่นวิทยุมีการสง่ สญั ญาณ 2 ระบบคือ 1.1 ระบบเอเอม็ (A.M. = amplitude modulation) ระบบเอเอ็ม มีช่วงความถ่ี 530 - 1600 kHz( กโิ ลเฮิรตซ์ ) สื่อสารโดยใช้คลืน่ เสยี งผสมเข้าไปกบั คล่ืนวิทยเุ รยี กว่า \"คลนื่ พาหะ\" โดยแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลยี่ นแปลงตามสญั ญาณคล่ืน เสยี ง ในการสง่ คลนื่ ระบบ A.M. สามารถสง่ คลื่นได้ท้ังคล่ืนดินเป็นคลนื่ ท่ี เคลือ่ นทีใ่ นแนวเสน้ ตรงขนานกบั ผิวโลกและคล่ืนฟา้ โดยคล่ืนจะไป สะทอ้ นที่ช้ันบรรยากาศไอโอโนสเฟยี ร์ แล้วสะท้อนกลบั ลงมา จึงไม่ ตอ้ งใช้สายอากาศตัง้ สูงรบั 1.2 ระบบเอฟเอม็ (F.M. = frequency modulation) ระบบเอฟเอม็ มีชว่ งความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สอ่ื สารโดยใช้คล่ืนเสียงผสมเขา้ กบั คล่นื พาหะ โดยความถข่ี องคลน่ื พาหะจะเปลีย่ นแปลงตามสัญญาณคลืน่ เสียง ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลน่ื ได้เฉพาะคล่นื ดนิ อยา่ งเดยี ว ถา้ ตอ้ งการสง่ ให้คลมุ พื้นทตี่ อ้ งมีสถานีถา่ ยทอดและเครอ่ื งรบั ตอ้ งต้ัง เสาอากาศสงู ๆ รบั

ทฤษฎีคลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ ของแมกซ์เวลล์ แมกซเ์ วลลไ์ ดร้ วบรวมกฎตา่ งๆทเ่ี กยี่ วกับแม่เหลก็ ไฟฟา้ มาสรุปเป็นทฤษฎีโดย นาเสนอในรปู ของสมการคณิตศาสตร์ ซึ่งแมกซเ์ วลลใ์ ชท้ านายวา่ สนามไฟฟา้ ท่ี เปลย่ี นแปลงตามเวลา ทาให้เกดิ สนามแมเ่ หล็ก และในขณะเดียวกันสนามแมเ่ หลก็ ที่ เปลีย่ นแปลงตามเวลากท็ าให้เกิดสนามไฟฟา้ ดว้ ย โดยสนามไฟฟา้ และสนามแมเ่ หล็กตา่ งก็ มีทิศต้งั ฉากกัน แมกซเ์ วลล์ยงั ทานายอีกวา่ มคี ลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ เกดิ ขนึ้ จากการเหนย่ี วนา อยา่ งตอ่ เน่อื งระหวา่ งสนามแม่เหลก็ และสนามแมเ่ หล็กทาให้สนามไฟฟา้ และสนามแมเ่ หล็ก เคล่ือนที่ออกจากแหล่งกาเนดิ คล่ืนแมเ่ หลก็ ไฟฟา้ เคลื่อนทไี่ ปในสุญญากาศด้วยอตั ราเร็ว เทา่ กบั อัตราเรว็ ของแสง แมกซ์เวลลจ์ งึ เสนอความคดิ วา่ แสงเป็นคลืน่ แม่เหลก็ ไฟฟา้ ทมี่ ี ความถ่ชี ่วงหนงึ่ คาทานายนี้ไดร้ บั การยืนยันว่าเป็นจรงิ โดยการทดลองของเฮิรตซ์ ผลงานท่ีทาใหเ้ ขามชี ื่อเสียงมากทส่ี ดุ คือทฤษฎีคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟา้ และนอกจากน้ี เขายงั เป็นผนู้ าวิทยาการดา้ นกลศาสตร์สถติ ิมาอธิบายการแจกแจงอตั ราเรว็ ของโมเลกลุ ของแกส๊ ซึ่งมคี วามสาคัญในการพัฒนาทฤษฏีจลนข์ องแก๊ส James Clerk Maxwell (พ.ศ. 2374 - 2422) นักฟสิ ิกส์และคณิตศาสตรช์ าวองั กฤษ

การทดลองของเฮริ ตซ์ Heinrich Hertz (พ.ศ. 2400 - 2437) นกั วทิ ยาศาสตร์ชาว เยอรมนั เป็นผคู้ น้ พบคล่นื แมเ่ หล็กไฟฟา้ ซ่งึ นาไปส่กู ารประดิษฐว์ ทิ ยโุ ทรทัศน์และ เรดาร์ นอกจากนเี้ ขายังแสดงใหเ้ หน็ วา่ แสงเป็นคลืน่ แมเ่ หล็กไฟฟา้ ดว้ ย เฮริ ตซไ์ ดท้ ดลองพิสจู น์ทฤษฎคี ลน่ื แมเ่ หล็กไฟฟา้ ของแมกซเ์ วลล์ โดยใชข้ ดลวดสองขด พันรอบแกนเหล็กวงแหวน ดงั รปู 18.2 ขดลวด A เป็น ขดลวดปฐมภูมิ ขดลวด B เป็นขดลวดทตุ ยภูมิ ซึ่งมีจานวนขดลวดมากกวา่ ขดลวด A มาก ปลายของดลวดทุติยภูมทิ งั้ สองข้างอยู่หา่ งกันเป็นช่องวา่ งแคบ G S เป็นสวติ ชแ์ บบสน่ั ซึ่งการส่นั ของสวิตช์จะทาหน้าทปี่ ิดเปิดวงจรไฟฟา้ ของขดลวด ปฐมภมู ิ มีผลทาใหเ้ กดิ กระแสไฟฟา้ จากแบตเตอรผ่ี า่ นขดลวดปฐมภมู ิ ตามจงั หวะ การปิดเปิดของสวติ ช์ Heinrich Hertz (พ.ศ. 2400 - 2437) นักวทิ ยาศาสตร์ชาวเยอรมัน

ขดลวดเหน่ยี วนาในการทดลองของเฮิรตซ์ เม่ือสวิตชแ์ บบสนั่ ปิด-เปิดวงจรไฟฟา้ กระแสไฟฟา้ ท่ีผา่ นขดลวดปฐมภมู จิ ะ มกี ารเปลี่ยนแปลงเป็นจงั หวะตามไปด้วย ซง่ึ จะทาให้เกิดสนามแม่เหล็กท่มี กี าร เปลี่ยนแปลงภายในแกนเหล็กของวงแหวน เนอื่ งจากขดลวด B มจี านวนขดมาก ดังน้ันสนามแม่เหลก็ ทเี่ ปลย่ี นแปลงนี้จะเหนีย่ วนาทาใหเ้ กิดแรงเคลอื่ นไฟฟา้ ท่ีมคี วาม ตา่ งศักยส์ ูงมาก ความต่างศกั ยช์ ่วงส้ันๆ จะปรากฏทปี่ ลายทง้ั สองขดลวด B ซงึ่ ทาเป็นช่องว่างทแี่ คบไว้ สนามไฟฟา้ ภายในช่องแคบจะมคี า่ มากพอทจ่ี ะทาให้อากาศ ระหว่างช่องแคบแตกตวั จงึ เป็นตัวนาไฟฟา้ ใหก้ ระแสไฟฟา้ ผา่ นชอ่ งแคบได้ ฉะนน้ั ทกุ ครัง้ ที่สวติ ช์ปิดหรือเปิดวงจร จะเหน็ ประกายไฟฟา้ เคลอ่ื นทผ่ี า่ นชอ่ งแคบน้ี เม่อื เฮริ ตซใ์ ชแ้ ผ่นโลหะแบนต่อเขา้ กับปลายทง้ั สองของขดลวดทุตยิ ภมู ิตรง ชอ่ งแคบ G และใช้เสน้ ลวดตวั นางอเป็นรูปวงกลมโดยเหลือช่องแคบ D ไว้ แลว้ นามาใกล้ช่องแคบ G พอสมควร ดงั รูป 18.3 จะสังเกตเห็นประกายไฟฟา้ ท่ีชอ่ ง แคบ D ทุกครง้ั ทเ่ี กิดประกายไฟฟา้ ทชี่ ่องแคบ G เฮิรตซอ์ ธิบายการเกดิ ประกาย ไฟฟา้ ที่ช่องแคบ D ดังนี้ ขณะทเี่ กดิ แรงเคล่อื นไฟฟา้ สูงชว่ งสนั้ ๆ ในขดลวด B ความต่างศักยซ์ ึ่งมีความถ่สี งู มากจะเกิดระหวา่ งแผ่นราบทง้ั สองทตี่ ่อไว้ การรับคลน่ื แมเ่ หลก็ ฟา้ ของเฮิรตซ์

การรบั คล่นื แมเ่ หลก็ ฟา้ ของเฮริ ตซ์ ความถ่นี ส้ี ามารถควบคุมไดด้ ้วยขนาดของแผน่ ราบและชอ่ งว่าง G ในการทดลอง ท่วั ไป ความถจี่ ะมีค่าประมาณ 108 เฮริ ตซ์ ความตา่ งศกั ยแ์ ปรเปลยี่ นที่เกิดขึน้ ชว่ งเวลา หนงึ่ และมีความถี่สูง จะทาให้เกดิ สนามไฟฟา้ และกระแสไฟฟา้ สลบั เคลอื่ นทผ่ี า่ นช่อง G เป็นประกายไฟฟา้ ดังท่ีกลา่ วแล้ว ประการไฟฟา้ ท่ีเกดิ ขนึ้ นัน้ เกดิ จากกระแสไฟฟา้ กระโดด ขา้ มช่องแคบกลับไปกลบั มาหลายๆคร้ัง เพราะสนามไฟฟา้ ระหวา่ งช่อง G ทเ่ี ปลี่ยนแปลง เหนี่ยวนาใหเ้ กิดสนามแมเ่ หล็กทเี่ ปลีย่ นแปลง การเปลยี่ นแปลงสนามแมเ่ หลก็ และ สนามไฟฟา้ นีจ้ งึ ทาใหเ้ กดิ คล่ืนแมเ่ หลก็ ไฟฟา้ แผอ่ อกจากแหลง่ กาเนดิ โดยความถ่ีของคลืน่ มีคา่ เทา่ กับความถีข่ องกระแสไฟฟา้ ทก่ี ระโดดขา้ มช่องแคบไปมา เม่อื คลืน่ แม่เหลก็ ไฟฟา้ เคลื่อนทีผ่ ่านลวดตัวนาวงกลมในรปู ซงึ่ มีรัศมแี ละขนาดชอ่ งแคบ D ที่เหมาะสม จะทาให้ เกดิ ความตา่ งศักยเ์ ปลย่ี นคา่ ทีม่ ีความถสี่ ูงเทา่ กับความถขี่ องคล่นื ทชี่ อ่ งแคบ D น้ี จงึ ทาใหเ้ กดิ สนามไฟฟา้ ความเขม้ สูงมาก จนอากาศระหว่างช่องแคบแตกตัวเป็นไอออน ทาให้ มีกระแสฟา้ ผ่านช่องแคบนเี้ ป็นประกายไฟฟา้ ดังท่เี ห็น การทดลองแต่ละคาอธิบายดงั กล่าวจงึ สนับสนนุ ทฤษฎีคล่นื แมเ่ หล็กไฟฟา้ ของ แมกซเ์ วลล์ และนอกจากนเ้ี ฮริ ตซย์ ังได้ ทาการทดลอง จนไดผ้ ลสรปุ ว่า คลนื่ แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ มคี วามเรว็ เท่ากับความเรว็ ของแสง

การแผ่คล่ืนแม่เหล็กไฟฟา้ จากสายอากาศ ทฤษฎขี องแมกซเ์ วลลแ์ ละการทดลองเฮิรตซท์ าให้ทราบว่า ธรรมชาติมีคลน่ื แมเ่ หล็กไฟฟา้ จรงิ และคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟา้ เกดิ จาก การเคล่ือนทข่ี องประจไุ ฟฟา้ ทถ่ี ูกเรง่ เชน่ อาจเกิดจากการเคล่ือนท่แี บบฮารม์ อนกิ อยา่ งงา่ ยของประจุไฟฟา้ ในสายอากาศทตี่ ่อกบั แหล่งกาเนดิ ไฟฟา้ กระแสสลบั แทนการปิดเปิดสวิตช์ไฟฟา้ กระแสตรงจากแบตเตอรี่ เมอ่ื ตอ่ แหล่งกาเนิดไฟฟา้ กระแสสลับเขา้ กับสายอากาศทีอ่ ยู่ในแนวด่ิง ประจไุ ฟฟา้ ในสายอากาศจะเคล่ือนทีก่ ลบั ไปมาด้วยความเรง่ ในแนวดงิ่ เพราะประจไุ ฟฟา้ ทม่ี คี วามเรง่ จะแผร่ งั สี จงึ ทาใหเ้ กิดคล่นื แมเ่ หล็กไฟฟา้ กระจายออกมาจากสายอากาศทุกทศิ ทาง ยกเวน้ ทศิ ที่อยู่ในแนวเสน้ ตรงเดียวกับสายอากาศ การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟา้ ในทศิ ตง้ั ฉากกบั สายอากาศเป็นดงั แผนภาพใน