PhySci: Electromagnetic Wave (2)

Electromagnetic Waveคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จัดทำโดย นาย ชานล เตชะกิติกรกุล ม.4.2 เลขที่ 10 นาย ฉัตรดนัย นาชอน ม.4.2 เลขที่ 20 นาย ประณพ ภิราญคำ ม.4.2 เลขที่ 22



คำนำ หนังสือ E-book เล่มนี้จัดทำขึ้นเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของวิ ชวิทยาศาสตร์กายภาพ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 เพื่อให้ได้ศึกษา หาความรู้ในเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ศึกษาอย่างเข้าใจ เพื่อเป็นประโยชน์กับการเรียน ผู้จัดทำหวังว่า หนังสือ E-book เล่มนี้จะเป็นประโยชน์กับผู้อ่าน หรือ นักเรียน นักศึกษา ที่กำลังหาข้อมูลเรื่องนี้อยู่ หากมีข้อแนะนำ หรือข้อผิดพลาดประการใด ผู้จัดทำขอน้อมรับไว้และขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วย ผู้จัดทำ วันที่ 8 มีนาคม 2566

สารบัญ 1 2 ◙⠀คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ◙⠀สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 3-6 ◙⠀ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ ⠀⠀และการทดลองของแฮทซ์. 7 ◙⠀สรุปทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ 8 แมกซ์เวลล์และการทดลองของแฮทซ์. 9 ◙⠀สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตาม 10 ⠀⠀ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ 11 ◙⠀หลักสำคัญของแมกซ์เวลล์ ◙⠀ตััวอย่าง ◙⠀บรรณานุกรม

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้่าเกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic disturbance) โดยการทำให้สนามไฟฟ้า หรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนาม แม่เหล็ก หรือถ้าสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำ ให้เกิดสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนาม ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกันและอยู่บน ระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง จึงสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ สเปกตรัม (Spectrum) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มี ความถี่และความยาวคลื่นแตกต่างกัน ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ คลื่น แสงที่ตามองเห็น อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด คลื่นวิทยุ โทรทัศน์ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงมีประโยชน์มากในการสื่อสารและ โทรคมนาคม และทางการแพทย์ 1

สมบัติของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 1. ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ 2. อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 3x108m/s ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง 3. เป็นคลื่นตามขวาง 4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง 5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร 6. ไม่มีประจุไฟฟ้า 7. คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้ 2

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของ แมกซ์เวลล์และการทดลอง ของแฮทซ์. ในช่วงเวลาก่อนศตวรรษที่ 19 มีการทดลองที่ยืนยันได้ว่าแสง มีพฤติกรรมเป็นคลื่น แต่ไม่ทราบว่าเป็นคลื่นประเภทใด และ อะไรที่กำลังสั่นอยู่ในคลื่นแสงนั้น ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวสกอตชื่อ เจมส์ คลา ร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell, ค.ศ. 1831 -1879) ได้ ศึกษาสภาวะไฟฟ้าและแม่เหล็กรวมไปถึงสิ่งที่ยังเป็นข้อสงสัย จนในที่สุดได้พัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นการรวม ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นทฤษฎีหนึ่งเดียวที่ยิ่ง ใหญ่และสวยงาม โดยแมกซ์เวลล์ได้แสดงให้เห็นว่า ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กทั้งหมด 3 ภาพขดลวดเหนี่ยวนำในการทดลองของเฮิรตซ์ ที่มา : ดัดแปรงจาก http://physicalmagneticwave15.blogspot.com/

ผลงานของแมกซ์เวลล์ได้นำไปสู่สิ่งที่อาจกล่าวได้ว่าเป็นการค้น พบทางฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในศตวรรษที่ 19 นั่นคือ การค้นพบ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) คลื่นประเภทนี้ ถูกประยุกต์ในงานต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก อาทิเช่น วิทยุ โทรทัศน์ เตาไมโครเวฟ โทรศัพท์เคลื่อนที่ และอินเทอร์เน็ต ไร้สาย เป็นต้น หากไม่มีการค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของ แมกซ์เวลล์แล้ว ชีวิตประจำวันของเราจะแตกต่างไปจากทุกวันนี้ มาก ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 มีนักวิทยาศาสตร์หลายท่านได้ศึกษา และพัฒนาทฤษฎีต่าง ๆ ทางด้านไฟฟ้าและแม่เหล็ก ไม่ว่าจะ เป็นเออร์สเตด แอมแปร์ ฟาราเดย์ และท่านอื่น ๆ การพัฒนา ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงต้นนี้ไม่ได้พิจารณาในรูปของ สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเช่นในปัจจุบัน มีเพียงแนวคิด ของสนามไฟฟ้า ที่เสนอโดยฟาราเดย์ในช่วงต่อมา แต่ก็ยังไม่ ได้ใช้ทั่วไปตราบจนกระทั่งแมกซ์เวลล์ได้แสดงให้เห็นว่า ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กทั้งหมดสามารถอธิบายได้ ด้วยสมการเพียง 4 สมการที่อยู่ในรูปของสนามไฟฟ้าและสนาม แม่เหล็ก สมการชุดนี้เรียกว่าสมการแมกซ์เวลล์ 4

สมการหนึ่งในชุดสมการแมกซ์เวลล์ คือกฎฟาราเดย์ ซึ่งกล่าว ว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนตามเวลาทำให้เกิดสนามไฟฟ้าได้ แมกซ์เวลล์จึงเสนอแนวคิดที่อยู่บนหลักการความสมมาตรของ ธรรมชาติว่า สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนตามเวลาจะทำให้เกิดสนามแม่ เหล็ก สมมติฐานของแมกซ์เวลล์เป็นจริง ดังนั้นไม่ว่าสนามไฟฟ้า หรือสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนตามเวลา สนามอีกประเภทหนึ่งจะ ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในบริเวณติดกันด้วยเมื่อแมกซ์เวลล์ วิเคราะห์สมการที่เกี่ยวข้องพบว่า โดยสุทธิแล้วผลของสนามที่ เหนี่ยวนำซึ่งกันและกันนี้จะทำให้เกิดคลื่นของสนามไฟฟ้า และ สนามแม่เหล็กที่แผ่ผ่านปริภูมิจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณ หนึ่งได้ แม้ว่าจะไม่มีสสารอยู่ในบริเวณนั้น เรียกการแผ่เช่นนี้ ว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนั้นยังพบอีกว่าคลื่นที่แผ่ออกไปมี อัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วของแสง แมกซ์เวลล์จึงสรุปว่า แสงเป็น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หลังจากนั้นเป็นเวลาไม่นาน แนวคิดของแมกซ์เวลล์ก็ได้รับ การยอมรับโดยทั่วไป แต่ต้องรอเป็นเวลานานถึง 8 ปี หลังจาก แมกซ์เวลล์เสียชีวิตไปแล้ว คำทำนายเกี่ยวกับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงได้รับการยืนยันจากการทดลองโดยนัก ฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ ไฮน์ริช รูดอล์ฟ แฮทซ์ (Heinrich Rudolf Hertz, ค.ศ. 1857-1894) 5

ชุดการทดลองของแฮทซ์ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้ารูปทรงกลม 2 ขั้ว ต่อกับแหล่งโวลเตจสลับ ซึ่งทำให้ประจุแกว่งกวัดไปมาได้ ในช่วงเวลาสั้นๆ และทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ ประมาณ 109 Hz แฮทซ์ตรวจวัดคลื่นที่เกิดขึ้นที่ระยะห่างออกไป ด้วยห่วงเส้นลวด โดยเมื่อสนามแม่เหล็กที่กำลังเปลี่ยนใน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านห่วง จะทำให้เกิดอีเอ็มเอฟในห่วงได้ นอกจากนั้นแฮทซ์ยังสร้างคลื่นนิ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้น วัดระยะห่างระหว่างบัพที่ติดกัน ทำให้หาความยาวคลื่นได้ เนื่องจากทราบความถี่ที่ใช้สร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึง คำนวณหาอัตราเร็วของคลื่นได้จากสมการ อัตราเร็ว = (ความยาวคลื่น)(ความถี่) ด้วยวิธีนี้แฮทซ์จึงยืนยันได้ ว่าอัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีค่าเท่ากับอัตราเร็วแสง นี่ เป็นการยืนยันคำทำนายทางทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ ความถี่ใน ระบบเอสไอจึงกำหนดให้ใช้หน่วยเป็นเฮิรตซ์ ซึ่งใช้แทนหน่วย รอบต่อวินาที เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน 6

สรุปทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ของแมกซ์เวลล์และการ ทดลองของแฮทซ์. ได้ศึกษาสภาวะไฟฟ้าและแม่เหล็กรวมไปถึงสิ่งที่ยังเป็น ข้อสงสัย จนในที่สุดได้พัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นการ รวมปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นทฤษฎีหนึ่งเดียวที่ยิ่ง ใหญ่และสวยงาม ผลงานของแมกซ์เวลล์ คือการค้นพบ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นประเภทนี้ถูกประยุกต์ในงานต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก สมการหนึ่งในชุดสมการแมกซ์เวลล์ คือกฎฟาราเดย์ ซึ่ง กล่าวว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนตามเวลาทำให้เกิดสนามไฟฟ้า ได้ แมกซ์เวลล์จึงเสนอแนวคิดที่อยู่บนหลักการความสมมาตรของ ธรรมชาติว่า สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนตามเวลาจะทำให้เกิดสนามแม่ เหล็ก จากการทดลองของแฮทซ์ ทำให้ค้นพบสูตรคำนวณหา อัตราเร็วของคลื่นได้จาก อัตราเร็ว = (ความยาวคลื่น)(ความถี่) ด้วยวิธีนี้แฮทซ์จึงยืนยันได้ว่าอัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามี ค่าเท่ากับอัตราเร็วแสง นี่เป็นการยืนยันคำทำนายทางทฤษฎีของ แมกซ์เวลล์ ความถี่ในระบบเอสไอจึงกำหนดให้ใช้หน่วยเป็น เฮิรตซ์ ซึ่งใช้แทนหน่วยรอบต่อวินาที 7

สมบัติของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตาม ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ 1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดต้องมีความเร็วเท่ากับแสง 2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกตัวมีพลังงาน 3.ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดกลืน จะทำให้วัตถุที่รับคลื่นนั้น ร้อนขึ้น 4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดใดก็ตามเมื่อเกิดขึ้นแล้วต้องมีวิธี การที่ส่งพลังงานต่อไป 8

หลักสำคัญของแมกซ์เวลล์ แมกซ์เวลล์ให้หลักว่า เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง หรือความหน่วงจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ โดยการเคลื่อนที่ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเกิดจากการเหนี่ยวนำระหว่างสนามไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็กในสามมิติและเมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสนาม แม่เหล็กและสนามไฟฟ้าจะพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน กล่าว คือสนามทั้งสองจะมีค่าสูงสุดพร้อมกันและต่ำสุดพร้อมกัน นั่นคือทั้ง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีเฟสตรงกัน โดยทิศของสนาม ไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก และสนามทั้งสองมีทิศตั้ง ฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น 9

ตัวอย่างที่ 1 ในกรณีใดบ้างที่เกิดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิด ขึ้น ก. ปล่อยไฟฟ้ากระแสตรงให้ไหลผ่านหม้อแปลงที่ต่อครบ วงจร ข. เมื่อขดลวดเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก ค. เมื่อขดลวดอยู่นิ่งในสนามแม่เหล็กที่มีค่าไม่คงที่ ง. เมื่อเคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กเข้าหาขดลวด จ. ในขณะต่อหรือถอดขั้วแบตเตอรี่เข้ากับขดลวดที่วางใกล้ ขดลวดอีกขดที่ต่อครบวงจร คำตอบที่ถูกต้องคือข้อใด 1. ข้อ ก ข และ ค 2. 2. ข้อ ข ค และ ง 3. ข้อ ข ค ง และ จ 4. 4. ข้อ ก ข ค ง และ จ เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 3. ข้อ ข ค ง และ จ ตัวอย่างที่ 2 รังสีอินฟราเรดและคลื่นไมโครเวฟมีสิ่งที่เหมือนกัน คือ ก. เป็นคลื่นประเภทเดียวกัน ข. มีประโยชน์ในการสื่อสาร ค. ตรวจจับด้วยฟิล์มถ่ายรูปเหมือนกัน ข้อที่ถูกต้องคือข้อใด 1. ข้อ ก เท่านั้น 2. ข้อ ก และข 3. ข้อ ข และ ค 4. ข้อ ก ข และ ค เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 2. ข้อ ก และ ข 10

บรรณานุกรม https://www.scimath.org/lesson-physics/item/11529- 2020-05-01-03-02-13? fbclid=IwAR3QYpMO8vksH1gVB5Qe5OlLyrpAPc4HAIqLYR- UIwcfE4gdGCte3sHwq0M https://th.wikipedia.org/wiki/ คลื่น#:~:text=2)%20คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า%20(electromagne tic%20wave),เช่น%20แสง%20คลื่นวิทยุ%20คลื่นโทรทัศน์ 11