รูปภาพ-4

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การประยุกต์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จัดทำโดย นางสาวชลดา จันทะคุณ Eม6/2 เลขที่25 เสนอ อาจารย์ไพโรจน์ ขุมขำ หนังสือเล่มนี้เป็นส่วนหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ โรงเรียนชาติตระการวิทยา อำเภอชาติตระการ จังหวัดพิษณุโลก ภาคเรียนที่2 ปีการศึกษา2564

คำนำ หนับสือเล่มนี้เป็นส่วนหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ จัดทำขึ้นเพื่อให้ผู้ที่ สนใจศึกษาเดี่ยวสเปกของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ความรู้เดี่ยว กับ เครื่องฉายรังสีเอกซ์ เครื่องถ่ายภาพเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์ เครื่องควบคุมระยะไกล เครื่องระบุตำแหน่งบนพื้นโลก และ เครื่องถ่ายภาพการสั่นพ้องของแม่เหล็ก นางสาวชลดา จันทะคุณ ผู้จัดทำ

สารบัญ หน้า เรื่อง 1 1 คำนำ 2 สารบัญ 3 18 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 4 5 18.4 การประยุคต์ใช้แม่เหล็กไฟฟ้า 18.4.1เครื่องฉายรังสีเอกซ์ 6 18.4.2เครื่องควบคุมระยะไกล 7 18.4.3เครื่อวระบุตำแหน่งบนพื้นโลก 18.4.4เครื่องถ่ายภาพการสั่นพ้องของแม่เหล็ก ตัวอย่าง แบบฝึกหัด เฉลยแบบฝึกหัด

บทที่18 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 1 18.4 การประยุคต์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า      1.ประโยชน์ของคลื่นวิทยุ[แก้] การสื่อสารถือว่าเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับมนุษย์เรา เรามีการติดต่อสื่อสารกันหลาย ลักษณะนอกเหนือจากการพูดคุยกัน การใช้วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์มือถือ เป็นปัจจัย สำคัญสำหรับมนุษย์ที่จะรับทราบความเป็นไปต่างๆซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้จะทำงานได้ ต้องอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า คลื่นวิทยุ 2.ประโยชน์ของคลื่นไมโครเวฟ ได้มีการนำคลื่นไมโครเวฟมาใช้เพื่อตรวจหาตำแหน่ง โดยในช่วงความยาวคลื่น ประมาณ 0.5 cm.- 1 m. เป็นเรดาร์จับวัตถุที่เคลื่อนไหว เช่น วัตถุหรือเครื่องบินใน อากาศ เป็นต้น ใช้เป็นแหล่งกำเนิดความร้อน เช่น ทำให้อาหารสุกโดยใช้เตา ไมโครเวฟ เป็นต้น 3.ประโยชน์ของรังสีอินฟาเรต            มีการนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงรังสีอินฟาเรต มาใช้ประโยชน์ในการ ค้นหาสัตว์ป่าในที่มืดเพื่อการศึกษา ใช้ในการถ่ายรูปในช่วงที่มีเมฆ หมอก หนาทึบ หรือทัศนวิสัยไม่ดี ใช้อบอาหารในเตาที่ใช้รังสีอินฟาเรต ใช้ในอุตสาหกรรมอบสี ใช้ ในการรักษาโรคผิวหนังบางชนิด 4.ประโยชน์ของรังสีอัลตาไวโอเลต การรับรังสีอัลตาไวโอเลตในปริมาณที่ไม่มากจนเป็นอันตราย จะทำให้เกิดประโยชน์ ต่อร่างกายมนุษย์ ในการช่วยสร้างวิตามินดี แต่การรับในปริมาณที่มากเกินไปจะเป็น สาเหตุของการเกิดมะเร็งที่ผิวหนังได้ การนำรังสีอัลตาไวโอเลตมาใช้ประโยชน์ใน ด้านอื่นๆ มีหลายประการ เช่น การใช้รังสีอัลตาไวโอเลตในการแพทย์โดยใช้ฆ่าเชื้อ โรค ทำความสะอาดเครื่องมือแพทย์ ใช้รักษาอาการตัวเหลืองในเด็กทารก ใช้ใน อุตสาหกรรมผลิตอาหารโดยนำรังสีอัลตาไวโอเลตมาใช้ฆ่าเชื้อโรค 5.ประโยชน์ของรังสีเอกซ์ รังสีเอกซ์เป็นคลื่่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอำนาจทะลุผ่านสูงจึงสามารถนำมาใช้ ประโยชน์ได้หลายด้าน - ใช้ตรวจสอบรอยร้าวของส่วนประกอบสิ่งก่อสร้าง - ใช้ตรวจหาอาวุธหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทางบริเวณด่านตรวจคนเข้าเมือง - ใช้ตรวจดูอวัยวะภายในและใช้รักษาโรคมะเร็งหรือใช้ในการศึกษาการจัดเรียงตัว ของอะตอมในผลึก

18.4.1 เครื่องฉายรังสีเอกซ์ 2 รังสีเอกซ์ (X-ray หรือ Röntgen ray) เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มี ความยาวคลื่นในช่วง 10 ถึง 0.01 นาโนเมตร ตรงกับความถี่ในช่วง 30 ถึง 30,000 เพตะเฮิรตซ์ (1015 เฮิรตซ์) ในเบื้องต้นมีการใช้รังสีเอกซ์สำหรับ ถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัยโรค และงานผลึกศาสตร์ (crystallography) รังสีเอก ซ์เป็นการแผ่รังสีแบบแตกตัวเป็นไอออน และมีอันตรายต่อมนุษย์ รังสีเอกซ์ค้น พบโดยวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน เมื่อ ค.ศ. 1895 ทฤษฎีอิเล็กตรอนสมัยปัจจุบัน อธิบายถึงการเกิดรังสีเอกซ์ว่า ธาตุประกอบด้วย อะตอมจำนวนมากในอะตอมแต่ละตัวมีนิวเคลียสเป็นใจกลาง และมีอิเล็กตรอน วิ่งวนเป็นชั้น ๆ ธาตุเบาจะมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่น้อยชั้น และธาตุหนักจะมี อิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่หลายชั้น เมื่ออะตอมธาตุหนักถูกยิงด้วยกระแสอิเล็กตรอน จะทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในถูกชนกระเด็นออกมาวิ่งวนอยู่รอบนอกซึ่งมีภาวะ ไม่เสถียรและจะหลุดตกไปวิ่งวนอยู่ชั้นในอีก พร้อมกับปล่อยพลังงานออกในรูป รังสี ถ้าอิเล็กตรอนที่ยิงเข้าไปมีพลังงานมาก ก็จะเข้าไปชนอิเล็กตรอนในชั้นลึก ๆ ทำให้ได้รังสีที่มีพลังงานมาก เรียกว่า ฮาร์ดเอกซเรย์ (hard x-ray) ถ้า อิเล็กตรอนที่ใช้ยิงมีพลังงานน้อยเข้าไปได้ไม่ลึกนัก จะให้รังสีที่เรียกว่า ซอฟต์ เอกซเรย์ (soft x-ray) กระบวนการเกิดหรือการผลิตรังสีเอกซ์ทั้งโดยฝีมือมนุษย์และในธรรมชาติ มีอยู่ 2 วิธีใหญ่ ๆ คือ • เป็นวิธีผลิตรังสีเอกซ์โดยการยิงลำอนุภาคอิเล็กตรอนใส่แผ่นโลหะ เช่น ทั้งสเตน อิเล็กตรอน ที่เป็นกระสุนจะวิงไปชนอิเล็กตรอนของอะตอมโลหะ ที่เป็นเป้า ทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกชนเปลี่ยนตำแหน่ง การโคจรรอบ นิวเคลียส เกิดตำแหน่งที่ว่างของอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนิวเคลียสเดิม อิเล็กตรอนตัวอื่นที่ อยู่ในตำแหน่งวงโคจรมีพลังงานสูงกว่า จะกระโดด เข้าไปแทนที่ของอิเล็กตรอนเดิมแล้วปล่อยพลังงานออก มาในรูปของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือ รังสีเอกซ์

18.4.3 เครื่องควบคุมระยะไกล 3 โดยทั่วไปมีการควบคุมระยะไกลสองประเภท: อินฟราเรด (IR) และ ความถี่วิทยุ (RF) การควบคุมระยะไกลอินฟราเรดทำงานโดยการส่งพัลส์ ของแสงอินฟราเรดไปยังอุปกรณ์ในขณะที่การควบคุมระยะไกล RF ใช้ คลื่นวิทยุในลักษณะเดียวกัน ในทางปฏิบัติความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุด ระหว่างสองคือช่วง การควบคุมระยะไกลของ IR ต้องการแนวสายตาที่ ชัดเจนไปยังอุปกรณ์ที่รับสัญญาณและระยะของมันจะอยู่ที่ประมาณ 30 ฟุต (9.14 เมตร) รีโมทคอนโทรล RF สามารถทะลุกำแพงและรอบ ๆ ได้ ด้วยระยะ 100 ฟุต (30.48 เมตร) ส่วนประกอบความบันเทิงภายในบ้านส่วนใหญ่เช่นสเตอริโอโทรทัศน์และ ศูนย์ความบันเทิงภายในบ้านใช้รีโมทควบคุม IR รีโมตมีแผงวงจรภายใน ตัวประมวลผลและไดโอดเปล่งแสง (LEDs) หนึ่งหรือสองตัว เมื่อคุณกดปุ่มบนรีโมทคอนโทรลมันจะส่งรหัสที่สอดคล้องกันไปยัง อุปกรณ์ที่รับสัญญาณโดยใช้หลอดไฟ LED อินฟราเรด แนวคิดนี้คล้ายกับ การกระพริบสัญญาณ SOS แต่แทนที่จะเป็นตัวอักษรไฟ LED ที่กระพริบ จะส่งสัญญาณเป็นชุด 1s และ 0s “ 1” อาจแสดงด้วยแฟลชยาวในขณะ ที่“ 0” เป็นแฟลชสั้น ตัวรับสัญญาณที่อยู่ในส่วนประกอบรับพัลส์ของแสง และหน่วยประมวลผลถอดรหัสแสงแฟลชเป็นบิตดิจิตอลที่จำเป็นในการ เปิดใช้งานฟังก์ชั่น นอกเหนือจากฟังก์ชั่นที่ต้องการแล้วรีโมตคอนโทรลยังต้องสำรองข้อมูล อื่น ๆ ประการแรกพวกเขาส่งรหัสสำหรับอุปกรณ์ที่พวกเขากำลังควบคุม ซึ่งจะช่วยให้ตัวรับสัญญาณ IR ในองค์ประกอบทราบว่าสัญญาณ IR ที่รับ ได้นั้นมีไว้สำหรับมัน โดยพื้นฐานแล้วจะบอกให้ส่วนประกอบเริ่มฟัง ข้อมูล ฟังก์ชั่นดังต่อไปนี้ปกคลุมด้วยคำสั่งหยุดเพื่อบอกให้อุปกรณ์ IR กลับไปสู่ โหมดพาสซีฟ รีโมตคอนโทรลบางตัวอาจมีความพิถีพิถันมากโดยผู้ใช้ต้องชี้รีโมตไปยัง ส่วนประกอบโดยตรง นี่คือสาเหตุที่ส่งสัญญาณอ่อนแอ การเปลี่ยน แบตเตอรี่สามารถช่วยได้ แต่หากตัวส่งสัญญาณไม่ดีพัลส์จะถูกส่งใน ลำแสงแคบ เครื่องส่งสัญญาณ IR ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและการ ควบคุมระยะไกลด้วย LED คู่ส่งลำแสงที่กว้างขึ้นซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถชี้ ระยะไกลไปในทิศทางทั่วไปของเครื่องส่งสัญญาณ

18.4.4 เครื่องระบุตำแหน่งบนพื้นโลก 4 ซึ่งถ้าแปลให้ตรงตัวแล้วคือ “ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก” ระบบนี้ได้ พัฒนาขึ้นโดยกระทรวงกลาโหม ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งจัดทำโครงการ Global Positioning System มาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2521 โดยอาศัย ดาวเทียมและระบบคลื่นวิทยุนำร่องและรหัสที่ส่งมาจากดาวเทียม NAVSTAR จำนวน 24 ดวง โดยแบ่งเป็นชุด ชุดละ 4 ดวงโดยทำการ โคจรอยู่รอบโลกวันละ 2 รอบ และมีตำแหน่งอยู่เหนือพื้นโลกที่ความสูง 20,200 กิโลเมตร 1.  องค์ประกอบหลักของ GPS  ระบบกำหนดตำแหน่งบนโลก ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ ส่วนอวกาศ (Space segment) ส่วนสถานีควบคุม (Control segment) และส่วนผู้ ใช้ (User segment) 1) ส่วนอวกาศ(Space segment) เป็นส่วนที่อยู่บนอวกาศ ประกอบด้วยดาวเทียม 24 ดวง โดยมี 21 ดวง แบ่งเป็น 6 วงโคจร วงโคจรละ 4 ดวง อยู่สูงจากพิ้นดินประมาณ 20,200 กิโลเมตร ทำหน้าที่ส่งสัญญาณคลื่นวิทยุจากอวกาศ 2) ส่วนสถานีควบคุม(Control segment) ประกอบไปด้วยสถานีภาคพื้นดินที่ควบคุมระบบ ที่กระจายอยู่ตามส่วนต่าง ๆ ของโลก โดยแบ่งออกเป็นสถานีควบคุมหลัก ตั้งอยู่ที่ฐานทัพอากาศใน เมืองโคโลราโดปสริงส์ (Colorado Springs) มลรัฐโคโรลาโดของ สหรัฐอเมริกาสถานีติดตามดาวเทียม 5 แห่ง ทำการรังวัดติดตามดาวเทียม ตลอดเวลา สถานีรับส่งสัญญาณ 3 แห่ง 3) ส่วนผู้ใช้ (User segment) ประกอบด้วยเครื่องรับสัญญาณ หรือเครื่องรับจีพีเอส GPS ซึ่งมีหลายขนาด สามารถพกพาติดตัวหรือ จะติดไว้ในรถ เรือ เครื่องบินก็ได้

18.4.4 เครื่องถ่ายภาพการสั่นพ้องของแม่เหล็ก 5 นับตั้งแต่ได้มีการค้นพบ เอ็นเอ็มอาร์ ในปี ค.ศ. 1946 เอ็นเอ็มอาร์ได้ถูกนำมาใช้ ศึกษาสมบัติเชิงแม่เหล็กของนิวเคลียสโดยนักฟิสิกส์ นักโบราณคดี นักดาราศาสตร์ นัก ธรณีวิทยาและวิศวกร ต่างก็ใช้หัววัดเอ็นเอ็มอาร์วัดสนามแม่เหล็ก นักเคมีได้พบว่าเอ็น เอ็มอาร์เป็นวิธีการสำคัญในการวิเคราะห์หาโครงสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์และสารประ กอบใหม่ๆ รวมทั้งการสังเคราะห์สารประกอบใหม่ที่ยังไม่เคยมีใครค้นพบมาก่อน โดย เฉพาะในอุตสาหกรรมผลิตยาเอ็นเอ็มอาร์ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับสารสังเคราะห์จำพวกพอลิเม อร์ ซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐานของพลาสติก และมีการใช้เอ็นเอ็มอาร์วิเคราะห์ผลผลิตจาก ธรรมชาติที่สกัดได้จากพืชและสัตว์ นอกจากนี้ยังใช้เอ็นเอ็มอาร์ศึกษาผลของยาที่มีต่อ มนุษย์ แม้ว่ายานั้นจะมีปริมาณน้อยมาก นักชีววิทยาก็ใช้เอ็นเอ็มอาร์ศึกษาโครงสร้าง ของโปรตีนและการทำงานของเอนไซม์ เป็นต้น การประยุกต์เอ็นเอ็มอาร์ที่สำคัญและเกี่ยวข้องโดยตรงกับมนุษย์ก็คือ มีการนำหลักการ ของเอ็นเอ็มอาร์ร่วมกับเทคโนโลยีด้านคอมพิวเตอร์ด้านคอมพิวเตอร์ไปใช้ในการถ่ายภาพ ภาคตัดขวางของร่างกายมนุษย์ (magnetic resonane imaging เรียกย่อว่า MRI) ในการถ่ายภาพภาคตัดขวางของร่างกายมนุษย์นั้น นิวเคลียสที่เกี่ยวข้องก็คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน เนื่องจากธาตุไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเซลล์สิ่งมี ชีวิตและมีปริมาณมากที่สุด ในร่างกายมนุษย์มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบถึงร้อยละ 75 และนิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสที่มีโครงสร้างที่ง่ายที่สุด ซึ่งมีองค์ประกอบคือ โปรตอนเพียงตัวเดียวเพราะเหตุว่าโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีสปินและโมเมนต์แม่เหล็ก ดัง นั้นเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กจึงทำให้เกิ ดปรากฏการณ์เอ็นเอ็มอาร์ได้

แบบฝึกหัด 6 1. การประยุกต์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีกี่แบบ ได้แก่อะไรบ้าง 2.เครื่องถ่ายภาพเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์เมื่อนำมาใช้โดยการ แพทย์ตรวจวินิจฉัยอวัยวะ มีความผิดปกติหรือไม่ เพราะเหตุ ใด 3.จงยกตัวอย่างการใช้ประโยชน์และผลกระทบเครื่องระบุ ตำแหน่งโลก 4.การใช้เครื่องระบุตำแหน่งโลกมีความสะดวกอย่างไรต่อ มนุษย์ ข้อดี ข้อเสีย

เฉลย 7 1.ตอบ -เครื่องฉายรังสีเอกซ์ -เครื่องถ่ายภาพเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์ -เครื่องควบคุมระยะไกล -เครื่องระบุตำแหน่งบนพื้นโลก -เครื่องถ่ายภาพการสั่นพ้องของแม่เหล็ก 2.ตอบ ไม่ เพราะ แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ จะหมุนรอบร่างกาย พร้อมกับฉายรีงสีเอกซ์ผ่านร่างกาย บริเวณอวัยวะที่ต้องการตรวจสอบความผิดปกติต่างๆจนอวัยวะนั้นไปยังอุปกรณ์ตรวจวัดรีงสีที่อยู่ ในทิศตรงกันข้าม 3.ตอบ ตัวอย่างการใช้ประโยชน์ของเครื่องวัดตำแหน่งโลก เช่น การระบุตำแหน่งบนพื้นโลก ใน ปัจจุบันส่วนใหญ่จะใช้ระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลกหรือ พีเอส (global positioning system หรือ GPS) ซึ่งจะประกอบไปด้วยศูนย์ควบคุมภาคพื้นดิน ดาวเทียม งสัญญาณ และเครื่องระบุตำแหน่งบนพื้นโลก โดยมีหลักการทำงาน - ดาวเทียมส่งสัญญาณจะส่งข้อมูลตำแหน่งและเวลาของดาวเทียมขณะส่งสัญญาณ โดยผสม ญาณเข้ากับไมโครเวฟ เมื่อเครื่องระบุตำแหน่งบนพื้นโลกรับสัญญาณจากดาวเทียม เป็นต้น 4.ตอบ ข้อดี • รู้ทุกเส้นทางที่รถไปมา รวมถึง วัน เวลา ความเร็ว ทิศทาง ระยะทางทั้งหมด • ใช้ได้ทั้งการคมนาคมทั้งทางบก ทางน้ำ หรือในอวกาศ • ประหยัดรายจ่ายและค่าน้ำมัน เพิ่มเที่ยวขนส่งงานโดยไม่เพิ่มจำนวนรถ • ไม่มีค่าใช่จ่ายรายเดือน • เป็นเครื่องมือช่วยในการตัดสินใจได้ดี ประโยชน์ที่ได้รับจากระบบติดตามยานพาหนะ ข้อเสีย • เครื่องรับสัญญาณบางประเภทราคาแพง • รางถ่านบางประเภทอาจมีปัญหา ถ้านำไปขี่จักรยานอาจจะดับได้ง่ายๆ แต่สามารถแก้ไขได้ โดยการโมรางถ่านนิดหน่อย • อาจเกิดปัญหาที่เกิดจากดาวเทียม (Check error, Ephemeris error) อาจเกิดจาก วงโคจร คลาดเคลื่อน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์หรืออาจจะเกิดจากความคลาด เคลื่อนของนาฬิกาเพียงเล็กน้อยจะทำให้การคำนวณระยะทางผิดพลาด ได้มากเนื่องจาก ดาวเทียมอยู่สูงมาก