More Related Content
What's hot (20)
Viewers also liked (6)
Similar to คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า (20)
คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า
- 1. สาระการเรียนรู้ท่ี ٣ เร่ ือง คล่ ืนแม่เหล็กไฟฟู า สมมติฐานของแมกซ์เวลล์ จากการศึกษาเกี่ยวกับ ไฟฟ้าสถิต ไฟฟ้ากระแสและไฟฟ้า- แม่เหล็ก สรุปหลักการ ที่ สำาคัญได้ดังนี้ คือ 1. เมื่อมีประจุอิสระจะทำาให้เกิดสนามไฟฟ้ารอบๆประจุอิสระ โดยความเข้มของสนาม ไฟฟ้า ณ ตำาแหน่งใดๆจะแปรผกผันกับระยะทางกำาลังสองจาก ประจุไฟฟ้านั้น (กฎของคูลอมบ์) 2. เมื่อมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในตัวนำาไฟฟ้า ย่อมมีสนามแม่ เหล็กเกิดขึ้นรอบๆตัวนำา โดยทิศของสนามแม่เหล็กจะวนรอบ ตัวนำาและตั้งฉากกับทิศของกระแส ซึงเออร์สเตด เป็นผู้ค้นพบ ่ 3. เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กย่อมมีการเหนี่ยวนำา ทำาให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น แสดงว่าได้มีการเหนี่ยวนำาให้เกิดสนาม ไฟฟ้าในตัวนำา ซึ่งผู้ค้นพบปรากฎการณ์นี้คือ ฟาราเดย์ จากหลักการทั้งสาม แมกซ์เวลล์ได้รวบรวมให้อยู่ในรูป สมการทางคณิตศาสตร์ชั้นสูง และได้เสนอเป็นสมมติฐานออกมา ว่า 1. ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กจะทำาให้เกิดสนามไฟ ฟ้ารอบๆการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กนั้น 2. ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าจะทำาให้เกิดสนามแม่ เหล็กรอบๆการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้านั้น การเกิดคลืนแม่เหล็กไฟฟ้า ่ แมกซ์เวลล์ได้เสนอต่อไปว่า ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงทั้งสนาม แม่เหล็กและสนามไฟฟ้าพร้อมกันและต่อเนื่องแล้ว จะเป็นผล ให้การเหนี่ยวนำาสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแผ่ออกไปเป็น คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง และแมก ซ์เวลล์สรุปว่า แสงคือคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า การแผ่กระจายของคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าเปรียบเทียบได้กับ การแผ่กระจายของคลื่นนำ้าที่แผ่ออกจากจุดที่กระทุ่มนำ้า โดย สมมติให้ ลวดตัวนำา คู่หนึ่งเป็นแหล่งกำาเนิดคลื่น ที่ต่อกับแหล่ง กำาเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ สมมติวามีเพียงประจุเดียวอยูที่ลวดตัวนำา ่ ่ แต่ละเส้น แหล่งกำาเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำาให้ประจุบวกและลบ เคลื่อนที่ในตัวกลับไปกลับมา เป็นผลให้เกิดคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า แผ่ออกมา ดังรูปที่ 1
- 2. รูปที่ 1 แสดงการเกิดคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่ของ ประจุในเส้นลวด การเกิดคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าตามหลักของแมกซ์เวลล์ อธิบาย ได้ว่า เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุที่ถูกเร่ง ทำาให้เกิด คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากลวดตัวนำาทุกทิศทาง ยกเว้นทิศที่ อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับลวดตัวนำานั้น เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและสนาม ไฟฟ้า จะพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน กล่าวคือ สนามทั้ง สองจะมีค่าสูงสุดพร้อมกันและตำ่าสุดพร้อมกัน นั่นคือ ทั้งสนาม ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีเฟสตรงกัน โดยทิศของสนามไฟฟ้าจะ ตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก และสนามทั้งสองมีทิศตั้งฉากกับ ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังรูปที่ 2 รูปที่ 2 การเปลียนแปลงของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ่ สรุปลักษณะของคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า 1. การเปลี่ยนแปลงค่าของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า เกิดขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นสนามทั้งสองจึงมีค่าสูงสุดและตำ่าสุด พร้อมๆกัน หรือมีเฟสตรงกัน 2. ทิศของสนามแม่เหล็กและทิศของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉาก ซึ่งกันและกัน และตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นซึ่งมี ลักษณะเป็นคลื่นตามขวาง 3. ณ บริเวณใดมีคลื่นไฟฟ้าผ่านบริเวณนั้นจะมีสนามแม่ เหล็กและสนามไฟฟ้าทันที 4. อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่คงที่ จะมีการ ปล่อยคลืนแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ่ การทดลองของเฮิรตซ์
- 3. เฮิรตซ์ ได้ทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าของ แมกซ์เวลล์ โดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำาที่ให้ค่าความต่างศักย์สูง เชื่อมต่อกับโลหะทรงกลม 2 ลูกซึ่งวางใกล้กันมาก จะมีหน้าที่ คล้ายกับตัวเก็บประจุ อุปกรณ์ชิ้นนี้คล้ายกับวงจร LC ของเครื่อง ส่งคลื่นวิทยุ การออสซิลเลตของคลื่นทำาได้โดย ป้อนความต่าง ศักย์เป็นช่วงคลื่นสั้นๆ เข้าไปที่ขดลวดตัวนำา จะเกิด คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าที่ความถี่ประมาณ 100 MHz จากนั้นเฮริตซ์ สร้างวงจรขึ้นมาอีกวงหนึ่ง ประกอบด้วยขดลวดเพียงขดเดียว ที่ ปลายขดลวดมีทรงกลมตัวนำาวางไว้ใกล้กัน วงจรชุดนี้ทำาหน้าที่ คล้ายเครื่องรับคลื่น เฮิรตซ์พบอีกว่าวงจรรับคลื่น จะสามารถรับคลืนได้ก็ต่อเมื่อ ่ ความถี่ที่ส่งมานั้นเป็นความถี่ รีโซแนนซ์ของวงจรรับคลื่นพอดี ถ้าความต่างศักย์บนขดลวดชุด รับคลื่นมีค่าสูง จะทำาให้เกิดประกายไฟข้ามไปมาระหว่างทรงกลม ทั้งสอง การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า พลังงานสามารถส่งผ่านจากที่ หนึ่งไปยังที่หนึงได้โดยอยู่ในรูปคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า ่ สเปกตรัมคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง กล่าว คือ มีความถี่ 1 – 1025 เฮิรตซ์ (ความยาวคลืน 108 –10-17 เมตร) ่ เราเรียกช่วงความถี่เหล่านีว่า "สเปกตรัมคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า" ้ และมีชื่อเรียกช่วงต่าง ๆ ของความถี่ต่างกันตามแหล่งกำาเนิดและ วิธีการตรวจวัดคลื่น ดังรูปที่ 3 คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าชนิดต่าง ๆในสเปกตรัมมีสมบัติที่สำาคัญเหมือนกัน คือ เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วเท่ากับแสงและมีพลังงานส่งผ่านไปพร้อม กับคลื่น คลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้น มีชื่อเรียกดังน รูปที่ 3 สเปกตรัมคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า สเปกตรัมของคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้า 1. คลื่นวิทยุ มีความถี่ช่วง 104 - 109 Hz( เฮิรตซ์ ) สามารถ เลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นได้ ใช้ในการสื่อสาร
- 4. คลื่นวิทยุที่กระจายออกจากสายอากาศ จะเดินทางไปทุก ทิศทาง ในทุกระนาบ ถ้าจะพิจารณาในส่วนของพื้นทีแทนหน้า ่ คลื่นจะเห็นได้ว่าพุ่งออกไปเรื่อย ๆ จากจุดกำาเนิด และสามารถ เขียนแนวทิศทางเดินของหน้าคลื่นได้ด้วยเส้นตรงหรือเส้นรังสี เส้นรังสีทลากจากสายอากาศออกไปจะทำามุมกับระนาบแนวนอน ี่ มุมนี้เรียกว่า มุมแผ่คลื่น อาจมีค่าเป็นบวก ( มุมเงย ) หรือมีค่าเป็น ลบ ( มุมกดลง ) ก็ได้ มุมของการแผ่คลื่นนี้อาจนำามาใช้เป็นตัว กำาหนดประเภทของคลื่นวิทยุได้ โดยทัวไปคลื่นวิทยุอาจแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ คือ ่ คลื่นดิน (GROUND WAVE ) กับคลื่นฟ้า (SKY WAVE ) พลังงาน คลื่นวิทยุส่วนใหญ่จะเดินทางอยูใกล้ ๆ ผิวโลกหรือเรียกว่าคลื่น ่ ดิน ซึงคลื่นนี้จะเดินไปตามส่วนโค้งของโลก คลื่นอีกส่วนที่ออก ่ จากสายอากาศ ด้วยมุมแผ่คลื่นเป็นค่าบวก จะเดินทางจากพื้น โลกพุ่งไปยังบรรยากาศจนถึงชั้นเพดานฟ้าและจะสะท้อนกลับลง มายังโลกนี้เรียกว่า คลืนฟ้า่ รูปที่ 4 คลื่นฟ้าและคลื่นดิน การส่งสัญญาณคลื่นวิทยุ มี 2 ระบบ คือ 1.1 ระบบเอเอ็ม (A.M. = amplitude modulation) มีช่วงความถี่ 530 - 1600 kHz สื่อสารโดยใช้คลื่นสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุทเรียกว่า "คลื่น ี่ พาหะ" โดย สัญญาณสียงจะไปบังคับให้แอมพลิจูดของ คลื่นพาหะเปลี่ยนแปลง ดังรูปที่ 5 รูปที่ 5 การส่งและรับสัญญาณคลื่นวิทยุแบบ A.M. เมื่อคลื่นวิทยุที่ผสมสัญญาณสียงแล้วกระจายออกจากสาย อากาศไปยังเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุจะทำาหน้าที่แยกเอา สัญญาณสียงออกจากสัญญาณคลื่นวิทยุ แล้วขยายสัญญาณ
- 5. สียงให้มแอมพลิจูดสูงขึ้น เพื่อส่งให้ลำาโพงแปลงสัญญาณสียง ี ออกมาเป็นสียงที่หรับฟังได้ ู ขณะที่มีการส่งสัญญาณในระบบเอเอ็มไปในบรรยากาศ ปรากฎการณ์ เช่น ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า ทำาให้เกิดคลื่Ȩม่หล็กไฟฟ้าได้ ด้วย คลื่นนี้สามารถรวมกับคลื่นวิทยุในระบบเอเอ็มได้ ทำาให้เกิด การรบกวน การส่งคลื่นระบบ A.M. จะส่งคลื่นได้ทงคลื่นดิน ที่มีการ ั้ เคลื่อนที่ไปโดยตรงในระดับสายตา และคลื่นฟ้าที่สะท้อนลงมา จากบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ 1.2 ระบบเอฟเอ็ม (F.M. = frequency modulation) มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะสื่อสารโดยใช้คลื่นสียงผสม เข้ากับคลื่นพาหะ โดยสัญญาณสียงจะไปบังคับให้ความถี่ ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลง ดังรูปที่ 6 รูปที่ 6 การส่งและรับสัญญาณคลื่นวิทยุแบบ F.M. ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่าง เดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถายทอดและเครื่อง ่ รับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ หรืออาจใช้ดาวเทียมช่วยสะท้อน คลื่นในอวกาศ 2. คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ มีความถี่ช่วง 108 - 1012 Hz จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอ โอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่าน ชั้นบรรยากาศไปนอกโลก มีประโยชน์ในการสื่อสาร โดยในการ ถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถายทอดเป็นระยะ ๆ ่ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้น สัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำาสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ ดาวเทียมนำาสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ คลื่นโทรทัศน์มีความยาวคลื่นสั้น จึงไม่สามารถเลียวเบน ้ อ้อมผ่านสิ่งกีดขวางใหญ่ๆได้ เมื่อคลื่นโทรทัศน์กระทบกับรถยนต์ หรือเครื่องบิน จะสังเกตเห็นว่าภาพถูกรบกวน เนื่องจากคลื่น
- 6. สะท้อนจากรถยนต์หรือเครื่องบินเกิดการแทรกสอดดับคลื่นที่ส่ง มาจากสถานีแล้วเข้าเครื่องรับพร้อมกัน ไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำาไปใช้ประโยชน์ ในการตรวจหาตำาแหน่งของอากาศยาน ทีเรียกว่า เรดาร์ โดยเมื่อ ่ ส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่ สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำาให้ทราบระยะห่างระหว่าง อากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้ 3. รังสีอินฟาเรด (infrared rays) มีช่วงความถี่ 1011 - 1014 Hz ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรด สามารถตรวจรับได้ด้วยประสาทสัมผัสทางผิวหนังหรือฟิลมถ่ายรูป ์ บางชนิดได้ โดยปกติสิ่งมีชีวิตจะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมาตลอด เวลา และรังสีอินฟราเรดสามารถทะลุผานเมฆหมอกที่หนาเกิน ่ กว่าที่แสงธรรมดาจะผ่านได้ จึงอาศัยสมบัตินี้ในการถ่ายภาพพื้น โลกจากดาวเทียม เพื่อศึกษาการแปรสภาพของป่าไม้ เป็นต้น รังสีอินฟราเรดใช้ในระบบควบคุมที่เรียกว่า รีโมทคอนโทรล หรือการควบคุมระยะไกล ซึ่งเป็นระบบควบคุมการทำางานของ เครื่องรับโทรทัศน์ ทางการทหารจะใช้ควบคุมจรวดนำาวิถี ปัจจุบันมีการส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำาแสง (Optical fiber) แต่สิ่งที่เป็นพาหะนำาสัญญาณคือ รังสีอินฟราเรด เพราะถ้าใช้แสง ธรรมดานำาสัญญาณอาจมีการรบกวนจากแสงภายนอกได้ง่าย 4. แสง (light) มีช่วงความถี่ 1014Hz หรือความยาวคลื่น 4x10-7 - 7x10-7 เมตร เป็นคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับและแยกได้ คือ แสงสี ม่วง คราม นำ้าเงิน เขียว เหลือง แสด แดง เมื่อแสงทั้งเจ็ดสีรวม กันจะเป็นสีขาว เปลวไฟสีแดงจะมีอุณหภูมิตำ่ากว่าเปลวไฟสีม่วง แสงส่วนใหญ่มักเกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมากๆและเกิด พร้อมๆกันหลายความถี่ หรืออาจเกิดขึ้นได้โดยไม่ใช้ความร้อน เช่น แสงจากหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ หิงห้อย เห็ดเรืองแสง เลเซอร์ เป็นแหล่งกำาเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้แสงโดยไม่อาศัย ความร้อน มีความถี่และเฟสคงที่ จึงสามารถใช้เลเซอร์ในการ สื่อสารได้ ถ้าใช้เลนซ์รวมแสงให้ความเข้มสูงๆ จะใช้เลเซอร์ใน การผ่าตัดได้ โดยบริเวณทีแสงเลเซอร์ตก จะเกิดความร้อน ่ 5. รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays) หรือ รังสี เหนือม่วง มีความถี่ช่วง 1015 - 1018 Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติ ส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำาให้เกิดประจุ อิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ ไม่สามารถ
- 7. เคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางหนาๆได้ ทะลุผ่านแก้วได้บ้างเล็กน้อย แต่ผ่านควอตซ์ได้ดี แต่สามารถทำาให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ สร้างขึ้นได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดที่บรรจุไอปรอท เช่นในหลอดฟลูออเรสเซนต์ การเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้ายังทำาให้ เกิดรังสีอัลตราไวโอเลตความเข้มสูง ในปริมาณที่เป็นอันตรายต่อ นัยน์ตา จึงจำาเป็นต้องสวมแว่นสำาหรับป้องกันโดยเฉพาะ หากร่างกายได้รบรังสีในขนาดตำ่าจะเป็นประโยชน์ต่อการ ั สร้าง ไวตามินดี แต่ถาได้รับมากเกินไปเป็นเวลานานจะมีผลใน ้ การทำาลายระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย รวมทั้ง ผิวหนัง ตา และก่อ ให้เกิดมะเร็ง โดยรังสี UV ทำาให้ผิวหนังร้อนแดงได้อย่าง เฉียบพลัน และถ้าได้รับรังสีมากก็จะทำาให้เกิดเป็น เม็ดพุพอง และ ทำาลายเซลล์ผวหนังชั้นบน ิ ผลของรังสี UV ต่อตาอย่างเฉียบพลัน คือ กระจกตาอักเสบ (photokeratitis) และเยื่อตาขาวอักเสบ (photoconjunctivitis) ซึ่งปัญหานีป้องกันได้ด้วยการสวมแว่นกันแดดที่เหมาะสม แต่ผล ้ ต่อเนื่องเรื้อรังที่จะเกิด คือ การเกิดต้อเนื้อ มะเร็งของเยื่อตาขาว ชนิด squamous cell และต้อกระจก ระดับการเพิ่มของรังสี UV บนพื้นผิวโลก อาจจะมีผลต่อ เนื่องที่สำาคัญต่อสิ่งมีชีวิตทั่ว ๆ ไป จะเกิดผลเสียต่อการเจริญ เติบโตของพืช การสังเคราะห์แสง และความต้านทานโรค นอกจากนี้ ยังมีผลต่อนิเวศวิทยาในนำ้า เช่น จำานวนของ phytoplankton จะลดลงอย่างเห็นได้ชัด 6. รังสีเอกซ์ (X-rays) หรือ รังสีเรินเกนต์ มีความถี่ช่วง 10 - 1022 Hz สามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ แต่ถูกกั้นได้ 16 ด้วยอะตอมของธาตุหนัก จึงใช้ตรวจสอบรอยร้าวในชิ้นโลหะขนาด ใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนในกระเป๋าเดินทาง ในทางการแพทย์ใน การตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย รวมถึงเมื่อให้ รังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 10-10 เมตรซึ่งมีขนาดใกล้ เคียงกับขนาดอะตอมและช่องว่างระหว่างอะตอมของผลึก ผ่าน ก้อนผลึกอะตอมที่จัดเรียงตัวกันอย่างมีระเบียบทำาให้รังสีเอ็กซ์ เลี้ยวเบนอย่างมีระเบียบ เช่นเดียวกับเมื่อแสงผ่านเกรตติง จึงใช้ วิเคราะห์โครงสร้างของผลึกได้ การผลิตรังสีเอ็กซ์ วีธีหนึ่งใช้หลักการเปลี่ยนความเร็วของ อิเล็กตรอน 7. รังสีแกมมา (γ-rays) มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามี ความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ มีอำานาจทะลุทะลวงสูง ที่พบในธรรมชาติ
- 8. เช่น รังสีที่เกิดจากการแผ่สลายของสารกัมมันตภาพรังสี รังสีคอส มิคที่มาจากอวกาศก็มีรังสีแกมมาได้ และสามารถทำาให้เกิดขึ้นได้ เช่น การแผ่รงสีของอนุภาคไฟฟ้าทีถูกเร่งด้วยความต่างศักย์ไฟ ั ่ ฟ้าสูงๆ ในเครื่องเร่งอนุภาค ** *