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
สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุทเรียกว่า "คลื่น
ี่
พาหะ" โดย สัญญาณเสียงจะไปบังคับให้แอมพลิจูดของ
คลื่นพาหะเปลี่ยนแปลง ดังรูปที่ 5
รูปที่ 5 การส่งและรับสัญญาณคลื่นวิทยุแบบ A.M.
เมื่อคลื่นวิทยุที่ผสมสัญญาณเสียงแล้วกระจายออกจากสาย
อากาศไปยังเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุจะทำาหน้าที่แยกเอา
สัญญาณเสียงออกจากสัญญาณคลื่นวิทยุ แล้วขยายสัญญาณ
- 5. เสียงให้มแอมพลิจูดสูงขึ้น เพื่อส่งให้ลำาโพงแปลงสัญญาณเสียง
ี
ออกมาเป็นเสียงที่หรับฟังได้
ู
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 (เมกะสื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสม
เข้ากับคลื่นพาหะ โดยสัญญาณเสียงจะไปบังคับให้ความถี่
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
