คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

บทที่ 18 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

18.1 ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของเฮิรตซ์

          แมกซ์เวลล์ได้รวบรวมกฎต่างๆที่เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้ามาสรุปเป็นทฤษฎีโดยนำเสนอในรูปของสมการคณิตศาสตร์ซึ่งแมกซ์เวลล์ใช้ทำนายว่าสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กและในขณะเดียวกันสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาก็ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าด้วยโดยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กต่างก็มีทิศตั้งฉากกันแมกซ์เวลล์ยังทำนายอีกว่ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำอย่างต่อเนื่องระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กทำให้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วของแสงแมกซ์เวลล์จึงเสนอความคิดว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ช่วงหนึ่งคำทำนายนี้ได้รับการยืนยันว่าเป็นจริงโดยการทดลองของเฮิรตซ์

18.2 การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ

            ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์และการทดลองเฮิรตซ์ทำให้ทราบว่าธรรมชาติมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจริงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าที่ถูกเร่ง เช่นอาจเกิดจากการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายของประจุไฟฟ้าในสายอากาศที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแทนการปิดเปิดสวิตช์ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่
เมื่อต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเข้ากับสายอากาศที่อยู่ในแนวดิ่งประจุไฟฟ้าในสายอากาศจะเคลื่อนที่กลับไปมาด้วยความเร่งในแนวดิ่งเพราะประจุไฟฟ้าที่มีความเร่งจะแผ่รังสีจึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายออกมาจากสายอากาศทุกทิศทางยกเว้นทิศที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับสายอากาศ

18.3 สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

            คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างเราเรียกช่วงความถี่เหล่านี้ว่า "สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า"และมีชื่อเรียกช่วงต่าง ๆ ของความถี่ต่างกันตามแหล่งกำเนิดและวิธีการตรวจวัดคลื่น

       18.3.1 คลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุมีความถี่ช่วง 10⁴ - 10⁹ Hz( เฮิรตซ์ ) ใช้ในการสื่อสาร คลื่นวิทยุมีการส่งสัญญาณ 2 ระบบคือ

1.1 ระบบเอเอ็ม (A.M. = amplitude modulation)

ระบบเอเอ็ม มีช่วงความถี่ 530 - 1600 kHz( กิโลเฮิรตซ์ ) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุเรียกว่า "คลื่นพาหะ" โดยแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง

ในการส่งคลื่นระบบ A.M. สามารถส่งคลื่นได้ทั้งคลื่นดินเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงขนานกับผิวโลกและคลื่นฟ้าโดยคลื่นจะไปสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา จึงไม่ต้องใช้สายอากาศตั้งสูงรับ

1.2 ระบบเอฟเอ็ม (F.M. = frequency modulation)

ระบบเอฟเอ็ม มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้ากับคลื่นพาหะ โดยความถี่ของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง

ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่างเดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถ่ายทอดและเครื่องรับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ

18.3.2 คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ

คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟมีความถี่ช่วง 10⁸ - 10¹² Hz มีประโยชน์ในการสื่อสาร แต่จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ในการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะ ๆ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้นสัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ดาวเทียมนำสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ

เนื่องจากไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำไปใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน เรียกอุปกรณ์ดังกล่าวว่า เรดาร์ โดยส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำให้ทราบระยะห่างระหว่างอากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้

18.3.3 รังสีอินฟราเรด

รังสีอินฟราเรดมีช่วงความถี่ 10¹¹ - 10¹⁴ Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10^-3 - 10^{-6เมตร ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรดสามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้ และใช้เป็นการควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลกับเครื่องรับโทรทัศน์ได้}

       18.3.4 แสง

แสงมีช่วงความถี่ 10¹⁴Hz หรือความยาวคลื่น 4x10^-7 - 7x10^{-7เมตร เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับได้ สเปคตรัมของแสงสามารถแยกได้ดังนี้}

สี	ความยาวคลื่น (nm)
ม่วง	380-450
น้ำเงิน	450-500
เขียว	500-570
เหลือง	570-590
แสด	590-610
แดง	610-760

       18.3.5 รังสีอัลตราไวโอเลต

รังสีอัลตราไวโอเลต หรือ รังสีเหนือม่วง มีความถี่ช่วง 10¹⁵ - 10¹⁸ Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลต สามารถทำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน

       18.3.6 รังสีเอกซ์

รังสีเอกซ์ มีความถี่ช่วง 10¹⁶ - 10²² Hz มีความยาวคลื่นระหว่าง 10^-8 - 10^{-13เมตร ซึ่งสามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์คือ การเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก}

       18.3.7 รังสีแกมมา

รังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และสามารถกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ มีอำนาจทะลุทะลวงสูง

18.4 โพลาไรเซซันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สายอากาศโทรทัศน์ที่อยู่ในแนวดิ่ง เมื่อส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปสนามไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงทิศกลับไปมาในแนวดิ่งเสมอจึงกล่าวว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้เป็นคลื่นโพลาไรส์ (polarized wave)  ในแนวดิ่ง สำหรับสายอากาศที่อยู่ในแนวระดับเมื่อส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไป สนามไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงทิศกลับไปกลับมาในแนวระดับคือเป็นคลื่นโพลาไรส์ในแนวระดับ

       18.4.1โพลาไรเซชันของแสง

เราทราบแล้วว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งออกมาจากสายอากาศโทรทัศน์เป็นคลื่นโพลาไรส์เพราะสนามไฟฟ้าเปลี่ยนทิศกลับไปมาในแนวเดียวกันเสมอแสงก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นแสงมีโพลาไรเซชันหรือไม่

แหล่งกำเนิดคลื่นแสงโดยทั่วไปเช่น ดวงอาทิตย์ หลอดไฟ จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นแสง) ซึ่งสนามไฟฟ้ามีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นเสมอไม่ว่าคลื่นจะอยู่ ณ ตำแหน่งใดแต่สนามไฟฟ้าของแสงที่ส่งออกมาจากดวงอาทิตย์มีทิศต่างๆกันมากมาย ดังรูป ดังนั้นแสงจากแหล่งกำเนิดแสงจึงเป็นแสงไม่มีโพลาไรส์

 

โพลาไรเซซันโดยการสะท้อน

เมื่อแสงไม่โพลาไรส์ผ่านแผ่นโพลารอยด์จะออกมาเป็นแสงโพลาไรส์ซึ่งกล่าวได้ว่าเป็นการทำแสงโพลาไรส์โดยใช้วิธีดูดกลืนแสงยังมีวิธีอื่นอีกที่ให้แสงโพลาไรส์ คือ การสะท้อนแสงเมื่อให้แสงไม่โพลาไรส์ตกกระทบผิววัตถุ เช่น แก้ว น้ำ หรือกระเบื้องแสงสะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรส์ เมื่อแสงทำมุมตกกระทบเป็นค่าเฉพาะค่าหนึ่ง

โพลาไรเซชันโดยการหักเห
เมื่อแสงผ่านเข้าไปในแก้วแสงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่ากันทุกทิศทาง เพราะแก้วมีดรรชนีหักเหเพียงค่าเดียวแต่เมื่อแสงผ่านเข้าไปในผลึกแคลไซต์หรือควอตซ์ แสงจะมีอัตราเร็วไม่เท่ากันทุกทิศทางด้วยเหตุนี้แสงที่ผ่านแคลไซต์จึงหักเหออกเป็น 2แนว (double diffraction หรือ birefringence) ดังรูป รังสีหักเหทั้งสองแนวเป็นแสงโพลาไรส์โดยมีสนามไฟฟ้าของรังสีหักเหแต่ละรังสีตั้งฉากกัน ซึ่งแสดงด้วยลูกศรและจุดรังสีที่แทนด้วยจุด เรียกว่า รังสีธรรมดา (ordinary ray) มีอัตราเร็วเท่ากันทุกทิศทาง รังสีที่แทนด้วยลูกศร เรียกว่า รังสีพิเศษ (extraordinary ray) มีอัตราเร็วในผลึกต่างกันในทิศที่ต่างกัน

 

โพลาไรเซชันโดยการกระเจิงของแสง  
เมื่อแสงอาทิตย์ผ่านเข้ามาในบรรยากาศของโลกแสงจะกระทบโมเลกุลของอากาศหรืออนุภาคในบรรยากาศอิเล็กตรอนในโมเลกุลจะดูดกลืนแสงที่ตกกระทบนั้นและจะปลดปล่อยแสงนั้นออกมาอีกครั้งหนึ่งในทุกทิศทาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกระเจิงของแสง ซึ่งได้ศึกษามาแล้วในบทเรียนเรื่องแสงโดยศึกษาผลของการกระเจิงที่ทำให้เห็นท้องฟ้าเป็นสีต่างๆ