วิชาวิทยาศาสตร์ทั่วไป 2 เรื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Electromagnetic wave

นักเรียนทราบหรือไม่ว่า กว่าเราจะรู้จักคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดีพออย่างทุกวันนี้ มีใครบ้างที่ศึกษาเรื่องนี้มาก่อน ?

นักเรียนคิดว่าตาคนนี้เอี่ยวด้วยไหม ?

อังเดร มารี แอมแปร์ Andre Marie Ampere ปี 1827 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ปี 1827 แอมแปร์ค้นพบสมบัติของไฟฟ้าและแม่เหล็ก ค้นพบทฤษฎีแม่เหล็กโลก และสามารถประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้าได้เป็นคนแรก

ไมเคิล ฟาราเดย์ Micheal Faraday ปี 1831 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ * ค้นพบสมบัติของแม่เหล็กในการทำให้เกิดไฟฟ้า * ประดิษฐ์ไดนาโมเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

แซมมวล ฟินเลย์ บรีส มอร์ส (Samuel Finley Breeze Morse) ชาวอเมริกัน ปี 1844 ประดิษฐ์เครื่องรับ-ส่ง โทรเลข วางสายเชื่อมนิวยอร์ค ถึงบัลติมอร์ ระยะทาง 38 ไมล์ทดลองรับส่งครั้งแรกประสบความสำเร็จเมื่อ 24 พ.ค.1844

เจมส์ คลาร์ก แมกเวลล์ ปี 1864 James Clark Makwell นักวิทยาศาสตร์ชาวสก็อตแลนด์ ปี 1864 เป็นผู้ทดลองพบความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า โดยสรุปว่า แม่เหล็กและไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กัน เมื่อมีแม่เหล็กก็ต้องมีไฟฟ้า

นักเรียนจะอธิบายภาพนี้ว่าอย่างไร ?

การเหนี่ยวนำระหว่างแม่เหล็กกับตัวนำ

กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ไฮน์ริช รูดอล์ฟ เฮิร์ตซ Heinrich Rudolf Hertz นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ปี 1887 ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการรบกวนสนามไฟฟ้าด้วยสนามแม่เหล็ก หรือรบกวนสนามแม่เหล็กด้วยสนามไฟฟ้า จะเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กนั้น

สนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก

ผู้บุกเบิกความรู้เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สถาบันเฮิร์ตซ มหาวิทยาลัยเฮิร์ตซ หลุมฝังศพของเฮิร์ตซ

การทดลองของเฮิร์ตซ จนสามารถค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งสมัยนั้นเรียกกันว่า คลื่นเฮิร์ตซ (Hertzian wave)

ความหมายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า โดยทำให้สนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หรือถ้าเราทำให้สนามแม่เหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลง ก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นเช่นกัน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่อาศัยตัวกลาง จึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศได้

สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 1. เป็นคลื่นตามขวาง 2. ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ 3. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดมีอัตราเร็วในสุญญากาศเท่ากับความเร็วของแสงคือ 3 × 108 เมตร / วินาที

4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง 5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนโดยสสาร 6. ไม่มีประจุไฟฟ้า 7. สามารถสะท้อน หักเห แทรกสอด และเลี้ยวเบนได้เช่นเดียวกับคลื่นกล

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่อเนื่อง กันเป็นช่วงกว้าง เราเรียกช่วงความถี่เหล่านี้ว่า สเปคตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum) และมีชื่อเรียกช่วงต่างๆของความถี่ตามแหล่งกำเนิดและวิธีการตรวจวัดคลื่น

สเปคตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสเปคตรัมมีสมบัติที่เหมือนกันคือ มีความเร็วเท่าแสง และมีการส่งผ่านพลังงานไปพร้อมกับคลื่น

ไม่มีการแผ่รังสี แผ่รังสีได้ การใช้ประโยชน์จากคลื่นแต่ละช่วงความถี่ ชื่อเรียกแต่ละช่วงความถี่ ความถี่ ไม่มีการแผ่รังสี แผ่รังสีได้

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มนุษย์สร้างขึ้น และเกิดขึ้นตามธรรมชาติ มีชื่อเรียกตามลำดับความถี่ดังนี้ ความยาวคลื่น ชื่อของคลื่น ประโยชน์ของคลื่น

1. คลื่นวิทยุ (Radio wave) หลังจากไฮน์ริช เฮิร์ตซ พบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปี 1887 กูกลิเอลโม มาร์โคนี (Guglielmo Marcony) ได้ประดิษฐ์เครื่องรับส่งวิทยุโทรเลขเป็นผลสำเร็จจนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1907 ชาวเยอรมัน ชาวอิตาลี

คลื่นวิทยุมีความถี่ช่วง 104 – 109 Hz ใช้ในระบบการสื่อสารไร้สาย (Wireless Communication) เช่น วิทยุกระจายเสียง โทรทัศน์ วิทยุสื่อสาร โทรศัพท์มือถือ

ตารางการใช้คลื่นวิทยุ ความถี่ ความยาวคลื่น การใช้งาน <30KHz(VLF) >10 Km ใช้สื่อสารทางทะเล 30-300KHz(LF) 1 - 10 Km ใช้สื่อสารทางทะเล 0.3 - 3 MHz(MF) 0.1 - 1 Km วิทยุระบบ A.M 3 - 30 MHz(HF) 10 – 100 m วิทยุคลื่นสั้น 30 - 300 MHz(VHF) 1 – 10 m วิทยุ F.M. , T.V. 0.3 - 3 GHz(UHF) 10 – 100 Cm T.V. , ไมโครเวฟ 3 - 30 GHz(SHF) 1 – 10 Cm ไมโครเวฟ , เรดาร์

การสื่อสารแบบไร้สาย เป็นการส่งข้อมูลข่าวสารในรูปแบบต่างๆเช่น เสียง ภาพนิ่ง ภาพเคลื่อนไหว ข้อความ หรือรหัสต่างๆ ไปยังปลายทางผู้รับโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านคลื่นวิทยุ (Radio waves) เป็นพาหะ เรียกว่า คลื่นพาห์ (Carrier )

การผสมสัญญาณข้อมูลข่าวสารเข้ากับคลื่นพาห์ เรียกว่า การผสมสัญญาณ หรือโมดูเลชั่น (Modulation) ที่ปลายทาง ผู้รับต้องแยกสัญญาณข้อมูลข่าวสารออกจากคลื่นพาห์ เรียกว่า การแยกสัญญาณ (Demodulation หรือDetection)

การผสมสัญญาณข่าวสารเข้ากับคลื่นวิทยุทำได้ 2 แบบ คือ 1. การผสมทางอัมปลิจูด (Amplitude Modulation : A.M.) 2. การผสมทางความถี่ (Frequency Modulation : F.M.)

Amplitude Modulation : A.M. อัมปลิจูดของคลื่นพาห์เปลี่ยนไปตามสัญญาณข่าวสารแต่ ความถี่คงที่

Frequency Modulation : F.M. อัมปลิจูดของคลื่นพาห์คงที่ แต่ความถี่เปลี่ยนไปตามความถี่ของสัญญาณข่าวสาร

ผังการทำงานของเครื่องรับวิทยุแบบ A.M.

ผังการทำงานของเครื่องรับวิทยุแบบ F.M.

1. A.M. ผสมคลื่นทางอัมปลิจูด ส่วน F.M. ผสมคลื่นทางความถี่ 2. F.M. ให้เสียงที่ไพเราะและชัดเจนกว่าA.M. เพราะผสมทางความถี่ จึงถ่ายทอด เสียงได้ครบทุกย่านความถี่เสียง

3. A.M และ F.M.ใช้คลื่นพาห์ที่มีความถี่แตกต่างกัน... 530 – 1,600 KHz (กิโลเฮิร์ต) วิทยุระบบ F.M. ใช้คลื่นพาห์ช่วงความถี่ 88 – 108 MHz (เมกะเฮิร์ต)

4. วิทยุ A.M. มีรัศมีรับฟังได้ไกลกว่า F.M.

2. คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ มีความถี่อยู่ในช่วง 108 – 1012 Hz ส่วนใหญ่ใช้ประโยชน์ในด้านการสื่อสาร คลื่นที่ใช้ในการส่งโทรทัศน์ของไทย * อยู่ในย่าน VHF จำนวน 5 ช่อง 3 5 7 9 11 * อยู่ในย่าน UHF จำนวน 1 ช่อง Titv

การส่งวิทยุโทรทัศน์ มีการส่งทั้งสัญญาณภาพและเสียงพร้อมๆกัน จึงผสมสัญญาณทั้ง 2 แบบเพื่อไม่ให้รบกวนกันเอง * สัญญาณภาพ ผสมแบบ A.M. * สัญญาณเสียง ผสมแบบ F.M.

ลักษณะการส่งแพร่กระจายคลื่นของวิทยุระบบ F. M

การใช้ประโยชน์คลื่นไมโครเวฟ

3. รังสีอินฟราเรด (Infrared ray)

รังสีอินฟราเรด มีช่วงความถี่อยู่ระหว่าง 1011 – 1014 Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-3 – 10-6 เมตร ขณะที่ไมโครเวฟมีความถี่ 108 – 1012 Hz จะเห็นว่ามีบางช่วงคลื่นที่คาบเกี่ยวกัน

ช่วงคลื่นที่มีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกัน

คลื่นที่มีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกัน การเรียกชื่อ ให้ใช้แหล่งกำเนิด และประโยชน์ใช้สอยในการเรียกชื่อ

ประสาทตาของมนุษย์มองไม่เห็นรังสีอินฟราเรด แต่มักเกิดขึ้นพร้อมกับแหล่งความร้อนชนิดต่างๆ จึงมักเรียกอินฟราเรด ว่า รังสีความร้อน

การใช้ประโยชน์จากรังสีอินฟาเรด

4. แสง (Visible Light)

ความถี่ 1014 Hz ความยาวคลื่น 4 × 10-7 - 7 × 10-7 เมตร

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตามนุษย์สามารถรับรู้ได้ วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงสามารถเปล่งแสงออกมาได้

แสงสีแดง มีความถี่ต่ำที่สุด มีความยาวคลื่น 7 × 10-7 เมตร (7 nm) แสงสีอื่นๆมีความถี่ต่างกันเรียงตามลำดับ แสงสีม่วง มีความถี่สูงที่สุด มีความยาวคลื่น 4 × 10-7 เมตร (4 nm)

ความยาวคลื่นของแสงสีต่างๆที่ตามองเห็น

ตารางแสดงความยาวคลื่นและความถี่ของแสงสีต่างๆ

การรวม และการแยกของแสงขาว

Oil film

5. รังสีอุลตราไวโอเลต (Ultraviolet :UV) มีความถี่ระหว่าง 1015 – 1018 Hz

รังสี UV ส่วนใหญ่เป็นรังสีธรรมชาติที่แผ่รังสีมาจากดวงอาทิตย์

รังสี UV ที่มนุษย์สร้างขึ้นได้แก่.....

แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน รังสี UV สามารถฆ่าเชื้อโรคบางชนิดได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน

6. รังสีเอกซ์ (X-ray) มีความถี่ในช่วง 1016 – 1022 Hz

วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm Korad Roentgen) ผู้ค้นพบรังสีเอกซ์จากการทดลองหลอดรังสีแคโทด

หลักการสร้างรังสีเอกซ์ คือ การเปลี่ยนแปลงความเร็วของอิเลคตรอน ทำให้อิเลคตรอนคายพลังงานออกมาในรูป รังสีเอกซ์ Cathode Ray Tube

แร่แบเรียมแพลทิโนไซยาไนด์เรืองแสง

นักเรียนทราบหรือไม่ว่า..... ทำไมจึงต้องเป็น X รังสี

อุปกรณ์ที่ใช้ในการ ผลิตรังสีเอกซ์ ประกอบ ด้วยหลอดแก้วที่ภายในมีวงจรเร่งความเร็วของอิเลคตรอน แล้วยิงไปชนเป้าโลหะทังสเตนที่วางเอียงทำมุม 45 ๐

รังสีเอกซ์เป็นทั้งคลื่น และ อนุภาค * แสดงสมบัติของคลื่นได้ครบทั้ง 4 ข้อ * มีโมเมนตัม ( มวล × ความเร็ว ) เหมือนอนุภาค

รังสีเอกซ์สามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนาๆที่มีความหนาแน่นน้อยได้ เช่น กระดาษ ไม้ เนื้อเยื่อคน สัตว์ ทางการแพทย์ใช้ตรวจความผิดปกติของอวัยวะภายใน วงการอุตสาหกรรมใช้หารอยร้าวในชิ้นโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนและวัตถุระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และใช้ศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก

* รังสีเอกซ์สามารถทำให้อากาศแตกตัวเป็นอิออนได้ * รังสีเอกซ์ทำให้ผลึกบางชนิดเรืองแสงและแสงที่เรืองออกมาสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าได้ * รังสีเอกซ์ทำให้ฟิลม์ถ่ายรูปดำ จึงนำมา ใช้ในการถ่ายภาพบนฟิลม์เอกซ์เรย์

7. รังสีแกมมา (Gamma ray : γ)

รังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า

มีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ และการสลายตัวของธาตุ กัมมันตรังสี กระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ มีอำนาจทะลุทะลวงสูง แพทย์ใช้ทำลายเซลล์มะเร็ง

8. รังสีคอสมิค Cosmic ray แหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกมีหลายแห่งเช่น หลุมดำ เศษเหลือจากซุปเปอร์โนวา เป็นต้น แต่พอแยกตามแหล่งหลักใหญ่ได้ดังนี้

Solar cosmic rays คือ รังสีคอสมิกที่มาจากดวงอาทิตย์ หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ (Solar Energetic Particles, SEPs) ซึ่งเกิดมาจากกระบวนการการระเบิดที่ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ จากนั้นก็จะถูกเร่งด้วย ลมสุริยะ (Solar wind) มีพลังงานอยู่ในช่วง 105-107 อิเล็กตรอนโวลต์ ส่วนประกอบคือ อนุภาคโปรตอน (proton) อนุภาคนิวตรอน (neutron) เป็นต้น แต่โดยเฉลี่ยแล้วก็จะคล้ายกับส่วนประกอบในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ เสมือนว่าหลุดออกมาเนื่องจากการระเบิดนั่นเอง

Galactic cosmic rays (GCRs) คือ รังสีคอสมิกที่มาจากนอกระบบสุริยะซึ่งถูกเร่งจากกระบวนการอื่นในกาแล็กซีทางช้างเผือก ส่วนใหญ่ประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน มีพลังงานอยู่ในช่วง 107-1019 อิเล็กตรอนโวลต์

รังสีคอสมิกชนิดนี้จะเข้ามายังโลกตลอดเวลา แต่เมื่อมีเหตุการณ์การระเบิดที่รุนแรงในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ รังสีคอสมิกจากดวงอาทิตย์และคลื่นกระแทกจะทำให้ปริมาณของรังสีคอสมิกที่มาจากนอกระบบสุริยะนี้ลดลง เมื่อสังเกตจากเครื่องตรวจวัดรังสีคอสมิกที่อยู่บนโลกจะพบว่าความเข้มของรังสีคอสมิกจะลดลงในช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนที่จะเพิ่มปริมาณขึ้นอย่างรวดเร็ว เรียกเหตุกาณ์นี้ว่าการลดลงแบบฟอร์บุช (Forbush decrease) เหตุการณ์นี้ค้นพบในปีค.ศ. 1938 (พ.ศ. 2491) โดย Scott Ellsworth Forbush นักฟิสิกส์ธรณี ชาวอเมริกัน

Extragalactic cosmic rays (EGCRs) คือ รังสีคอสมิกที่มาจากนอกกาแล็กซีที่บางครั้งเคลื่อนที่เข้ามาในระบบสุริยะของเรา ซึ่งถูกเร่งจากกระบวนการทางฟิสิกส์หลายอย่าง เช่นการระเบิดซุปเปอร์โนวา เป็นต้น รังสีคอสมิกชนิดนี้มีพลังงานสูงสุดถึง 1020 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีพลังงานสูงมากจนกระทั่งไม่สามารถหากระบวนการทางฟิสิกส์เพื่ออธิบายการเกิดได้เลย

ครูวิชัย เจริญศรี ผลิตโดย กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ครูวิชัย เจริญศรี กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ โรงเรียนเบญจมราชูทิศ ราชบุรี

สวัสดีนะจ๊ะ