บทที่ 18 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

บทที่ 18 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

18.1  ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าตลอดเวลาเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก พอเกิดสนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำ  ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าเกิดต่อเนื่องกันตลอดเวลาและสนามแม่เหล็กกับสนาม ไฟฟ้าตั้งฉากกันตลอดเวลาหาทิศของความเร็วโดยใช้กฎมือขวา  และเกิดคลื่นแม่เหล็กในทุกที่ไม่ว่าจะเป็นที่ว่าง  ตัวนำหรือฉนวน  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดจะมีความเร็วเท่ากัน  คือเท่ากับ  3 x 10⁸ m/s  แต่ความถี่ไม่เท่ากัน

18.2  การแผ่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ 

                                             A
             ประจุวิ่งขึ้นลง  เมื่อประจุเคลื่อนที่ขึ้นลงด้วยความเร่งหรือความหน่วง                                       จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาทุกทิศทาง  ยกเว้น
                                            a                          เหนือเสาอากาศที่จุด  A  และ  B 

 

             ประจุวิ่งขึ้นลง              B

18.3  สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 

              สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  คือ  แถบแสดงความถี่ หรือความยาวคลื่นต่าง ๆ  ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียงตามลำดับความถี่  เรียงจากความถี่น้อยที่สุดถึงความถี่มากที่สุด  

 

รูป 18.1  ชนิดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

              คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นที่มีความถี่ตั้งแต่หลายสิบกิโลเฮิร์ตซ์ จนกระทั่งถึงรังสีเอ็กซ์หรือรังสีแกมมาที่มีความถี่สูงมากๆ เมื่อความถี่เปลี่ยนไปคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นๆ ก็ย่อมเปลี่ยนแปลงไปด้วยแต่ก็ยังมีคุณสมบัติร่วมกันอยู่คือมีอัตราเร็วเท่ากับ 3x10⁸ เมตร/วินาที

18.3.1  คลื่นวิทยุ 

            1. ช่วงความถี่อยู่ในช่วง   10⁶-10⁹  เฮิรตซ์   

            2.  คลื่นวิทยุความถี่ตั้งแต่  530 – 1600  กิโลเฮิรตซ์  สถานีวิทยุจะส่งออกอากาศในระบบ A.M.

            3.  ช่วงความถี่ที่ต่ำกว่าช่วง  530 – 1600  กิโลเฮิรตซ์  เรียกว่าคลื่นยาว  ความถี่ที่สูงกว่านี้เรียกว่าคลื่นสั้น

4.  ช่วงความถี่จาก  88 – 108  เมกะเฮิรตซ์  เป็นการส่งคลื่นแบบ  F.M.

            5.  สัญญาณคลื่นวิทยุที่ส่งออกจากสถานีส่งไปถึงเครื่องรับมี  2  ชนิด คือ

                  5.1 คลื่นพื้นดิน หมายถึง คลื่นวิทยุที่ส่งจากสถานีส่งไปถึงเครื่องรับวิทยุโดยตรงมีทั้งระบบ A.M.และ  F.M. 

                  5.2  คลื่นฟ้า หมายถึง คลื่นวิทยุที่ส่งขึ้นไปสะท้อนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์  แล้วกลับมายังเครื่องรับวิทยุ ( มีในระบบ A.M. ส่วนระบบ  F.M. ไม่มีเพราะคลื่น F.M. ทะลุผ่านบรรยากาศชั้นนี้ได้)

             6.  คลื่นวิทยุสามารถผลิตขึ้นได้  โดยอาศัยวงจรวิทยุของหลอดสุญญากาศหรือวงจรทรานซิสเตอร์

             7.  ไม่สามารถทะลุผ่านโลหะ  หรือสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่  แต่สามารถอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นได้

             8.  สามารถสะท้อนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ได้

18.3.2   คลื่นโทรทัศน์

             1.  มีความถี่ประมาณ  10⁸  เฮิรตซ์  

             2.  การส่งโทรทัศน์ต้องใช้กล้องถ่ายโทรทัศน์  ซึ่งสามารถเปลี่ยนภาพให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าได้ในอัตรา  วินาที  ใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่สูง  เช่น  สถานีโทรทัศน์ช่อง  9  อ.ส.ม.ท.  ใช้ความถี่ในช่วง  202  ถึง  209  เมกะเฮิรตซ์  

              3.  ภาพส่งออกไปในระบบเอเอ็ม ( A.M. )  ส่วนเสียงส่งออกไปในระบบเอฟเอ็ม  ( F.M. )

              4.  หลอดส่งภาพทำหน้าที่สร้างสัญญาณไฟฟ้าของภาพ  มีส่วนประกอบสำคัญคือ  แผ่นรับภาพ  แผ่นรับสัญญาณ  ปืนอิเล็กตรอน  วงแหวนโลหะ

              5.  เครื่องรับโทรทัศน์  รับคลื่นโทรทัศน์จากเครื่องส่งแล้วจะแยกสัญญาณไฟฟ้าของภาพส่งไปยังหลอดภาพ  เพื่อเปลี่ยนเป็นภาพได้ในอัตราภาพละ    วินาที

              6.  เครื่องรับโทรทัศน์ระบบ  625  เส้น เป็นระบบสากล

              7.  เครื่องรับวิทยุโทรทัศน์  ระบบจะมีหลอดภาพซึ่งภายในมีเครื่องกำเนิดอิเล็กตรอนจะถูกยิงออกไปบนจอภาพ  ตามสัญญาณไฟฟ้าที่ได้รับ  สำหรับโทรทัศน์สีจะมีแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน  3  ชุด  ใช้ควบคุมความเข้มสัญญาณ  สีแดง  สีน้ำเงิน  และสีเขียว

18.3.3   คลื่นไมโครเวฟ

             1.  ช่วงความถี่อยู่ในช่วง   10⁹ – 3x10¹¹  เฮิรตซ์   

             2.  ใช้ในการสื่อสาร  เช่น  ดาวเทียม   โทรศัพท์มือถือ  

             3.  ใช้ทำเรดาร์

             เรดาร์(RADAR ย่อมาจาก Radio Detection And Ranging)

1. เรดาร์เป็นการส่งคลื่นไมโครเวฟออกไปเป็นช่วง ๆ  แล้วรับสัญญาณที่สะท้อนกลับมาเข้าสู่เครื่องรับปรากฏให้เห็นบนจอภาพ  ซึ่งจะบอกชนิดและระยะห่างของวัตถุที่สะท้อนได้

2.  สายอากาศของเรดาร์  มีลักษณะเป็นจานโค้งรูปพาราโบรา  หมุนได้รอบแกน  ทำหน้าที่ส่งและรับคลื่นไมโครเวฟ  เหตุที่นิยมใช้คลื่นไมโครเวฟในระบบเรดาร์เพราะคลื่นไมโครเวฟมีความถี่สูงสามารถทะลุบรรยากาศและสะท้อนที่ผิววัตถุทึบได้ดี

3.  จอรับคลื่นภาพ  ลักษณะเป็นวงกลมมีเส้นบอกระยะทางเป็นวงรอบศูนย์กลาง  และมีทิศทางกำกับภาพที่ปรากฏบนจอโดยจะบอกตำแหน่งระยะห่าง  และทิศทางของวัตถุจากจานสายอากาศด้วย

4.  ประโยชน์ของเรดาร์

      4.1 ใช้ในการคมนาคม  ควบคุมการจราจรทางอากาศ  สนามบิน การเดินเรือ นำทางเรือเมื่อหมอกลงจัด

                     4.2 ใช้ในกรมอุตุนิยมวิทยา  เช่น  ใช้ตรวจหาตำแหน่งและทิศทางของลมพายุ  พยากรณ์อากาศ

      4.3 ใช้ในทางการทหาร  ใช้ตรวจหาเครื่องบินข้าศึกเพื่อออกสกัด หรือเตือนภัยทางอากาศ  และตรวจการเคลื่อนไหวของศัตรู

1. ด้านประมง  เช่น  ใช้ตรวจหาฝูงปลา

โดยทั่วไปเรามักจะพบการนำคลื่นไมโครเวฟไปใช้ในการสื่อสาร  ปัจจุบันการปรุงอาหารนิยมใช้เตาไมโครเวฟกันทั้งนี้เพราะสะดวกและรวดเร็ว หลักการทำงานของเตาไมโครเวฟคือ  แหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟยิงคลื่นไมโครเวฟไปยังพัดลมเพื่อให้พัดลมกระจายคลื่นไมโครเวฟไปทั่วเตา เมื่อคลื่นไมโครเวฟกระทบกับอาหารมันจะส่งสนามไฟฟ้าเข้าไปในอะตอมของน้ำที่อยู่ในอาหารนั้น  ทำให้อะตอมของน้ำซึ่งมีประจุคู่ชนิดตรงกันข้าม (dipole) เกิดการหมุนอย่างรวดเร็วทั่วไปประมาณ  2.410⁹  รอบต่อวินาที  ทำให้เกิดพลังความร้อนขึ้น  อาหารที่ถูกปรุงโดยไมโครเวฟจะสุกทั่วหมดและรวดเร็ว  เพราะคลื่นไมโครเวฟกระจายไปทั่ว 

18.3.4   รังสีอินฟราเรด

 1.  มีความถี่อยู่ในช่วง   10¹¹   - 10¹⁴    เฮิรตซ์   

 2.  วัตถุร้อนจะแผ่รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า  10 ^{- 4}   เมตรออกมา

 3.  ประสาทสัมผัสทางผิวหนังของมนุษย์สามารถรับรังสีอินฟราเรดได้

 4.  ฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดสามารถถ่ายรูปได้โดยอาศัยรังสีอินฟราเรด

 5.  สิ่งมีชีวิตจะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมาตลอดเวลา

 6.  สามารถทะลุผ่านเมฆหมอกที่หนาเกินกว่าแสงธรรมดาจะผ่านได้  จึงอาศัยสมบัตินี้ถ่ายภาพพื้นโลกจากดาวเทียม  เพื่อศึกษาการแปรสภาพของป่าไม้หรือการเคลื่อนย้ายของฝูงสัตว์

             7.  รังสีอินฟราเรดเป็นตัวนำคำสั่งจากอุปกรณ์ควบคุมไปยังเครื่องรับที่เรียกว่า  รีโมทคอนโทรล  หรือการควบคุมระยะไกล  สำหรับควบคุมการทำงานของเครื่องรับโทรทัศน์  เช่น การปิด  การเปิด  การเปลี่ยนสถานี

             8.  ใช้ในทางการทหารนำไปใช้เกี่ยวกับการควบคุมการใช้อาวุธนำวิถีเคลื่อนที่ไปยังเป้าหมาย

             9.  แหล่งกำเนิดของรังสีอินฟราเรด  ได้จากแหล่งกำเนิดความร้อนทุกชนิด  เช่น  ดวงอาทิตย์  หลอดไฟ  

             10.  ใช้ในวงการแพทย์  เช่น  การฆ่าเชื้อโรค  กายภาพบำบัด  การตรวจวินิจฉัยโรค

             11.  ใช้ในวงการอุตสาหกรรม  เช่น  การผลิตรถยนต์  การอบสีรถ  การฆ่าเชื้อโรคก่อนบรรจุใส่ภาชนะ

18.3.5   แสง

             1.  มีความถี่ประมาณ   10 ¹⁴  เฮิรตซ์ 

             2.  ประสาทตาของมนุษย์ไวต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงนี้มาก

             3.  วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาก ๆ  จะเปล่งแสงได้  เช่น  ไส้หลอดไฟฟ้า  ดวงอาทิตย์

             4.  เครื่องกำเนิดเลเซอร์  เป็นแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้แสงได้โดยไม่อาศัยความร้อน  เช่น

วงการแพทย์  ใช้เลเซอร์ในการผ่าตัดนัยน์ตา

18.3.6  รังสีอัตราไวโอเลต

             1.  มีความถี่อยู่ในช่วง   10¹⁵  -  10¹⁸   เฮิรตซ์   

             2.   รังสีนี้เป็นตัวการที่ทำให้เกิดประจุอิสระ  และไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์

             3.   ทำให้สารเรืองแสง  เกิดการเรืองแสง

             4.   สามารถทะลุผ่านวัตถุบาง ๆ  บางชนิดได้  เช่น เสื้อผ้า  แผ่นพลาสติก

             5.   ทำลายเซลล์เล็ก ๆ  บางชนิดได้  เช่น  เชื้อโรค

             6.   ประโยชน์ของรังสีอัตราไวโอเลต

      6.1  ใช้ทำการพิสูจน์เอกสาร  ตรวจสอบลายเซ็น

      6.2   ช่วยร่างกายสังเคราะห์วิตามินดี

      6.3  ใช้ตรวจคุณภาพอาหารว่าเสียหรือไม่

      6.4  ใช้ในการแสดงบนเวที

      6.5  ใช้ตรวจสอบสารเคมี

โทษจากรังสีอัตราไวโอเลต  อันตรายต่อผิวหนัง  และตาคน  เมื่อรับมาจำนวนมาก ๆ  อาจเป็นมะเร็งที่ผิวหนังได้รังสีอัตราไวโอเลตที่มาจากดวงอาทิตย์  ส่วนใหญ่จะถูกสกัดกั้นไว้จากบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์  ซึ่งมีแก๊สโอโซนเป็นองค์ประกอบ  แต่ปัจจุบันโอโซนในบรรยากาศมีจำนวนลดลงมากจึงทำให้รังสีอัตราไวโอเลตแผ่ลงมายังผิวโลกมากขึ้น

18.3.7  รังสีเอกซ์

1.  มีความถี่อยู่ในช่วง   10¹⁶  -  10²¹   เฮิรตซ์   

2.  แหล่งกำเนิดของรังสีเอกซ์  คือ  ดวงอาทิตย์  หลอดรังสีเอกซ์  เครื่องรับโทรทัศน์

3.  คุณสมบัติของรังสีเอกซ์

1. ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า
2. เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก
3. มีอำนาจทะลุทะลวงสูง
4. ทำให้แก๊สหรืออากาศรอบ ๆ แตกตัวเป็นไอออนได้
5. ทำให้สารเรืองแสงเกิดการเรืองแสง
6. ทำปฏิกิริยากับแผ่นฟิล์มถ่ายรูปเหมือนกับแสง
7. รังสีเอกซ์มีอันตรายและทำลายเซลล์ของสิ่งมีชีวิตได้

4.   ประโยชน์ของรังสีเอกซ์

    4.1  ใช้ในวงการแพทย์  ตรวจวินิจฉัยโรค  ตลอดจนการรักษาโรคมะเร็ง

       4.2   ใช้ในวงการอุตสาหกรรม  และการก่อสร้าง  เพื่อตรวจสอบรูรั่วหรือรอยร้าวต่าง ๆ

       4.3  ใช้ตรวจสอบสิ่งแปลกปลอม  หรืออาวุธในกระเป๋าหรือหีบห่อต่าง ๆ

       4.4  ใช้ตรวจสอบวัตถุโบราณว่ามีอายุยาวนานเท่าไร

5.  โทษของรังสีเอกซ์

      5.1  เมื่อร่างกายรับเข้าไปมาก  เซลล์จะตายหรือเสื่อมคุณภาพ

      5.2  อาจทำให้เกิดโรคมะเร็งได้

      5.3  อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในยีน  มีผลต่อกรรมพันธุ์

18.3.8  รังสีแกมมา

             1.  มีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์

             2.  แหล่งกำเนิดของรังสีแกมมา คือ  การสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี   รังสีคอสมิกที่มาจากนอกโลก  จะมีรังสีแกมมาอยู่ด้วย  การแผ่รังสีของอนุภาค ประจุไฟฟ้าที่ถูกเร่งในเครื่องเร่งอนุภาคก็ทำให้เกิดรังสีแกมมาได้

 3.   คุณสมบัติของรังสีแกมมา

            3.1  ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

            3.2  ทำให้สารเรืองแสงเกิดการเรืองแสง

            3.3  ทำปฏิกิริยากับแผ่นฟิล์มถ่ายรูป และฟิล์มที่ไม่ไวต่อแสง

 4.   ประโยชน์ของรังสีแกมมา

            4.1  ใช้ในวงการแพทย์  ใช้รักษาโรคมะเร็ง

            4.2  ใช้ในวงการเกษตร  ศึกษาโรคพืชต่างๆ  การดูดซึมแร่ธาตุของรากพืช  การสังเคราะห์ด้วยแสงการเปลี่ยนแปลงพันธุ์พืช

            4.3  อาบผลไม้ต่าง ๆ  ตลอดผลิตผลอื่น ๆ  ให้เก็บรักษาไว้ได้นาน ๆ

5.   โทษของรังสีแกมมา  ทำลายเซลล์ร่างกาย  เนื้อเยื่อต่าง ๆ  อาจทำให้เกิดมะเร็งได้