คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลนแมเหลกไฟฟา (ElectromagneticWave)

คลนแมเหลกไฟฟา คลนตามขวางทประกอบไปดวย สนามไฟฟา + สนามแมเหลก “ไมอาศยตวกลาง” ในการเคลอนท (เพราะเกดจากการเหนยวนากนเอง ระหวางสนามไฟฟาและสนามแมเหลกไฟฟา) การเกดคลนเมเหลกไฟฟา ในป พ.ศ. 2407 เจมส คลารก แมกซเวลล (James Clerk Max well) ไดรวบรวม แนวคดเกยวกบไฟฟาและแมเหลก โดย นาเสนอในรปแบบของสมการคณตศาสตรวา สนามไฟฟาทเปลยนแปลงตามเวลาทําใหเกดสนามแมเหลก และสนามแมเหลกท เปลยนแปลงตามเวลาทําใหเกดสนามไฟฟา โดยสนามไฟฟาและสนามแมเหลกม ทศทาง ตงฉากซงกนและกน แมกซเวลลไดทํานายวามคลนแมเหลกไฟฟา (electromagnetic waves) ทเกดจาก การเหนยวนาอยางตอเนองระหวางสนามไฟฟา และสนามแมเหลก โดยเคลอนทดวยอตราเรวประมาณ 3 x 10^8 เมตรตอวนาท ซง เทากบอตราเรวของแสง จงไดเสนอแนวคดวาแสงเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความถชวง หนง คําทํานายนไดรบการยนยนวาเปนจรงโดยการทดลองของเฮรตซ ในป พ.ศ. 2430 Note!! : อตราเรวแสง ในสญญากาศ เปน “คา คงท” มคาเทากบ 3*10^8 m/s

ความรเพมเตม สนามไฟฟาทปลยนแปลงตามเวลาทําใหเกดสนามแมเหลก และสนามแมหลกท เปลยนแปลง ทําใหเกดสนามไฟฟา สามาถขยนภาพแสดงความสมพนธไดดง ตวอยางการเกดคลนแมเหลกไฟฟา โดยพจารณาการ เปลยนแปลงสนามไฟฟากบเวลา ซงเกดจากแหลงกําเนก ไฟฟากระแสสลบความถสงมากพอทตอเขากบสายอากาศ เชน ทอนโลหะของสายอากาศทวางตวอยในแนวดง จะม อเลกตรอนในสายอากาศเคลอนทกลบไปมาดวยความเรง ในแนวดง ทําใหเกดสนามไฟฟา ปลยนแปลงตามเวลา ซง เหนยวนาใหเกดสนามแมเหลกทเปลยนแปลงตามเวลา ดวย เกดแมเหลกไฟฟาแผออกรอบสายอากาศทกทศทาง ในแนวรศม ยกเวนในแนวดงซงเปนแนวเสนกบสาย อากาศ ดงรป

เจมส คลารก แมกซเวลล (James Clerk Maxwell ค.ศ. 1831 - 1879 หรอ พ.ศ. 2374 - 2422) เปนนกฟสกส ทอธบายการมอยของคลนแมเหลกไฟฟาเปนคนแรก ได รวบรวม สมการเกยวกบสนามไฟฟาและสนามแมเหลก แลวนาเสนอสมการ คลนแมเหลกไฟฟา แสดงใหเหนวา คลนแมเหลกไฟฟาเคลอนท ดวยอตราเรวแสง นาไปสขอ สรปวาแสงเปน คลนแมเหลกไฟฟา ทฤษฎของแมกซเวลล กลาววา “สนามแมเหลกทมการ เปลยนแปลง สามารถเหนยวนาใหเกดสนามไฟฟา และสนามไฟฟาท เปลยนแปลงสามารถทําใหเกดสนามแมเหลกได แมวาบรเวณนนๆ จะเปนตวนาหรอฉนวนหรอสญญากาศกตาม” ไฮนรช แฮทซ (Heinrich Hertz ค.ศ. 1857 1894 หรอ พ.ศ. 2400 - 2437) เปนนกฟสกสคนแรกทสาธตการ ทําใหเกดและการตรวจจบคลนแมเหลกไฟฟาไดในหอง ทดลอง โดยคลนแมเหลกไฟฟาทสรางขนในหองทดลอง ของเขานนเปนคลนวทย ยนยนผลทวา “แมเหลกไฟฟา” มสมบตเปน “คลน”โดยพบวาเมอสรางเสนสปารคบรเวณ “ตวสง” จะเกดเสนสปารคทบรเวณ “ตวรบ” เทากน การทดลองของเฮรตซ

Spectrum ของคลนเมเหลกไฟฟา ** Tips : เรยงลําดบตาม “ความยาวคลน” (จากมากไปนอย) วทย, ไมโครเวฟ, อนฟาเรด, แสง, UV, เอกซ, แกมมา สวนการเรยงลําดบตาม “พลงงานและความถ” ใหเรยง “กลบกน” คลนแมเหลกไฟฟามหลายชนดขนอยกบชวงความถ โดยแตละชนดถก เรยกชอแตกตางกน เชน แสง คลนวทย ไมโครเวฟ รงสเอกซและรงสแกมมา คลนแมเหลกไฟฟาทกชนดสามารถแผออกไปไดในสญญากาศ ดวยอตราเรว ประมาณ 3 x 10^8 เมตรตอวนาท หากคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทผานบรเวณท มตวกลางอย จะมอตราเรวลดลง ขนกบตวกลางและชนดของคลนแมเหลกไฟฟา อตราเรวของคลนแมเหลกไฟฟาในตวกลาง (v) กบความถ (f) และ ความยาวคลน (λ) มความสมพนธ กนเชนเดยวกบคลนกลทตอเนอง ตามสมการ v = f λ เมอคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทในตวกลางอน ๆ อตราเรวและความยาวคลน จะมคาเปลยนแปลงไป แตความถของคลนแมเหลกไฟฟาจะไมเปลยนแปลง

คลนแมเหลกไฟฟาทควรร

โพราไลเซชนของของคลนเมเหลกไฟฟา พจารณาคลนแมเหลกไฟฟาทเกดจากสายอากาศทเปนทอนโลหะสอง ทอนในแนวดงทตออยกบแหลง กําเนดไฟฟากระแสสลบ มคลนแมเหลกไฟฟาแผออกไป โดยสนามไฟฟาเปลยนแปลงทศทาง กลบไปมาในแนว ดงเพยงแนวเดยว ดงรป คลนแมเหลกไฟฟาขางตน มสนามไฟฟาเปลยนแปลงทศทางกลบไปมา ในแนวแกน แนวเดยว ขณะ ทคลนแผไปตามแกน x จงกลาวไดวาสนาม ไฟฟา E มการเปลยนแปลงกลบไปมาบนระนาบ xy เรยก คลนแมเหลกไฟฟาทสนามไฟฟาเปลยนแปลงในระนาบเดยวนวา คลนโพลา ไรสเชงเสน (linear polarized wave) โดยพจารณาแนวโพลไรสของคลน จากการวางตวของทศทางของสนามไฟฟา เชน สนามไฟฟา เปลยนแปลง ทศทางกลบไปมาวางตวอยในแนวดง เรยกวา โพลาไรสเชงเสนในแนวดง (vertically polarized)

ตวอยางการประยกตการใช คลนแมเหลกไฟฟา 1. เครองฉายรงสเอกซ เครองฉายรงสเอกซ (X-ray machine) เปนอปกรณทใชคลนแมเหลกไฟฟาในชวง รงสเอกซ ฉายผานรางกายในบรเวณทตองการวนจฉย ซงจะไดภาพเปนภาพ 2 มต เครองฉายรงสเอกซม สวนประกอบ ดงรป 2. เครองถายภาพเอกซเรยคอมพวเตอร เครองถายภาพเอกซเรยคอมพวเตอร (computed tomography scan หรอ CT Scan) หรอ เรยกสน ๆ วา ซทสแกน เปนอกหนงอปกรณทใชคลนแมเหลกไฟฟาในชวงรงสเอกซฉายกราด (scan) ผานทวอวยวะหรอรางกาย และสรางภาพทเหนรายละเอยดโครงสรางของอวยวะภายใน รางกาย โดยแพทย จะใชภาพควบคกบการตรวจวนจฉยวาอวยวะนน ๆ มความผดปกตหรอไม ชทสแกนมสวนประกอบ ดงรป

3. เครองระบตําแหนงบนพนโลก การระบตําแหนงบนพนโลก ในปจจบนสวนใหญจะใชระบบระบตําแหนงบนพนโลก หรอ จพเอส (global positioning system หรอ GPS) ซงจะประกอบไปดวยศนยควบคม ภาคพนดน ดาวเทยม สงสญญาณ และเครองระบตําแหนงบนพนโลก โดยมหลกการ ทํางาน ดงน ดาวเทยมสงสญญาณจะสงขอมลตําแหนงและเวลาของดาวเทยมขณะสง สญญาณ โดยผสม สญญาณเขากบไมโครเวฟ เมอเครองระบตําแหนงบนพนโลกรบ สญญาณจากดาวเทยมจะคํานวณความ แตกตางของเวลาในการรบสญญาณกบเวลาสง สญญาณของดาวเทยมแตละดวง ทําใหสามารถหาระยะหาง ระหวางดาวเทยมแตละดวง กบเครองระบตําแหนงบนพนโลก แลวนามาประมวลผลเปนตําแหนงของเครองระบ ตําแหนงบนพนโลกขณะนน เนองจากขอมลตําแหนงและเวลาของดาวเทยมในวงโคจรอาจมการ เปลยนแปลงไป ศนยควบคมภาคพนดนทําหนาทตรวจสอบ ปรบปรงและดแลการทํางานของดาวเทยมสง สญญาณ ใหขอมลของดาวเทยมถกตองตลอดเวลา ในการระบตําแหนงทมความแมนยํา สงเครองระบ ตําแหนงบนพนโลกจําเปนตองใชขอมลของดาวเทยมสงสญญาณอยาง นอย 4 ดวง เพอหาตําแหนงบน พนโลก ณ เวลานน ๆ ดงรป

ความรเพมเตม นกฟสกสพบวา นวเคลยสมสมบตเชงแมเหลก เมอนวเคลยสอยในสนามแม เหลกและถกกระตน ดวยคลนแมเหลกไฟฟาทมความถเหมาะสม นวเคลยสจะ เกดการสนพองและมพลงงานสง เมอหยด การรบกวน นวเคลยสจะกลบสสภาวะ เดมและปลดปลอยพลงงานในรปคลนแมเหลกไฟฟา เรยก รากฏการณนวา การสนพองแมเหลกวเคยรหรอเอนเอมอาร (nuclear magnetic res หรอ NMR) การประยกตทสําคญของเอนเอมอารกคอการนาหลกการเอนเอมอารรวม กบเทคโนโลย พวเตอไปประดษเครองถายภาพการสํานพองแมหลกหรอเครอง เอมอารไอ เพอใชใ ภาพภาคตดขวางของรางกายมนษย NAVSTAR (navigation satellite timing and ranging) เปนเครอขาย ดาวเทยม GPS ของสหรฐอเมรกา มดาวเทยม 28 ดวง ใชงานจรง 24 ดวง อก 4 ดวง ไวสํารอง โดยจะแบงเปน อบวงโคจร แตละวงโคจรมดาวเทยม 4 ดวง และดาวเทยมแตละดวงใชเวลาในการโคจรรอ 12 ชวโมง ซงทําใหทกตําแหนง บนโลกตดตอกบดาวเทยมอยางนอย 4 ดวงตลอดเวลาซงประชาชน ทวโลก สามารถใชขอมลจาก NAVSTAR ไดโดยไมเสยคาใชจาย ในระดบทไมเปนภย ตอความ มนคงของสหรฐอเมรกา นอกจากนยงมเครอขายดาวเทยม GPS ประเทศอนอกเชน กลมประเทศ ยโรป รสเซย เรยกรวมกนวา ระบบดาวเทยม นารองโลก (global navigation staellite system หรอ GNSS)

ผจดทํา นางสาวกนตกนษฐ เนยมบญ เลขท 18 ก นางสาวธนาภา เจรญสข เลขท 10 ข นางสาวชนญชดา ปญญางาม เลขท 20ข ชนมธยมศกษาปท 6/4