พลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า    คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นรูปแบบหนึ่งการถ่ายเทพลังงานจากแหล่งที่มีพลังงานสูงแผ่รังสีออกไปรอบๆโดยมีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คือ ความยาวคลื่น (l) โดยอาจวัดเป็น nanometer (nm) หรือ micrometer (mm) และ ความถี่คลื่น (f) ซึ่งจะวัดเป็น hertz (Hz) โดยคุณสมบัติทั้งสองมีความสัมพันธ์ผ่านค่าความเร็วแสงในรูป c = fl พลังงานของคลื่นพิจารณาเป็นความเข้มของกำลังงาน หรือฟลักซ์ของการแผ่รังสี (มีหน่วยเป็นพลังงานต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยพื้นที่ = Joule s-1 m-2 = watt m-2) ซึ่งอาจวัดจากความเข้มที่เปล่งออกมา (radiance) หรือความเข้มที่ตกกระทบ (irradiance) จากภาพเป็นการแสดงช่วงความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเครื่องมือวัด (Sensor) ของดาวเทียมหรืออุปกรณ์ตรวจวัดจะออกแบบมาให้เหมาะสมกับช่วงความยาวของคลื่นแม่เหล็กไ ฟฟ้าในช่วงคลื่นต่างกันเช่น ช่วงรังสีแกมมา (gamma ray : l < 0.1 nm) และช่วงรังสีเอ็กซ์ (x-ray : 0.1 nm < l < 300 nm) เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง แผ่รังสีจากปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือจากสารกัมมันตรังสี ช่วงอัลตราไวโอเลต เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง เป็นอันตรายต่อเซลสิ่งมีชีวิต ช่วงคลื่นแสง เป็นช่วงคลื่นที่ตามนุษย์รับรู้ได้ ประกอบด้วยแสงสีม่วงไล่ลงมาจนถึงแสงสีแดง ช่วงอินฟราเรด เป็นช่วงคลื่นที่มีพลังงานต่ำ ตามนุษย์มองไม่เห็น จำแนกออกเป็นอินฟราเรดคลื่นสั้น และอินฟราเรดคลื่นความร้อน Near Infrared (NIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 0.7 ถึง 1.5 µm. Short Wavelength Infrared (SWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 1.5 ถึง 3 µm. Mid Wavelength Infrared (MWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 3 ถึง 8 µm. Long Wavelength Infrared (LWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 8 ถึง 15 µm. Far Infrared (FIR) ความยาวคลื่นจะมากกว่า 15 µm. ช่วงคลื่นวิทยุ (radio wave) เป็นช่วงคลื่นที่เกิดจากการสั่นของผลึกเนื่องจากได้รับสนามไฟฟ้าหรือเกิดจากการสลับขั้วไฟฟ้า สำหรับในช่วงไมโครเวฟ มีการให้ชื่อเฉพาะ เช่น P band ความถี่อยู่ในช่วง 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) L band ความถี่อยู่ในช่วง 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) S bandความถี่อยู่ในช่วง 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) C band ความถี่อยู่ในช่วง 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) X bandความถี่อยู่ในช่วง 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) Ku bandความถี่อยู่ในช่วง 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) K band ความถี่อยู่ในช่วง 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) Ka bandความถี่อยู่ในช่วง 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm ความยาวช่วงคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิ 6,000 K จะแผ่พลังงานในช่วงคลื่นแสงมากที่สุด วัตถุต่างๆบนพื้นโลกส่วนมากจะมีอุณหภูมิประมาณ 300 K จะแผ่พลังงานในช่วงอินฟราเรดความร้อนมากที่สุดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ จะถูกโมเลกุลอากาศและฝุ่นละอองในอากาศดูดกลืน และขวางไว้ทำให้คลื่นกระเจิงคลื่นออกไปคลื่นส่วนที่กระทบถูกวัตถุจะสะท้อนกลับและเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศมาตกสู่อุปกรณ์วัดคลื่น     สปกตรังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างเราเรียกช่วงความถี่เหล่านี้ว ่า "สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" และมีชื่อเรียกช่วงต่าง ๆ ของความถี่ต่างกันตามแหล่งกำเนิดและวิธีการตรวจวัดคลื่น   สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า   คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่าง ๆในสเปกตรัมมีสมบัติที่สำคัญเหมือนกันคือ เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วเท่ากับแสงและมีพลังงานส่งผ่านไปพร้อมกับคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้นมีชื่อเรียกดังนี้ 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. สามารถส่งคลื่นได้ทั้งคลื่นดินเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงขนานกับผิวโลกและค ลื่นฟ้าโดยคลื่นจะไปสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา จึงไม่ต้องใช้สายอากาศตั้งสูงรับ 1.2 ระบบเอฟเอ็ม (F.M. = frequency modulation) ระบบเอฟเอ็ม มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้ากับคลื่นพาหะ โดยความถี่ของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่างเดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถ่ายทอดและเครื่องรับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ 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 3. รังสีอินฟาเรด (infrared rays) รังสีอินฟาเรดมีช่วงความถี่ 1011 - 1014 Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-3 - 10-6 เมตร ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรดสามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้ และใช้เป็นการควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลกับเครื่องรับโทรทัศน์ได้ 4. แสง (light) แสงมีช่วงความถี่ 1014Hz หรือความยาวคลื่น 4x10-7 - 7x10-7 เมตร เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับได้ สเปคตรัมของแสงสามารถแยกได้ดังนี้ สี ความยาวคลื่น (nm) ม่วง 380-450 น้ำเงิน 450-500 เขียว 500-570 เหลือง 570-590 แสด 590-610 แดง 610-760 5. รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays) รังสีอัลตราไวโอเลต หรือ รังสีเหนือม่วง มีความถี่ช่วง 1015 - 1018 Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลต สามารถทำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน 6. รังสีเอกซ์ (X-rays) รังสีเอกซ์ มีความถี่ช่วง 1016 - 1022 Hz มีความยาวคลื่นระหว่าง 10-8 - 10-13 เมตร ซึ่งสามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์คือ การเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก 7. รังสีแกมมา ( -rays) รังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และสามารถกระตุ้นปฏิกิริยานิวเ คลียร์ได้ มีอำนาจทะลุทะลวงสูง             สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 1.   ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ 2.   อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 299,792,458 m/s ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง 3.   เป็นคลื่นตามขวาง 4.   ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง 5.   ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร 6.   ไม่มีประจุไฟฟ้า 7.   คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้     เรื่อง  ทฤษฎีเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าแมกซ์เวลล์  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า              &n bsp;          สาระสำคัญ      ใจความของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์กล่าวว่าเมื่อสนามแม่เหล็กบริเวณหนึ่ง เปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า โดยสนามที่ถูกเหนี่ยวนำจะมีระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กที่เปลี่ ยนแปลง   และในเช่นเดียวกัน  เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า ก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ในระนาบที่ตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง เฮิร์ตได้ทำการทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามแนวคิดของแมกว์เวล  โดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำทำให้เกิดค่าความต่างศักย์สูงสุดที่ปลายขดลวด ซึ่งมีลูกกลม B โดยมีช่องว่าง แคบ  เมื่อความต่างศักย์สูง อากาศจึงแตกตัวเป็นไอออน นำไฟฟ้าได้ ซึ่งจะเห็นเป็นประกายไฟออกมา      จากนั้นใช้จานโลหะรูปพาราบารมีลอยผ่าน วางห่างช่องแคบๆนั้น ปรากฎว่า เมื่อให้เกิดค่าความต่างศักย์สูงสุดที่ปลายขดลวด และเกิดประกายไฟ เครื่องรับที่เป็นวงแหวนก็เกิดประกายไฟด้วย  ซึ่งผลการทดลองได้สนับสนุน  ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามแนวคิดของแมกว์เวล      ตามความคิดของแมกเวลล์ซึ่งกล่าวว่า การเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้านั้นจะเกิดขึ้นได้เสมอโดยไม่ต้อง มีตัวนำไฟฟ้าอยู่ด้วย  นั่นหมายถึง ณ ที่ว่างรอบๆ ก็สามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นได้ เมื่อสนามไฟฟ้าในที่ว่างใดๆ เกิดการเปลี่ยนแปลงตามเวลา จะเหนี่ยวนำให้ สนามแม่เหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลงตามเวลา ไปในขณะเดียวกันด้วย  และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดการสนานไฟฟ้าอีกต่อเนื่องกันไป การเกิดต่อเนื่องกันนี้ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น              เมื่ออิเล็กตรอนในสายอากาศเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์โมนิกอย่างง่ายจะทำให้เกิดคลื่นแ ม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากสายอากาศ  ระนาบของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับ สนามแม่เหล็ก      คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง  เพราะมีสมบัติการโพราไลซ์เซชัน(Polalization) ทิศของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีทุกทิศทุกทาง (3 มิติ) ยกเว้นในแนวเส้นตรงเดียวกับสายอากาศ คลื่นไฟฟ้าที่มีความถี่ต่อเนื่องเป็นช่วงกว้าง  ความถีต่างๆเหล่านี้  เรียกรวมกันว่า สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่เดียวกันมีชื่อเรียกต่างกันไปขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิด