คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า-ฟิสิกส์ ม.6

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า-ฟิสิกส์ ม.6

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2. สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
3. คลื่นวิทยุ

• คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ
• รังสีอินฟาเรด (infrared rays)
• แสง (light)
• รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays)
• รังสีเอกซ์ (X-rays)
• รังสีแกมมา (Y-rays)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic disturbance) โดยการทำให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หรือถ้าสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง จึงสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้
สเปกตรัม (Spectrum) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นแตกต่างกัน ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ คลื่นแสงที่ตามองเห็น อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด คลื่นวิทยุ โทรทัศน์ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น
ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงมีประโยชน์มากในการสื่อสารและโทรคมนาคม และทางการแพทย์

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

หากเรียงลำดับจาก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่น้อยที่สุด ไปหา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่มากที่สุด จะเรียงได้ดังนี้ คลื่นวิทยุ < ไมโครเวฟ < อินฟราเรด < แสง < อัลตราไวโอเลต < รังสีเอกซ์ < รังสีแกมมา

หากเรียงลำดับจาก มากที่สุด ไปหา ความถี่และพลังงานน้อยที่สุด จะเรียงได้ดังนี้ รังสีแกมมา > รังสีเอกซ์ > อัลตราไวโอเลต > แสง > อินฟราเรด > ไมโครเวฟ > คลื่นวิทยุ

*คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง ความยาวคลื่นจะสั้น (ความถี่แปรผกผันกับความยาวคลื่น)

สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่

2. อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 3×10⁸m/s ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง

3. เป็นคลื่นตามขวาง

4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง

5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร

6. ไม่มีประจุไฟฟ้า

7. คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้

คลื่นวิทยุ

ถ้าพิจารณาจากสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นว่าคลื่นวิทยุมีความถี่อยู่ในช่วง 106 – 109 เฮิรตซ์ คลื่นช่วงนี้ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิงไปยังผู้รับ สำหรับคลื่นวิทยุความถี่ตั้งแต่ 530 – 1600 กิโลเฮิรตซ์ ที่สถานีวิทยุส่งออกอากาศใน ระบบเอเอ็ม เป็นการสื่อสารโดยการผสม (modulate) คลื่นเสียงเข้ากับคลื่นวิทยุ ซึ่งเรียกว่า คลื่นพาหะ และสัญญาณเสียงจะบังคับให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงไป
เมื่อคลื่นวิทยุที่ผสมสัญญาณเสียงกระจายออกจากสายอากาศไปยังเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุจะทำหน้าที่แยกสัญญาณเสียงซึ่งอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้าออกจากสัญญาณคลื่นวิทยุ แล้วขยายให้มีแอมพลิจูดสูงขึ้น เพื่อส่งให้ลำโพงแปลงสัญญาณออกมาเป็นเสียงที่หูรับฟังได้

การส่งคลืนวิทยุระบบเอเอ็ม
ในการกระจายเสียงคลื่นวิทยุระบบเอเอ็มออกอากาศนั้น นอกจากจะใช้คลื่นที่มีความถี่ขนาด 530 – 1600 กิโลเฮิรตซ์ แล้ว ยังมีคลื่นที่มีช่วงความถี่ต่ำกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นยาว และคลื่นที่มีความถี่สูงกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นสั้น ด้วยในการส่งระบบเอเอ็มซึ่งเป็นการผสมคลื่นโดยให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ขณะคลื่นเคลื่อนที่ไปในบรรยากาศ ปรากฏการณ์ฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า สามารถทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ซึ่งคลื่นใหม่ที่เกิดขึ้นนี้สามารถรวมกับคลื่นวิทยุที่ส่งมาแบบเอเอ็ม ทำให้เกิดการรบกวน การส่งคลื่นวิทยุอีกระบบหนึ่งเรียกว่า ระบบเอฟเอ็ม เป็นการผสมสัญญาณเสียงเข้ากับคลื่นพาหะ โดยให้ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณเสียง

การส่งคลื่นวิทยุเอฟเอม
การส่งคลื่นในระบบเอฟเอ็มถูกกำหนดให้อยู่ในช่วงความถี่จาก 88-108 เมกะเฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 2.8-3.4 เมตร ระบบการส่งคลื่นแบบเอเอ็มและเอฟเอ็มต่างกันที่วิธีการผสมคลื่น ดังนั้นเครื่องรับวิทยุระบบเอเอ็มกับเอฟเอ็มจึงไม่สามารถรับคลื่นวิทยุของอีกระบบหนึ่งได้
คลื่นวิทยุมีสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง คือ คลื่นวิทยุบางช่วงสามารถสะท้อนได้ที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ เพราะบรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก ดังนั้นเมื่อคลื่นวิทยุเคลื่อนที่มากระทบจะสะท้อนกลับสู่ผิวโลกอีก สมบัติข้อนี้ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการสื่อสารเป็นระยะทางไกลๆได้ แต่ถ้าเป็นคลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงสมบัติการสะท้อนดังกล่าวจะเกิดได้น้อยลง
ในการส่งกระจายเสียงด้วยคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม คลื่นสามารถเดินทางถึงเครื่องรับวิทยุได้สองทาง คือ เคลื่อนที่ไปตรงๆในระดับสายตา ซึ่งเรียกว่า คลื่นดิน ส่วนคลื่นที่สะท้อนกลับลงมาชั้นไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเรียกว่า คลื่นฟ้า ส่วนคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงจะมีการสะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์น้อย ดังนั้นถ้าต้องการส่งกระจายเสียงด้วยระบบเอฟเอ็มให้ครอบคลุมพื้นที่ไกลๆ จึงต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะๆและผู้รับต้องตั้งสายอากาศให้สูง

การเคลื่อนที่ของคลื่นวิทยุที่ไปเครื่องรับ
ในขณะที่คลื่นวิทยุเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงความยาวคลื่นจะมีการเลี้ยวเบนเกิดขึ้น ทำให้คลื่นวิทยุอ้อมผ่านไปได้ แต่ถ้าสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่มาก เช่น ภูเขาคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นสั้นจะไม่สามารถอ้อมผ่านภูเขาไปได้ ทำให้ด้านตรงข้ามของภูเขาเป็นจุดปลอดคลื่น
โลหะมีสมบัติสามารถสะท้อนและดูดกลืนแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ดังนั้นคลื่นวิทยุจะทะลุผ่านเข้าไปถึงภายในโลหะได้ยาก อาจจะสังเกตได้ง่ายเมื่อฟังวิทยุในรถยนต์ เมื่อรถยนต์ผ่านใต้สะพานที่มีโครงสร้างเป็นเหล็ก เสียงวิทยุจะเบาลง หรือเงียบหายไป
ในการส่งกระจายเสียง สถานีส่งคลื่นวิทยุหนึ่งๆจะใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่คลื่นโดยเฉพาะ เพราะถ้าใช้คลื่นที่มีความถี่เดียวกัน จะเข้าไปในเครื่องรับพร้อมกัน เสียงจะรบกวนกัน แต่ถ้าสถานีส่งวิทยุอยู่ห่างกันมากๆ จนคลื่นวิทยุของสถานีทั้งสองไม่สามารถรบกวนกันได้ สถานีทั้งสองอาจใช้ความถี่เดียวกันได้
คลื่นวิทยุที่มีความถี่นอกเหนือจากช่วงส่งออกอากาศตามปกติ อาจนำไปใช้ในการสื่อสารเฉพาะกรณี เช่น ใช้สื่อสารระหว่างเจ้าหน้าที่ตำรวจ ระหว่างหน่วยงานของราชการและในระบบวิทยุสมัครเล่น เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันราชการไม่อนุญาตให้เอกชนมีเครื่องส่งวิทยุในครอบครอง ยกเว้นเพื่อกิจการวิทยุสมัครเล่นหรือเพื่อกิจกรรมสาธารณประโยชน์เท่านั้น

ขอบคุณข้อมูล https://www.trueplookpanya.com/learning/detail/34129