คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ฟิสิกส์

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave)คืออะไร

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ( electromagnetic wave ) คือ คลื่นชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง โดยอาศัยการเหนี่ยวนำกันระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของสนามทั้งสองตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่

จากการศึกษายังพบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงความถี่ต่างๆ มีลักษณะเฉพาะตัว จึงมีชื่อเรียกต่างกัน เมื่อเรียงลำดับจากความถี่ต่ำไปความถี่สูงจะได้ดังนี้ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงที่มีความถี่ที่ต่อเนื่องกัน รวมเรียกว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ( electromagnetic spectrum )

แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร (1 เมตร = 10⁹ นาโนเมตร หรือ 100 ล้านนาโนเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึมมาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปกตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ดังที่แสดงในภาพที่ 2 ได้แก่

           • รังสีแกมมา (Gamma ray) ความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 nm
           • รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 – 1 nm
           • รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 – 400 nm
           • แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 nm
           • รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 nm – 1 mm
           • คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm
           • คลื่นวิทยุ (Radio wave) ความยาวคลื่นมากกว่า 10 cm

 “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) ซึ่งประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทำมุมตั้งฉาก ดังที่แสดงในภาพที่ 1 แสงเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติของอนุภาค เราเรียกว่า “โฟตอน” (Photon) เป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล

กฎของเวน (Wien’s Law): ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น และอุณหภูมิ

           วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) ย่อมมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ (วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น, วัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว) ในปี ค.ศ.1893 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม เวน (Wilhelm Wien) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อน

max = 0.0029 / T

                 _max      = ความยาวคลื่นเข้มสุด มีหน่วยเป็นเมตร (m)
              T           = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

           ตัวอย่างที่ 1 แสดงให้เห็นว่า เราสามารถคำนวณหาอุณหภูมิพื้นผิวของดาวได้ ถ้าเราทราบความยาวคลื่นเข้มสุด ที่ดาวนั้นแผ่รังสีออกมา

ตัวอย่างที่ 1: ดวงอาทิตย์แผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด 500 นาโนเมตร อยากทราบว่า ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวเท่าไร          max   = 0.0029 / T            T      = 0.0029 / max                   = 0.0029 / 500 x 10-9 m                   = 5,800 K

กฎของแพลงก์ (Plank’s Law)

          โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว

E = hf E = hc/

          พลังงานของโฟตอน    = h x ความถี่
                                       = h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น

     ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
     ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
     ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10^-34 จูล วินาที (J.s)

          ตัวอย่างที่ 3 แสดงให้เห็นว่า โฟตอนของแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดงซึ่งมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร ถึง 1.75 เท่า

ตัวอย่างที่ 2: โฟตอนของแสงสีม่วงมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนทั้งสองมีพลังงานต่างกันอย่างไร Eviolet = hc / = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1M / 400 x 10-9 nm        = 4.95 x 10-19 จูล Ered   = hc /  = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1] / 700 x 10-9 nm        = 2.83 x 10-19 จูล โฟตอนของแสงสีม่วง มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 1.75 เท่า

กฎของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)

          ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร

F    =     T4

          F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ / ตารางเมตร (W m^-2)
           = 5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4 (W m^-2 K^-4)
          T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

          ถ้าเราทราบว่า ความยาวคลื่นเข้มสุดที่ดาวแผ่รังสีออกมา เราก็จะทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว (ดังตัวอย่างที่ 1) และเมื่อเราทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว เราก็จะทราบว่า พลังงานที่ดาวแผ่ออกมานั้นมีความเข้มเท่าไร (ดังตัวอย่างที่ 3)

ตัวอย่างที่ 3: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร     F = T4        = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4) (5800 K)4        = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 1015)        = 64,164,532 วัตต์ / ตารางเมตร

ขอบคุณข้อมูล https://www.pw.ac.th/