ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า : สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า



คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการทดลองของเฮิรตซ์ มีความยาวคลื่นประมาณ 2.8 เมตร หรือมีความถี่ประมาณ 108 เฮิรตซ์ จึงอาจสงสัยว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติมีเฉพาะบางความถี่เท่านั้น หรือว่ามีหลายความถี่ ในปัจจุบันได้มีการศึกษาจนทราบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่างๆ มากมายจนเป็นความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างๆ เหล่านี้เรียกรวมกันว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum) ดังภาพ (8)

ภาพ 8 : สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า


เมื่อพิจารณาสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีชื่อเรียกต่างๆ กัน ทั้งนี้ขึ้นกับแหล่งกำเนิดและวิธีตรวจวัดคลื่นนั้น คลื่นในความถี่บางช่วงมีชื่อเรียกไม่เหมือนกัน ทั้งๆ ที่มีความถี่เดียวกัน เนื่องจากมีแหล่งกำเนิดคลื่นต่างกัน เช่น รังสีบางความถี่อาจจะเรียกเป็นรัวสีอัลตราโอเลต หรือรังสีเอกซ์ก็ได้ ขึ้นกับวิธีที่ใช้ผลิตรังสีนั้นๆ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแต่ละช่วงความถี่จะมีเอกลักษณ์ที่แตกต่างกัน เช่น รังสีอินฟราเรด หรือคลื่นความร้อนที่เกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง สามารถตรวจจับได้โดยกายสัมผัส แสงที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอะตอม อาจตรวจพบได้ด้วยจักษุสัมผัส รังสีเอกซ์ที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนสามารถตรวจจับได้ง่ายด้วยฟิล์มเอกซเรย์ และคลื่นวิทยุที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนในไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง สามารถตรวจจับได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่างๆ ในสเปกตรัม แม้มีแหล่งกำเนิดและการตรวจจับที่แตกต่างกัน แต่ทุกคลื่นก็มีสมบัติที่สำคัญเหมือนกัน คือ เคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยความเร็วแสง คือ 3.00 × 108 เมตรต่อวินาที และมีการส่งผ่านพลังงานไฟพร้อมกับคลื่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่ออำนวยประโยชน์ในการดำรงชีพนั้น มีความถี่ต่างๆ กันซึ่งจะได้ศึกษาต่อไป

1. คลื่นวิทยุ

จากสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะเห็นว่าคลื่นวิทยุมีความถี่อยู่ในช่วง 106 - 109 เฮิรตซ์ คลื่นช่วงนี้ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิงไปยังผู้รับ สำหรับคลื่นวิทยุความถี่ตั้งแต่ 530-1600 กิโลเฮิรตซ์ ที่สถานีวิทยุส่งออกอากาศในระบบเอเอ็ม เป็นการสื่อสารโดยการผสม (modulate) คลื่นเสียงเข้ากับคลื่นวิทยุ ซึ่งเรียกว่า คลื่นพาหะ และสัญญาณเสียงจะบังคับให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงไป ดังภาพ (9)

ภาพ 9 : การส่งคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม (AM)


เมื่อคลื่นวิทยุที่ผสมสัญญาณเสียงกระจายออกจากอากาศไปยังเครื่องรับวิทยุ เครื่องรับวิทยุจะทำหน้าที่แยกสัญญาณเสียงซึ่งอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้าออกจากสัญญาณคลื่นวิทยุ แล้วขยายให้แอมพลิจูดสูงขึ้น เพื่อส่งให้ลำโพงแปลงสัญญาณออกมาเป็นเสียงที่หูรับฟัง (A.M. = amplitude modulation)

ในการกระจายแสงคลื่นวิทยุระบบเอเอ็มออกอากาศนั้น นอกจากจะใช้คลื่นที่มีความถี่ขนาด 530 -1600 กิโลเอิรตซ์แล้ว ยังมีคลื่นที่มีช่วงความถี่ต่ำกว่านี้ ซึ่งเรียกว่า คลื่นยาว และคลื่นที่มีความถี่สูงกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นสั้น ด้วย ในการส่งระบบเอเอ็มซึ่งเป็นการผสมคลื่นโดยใช้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ขณะคลื่นเคลื่อนที่ไปในบรรยากาศ ปรากฎการณ์ฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า สามารถทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ซึ่งคลื่นใหม่ที่เกิดขึ้นนี้สามารถรวมกับคลื่นวิทยุที่ส่งมาแบบเอเอ็ม ทำใหเกิดการรบกวน

การส่งคลื่นวิทยุอีกระบบหนึ่งเรียกว่า ระบบเอฟเอ็ม เป็นการผสมสัญญาณเสียงเข้ากับคลื่นพาหะ โดยให้ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณเสียง ดังภาพ (10)

ภาพ 10 : การส่งคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็ม (FM)


การส่งคลื่นในระบบเอฟเอ็มถูกกำหนดให้อยู่ในช่วงความถี่จาก 88-108 เมกะเฮิรตซ์ หรือควายาวคลื่นตั้งแต่ 2.8-3.4 เมตร ระบบการส่งคลื่นแบบเอเอ็มและเอฟเอ็มต่างกันที่วิธีการผสมคลื่น ดังนั้นเครื่องรับวิทยุระบบเอเอ็มกับเอฟเอ็มจึงไม่สามารถรับคลื่นวิทยุของอีกฝ่ายหนึ่งได้

คลื่นวิทยุมีสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง คือ คลื่นวิทยุบางช่วงสามารถสะท้อนได้ที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ เพราะบรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก (บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟีย เป็นบรรยากาศชั้นที่โมเลกุลของอากาศอยู่ในสภาพแตกตัวเป็นไอออน ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าอิสระมากมาย เมื่อคลื่นวิทยุส่งจากพื้นโลกกระทบบรรยากาศชั้นนี้ สนามไฟฟ้าจากคลื่นวิทยุจะส่งแรงกระทำกับประจุ ทำให้ประจุอิสระเหล่านั้นสั่นไปมาเนื่องจากดูดกลืนพลังงานไว้ ผลของการสั่นของประจุไฟฟ้าทำให้อิเล็กตรอนมีความเร่ง จึงปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาโดยมีความถี่เท่ากัน) ดังนั้น มีผลเหมือนกับว่าคลื่นวิทยุขึ้นไปบนชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา แต่ถ้าคลื่นวิยุที่ขึ้นไปมีความถี่มากเกินไป ประจุอิสระสั่นตามไม่ทัน คลื่นวิทยุจะไม่เสียพลังงานและจะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศออกไป สมบัติข้อนี้ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการสื่อสารเป็นระยะทางไกลๆ ได้ แต่ถ้าเป็นคลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงสมบัติการสะท้อนดังกล่าวจะเกิดได้น้อยมาก

ในการส่งกระจายเสียงด้วยคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม คลื่นสามารถเดินทางถึงเครื่องรับวิทยุได้สองทาง คือ เคลื่อนที่ไปตรงๆ ในระดับสายตา ซึ่งเรียกว่า คลื่นดิน ส่วนคลื่นที่สะท้อนกลับลงมาจากชั้นไอโอโนสเฟียร์ เรียกว่า คลื่นฟ้า ดังภาพ (11)

ส่วนคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงจะมีการสะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียน้อย ดังนั้น ถ้าต้องการส่งกระจายเสียงด้วยระบบเอฟเอ็มให้ครอบคลุมพื้นที่ไกลๆ จึงต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะๆ และผู้รับต้องตั้งสายอากาศให้สูง

ภาพ 11 : การเคลื่อนที่ของคลื่นวิทยุไปเครื่องรับ


ในขณะที่คลื่นวิทยุเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงความยาวคลื่น จะมีการเลี้ยวเบนเกิดขึ้น ทำให้คลื่นวิทยุอ้อมผ่านไปได้ แต่ถ้าสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่มาก เช่น ภูเขา คลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นสั้น จะไม่สามารถอ้อมผ่านภูเขาได้ ทำให้ด้านตรงข้ามของภูเขาเป็นจุดปลอดคลื่น

โลหะมีสมบัติสามารถสะท้อนและดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี ดังนั้นคลื่นวิทยุจะทะลุผ่านเข้าไปถึงภายในโลหะได้ยาก อาจจะสังเกตได้ง่ายเมื่อฟังวิทยุในรถยนต์ เมื่อรถยนต์ผ่านใต้สะพานที่มีโครงสร้างเป็นหลัก เสียงวิทยุจะเบาลง หรือเงียบหายไป

ในการส่งกระจายเสียง สถานีส่งคลื่นวิทยุหนึ่งๆ จะใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่คลื่นโดยเฉพาะ เพราะถ้าใช้คลื่นที่มีความถี่เดียวกัน จะเข้าไปในเครื่องรับพร้อมกัน เสียงจะรบกวนกัน แต่ถ้าส่งวิทยุอยู่ห่างกันมากๆ จนคลื่นวิทยุของสถานีทั้งสองไม่สามารถรบกวนกันได้ สถานีทั้งสองอาจใช้ความถี่เดียวกันได้

คลื่นวิทยุที่มีความถี่นอกเหนือจากช่วงส่งออกอากาศตามปกติ อาจนำไปใช้ในการสื่อสารเฉพาะกรณี เช่น ใช้สื่อสาระระหว่างเจ้าหน้าที่ตำรวจ ระหว่างหน่วยงานราชการและในระบบวิทยุสมัครเล่น เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันราชการไม่อนุญาตให้เอกชนมีเครื่องส่งวิทยุในครอบครอง ยกเว้นเพื่อกิจการวิทยุสมัครเล่น หรือเพื่อกิจกรรมสาธารณประโยชน์เท่านั้น

2. คลื่นโทรทัศน์

คลื่นโทรทัศน์มีความถี่ประมาณ 108 เฮิรตซ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงขนาดนี้จะไม่สะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ดังนั้นในการส่งคลื่นโทรทัศน์ไปไกลๆ จะต้องใช้สถานีถ่ายทอดคลื่นเป็นระยะๆ เพื่อรับคลื่นโทรทัศน์จากสถานีส่งซึ่งมาในแนวเส้นตรง แล้วขยายให้สัญญาณแรงขึ้นก่อนที่จะส่งไปยังสถานีที่อยู่ถัดไป เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง ดังนั้นสัญญาณจะไปได้ไกลสุดเพียง 80 กิโลเมตรบนผิวโลกเท่านั้น ทั้งนี้เพราะผิวโลกโค้งหรืออาจใช้คลื่นไมโครเวฟทำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียมซึ่งโคจรอยู่ในวงโคจรที่ตำแหน่งหยุดนิ่งเมื่อเทียบกับตำแหน่งหนึ่งๆ บนผิวโลก นั่นคือ ดาวเทียมมีความเร็วเชิงมุมเดียวกับความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลก จากนั้นดาวเทียมก็จะส่งคลื่นต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกลๆ ได้

ภาพ 12 : การส่งคลื่นโทรทัศน์ไปเป็นระยะทางไกลๆ


เพราะคลื่นโทรทัศน์ที่มีความยาวคลื่นสั้น ไม่สามารถเลี้ยวเบนอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ได้ ดังนั้นเมื่อคลื่นโทรทัศน์กระทบรถยนต์หรือเครื่องบิน จะเกิดปรากฎการณ์แทรกสอดกับคลื่นที่ส่งมาจากสถานีแล้วเข้าเครื่องรับสัญญาณพร้อมกัน ทำให้เกิดภาพซ้อนในจอภาพ ฉะนั้นเพื่อให้ได้ภาพคมชัดเจน ปัจจุบันจึงนิยมใช้ระบบส่งสัญญาณโทรทัศน์ตามสาย

3.คลื่นไมโครเวฟ

คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-3 เมตร ถึง 0.3 เมตร โดยประมาณ หรืออยู่ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 1 × 109 เฮิรตซ์ ถึง 3 × 1011 เฮิรตซ์ สามารถนำคลื่นไมโครเวฟไปใช้ในการสื่อสารได้

ภาพ 13 : การใช้ประโยชน์จากคลื่นไมโครเวฟ


ปัจจุบันมนุษย์ใช้คลื่นไมโครเวฟที่มีความถี่ 2,400 เมกะเฮิรตซ์ ในการทำอาหาร เปิดปิดประตูโรงรถ ถ่ายภาพพื้นผิวดาวเคราะห์ ศึกษากำเนิดของจักรวาล เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟสะท้อนจากผิวโลหะได้ดี ดังนั้น จึงมีการนำสมบัตินี้ไปใช้ประโยชน์ ในการตรวจหาตำแหน่งของยานอวกาศ ตรวจจับอัตราเร็วของรถยนต์ ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า เรดาร์ (radar)

ในการตรวจหาตำแหน่งของวัตถุด้วยเรดาร์ อาศัยส่งคลื่นไมโครเวฟออกจากแหล่งกำเนิดเป็นห้วงๆ และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากวัตถุนั้น เพื่อหาวัตถุนั้นอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดคลื่นเป็นระยะทางเท่าใด และทิศไหน ตามปกติคลื่นไมโครเวฟที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิดจะถูกส่งออกเป็นลำคลื่นขนาน โดยให้แหล่งกำเนิดคลื่นอยู่ที่โฟกัสของจานพาราโบลา เพื่อให้คลื่นกระจายออกเป็นลำขนาน คล้ายกับลำแสงจากหลอดไฟฉายที่สะท้อนจากจานพาราโบลา เมื่อคลื่นไมโครเวฟไปตกกระทบวัตถุหรือโลหะจะสะท้อนกลับมาสู่จานพาราโบลา แล้วสะท้อนไปรวมกันที่โฟกัสของจานอีก ซึ่งที่นั่นมีเครื่องรับไมโครเวฟติดตั้งอยู่ เมื่อทราบความเร็วคลื่นและเวลาที่ส่งคลื่นออกไปและรับคลื่นกลับ จะสามารถหาระยะที่วัตถุนั้นอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดคลื่นได้



ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ฟิสิกส์ เล่ม 3
ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ ฟิสิกส์ ม.4-5-6 บริษัทไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง จำกัด
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.6 สสวท 2544
จำนวนคนอ่าน 94013 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved