วันจันทร์ที่ 3 สิงหาคม พ.ศ. 2552

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ( electromagnetic wave ) คือ คลื่นชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง โดยอาศัยการเหนี่ยวนำกันระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของสนามทั้งสองตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่

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

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หมายถึง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความต่อเนื่องกันตั้งแต่ความถี่ต่ำสุด ถึง ความถี่สูงสุด จะพบว่าสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีชื่อเรียกต่างๆกันตามแหล่งกำเนิดและวิธีการตรวจวัด แต่มีคุณสมบัติที่เหมือนกัน คือ

1. คุณสมบัติการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด การเลี้ยวเบน และมีสมบัติเป็นโพราไรเซชัน

2. มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง คือ 3 x 108 m/s

3. มีพลังงานส่งผ่านไปพร้อมๆกับคลื่น ซึ่งพลังงานนี้จะขึ้นอยู่กับความถี่ และความยาว คลื่นโดยพิจารณาในรูปพลังงานโฟตอน

1. คลื่นวิทยุ ( Radio wave ) เป็นคลื่นที่มีความถี่อยู่ในช่วง 104 – 109 เฮิตรซ์ ความยาวคลื่นประมาณ 10-1 - 103 เมตร สามารถแบ่งลักษณะของการใช้งานซึ่งแบ่งออกเป็น 2 ระบบ คือ

1.1 ระบบ AM ( Amplitude Modulation )

ส่งคลื่นโดยการเปลี่ยนแปลงแอมปลิจูด ของคลื่นพาหะตามสัญญาณของคลื่นที่ส่งออกไปดังรูป มีความถี่อยู่ในช่วง 530 - 1600 กิโลเฮิตรซ์ และกำหนดช่วงความกว้างของความถี่เพื่อป้องกันการรบกวนของสถานีใกล้เคียงไว้เป็น 10 กิโลเฮิตรซ์

1.2 ระบบ FM ( Frequency Modulation )

คลื่น FM หมายถึง คลื่นที่ส่งโดยเปลี่ยนความถี่ของคลื่นพาหะตามสัญญาณของคลื่นที่ต้องการส่งออกไปมีความถี่อยู่ในช่วง 88 – 108 MHZ และกำหนดช่องกว้างของแถบความถี่ไว้ 150 KHZ

การส่งคลื่นวิทยุ

สำหรับคลื่นวิทยุ AM จะสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ซึ่งเป็นชั้นที่มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่จำนวนมาก ดังนั้นคลื่นวิทยุ AM จึงดินทางได้ 2 ทาง คือ

1. คลื่นดิน เคลื่อนที่ไปตามแนวรอบโดยตรงมีรัศมี 80 กิโลเมตร

2. คลื่นฟ้า เป็นคลื่นที่สะท้อนยังชั้นไอโอโนสเฟียร์ ดังนั้นจึงเดินทางไปได้ไกลและสามารถอ้อมสิ่งกีดขวางขนาดใหญ่ เช่น ภูเขา หรือตึกได้ แต่จะถูกรบกวนง่ายจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแหล่งอื่น

สำหรับคลื่นวิทยุ FM มีความถี่สูงกว่าและจะทะลุทะลวงผ่านชั้นไอโอโนสเฟียร์จึงไม่สามรถใช้คลื่นฟ้าได้ คลื่นวิทยุ FM จึงเดินทางได้ระยะใกล้แต่จะถูกรบกวนได้ยากเนื่องจากคลื่นมีความถี่สูง ในการทำเสาอากาศสำหรับส่งคลื่น FM ถ้าจะทำให้คลื่นที่ส่งออกไปไม่ถูกรบกวนได้ง่าย ความสูงของเสาอากาศจะต้องมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น

2. คลื่นโทรทัศน์ และ ไมโครเวฟ

คลื่นโทรทัศน์และคลื่นไมโครเวฟมีความถี่อยู่ในช่วง 108 – 1012 HZ คลื่นนี้จะไม่สะท้อนที่ชั้นไอโอโนสเฟียร์และจะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศ ในการส่งคลื่นโทรทัศน์ไปเป็นระยะทางไกลๆจะต้องใช้สถานีถ่ายทอดไปเป็นระยะๆ เพื่อรับคลื่นโทรทัศน์ที่เคลื่อนที่จากสถานีส่งมาในแนวเส้นตรงแล้วขยายให้สัญญาณแรงขึ้นก่อนที่จะส่งไปยังสถานีที่อยู่ถัดไป เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และสัญญาณจะไปได้ไกลสุดประมาณ 80 กิโลเมตร เท่านั้น

คลื่นโทรทัศน์มีความยาวคลื่นสั้นจึงไม่สามารถเลี้ยวเบนอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางใหญ่ๆได้ เมื่อคลื่นโทรทัศน์ถูกรบกวน ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นสะท้อนจากรถยนต์หรือเครื่องบินเกิดการแทรกสอดกับคลื่นที่ส่งมาจากสถานีแล้วเข้าเครื่องรับพร้อมกัน

เนื่องจากไมโครเวฟสะท้อนจากผิวโลหะได้ดีจึงมีการนำสมบัตินี้ไปใช้เป็นประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของยานอวกาศ ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า เรดาร์

3. รังสีอินฟราเรด

คุณสมบัติ

- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ 1011 - 1014 เฮริตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ประมาณ 10-3 – 10-6 เมตร เรียกว่า รังสีใต้แดง

- วัตถุร้อนจะแผ่รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า 10-4 เมตรออกมา

- ประสาทสัมผัสทางผิวหนังของมนุษย์สามารถรับรังสีอินฟราเรดได้

- ฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดสามารถถ่ายรูปได้โดยอาศัยรังสีอินฟราเรด

- สิ่งมีชีวิตจะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมาตลอกเวลา

- รังสีอินฟราเรดเป็นตัวนำคำสั่งจากอุปกรณ์ควบคุมไปยังเครื่องรับ ที่เรียกว่า รีโมทคอนโทรล หรือการควบคุมระยะไกล สำหรับควบคุมการทำงานของเครื่องรับโทรทัศน์ เช่น การปิด เปิด การเปลี่ยนสถานี

ประโยชน์

- ใช้ในทางการทหารนำไปใช้เกี่ยวกับการคบวคุมให้อาวุธนำวิถีเคลื่อนที่ไปยังเป้าได้อย่างถูกต้อง

- ใช้ในวงการแพทย์ เช่น การฆ่าเชื้อโรค กายภาพบำบัด การตรวจวินิจฉัยโรค

- ใช้ในวงการอุตสาหกรรม เช่น การผลิตรถยนต์ การอบสีรถ

แหล่งกำเนิดของรังสีอินฟราเรด ได้จากแหล่งกำเนิดความร้อนทุกชนิด

4. คลื่นแสง

คลื่นแสงมีความถี่ประมาณ 104 HZ ความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 4 x 10-7 – 7 x 10-7 m และคลื่นแสงเป็นคลื่นที่ตามองเห็น วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมากๆจะเปล่งแสงได้ เช่น ไส้หลอดไฟฟ้า ดวงอาทิตย์

เครื่องกำเนิดเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้แสงได้ โดยไม่อาศัยความร้อน เช่น วงการแพทย์ใช้เลเซอร์ในการผ่าตัดนัยน์ตา

5. รังสีอัลตราไวโอเลต

- ความถี่อยู่ในช่วง 1015 - 1018 HZ ความยาวคลื่น 3.8 x 10-7 – 10-11 m

- รังสีนี้เป็นตัวการที่ทำให้เกิดประจุอิสระ และไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์

- ทำให้สารเรืองแสงเกิดการเรืองแสง

- สามารถทะลุผ่านวัตถุบางๆบางชนิดได้ เช่น เสื้อผ้า แผ่นพลาสติก

- ทำลายเซลล์เล็กๆบางอย่างได้

ประโยชน์ของรังสีอัลตราไวโอเลต

- ใช้ในการพิสูจน์เอกสาร ตรวจสอบลายเซ็น

- ช่วยร่างกายสังเคราะห์วิตามินดี

- ใช้ตรวจสอบคุณภาพอาหารว่าเสียหรือไม่

- ใช้ตรวจสอบสารเคมี

โทษจากรังสีอัลตราไวโอเลต

- เป็นอันตรายต่อผิวหนังและตาคน เมื่อรับมามากๆอาจเป็นมะเร็งผิวหนังได้

- รังสีอัลตราไวโอเลตที่มาจากดวงอาทิตย์จะถูกสกัดกั้นให้เป็นส่วนใหญ่จากบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ ซึ่งมีก๊าซโอโซนเป็นองค์ประกอบอยู่ แต่ปัจจุบันโอโซนในบรรยากาศมีจำนวนลดลงมากจึงทำให้รังสีอัลตราไวโอเลตแผ่ลงมายังผิวโลก

6. รังสีเอกซ์

- มีความถี่อยู่ในช่วง 1016 – 1022 HZ ความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 10-8 – 10-13 m

แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ คือ ดวงอาทิตย์ หลอดรังสีเอกซ์ เครื่องรับโทรทัศน์

คุณสมบัติของรังสีเอกซ์

- มีอำนาจในการทะลุทะลวงสูง

- ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

- ทำให้ก๊าซหรืออากาศรอบๆแตกตัวเป็นไอออนได้

- ทำปฏิกิริยากับแผ่นฟิล์มถ่ายรูปเหมือนกับแสง

ประโยชน์ของรังสีเอกซ์

- ใช้ในวงการแพทย์ ตรวจวินิจฉัยโรค ตลอดจนการรักษาโรคมะเร็ง

- ใช้ในวงการอุตสาหกรรม และการก่อสร้างเพื่อตรวจสอบรูรั่วหรือรอยร้าวต่างๆ

- ใช้ตรวจสอบสิ่งแปลกปลอม อาวุธในกระเป๋าหรือหีบห่อต่างๆ

- ใช้ตรวจสอบวัตถุโบราณว่ามีอายุยาวนานเท่าไร

โทษของรังสีเอกซ์

- เมื่อร่างกายรับเข้าไปมากจะทำให้เซลล์ตาย หรือเสื่อมคุณภาพ

- อาจทำให้เกิดโรคมะเร็งได้

- อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในยีนมีผลต่อกรรมพันธ์

7. รังสีแกมมา

- มีความถี่อยู่ในช่วง 3 x 1018 – 1022 HZ ความยาวคลื่น 10-10 – 10-14 m

แหล่งกำเนิดของรังสีแกมมา

- เกิดจากการสลายตัวของนิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสี

- รังสีคอสมิกที่มาจากนอกโลกจะมีรังสีแกมมาอยู่ด้วย

คุณสมบัติของรังสีแกมมา

- ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

- ทำให้สารเรืองแสงเกิดการเรืองแสง

- ทำปฏิกิริยากับฟิล์มถ่ายรูปและฟิล์มที่ไม่ไวต่อแสง

ประโยชน์ของรังสีแกมมา

- ใช้ในวงการแพทย์รักษาโรคมะเร็ง

- ใช้ในวงการเกษตรศึกษาโรคพืชต่างๆ การดูดซึมแร่ธาตุต่างๆของรากพืช

โทษของรังสีแกมมา ทำลายเซลล์ร่างกาย เนื้อเยื่อต่าง อาจทำให้เกิดมะเร็งได้