การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นวิทยุ
           เครื่องส่งวิทยุจะแปลงสัญญาณเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยใช้ไมโครโฟน และแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นวิทยุ โดยใช้เสาอากาศเป็นตัวแพร่กระจาย คลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ไม่เกิน ๓๐๐ กิกะเฮิรตซ์ (หนึ่งกิกะเฮิรตซ์เท่ากับหนึ่งพันล้านรอบต่อวินาที) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่านี้จะเป็น คลื่นอินฟาเรด คลื่นแสง คลื่นอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก และคุณสมบัติทางไฟฟ้าพร้อมๆ กันการแผ่กระจายของคลื่นก็คล้ายกับการแผ่กระจายของคลื่นน้ำบนผิวน้ำ ขณะ เมื่อมีวัตถุตกกระทบผิวน้ำนั้น
          เมื่อสัญญาณไฟฟ้าส่งผ่านเสาอากาศ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่กระจายออกไป ในทางตรงข้าม ถ้าหากเรานำเสาอากาศไปไว้ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในเสาอากาศนั้นได้ ดังนั้น เครื่องรับวิทยุจึงมีเสาอากาศ ซึ่ง ทำหน้าที่เปลี่ยนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัญญาณ ไฟฟ้า สัญญาณไฟฟ้านี้มักจะมีความแรงที่ต่ำมาก ต้องขยายให้มีความแรงมากขึ้น แล้วจึงถูกนำไปขับตัวลำโพง ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง ให้ผู้รับฟังได้ยิน

ภาพแสดงคลื่นเคลื่อนที่ไปทางขวาตามแกน x เมื่อเวลาเปลี่ยนไป

           การแผ่กระจายของคลื่นวิทยุมีหลายลักษณะ ขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่น ลักษณะที่สำคัญมีสาม แบบ คือ
           แบบที่หนึ่ง คลื่นจะแผ่กระจายขนานไปกับพื้นผิวโลก (ground-wavepropagation) สามารถเดินทางไปในระยะไกลได้ คลื่นที่แผ่กระจาย แบบนี้จะเป็นคลื่นที่มีความถี่ไม่เกินประมาณ ๒ เมกะเฮิรตซ์ (หนึ่งเมกะเฮิรตซ์เท่ากับหนึ่งล้าน เฮิรตซ์) ดังเช่น คลื่นวิทยุกระจายเสียงระบบเอเอ็ม
          การแผ่กระจายแบบที่สองจะเป็นการสะท้อนจากชั้นบรรยากาศ เรียกว่า แผ่กระจาย โดยคลื่นฟ้า (sky-wave propagation) การสะท้อนคลื่นเป็นคุณสมบัติของชั้นบรรยากาศ ความถี่ที่ชั้นบรรยากาศสะท้อนลงมา อยู่ในช่วงประมาณ ๒ เมกะเฮิรตซ์ ถึงประมาณ ๓๐ เมกะเฮิรตซ์ อนึ่งการสะท้อนคลื่นของชั้นบรรยากาศ ในตอนกลางวัน และกลางคืน อาจแตกต่างกันบ้าง บางความถี่จะสะท้อนเฉพาะกลางคืน คุณสมบัติของการสะท้อนคลื่น จะแปรเปลี่ยนตามปริมาณประจุ ที่เกิดขึ้น (ionization) ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งขึ้น อยู่กับพลังจากแสงอาทิตย์เป็นหลัก ในบางครั้งที่ มีพายุพลังอาทิตย์ (solar wind) คุณสมบัติของ ชั้นบรรยากาศก็จะเปลี่ยนแปลงไปได้มากวิทยุ สมัครเล่นและวิทยุกระจายเสียงข้ามประเทศ คลื่นสั้น (short wave) จะใช้ความถี่ในย่านนี้ ทำให้ ผู้รับที่อยู่ห่างไกลสามารถรับฟังได้ เพราะมีการ สะท้อนคลื่นโดยชั้นบรรยากาศหนึ่งครั้งหรือ มากกว่าหนึ่งครั้งก็ได้
            การแผ่กระจายคลื่นแบบที่สาม จะเป็นการแผ่กระจายโดยตรงเรียกว่า การแผ่กระจายในแนวสายตา (line-of-sight propagation) กล่าวคือ จุดที่รับคลื่นได้คือ จุดที่มองเห็นได้จากเสาอากาศ ของเครื่องส่ง การกระจายคลื่นแบบนี้จะไม่ สามารถรับจากจุดบนพื้นโลกที่มีระยะทางไกล เนื่องจากความโค้งของพื้นผิวโลกบังเอาไว้

      http://kanchanapisek.or.th/kp6/sub/book/book.php?book=23&chap=9&page=t23-9-infodetail02.html

2. เมื่อมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในตัวนำไฟฟ้า ย่อมมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบๆตัวนำ โดยทิศของสนามแม่เหล็กจะวนรอบตัวนำและตั้งฉากกับทิศของกระแส ซึ่งเออร์สเตด เป็นผู้ค้นพบ

3. เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กย่อมมีการเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น แสดงว่าได้มีการเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวนำ ซึ่งผู้ค้นพบปรากฎการณ์นี้คือ ฟาราเดย์

จากหลักการทั้งสาม แมกซ์เวลล์ได้รวบรวมให้อยู่ในรูปสมการทางคณิตศาสตร์ชั้นสูง และได้เสนอเป็นสมมติฐานออกมาว่า

1. ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้ารอบๆการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กนั้น

2. ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้านั้น

การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แมกซ์เวลล์ได้เสนอต่อไปว่า ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าพร้อมกันและต่อเนื่องแล้ว จะเป็นผลให้การเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแผ่ออกไปเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง และแมกซ์เวลล์สรุปว่า แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การแผ่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปรียบเทียบได้กับการแผ่กระจายของคลื่นน้ำที่แผ่ออกจากจุดที่กระทุ่มน้ำ โดย สมมติให้ ลวดตัวนำ คู่หนึ่งเป็นแหล่งกำเนิดคลื่น ที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ สมมติว่ามีเพียงประจุเดียวอยู่ที่ลวดตัวนำแต่ละเส้น แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำให้ประจุบวกและลบเคลื่อนที่ในตัวกลับไปกลับมา เป็นผลให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกมา

การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามหลักของแมกซ์เวลล์ อธิบายได้ว่า เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุที่ถูกเร่ง ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากลวดตัวนำทุกทิศทาง ยกเว้นทิศที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับลวดตัวนำนั้น

เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า จะพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน กล่าวคือ สนามทั้งสองจะมีค่าสูงสุดพร้อมกันและต่ำสุดพร้อมกัน นั่นคือ ทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีเฟสตรงกัน โดยทิศของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก และสนามทั้งสองมีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

สรุปลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. การเปลี่ยนแปลงค่าของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นสนามทั้งสองจึงมีค่าสูงสุดและต่ำสุดพร้อมๆกัน หรือมีเฟสตรงกัน

2. ทิศของสนามแม่เหล็กและทิศของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากซึ่งกันและกัน และตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นซึ่งมีลักษณะเป็นคลื่นตามขวาง

3. ณ บริเวณใดมีคลื่นไฟฟ้าผ่านบริเวณนั้นจะมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทันที

4. อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่คงที่ จะมีการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา

การทดลองของเฮิรตซ์

เฮิรตซ์ ได้ทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ โดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำที่ให้ค่าความต่างศักย์สูงเชื่อมต่อกับโลหะทรงกลม 2 ลูกซึ่งวางใกล้กันมาก จะมีหน้าที่คล้ายกับตัวเก็บประจุ อุปกรณ์ชิ้นนี้คล้ายกับวงจร LC ของเครื่องส่งคลื่นวิทยุ การออสซิลเลตของคลื่นทำได้โดย ป้อนความต่างศักย์เป็นช่วงคลื่นสั้นๆ เข้าไปที่ขดลวดตัวนำ จะเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ประมาณ 100 MHz จากนั้นเฮริตซ์สร้างวงจรขึ้นมาอีกวงหนึ่ง ประกอบด้วยขดลวดเพียงขดเดียว ที่ปลายขดลวดมีทรงกลมตัวนำวางไว้ใกล้กัน วงจรชุดนี้ทำหน้าที่คล้ายเครื่องรับคลื่น

เฮิรตซ์พบอีกว่าวงจรรับคลื่น จะสามารถรับคลื่นได้ก็ต่อเมื่อ ความถี่ที่ส่งมานั้นเป็นความถี่รีโซแนนซ์ของวงจรรับคลื่นพอดี ถ้าความต่างศักย์บนขดลวดชุดรับคลื่นมีค่าสูง จะทำให้เกิดประกายไฟข้ามไปมาระหว่างทรงกลมทั้งสอง

การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า พลังงานสามารถส่งผ่านจากที่หนึ่งไปยังที่หนึ่งได้โดยอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในอากาศ ได้อย่างไร

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะที่สําคัญอย่างไร

การแพร่กระจายคลื่นแบบคลื่นดินมีลักษณะเป็นอย่างไร