กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

Slide PowerPoint_สื่อประกอบการสอน

หน่วยการเรียนรู้ที่ 5

หน่วยการเรียนรู้ที่ 6

หน่วยการเรียนรู้ที่ 7

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6

ฟิสิกส์ เล่ม 2

บริษัท อักษรเจริญทัศน์ อจท. จำกัด : 142 ถนนตะนาว เขตพระนคร กรุงเทพฯ 10200

Aksorn CharoenTat ACT.Co.,Ltd : 142 Tanao Rd. Pranakorn Bangkok 10200 Thailand

โทร./แฟกซ์ : 0 2622 2999 (อัตโนมัติ 20 คู่สาย) webmaster@aksorn.com / www.aksorn.com

ผลการเรียนรู้

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• อธิบายการเกิดและลักษณะเฉพาะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสงไม่โพลาไรส์ แสงโพลาไรส์เชิงเส้น และแผ่นโพลารอยด์รวมทั้งอธิบายการนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ต่าง ๆ ไปประยุกต์ใช้และหลักการทำงานของอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องได้

หน่วยการเรียนรู้ที่

5

• สืบค้น และอธิบายการสื่อสารโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการส่งผ่านสารสนเทศและเปรียบเทียบการสื่อสารด้วยสัญญาณแอนะล็อกกับสัญญาณดิจิทัลได้

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic disturbance) โดยการทำให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง
• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวางที่ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นแสดงได้
• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ายังเป็นคลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ จึงทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้

แมกซ์เวลล์ (Jame Clerk Maxwell) เป็นนักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ที่รวบรวมกฎที่เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก มาสรุปเป็นทฤษฎีที่แสดงด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ เรียกว่า สมการแมกซ์เวลล์ (Maxwell’s equation)

ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

สมการแมกซ์เวลล์ ต้องใช้วิธีทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนในการอธิบาย ดังนั้น เพื่อให้รู้แนวคิดของแต่ละสมการ และให้เข้าใจ

ได้โดยง่าย จึงขอกล่าวเพียงใจความสำคัญของแต่ละสมการ ซึ่งสรุปได้ ดังตาราง

ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

แมกซ์เวลล์ได้นำสมการแมกซ์เวลล์มาทำนายคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไว้ ดังนี้

ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำอย่างต่อเนื่องระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ทำให้สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิด

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วแสง จึงกล่าวได้ว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีความถี่ช่วงหนึ่ง

การทดลองของเฮิรตซ์

• เฮิรตซ์ (Heinrich Rudolf Hertz) เป็นผู้ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการทำการทดลองเพื่อพิสูจน์คำทำนายที่ แมกซ์เวลล์ได้กล่าวไว้ โดยใช้การเกิดประกายไฟ (spark) พร้อมกันในช่องว่างระหว่างขั้วไฟฟ้าที่ทำจากตัวนำทรงกลม ของตัวส่งและตัวรับในการอธิบาย

การทดลองของเฮิรตซ์

เกิดจากขดลวดเหนี่ยวนำที่ทำให้สนามแม่เหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลงที่เหนี่ยวนำจนทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ทำให้เกิดความต่างศักย์สูงที่ตัวนำทรงกลมทั้งสอง จึงทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างตัวนำมีค่ามากพอที่จะทำให้อากาศระหว่างช่องแคบแตกตัวเกิดเป็นประกายไฟ ซึ่งประกายไฟที่เกิดขึ้นจะสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของประจุไฟฟ้า

การเกิดประกายไฟในช่องแคบในช่องว่างระหว่างตัวนำทรงกลม

การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ

• ข้อสรุปดังกล่าวสามารถนำไปอธิบายการแผ่ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศซึ่งทำจากแท่งโลหะสองท่อนที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแส สลับได้

การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ

จากแผนภาพจะได้ว่า การที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่กลับไปกลับมาในสายอากาศในแนวดิ่งจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กขึ้นพร้อมกันและมีทิศทางตั้งฉากกันตลอดเวลา จึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกทุกทิศทางยกเว้นทิศทางที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับสาย อากาศโดยทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟ้าจะเป็นไปตามกฎมือขวา

(ก)

(ข)

โพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• แสงไม่โพลาไรซ์ (unpolarized light) หมายถึง แสงที่มีระนาบสนามไฟฟ้าหลายทิศทาง เช่น แสงที่ได้จากแหล่งกำเนิดแสงทั่วไป (หลอดไฟ แสงจากดวงอาทิตย์)

• โพลาไรเซชัน (polarization) เป็นปรากฏการณ์ที่คลื่นมีระนาบการสั่นในระนาบใดระนาบหนึ่งเพียงระนาบเดียว โดยโพลาไรเซชันจะเกิดในคลื่นตามขวาง และเนื่องจากแสงเป็นคลื่นตามขวางและยังเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงกล่าวได้ว่า แสงโพลาไรเซชันได้

• แสงโพลาไรซ์ (polarized light) หมายถึง แสงที่มีระนาบสนามไฟฟ้าเพียงระนาบเดียว เช่น แสงเลเซอร์ แสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์

การสร้างแสงโพลาไรซ์โดยใช้แผ่นโพลารอยด์

แผ่นโพลารอยด์มีสมบัติยอมให้แสงที่มีสนามไฟฟ้าขนานกับทิศของโพลาไรซ์ผ่านได้ ดังนั้น หากแสงผ่านแผ่นโพลารอยด์ แสงที่มีสนามไฟฟ้าขนานกับทิศของโพลาไรซ์จะผ่านได้ ส่วนแสงที่สนามไฟฟ้ามีทิศทางตั้งฉากกับทิศของโพลาไรซ์จะถูกแผ่นโพลารอยด์ดูดกลืน จึงกล่าวได้ว่า เมื่อแสงไม่โพลาไรซ์ผ่านแผ่นโพลารอยด์จะกลายเป็นแสงโพลาไรซ์

แสงไม่โพลาไรซ์ผ่านแผ่นโพลารอยด์แล้วกลายเป็นแสงโพลาไรซ์

การสร้างแสงโพลาไรซ์โดยการสะท้อน

เมื่อแสงไม่โพลาไรซ์ตกกระทบผิววัตถุโปร่งใส (วัสดุผิวเรียบที่ไม่ใช่โลหะ เช่น แผ่นแก้ว ผิวนํ้า) แสงสะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรซ์บางส่วน โดยแสงจะเป็นแสงโพลาไรซ์มากที่สุด เมื่อรังสีสะท้อนตั้งฉากกับรังสีหักเหในวัตถุ

แสงไม่โพลาไรซ์ตกกระทบผิววัตถุโปร่งใสแล้วแสงสะท้อนออกมาเป็นแสงโพลาไรซ์

การสร้างแสงโพลาไรซ์โดยการสะท้อน

เมื่อพิจารณาการหักเหของแสงในภาพ (ข) จะได้ว่า

การสร้างแสงโพลาไรซ์โดยการสะท้อน

ดังนั้น จะได้สมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างมุม กับค่าดรรชนีหักเหของวัตถุโปร่งใส ซึ่งเรียกว่า

กฎของบรูสเตอร์ (Brewster’s law)

การสร้างแสงโพลาไรซ์โดยการหักเห

เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านผลึกแคลไซต์จะเกิดการหักเหออกเป็นสองแนว (birefringence) เพราะผลึกแคลไซต์เป็นผลึกที่มีดรรชนีหักเหสองค่า จึงทำให้แสงโพลาไรซ์ที่ออกจากผลึกแคลไซต์มีสองแนว คือ รังสีธรรมดา (ordinary ray) ซึ่งมีอัตราเร็วเท่ากันทุกทิศทาง และรังสีพิเศษ (extraordinary ray) ซึ่งมีอัตราเร็วในผลึกต่างกันในทิศทางที่ต่างกัน

การหักเหของแสงไม่โพลาไรซ์ผ่านผลึกแคลไซต์

การสร้างแสงโพลาไรซ์โดยการกระเจิงของแสง

เมื่อแสงตกกระทบวัตถุใด ๆ อิเล็กตรอนในวัสดุนั้นสามารถดูดกลืนและเปล่งแสงบางส่วนออกมาได้ เช่น การที่แสงอาทิตย์ซึ่งเป็นแสงไม่โพลาไรซ์ถูกโมเลกุลของอากาศดูดกลืนและเปล่งแสงบางส่วน ซึ่งแสงที่เปล่งออกมาจะเป็นแสงโพลาไรซ์ ปรากฎการณ์ดังกล่าวเรียกว่า การกระเจิงของแสง (scattering of light)

ทิศการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของอิเล็กตรอน

VDO

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติมีความถี่ต่าง ๆ มากมายและเป็นความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่าง ๆ ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง เรียกรวมกันว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum)

อุปกรณ์ที่ทำงานโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านำไปใช้ประโยชน์ในการทำงานของอุปกรณ์บางชนิด ได้แก่ อุปกรณ์ควบคุมระยะไกล (รังสีอินฟราเรดและคลื่นวิทยุ) เครื่องถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (รังสีเอกซ์) และเครื่องถ่ายภาพการสั่นพ้องแม่เหล็ก (คลื่นวิทยุ) และใช้ในการสื่อสารเพื่อส่งผ่านสารสนเทศจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งผ่านสื่อกลางแบบใช้สาย (แสงเลเซอร์) และสื่อกลางแบบไร้สาย (รังสีอินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ)

การสื่อสารโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สัญญาณข้อมูลที่ใช้ในการสื่อสาร มี 2 ชนิด คือ สัญญาณแอนะล็อก และสัญญาณดิจิทัล

• สัญญาณแอนะล็อก เป็นสัญญาณที่มีลักษณะเป็นคลื่นต่อเนื่อง โดยแต่ละคลื่นอาจมีความถี่และความเข้มของสัญญาณ (แอมพลิจูด) ต่างกัน โดยความถี่และความเข้มของสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาอย่างต่อเนื่องแบบค่อยเป็นค่อยไป เช่น สัญญาณเสียงในสายโทรศัพท์

• สัญญาณดิจิทัล เป็นสัญญาณที่มีลักษณะเป็นคลื่นไม่ต่อเนื่อง คล้ายขั้นบันได ขนาดของสัญญาณดิจิทัลมีค่าคงที่เป็นช่วง ๆ และการเปลี่ยนแปลงขนาดของสัญญาณเป็นแบบทันทีทันใด เช่น สัญญาณที่คอมพิวเตอร์ใช้ในการทำงานและติดต่อสื่อสารกัน

สรุป

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่กำลังเปลี่ยนแปลงอยู่ในระนาบที่ตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการแผ่ไปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• การทดลองของเฮิรตซ์ เป็นการทดลองเพื่อยืนยันการมีอยู่จริงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เฮิรตซ์ค้นพบ คือ คลื่นวิทยุ ที่มีความยาวคลื่นสั้น

• สายอากาศที่ต่อกับไฟฟ้ากระแสสลับจะมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกมาในทุกทิศทาง ยกเว้นทิศทางที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับแนวการวางตัวของสายอากาศ

การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สรุป

• โพลาไรเซชัน (polarization) เป็นสมบัติของคลื่นตามขวาง โดยทั่วไปคลื่นตามขวางมีระนาบของการสั่นตั้งฉากกับแนว การแผ่ของคลื่น ถ้าคลื่นตามขวางใดมีระนาบการสั่นนี้เพียงระนาบเดียว จะเรียกคลื่นตามขวางนั้นว่า คลื่นโพลาไรซ์ (polarized wave)

• วิธีทำให้แสงไม่โพลาไรซ์เปลี่ยนเป็นแสงโพลาไรซ์ ซึ่งมีหลายวิธี ได้แก่ การสะท้อน การหักเห การดูดกลืน และการกระเจิงของแสง

โพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สรุป

สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สรุป

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านำไปใช้ประโยชน์ในการทำงานของอุปกรณ์บางชนิด ได้แก่ อุปกรณ์ควบคุมระยะไกล (รังสีอินฟราเรดและคลื่นวิทยุ) เครื่องถ่ายภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (รังสีเอกซ์) และเครื่องถ่ายภาพการสั่นพ้องแม่เหล็ก (คลื่นวิทยุ)

อุปกรณ์ที่ทำงานโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• สัญญาณข้อมูลที่ใช้ในการสื่อสาร มี 2 ชนิด คือ สัญญาณแอนะล็อก เป็นสัญญาณที่มีลักษณะเป็นคลื่นต่อเนื่อง โดยแต่ละคลื่นอาจมีความถี่และความเข้มของสัญญาณ (แอมพลิจูด) ต่างกัน และสัญญาณดิจิทัล เป็นสัญญาณที่มีลักษณะเป็นคลื่น ไม่ต่อเนื่อง คล้ายขั้นบันได ขนาดของสัญญาณดิจิทัลมีค่าคงที่เป็นช่วง ๆ และการเปลี่ยนแปลงขนาดของสัญญาณเป็นแบบทันทีทันใด

การสื่อสารโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• การสื่อสารเพื่อส่งผ่านสารสนเทศจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง ผ่านสื่อกลางแบบใช้สาย (แสงเลเซอร์) และสื่อกลางแบบไร้สาย (รังสีอินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ)