4คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - โรงเรียนเบญจมราชูทิศ ราชบุรี

download report

Transcript 4คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - โรงเรียนเบญจมราชูทิศ ราชบุรี

วิชาวิทยาศาสตร์ ทั่วไป 2
เรื่อง
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้า
Electromagnetic wave
นักเรียนทราบหรือไม่ ว่า กว่ าเราจะร้ ู จกั
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้าดีพออย่ างทุกวันนี้ มี
ใครบ้ างที่ศึกษาเรื่องนีม้ าก่ อน ?
นักเรียนคิดว่ าตาคนนีเ้ อีย่ วด้ วยไหม ?
อังเดร มารี แอมแปร์
Andre Marie Ampere
นักวิทยาศาสตร์ ชาวฝรั่งเศส
ปี 1827
แอมแปร์ ค้นพบสมบัติของไฟฟ้ าและแม่ เหล็ก
ค้ นพบทฤษฎีแม่ เหล็กโลก และสามารถประดิษฐ์
มอเตอร์ ไฟฟ้าได้ เป็ นคนแรก
ไมเคิล ฟาราเดย์
Micheal Faraday
นักวิทยาศาสตร์ ชาวอังกฤษ
ปี 1831
* ค้ นพบสมบัติของแม่ เหล็กในการทาให้ เกิดไฟฟ้า
* ประดิษฐ์ ไดนาโมเครื่องกาเนิดไฟฟ้า
แซมมวล ฟิ นเลย์ บรีส มอร์ ส
(Samuel Finley Breeze Morse)
ชาวอเมริกนั ปี 1844
ประดิษฐ์ เครื่องรับ-ส่ ง โทร
เลข วางสายเชื่อมนิวยอร์ ค ถึง
บัลติมอร์ ระยะทาง 38 ไมล์
ทดลองรับส่ งครั้งแรกประสบ
ความสาเร็จเมื่อ 24 พ.ค.1844
เจมส์ คลาร์ ก แมกเวลล์
James Clark Makwell
นักวิทยาศาสตร์ ชาวสก็อตแลนด์
ปี 1864
เป็ นผู้ทดลองพบความสั มพันธ์ ระหว่ างแม่ เหล็กกับ
ไฟฟ้า โดยสรุปว่ า แม่ เหล็กและไฟฟ้ามีความสั มพันธ์
กัน เมื่อมีแม่ เหล็กก็ต้องมีไฟฟ้า
นักเรียนจะอธิบายภาพนีว้ ่ าอย่ างไร ?
การเหนี่ยวนาระหว่ างแม่ เหล็กกับตัวนา
กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนา
ไฮน์ ริช รูดอล์ ฟ เฮิร์ตซ
Heinrich Rudolf Hertz
นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมัน
ปี 1887
ค้ นพบคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้าจากการรบกวนสนามไฟฟ้า
ด้ วยสนามแม่ เหล็ก หรือรบกวนสนามแม่ เหล็กด้ วย
สนามไฟฟ้า จะเกิดคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้าตั้งฉากกับ
สนามไฟฟ้าและสนามแม่ เหล็กนั้น
สนามไฟฟ้ า
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้า
สนามแม่ เหล็ก
ผู้บุกเบิกความรู้ เกีย่ วกับคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้า
สถาบันเฮิร์ตซ
มหาวิทยาลัยเฮิร์ตซ
หลุมฝังศพของเฮิร์ตซ
การทดลองของเฮิร์ตซ จนสามารถค้ นพบ
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ าซึ่งสมัยนั้นเรียกกันว่ า
คลืน่ เฮิร์ตซ (Hertzian wave)
ความหมายของคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ า
การรบกวนทางแม่ เหล็กไฟฟ้ า โดยทาให้
สนามไฟฟ้ามีการเปลีย่ นแปลงจะเหนี่ยวนา
ให้ เกิดสนามแม่ เหล็ก หรือถ้ าเราทาให้
สนามแม่ เหล็กเกิดการเปลีย่ นแปลง ก็จะ
เหนี่ยวนาให้ เกิดสนามไฟฟ้าขึน้ เช่ นกัน
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ า เป็ นคลืน่ ตามขวาง
ประกอบด้ วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่ เหล็ก
ที่มีการสั่ นในแนวตั้งฉากกัน และอย่ ูบน
ระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลือ่ นที่ของคลืน่
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ าสามารถ
เคลือ่ นที่ได้ โดยไม่ อาศัยตัวกลาง
จึงสามารถเคลือ่ นที่ผ่าน
สุญญากาศได้
สมบัติของคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้า
1. เป็ นคลืน่ ตามขวาง
2. ไม่ ต้องใช้ ตัวกลางในการเคลือ่ นที่
3. คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดมีอตั ราเร็ว
ในสุญญากาศเท่ ากับความเร็วของแสงคือ
8
3 × 10 เมตร / วินาที
4. ถ่ ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกทีห่ นึ่ง
5. ถูกปล่ อยออกมาและถูกดูดกลืนโดยสสาร
6. ไม่ มปี ระจุไฟฟ้า
7. สามารถสะท้ อน หักเห แทรกสอด และ
เลีย้ วเบนได้ เช่ นเดียวกับคลืน่ กล
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ าที่มีความถี่ต่อเนื่อง
กันเป็ นช่ วงกว้ าง เราเรียกช่ วงความถี่
เหล่ านีว้ ่ า สเปคตรัมคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ า
(Electromagnetic Spectrum) และมีชื่อ
เรียกช่ วงต่ างๆของความถีต่ ามแหล่ งกาเนิด
และวิธีการตรวจวัดคลืน่
สเปคตรัมของคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้า
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ าในสเปคตรัมมีสมบัติ
ที่เหมือนกันคือ มีความเร็วเท่ าแสง และมี
การส่ งผ่ านพลังงานไปพร้ อมกับคลืน่
การใช้ ประโยชน์ จากคลืน่ แต่ ละช่ วงความถี่
ชื่อเรียกแต่ ละช่ วงความถี่
ความถี่
ไม่ มกี ารแผ่ รังสี
แผ่ รังสี ได้
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้าทีม่ นุษย์ สร้ างขึน้ และ
เกิดขึน้ ตามธรรมชาติ มีชื่อเรียกตามลาดับ
ความถีด่ งั นี้
ความยาวคลืน่
ชื่อของคลืน่
ประโยชน์ ของคลืน่
1. คลืน่ วิทยุ (Radio wave)
ชาวเยอรมัน
ชาวอิตาลี
หลังจากไฮน์ ริช เฮิร์ตซ พบ
คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้า ปี 1887
กูกลิเอลโม มาร์ โคนี
(Guglielmo Marcony) ได้
ประดิษฐ์ เครื่องรับส่ งวิทยุโทรเลข
เป็ นผลสาเร็จจนได้ รับรางวัล
โนเบลสาขาฟิ สิ กส์ ในปี 1907
4
9
คลืน่ วิทยุมคี วามถีช่ ่ วง 10 – 10 Hz
ใช้ ในระบบการสื่ อสารไร้ สาย (Wireless
Communication) เช่ น วิทยุกระจายเสี ยง
โทรทัศน์ วิทยุสื่อสาร โทรศัพท์ มอื ถือ
ตารางการใช้ คลืน่ วิทยุ
ความถี่
<30KHz(VLF)
30-300KHz(LF)
0.3 - 3 MHz(MF)
ความยาวคลืน่
>10 Km
การใช้ งาน
ใช้ สื่อสารทางทะเล
1 - 10 Km
0.1 - 1 Km
ใช้ สื่อสารทางทะเล
วิทยุระบบ A.M
วิทยุคลืน่ สั้ น
วิทยุ F.M. , T.V.
T.V. , ไมโครเวฟ
ไมโครเวฟ , เรดาร์
3 - 30 MHz(HF)
10 – 100 m
30 - 300 MHz(VHF) 1 – 10 m
0.3 - 3 GHz(UHF)
10 – 100 Cm
3 - 30 GHz(SHF)
1 – 10 Cm
การสื่ อสารแบบไร้ สาย
เป็ นการส่ งข้ อมูลข่ าวสารในรูปแบบ
ต่ างๆเช่ น เสี ยง ภาพนิ่ง ภาพเคลือ่ นไหว
ข้ อความ หรือรหัสต่ างๆ ไปยังปลายทาง
ผ้ ูรับโดยใช้ คลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้าในย่ าน
คลืน่ วิทยุ (Radio waves) เป็ นพาหะ
เรียกว่ า คลืน่ พาห์ (Carrier )
การผสมสั ญญาณข้ อมูลข่ าวสารเข้ ากับ
คลืน่ พาห์ เรียกว่ า การผสมสั ญญาณ หรือ
โมดูเลชั่น (Modulation)
ทีป่ ลายทาง ผ้ ูรับต้ องแยกสั ญญาณ
ข้ อมูลข่ าวสารออกจากคลืน่ พาห์ เรียกว่ า
การแยกสั ญญาณ (Demodulation หรือ
Detection)
การผสมสั ญญาณข่ าวสารเข้ ากับคลืน่ วิทยุ
ทาได้ 2 แบบ คือ
1. การผสมทางอัมปลิจูด (Amplitude
Modulation : A.M.)
2. การผสมทางความถี่ (Frequency
Modulation : F.M.)
Amplitude Modulation : A.M.
อัมปลิจูดของคลืน่ พาห์ เปลีย่ นไปตามสั ญญาณข่าวสารแต่
ความถี่คงที่
Frequency Modulation : F.M.
อัมปลิจูดของคลืน่ พาห์ คงที่ แต่ ความถี่เปลีย่ นไปตามความถี่ของ
สั ญญาณข่ าวสาร
ผังการทางานของเครื่องรับวิทยุแบบ A.M.
ผังการทางานของเครื่องรับวิทยุแบบ F.M.
ข้ อแตกต่ างระหว่ างวิทยุระบบ A.M. กับ F.M.
1. A.M. ผสมคลืน่ ทางอัมปลิจูด ส่ วน
F.M. ผสมคลืน่ ทางความถี่
2. F.M. ให้ เสี ยงที่ไพเราะและชัดเจนกว่ า
A.M. เพราะผสมทางความถี่ จึงถ่ ายทอด
เสี ยงได้ ครบทุกย่ านความถีเ่ สี ยง
3. A.M และ F.M.ใช้ คลืน่ พาห์ ที่มีความถี่
แตกต่ างกัน...
วิทยุระบบ A.M. ใช้ คลืน่ พาห์ ช่วงความถี่
530 – 1,600 KHz (กิโลเฮิร์ต)
วิทยุระบบ F.M. ใช้ คลืน่ พาห์ ช่วงความถี่
88 – 108 MHz (เมกะเฮิร์ต)
4. วิทยุ A.M. มีรัศมีรับฟังได้ ไกลกว่ า F.M.
2. คลืน่ โทรทัศน์ และไมโครเวฟ
8
12
มีความถีอ่ ยู่ในช่ วง 10 – 10 Hz
ส่ วนใหญ่ ใช้ ประโยชน์ ในด้ านการสื่ อสาร
คลืน่ ที่ใช้ ในการส่ งโทรทัศน์ ของไทย
* อยู่ในย่ าน VHF จานวน 5 ช่ อง 3 5 7 9 11
* อยู่ในย่ าน UHF จานวน 1 ช่ อง Titv
การส่ งวิทยุโทรทัศน์
มีการส่ งทั้งสั ญญาณภาพ
และเสี ยงพร้ อมๆกัน จึงผสม
สั ญญาณทั้ง 2 แบบเพือ่ ไม่ ให้
รบกวนกันเอง
* สั ญญาณภาพ ผสมแบบ A.M.
* สั ญญาณเสี ยง ผสมแบบ F.M.
ลักษณะการส่ งแพร่ กระจายคลืน่ ของวิทยุระบบ F.M.
และโทรทัศน์ ซึ่งใช้ ได้ เฉพาะคลืน่ ตรง และคลืน่ ดิน
ทาให้ มีรัศมีการรับคลืน่ ได้ เพียง 80 ก.ม. รอบสถานีส่ง
การใช้ ประโยชน์ คลืน่ ไมโครเวฟ
3. รังสี อนิ ฟราเรด (Infrared ray)
รังสี อนิ ฟราเรด มีช่วงความถีอ่ ยู่ระหว่ าง
11
14
10 – 10 Hz
หรือความยาวคลืน่ ตั้งแต่
-3
-6
10 – 10 เมตร
8
12
ขณะที่ไมโครเวฟมีความถี่ 10 – 10
Hz
จะเห็นว่ ามีบางช่ วงคลืน่ ที่คาบเกีย่ วกัน
ช่ วงคลืน่ ที่มีช่วงความถีค่ าบเกีย่ วกัน
คลืน่ ที่มีช่วงความถีค่ าบเกีย่ วกัน การ
เรียกชื่อ ให้ ใช้ แหล่ งกาเนิด และประโยชน์
ใช้ สอยในการเรียกชื่อ
ประสาทตาของมนุษย์ มองไม่ เห็น
รังสี อนิ ฟราเรด แต่ มักเกิดขึน้ พร้ อม
กับแหล่ งความร้ อนชนิดต่ างๆ จึงมัก
เรียกอินฟราเรด ว่ า รังสี ความร้ อน
การใช้ ประโยชน์ จากรังสี อนิ ฟาเรด
4. แสง (Visible Light)
14
10 Hz
ความถี่
-7
-7
ความยาวคลืน่ 4 × 10 - 7 × 10 เมตร
แสงเป็ นคลืน่ แม่ เหล็กไฟฟ้ าที่ประสาทตา
มนุษย์ สามารถรับรู้ ได้
วัตถุทมี่ อี ณ
ุ หภูมสิ ู งสามารถเปล่ งแสง
ออกมาได้
แสงสี แดง มีความถีต่ า่ ทีส่ ุ ด มีความยาว
-7
คลืน่ 7 × 10 เมตร (7 nm)
แสงสี อนื่ ๆมีความถีต่ ่ างกันเรียงตามลาดับ
แสงสี ม่วง มีความถีส่ ู งทีส่ ุ ด มีความยาว
-7
คลืน่ 4 × 10 เมตร (4 nm)
ความยาวคลืน่ ของแสงสี ต่างๆที่ตามองเห็น
ตารางแสดงความยาวคลืน่ และความถีข่ องแสงสีต่างๆ
การรวม และการแยกของแสงขาว
Oil film
5. รังสี อลุ ตราไวโอเลต (Ultraviolet :UV)
15
18
มีความถีร่ ะหว่ าง 10 – 10
Hz
รังสี UV ส่ วนใหญ่ เป็ นรังสี ธรรมชาติที่
แผ่ รังสี มาจากดวงอาทิตย์
เมื่อรังสี UV ผ่ านเข้ าสู่
บรรยากาศของโลกในชั้น
ไอโอโนสเฟี ยร์ จะทาให้
มวลอากาศแตกตัว เกิด
ประจุอสิ ระและอิออน
รังสี UV ทีม่ นุษย์ สร้ างขึน้ ได้ แก่ .....
รังสี UV สามารถฆ่ าเชื้อโรคบางชนิดได้
แต่ มีอนั ตรายต่ อผิวหนังและตาคน
6. รังสี เอกซ์ (X-ray)
16
22
มีความถีใ่ นช่ วง 10 – 10 Hz
วิลเฮล์ ม คอนราด เรินต์ เกน
(Wilhelm Korad Roentgen)
ผู้ค้นพบรังสี เอกซ์ จากการทดลองหลอดรังสี แคโทด
หลักการสร้ างรังสี เอกซ์ คือ การ
เปลีย่ นแปลงความเร็วของอิเลคตรอน
ทาให้ อเิ ลคตรอนคายพลังงานออกมาใน
รูป รังสี เอกซ์
Cathode Ray Tube
แร่ แบเรียมแพลทิโนไซยาไนด์ เรืองแสง
นักเรียนทราบหรือไม่ ว่า.....
ทาไมจึงต้ องเป็ น
รังสี
X
อุปกรณ์ ทใี่ ช้ ในการ
ผลิตรังสี เอกซ์ ประกอบ
ด้ วยหลอดแก้ วที่ภายใน
มีวงจรเร่ งความเร็วของ
อิเลคตรอน แล้ วยิงไป
ชนเป้ าโลหะทังสเตนที่
๐
วางเอียงทามุม 45
รังสี เอกซ์ เป็ นทั้งคลืน่ และ อนุภาค
* แสดงสมบัติของคลืน่ ได้ ครบทั้ง 4 ข้ อ
* มีโมเมนตัม ( มวล × ความเร็ว ) เหมือน
อนุภาค
รังสี เอกซ์ สามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนาๆทีม่ คี วามหนาแน่ น
น้ อยได้ เช่ น กระดาษ ไม้ เนือ้ เยือ่ คน สั ตว์ ทางการแพทย์ ใช้
ตรวจความผิดปกติของอวัยวะภายใน วงการอุตสาหกรรมใช้
หารอยร้ าวในชิ้นโลหะขนาดใหญ่ ใช้ ตรวจหาอาวุธปื นและ
วัตถุระเบิดในกระเป๋ าเดินทาง และใช้ ศึกษาการจัดเรียงตัวของ
อะตอมในผลึก
* รังสี เอกซ์ สามารถทาให้ อากาศแตกตัว
เป็ นอิออนได้
* รังสี เอกซ์ ทาให้ ผลึกบางชนิดเรืองแสง
และแสงที่เรืองออกมาสามารถมองเห็น
ได้ ด้วยตาเปล่ าได้
* รังสี เอกซ์ ทาให้ ฟิลม์ ถ่ายรูปดา จึงนามา
ใช้ ในการถ่ ายภาพบนฟิ ลม์ เอกซ์ เรย์
7. รังสี แกมมา (Gamma ray : γ)
รังสี แกมมามีสภาพเป็ นกลางทางไฟฟ้า
มีความถีส่ ู งกว่ ารังสี เอกซ์
เกิดจากปฏิกริ ิยานิวเคลียร์
และการสลายตัวของธาตุ
กัมมันตรังสี
กระตุ้นปฏิกริ ิยานิวเคลียร์ ได้
มีอานาจทะลุทะลวงสู ง
แพทย์ ใช้ ทาลายเซลล์มะเร็ง
8. รังสี คอสมิค Cosmic ray
 แหล่ งกาเนิดของรั งสี คอสมิกมีหลายแห่ งเช่ น
หลุมดา เศษเหลือจากซุปเปอร์ โนวา เป็ นต้น แต่
พอแยกตามแหล่งหลักใหญ่ ได้ ดงั นี้
Solar cosmic rays
คือ รังสี คอสมิกทีม่ าจากดวงอาทิตย์ หรือเรียกอีกชื่อหนึ่ง
ว่ า อนุภาคพลังงานสู งจากดวงอาทิตย์ (Solar Energetic
Particles, SEPs) ซึ่งเกิดมาจากกระบวนการการระเบิดทีช่ ้ัน
บรรยากาศของดวงอาทิตย์ จากนั้นก็จะถูกเร่ งด้ วย ลมสุ ริยะ
(Solar wind) มีพลังงานอยู่ในช่ วง 105-107 อิเล็กตรอนโวลต์
ส่ วนประกอบคือ อนุภาคโปรตอน (proton) อนุภาคนิวตรอน
(neutron) เป็ นต้ น แต่ โดยเฉลีย่ แล้ วก็จะคล้ ายกับส่ วนประกอบใน
ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ เสมือนว่ าหลุดออกมาเนื่องจากการ
ระเบิดนั่นเอง
Galactic cosmic rays (GCRs)
คือ รังสี คอสมิกทีม่ าจากนอกระบบสุ ริยะซึ่งถูกเร่ งจาก
กระบวนการอืน่ ในกาแล็กซีทางช้ างเผือก
ส่ วนใหญ่
ประกอบด้ วยอนุภาคโปรตอน มีพลังงานอยู่ในช่ วง
107-1019 อิเล็กตรอนโวลต์
รังสี คอสมิกชนิดนีจ้ ะเข้ ามายังโลกตลอดเวลา แต่ เมือ่ มี
เหตุการณ์ การระเบิดทีร่ ุนแรงในชั้นบรรยากาศของดวง
อาทิตย์ รังสี คอสมิกจากดวงอาทิตย์ และคลืน่ กระแทกจะทา
ให้ ปริมาณของรังสี คอสมิกทีม่ าจากนอกระบบสุ ริยะนีล้ ดลง
เมือ่ สั งเกตจากเครื่องตรวจวัดรังสี คอสมิกทีอ่ ยู่บนโลกจะ
พบว่ าความเข้ มของรังสี คอสมิกจะลดลงในช่ วงเวลาสั้ นๆ
ก่ อนทีจ่ ะเพิม่ ปริมาณขึน้ อย่ างรวดเร็ว เรียกเหตุกาณ์ นีว้ ่ าการ
ลดลงแบบฟอร์ บุช (Forbush decrease) เหตุการณ์ นีค้ ้ นพบ
ในปี ค.ศ. 1938 (พ.ศ. 2491) โดย Scott Ellsworth Forbush
นักฟิ สิ กส์ ธรณี ชาวอเมริกนั
Extragalactic cosmic rays (EGCRs)
คือ รังสี คอสมิกที่มาจากนอกกาแล็กซีทบี่ างครั้ง
เคลือ่ นทีเ่ ข้ ามาในระบบสุ ริยะของเรา ซึ่งถูกเร่ งจาก
กระบวนการทางฟิ สิ กส์ หลายอย่ าง เช่ นการระเบิด
ซุปเปอร์ โนวา เป็ นต้ น รังสี คอสมิกชนิดนีม้ ีพลังงาน
สู งสุ ดถึง 1020 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีพลังงานสู งมาก
จนกระทั่งไม่ สามารถหากระบวนการทางฟิ สิ กส์ เพือ่
อธิบายการเกิดได้ เลย
ผลิตโดย
ครูวชิ ัย เจริญศรี
กล่ มุ สาระการเรียนรู้ วทิ ยาศาสตร์
โรงเรียนเบญจมราชูทศิ ราชบุรี
สวัสดีนะจ๊ ะ