เนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6 มีอะไรต้องจำเป็นพิเศษบ้าง ?

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถือเป็นหนึ่งในหัวข้อสำคัญที่ออกสอบบ่อย โดยเฉพาะข้อสอบ A-Level สำหรับศึกษาต่อในระดับมหาวิทยาลัย แต่ถ้าน้องคนไหนยังสับสนว่าเนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6 มีอะไรบ้างที่ต้องให้ความสำคัญ บทความนี้จะมาช่วยสรุปให้เข้าใจง่ายที่สุด อ่านจบปุ๊บ พร้อมต่อยอดสู่การเรียนคอร์สติวฟิสิกส์ ม.6 เพื่อเตรียมตัวสอบได้เลย !

Table of Contents:  

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร ?
• ลักษณะสำคัญของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• การแผ่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ
• สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ ความยาวคลื่น และพลังงาน
• โพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• ข้อควรจำสำหรับการสอบ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร ?

น้อง ๆ เคยสงสัยไหมว่า ทำไมสัญญาณโทรศัพท์ถึงเดินทางได้โดยไม่มีสาย ? ทำไมเราสามารถฟังวิทยุหรือดูทีวีได้ ? ทั้งหมดนี้เกิดจาก "คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" (Electromagnetic Wave) นั่นเอง !

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เมื่อสนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และในทางกลับกัน หากสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดเป็นคลื่นที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางใด ๆ เลย

ลักษณะสำคัญของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในเนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6  มีลักษณะสำคัญของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่น้อง ๆ ควรจำให้ขึ้นใจ ดังนี้ 

1. เป็นคลื่นตามขวาง (Transverse wave) - สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสั่นในทิศตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และยังตั้งฉากซึ่งกันและกันด้วย
2. ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ - สามารถเดินทางในสุญญากาศได้ ต่างจากคลื่นกล (เช่น คลื่นเสียง) ที่ต้องอาศัยตัวกลาง
3. อัตราเร็วในสุญญากาศ - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่ากันในสุญญากาศ คือ 3 × 10^8 เมตรต่อวินาที (หรือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) ซึ่งเรียกว่า "ความเร็วแสง" และมักแทนด้วยตัว c

สิ่งที่น่าสนใจคือ แม้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีหลายชนิด ตั้งแต่คลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นยาวมาก ไปจนถึงรังสีแกมมาที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก แต่ทุกชนิดล้วนเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่ากันในสุญญากาศ

การแผ่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ

เมื่อประจุวิ่งขึ้นลงในสายอากาศด้วยความเร่งหรือความหน่วง จะทำให้เกิดการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในทุกทิศทาง ยกเว้นบริเวณตรงเหนือและใต้สายอากาศ (ในแนวแกนของสายอากาศ)

ถ้าน้อง ๆ นึกภาพสายอากาศตั้งในแนวดิ่ง คลื่นจะแผ่ออกไปในแนวระนาบเป็นหลัก แต่จะไม่แผ่ในแนวเหนือ-ใต้ของสายอากาศ นี่เป็นเหตุผลที่การติดตั้งสายอากาศต้องคำนึงถึงทิศทางด้วย

รูปแบบการแผ่คลื่นจะคล้ายกับโดนัทที่มีสายอากาศอยู่ตรงกลาง การแผ่คลื่นจะมีทั้งในแนวระนาบและแนวดิ่ง (ยกเว้นตรงแนวแกนของสายอากาศ) ดังนั้นเวลาเราติดตั้งสายอากาศที่บ้าน เราต้องหันให้ด้านกว้างของสายอากาศไปทางสถานีส่ง ไม่ใช่หันปลายสายอากาศออกไป

สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งออกเป็นหลายช่วงความถี่ ตั้งแต่คลื่นที่มีความถี่ต่ำไปจนถึงสูง โดยเนื้อหาเกี่ยวกับเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6 ที่พบบ่อยในข้อสอบ ส่วนมากจะมีเรื่องเหล่านี้ 

1. คลื่นวิทยุ (Radio Wave) - ใช้ในการสื่อสาร เช่น วิทยุ AM และ FM
2. คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ (Microwave) - ใช้ในการส่งสัญญาณโทรทัศน์และเตาไมโครเวฟ
3. รังสีอินฟราเรด (Infrared Rays) - ใช้ในรีโมตคอนโทรล กล้องตรวจจับความร้อน
4. แสงที่มองเห็น (Visible Light) - เป็นช่วงของคลื่นที่ดวงตามนุษย์รับรู้ได้
5. รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet Rays) - ช่วยในการผลิตวิตามินดีแต่ก็เป็นอันตรายต่อผิวหนัง
6. รังสีเอกซ์ (X-rays) - ใช้ทางการแพทย์ในการถ่ายภาพรังสี
7. รังสีแกมมา (Gamma Rays) - มีพลังงานสูงมาก ใช้ในการรักษามะเร็ง

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ ความยาวคลื่น และพลังงาน

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และความยาวคลื่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดมีความสัมพันธ์ตามสมการ

c = fλ

โดยที่:

• c คือ อัตราเร็วแสงในสุญญากาศ (3 × 10^8 เมตร/วินาที)
• f คือ ความถี่ของคลื่น (เฮิรตซ์ หรือ Hz)
• λ (lambda) คือ ความยาวคลื่น (เมตร)

สมการข้างต้นถือเป็นหัวใจสำคัญของเนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6  ซึ่งน้อง ๆ จะเห็นได้ว่า ความถี่และความยาวคลื่นแปรผกผันกัน นั่นคือ 

• ถ้าความถี่สูง ความยาวคลื่นจะสั้น
• ถ้าความถี่ต่ำ ความยาวคลื่นจะยาว

ตัวอย่างการคำนวณ : ถ้าคลื่นวิทยุ FM มีความถี่ 100 MHz (100 × 10^6 Hz) ความยาวคลื่นจะเป็นเท่าไร ?

λ = c/f = (3 × 10^8) / (100 × 10^6) = 3 เมตร

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และพลังงาน

พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสัมพันธ์กับความถี่ตามสมการ 

E = hf

โดยที่:

• E คือ พลังงานของโฟตอน (จูล)
• h คือ ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck's constant) มีค่าเท่ากับ 6.63 × 10^-34 จูล·วินาที
• f คือ ความถี่ของคลื่น (เฮิรตซ์)

จากสมการนี้ น้อง ๆ จะเห็นว่า พลังงานและความถี่แปรผันตรงกัน นั่นคือ 

• ยิ่งความถี่สูง พลังงานก็จะยิ่งมาก
• ยิ่งความถี่ต่ำ พลังงานก็จะยิ่งน้อย

นี่เป็นเหตุผลที่รังสีแกมมาซึ่งมีความถี่สูงมาก มีพลังงานสูงและเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต ในขณะที่คลื่นวิทยุซึ่งมีความถี่ต่ำกว่ามาก จะมีพลังงานน้อยและไม่เป็นอันตรายต่อร่างกาย

โพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

อีกหนึ่งเนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6  ที่มีความสำคัญและพบได้บ่อยในโจทย์ฟิสิกส์ A-Level คือเรื่องโพลาไรเซชัน (Polarization) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับทิศทางการสั่นของสนามไฟฟ้าในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นโพลาไรซ์ (Polarized Wave)

คลื่นโพลาไรซ์คือคลื่นที่มีทิศทางการสั่นของสนามไฟฟ้าเป็นไปในระนาบเดียวกัน แบ่งได้เป็น 

• คลื่นโพลาไรซ์เชิงเส้น (Linearly Polarized Wave) : สนามไฟฟ้าสั่นในระนาบเดียวตลอด
• คลื่นโพลาไรซ์เชิงวงกลม (Circularly Polarized Wave) : จุดปลายของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นวงกลม
• คลื่นโพลาไรซ์เชิงวงรี (Elliptically Polarized Wave) : จุดปลายของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นวงรี

คลื่นไม่โพลาไรซ์ (Unpolarized Wave)

คลื่นไม่โพลาไรซ์ คือ คลื่นที่มีทิศทางการสั่นของสนามไฟฟ้าในทุกระนาบอย่างสุ่ม แสงจากแหล่งกำเนิดทั่วไป เช่น ดวงอาทิตย์ หลอดไฟ จะเป็นคลื่นไม่โพลาไรซ์

ข้อควรจำสำหรับการสอบ

ในบรรดาเนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6 ทั้งหมด โดยสรุปแล้วจะมีสิ่งที่เจอในข้อสอบบ่อย ๆ ที่น้อง ๆ ควรทบทวนให้ขึ้นใจ ดังนี้  

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีอัตราเร็วในสุญญากาศเท่ากับอัตราเร็วแสง (3 × 10^8 m/s)
• ใช้สมการ c = fλ คำนวณความถี่หรือความยาวคลื่น
• คลื่นวิทยุระบบ AM (530-1600 kHz) สามารถส่งได้ทั้ง คลื่นดินและคลื่นฟ้า
• คลื่นวิทยุระบบ FM (88-108 MHz) ส่งได้เฉพาะ คลื่นดิน
• รังสีเอกซ์และรังสีแกมมาเป็นอันตราย ต่อเซลล์สิ่งมีชีวิต ใช้ในทางการแพทย์แต่ต้องระวัง
• รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ก่อให้เกิดประจุอิสระในชั้น ไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งมีผลต่อการสะท้อนคลื่นวิทยุ
• แสงที่ตามองเห็นมีความยาวคลื่นประมาณ 400-700 นาโนเมตร
• คลื่นที่มีความถี่สูงมีพลังงานมาก และมีความยาวคลื่นสั้น

ปูพื้นฐานเนื้อหา พร้อมตะลุยทำโจทย์ฟิสิกส์ เพื่อเตรียมตัวเข้ามหาวิทยาลัย กับ Applied Physics

ถ้าอ่านเนื้อหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ม.6 ที่สรุปมาในบทความนี้แล้วยังมีข้อสงสัย การติวเพิ่มจะช่วยให้น้อง ๆ มีความเข้าใจมากยิ่งขึ้น คอร์สติวฟิสิกส์ ม.6 ที่ Applied Physics สอนโดยติวเตอร์มืออาชีพ นำโดย นพ. ประกิตเผ่า ทมทิตชงค์ ผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์ระดับประเทศที่จะช่วยปูพื้นฐานตั้งไปจนถึงโจทย์ยาก ๆ เพื่อเตรียมตัวสอบ 

สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับคอร์สเรียน โทร 02-3060867, 02-3060868, 02-3060869 หรือ 085-4925599 หรือแอดไลน์ @appliedphysics (มี @ ด้วย)