แสง คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves เรียกย่อๆ ว่า EM) ซึ่งประกอบด้วย สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ทำมุมตั้งฉากกัน ระยะทางระหว่างยอดคลื่นหนึ่งถึงยอดคลื่นถัดไปเรียกว่า ความยาวคลื่น (Wavelength) ดังภาพที่ 1
ภาพที่ 1 คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร (1 nm = 10-9 m หรือ 1/พันล้านเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึมมาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปกตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด (400 nm) สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ เรียงตามขนาดความยาวคลื่นจากน้อยไปมาก ดังภาพที่ 2 ได้แก่
• รังสีแกมมา (Gamma ray) ความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 nm
• รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 nm
• รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 nm
• แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 nm
• รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 nm – 1 mm
• คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm
• คลื่นวิทยุ (Radio wave) ความยาวคลื่นมากกว่า 10 cm
ภาพที่ 2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทต่างๆ
เราสามารถนำความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ มาเปรียบเทียบกับขนาดของสรรพสิ่งบนโลก จะได้ดังภาพที่ 3 คลื่นแสงที่ตามมนุษย์มองเห็นมีขนาดความยาวคลื่นเท่าโปรโตซัว คลื่นที่มีขนาดเล็กหรือใหญ่กว่านี้ไม่อาจมองเห็นด้วยตาได้ แต่อาจรับรู้ด้วยประสาทสัมผัส เช่น ถ้ารังสีอินฟราเรดทำให้เกิดความอบอุ่น รังสีอัลตราไวโอเล็ตทำให้ผิวหนังไหม้
ภาพที่ 3 แผนภาพเปรียบเทียบความยาวคลื่นกับสิ่งต่าง ๆ
นอกจากนักวิทยาศาสตร์จะแบ่งประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ความยาวคลื่นเป็นตัวกำหนดแล้ว แต่บางครั้งในวงการวิทยุโทรคมนาคม เรานิยมใช้ความถี่ของคลื่นเป็นตัวกำหนด เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภทเดินทางโดยไม่ต้องใช้ตัวกลางด้วยความเร็วคงที่ 300,000,000 เมตร/วินาที เราสามารถคำนวณหาค่าความถี่ได้โดยใช้สูตร
λ = c / f
ความยาวคลื่น = ความเร็วแสง / ความถี่
ความยาวคลื่น (λ) = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
ความเร็วแสง (c) = 300,000,000 เมตร/วินาที (m/s)
ตัวอย่าง: คลื่นวิทยุมีความยาวคลื่น 10,000 เมตร มีความถี่ = 300,000,000/10,000 Hz = 30,000 Hz
1. ลักษณะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กฎมือขวา ให้นิ้วชี้ไปตามแกนสนามไฟฟ้า กำนิ้วที่เหลือลงมาทางสนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือจะแสดงการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - การเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก - การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก
ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า 2. สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
เป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้า (E) และสนามแม่เหล็ก(B) มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่
จึงสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้
สิ่งที่ควรรู้
1. ถ้าเรียงลำดับสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากความยาวคลื่นจากมากไปน้อย จะได้ วิทยุ ไมโครเวฟ อินฟาเรด แสง อัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมม่า
2. ความเร็ซในการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ มีค่าเท่ากับ 3x10 กำลัง 8เมตร/วินาที
3. ความสัมพันธ์ระหว่าง ความยาวคลื่น ความถี่ และความเร็ว เป็นดังนี้
C = ความเร็วของคลื่นแสง มีค่า = 3 x 10 8 m/s หรือ เขียนหน่วยเป็น ms-1
4. แสง มีความยาวคลื่น 400 nm - 700 nm เรียงจากความยาวคลื่นจากน้อยไปมาก คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง
5. ความยาวคลื่น = ความเร็วแสง / ความถี่
ความยาวคลื่น ( ) = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
ความเร็วแสง (c) = 300,000,000 เมตร/วินาที (m/s)
ประเภทคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
1. คลื่นวิทยุ มีความถี่ช่วง 104 - 109 Hz( เฮิรตซ์ ) ใช้ในการสื่อสาร คลื่นวิทยุมีการส่งสัญญาณ 2 ระบบคือ
1.1 ระบบเอเอ็ม มีช่วงความถี่ 530 - 1600 kHz( กิโลเฮิรตซ์ ) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุเรียกว่า "คลื่นพาหะ" โดยแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง
ในการส่งคลื่นระบบ A.M. สามารถส่งคลื่นได้ทั้งคลื่นดินเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงขนานกับผิวโลกและคลื่นฟ้าโดยคลื่นจะไปสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา จึงไม่ต้องใช้สายอากาศตั้งสูงรับ
1.2 ระบบเอฟเอ็ม มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้ากับคลื่นพาหะ โดยความถี่ของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง
ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่างเดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถ่ายทอดและเครื่องรับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ
2. คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟมีความถี่ช่วง 108 - 1012 Hz มีประโยชน์ในการสื่อสาร แต่จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ในการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะ ๆ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้นสัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ดาวเทียมนำสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ
เนื่องจากไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำไปใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน เรียกอุปกรณ์ดังกล่าวว่า เรดาร์ โดยส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำให้ทราบระยะห่างระหว่างอากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้
3. รังสีอินฟาเรด รังสีอินฟาเรดมีช่วงความถี่ 1011 - 1014 Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-3 - 10-6 เมตร ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรดสามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้ และใช้เป็นการควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลกับเครื่องรับโทรทัศน์ได้
4. แสง แสงมีช่วงความถี่ 1014Hz หรือความยาวคลื่น 4x10-7 - 7x10-7 เมตร เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับได้
5. รังสีอัลตราไวโอเลต หรือ รังสีเหนือม่วง มีความถี่ช่วง 1015 - 1018 Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลต สามารถทำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน
6. รังสีเอกซ์ รังสีเอกซ์ มีความถี่ช่วง 1016 - 1022 Hz มีความยาวคลื่นระหว่าง 10-8 - 10-13 เมตร ซึ่งสามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์คือ การเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย
ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก
7. รังสีแกมมา ามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และสามารถกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้
มีอำนาจทะลุทะลวงสูง
ความรู้เพิ่มเติม