ตัวอักษรกรีกphysics.ipst.ac.th/wp-content/uploads/sites/2/2020/04/... · 2020. 4. 15. · บทที่ เนื้อหา หน้า บทที่

ตวอกษรกรก

ราชบณฑตยสถาน ศพทคณตศาสตร ฉบบราชบณฑตยสถาน พมพครงท ๙ แกไขเพมเตม กรงเทพ : ราชบณฑตยสถาน, ๒๕๔๙.

ตวอกษร เลก

ตวอกษร ใหญ ชอตวอกษร

เลกตวอกษร

ใหญ ชอ

alphabeta

gammadelta

epsilonzetaeta

thetaiota

kappalambda

mu

A

B

G

D

E

Z

H

Q

I

K

L

M

N

X

O

P

R

S

T

U

F

C

Y

W

n

x

o

p

r

s

t

u

f

c

y

w

a

b

g

d,0

e

z

h

q

i

k

l

m

แอลฟา

บตา

แกมมา

เดลตา

เอปไซลอน

ซตา

อตา

ทตา

ไอโอตา

แคปปา

แลมบดา

มว

nuxi

omicronpi

rhosigma

tauupsilon

phichipsi

omega

นว

ไซ

โอไมครอน

พาย

โร

ซกมา

เทา

อปไซลอน

ฟาย, ฟ

ไค

ซาย

โอเมกา

∂

รปปกหนา เครองตรวจวดอนภาคซเอมเอส (CMS หรอ Compact Muon Solenoid) เปนหนงในเครองตรวจวดอนภาคทองคกรเพอ การวจยนวเคลยรแหงยโรป หรอ เซรน (CERN หรอ Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ใชศกษาพฤตกรรมและอนตรกรยาของอนภาคมลฐาน ซงจฬาลงกรณมหาวทยาลยไดเขารวมเปนสมาชกของ CMS นดวย

คำาอธบายรายวชาเพมเตม

ฟสกส เลม ๖ กลมสาระการเรยนรวทยาศาสตรและเทคโนโลย (ฉบบปรบปรง พ.ศ. ๒๕๖๐)

ชนมธยมศกษาปท ๖ เวลา ๘๐ ชวโมง จำานวน ๒ หนวยกต

ศกษาการเกดคลนแมเหลกไฟฟา สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา โพลาไรเซชนของคลนแมเหลกไฟฟา

การสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟา สมมตฐานของพลงค ทฤษฎอะตอมของโบร ปรากฏการณโฟโตอเลกทรก

ทวภาวะของคลนและอนภาค เสถยรภาพของนวเคลยส กมมนตภาพรงส ปฏกรยานวเคลยร พลงงานนวเคลยรและ

ฟสกสอนภาค โดยใชกระบวนการทางวทยาศาสตร การสบเสาะหาความร การสบคนขอมล การสงเกต วเคราะห

เปรยบเทยบ อธบาย อภปราย และสรป เพอใหเกดความร ความเขาใจ มความสามารถในการตดสนใจ มทกษะปฏบตการ

ทางวทยาศาสตร รวมทงทกษะแหงศตวรรษท ๒๑ ในดานการใชเทคโนโลยสารสนเทศ ดานการคดและการแกปญหา

ดานการสอสาร สามารถสอสารสงทเรยนรและนำาความรไปใชในชวตของตนเอง มจตวทยาศาสตร จรยธรรม คณธรรม

และคานยมทเหมาะสม

ผลการเรยนร

อธบายการเกดและลกษณะเฉพาะของคลนแมเหลกไฟฟา แสงไมโพลาไรส แสงโพลาไรสเชงเสน และแผนโพลารอยด รวมทงอธบายการนำาคลนแมเหลกไฟฟาในชวงความถตาง ๆ ไปประยกตใชและ หลกการทำางานของอปกรณทเกยวของ

สบคนและอธบายการสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟาในการสงผานสารสนเทศ และเปรยบเทยบการสอสารดวยสญญาณแอนะลอกกบสญญาณดจทล

อธบายสมมตฐานของพลงค ทฤษฎอะตอมของโบร และการเกดเสนสเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน รวมทง คำานวณปรมาณตาง ๆ ทเกยวของ

อธบายปรากฏการณโฟโตอเลกทรกและคำานวณพลงงานโฟตอน พลงงานจลนของโฟโตอเลกตรอนและ ฟงกชนงานของโลหะ

อธบายทวภาวะของคลนและอนภาค รวมทงอธบายและคำานวณความยาวคลนเดอบรอยล

อธบายกมมนตภาพรงสและความแตกตางของรงสแอลฟา บตาและแกมมา

อธบายและคำานวณกมมนตภาพของนวเคลยสกมมนตรงส รวมทงทดลอง อธบาย และคำานวณจำานวนนวเคลยส กมมนตรงสทเหลอจากการสลายและครงชวต

อธบายแรงนวเคลยร เสถยรภาพของนวเคลยส และพลงงานยดเหนยว รวมทงคำานวณปรมาณตาง ๆ ทเกยวของ

อธบายปฏกรยานวเคลยร ฟชชน และฟวชน รวมทงคำานวณพลงงานนวเคลยร

อธบายประโยชนของพลงงานนวเคลยรและรงส รวมทงอนตรายและการปองกนรงสในดานตาง ๆ

อธบายการคนควาวจยดานฟสกสอนภาค แบบจำาลองมาตรฐาน และการใชประโยชนจากการคนควาวจยดาน ฟสกสอนภาคในดานตาง

๑.

๒.

๓.

๔.

๕.

๖.

๗.

๘.

๙.

๑๐.

๑๑.

รวมทงหมด ๑๑ ผลการเรยนร

ขอแนะนำาทวไปในการใชหนงสอเรยน

หนงสอเรยนเปนเอกสารทจดทำาขนเพอใหนกเรยนไดใชในการศกษาเนอหาทสำาคญและเกดทกษะทจำาเปนทสอดคลองกบมาตรฐานและสาระการเรยนร รวมทงยงมสอทชวยเสรมการเรยนรของนกเรยน โดยสามารถเชอมตอไปยงหนาเวบไซตรายการสอไดจาก QR code หรอ URL ทอยประจำาแตละบท การทำาความเขาใจเกยวกบสญลกษณหรอขอความตามหวขอตาง ๆ ทปรากฏในหนงสอเรยน จะชวยใหนกเรยนใชหนงสอเรยนไดอยางมประสทธภาพ ซงสญลกษณหรอขอความตามหวขอตาง ๆ ทปรากฏในหนงสอเรยน มดงน

● คำาถามสำาคญ ● จดประสงคการเรยนร ● ความรกอนเรยน ● ขอสงเกต ● ชวนคด ● กจกรรม ● คำาถามทายกจกรรม

● กจกรรมลองทำาด ● ความรเพมเตม ● รหรอไม ● สรปเนอหาภายในบทเรยน ● แบบฝกหดทายหวขอ ● แบบฝกหดทายบท

คำาถามสำาคญ คำาถามประจำาบททนกเรยนตองอาศยความรทงหมดในบทเรยนในการตอบคำาถาม ซงนกเรยนควรตอบไดหลงจากไดเรยนรในบทนนแลว

จดประสงคการเรยนร เปาหมายของการจดการเรยนรทตองการใหนกเรยนเกดความรหรอทกษะหลงจากผาน กจกรรมการจดการเรยนรในแตละหวขอ ซงนกเรยนควรศกษาทำาความเขาใจกอนเรม เรยนรในแตละหวขอ

ความรกอนเรยน คำาสำาคญหรอขอความสน ๆ ทเกยวกบความรทนกเรยนควรมสำาหรบเปนพนฐานของ การศกษาความรใหมในแตละบท

ขอสงเกต ความรทเกยวของเพอใหนกเรยนเหนแนวคดสำาคญและความเชอมโยงของเนอหา

ชวนคด คำาถามระหวางเรยนทเชอมโยงหรอตอยอดความรเดมทศกษาแลวกบความรใหมหรอ ความรในศาสตรอน เพอใหนกเรยนเหนความสมพนธหรอความตอเนองของเนอหา

กจกรรม การปฏบตทชวยในการเรยนรเนอหาหรอฝกฝนใหเกดทกษะตามจดประสงคการเรยนร ของบทเรยน โดยอาจเปนการทดลอง การสบคนขอมล หรอกจกรรมอน ๆ ซงนกเรยน ควรลงมอปฏบตกจกรรมดวยตนเอง

คำาถามทายกจกรรม คำาถามทเกยวของกบกจกรรมนน ๆ ชวยเปนแนวทางในการวเคราะห อภปรายและ สรปผลการทำากจกรรม

กจกรรมลองทำาด การปฏบตทชวยเสรมความรทเกยวของกบเนอหาในบทเรยน ซงอาจเปนกจกรรมท ลงมอปฏบตในหองเรยนหรอนอกเวลาเรยนได

ความรเพมเตม ความรทเพมเตมจากเนอหาในบทเรยน เพอใหนกเรยนมความรความเขาใจมากขน โดยไมมการวดและประเมนผล

รหรอไม ความรทเชอมโยงใหเหนความสอดคลองของเนอหาบทเรยนกบปรากฏการณหรอ สถานการณในชวตประจำาวน

สรปเนอหาภายในบทเรยน การสรปเนอหาสำาคญภายในบทเรยน เพอชวยใหเหนภาพรวมของเนอหาทงหมด

แบบฝกหดทายหวขอ ประกอบดวย 2 สวน ดงน

คำาถามตรวจสอบความเขาใจ คำาถามระหวางเรยนทชวยประเมนการเรยนร ซงนกเรยนสามารถใชตรวจสอบวา ตนเอง มความรความเขาใจในเนอหาแลวหรอยง

แบบฝกหด แบบฝกหดระหวางเรยนทชวยฝกทกษะการคด การคำานวณ และการแกปญหาเบองตน โดยใชความรในหวขอนน ๆ ซงนกเรยนสามารถใชตรวจสอบความเขาใจของเนอหา และฝกฝนตนเองใหมทกษะทจำาเปนตามจดประสงคการเรยนรได

แบบฝกหดทายบท ประกอบดวย 3 สวน ดงน

คำาถาม คำาถามทเนนใหนกเรยนตอบโดยการเขยนบรรยายแสดงความเขาใจ จนถงการวเคราะห ปญหา ปญหาทมความซบซอนนอยจนถงปานกลาง เนนใหนกเรยนไดใชทกษะการคำานวณ และการแกปญหา

ปญหาทาทาย ปญหาทมความซบซอนมาก เนนใหนกเรยนไดใชทกษะการคดระดบสงในการคำานวณ และการแกปญหา

สารบญ

18บทท เนอหา หนา

คลนแมเหลกไฟฟา18.1 การเกดคลนแมเหลกไฟฟา18.2 สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา 18.2.1 คลนวทย 18.2.2 ไมโครเวฟ 18.2.3 รงสใตแดงหรอรงสอนฟราเรด 18.2.4 แสง 18.2.5 รงสเหนอมวงหรอรงสอลตราไวโอเลต 18.2.6 รงสเอกซ 18.2.7 รงสแกมมา18.3 โพลาไรเซชนของคลนแมเหลกไฟฟา18.4 การประยกตใชคลนแมเหลกไฟฟา 18.4.1 เครองฉายรงสเอกซ 18.4.2 เครองถายภาพเอกซเรยคอมพวเตอร 18.4.3 เครองควบคมระยะไกล 18.4.4 เครองระบตำาแหนงบนพนโลก 18.4.5 เครองถายภาพการสนพองของแมเหลก18.5 การสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟา 18.5.1 การสอสารโดยอาศยคลนวทย 18.5.2 การสอสารโดยอาศยไมโครเวฟ 18.5.3 การสอสารโดยอาศยแสง 18.5.4 สญญาณแอนะลอกและสญญาณดจทล สรปเนอหาภายในบทเรยน เเบบฝกหดทายบทท 18

บทท 18

312131414161720212328283133353639394344454749

สารบญ

บทท เนอหา หนา

บทท 19-20

19 ฟสกสอะตอม19.1 สมมตฐานของพลงคและทฤษฎอะตอมของโบร 19.1.1 การแผคลนแมเหลกไฟฟาของวตถดำา 19.1.2 ทฤษฎอะตอมของโบร19.2 ปรากฏการณโฟโตอเลกทรก 19.2.1 ควอนตมของแสงและโฟตอน 19.2.2 ฟงกชนงานและพลงงานจลนสงสดของ โฟโตอเลกตรอน19.3 ทวภาวะของคลนและอนภาค 19.3.1 สมมตฐานของเดอบรอยล 19.3.2 กลศาสตรควอนตมและการนำาไปประยกต ใชประโยชน สรปเนอหาภายในบทเรยน เเบบฝกหดทายบทท 19

535359818183

939397

104105

20 ฟสกสนวเคลยรและฟสกสอนภาค20.1 เสถยรภาพของนวเคลยส 20.1.1 แรงนวเคลยร 20.1.2 พลงงานยดเหนยว20.2 กมมนตภาพรงส 20.2.1 การคนพบกมมนตภาพรงส 20.2.2 รงสจากธาตและไอโซโทปกมมนตรงส 20.2.3 การสลายและสมการการสลาย 20.2.4 กมมนตภาพ 20.2.5 ครงชวต20.3 ปฏกรยานวเคลยรและพลงงานนวเคลยร 20.3.1 ฟชชน 20.3.2 ฟวชน

114114119131131134137145150161163170

สารบญ

บทท เนอหา หนา

บทท 20 - ภาคผนวก

20.4 ประโยชนและการปองกนอนตรายจากรงส 20.4.1 การนำารงสไปใชประโยชน 20.4.2 รงสในธรรมชาตและการปองกนอนตราย จากรงส20.5 ฟสกสอนภาค 20.5.1 อนภาคมลฐาน 20.5.2 แบบจำาลองมาตรฐาน 20.5.3 ประโยชนจากการคนควาวจยดานฟสกส อนภาค สรปเนอหาภายในบทเรยน เเบบฝกหดทายบทท 20

177177181

186186194200

206209

ภาคผนวก ภาคผนวก ก ตารางธาตภาคผนวก ข คณตศาสตรสำาหรบฟสกสภาคผนวก ค ระบบหนวยระหวางชาตภาคผนวก ง ตารางฟงกชนตรโกณมตภาคผนวก จ ตารางเลขกำาลงสอง รากทสองและสวนกลบภาคผนวก ฉ ตวอยางการบนทกผลการทดลองภาคผนวก ช ลอกาลทมคำาศพทบรรณานกรมทมาของรปคณะกรรมการจดทำาหนงสอเรยน

221222233236237238241244247249253

โลกในยคโลกาภวตนมการใชเทคโนโลยในการสงและรบขาวสารตางๆการสงเสรมทางดานการศกษาการทำาธรกจออนไลนอกทงปจจบนยงสามารถควบคมการทำางานเครองมอเครองใชภายในบานผานสมารตโฟนไดทเรยกวาอนเทอรเนตของสรรพสง (internet of things)กจกรรมดงกลาวเกยวของกบคลนแมเหลกไฟฟาทงสนคลนแมเหลกไฟฟาเกดขนไดอยางไรแตละชนดมลกษณะเปนอยางไรและนำาไปประยกตใชในดานตางๆไดอยางไรจะไดศกษาในบทน

คลนแมเหลกไฟฟา

ipst.me/11067

บทท 18

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย

1ฟสกส เลม 6 บทท 18 | คลนแมเหลกไฟฟา

ความรกอนเรยน

สมบตของคลนคลนกลไฟฟาสถตไฟฟากระแสแมเหลกและไฟฟา

18.1 การเกดคลนแมเหลกไฟฟา 1. อธบายการเกดคลนแมเหลกไฟฟา 2. อธบายลกษณะเฉพาะของคลนแมเหลกไฟฟา 18.2 สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา 3. บอกความหมายของสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา 4. อธบายการนำาคลนแมเหลกไฟฟาในชวงความถตางๆไปประยกตใช

18.3 โพลาไรเซชนของคลนแมเหลกไฟฟา 5. อธบายโพลาไรเซชนของแสงแสงไมโพลาไรสและแสงโพลาไรสเชงเสน 6. สงเกตความสวางของแสงเมอผานแผนโพลารอยดสองแผน

18.4 การประยกตใชคลนแมเหลกไฟฟา 7. ยกตวอยางและอธบายหลกการทำางานอปกรณบางชนดทใชคลนแมเหลกไฟฟา

18.5 การสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟา

8. สบคนและอธบายการสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟา 9. เปรยบเทยบการสอสารดวยสญญาณแอนะลอกกบสญญาณดจทล

● คลนแมเหลกไฟฟาเกดขนไดอยางไรมลกษณะเฉพาะอยางไรและนำาไปประยกตใชในชวต ประจำาวนไดอยางไร ● การสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟาในระบบดจทลและระบบแอนะลอกแตกตางกนอยางไร

คำาถามสำาคญ

จดประสงคการเรยนร

2 ฟสกส เลม 6


บทท 18 | คลนแมเหลกไฟฟา

เราทราบมาแลววาคลนเกดจากการรบกวนสงใดสงหนงแลวมการสงผานพลงงานของการรบกวนนนจากทหนงไปยงอกทหนงสำาหรบคลนกลการสงผานพลงงานดงกลาวตองอาศยตวกลางเทานนเชนคลนในเสนเชอกคลนนำาและคลนเสยงขณะคลนกลเคลอนทผานตวกลางอนภาคตวกลางจะเคลอนทแบบแกวงกวดรอบจดสมดลของแตละอนภาคและสงผานพลงงานไปยงอนภาคในบรเวณถดไปทำาใหอนภาคเหลานนเคลอนทแบบแกวงกวดตอเนองกนไปสำาหรบคลนแมเหลกไฟฟาสามารถสงผานพลงงานออกไปไดโดยไมตองอาศยตวกลางคลนแมเหลกไฟฟาเกดขนไดอยางไรและแผออกจากแหลงกำาเนดอยางไรจะไดศกษาตอไปน

18.1 การเกดคลนแมเหลกไฟฟา

จากการศกษาเกยวกบสนามไฟฟาและสนามแมเหลก เราทราบแลววาประจไฟฟาทำาใหเกดสนามไฟฟาและกระแสไฟฟาทำาใหเกดสนามแมเหลกนอกจากนยงทราบอกวา เมอฟลกซแมเหลกเปลยนแปลงผานขดลวดตวนำาจะทำาใหเกดอเอมเอฟเหนยวนำาในขดลวดตวนำานน ในปพ.ศ.2407 เจมส คลารก แมกเวลล(James Clerk Maxwell)ไดรวบรวมแนวคดเกยวกบไฟฟาและแมเหลกโดยนำาเสนอในรปแบบของสมการคณตศาสตรวาสนามไฟฟาทเปลยนแปลงตามเวลาทำาใหเกดสนามแมเหลกและสนามแมเหลกทเปลยนแปลงตามเวลาทำาใหเกดสนามไฟฟาโดยสนามไฟฟาและสนามแมเหลกมทศทางตงฉากซงกนและกนแมกซเวลลไดทำานายวามคลนแมเหลกไฟฟา (electromagnetic waves)ทเกดจากการเหนยวนำาอยางตอเนองระหวางสนามไฟฟาและสนามแมเหลก โดยเคลอนทดวยอตราเรวประมาณ3 108 เมตรตอวนาทซงเทากบอตราเรวของแสงจงไดเสนอแนวคดวาแสงเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความถชวงหนงคำาทำานายนไดรบการยนยนวาเปนจรงโดยการทดลองของเฮรตซในปพ.ศ.2430



ความรเพมเตม

สนามไฟฟาทเปลยนแปลงตามเวลาทำาใหเกดสนามแมเหลกและสนามแมเหลกทเปลยนแปลงตามเวลาทำาใหเกดสนามไฟฟาสามารถเขยนภาพแสดงความสมพนธไดดงน


เฮรตซไดทดลองพสจนหาคลนแมเหลกไฟฟาตามคำาทำานายของแมกซเวลล โดยใช ขดลวด เหนยวนำา (induction coil) ประกอบดวยขดลวดสองขดพนรอบแกนเหลกขดลวดAเปนขดลวดปฐมภมขดลวดBเปนขดลวดทตยภมซงมจำานวนรอบมากกวาขดลวดAมากปลายของขดลวดทตยภมทงสองขางตอกบตวนำาทรงกลมaและa′ อยหางกนเปนชองแคบGสวนขดลวดปฐมภมตอกบสวตชSเปนสวตซแบบสนทำาหนาทปดเปดวงจรไฟฟาของขดลวดปฐมภมซงตอกบแบตเตอรมผลทำาใหเกดกระแสไฟฟาจากแบตเตอรผานขดลวดปฐมภมตามจงหวะการปดเปดของสวตซดงรป

รป การเปลยนแปลงสนามไฟฟาเหนยวนำาใหเกดสนามแมเหลก

รป การเปลยนแปลงสนามแมเหลกเหนยวนำาใหเกดสนามไฟฟา

ก. เมอสนามไฟฟาเพม

ก. เมอสนามแมเหลกเพม

ข. เมอสนามไฟฟาลด

ข. เมอสนามแมเหลกลด

E∆

B

E

E∆

B

E

B

E

B∆

B

E

B∆




เมอสวตชปดเปดวงจรไฟฟากระแสไฟฟาทผานขดลวดปฐมภมจะมการเปลยนแปลงเปนจงหวะตามไปดวยซงจะทำาใหเกดสนามแมเหลกทมการเปลยนแปลงภายในแกนเหลกของขดลวดเนองจากขดลวดBมจำานวนรอบมากกวาดงนนสนามแมเหลกทเปลยนแปลงนจะเหนยวนำาใหเกดอเอมเอฟทสงมากในชวงเวลาสนๆทขดลวดBสงผลใหตวนำาทรงกลมทงสองเกดสนามไฟฟาภายในชองแคบGทมคามากพอทจะทำาใหอากาศระหวางชองแคบแตกตว เกดเปนประกายไฟขน เพราะฉะนนทกครงทสวตชปดหรอเปดวงจรจะเหนประกายไฟทชองแคบน

เฮรตซใชแผนโลหะแบนpและp′ทำาหนาทเปนตวเกบประจตอเขากบตวนำาทรงกลมaและa′ตามลำาดบทำาหนาทสงคลนแมเหลกไฟฟาแลวใชเสนลวดตวนำางอเปนรปวงกลมตอกบตวนำาทรงกลมเลกๆ bและb′โดยเหลอชองแคบDไวแลวนำามาไวหางชองแคบGพอสมควรทำาหนาทรบคลนแมเหลกไฟฟาแสดงการสงและรบคลนแมเหลกไฟฟาดงรป

รป แผนภาพอปกรณการทดลองของเฮรตซ

รป การสงและรบคลนแมเหลกไฟฟาตามการทดลองของเฮรตซ

D

p

b′

b

p′

s

A B G a′

a

ขดลวดเหนยวนำ

แบตเตอร

ลวดตวนำวงกลม

s

A B G a′

a



D

p

b′

b

p′

s

A B G a′

a



ลวดตวนำวงกลม

s

A B G a′

a





รป 18.1 การแผคลนแมเหลกไฟฟาจากสายอากาศทอยในสญญากาศ

การสงและรบคลนแมเหลกไฟฟาจะสงเกตจากประกายไฟฟาทชองแคบGและชองแคบD ตามลำาดบเฮรตซยนยนวามคลนแมเหลกไฟฟาแผออกจากชองแคบGตามแนวคดของแมกซเวลลโดยอธบายการเกดประกายไฟฟาทชองแคบDดงน

ขณะทเกดอเอมเอฟเหนยวนำาสงชวงเวลาสนๆในขดลวดBความตางศกยซงมความถสงมากจะเกดระหวางแผนโลหะแบนทงสองทตอไวความถนขนอยกบจำานวนรอบของขดลวดBขนาดแผนโลหะแบนและระยะหางชองG ในการทดลองทวไปความถจะมคาประมาณ108 เฮรตซความตางศกยแปรเปลยนทเกดขนชวงเวลาหนงและมความถสง จะทำาใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงและประกายไฟทชองแคบG

การทสนามไฟฟาเปลยนแปลงและเกดประกายไฟทชองแคบGทำาใหเกดคลนแมเหลกไฟฟาแผออกจากชองแคบG เมอคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทผานลวดตวนำาวงกลมในรป โดยรศมของลวดตวนำาวงกลมและขนาดชองแคบDทเหมาะสมจะทำาใหเกดความตางศกยและสนามไฟฟาทเปลยนแปลงจงเกดประกายไฟทชองแคบDมความถของสนามไฟฟาทเปลยนแปลงเทากบทชองแคบG

ตวอยางการเกดคลนแมเหลกไฟฟาโดยพจารณาการเปลยนสนามไฟฟากบเวลาซงเกดจากแหลงกำาเนดไฟฟากระแสสลบความถสงมากพอทตอเขากบสายอากาศเชนทอนโลหะของสายอากาศทวางตวอยในแนวดงจะมอเลกตรอนในสายอากาศเคลอนทกลบไปมาดวยความเรงในแนวดงทำาใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงตามเวลาซงเหนยวนำาใหเกดสนามแมเหลกทเปลยนแปลงตามเวลาดวย เกดเปนคลนแมเหลกไฟฟาแผออกรอบสายอากาศทกทศทางในแนวรศมยกเวนในแนวดงซงเปนแนวเสนตรงเดยวกบสายอากาศดงรป18.1

+

-

E

B




จากรป18.1พจารณากรณสายอากาศอยในสญญากาศประกอบดวยทอนโลหะ2ทอนตอกบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสสลบ ททำาใหเกดความตางศกยระหวางทอนโลหะทงสองเปลยนแปลงกบเวลาในรปของฟงกชนแบบไซนในทนจะอธบายการเกดคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนแผออกไปในแนวเสนตรงทตงฉากกบสายอากาศไดดงน

เมอพจารณาตำาแหนงPใกลสายอากาศโดยเวลาทเรมพจารณาt = 0ความตางศกยระหวางทอนโลหะทงสองเปนศนยทอนโลหะจะมสภาพเปนกลางทางไฟฟาณขณะนสนามไฟฟาทจดPจะมคาเปนศนยดงรป18.2ก.

เมอเวลาผานไปตำาแหนงPจะมคาสนามไฟฟาเพมขนและมการเหนยวนำาตอเนอง ใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปทตำาแหนงอนๆ โดยขณะท(Tเปนคาบการเคลอนทครบ

รอบของประจไฟฟา)ความตางศกยระหวางทอนโลหะท งสองม คาส งสด โดยทอนโลหะลางมประจไฟฟาบวกมากทสด และทอนโลหะบนมประจไฟฟาลบมากทสดทำาใหตำาแหนงPเกดสนามไฟฟา มคามากทสดและมทศทางชขนซงขณะนการเหนยวนำาตอเนอง ทำาใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผไปถงจดQดวยอตราเรวแสงดงรป18.2ข.

เมอเวลาผานไปตำาแหนงPจะมคาสนามไฟฟาลดลงและมการเหนยวนำาตอเนองใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปโดยขณะท

ความตางศกยระหวางทอนโลหะทงสองเปนศนยทอนโลหะจะมสภาพเปนกลางทางไฟฟาอกณขณะนสนามไฟฟาทจดPจะลดลงเปนศนยการเหนยวนำาตอเนองทำาใหสนามไฟฟาทตำาแหนงQเพมขนสงสดดงรป 18.2ค.

E

ก. สนามไฟฟาทเวลา t = 0

ข. สนามไฟฟาทเวลา

ค. สนามไฟฟาทเวลา

�

y

P x

4λ

Q

y

P x

E

+

-

4λ

Q

4λ

y

P x

E



เมอเวลาผานไปสนามไฟฟาทตำาแหนงPจะกลบทศมขนาดเพมขนและมการเหนยวนำาตอเนองใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปโดยขณะ

ทความตางศกยระหวางทอนโลหะทงสองมคาสงสดแตครงนทอนโลหะบนมประจไฟฟาบวกมากทสดและทอนโลหะลางมประจไฟฟาลบมากทสดทำาใหสนามไฟฟาทจดPมคามากทสดแตมทศทาง ชลงโดยมการเหนยวนำาตอเนองใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปดงรป18.2ง.

ทำานองเดยวกนเมอเวลาt = TประจเคลอนทกลบไปครบรอบความตางศกยระหวางทอนโลหะทงสองเปลยนกลบมาเปนศนยทอนโลหะจะมสภาพเปนกลางทางไฟฟาอกครงทำาใหสนามไฟฟาทจดP เปนศนยการเหนยวนำาตอเนองใหเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปจากสายอากาศดงรป18.2จ.

สนามไฟฟาทเกดการเหนยวนำาอยางตอเนองจากสายอากาศทตอกบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสสลบเกดสนามไฟฟาทเปลยนแปลงและแผออกไปจาก สายอากาศ(คลายกบการแผของคลนในเสนเชอก)

ง. สนามไฟฟาทเวลา

จ. สนามไฟฟาทเวลา t = T

รป 18.2 แผนภาพการเกดสนามไฟฟา เนองจาก

ประจไฟฟาเคลอนทกลบไปมาในสาย

อากาศและเคลอนทจากสายอากาศดวย

ความเรวแสง

E

B สำาหรบสนามแมเหลก เกดจากการเหนยวนำาตอเนองพรอมกบการเกดของสนามไฟฟาทเปลยนแปลงพจารณาคลายกบสนามแมเหลกทเกดจากเสนลวดตรงทมกระแสไฟฟาผาน

4λ

Q

y

xP

E

+

-

Q

4λ

y

P x

E




Q

4λ

z

y

P x

E

B

Q

4λ

+

-y

Px

z

I

E

B

z

4λ

y

P x

ก. สนามแมเหลกทเวลา t = 0

หากพจารณาตำาแหนงใกลสายอากาศ (จดP) โดยเวลาทเรมพจารณา t = 0ความตางศกยระหวางแทงโลหะท งสองเปนศนย กระแสไฟฟาทผ านสายอากาศจะเปนศนยณขณะนสนามแมเหลกทจดP จะมคาเปนศนยเชนเดยวกบสนามแมไฟฟาดงรป18.3ก. เมอเวลาผานไปตำาแหนงP มการเหนยวนำาอยางตอเนองใหเกดสนามแมเหลกทเปลยนแปลงคา

และจะมคาเพมขนแผออกไปโดยขณะท

ความตางศกยระหวางแทงโลหะทงสองมคาสงสดโดยทอนลางมประจบวกมากทสดเสมอนมกระแสไฟฟาในสายอากาศในทศทางลงมคามากทสดดวย

ทศทางของสนามแมเหลกจากสายอากาศหาไดโดยใชมอขวานวหวแมมอขวาชตามทศทางของกระแสไฟฟาทผานสายอากาศทศทางการวนของนวทงสจะแสดงทศทางของสนามแมเหลก ดงนนทศทางของสนามแมเหลกทเปลยนแปลงบนแกนxทตำาแหนงP จะมทศทางชออกไปทาง+zและมคามากทสดซงขณะนการเหนยวนำาตอเนองทำาใหเกดสนามแมเหลกทเปลยนแปลงแผไปถงจดQดวยอตราเรวแสงcพรอมๆ กบสนามไฟฟาดงรป18.3ข.

เมอเวลาผานไป ตำาแหนงP จะมคาสนามแมเหลกลดลงและการเหนยวนำาอยางตอเนอง เกด

สนามแมเหลกทเปลยนแปลงแผออกไปโดยขณะท

ความตางศกยระหวางแทงโลหะทงสองเปนศนย

ดงนนสนามแมเหลกทจดPจะลดลงเปนศนยขณะเดยวกนการเหนยวนำาสนามแมเหลกทเปลยนแปลงจะแผออกไปโดยการเหนยวนำาตอเนองทำาใหสนามแมเหลกและสนามไฟฟาทตำาแหนงQ เพมขนสงสดพรอมกนดงรป18.3ค.

ข. สนามแมเหลกทเวลา

ค. สนามแมเหลกทเวลา



Q

4λ

z

y

Px

E

B

E

B

4λ

I

z

Q

y

xP

+

-

รป 18.3 แผนภาพการเกดสนามแมเหลก

การตอสายอากาศกบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสสลบขางตนทำาใหเกดการเหนยวนำาตอเนองระหวางสนามแมเหลกและสนามไฟฟาเกดเปนคลนแมเหลกไฟฟาแผออกจากสายอากาศการเปลยนแปลงสนามทงสองมเฟสตรงกนกลาวคอมคาเปนศนยพรอมกนและมคาสงสดพรอมกน โดยทศทางสนามทงสองตงฉากกนดงรป18.4ก.ทศทางความเรวในการเคลอนทของคลนแมเหลกไฟฟาหาไดโดยใชมอขวาชนวทงสไปตามทศทางของสนามไฟฟาจากนนวนนวทงสไปหาทศทางของสนามแมเหลกนวหวแมมอจะชทศทางของความเรวดงรป18.4ข.

เมอเวลาผานไปสนามแมเหลกทตำาแหนงPจะกลบทศมขนาดเพมขนและการเหนยวนำาอยางตอเนองเกดสนามแมเหลกทเปลยนแปลงแผออกไปโดยขณะท

ความตางศกยระหวางแทงโลหะทงสองมคา

สงสดเสมอนมกระแสไฟฟาในทศทางชขนมคาสงสดอกครง สนามแมเหลกทจดP จงมคามากทสดและมทศทางชเขาไปทาง-zโดยการเหนยวนำาอยางตอเนองเกดสนามแมเหลกพรอมทงสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปจากสายอากาศดงรป18.3ง.

เมอเวลาt = Tประจเคลอนทกลบไปครบรอบความตางศกยระหวางแทงโลหะทงสองเปนศนยทอนโลหะจะมสภาพเปนกลางทางไฟฟาอกครง ทำาใหสนามแมเหลกทจดP เปนศนยอกการเหนยวนำาตอเนองเกดสนามแม เหลกพรอมท งสนามไฟฟาทเปลยนแปลงแผออกไปจากสายอากาศดงรป18.3จ.

จ. สนามแมเหลกทเวลา t = T

ง. สนามแมเหลกทเวลา

c




จากรปจะเหนวาทศทางของสนามทงสองตงฉากกบทศทางของความเรวในการเคลอนทของคลนแมเหลกไฟฟาดวยคลนแมเหลกไฟฟาจงเปนคลนตามขวาง


เจมส คลารก แมกซเวลล (James Clerk Maxwell ค.ศ.1831 - 1879หรอพ.ศ.2374 - 2422)เปนนกฟสกสทอธบายการมอยของคลนแมเหลกไฟฟาเปนคนแรกไดรวบรวมสมการเกยวกบสนามไฟฟาและสนามแมเหลกแลวนำาเสนอสมการคลนแมเหลกไฟฟาแสดงใหเหนวาคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทดวยอตราเรวแสงนำาไปสขอสรปวาแสงเปนคลนแมเหลกไฟฟา

ไฮนรช เฮรตซ (Heinrich Hertzค.ศ.1857 - 1894 หรอพ.ศ.2400 - 2437) เปนนกฟสกสคนแรกทสาธตการทำาใหเกดและการตรวจจบคลนแมเหลกไฟฟาไดในหองทดลองโดยคลนแมเหลกไฟฟาทสรางขนในหองทดลองของเขานนเปนคลนวทย

รป 18.4 การแผของคลนแมเหลกไฟฟา

ก. ทศทางของ และ ตงฉากซงกนและกน ข. การหาทศทางความเรวในการเคลอนท

ของคลนแมเหลกไฟฟา

cBE

y

xz

E

B

c

E

B

c

รป แมกเวลล

รป เฮรตซ



คำาถามตรวจสอบความเขาใจ 18.1

1. ขณะทมกระแสไฟฟาผานสายไฟฟาทตอระหวางแบตเตอรกบหลอดไฟฟาจะเกดคลนแมเหลกไฟฟา แผออกมาจากสายไฟฟานนหรอไมเพราะเหตใด 2. ชายคนหนงอยทเสนศนยสตรของโลกทำาใหเกดคลนแมเหลกไฟฟาแผขนานกบพนไปทาง ทศเหนอและตรวจพบวาคลนแมเหลกไฟฟาทแผออกไปนนมการเปลยนแปลงสนามไฟฟาอย ในแนวทศตะวนออก–ทศตะวนตกการเปลยนแปลงสนามแมเหลกจะอยในแนวใด 3. จงระบความแตกตางระหวางคลนกลและคลนแมเหลกไฟฟา

18.2 สเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา

คลนแมเหลกไฟฟามหลายชนดขนอยกบชวงความถโดยแตละชนดถกเรยกชอแตกตางกนเชนแสงคลนวทยไมโครเวฟรงสเอกซและรงสแกมมาคลนแมเหลกไฟฟาทกชนดสามารถแผออกไปไดในสญญากาศดวยอตราเรวประมาณ3 108 เมตรตอวนาทหากคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทผานบรเวณทมตวกลางอยจะมอตราเรวลดลงขนกบตวกลางและชนดของคลนแมเหลกไฟฟา

อตราเรวของคลนแมเหลกไฟฟาในตวกลาง(v)กบความถ(f )และความยาวคลน()มความสมพนธกนเชนเดยวกบคลนกลทตอเนองตามสมการ

เมอคลนแมเหลกไฟฟาเคลอนทในตวกลางอนๆ อตราเรวและความยาวคลนจะมคาเปลยนแปลงไปแตความถของคลนแมเหลกไฟฟาจะไมเปลยนแปลง

* General Conference on Weights And Measures, 1983 Oct 21.

�


อตราเรวของแสงในสญญากาศเปนคาคงตวเทากบ299 792 458เมตรตอวนาท*ซงถกใชในการนยามระยะทางมาตรฐาน1เมตรโดยระยะทางมาตรฐาน1เมตรมคาเทากบระยะทแสง

เดนทางในสญญากาศในเวลาวนาท




ในปจจบนไดมการศกษาจนทราบวาคลนแมเหลกไฟฟามความถตางๆสมพนธกบพลงงานโดยคลนแมเหลกไฟฟาทมความถสงจะมพลงงานสงและเปนความถตอเนองกนเปนชวงกวางเรยกรวมกนวาสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา (electromagnetic spectrum)ดงรป18.5

คลนแมเหลกไฟฟาแตละชนดทมชอเรยกตางๆ กนเนองจากแหลงกำาเนดและการนำาไปใชงานเมอพจารณาสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟาจะเหนวาคลนแมเหลกไฟฟาบางชนดมความถบางชวงคาบเกยวกนเชนไมโครเวฟกบอนฟราเรดรงสอลตราไวโอเลตกบรงสเอกซหมายความวารงสชวงนถาเกดจากแหลงกำาเนดตางกนเรยกชอตางกนแตมความยาวคลนและความถเทากน

คลนแมเหลกไฟฟาทมความถหรอความยาวคลนตางกนทงคลนแมเหลกไฟฟาในธรรมชาตและคลนแมเหลกไฟฟาทมนษยสรางขนจะถกนำาไปประยกตใชแตกตางกนซงจะไดศกษาตอไป

18.2.1 คลนวทย

คลนวทย (radio waves)เปนคลนทมความถนอยกวา109เฮรตซและความยาวคลนอยในระดบเซนตเมตรจนถงกโลเมตรคลนวทยสามารถนำาไปประยกตใชประโยชนไดหลากหลาย โดยความยาวคลนของคลนวทยทแตกตางกนกจะมการนำาไปใชประโยชนทแตกตางกนดวย

คลนวทยนยมนำามาประยกตใชในการสงสารสนเทศจากตำาแหนงหนง(ผสง)ไปยงอกตำาแหนงหนง(ผรบ)โดยไมตองมสายสงระหวางสองตำาแหนงนนในชวตประจำาวนสถานวทยจะสงสารสนเทศจากสถานสงไปยงผรบโดยการผสมสญญาณไฟฟาทแปลงจากเสยงหรอภาพกบสญญาณคลนวทยซงสามารถผสมสญญาณได2แบบคอแบบเอเอมและแบบเอฟเอมแลวสงสญญาณคลนผสมเปนคลนแมเหลกไฟฟาจากสถานสงไปยงผรบรายละเอยดจะกลาวถงในหวขอ18.5การสอสารโดยอาศยคลนแมเหลกไฟฟา

คลนวทย รงสแกมมา

ไมโครเวฟ

เอเอม เอฟเอม เรดาร

รงสเอกซ

รงสใตแดง รงสเหนอมวง

แสง

ความยาวคลน (m)

ความถ(Hz)

410 310 210 110 010 -110 -210 -310 -410 -510 -610 -710 -810 -910 -1110 -1210 -1310 -1410 -1510 -1010

810 910 1010 1110 1210 1310 1410 1510 1610 1710 1810 1910 2010 2110 2210 2310 710 610

รป 18.5 สเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟา*

*การแบงชวงความถของสเปกตรมคลนแมเหลกไฟฟาอาจแตกตางกนตามแหลงทมาของขอมล



18.2.2 ไมโครเวฟ ไมโครเวฟ (microwaves)เปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความถอยในชวง109ถง1011เฮรตซและความยาวคลนอยในระดบมลลเมตรจนถงเซนตเมตรมสมบตทะลผานชนบรรยากาศไดดกวาคลนวทยมการนำาไมโครเวฟมาใชประโยชนหลายอยางเชน •การทำาใหอาหารรอนดวยเตาไมโครเวฟกลาวคอไมโครเวฟทำาใหอาหารรอนขนได เนองจากทำาใหโมเลกลของนำาสนจนเกดความรอนเตาไมโครเวฟจะใชคลนแมเหลกไฟฟา ทมความถประมาณ2.45 จกะเฮรตซ •การสงสญญาณเสยงและภาพโดยการสงสญญาณดงกลาวเปนการผสมสญญาณแบบ เอฟเอมและไมโครเวฟยงใชในการสงสญญาณระยะไกลโดยการสงสญญาณจากเครองสง ไปยงดาวเทยมจากนนดาวเทยมจะสงสญญาณตอไปยงเครองรบทอยไกลออกไป • เรดาร(RADAR หรอradio detection and ranging)เปนระบบทนำาไปใชระบ ตำาแหนงและอตราเรวของวตถเชนพายเครองบนหรอการตรวจจบความเรวรถบน ทองถนนโดยตำารวจจราจร นอกจากนไมโครเวฟยงนำาไปประยกตใชในการระบตำาแหนงบนพนโลก โดยรายละเอยดจะกลาวถงในหวขอ18.4การประยกตใชคลนแมเหลกไฟฟา

18.2.3 รงสใตแดงหรอรงสอนฟราเรด รงสใตแดงหรอรงสอนฟราเรด (infrared) เปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความถอยในชวง1011 ถง1014เฮรตซหรอความยาวคลนในระดบไมโครเมตรจนถงระดบมลลเมตรรงสอนฟราเรดมสมบตผานชนบรรยากาศไดดและยงสามารถผานเมฆหมอกทหนาทบเกนกวาทแสงธรรมดาจะผานไดประสาทสมผสทางผวหนงของมนษยสามารถรบรรงสอนฟราเรดทมความยาวคลนบางชวงไดโดยปกตวตถตางๆจะแผรงสอนฟราเรดตลอดเวลาจงมการพฒนากลองทอาศยรงสอนฟราเรดในการถายภาพซงภาพทถายไดจากกลองนจะแสดงอณหภมของวตถไดดงรป18.6

รป 18.6 ตวอยางภาพถายโดยใชรงสอนฟราเรด




นอกจากนรงสอนฟราเรดยงถกนำามาใชในการถายภาพพนโลกจากดาวเทยมสำารวจทรพยากรธรรมชาต เพอศกษาการแปรสภาพของปาไมหรอการอพยพเคลอนยายของฝงสตว เนองจากรงสอนฟาเรดสามารถทะลผานเมฆหมอกไดดกวาแสง

อปกรณบางชนดในชวตประจำาวนมการนำารงสอนฟาเรดมาประยกตใชงานในระบบควบคมการทำางานของอปกรณทเรยกวารโมทคอนโทรลเลอร (remote controller)หรอรโมทเชนรโมทโทรทศนรโมทเครองปรบอากาศ โดยรายละเอยดหลกการประยกตจะกลาวถงในหวขอ18.4การประยกตใชคลนแมเหลกไฟฟา

รหรอไม

รงสอนฟราเรดสามารถแบงตามความยาวคล นโดยเทยบกบความยาวคล นของแสงทตามองเหนไดเปน3ชนดดงน 1. รงสอนฟราเรดใกล (near infrared)มความยาวคลนในชวง0.7ถง1.5ไมโครเมตร เปนรงสอนฟราเรดชวงทมพลงงานสงทสดจงถกนำาไปใชในอตสาหกรรมทตองการ ความรอนสงเชนการอบสการอบแหงผลตภณฑ 2. รงสอนฟราเรดปานกลาง (medium infrared)มความยาวคล นในชวง1.5ถง 4.0ไมโครเมตรซงถกนำาไปใชในการสอสารดวยเสนใยนำาแสง 3. รงสอนฟราเรดไกล (far infrared)มความยาวคลนในชวง4.0ถง1000ไมโครเมตร เปนรงสอนฟราเรดชวงทมพลงงานตำาทสดซงรงสในชวงความยาวคลนนถกนำาไปใชการ สรางอปกรณใหความรอนเชนตอบซาวนาระบบอนฟราเรด



Documents

ตัวอักษรกรีกphysics.ipst.ac.th/wp-content/uploads/sites/2/2020/04/... · 2020. 4. 15. · บทที่ เนื้อหา หน้า บทที่