คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า: ทฤษฎีประเภทลักษณะของแมกซ์เวลล์ - กายภาพ - 2026

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวางที่ตรงกับสาขาที่เกิดจากการเร่งค่าใช้จ่ายไฟฟ้า ศตวรรษที่สิบเก้าเป็นศตวรรษแห่งความก้าวหน้าอย่างมากในด้านไฟฟ้าและแม่เหล็ก แต่จนถึงครึ่งแรกนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบถึงความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ทั้งสองโดยเชื่อว่าทั้งสองเป็นอิสระจากกัน

James Clerk Maxwell นักฟิสิกส์ชาวสก็อต (ค.ศ. 1831-1879) ซึ่งพิสูจน์ให้โลกเห็นว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นเหรียญสองด้านของเหรียญเดียวกัน ปรากฏการณ์ทั้งสองมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด

พายุฟ้าคะนอง ที่มา: Pixabay

ทฤษฎี Maxwell

แมกซ์เวลล์ได้รวมทฤษฎีไฟฟ้าและแม่เหล็กไว้ในสมการที่สวยงามและกระชับ 4 สมการซึ่งการคาดการณ์ได้รับการยืนยันในไม่ช้า:

Maxwell มีหลักฐานอะไรในการพัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของเขา?

เป็นความจริงที่ว่ากระแสไฟฟ้า (ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่) ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กและในทางกลับกันสนามแม่เหล็กที่แปรผันจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรนำไฟฟ้าซึ่งจะหมายความว่าสนามแม่เหล็กแปรผันทำให้เกิดสนามไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ย้อนกลับเป็นไปได้หรือไม่? สนามไฟฟ้าแปรผันจะสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้หรือไม่?

Maxwell ศิษย์ของ Michael Faraday เชื่อมั่นในการดำรงอยู่ของสมมาตรในธรรมชาติ ทั้งปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กต้องปฏิบัติตามหลักการเหล่านี้ด้วย

จากข้อมูลของนักวิจัยคนนี้ระบุว่าสนามที่สั่นจะทำให้เกิดการรบกวนในลักษณะเดียวกับที่ก้อนหินที่โยนลงไปในบ่อสร้างคลื่น การรบกวนเหล่านี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าการสั่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กซึ่ง Maxwell เรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างแม่นยำ

การคาดการณ์ของ Maxwell

สมการของแมกซ์เวลล์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเร็วในการแพร่กระจายเท่ากับความเร็วแสง การทำนายได้รับการยืนยันไม่นานหลังจากนั้นโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Heinrich Hertz (1857 - 1894) ซึ่งสามารถสร้างคลื่นเหล่านี้ในห้องปฏิบัติการของเขาโดยใช้วงจร LC เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นไม่นานหลังจากการเสียชีวิตของ Maxwell

เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีเฮิรตซ์ต้องสร้างอุปกรณ์ตรวจจับที่ช่วยให้เขาสามารถค้นหาความยาวคลื่นและความถี่ซึ่งข้อมูลที่เขาสามารถคำนวณความเร็วของคลื่นวิทยุแม่เหล็กไฟฟ้าได้โดยตรงกับความเร็วของแสง .

งานของ Maxwell ได้รับความสงสัยจากชุมชนวิทยาศาสตร์ในเวลานั้น บางทีอาจเป็นเพราะ Maxwell เป็นนักคณิตศาสตร์ที่เก่งกาจและได้นำเสนอทฤษฎีของเขาพร้อมกับรูปแบบของคดีทั้งหมดซึ่งหลายคนไม่เข้าใจ

อย่างไรก็ตามการทดลองของเฮิรตซ์นั้นยอดเยี่ยมและน่าสนใจ ผลลัพธ์ของพวกเขาได้รับการตอบรับเป็นอย่างดีและข้อสงสัยเกี่ยวกับความจริงของการคาดการณ์ของ Maxwell ก็ถูกหักล้าง

การกำจัดปัจจุบัน

กระแสของการกระจัดคือการสร้าง Maxwell ซึ่งเกิดจากการวิเคราะห์อย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับกฎของแอมแปร์ซึ่งระบุว่า:

แบตเตอรี่ชาร์จตัวเก็บประจุ พื้นผิว S (เส้นทึบ) และ S 'และรูปทรง C แสดงเพื่อใช้กฎของแอมแปร์ ที่มา: แก้ไขจาก Pixabay

ดังนั้นคำศัพท์ทางขวาในกฎของแอมแปร์ที่เกี่ยวข้องกับกระแสจึงไม่เป็นโมฆะและไม่มีสมาชิกทางซ้าย ข้อสรุปทันที: มีสนามแม่เหล็ก

มีสนามแม่เหล็กที่ S 'หรือไม่?

อย่างไรก็ตามไม่มีกระแสไฟฟ้าที่ข้ามหรือข้ามพื้นผิวโค้ง S 'ซึ่งมีรูปร่าง C เหมือนกันเนื่องจากพื้นผิวนี้ครอบคลุมส่วนหนึ่งของสิ่งที่อยู่ในช่องว่างระหว่างแผ่นคอนเดนเซอร์ซึ่งเราสามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นอากาศหรือสารอื่น ที่ไม่นำไฟฟ้า.

ในภูมิภาคนั้นไม่มีวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ควรจำไว้ว่าสำหรับกระแสที่จะไหลต้องปิดวงจร เนื่องจากกระแสเป็นศูนย์อินทิกรัลทางซ้ายในกฎของแอมแปร์จึงเป็น 0 ไม่มีสนามแม่เหล็กแล้วมีไหม?

มีความขัดแย้งแน่นอน S 'ยังถูก จำกัด ด้วยเส้นโค้ง C และการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กจะต้องไม่ขึ้นอยู่กับพื้นผิวที่ C จำกัด

แมกซ์เวลได้รับการแก้ไขความขัดแย้ง โดย การแนะนำแนวคิดของการเคลื่อนที่ในปัจจุบันผมD

การกำจัดปัจจุบัน

ในขณะที่ตัวเก็บประจุกำลังชาร์จจะมีสนามไฟฟ้าแปรผันอยู่ระหว่างแผ่นเปลือกโลกและกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตัวนำ เมื่อตัวเก็บประจุประจุกระแสไฟฟ้าในตัวนำจะหยุดลงและสนามไฟฟ้าคงที่ระหว่างแผ่น

จากนั้น Maxwell ก็อนุมานได้ว่าเกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้าแปรผันต้องมีกระแสที่เขาเรียกว่ากระแสดิสเพลสเมนต์ i _Dกระแสที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุ สำหรับพื้นผิว S 'ถูกต้อง:

กระแสไฟฟ้าไม่ใช่เวกเตอร์แม้ว่าจะมีขนาดและความหมาย เหมาะสมกว่าที่จะเชื่อมโยงเขตข้อมูลกับปริมาณที่เป็นเวกเตอร์: ความหนาแน่นกระแสJซึ่งขนาดเป็นผลหารระหว่างกระแสและพื้นที่ที่ผ่าน หน่วยของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าในระบบนานาชาติแอมแปร์ / m 2

ในแง่ของเวกเตอร์นี้ความหนาแน่นกระแสการกระจัดคือ:

ด้วยวิธีนี้เมื่อกฎของแอมแปร์ถูกนำไปใช้กับรูปร่าง C และใช้พื้นผิว S i _Cคือกระแสที่ไหลผ่าน ในทางกลับกัน i _Cไม่ผ่าน S 'แต่ i _Dทำ

การออกกำลังกายได้รับการแก้ไข

ความเร็วในสื่อที่กำหนด

ในสื่อที่กำหนดเป็นไปได้ที่จะแสดงให้เห็นว่าความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกกำหนดโดยนิพจน์:

ซึ่งεและμเป็นค่าการอนุญาตและการซึมผ่านของตัวกลางที่เป็นปัญหา

จำนวนการเคลื่อนไหว

รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงาน U มีโมเมนตัมที่เกี่ยวข้องซึ่งมีขนาดคือ p = U / c

ประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นและความถี่ที่หลากหลายมาก พวกมันถูกจัดกลุ่มตามสิ่งที่เรียกว่าสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งแบ่งออกเป็นภูมิภาคซึ่งมีชื่อด้านล่างโดยเริ่มจากความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด:

คลื่นวิทยุ

ตั้งอยู่ที่ความยาวคลื่นสูงสุดและความถี่ต่ำสุดซึ่งมีตั้งแต่ไม่กี่เฮิรตซ์ถึงหนึ่งพันล้านเฮิรตซ์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการส่งสัญญาณที่มีข้อมูลหลายชนิดและถูกจับโดยเสาอากาศ โทรทัศน์วิทยุโทรศัพท์มือถือดาวเคราะห์ดวงดาวและวัตถุท้องฟ้าอื่น ๆ แพร่ภาพและสามารถจับภาพได้

เตาอบไมโครเวฟ

ตั้งอยู่ในย่านความถี่สูงพิเศษ (UHF), สูงมาก (SHF) และสูงมาก (EHF) มีช่วงระหว่าง 1 GHz ถึง 300 GHz ซึ่งแตกต่างจากรุ่นก่อนหน้านี้ที่สามารถวัดได้ไกลถึง 1.6 กิโลเมตรไมโครเวฟ มีตั้งแต่ไม่กี่เซนติเมตรถึง 33 ซม.

เมื่อระบุตำแหน่งในสเปกตรัมระหว่าง 100,000 ถึง 400,000 นาโนเมตรจึงใช้ในการส่งข้อมูลเกี่ยวกับความถี่ที่ไม่ถูกรบกวนด้วยคลื่นวิทยุ ด้วยเหตุนี้จึงถูกนำไปใช้ในเทคโนโลยีเรดาร์โทรศัพท์มือถือเตาอบในครัวและโซลูชันคอมพิวเตอร์

การสั่นของมันเป็นผลมาจากอุปกรณ์ที่เรียกว่าแมกนีตรอนซึ่งเป็นโพรงเรโซแนนซ์ชนิดหนึ่งที่มีแม่เหล็กดิสก์ 2 อันที่ปลาย สนามแม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนจากแคโทด

รังสีอินฟราเรด

คลื่นความร้อนเหล่านี้ถูกปล่อยออกมาจากเนื้อความร้อนเลเซอร์บางประเภทและไดโอดเปล่งแสง แม้ว่าคลื่นวิทยุและไมโครเวฟจะทับซ้อนกัน แต่ช่วงของคลื่นจะอยู่ระหว่าง 0.7 ถึง 100 ไมโครเมตร

สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่มักก่อให้เกิดความร้อนที่สามารถตรวจจับได้ด้วยแว่นตากลางคืนและผิวหนัง มักใช้สำหรับรีโมทคอนโทรลและระบบสื่อสารพิเศษ

แสงที่มองเห็น

ในส่วนอ้างอิงของสเปกตรัมเราพบแสงที่รับรู้ได้ซึ่งมีความยาวคลื่นระหว่าง 0.4 ถึง 0.8 ไมโครเมตร สิ่งที่เราแยกความแตกต่างคือสีของรุ้งซึ่งความถี่ต่ำสุดมีลักษณะเป็นสีแดงและสีม่วงสูงสุด

ค่าความยาววัดเป็นนาโนเมตรและอังสตรอมซึ่งแสดงถึงส่วนเล็ก ๆ ของสเปกตรัมทั้งหมดและช่วงนี้รวมถึงปริมาณรังสีที่มากที่สุดที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์และดวงดาว นอกจากนี้ยังเป็นผลคูณของการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนในการส่งผ่านพลังงาน

การรับรู้สิ่งต่าง ๆ ของเราขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีที่มองเห็นได้ซึ่งตกกระทบกับวัตถุและจากนั้นที่ดวงตา จากนั้นสมองจะตีความความถี่ที่ก่อให้เกิดสีและรายละเอียดที่มีอยู่ในสิ่งต่างๆ

รังสีอัลตราไวโอเลต

ระลอกคลื่นเหล่านี้อยู่ในช่วง 4 และ 400 นาโนเมตรสร้างขึ้นโดยดวงอาทิตย์และกระบวนการอื่น ๆ ที่ปล่อยความร้อนจำนวนมาก การได้รับคลื่นสั้นเหล่านี้เป็นเวลานานอาจทำให้เกิดแผลไหม้และมะเร็งบางชนิดในสิ่งมีชีวิต

เนื่องจากเป็นผลจากการกระโดดของอิเล็กตรอนในโมเลกุลและอะตอมที่ถูกกระตุ้นพลังงานของพวกมันจึงเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีและใช้ในทางการแพทย์เพื่อฆ่าเชื้อ พวกมันมีหน้าที่รับผิดชอบต่อบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์เนื่องจากชั้นโอโซนป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายต่อโลก

รังสีเอกซ์

การกำหนดนี้เกิดจากการที่พวกมันเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองไม่เห็นซึ่งสามารถผ่านวัตถุทึบแสงและสร้างภาพพิมพ์ได้ อยู่ระหว่าง 10 ถึง 0.01 นาโนเมตร (30 ถึง 30,000 PHz) เป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนกระโดดจากวงโคจรในอะตอมที่มีน้ำหนักมาก

รังสีเหล่านี้สามารถเปล่งออกมาได้จากโคโรนาพัลซาร์ซูเปอร์โนวาและหลุมดำของดวงอาทิตย์เนื่องจากพลังงานจำนวนมาก การได้รับสารเหล่านี้เป็นเวลานานทำให้เกิดมะเร็งและถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์เพื่อให้ได้ภาพของโครงสร้างกระดูก

รังสีแกมมา

ตั้งอยู่ทางด้านซ้ายสุดของสเปกตรัมเป็นคลื่นที่มีความถี่สูงสุดและมักเกิดในหลุมดำซูเปอร์โนวาพัลซาร์และดาวนิวตรอน นอกจากนี้ยังอาจเป็นผลมาจากฟิชชันการระเบิดของนิวเคลียร์และฟ้าผ่า

เนื่องจากพวกมันถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการทำให้เสถียรในนิวเคลียสของอะตอมหลังจากการปล่อยกัมมันตภาพรังสีจึงเป็นอันตรายถึงชีวิต ความยาวคลื่นของพวกมันเป็น subatomic ทำให้สามารถผ่านอะตอมได้ พวกมันยังคงถูกดูดซับโดยชั้นบรรยากาศของโลก

การประยุกต์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกัน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติในการสะท้อนและการสะท้อนเช่นเดียวกับคลื่นกล นอกจากนี้ยังสามารถนำข้อมูลไปด้วย

ด้วยเหตุนี้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทต่างๆจึงถูกนำไปใช้กับงานต่างๆจำนวนมาก ที่นี่เราจะเห็นบางส่วนที่พบบ่อยที่สุด

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าและการใช้งานบางอย่าง ที่มา: Tatoute and Phrood

คลื่นวิทยุ

หลังจากถูกค้นพบไม่นาน Guglielmo Marconi ก็พิสูจน์ให้เห็นว่าพวกเขาสามารถเป็นเครื่องมือสื่อสารที่ยอดเยี่ยมได้ นับตั้งแต่เฮิร์ตซ์ค้นพบการสื่อสารไร้สายด้วยความถี่วิทยุเช่นวิทยุ AM และ FM โทรทัศน์โทรศัพท์มือถือและอื่น ๆ อีกมากมายได้แพร่หลายไปทั่วโลกมากขึ้นเรื่อย ๆ

เตาอบไมโครเวฟ

สามารถใช้ในการอุ่นอาหารได้เนื่องจากน้ำเป็นโมเลกุลไดโพลที่สามารถตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่แกว่งได้ อาหารประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำซึ่งเมื่อสัมผัสกับช่องเหล่านี้จะเริ่มสั่นและชนกัน ผลที่เกิดขึ้นคือความร้อน

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคมเนื่องจากความสามารถในการเดินทางในชั้นบรรยากาศโดยมีสัญญาณรบกวนน้อยกว่าคลื่นอื่นที่มีความยาวคลื่นมากกว่า

คลื่นอินฟราเรด

การใช้อินฟราเรดที่มีลักษณะเฉพาะมากที่สุดคืออุปกรณ์มองเห็นกลางคืน นอกจากนี้ยังใช้ในการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์และในเทคนิคสเปกโทรสโกปีสำหรับการศึกษาดวงดาวเมฆก๊าซระหว่างดวงดาวและดาวเคราะห์นอกระบบ

นอกจากนี้ยังสามารถสร้างแผนที่อุณหภูมิของร่างกายซึ่งใช้ในการระบุเนื้องอกบางประเภทที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเนื้อเยื่อรอบข้าง

แสงที่มองเห็น

แสงที่มองเห็นเป็นส่วนใหญ่ของสเปกตรัมที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมาซึ่งเรตินาตอบสนอง

รังสีอัลตราไวโอเลต

รังสีอัลตราไวโอเลตมีพลังงานเพียงพอที่จะทำปฏิกิริยากับสสารอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นการได้รับรังสีนี้อย่างต่อเนื่องจึงทำให้เกิดริ้วรอยก่อนวัยและเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดมะเร็งผิวหนัง

รังสีเอกซ์และรังสีแกมมา

รังสีเอกซ์และรังสีแกมมามีพลังงานมากกว่าดังนั้นจึงสามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่ออ่อนได้ดังนั้นเกือบตั้งแต่ช่วงเวลาที่ค้นพบจึงถูกนำมาใช้เพื่อวินิจฉัยกระดูกหักและตรวจสอบภายในร่างกายเพื่อค้นหาโรค .

รังสีเอกซ์และรังสีแกมมาไม่เพียง แต่ใช้เป็นเครื่องมือในการวินิจฉัยเท่านั้น แต่ยังเป็นเครื่องมือในการรักษาเพื่อทำลายเนื้องอกด้วย

อ้างอิง

1. Giancoli, D. (2549). ฟิสิกส์: หลักการกับการประยุกต์ใช้ รุ่นที่หก ศิษย์ฮอลล์. 628-637
2. เร็กซ์, A. (2011). พื้นฐานของฟิสิกส์ เพียร์สัน 503-512
3. เซียร์, F. (2015). ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่ ฉบับที่ 14 เพียร์สัน 1053-1057