การค้นพบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field)

physics01 วันจันทร์, 02 พฤศจิกายน 2558 09:39

การค้นพบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

กระแส ไฟฟ้าทีไหลผ่านเส้นลวดจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆเส้นลวด ลักษณะของสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับรูปร่างของเส้นลวดและกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน สนามแม่เหล็กทีเกิดขึ้นนี้เรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งใช้สร้างแม่เหล็กที่มีกำลังสูง และใช้สาหรับทำให้เกิดการเคลื่อนที โดยกระแสไฟฟ้าแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnets) หมายถึง อำนาจแม่เหล็กที่เกิดจากการที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านในวัตถุตัวนำ หมายความว่าถ้าปล่อยให้กระแสไฟฟ้าไหลในวัตถุตัวนำจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก รอบ ๆ ตัวนำนั้น

เมี่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดตัวนำ จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นรอบๆเส้นลวดตัวนำนั้น แต่อำนาจแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีเพียงจำนวนเล็กน้อย ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ การจะเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก ทำได้โดยการนำเส้นลวดตัวนำมาพันเป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดในแต่ละส่วนของเส้นลวดตัวนำจะเสริมอำนาจกัน ทำให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น

การค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้า

ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted)
https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_%C3%98rsted

ปี ค.ส 1820 ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted) ศาสตราจารย์ทางปรัชญาธรรมชาติในกรุงโคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กในตอนท้ายของชั่วโมงการบรรยายวิชา ไฟฟ้าและแม่เหล็ก เขาวางเข็มทิศไว้ใกล้เส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่าเข็มทิศชี้ไปทิศทางใหม่ เมื่อเข็มทิศเข้าไปใกล้เส้นลวด จะมีทอร์กกระทำต่อเข็มทิศมากขึ้น เขาพบว่าสนามแม่เหล็กมาจากเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลนั่นเอง ดังนั้นเขาจึงเริ่มหาเส้นแรงแม่เหล็ก พบว่าเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเป็นวงกลมรอบเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหล

เครื่องมือการทดลองที่เออร์สเตด ใช้อธิบายการค้นพบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

เออร์สเตดค้นพบว่ากระแสที่ไหลในขดลวดมีแรงกระทำต่อแม่เหล็ก
หรืออธิบายใหม่ได้ว่าประจุที่เคลื่อนที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก


ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของเฮิรตซ


https://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell

แมกซ์เวลล์ James  Clerk Maxwell (พ.ศ. 2374 - 2422) นัก ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผลงานที่ทำให้เขามีชื่อเสียงมากที่สุดคือทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและนอกจาก นี้ เขายังเป็นผู้นำวิทยาการด้านกลศาสตร์สถิติมาอธิบายการแจกแจงอัตราเร็วของ โมเลกุลของแก๊ส ซึ่งมีความสำคัญในการพัฒนาทฤษฏีจลน์ของแก๊ส

แมกซ์เวลล์ได้รวบรวมกฎต่างๆที่เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า มาสรุปเป็นทฤษฎีโดยนำเสนอในรูปของสมการคณิตศาสตร์ ซึ่งแมกซ์เวลล์ใช้ทำนายว่าสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และในขณะเดียวกันสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาก็ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า ด้วย โดยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กต่างก็มีทิศตั้งฉากกัน แมกซ์เวลล์ยังทำนายอีกว่ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น จากการเหนี่ยวนำอย่างต่อเนื่องระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก ทำให้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วของแสง แมกซ์เวลล์จึงเสนอความคิดว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ช่วง หนึ่ง คำทำนายนี้ได้รับการยืนยันว่าเป็นจริงโดยการทดลองของเฮิรตซ์

สมการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

เฮิรตซ์ได้ทดลองพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ โดยใช้ขดลวดสองขด พันรอบแกนเหล็กวงแหวน ดังรูปข้างล่าง ขดลวด A เป็นขดลวดปฐมภูมิ ขดลวด B เป็นขดลวดทุตยภูมิ ซึ่งมีจำนวนขดลวดมากกว่าขดลวด A มาก ปลายของดลวดทุติยภูมิทั้งสองข้างอยู่ห่างกันเป็นช่องว่างแคบ G S เป็นสวิตช์แบบสั่นซึ่งการสั่นของสวิตช์จะทำหน้าที่ปิดเปิดวงจรไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ มีผลทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ผ่านขดลวดปฐมภูมิ ตามจังหวะการปิดเปิดของสวิตช์

ขดลวดเหนี่ยวนำในการทดลองของเฮิรตซ์
http://physicalmagneticwave15.blogspot.com/2013/02/blog-post_18.html

เมื่อ สวิตช์แบบสั่นปิด-เปิดวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดปฐมภูมิจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นจังหวะตามไปด้วย ซึ่งจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีการเปลี่ยนแปลงภายในแกนเหล็กของวงแหวน เนื่องจากขดลวด B มีจำนวนขดมาก ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนี้จะเหนี่ยวนำทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงมาก ความต่างศักย์ช่วงสั้นๆ จะปรากฏที่ปลายทั้งสองขดลวด B ซึ่งทำเป็นช่องว่างที่แคบไว้ สนามไฟฟ้าภายในช่องแคบจะมีค่ามากพอที่จะทำให้อากาศระหว่างช่องแคบแตกตัว จึงเป็นตัวนำไฟฟ้าให้กระแสไฟฟ้าผ่านช่องแคบได้ ฉะนั้นทุกครั้งที่สวิตช์ปิดหรือเปิดวงจร จะเห็นประกายไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบนี้
เมื่อเฮิรตซ์ใช้แผ่นโลหะแบนต่อเข้ากับปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิตรงช่องแคบ G และใช้เส้นลวดตัวนำงอเป็นรูปวงกลมโดยเหลือช่องแคบ D ไว้ แล้วนำมาใกล้ช่องแคบ G พอสมควร ดังรูป 18.3 จะสังเกตเห็นประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ D ทุกครั้งที่เกิดประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ G

การรับคลื่นแม่เหล็กฟ้าของเฮิรตซ์
http://physicalmagneticwave15.blogspot.com/2013/02/blog-post_18.html

เฮิรตซ์อธิบายการเกิดประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ D ดังนี้ ขณะที่เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงช่วงสั้นๆ ในขดลวด B ความต่างศักย์ซึ่งมีความถี่สูงมากจะเกิดระหว่างแผ่นราบทั้งสองที่ต่อไว้ ความถี่นี้สามารถควบคุมได้ด้วยขนาดของแผ่นราบและช่องว่าง G ในการทดลองทั่วไป ความถี่จะมีค่าประมาณ 108 เฮิรตซ์  ความต่างศักย์แปรเปลี่ยนที่เกิดขึ้นช่วงเวลาหนึ่งและมีความถี่สูง จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสลับเคลื่อนที่ผ่านช่อง G เป็นประกายไฟฟ้าดังที่กล่าวแล้ว ประการไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้น เกิดจากกระแสไฟฟ้ากระโดดข้ามช่องแคบกลับไปกลับมาหลายๆครั้ง เพราะสนามไฟฟ้าระหว่างช่อง G ที่เปลี่ยนแปลง เหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้านี้จึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แผ่ออกจากแหล่งกำเนิด โดยความถี่ของคลื่นมีค่าเท่ากับความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่กระโดดข้ามช่องแคบไป มา เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านลวดตัวนำวงกลมในรูป ซึ่งมีรัศมีและขนาดช่องแคบ D ที่เหมาะสม จะทำให้เกิดความต่างศักย์เปลี่ยนค่าที่มีความถี่สูงเท่ากับความถี่ของคลื่นที่ช่องแคบ D     นี้ จึงทำให้เกิดสนามไฟฟ้าความเข้มสูงมาก จนอากาศระหว่างช่องแคบแตกตัวเป็นไอออน ทำให้มีกระแสฟ้าผ่านช่องแคบนี้เป็นประกายไฟฟ้าดังที่เห็น
การทดลองแต่ละคำอธิบายดังกล่าวจึงสนับสนุนทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ และนอกจากนี้เฮิรตซ์ยังได้ ทำการทดลอง จนได้ผลสรุปว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วเท่ากับความเร็วของแสง

Heinrich  Hertz (พ.ศ. 2400 - 2437) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันเป็นผู้ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งนำไปสู่การประดิษฐ์วิทยุโทรทัศน์และเรดาร์ นอกจากนี้เขายังแสดงให้เห็นว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย





link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education newsletter

SEAMEO Congress

Programme with Presentations

Black Ribbon