ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของแฮทซ์.

          ในช่วงเวลาก่อนศตวรรษที่ 19 มีการทดลองที่ยืนยันได้ว่าแสงมีพฤติกรรมเป็นคลื่น แต่ไม่ทราบว่าเป็นคลื่นประเภทใด และอะไรที่กำลังสั่นอยู่ในคลื่นแสงนั้น

          ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวสกอตชื่อ เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell, ค.ศ. 1831 -1879) ได้ศึกษาสภาวะไฟฟ้าและแม่เหล็กรวมไปถึงสิ่งที่ยังเป็นข้อสงสัย จนในที่สุดได้พัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นการรวมปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นทฤษฎีหนึ่งเดียวที่ยิ่งใหญ่และสวยงาม โดยแมกซ์เวลล์ได้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กทั้งหมด

ภาพขดลวดเหนี่ยวนำในการทดลองของเฮิรตซ์
ที่มา : ดัดแปรงจาก http://physicalmagneticwave15.blogspot.com/

          ผลงานของแมกซ์เวลล์ได้นำไปสู่สิ่งที่อาจกล่าวได้ว่าเป็นการค้นพบทางฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในศตวรรษที่ 19 นั่นคือ การค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) คลื่นประเภทนี้ถูกประยุกต์ในงานต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก อาทิเช่น  วิทยุ โทรทัศน์ เตาไมโครเวฟ โทรศัพท์เคลื่อนที่ และอินเทอร์เน็ตไร้สาย   เป็นต้น หากไม่มีการค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์แล้ว ชีวิตประจำวันของเราจะแตกต่างไปจากทุกวันนี้มาก

          ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 มีนักวิทยาศาสตร์หลายท่านได้ศึกษาและพัฒนาทฤษฎีต่าง ๆ ทางด้านไฟฟ้าและแม่เหล็ก ไม่ว่าจะเป็นเออร์สเตด แอมแปร์ ฟาราเดย์ และท่านอื่น ๆ การพัฒนาทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงต้นนี้ไม่ได้พิจารณาในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเช่นในปัจจุบัน มีเพียงแนวคิดของสนามไฟฟ้า ที่เสนอโดยฟาราเดย์ในช่วงต่อมา แต่ก็ยังไม่ได้ใช้ทั่วไปตราบจนกระทั่งแมกซ์เวลล์ได้แสดงให้เห็นว่า ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กทั้งหมดสามารถอธิบายได้ด้วยสมการเพียง 4 สมการที่อยู่ในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก สมการชุดนี้เรียกว่าสมการแมกซ์เวลล์

          สมการหนึ่งในชุดสมการแมกซ์เวลล์ คือกฎฟาราเดย์ ซึ่งกล่าวว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนตามเวลาทำให้เกิดสนามไฟฟ้าได้ แมกซ์เวลล์จึงเสนอแนวคิดที่อยู่บนหลักการความสมมาตรของธรรมชาติว่า สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนตามเวลาจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก สมมติฐานของแมกซ์เวลล์เป็นจริง ดังนั้นไม่ว่าสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนตามเวลา สนามอีกประเภทหนึ่งจะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในบริเวณติดกันด้วยเมื่อแมกซ์เวลล์วิเคราะห์สมการที่เกี่ยวข้องพบว่า โดยสุทธิแล้วผลของสนามที่เหนี่ยวนำซึ่งกันและกันนี้จะทำให้เกิดคลื่นของสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กที่แผ่ผ่านปริภูมิจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่งได้ แม้ว่าจะไม่มีสสารอยู่ในบริเวณนั้น เรียกการแผ่เช่นนี้ว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนั้นยังพบอีกว่าคลื่นที่แผ่ออกไปมีอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วของแสง แมกซ์เวลล์จึงสรุปว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          หลังจากนั้นเป็นเวลาไม่นาน แนวคิดของแมกซ์เวลล์ก็ได้รับการยอมรับโดยทั่วไป แต่ต้องรอเป็นเวลานานถึง 8 ปี หลังจากแมกซ์เวลล์เสียชีวิตไปแล้ว คำทำนายเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงได้รับการยืนยันจากการทดลองโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ ไฮน์ริช รูดอล์ฟ แฮทซ์ (Heinrich Rudolf  Hertz, ค.ศ. 1857-1894)

          ชุดการทดลองของแฮทซ์ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้ารูปทรงกลม 2 ขั้ว ต่อกับแหล่งโวลเตจสลับ ซึ่งทำให้ประจุแกว่งกวัดไปมาได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ และทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ประมาณ 10⁹ Hz แฮทซ์ตรวจวัดคลื่นที่เกิดขึ้นที่ระยะห่างออกไปด้วยห่วงเส้นลวด โดยเมื่อสนามแม่เหล็กที่กำลังเปลี่ยนในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านห่วง จะทำให้เกิดอีเอ็มเอฟในห่วงได้ นอกจากนั้นแฮทซ์ยังสร้างคลื่นนิ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นวัดระยะห่างระหว่างบัพที่ติดกัน ทำให้หาความยาวคลื่นได้ เนื่องจากทราบความถี่ที่ใช้สร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงคำนวณหาอัตราเร็วของคลื่นได้จากสมการ

           อัตราเร็ว = (ความยาวคลื่น)(ความถี่)  ด้วยวิธีนี้แฮทซ์จึงยืนยันได้ว่าอัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีค่าเท่ากับอัตราเร็วแสง นี่เป็นการยืนยันคำทำนายทางทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ ความถี่ในระบบเอสไอจึงกำหนดให้ใช้หน่วยเป็นเฮิรตซ์ ซึ่งใช้แทนหน่วยรอบต่อวินาที เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์

1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดต้องมีความเร็วเท่ากับแสง

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกตัวมีพลังงาน

3. ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดกลืน จะทำให้วัตถุที่รับคลื่นนั้นร้อนขึ้น

4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดใดก็ตามเมื่อเกิดขึ้นแล้วต้องมีวิธีการที่ส่งพลังงานต่อไป

หลักสำคัญของแมกซ์เวลล์

          แมกซ์เวลล์ให้หลักว่า เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร่งหรือความหน่วงจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ โดยการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเกิดจากการเหนี่ยวนำระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในสามมิติและเมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าจะพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน กล่าวคือสนามทั้งสองจะมีค่าสูงสุดพร้อมกันและต่ำสุดพร้อมกัน นั่นคือทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีเฟสตรงกัน โดยทิศของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก และสนามทั้งสองมีทิศตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น

          ตัวอย่างที่ 1 ในกรณีใดบ้างที่เกิดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น

          ก. ปล่อยไฟฟ้ากระแสตรงให้ไหลผ่านหม้อแปลงที่ต่อครบวงจร

          ข. เมื่อขดลวดเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก

          ค. เมื่อขดลวดอยู่นิ่งในสนามแม่เหล็กที่มีค่าไม่คงที่

          ง. เมื่อเคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กเข้าหาขดลวด

          จ. ในขณะต่อหรือถอดขั้วแบตเตอรี่เข้ากับขดลวดที่วางใกล้ขดลวดอีกขดที่ต่อครบวงจร

          คำตอบที่ถูกต้องคือข้อใด

1. ข้อ ก ข และ ค               2. ข้อ ข  ค และ ง       3. ข้อ ข ค ง และ จ            4. ข้อ ก ข ค ง และ จ

          เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 3 ข้อ ข  ค   ง และ จ  

          ตัวอย่างที่ 2 รังสีอินฟราเรดและคลื่นไมโครเวฟมีสิ่งที่เหมือนกันคือ

          ก. เป็นคลื่นประเภทเดียวกัน 

          ข. มีประโยชน์ในการสื่อสาร

          ค. ตรวจจับด้วยฟิล์มถ่ายรูปเหมือนกัน

          ข้อที่ถูกต้องคือข้อใด

1. ข้อ ก เท่านั้น        2. ข้อ ก และข     3.ข้อ ข และ ค      4. ข้อ ก ข และ ค

          เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 2 ข้อ ก และข

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 6 ม. 6 . กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.

 การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          ในหัวข้อนี้เราจะศึกษาวิธีการสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าวิธีหนึ่ง โดยใช้แหล่งของโวลเตจสลับต่อกับเส้นลวด 2 เส้น โดยที่เส้นลวดทั้ง 2 เส้นไม่ได้ต่อกับสิ่งอื่น ๆ อีก เส้นลวด 2 เส้นนี้จะทำหน้าที่เป็นสายอากาศ โดยความต่างศักย์ของเส้นลวดที่ต่อกับขั้วของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาแบบไซน์ และมีคาบเท่ากับ T

          การสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ กำหนดให้ที่เวลา t = 0 โวลเตจจากแหล่งเท่ากับศูนย์ สายอากาศส่วนบนและส่วนล่างจึงไม่มีประจุ  เมื่อพิจารณาจุด P บนแกน X ประจุทดสอบที่จุดนี้จะไม่มีแรงไฟฟ้ากระทำ และไม่มีสนามไฟฟ้าเกิดขึ้น

          เมื่อเวลาผ่านไปในช่วง 0 < t < T/4  โวลเตจจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจะทำให้สายอากาศส่วนบนมีประจุบวกและสายอากาศส่วนล่างมีประจุลบ สนามไฟฟ้าที่จุด P จึงเพิ่มขึ้นในทิศชี้ลง และเมื่อเวลาผ่านไป 1 ใน 4 ของรอบหรือเป็นเวลาที่ t = T/4 ประจุบวกและลบบนสายอากาศจะมีค่ามากที่สุดและสนามไฟฟ้าที่จุด P ก็มีขนาดมากที่สุดในทิศชี้ลงด้วย นอกจากนี้ยังทำให้เราทราบได้ว่าสนามไฟฟ้าที่จุด P  ซึ่งเกิดขึ้นในเวลาก่อนหน้านี้ไม่ได้หายไปไหน แต่ได้เคลื่อนที่ไปทางขวามือ (ทิศชี้ลง) ซึ่งหมายถึงสนามไฟฟ้าที่จุดไกลจากเส้นลวดไม่ได้เกิดขึ้นในทันที แต่จะเกิดขึ้นที่จุดใกล้กับเส้นลวดก่อน จากนั้นจึงเคลื่อนที่ออกไปแบบคลื่นในทุกทิศทางในรูปแบบเดียวกับก้อนหินที่ตกลงในบ่อน้ำ

          เมื่อโวลเตจจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากลับขั้วสายอากาศส่วนบนจะเปลี่ยนเป็นประจุลบ ส่วนสายอากาศส่วนล่างจะเป็นประจุบวก สนามไฟฟ้าที่จุด P จะกลับทิศเป็นทิศชี้ขึ้น โดยสนามมีขนาดมากขึ้นเรื่อย ๆจนมีขนาดมากที่สุดที่เวลา t = 3T/4 จากนั้นสนามไฟฟ้าจะมีขนาดลดลงจนเป็นศูนย์ที่เวลา t = T ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงโวลเตจของแหล่งครบ 1 รอบ

          สนามไฟฟ้าที่กล่าวมาเป็นเพียงแค่ครึ่งหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น กล่าวคือ ในขณะที่โวลเตจจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงจะมีการไหลของประจุในสายอากาศ จึงมีกระแสไฟฟ้าในสายอากาศ ซึ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ ยกตัวอย่างเช่นสายอากาศที่เวลาจะมีกระแสไหลในเส้นลวดในทิศชี้ขึ้น กระแสนี้ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก โดยทิศของสนามหาได้จากหลักเกณฑ์มือขวา ให้กำมือขวารอบเส้นลวดและให้นิ้วโป้งชี้ตามทิศของกระแสจะพบว่า สนามแม่เหล็กที่จุด P มีทิศชี้เข้าหน้ากระดาษ ซึ่งที่เวลาเดียวกันนี้สนามไฟฟ้ามีทิศชี้ลง สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีทิศตั้งฉากซึ่งกันและกัน  และหากวิเคราะห์ในรายละเอียดต่อไปจะพบว่าสนามทั้ง 2 สนามตั้งฉากกันเสมอไม่ว่าจะเป็นเวลาใด

          เมื่อโวลเตจจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง กระแสจะเปลี่ยนทำให้สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตามไปด้วยสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นในช่วงเวลาก่อนหน้าจะแผ่ออกไปเป็นคลื่นเช่นเดียวกับสนามไฟฟ้า สนามทั้งสองสนามเป็นสนามที่เปลี่ยนตามเวลา การเปลี่ยนแปลงของสนามหนึ่งจึงทำให้เกิดอีกสนามหนึ่งซึ่งจะแผ่ออกไปในปริภูมิ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้โดยไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางในแบบเดียวกับคลื่นกล ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเคลื่อนที่ผ่านได้ทั้งสุญญากาศและสสารใด ๆ  และไม่ใช่แค่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากซึ่งกันและกันเท่านั้น แต่สนามทั้งสองยังตั้งฉากกับทิศการแผ่ของคลื่นด้วย ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นตามขวาง

          ทิศของสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก และทิศการแผ่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสัมพันธ์ตามกฎมือขวา ให้ใช้นิ้วทั้งสี่ของมือขวาโค้งงอจากเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าไปยังเวกเตอร์ของสนามแม่เหล็ก จากนั้นนิ้วโป้งของมือขวาจะชี้ในทิศการแผ่ของคลื่น กล่าวได้ว่า ทิศการแผ่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหาได้จากทิศของสนามไฟฟ้า X กับทิศของสนามแม่เหล็ก

          นอกจากนั้นจะสังเกตได้ว่าความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหาได้จากความถี่การสั่นของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่ทำให้เกิดคลื่นโดย สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาด้วยความถี่เดียวกัน และมีเฟสตรงกัน สิ่งนี้หมายถึงสนามทั้ง 2 สนามมีค่ามากที่สุดที่เวลาเดียวกัน

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแผ่ออกไปโดยรอบสายอากาศ แต่ที่ผ่านมาแสดงการแผ่ของคลื่นในทิศหนึ่ง อย่างไรก็ดี ความเข้มของคลื่นในทิศต่าง ๆ ไม่เท่ากัน โดยคลื่นมีความเข้มมากที่สุดในทิศตั้งฉากกับแกนตามยาวของสายอากาศ ซึ่งหมายถึงมีความเข้มมากที่สุดในทุกทิศทางที่อยู่บนระนาบ X-Y แต่จะไม่มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ในทิศ +Z  หรือ  -Z  ซึ่งเป็นทิศตามแนวแกนของความยาวสายอากาศ

          ถ้าเป็นกรณีของประจุ จะพบว่าประจุที่หยุดนิ่งทำให้เกิดสนามไฟฟ้าเท่านั้น ส่วนประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวจะทำให้เกิดทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก แต่การเคลื่อนที่ของประจุเช่นนี้ไม่ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ว่าจะมีความเร็วคงตัวมากเท่าใด  โดยการศึกษาในระดับที่สูงขึ้นสามารถแสดงให้เห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งประกอบไปด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อประจุมีความเร่งเท่านั้น ดังนั้นการสั่นของประจุในสายอากาศตามโวลเตจสลับที่เปลี่ยนตามเวลาแบบไซน์ที่ผ่านมา และสุดท้าย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภทจะเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยอัตราเร็ว 3.00 x 10⁸ m/s เท่ากัน ซึ่งเท่ากับอัตราเร็วแสงที่ทราบมาแล้วก่อนหน้านั้น ดังนั้นจึงกำหนดให้ใช้อักษร c  เป็นสัญลักษณ์เฉพาะสำหรับอัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ และอาจเรียกว่า อัตราเร็วแสงในสุญญากาศ

          ตัวอย่าง จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ข้อใดผิด

1. สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบ ๆ ไม่ว่าบริเวณนั้นจะเป็นที่ว่างหรือฉนวน

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่เคลื่อนที่ออกไปในแนวขนานกับสายอากาศ

3. เฟสของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่จุดใดจุดหนึ่งเป็นอย่างเดียวกัน

4. ประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอย่างคงที่

          เฉลยข้อ D  ผิด เพราะ

1. ถูก เพราะตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ ไม่ว่าจะอยู่ในสุญญากาศหรือวัสดุใด

2. ถูก เนื่องจากในแนวขนานกับสายอากาศไม่มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น

3. ถูก เนื่องจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีเฟสตรงกัน

4. ผิด เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากประจุที่มีความเร่งเท่านั้น

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 6 ม. 6 . กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.

 สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภทเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากัน การแบ่งประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอาจพิจารณาตามความถี่หรือความยาวคลื่นก็ได้ โดยความถี่ ความยาวคลื่น และอัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กันตามสมการ อัตราเร็ว = (ความถี่)(ความยาวคลื่น) ซึ่งไม่แตกต่างจากความสัมพันธ์ที่ใช้ในคลื่นกล เนื่องจากอัตราเร็วเป็นค่าคงตัว ดังนั้นหากความถี่เพิ่มขึ้น ความยาวคลื่นจะลดลง โดยความถี่เพิ่มขึ้นจากด้านล่างไปยังด้านบน ส่วนความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้นจากด้านบนลงมาด้านล่างซึ่งตรงข้ามกับกรณีของความถี่ เรียกการแบ่งช่วงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นนี้ว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละประเภทมีดังนี้

ภาพสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ที่มา https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_spectrum.svg

          คลื่นวิทยุ

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความสำคัญและมีความถี่ต่ำที่สุดคือคลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นประเภทนี่มีความถี่อยู่ในช่วงประมาณ 10⁶ Hz  ถึง  10⁹ Hz   คลื่นวิทยุถูกค้นพบโดยแฮทซ์ในปี ค.ศ. 1888 คลื่นในช่วงความถี่นี้สร้างขึ้นได้หลายวิธี อาจใช้การต่อวงจรไฟฟ้ากระแสสลับกับสายอากาศ หรืออาจเกิดจากการสั่นของโมเลกุลและอิเล็กตรอนที่มีความเร่งในอวกาศ ซึ่งนักดาราศาสตร์สามารถสร้างอุปกรณ์ตรวจวัดได้

          คลื่นไมโครเวฟ

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ตั้งแต่ 10⁹ Hz  ถึงประมาณ 10¹² Hz จะเรียกว่า คลื่นไมโครเวฟ (microwave) คลื่นประเภทนี้มักใช้ในการสื่อสาร รวมไปถึงใช้ในเตาไมโครเวฟ คลื่นไมโครเวฟที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1 mm ถึง 30 cm จะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่มากที่สุดที่สามารถสร้างจากวงจรไฟฟ้าได้

          รังสีอินฟราเรด

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่อยู่ต่ำกว่าความถี่ของแสงสีแดงในช่วงประมาณ 10¹² Hz ถึง 4.3 x 10¹⁴ Hz จะเรียกว่า รังสีอินฟราเรด (infrared ray) โดยคำว่า infra เป็นคำนำหน้าหมายถึงต่ำกว่ารังสีอินฟราเรดสามารถรับรู้ได้ในรูปของความร้อนบนผิวหนังของเราแต่มองไม่เห็นสิ่งมีชีวิตเป็นจำนวนมากมีอวัยวะที่สามารถตรวจจับรังสีอินฟราเรดได้ เช่น งูพิษมีอวัยวะในการตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่ถูกปล่อยออกมาจากเหยื่อที่เป็นสัตว์เลือดอุ่นได้ เป็นต้น นอกจากนั้นแล้วรังสีอินฟราเรดยังใช้ในรีโมทคอนโทรล (remote control) ซึ่งเป็นการควบคุมระยะไกลที่นิยมใช้ในเครื่องรับโทรทัศน์ โดยใช้รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1000 nm ซึ่งใกล้กับสเปกตรัมของแสงที่มองเห็น แต่มีความเข้มต่ำจนไม่รู้สึกร้อน

          แสง

          ช่วงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เราคุ้นเคยมากที่สุดคือแสงที่มองเห็นได้ แสงมีความถี่อยู่ในช่วงประมาณ 4 x10¹⁴ Hz ถึง 7 x10¹⁴ Hz หรือมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 nm ถึง 700 nm โดยแสงขาวจะถูกปริซึมแยกออกเป็นแสงสีแดง สีส้ม สีเหลือง สีเขียว สีน้ำเงิน และสีม่วง ซึ่งแสงสีแดงมีความถี่ต่ำที่สุด และแสงสีม่วงมีความถี่มากที่สุด แสงสีต่าง ๆ กันเกิดขึ้นจากการรับรู้ของดวงตา และระบบประสาทของเราตามความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกัน แหล่งของแสงที่มองเห็นได้ประกอบด้วยดวงอาทิตย์ หลอดไฟ  เปลวไฟ หรือแสงจากหิ่งห้อย เป็นต้น โดยทั่วไปภาพของวัตถุแวดล้อมที่มองเห็นมักไม่ใช่แหล่งของแสง แต่เป็นแสงที่สะท้อนจากแหล่งของแสงอื่น ๆ ที่ทำให้มองเห็นโลกอันสวยงาม

          รังสีอัลตราไวโอเลต

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่อยู่เหนือความถี่ของแสงสีม่วงในช่วงประมาณ 7.5 x 10¹⁵ Hz ถึง 10¹⁷ Hz จะเรียกว่า รังสีอัลตราไวโอเลต (ultraviolet ray  หรือ UV ray )  โดยคำว่า ultra เป็นคำนำหน้าหมายถึงเหนือกว่า แสงจากดวงอาทิตย์ประกอบไปด้วยแสงที่มองเห็นได้เป็นส่วนใหญ่และมีส่วนน้อยที่เป็นรังอัลตราไวโอเลต ถึงแม้จะมองไม่เห็นรังสีอัตราไวโอเลต แต่สามารถรับรู้ได้ว่ามีรังสีประเภทนี้จากการตากแดดแล้วทำให้ผิวหนังไหม้เกรียม ซึ่งหากอยู่ในแสงแดดเป็นเวลานานและแสงแดดมีความเข้มมาก อาจทำให้เป็นมะเร็งผิวหนังได้

          รังสีเอกซ์

          เมื่อความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามากขึ้นจนอยู่ในช่วงประมาณ 10¹⁷ Hz ถึง 10²⁰ Hz จะเรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นว่า รังสีเอกซ์ (X- ray) โดยทั่วไปรังสีเอกซ์ที่ใช้ทางด้านการแพทย์จะสร้างขึ้นจากการหน่วงอิเล็กตรอนที่มีอัตราเร็วสูงอย่างรวดเร็วด้วยการให้อิเล็กตรอนชนกับเป้าโลหะ อิเล็กตรอนจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ รังสีประเภทนี้จะถูกผิวหนังและเนื้อเยื่ออ่อน ๆ ดูดกลืนน้อยมาก ทำให้เคลื่อนที่ผ่านร่างกายมนุษย์ได้ค่อนข้างเสรี แต่เมื่อรังสีเอกซ์ชนกับกระดูก ฟัน หรือวัสดุอื่น ๆ ที่มีความหนาแน่นมาก จะถูกวัตถุเหล่านี้ดูดกลืนมากทำให้เคลื่อนที่ผ่านได้น้อย สมบัตินี้จึงถูกนำไปใช้ในการถ่ายภาพโครงสร้างภายในร่างกายอย่างไรก็ดี รังสีเอกซ์สามารถทำอันตรายต่อเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้ ดังนั้นจึงควรหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับรังสีประเภทนี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

          รังสีแกมมา

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทสุดท้ายนี้มีความถี่มากกว่า 10²⁰ Hz ซึ่งเรียกว่า รังสีแกมมา (gamma ray) รังสีประเภทนี้มีพลังงานมากกว่ารังสีเอกซ์ มักเกิดขึ้นเมื่อนิวตรอนและโปรตอนภายในนิวเคลียสมีการจัดเรียงตัวใหม่ รังสีแกมมาสามารถเจาะทะลวงเซลล์สิ่งมีชีวิตและทำลายเซลล์ได้ ดังนั้นจึงใช้รังสีแกมมาในการทำลายเซลล์มะเร็ง

          ตัวอย่าง  ข้อใดต่อไปนี้กล่าวถูกต้อง ถ้าส่งคลื่นดังต่อไปนี้จากโลกไปยังดาวเทียมดวงหนึ่ง คือ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ  และแสงแซอร์ มีความถี่อยู่ในช่วง 10⁴ – 10⁶ Hz, 10⁸ – 10¹² Hz  และ 10¹⁴ Hz  ตามลำดับ

          1. คลื่นวิทยุใช้เวลาในการเคลื่อนที่ไปถึงดาวเทียมน้อยที่สุด

          2. แสงเลเซอร์ใช้เวลาในการเคลื่อนที่ไปถึงดาวเทียมน้อยที่สุด

          3. คลื่นทั้งสามใช้เวลาเดินทางไปถึงดาวเทียมเท่ากัน

          4. หาคำตอบไม่ได้เพราะไม่ได้กำหนดค่าความยาวคลื่นของคลื่นเหล่านี้

          เฉลยตอบข้อ 3. เพราะคลื่นทั้ง 3 ประเภทล้วนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีอัตราเร็วในสุญญากาศเท่ากับ 3.00 x 10⁸ m/s เท่ากัน ทำให้ใช้เวลาในการเดินทางถึงดาวเทียมเท่ากันด้วย

แหล่งที่มา

พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.

 โพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          โพลาไรเซชัน (Polarization) เป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งแสดงว่าคลื่นนั้นเป็นคลื่นตามขวางคลื่นตามขวางที่โพลาไรส์แล้วจะต้องสั่นในระนาบหนึ่งระนาบใดโดยเฉพาะ หรือมีระบบโพลาไรส์เพียงระนาบเดียว ระนาบโพลาไรส์ หมายถึง ระนาบการสั่นของคลื่นตามขวางที่สั่นเพียงระนาบเดียว ในเรื่องของคลื่นแสง ระนาบโพลาไรส์จะมีความหมายแตกต่างออกไปกล่าวคือ ระนาบโพลาไรส์ หมายถึง ระนาบที่มีการสั่นของแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าตั้งฉากกันตลอดเวลา

          แสงเป็นคลื่นตามขวาง และคลื่นแสงมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบต่าง ๆ กันนับไม่ถ้วน แสงอาจมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในระนาบใดระนาบหนึ่ง เรียกว่ามี Polarization คล้ายกันมี plane  อยู่ใน plane ใด plane หนึ่ง ถ้าแสงมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทุกทิศทุกทาง เรียกว่า แสงที่ไม่โพลาไรส์

          ดังนั้นโพลาไรเซชัน เป็นปรากฏการณ์ของคลื่นที่เกิดขึ้นเฉพาะกับคลื่นตามขวาง ก่อนที่จะศึกษาโพลาไรเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นคลื่นตามขวาง ขอให้พิจารณาโพลาไรเซชันของคลื่นเชือกก่อน

          คลื่นเชือกซึ่งเคลื่อนที่ตามแนวแกน Y เชือกที่สั่นตามแนวแกน X  และเชือกที่สั่นในแนวแกน Z ซึ่งเชือกอาจจะสั่นในทิศอื่น ๆ ที่อยู่บนระนาบ X- Z ก็ได้ จะเรียกคลื่นแต่ละคลื่นที่สั่นในทิศหนึ่ง ๆ เช่นนี้ว่า คลื่นโพลาไรส์ (polarized wave)  

          คลื่นตามขวางประเภทใด ๆ สามารถเป็นคลื่นโพลาไรส์ในทิศหนึ่งที่ตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นได้  ซึ่งรวมถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย เมื่อพิจารณาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะพบว่าประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นในทิศตั้งฉากซึ่งกันและกัน และตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

          เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนาม 2 ประเภท ที่สั่นในทิศตั้งฉากกับทิศการแผ่ของคลื่นดังนั้นเพื่อความสะดวกจึงจะกำหนดทิศของโพลาไรส์จากทิศการสั่นของสนามใดสนามหนึ่ง เนื่องจากอุปกรณ์ตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่จะตอบสนองต่อแรงไฟฟ้าไม่ใช่แรงแม่เหล็ก ดังนั้น ทิศของโพลาไรส์สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงกำหนดให้เป็นทิศของสนามไฟฟ้า

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากสายอากาศเป็นคลื่นโพลาไรส์ที่กำหนดทิศของโพลาไรส์ได้จากการวางตัวของสายอากาศ สาเหตุเนื่องจากประจุเคลื่อนที่อยู่ในสายอากาศเท่านั้น แต่สำหรับแหล่งส่วนใหญ่จะไม่ได้เป็นเช่นนี้ เช่น แสงจากหลอดไฟเกิดจากการสั่นของอิเล็กตรอนในอะตอมจำนวนมาก แต่ละอะตอมจะเป็นเสมือนสายอากาศขนาดเล็กที่สร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศที่สอดล้องกับการสั่นของอะตอมนั้น แต่เนื่องจากอะตอมสั่นอย่างสุ่ม ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกจากแหล่งจึงมีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้ในทุกทิศทาง ไม่ได้มีทิศทางเดียวเช่นในคลื่นโพลาไรส์ เรียกคลื่นเช่นนี้ว่า คลื่นไม่โพลาไรส์ (unpolarised wave)  และเมื่อใช้ภาพลูกศร 2 หัวในทิศของสนามไฟฟ้า คลื่นไม่โพลาไรส์จะแทนได้ด้วยลูกศรหลายตัวที่อยู่ห่างเท่า ๆ กัน ในทุกทิศทาง

           ในกรณีที่คลื่นมีทิศของสนามไฟฟ้าอยู่ในทิศบางทิศแต่ไม่ใช่ทิศเดียวเช่นในคลื่นโพลาไรส์ และไม่ใช่ทิศอย่างสุ่มในทุกทิศทางเช่นคลื่นไม่โพลาไรส์ และไม่ใช่ทิศอย่างสุ่มในทุกทิศทางเช่นคลื่นไม่โพลาไรส์แล้ว จะเรียกคลื่นเช่นนี้ว่า คลื่นโพลาไรส์บางส่วน (partially polarized wave)

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ใช่คลื่นโพลาไรส์สามารถทำให้เป็นคลื่นโพลาไรส์ได้หลายวิธี วิธีทำให้เป็นคลื่นโพลาไรส์ 4 วิธี ประกอบด้วยโพลาไรเซชันด้วยการดูดกลืน โพลาไรเซชันด้วยการสะท้อน โพลาไรเซชันด้วยการหักเหสองแนว และโพลาไรเซชันด้วยการกระเจิง

          ตัวอย่างที่ 1 คลื่นในข้อใดต่อไปนี้มีสมบัติโพลาไรส์

1. คลื่นเสียง

2. แสงจากหลอดไฟ

3. แสงอาทิตย์ที่สะท้อนแผ่นโครเมียม

4. แสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์

          ข้อใดกล่าวถูกต้อง

1. A และ C   2. B และ D      3. A และ D      4. D

          เฉลยคำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 4

          ตัวอย่างที่ 2 จากการทดลองของแสง การทดลองใดบ้างที่จำเป็นในการแสดงว่าแสงเป็นคลื่นตามขวาง

          A: การหักเห  

          B: การเลี้ยวเบน

          C: โพลาไรเซชัน

1. A, B และ C    2. A และ B      3. B และ C      4. C เท่านั้น

          เฉลยคำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 4  เพราะการหักเหและการเลี้ยวเบนเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นกับคลื่นทุกประเภท แต่โพลาไรเซชันจะเกิดกับคลื่นตามขวางเท่านั้น ดังนั้นการทดลองในข้อ C  จึงจำเป็นต้องใช้เพื่อแสดงว่าแสงเป็นคลื่นตามขวาง

          ตัวอย่างที่ 3 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ข้อใดถูกต้อง

1. แสงจากแหล่งกำเนิดไม่เป็นโพลาไรซ์ เพราะแสงเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดในลักษณะที่มีคลื่นตามขวาง 2 ขบวน คือคลื่นสนามแม่เหล็กและคลื่นสนามไฟฟ้าเหนี่ยวนำตั้งฉากกันออกมาพร้อม ๆ กัน

2. แผ่นโพลารอยด์มีสมบัติที่ยอมให้แสงที่มีระนาบของสนามไฟฟ้าขนานกับแกนของแผ่นโพลารอยด์ผ่านได้โดยดูดกลืนระนาบของสนามแม่เหล็กซึ่งตั้งฉากกับแกนของโพลารอยด์ไว้

3. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ใช่คลื่นโพลาไรส์สามารถทำให้เป็นคลื่นโพลาไรส์ได้

4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากสายอากาศเป็นคลื่นโพลาไรส์ที่ไม่สามารถกำหนดทิศของโพลาไรส์ได้จากการวางตัวของสายอากาศ

           เฉลยคำตอบที่ถูกต้อง คือ 3   คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ใช่คลื่นโพลาไรส์สามารถทำให้เป็นคลื่นโพลาไรส์ได้ โดยวิธีโพลาไรเซชันด้วยการดูดกลืน โพลาไรเซชันด้วยการสะท้อน โพลาไรเซชันด้วยการหักเหสองแนว และโพลาไรเซชันด้วยการกระเจิง

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 6 ม. 6 . กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.

 โพลาไรเซชันด้วยการดูดกลืน

          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นคลื่นไม่โพลาไรส์สามารถทำให้เป็นคลื่นโพลาไรส์ได้หลายวิธี สำหรับวิธีแรกจะใช้แผ่น โพลารอยด์ (polaroid) สร้างคลื่นโพลาไรส์ด้วยการดูดกลืน (absorption) ดังนั้น ก่อนที่จะศึกษาวิธีการนี้จึงควรศึกษาส่วนประกอบและหลักการทำงานพื้นฐานของแผ่นโพลารอยด์

          แผ่นโพลารอยด์เป็นแผ่นพลาสติกที่มีโมเลกุลของพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ (polyvinyl alcohol) จัดเรียงเป็นแนวยาวฝังอยู่ในเนื้อพลาสติก หลักการทำงานของแผ่นโพลารอยด์คือ เมื่อมีสนามไฟฟ้าที่สั่นอยู่ในแนวเดียวกับการจัดเรียงตัวของโมเลกุลในแผ่นโพลารอยด์แล้วจะทำให้อิเล็กตรอนในโมเลกุลเคลื่อนที่ตามแนวการจัดเรียงตัวของโมเลกุล ทำให้เกิดงานบนอิเล็กตรอนซึ่งเป็นการถ่ายโอนพลังงานจากสนามไฟฟ้าให้แก่อิเล็กตรอน  ดังนั้นสนามไฟฟ้าในทิศขนานกับแนวการจัดเรียงตัวของโมเลกุลจึงถูกดูดกลืนไว้ ในทางตรงกันข้าม สนามไฟฟ้าที่มีทิศตั้งฉากกับแนวการจัดเรียงตัวของโมเลกุลในแผ่นโพลารอยด์จะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ส่วนใหญ่ของสนามไฟฟ้าในทิศนี้จึงแผ่ผ่านแผ่นโพลารอยด์ได้อย่างเสรี ดังนั้นจึงมีการกำหนดแกนของแผ่นโพลารอยด์ตามทิศของสนามไฟฟ้าที่สามารถแผ่ผ่านไปได้ แกนนี้เรียกว่า แกนโพลาไรส์ (polarizer axis) ซึ่งจะสังเกตได้ว่า แกนโพลาไรส์อยู่ในทิศตั้งฉากกับแกนแนวการจัดเรียงตัวของโมเลกุลในแผ่นโพลารอยด์

          เมื่อเปรียบเทียบแผ่นโพลารอยด์ในทางกลจะพบว่าแกนโพลาไรส์เป็นเสมือนช่องในแนวดิ่งที่เมื่อมีคลื่นตามขวางที่สั่นในแนวดิ่งเคลื่อนที่เข้ามา คลื่นจะผ่านออกไปได้โดยไม่ถูกขัดขวาง แต่หากช่องอยู่ในแนวราบคลื่นตามขวางที่สั่นในแนวดิ่งจะผ่านไปไม่ได้ สรุปได้ว่า แกนโพลาไรส์เป็นแกนที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสงสามารถเคลื่อนที่ผ่านได้

          คลื่นไม่โพลาไรส์สามารถพิจารณาเป็นการรวมกันของคลื่นโพลาไรส์ที่มีทิศอย่างสุ่ม เนื่องจากสนามไฟฟ้า (และสนามแม่เหล็ก) ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์คลื่นโพลาไรส์แต่ละคลื่นจึงสามารถแยกออกเป็นส่วนประกอบ 2 ส่วนที่อยู่ในแนวตั้งฉากกัน ทำให้คลื่นไม่โพลาไรส์สามารถพิจารณาเป็นส่วนประกอบของคลื่นที่อยู่ในแนวตั้งฉากกันได้เช่นกัน ก่อนหน้านี้คลื่นไม่โพลาไรส์แทนได้ด้วยภาพลูกศรที่กระจายห่างเท่า ๆ กันในทุกทิศทาง แต่เมื่อใช้แนวคิดข้างต้นคลื่นไม่โพลาไรส์จะแทนได้ด้วยภาพลูกศร 2 หัวจำนวน 2 อันที่อยู่ในแนวตั้งฉากกัน

          จากสมบัติของแผ่นโพลารอยด์ เมื่อคลื่นหรือแสงไม่โพลาไรส์เคลื่อนที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์ แสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์ได้จะมีเฉพาะส่วนประกอบที่อยู่ในแนวเดียวกับแกนโพลาไรส์เท่านั้น  ดังนั้นแสงไม่โพลาไรส์ที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์จึงเป็นแสงโพลาไรส์ในทิศเดียวกับแกนโพลาไรส์ และแสงโพลาไรส์จะมีความเข้มลดลงจากแสงไม่โพลาไรส์ด้วย

โพลาไรเซชันด้วยการสะท้อน

          เมื่อแสงตกกระทบตัวกลางที่มีผิวเรียบและโปร่งใสแสงบางส่วนจะสะท้อนและบางส่วนจะหักเหโดยแสงสะท้อนจะเป็นไปตามกฎการสะท้อนคือ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ส่วนแสงหักเหจะเป็นไปตามกฎการหักเหหรือกฎของสเนลล์

          ในอดีตนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ เอเตียน ลุยส์ มาลัส  พบว่าแสงที่สะท้อนจากตัวกลางที่มีผิวเรียบและโปร่งใส เช่นกระจกหน้าต่างและผิวน้ำ จะกลายเป็นแสงโพลาไรส์ได้ อีกประมาณ 6 ปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ เดวิด บรูสเตอร์ ก็ได้พบว่า แสงสะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรส์ที่มุมตกกระทบค่าหนึ่ง ซึ่งทำให้รังสีสะท้อนทำมุมฉากกับรังสีหักเห ดังนั้นจึงกำหนดให้เรียกมุมตกกระทบที่ทำให้แสงสะท้อนเป็นแสงโพลาไรส์ว่า มุมโพลาไรส์ หรือ มุมบรูสเตอร์

          ปรากฏการณ์ที่แสงสะท้อนเป็นแสงโพลาไรส์สามารถอธิบายได้จากแสงตกกระทบซึ่งเป็นแสงไม่โพลาไรส์ในรูปของส่วนประกอบ 2 ส่วน ที่อยู่ในแนวตั้งฉากกัน โดยส่วนประกอบหนึ่งอยู่ในแนวขนานกับผิวที่แสงตกกระทบหรือผิวสะท้อน ซึ่งหมายถึงตั้งฉากกับระนาบของการตกกระทบ ในขณะที่อีกส่วนประกอบหนึ่งจะอยู่บนระนาบของการตกกระทบ

          สำหรับมุมตกกระทบส่วนใหญ่ คลื่นที่มีสนามไฟฟ้าอยู่ในแนวตั้งฉากกับระนาบของการตกกระทบจะสะท้อนได้มากกว่าคลื่นที่มีสนามไฟฟ้าอยู่บนระนาบนี้ สิ่งนี้เปรียบได้กับการขว้างก้อนหินลงบนผิวน้ำ กล่าวคือ หากขวางก้อนหินให้ด้านแบนตกกระทบขนานกับผิวน้ำ ก้อนหินจะสะท้อนได้ดีแต่หากให้ด้านแบนของก้อนหินตั้งฉากกับผิวน้ำ ก้อนหินจะทะลุและหักเหลงในน้ำ ในกรณีของแสงก็มีลักษณะคล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ดี มุมตกกระทบส่วนใหญ่จะทำให้แสงสะท้อนเป็นแสงโพลาไรส์บางส่วนที่มีสนามไฟฟ้าในแนวขนานกับผิวสะท้อนมากกว่าสนามไฟฟ้า  แต่เมื่อมุมตกกระทบเท่ากับมุมบรูสเตอร์ แสงที่มีสนามไฟฟ้าอยู่บนระนาบของการตกกระทบจะไม่สะท้อนและหักเหไปหมด ในขณะที่แสงที่มีสนามไฟฟ้าอยู่ในแนวตั้งฉากกับระนาบของ การตกกระทบ ซึ่งก็คืออยู่ในแนวขนานกับผิวสะท้อนจะหักเหบางส่วนและสะท้อนเป็นบางส่วน แสงสะท้อนจึงเป็นแสงที่มีเฉพาะสนามไฟฟ้าที่อยู่ในแนวขนานกับผิวสะท้อนเท่านั้น แสงสะท้อนจึงเป็นแสงโพลาไรส์ในขณะที่แสงหักเหจะเป็นแสงโพลาไรส์บางส่วน สรุปได้ว่า ที่มุมบรูสเตอร์ แสงสะท้อนจะเป็นแสงโพลาไรส์ในทิศขนานกับผิวสะท้อน

แหล่งที่มา

พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.

 การกระเจิงของแสง (Scattering of light)

          เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของแสงที่ตกกระทบกับโมเลกุลของอากาศมีค่าเท่ากับความถี่ธรรมชาติอิเล็กตรอนภายในอะตอมหรือโมเลกุลของอากาศ มีผลทำให้อิเล็กตรอนภายในอะตอมที่สั่นรุนแรงที่สุดและจะแพร่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาทุกทิศทาง  ในลักษณะของคลื่นแสงที่กระเจิงออกมา เราพบว่าการกระเจิงของแสงในอากาศ แสงจะกระจายออกไปรอบ ๆ การกระเจิงจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของสีต่าง ๆ กัน ดังนั้น แสงสีม่วงมีความถี่เป็น 2 เท่าของสีแดง แสงสีม่วงจะมีการกระเจิงเป็น 2⁴ = 16  เท่าของแสงสีแดง

          ดังนั้น จะพบว่าถ้าความยาวคลื่นสั้น หรือความถี่มาก การกระเจิงจะมากกว่า เมื่อความยาวคลื่นมากหรือความถี่น้อย  ถ้าอยู่บนดวงจันทร์ ไม่มีไอน้ำ และฝุ่นละอองในอากาศ ท้องฟ้าจะมีสีดำ เพราะไม่มีการกระเจิงในชั้นบรรยากาศ แต่ถ้าอยู่บนโลกซึ่งมีไอน้ำและฝุ่นละอองขนาดเล็ก ๆ ในอากาศจะเห็นสีฟ้าครามในตอนกลางวัน (และเห็นสีแดง แสด เหลือง ในเวลาเช้า)

          นักฟิสิกส์พบว่า ถ้าเราให้แสงกระทบอนุภาค จะมีคลื่นกระจายออกรอบอนุภาค เรียกว่า การกระเจิง แสงที่มีความยาวคลื่นใกล้เคียงกับขนาดอนุภาคหรือเล็กกว่าอนุภาคเล็กน้อยจะกระเจิงได้ดีที่สุด

          ท้องฟ้ากลางวัน บรรยากาศช่วงสั้น แสงน้ำเงินจะกระเจิงกระจัดกระจายเต็มท้องฟ้า และอยู่ในทิศทางที่จะสังเกตเห็นได้ จึงเห็นท้องฟ้าสีน้ำเงิน – ม่วง

          ท้องฟ้ายามเช้า และเย็น แสงผ่านบรรยากาศหนาเป็นระยะยาว แสงสีน้ำเงินซึ่งกระเจิงได้ดีที่สุดจะกระเจิงจนหายไปจากสายตา เหลือแต่แสงที่มีการกระเจิงได้น้อย เช่น สีแดง ส้ม เหลือง มาถึงตาผู้สังเกตได้

โพลาไรเซชันด้วยการกระเจิง

           เมื่อแสงตกกระทบอนุภาคแขวนลอย เช่น โมเลกุลอากาศ แสงบางส่วนจะถูกดูดกลืนจากนั้นถูกแผ่ออกมาอีกครั้ง กระบวนการเช่นนี้เรียกว่า การกระเจิง

           การกระเจิงสามารถทำให้แสงที่แผ่ออกมาเป็นแสงโพลาไรซ์ได้ แสงแดดในแนวราบซึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ ตอนดวงอาทิตย์ตก แสงแดดนี้เป็นแสงไม่โพลาไรซ์ ซึ่งถูกกระเจิงโดยโมเลกุลในบรรยากาศ เมื่อแสงตกกระทบโมเลกุล ประจุในโมเลกุลจะสั่นตามผลของสนามไฟฟ้าในรูปแบบเดียวกับสายอากาศขนาดเล็ก ทำให้โมเลกุลปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาได้ โดยคลื่นหรือแสงที่ถูกปล่อยออกมามีความเข้มมากที่สุดในทิศตั้งฉากกับแกนการสั่น และไม่มีแสงเกิดขึ้นในทิศขนานกับแกนนี้

          เนื่องจากแสงแดดที่ตกกระทบโมเลกุลเป็นแสงไม่โพลาไรซ์ ดังนั้นโมเลกุลจึงไม่ได้สั่นตามแนวแกนเดียว แต่จะสั่นอย่างสุ่มในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของแสงที่ตกกระทบ ให้พิจารณาการสั่นของโมเลกุลในแต่ละทิศทาง โดยแยกแสงไม่โพลาไรซ์ออกเป็นส่วนประกอบ 2 ส่วน ที่ตั้งฉากกันในทิศเหนือ-ใต้ และทิศขึ้น-ลง

ภาพแสงโพลาไรส์จากการกระเจิง
ที่มา : พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.

          จากภาพเป็นการสั่นของโมเลกุลในทิศเหนือ-ใต้ แสงที่แผ่ออกมาตามเส้นทางที่ 1 , 2 และ 3 จะมีความเข้มเท่ากัน เนื่องจากเป็นทิศที่ตั้งฉากกับแกนเหนือ-ใต้ของการสั่นของโมเลกุลเหมือนกัน แต่สำหรับการสั่นของโมเลกุลในทิศขึ้น – ลง จะเกิดแสงในแต่ละเส้นทางต่างกัน กล่าวคือแสงจะแผ่ตามเส้นทางที่ 1 ซึ่งอยู่ในแนวราบและตั้งฉากกับแกนการสั่นด้วยความเข้มมากที่สุด จากนั้นจะมีความเข้มลดลงในเส้นทางที่ 2 และไม่มีแสงในเส้นทางที่ 3 เนื่องจากอยู่ในแนวขนานกับแกนการสั่น  

          เมื่อรวมแสงจากการสั่นของโมเลกุลที่ผ่านมาจะพบว่า แสงในเส้นทางที่ 1 เป็นแสงไม่โพลาไรซ์ แสงในเส้นทางที่ 2 เป็นแสงโพลาไรซ์บางส่วน และสุดท้าย แสงในเส้นทางที่ 3 เป็นแสงโพลาไรซ์ ดังนั้นการกระเจิงจึงทำให้เกิดแสงโพลาไรซ์ได้ในทิศทำมุม 90 องศา กับทิศของแสงที่ตกกระทบและสามารถสรุปได้ว่า

          แสงที่กระเจิงเป็นมุม 90  องศา กับทิศของแสงตกกระทบจะเป็นแสงโพลาไรซ์ โดยทิศของโพลาไรซ์จะตั้งฉากกับทิศของแสงตกกระทบและทิศของแสงที่กระเจิง

          ตัวอย่างที่ 1 เมื่อแสงจากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นแสงไม่โพลาไรซ์กระทบโมเลกุลของอากาศในท้องฟ้า จะเกิดการกระเจิงออกรอบโมเลกุล แสงกระเจิงในทิศใดที่เป็นแสงโพลาไรซ์มากที่สุด

1. 0 องศา 2. 45 องศา      3. 90 องศา      4. 135 องศา

          เฉลย ข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 3 เพราะแสงกระเจิงจะเป็นแสงโพลาไรซ์ในทิศทำมุมฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของแสงที่ตกกระทบโมเลกุลอากาศ นั่นคือ 90  องศา

          ตัวอย่างที่ 2 การมองเห็นท้องฟ้ามีสีต่าง ๆ เกิดจากการกระเจิงแสงในอากาศที่ห่อหุ้มโลกแสงสีใดมีการกระเจิงได้มากที่สุด

           เฉลย แสงสีม่วง เพราะสีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด

          ตัวอย่างที่ 3 จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้

1. คลื่นแสงเป็นโพลาไรเซชันแสดงว่าเป็นคลื่นตามขวาง เนื่องจากคลื่นตามยาวไม่มีโพลาไรเซชัน

2. ในบริเวณอากาศแห้งแสงสีน้ำเงินกระเจิงได้ดีจึงเห็นท้องฟ้ามีสีน้ำเงิน แต่ในที่สูงมาก ๆ อากาศเจือจางลงสีของท้องฟ้าจะเป็นสีฟ้า

           ข้อใดถูกต้อง

1. ข้อ A ถูก    2. ข้อ B ถูก     3. ถูกทั้งข้อ A และ ข้อ B    4. ไม่ถูกทั้งข้อ A  และ ข้อ B 

          เฉลยข้อที่ถูกคือ ข้อ 3

          ตัวอย่างที่ 4 การที่นักเรียนเห็นท้องฟ้าในตอนเช้าเป็นสีฟ้า เกิดจากปรากฏการณ์ในข้อใด

1. โพลาไรซ์ 2. การกระเจิง             3. การสะท้อน             4.การหักเห

           เฉลยข้อที่ถูกต้องคือ ข้อ 2  

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 6 ม. 6 . กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์ (โต)  ชินนาบุญ . (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4  ม. 4-6 . กรุงเทพฯ:วิทยาพัฒน์.