คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

จากการศึกษาเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิต ไฟฟ้ากระแสและไฟฟ้า แม่เหล็ก สรุปหลักการ ที่สำคัญได้ดังนี้ คือ

1. เมื่อมีประจุอิสระจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้ารอบๆประจุอิสระ โดยความเข้มของสนาม

ไฟฟ้า ณ ตำแหน่งใดๆจะแปรผกผันกับระยะทางกำลังสองจากประจุไฟฟ้านั้น (กฎของคูลอมบ์)

2. เมื่อมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในตัวนำไฟฟ้า ย่อมมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นรอบๆตัวนำ โดยทิศของสนามแม่เหล็กจะวนรอบตัวนำและตั้งฉากกับทิศของกระแส ซึ่งเออร์สเตด เป็นผู้ค้นพบ

3. เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กย่อมมีการเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น แสดงว่าได้มีการเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวนำ ซึ่งผู้ค้นพบปรากฎการณ์นี้คือ ฟาราเดย์

จากหลักการทั้งสาม แมกซ์เวลล์ได้รวบรวมให้อยู่ในรูปสมการทางคณิตศาสตร์ชั้นสูง และได้เสนอเป็นสมมติฐานออกมาว่า

1. ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้ารอบๆการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กนั้น

2. ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้านั้น

การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แมกซ์เวลล์ได้เสนอต่อไปว่า ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าพร้อมกันและต่อเนื่องแล้ว จะเป็นผลให้การเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแผ่ออกไปเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง และแมกซ์เวลล์สรุปว่า แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การแผ่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปรียบเทียบได้กับการแผ่กระจายของคลื่นน้ำที่แผ่ออกจากจุดที่กระทุ่มน้ำ โดย สมมติให้ ลวดตัวนำ คู่หนึ่งเป็นแหล่งกำเนิดคลื่น ที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ สมมติว่ามีเพียงประจุเดียวอยู่ที่ลวดตัวนำแต่ละเส้น แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำให้ประจุบวกและลบเคลื่อนที่ในตัวกลับไปกลับมา เป็นผลให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกมา

การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามหลักของแมกซ์เวลล์ อธิบายได้ว่า เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุที่ถูกเร่ง ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากลวดตัวนำทุกทิศทาง ยกเว้นทิศที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับลวดตัวนำนั้น

เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า จะพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน กล่าวคือ สนามทั้งสองจะมีค่าสูงสุดพร้อมกันและต่ำสุดพร้อมกัน นั่นคือ ทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีเฟสตรงกัน โดยทิศของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก และสนามทั้งสองมีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

สรุปลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. การเปลี่ยนแปลงค่าของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นสนามทั้งสองจึงมีค่าสูงสุดและต่ำสุดพร้อมๆกัน หรือมีเฟสตรงกัน

2. ทิศของสนามแม่เหล็กและทิศของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากซึ่งกันและกัน และตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นซึ่งมีลักษณะเป็นคลื่นตามขวาง

3. ณ บริเวณใดมีคลื่นไฟฟ้าผ่านบริเวณนั้นจะมีสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทันที

4. อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่คงที่ จะมีการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา

การทดลองของเฮิรตซ์

เฮิรตซ์ ได้ทดลองเพื่อพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ โดยใช้ขดลวดเหนี่ยวนำที่ให้ค่าความต่างศักย์สูงเชื่อมต่อกับโลหะทรงกลม 2 ลูกซึ่งวางใกล้กันมาก จะมีหน้าที่คล้ายกับตัวเก็บประจุ อุปกรณ์ชิ้นนี้คล้ายกับวงจร LC ของเครื่องส่งคลื่นวิทยุ การออสซิลเลตของคลื่นทำได้โดย ป้อนความต่างศักย์เป็นช่วงคลื่นสั้นๆ เข้าไปที่ขดลวดตัวนำ จะเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ประมาณ 100 MHz จากนั้นเฮริตซ์สร้างวงจรขึ้นมาอีกวงหนึ่ง ประกอบด้วยขดลวดเพียงขดเดียว ที่ปลายขดลวดมีทรงกลมตัวนำวางไว้ใกล้กัน วงจรชุดนี้ทำหน้าที่คล้ายเครื่องรับคลื่น

เฮิรตซ์พบอีกว่าวงจรรับคลื่น จะสามารถรับคลื่นได้ก็ต่อเมื่อ ความถี่ที่ส่งมานั้นเป็นความถี่รีโซแนนซ์ของวงจรรับคลื่นพอดี ถ้าความต่างศักย์บนขดลวดชุดรับคลื่นมีค่าสูง จะทำให้เกิดประกายไฟข้ามไปมาระหว่างทรงกลมทั้งสอง

การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า พลังงานสามารถส่งผ่านจากที่หนึ่งไปยังที่หนึ่งได้โดยอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า