การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ

    ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์และการทดลองเฮิรตซ์ทำให้ทราบว่า ธรรมชาติมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจริง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าที่ถูกเร่ง เช่น อาจเกิดจากการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายของประจุไฟฟ้าในสายอากาศที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแทนการปิดเปิดสวิตช์ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่
เมื่อต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเข้ากับสายอากาศที่อยู่ในแนวดิ่ง ประจุไฟฟ้าในสายอากาศจะเคลื่อนที่กลับไปมาด้วยความเร่งในแนวดิ่ง เพราะประจุไฟฟ้าที่มีความเร่งจะแผ่รังสี จึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายออกมาจากสายอากาศทุกทิศทาง ยกเว้นทิศที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับสายอากาศ การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศตั้งฉากกับสายอากาศเป็นดังแผนภาพในรูป 18.5
รูป 18.5 แสดงสายอากาศซึ่งเป็นท่อนโลหะสองท่อน ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับถ้าความต่างศักย์เปลี่ยนแปลงกับเวลาในรูปไซน์ จะทำให้ประจุไฟฟ้าในสายอากาศเคลื่อนที่กลับไปมาในท่อนโลหะทั้งสองและจะมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายออกมาโดยรอบ
 
 รูป 18.5 5 แผนภาพการเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่กลับไปมาในสายอากาศและสนามไฟฟ้า
เคลื่อนที่จากสายอากาศด้วยความเร็วแสง(ไม่ได้แสดงสนาม

 

    เมื่อเวลา t = 0 ท่อนโลหะล่างได้รับประจุไฟฟ้าบวกมากที่สุด ส่วนท่อนโลหะบนได้รับประจุไฟฟ้าลบมากที่สุด ทำให้เกิดสนาม

 

ไฟฟ้า  ซึ่งมีค่ามากที่สุดและมีทิศพุ่งขึ้นที่จุด P (สนามไฟฟ้าแทนด้วยเวกเตอร์    และใช้สัญลักษณ์เป็นลูกศร) เมื่อเวลาผ่านไป

 

สนามไฟฟ้าจะลดลงทำให้สนามไฟฟ้าที่เกิดใกล้สายอากาศก็มีค่าลดลงด้วย ในขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้าที่มีค่ามากที่สุด ณ เวลา 

 

t = 0 จะเคลื่อนที่จากสายอากาศด้วยความเร็ว      เท่ากับความเร็วแสงและเมื่อประจุไฟฟ้าเป็นกลาง ณ เวลา 

      (T แทนคาบซึ่งเป็นเวลาที่ประจุไฟฟ้าในท่อนโลหะทั้งสองเคลื่อนที่กลับไปมาครบรอบ) ดังรูป 18.5 ข ขณะนี้สนามไฟฟ้าที่จุด P จะลดลงเป็นศูนย์
     เมื่อเวลาผ่านไป    ท่อนโลหะบนจะมีประจุไฟฟ้าบวกมากที่สุด และท่อนโลหะล่างจะมีประจุไฟฟ้าลบมากที่สุด สนามไฟฟ้าที่จุด P จึงมีค่ามากที่สุดและมีทิศพุ่งลง ดังรูป 18.5 ค  หลังจากนั้นประจุไฟฟ้าในท่อนโลหะจะลดน้อยลงๆ สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใกล้กับสายอากาศก็จะมีค่าน้อยลงๆ เช่นกัน ขณะที่สนามไฟฟ้าที่มีค่ามากที่สุด ณ เวลา        จะเคลื่อนที่ออกจากสายอากาศด้วยอัตราเร็วเดียวกับแสง
    ต่อมาเมื่อถึงเวลา     ประจุไฟฟ้าในท่อนโลหะทั้งสองเป็นกลางอีก ทำให้สนามไฟฟ้าใกล้กับสายอากาศเป็นศูนย์อีก ดังรูป 18.5 ง เมื่อเวลาของการเคลื่อนที่กลับไปมาของประจุไฟฟ้าครบรอบ คือ t = T จะได้สนามไฟฟ้า ดังรูป 18.5 0 สนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้นตามกระบวนการซ้ำรอยเดิม เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ครบรอบเสมอ
    สำหรับสนามแม่เหล็ก  จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในทันทีที่มีสนามไฟฟ้า  เกิดขึ้น สนามไฟฟ้าทั้งสองจะมีการเปลี่ยนแปลงด้วยเฟสตรงกัน ถ้าสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ สนามแม่เหล็กก็เป็นศูนย์ด้วย ทิศของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะตั้งฉากซึ่งกันและกัน ขณะเดียวกันทิศของสนามแม่เหล็กทั้งสองก็ตั้งฉากกับทิศของความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นตามขวาง
 
     
รูป 18.6 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยและ  ที่ตั้งฉากกัน
 
รูปที่ 18.7 ผลคูณเชิงเวกเตอร์ของและ
   
    รูป 18.6 แสดงสนามแม่เหล็ก  ที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะเคลื่อนที่ไปตามแกน x ด้วยความเร็ว  เราอาจหาทิศของ  โดยใช้ผลคูณเชิงเวกเตอร์ของ  และ  โดยใช้กฎมือขวา ถ้ากำนิ้วทั้งสี่ของมือขวาในทิศจาก  ไป  ผ่านมุม 90 องศา นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของ     ดังรูป 18.7
อาจสรุปสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ได้ดังนี้
    1.  สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก  มีทิศตั้งฉากซึ่งกันและกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นตามขวาง
    2. สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก เป็นฟังก์ชันรูปไซน์ และสนามทั้งสองจะเปลี่ยนแปลงตามเวลา ด้วยความถี่เดียวกันและเฟสตรงกัน
    นักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองศึกษาสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและพบว่ามีสมบัติเหมือนคลื่นทั่วไป ได้แก่ การสะท้อนการหักเห การแทรกสอด การเลี้ยวเบน และโพลาไรเซชัน
    
 
 
  
      
 
     
 
         
 
         
 
      
 
   
                
 
       

      

 
 

 
 
 
 
Comments