คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า: พวกมันคืออะไรและเกิดขึ้นได้อย่างไร (พร้อมตัวอย่าง)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) กำลังหวือหวาอยู่รอบตัวคุณตลอดเวลา และการศึกษาของคลื่นเหล่านี้แสดงถึงส่วนสำคัญของฟิสิกส์ การทำความเข้าใจ จำแนก และอธิบายรูปแบบต่างๆ ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ช่วย NASA และ หน่วยงานทางวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ผลักดันเทคโนโลยีของมนุษย์เข้าสู่ดินแดนที่ยังไม่ได้สำรวจก่อนหน้านี้ซึ่งมักจะเป็นเรื่องที่น่าทึ่ง วิธี ทว่าเพียงเสี้ยวหนึ่งของคลื่น EM เท่านั้นที่มองเห็นได้ด้วยตามนุษย์

ในวิชาฟิสิกส์ คณิตศาสตร์จำนวนหนึ่งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่สิ่งที่ดีในวิทยาศาสตร์กายภาพก็คือ คณิตศาสตร์มีแนวโน้มที่จะ "เรียบร้อย" อย่างมีเหตุผล นั่นคือ เมื่อคุณคุ้นเคยกับสมการพื้นฐานแล้ว ของกลศาสตร์แบบคลาสสิก (เช่น ปกติวัตถุขนาดใหญ่ที่มองเห็นได้เคลื่อนที่ไปรอบๆ) สมการของแม่เหล็กไฟฟ้าดูคุ้นๆ แต่ต่างกัน ตัวแปร

เพื่อให้เข้าใจสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นได้ดีที่สุด คุณควรมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับสมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งได้มาจากเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ในช่วงครึ่งหลังของปี ค.ศ. 1800 สมการเหล่านี้ซึ่งเป็นที่มาของคำตอบทั่วไปสำหรับคลื่น EM อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก ในตอนท้ายคุณควรเข้าใจความหมายของการ "เป็น" คลื่น – อย่างไรเหล่านี้คลื่นเฉพาะจะแตกต่างกันเล็กน้อย

สมการของแมกซ์เวลล์กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กและอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวทั้งหมด Maxwell ค้นพบจากผลงานของนักฟิสิกส์เช่น Carl Gauss, Michael Faraday และ Charles-Augustin de Coulomb ว่าสมการที่นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้สร้างขึ้นเกี่ยวกับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กมีเสียงโดยพื้นฐาน แต่ ไม่สมบูรณ์

ถ้าคุณไม่คุ้นเคยกับแคลคูลัส อย่าท้อแท้ คุณสามารถทำตามได้ค่อนข้างดีโดยไม่ต้องแก้ไขอะไรเลย เพียงจำไว้ว่าการรวมเข้าด้วยกันไม่ใช่อะไรมากไปกว่ารูปแบบที่ชาญฉลาดในการค้นหาพื้นที่ใต้เส้นโค้งในกราฟโดยการเพิ่มส่วนโค้งเล็กๆ อย่างไม่น่าเชื่อ นอกจากนี้ แม้ว่าตัวแปรและคำศัพท์อาจไม่มีความหมายมากนักในตอนแรก คุณจะย้อนกลับไปดูซ้ำๆ ตลอดทั้งบทความว่า "ไฟ" ยังคงสว่างขึ้นสำหรับคุณในหัวข้อสำคัญนี้

​สมการแรกของแมกซ์เวลล์มาจากกฎของเกาส์สำหรับสนามไฟฟ้าซึ่งระบุว่าฟลักซ์ไฟฟ้าสุทธิผ่านพื้นผิวปิด (เช่นด้านนอกของทรงกลม) เป็นสัดส่วนกับประจุภายใน:

ในที่นี้ สามเหลี่ยมคว่ำ ("nabla" หรือ "del") แทนตัวดำเนินการไล่ระดับสามมิติρคือความหนาแน่นประจุต่อหน่วยปริมาตรและε​₀ เป็นไฟฟ้าการอนุญาติของพื้นที่ว่าง​.

​สมการที่สองของแมกซ์เวลล์เป็นกฎของเกาส์สำหรับสนามแม่เหล็ก ซึ่งต่างจากกรณีที่มีสนามไฟฟ้าไม่มี "ประจุแม่เหล็กแบบจุด" หรือโมโนโพลแม่เหล็ก. เส้นสนามแม่เหล็กจะปรากฏเป็นวงปิดแทน ฟลักซ์แม่เหล็กสุทธิผ่านพื้นผิวปิดจะเป็น 0 เสมอ ซึ่งส่งผลโดยตรงจากสนามแม่เหล็กเป็นขั้วคู่

กฎหมายกำหนดว่าทุกเส้นจากสนามแม่เหล็กบีการป้อนปริมาตรที่เลือกในอวกาศจะต้องออกจากปริมาตรนั้น ณ จุดใดจุดหนึ่ง และนั่นคือฟลักซ์แม่เหล็กถัดไปที่ผ่านพื้นผิวจึงเป็นศูนย์

​สมการที่สามของแมกซ์เวลล์(กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของฟาราเดย์) อธิบายว่าสนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างไร ตัวตลก " funny" หมายถึง "อนุพันธ์บางส่วน" และแสดงถึงความผันผวน สัญลักษณ์แปลก ๆ ความสัมพันธ์แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ไฟฟ้าเป็นผลมาจากและผูกพันa obliไม่คงที่สนามแม่เหล็ก.

​สมการที่สี่ของแมกซ์เวลล์(กฎของแอมแปร์-แมกซ์เวล) เป็นบ่อเกิดของตัวอื่นๆ สำหรับการแก้ไขของแมกซ์เวลล์ต่อความล้มเหลวของแอมแปร์ พิจารณากระแสไม่คงที่กระเพื่อมผ่านสมการอีกสามสมการที่มีตัวประกอบการแก้ไขของพวกมัน ของตัวเอง สมการได้มาจากกฎของแอมแปร์และอธิบายว่าสนามแม่เหล็กเกิดจากกระแส (ประจุเคลื่อนที่) สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงหรือทั้งสองอย่าง

ที่นี่μ​₀ คือการซึมผ่านของพื้นที่ว่าง สมการแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กภายในพื้นที่ที่กำหนดรอบกระแสในเส้นลวดอย่างไรเจเปลี่ยนแปลงตามกระแสนั้นและด้วยสนามไฟฟ้าอี​.

เมื่อแมกซ์เวลล์สร้างความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กด้วยสมการของเขาแล้ว เขามองหาคำตอบของสมการต่างๆ ที่อาจอธิบายปรากฏการณ์ใหม่

เนื่องจากสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสร้าง สนามไฟฟ้า Maxwell กำหนดว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถแพร่กระจายได้เอง สร้างขึ้น โดยใช้สมการของเขา เขาได้กำหนดว่าความเร็วของคลื่นดังกล่าวจะมีความเร็วเท่ากับความเร็วของแสง ปรากฎว่าไม่ใช่เรื่องบังเอิญ และนำไปสู่การค้นพบว่าแสงเป็นรูปแบบของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า!

โดยทั่วไป คลื่นคือการสั่นในตัวกลางที่ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง คลื่นมีความยาวคลื่น คาบและความถี่สัมพันธ์กัน ความเร็ววีของคลื่นคือความยาวคลื่นของมันλคูณด้วยความถี่ฉ, หรือ λf = v.

หน่วย SI ของความยาวคลื่นคือเมตร แม้ว่ามักจะพบนาโนเมตรมากกว่าเพราะสะดวกกว่าสำหรับสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ความถี่ถูกวัดเป็นรอบต่อวินาที (s^-1) หรือเฮิรตซ์(Hz) ต่อจาก ไฮน์ริช เฮิรตซ์ ช่วงเวลาตู่ของคลื่นคือระยะเวลาที่ใช้ในการทำหนึ่งรอบให้เสร็จ หรือ 1/f

สำหรับกรณีของคลื่น EM ไม่เหมือนกับสถานการณ์ของคลื่นกลวีคงที่ในทุกสถานการณ์ ซึ่งหมายความว่าλแตกต่างกันไปผกผันกับฉ. นั่นคือความถี่ที่สูงขึ้นหมายถึงความยาวคลื่นที่สั้นลงสำหรับค่าที่กำหนดวี. "ความถี่สูง" ยังหมายถึง "พลังงานสูง" ด้วย นั่นคือ พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอีเป็นจูล (J) เป็นสัดส่วนกับฉ, ผ่านปัจจัยที่เรียกว่าค่าคงที่ของพลังค์ห่า​ (= 6.62607 × 10^-34 เจ)

• สมการของคลื่นคือy = บาป (kx − ωt)ที่ไหนอาคือแอมพลิจูดxคือ การกระจัดตามแนวแกน xkคือเลขคลื่น 2π/k และ

​ω​

คือความถี่เชิงมุม 2π/T

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามไฟฟ้า (อี) คลื่นสั่นในระนาบตั้งฉาก (ที่มุมฉาก) กับสนามแม่เหล็ก (บี) คลื่น หากคุณจินตนาการว่าตัวเองเป็นคลื่น EM วอลลิง ("การขยายพันธุ์") ข้ามพื้นราบอีองค์ประกอบของคลื่นสั่นในระนาบแนวตั้งผ่านร่างกายของคุณและบีคลื่นแกว่งไปมาภายในพื้นแนวนอน

เนื่องจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ ก็ตามจะมีความถี่และความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกัน ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งคือ เนื่องจากความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกกำหนดไว้ที่ c = 3 × 10⁸ m/s ความเร็วที่แสงเดินทางในสุญญากาศ (ยังใช้สำหรับความเร็วของแสงในอากาศสำหรับการประมาณที่ใกล้เคียง) ความถี่ที่ต่ำกว่าจึงสัมพันธ์กับความยาวคลื่นที่ยาวกว่าและในทางกลับกัน

คลื่น EM ไม่ต้องการตัวกลางเช่นน้ำหรือก๊าซที่จะแพร่กระจาย ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถสำรวจสูญญากาศของพื้นที่ว่างด้วยความเร็วที่เร็วที่สุดในจักรวาลทั้งหมด!

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกผลิตขึ้นในช่วงความถี่และความยาวคลื่นมหาศาล เริ่มต้นด้วยความถี่ต่ำ (พลังงานต่ำ) และความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น รังสี EM ประเภทต่างๆ ได้แก่

• ​คลื่นวิทยุ(ประมาณ 1 ม. และนานกว่านั้น): การแผ่รังสี EM ความถี่วิทยุครอบคลุมประมาณ 20,000 ถึง 300 พันล้านเฮิรตซ์ "บิน" เหล่านี้ไม่เพียง แต่ทั่วโลก แต่ลึกลงไปในอวกาศ และการควบคุมโดย Marconi ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 20 ได้ปฏิวัติโลกของมนุษย์ การสื่อสาร
• ​ไมโครเวฟ(ประมาณ 1 มม. ถึง 1 ม.): สิ่งเหล่านี้สามารถเจาะเข้าไปในอวกาศได้ แต่มีประโยชน์ในการใช้งานสภาพอากาศเพราะสามารถทะลุเมฆได้
• ​คลื่นอินฟราเรด(700 นาโนเมตร ถึง 1 มม.): รังสีอินฟราเรดหรือ "แสงอินฟราเรด" เป็นของแว่นตา "สำหรับการมองเห็นตอนกลางคืน" และอุปกรณ์เพิ่มประสิทธิภาพการมองเห็นอื่นๆ
• ​แสงที่มองเห็น(400 นาโนเมตร ถึง 700 นาโนเมตร): คลื่นแสงในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ครอบคลุมช่วงความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและช่วงความยาวคลื่นเพียงเล็กน้อย ท้ายที่สุดแล้ว ดวงตาของคุณเป็นผลิตภัณฑ์ที่ค่อนข้างอนุรักษ์นิยมในสิ่งที่ธรรมชาติต้องการให้พวกมันรวบรวมไว้เพื่อความอยู่รอดในชีวิตประจำวัน
• ​แสงอัลตราไวโอเลต(10 นาโนเมตรถึง 400 นาโนเมตร): รังสีอัลตราไวโอเลตเป็นสาเหตุของการถูกแดดเผาและอาจเป็นมะเร็งผิวหนังด้วย อย่างไรก็ตาม เตียงสำหรับฟอกหนังก็คงไม่มีอยู่จริงหากไม่มีมัน
• ​เอ็กซ์เรย์(ประมาณ 0.01 นาโนเมตรถึง 10 นาโนเมตร): การแผ่รังสีพลังงานสูงนี้เป็นเครื่องช่วยวินิจฉัยทางการแพทย์ที่เหลือเชื่อ แต่ต้องสมดุลย์กับศักยภาพที่จะทำร้ายร่างกายตัวเองให้สูงขึ้น ความเสี่ยง
• ​รังสีแกมมา(< 0.01 นาโนเมตร): อย่างที่คุณคาดไว้ นี่คือพลังงานที่สูงมาก และด้วยเหตุนี้การแผ่รังสีที่อาจถึงตายได้ หากไม่ใช่เพราะชั้นบรรยากาศของโลกที่ปิดกั้นส่วนใหญ่ของมัน ชีวิตในรูปแบบปัจจุบันคงไม่สามารถดำเนินต่อไปได้เมื่อหลายพันล้านปีก่อน ใช้รักษาเนื้องอกที่ลุกลามโดยเฉพาะอย่างยิ่ง

เนื่องจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามีทั้งคุณสมบัติของคลื่น และจะทำหน้าที่เหมือนคลื่นเมื่อวัดเป็นเช่นนี้ แต่ยังทำหน้าที่เหมือนอนุภาคด้วย (เรียกว่าโฟตอน) เมื่อวัดเช่นนี้ เราบอกว่ามันมีความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาค

กระแสคงที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กคงที่ ในขณะที่กระแสที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง หากการเปลี่ยนแปลงคงที่และเป็นวัฏจักร คลื่น (และสนามที่เกี่ยวข้อง) จะแกว่งหรือแกว่งไปมาอย่างรวดเร็วในระนาบ

หลักการสำคัญเดียวกันนี้ทำงานในทางกลับกัน: สนามแม่เหล็กที่สั่นจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่สั่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นผลมาจากการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก หากประจุเคลื่อนที่ไปมาตามเส้นลวด จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนไป ซึ่งในทางกลับกัน in สร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งจะแพร่กระจายในตัวเองเป็นคลื่น EM ซึ่งสามารถเปล่งแสงได้ โฟตอน นี่เป็นตัวอย่างของคลื่นตามขวางสองคลื่น (และทุ่งนา) ที่ตัดกันเพื่อสร้างคลื่นตามขวางอีกอันหนึ่ง

• อะตอมและโมเลกุลสามารถดูดซับและปล่อยความถี่เฉพาะของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สอดคล้องกับระดับพลังงานเชิงปริมาณที่เกี่ยวข้อง

ผู้คนมักสับสนคลื่นสองประเภทนี้เพียงเพราะพวกเขาคุ้นเคยกับการฟังวิทยุ แต่คลื่นวิทยุเป็นอย่างที่คุณทราบอยู่แล้วว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า พวกเขาเดินทางด้วยความเร็วแสงและส่งข้อมูลจากสถานีวิทยุไปยังวิทยุของคุณ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนั้นจะถูกแปลงเป็นการเคลื่อนที่ของผู้พูด ซึ่งทำให้เกิดคลื่นเสียง ซึ่งก็คือตามยาวคลื่นในอากาศ (เช่นในสระน้ำหลังจากถูกหินขว้างมารบกวน)

• คลื่นเสียงเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 343 เมตร/วินาทีในอากาศ ซึ่งช้ากว่าคลื่นวิทยุมากและต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงความถี่ดอปเปลอร์ในการแผ่รังสี EM ช่วยให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถบอกได้ว่าวัตถุในอวกาศกำลังเคลื่อนที่เข้าหาเราหรือ อยู่ห่างจากเราเพราะวัตถุนิ่งที่ปล่อยคลื่น EM จะแสดงรูปแบบที่แตกต่างจากที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับผู้สังเกตคงที่

เทคนิคที่เรียกว่าสเปกโทรสโกปีช่วยให้นักเคมีสามารถกำหนดองค์ประกอบของก๊าซได้ ชั้นบรรยากาศของโลกปกป้องชีวมณฑลจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่เป็นอันตรายที่สุดและการแผ่รังสีพลังงานสูงอื่นๆ เช่น รังสีแกมมา เตาอบไมโครเวฟสำหรับทำอาหารช่วยให้นักศึกษาเตรียมอาหารในหอพักได้ สัญญาณโทรศัพท์มือถือและ GPS เป็นส่วนเสริมที่ค่อนข้างใหม่แต่มีความสำคัญอยู่แล้วในรายการเทคโนโลยีที่พึ่งพาพลังงาน EM