เมื่อสวิตช์แบบสั่นปิด-เปิดวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดปฐมภูมิจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นจังหวะตามไปด้วย ซึ่งจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีการเปลี่ยนแปลงภายในแกนเหล็กของวงแหวน เนื่องจากขดลวด B มีจำนวนขดมาก ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนี้จะเหนี่ยวนำทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงมาก ความต่างศักย์ช่วงสั้นๆ จะปรากฏที่ปลายทั้งสองขดลวด B ซึ่งทำเป็นช่องว่างที่แคบไว้ สนามไฟฟ้าภายในช่องแคบจะมีค่ามากพอที่จะทำให้อากาศระหว่างช่องแคบแตกตัว จึงเป็นตัวนำไฟฟ้าให้กระแสไฟฟ้าผ่านช่องแคบได้ ฉะนั้นทุกครั้งที่สวิตช์ปิดหรือเปิดวงจร จะเห็นประกายไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบนี้ Show
การรับคลื่นแม่เหล็กฟ้าของเฮิรตซ์การรับคลื่นแม่เหล็กฟ้าของเฮิรตซ์ เฮิรตซ์อธิบายการเกิดประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ D ดังนี้ ขณะที่เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงช่วงสั้นๆ ในขดลวด B ความต่างศักย์ซึ่งมีความถี่สูงมากจะเกิดระหว่างแผ่นราบทั้งสองที่ต่อไว้ ความถี่นี้สามารถควบคุมได้ด้วยขนาดของแผ่นราบและช่องว่าง G ในการทดลองทั่วไป ความถี่จะมีค่าประมาณ 108 เฮิรตซ์ ความต่างศักย์แปรเปลี่ยนที่เกิดขึ้นช่วงเวลาหนึ่งและมีความถี่สูง จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสลับเคลื่อนที่ผ่านช่อง G เป็นประกายไฟฟ้าดังที่กล่าวแล้ว ประการไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้น เกิดจากกระแสไฟฟ้ากระโดดข้ามช่องแคบกลับไปกลับมาหลายๆครั้ง เพราะสนามไฟฟ้าระหว่างช่อง G ที่เปลี่ยนแปลง เหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้านี้จึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากแหล่งกำเนิด โดยความถี่ของคลื่นมีค่าเท่ากับความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่กระโดดข้ามช่องแคบไปมา เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านลวดตัวนำวงกลมในรูป ซึ่งมีรัศมีและขนาดช่องแคบ D ที่เหมาะสม จะทำให้เกิดความต่างศักย์เปลี่ยนค่าที่มีความถี่สูงเท่ากับความถี่ของคลื่นที่ช่องแคบ D นี้ จึงทำให้เกิดสนามไฟฟ้าความเข้มสูงมาก จนอากาศระหว่างช่องแคบแตกตัวเป็นไอออน ทำให้มีกระแสฟ้าผ่านช่องแคบนี้เป็นประกายไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnetic disturbance) คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟมีความถี่ช่วง 108 – 1012 Hz มีประโยชน์ในการสื่อสาร แต่จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ในการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะ ๆ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้นสัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ดาวเทียมนำสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ เนื่องจากไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำไปใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน เรียกอุปกรณ์ดังกล่าวว่า เรดาร์ โดยส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำให้ทราบระยะห่างระหว่างอากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้ ความถี่ 108 – 1012 เฮิรตซ์ คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ (THz sensing) นับว่าเป็นเรื่องยากที่จะสามารถตรวจวัดคลื่นนี้ได้ เนื่องจากคลื่นนี้มีความถี่สูงเกินไปที่จะใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการตรวจสอบ แต่คลื่นนี้ก็มีพลังงานโฟตอนต่ำกว่าแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้นการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ จึงต้องคิดอุปกรณ์ใหม่ที่สามารถตรวจวัดช่วงคลื่นนี้ได้ แนวทางการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ แบ่งเป็น 3 ประเภท คือ – การตรวจวัดแบบความร้อน (Bolometric (thermal) detection) เมื่อคลื่นเทระเฮิตรซ์ผ่านอุปกรณ์ตรวจจับคลื่นในช่วง THz จะมีการดูดกลื่นพลังงานของคลื่นไว้ ทำให้อุปกรณ์มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น – การตรวจวัดแบบคลื่น (Wave detection) การตรวจวัดวิธีนี้ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ตรวจวัด (detector) ที่มีความเร็วสูงในการตรวจวัดด้วยเวลาคงตัวในหน่วยนาโนวินาที (ns) และต้องวัดที่อุณหภูมิห้อง – การตรวจวัดแบบควอนตัม (Quantum detection) หรือการตรวจวัดอนุภาค โดยจะตรวจจับโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์นั่นเอง เมื่อเราทราบวิธีตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์กันแล้ว ต่อมาเราจะมาดูเทคโนโลยีที่ใช้คลื่นนี้กัน
เทคโนโลยีทางภาพ (THz imaging) เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีสมบัติทวิภาคของคลื่น คือสามารถเป็นได้ทั้งอนุภาคและคลื่น ซึ่งอนุภาคของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า โฟตอน โดยพลังงานโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์อยู่ในช่วง 1 – 100 meV(1 eV = 1.6 x 10-19 J) โดยช่วงพลังงานนี้สามารถใช้ได้กับโมเลกุลและวัสดุหลายประเภท สมบัตินี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีทางภาพ (เช่นเดียวกับฟิล์ม X – ray) การฉายคลื่นนี้ผ่านไปยังวัตถุ แล้วจับภาพของการกระจายของคลื่นแสง เปรียบเทียบกับการถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ ปรากฏว่าคลื่นมีอันตรายน้อยกว่า และไม่ทำให้เกิดความเสียหายต่อวัตถุหรือโมเลกุลมากนัก เนื่องจากพลังงานโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์ น้อยกว่าพลังงานโฟตอนของรังสีเอกซ์ ประโยชน์ในส่วนนี้ของคลื่นเทระเฮิรตซ์สามารถนำไปใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจสอบความปลอดภัย การจับภาพทางดาราศาสตร์ และการวิเคราะห์วัสดุหรือโมเลกุลชีวภาพต่าง ๆ โดยไม่ทำลายโมเลกุลเหล่านั้น อย่างไรก็ตามการใช้คลื่นเทระเฮิรตซ์ในเทคโนโลยีทางภาพก็มีปัญหาที่ยังต้องพัฒนาและปรับปรุงต่อไป นั่นก็คือความละเอียดของภาพที่ได้ยังต่ำ เนื่องจากความละเอียดของการจับภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นในการเลี้ยวเบนของคลื่น (ความยาวคลื่นของคลื่นเทระเฮิรตซ์สั้นมากเมื่อเทียบกับ Visible light และ Ultra violet) ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องพัฒนาการจับภาพให้มีความละเอียดสูง โดยเทคนิคที่ใช้พัฒนาการจับภาพทางด้านนี้ ได้แก่ การฝังตัวของเลนส์ในของแข็ง (Solid immersion THz lens) กล้องเทระเฮิรตซ์ (THz camera) และการจับภาพเทระเฮิรตซ์แบบสนามใกล้ (Near-field THz imaging)
เทระเฮิรตซ์สเปกโทรสโกปี (THz spectroscopy) เนื่องจากพลังงานโฟตอนและคาบของคลื่นเทระเฮิรตซ์ความถี่ 1 THz มีค่าเป็น 4 meV และ 1 ps ตามลำดับ ซึ่งสมบัติของวัสดุที่สำคัญหลาย ๆ อย่าง ก็อยู่ในช่วงพลังงานและคาบนี้เช่นกัน เช่น ช่องว่างพลังงานของตัวนำยิ่งยวด (energy gap of superconductor) ระดับพลังงานของสารเจือปนในสารกึ่งตัวนำ (impurity level of semiconductor) พลังงานโฟนอน (phonon energy) ระดับระยะห่างของ Landau (Landau level separation) และระยะห่างของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ถูกจำกัดในสารกึ่งตัวนำมิติน้อย นอกจากนี้ การวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นเทระเฮิรตซ์ ยังสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ อีกด้วย เช่น การวิเคราะห์ความถี่จำเพาะของโพลิเมอร์ และโมเลกุลชีวภาพ รวมถึงการแผ่รังสีคลื่นเทระเฮิรตซ์จากเคหวัตถุ ซึ่งจะนำไปสู่ความเข้าใจในเอกภพ ฉะนั้น เทระเฮิรตซ์สเปกโทรสโกปี จึงได้ถูกประยุกต์ในหลายสาขา ได้แก่ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และดาราศาสตร์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นจากสาเหตุใดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic disturbance) โดยการทำให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หรือถ้าสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นยังไงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกันเอง และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง จึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศได้
ข้อใดจัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า2) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น แสง คลื่นวิทยุ คลื่นโทรทัศน์
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติ มีอะไรบ้าง2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves) หมายถึงคลื่นที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ นั่นคือ จะมีตัวกลางหรือไม่มีตัวกลาง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็สามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ ตัวย่างเช่น คลื่นแสง รังสีอินฟาเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีไมโครเวฟ รังสีแกมมา คลื่นวิทยุ คลื่นโทรทัศน์
|