เรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและแสง

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นตามขวางที่สามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางในกลางเคลื่อนที่ เพราะเป็นคลื่นที่ประกอบด้วยสนามไฟฟ้า () และสนามแม่เหล็ก ()

โดยมีทิศทางตั้งฉากกันและตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่นด้วยดังรูปที่ 1 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการสั่นของประจุไฟฟ้าเกิดสนามไฟฟ้า เหนี่ยวนำทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

รูปที่ 1 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

            การสั่นของประจุไฟฟ้าขึ้นลงด้วยความถี่ (f) นั้นทำให้สนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลา รวมไปถึงสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าด้วย และเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงจะเกิดการเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้าขึ้นในทิศตั้งฉาก ปรากฏการณ์นั้นเกิดขึ้นวนไป ซึ่งจะทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารเคลื่อนที่ไปในสุญญากาศได้ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง ( c = 3×10⁸ m/s)

         ทฤษฎีการเหนี่ยวนำของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กนี้มาจากแม็กซ์เวลล์ การเคลื่อนที่ของสนามไฟฟ้าอธิบายได้ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 การเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามทฤษฎีของแม็กซ์เวลล์

เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่มีพลังงานในตัวเองดังนั้นจะสามารถคำนวณหาค่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้จากสมการที่ 1

(1.)             

เมื่อ

•   คือพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 
•   คือ ค่าคงที่ของพลังค์ 6.62 × 10^-34 จูล.วินาที    
•   คือความถี่คลื่น

โดยปกติแล้วคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าส่งผ่านมาได้หลายระนาบ การที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีเพียงระนาบเดียวจะเรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ว่า คลื่นโพลาไรส์ และการทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟ้ฟ้าเป็นคลื่นโพลาไรส์นี้เรียกว่า โพลาไรเซชัน ซึ่งมีวิธีทำได้ 2 วิธีด้วยกันคือ การใช้แผ่นโพลารอยด์ และการสะท้อนแสง

การใช้แผ่นโพลารอยด์ หรือแผ่นกรองแสง

แผ่นโพลารอยด์เป็นแผ่นที่มีโมเลกุลของวัสดุเรียงตัวขนานกัน เมื่อแสงซึ่งมีหลายระนาบส่องผ่านมาจะมีเพียงแสงมีมีระนาบเดียวกับระนาบของแผ่นโพลารอยด์เท่านั้นที่จะสามารถส่องผ่านไปได้ ทำให้แสงที่ผ่านแผ่นโพลารอยด์จะเป็นแสงโพลาไรส์เนื่องจากเป็นแสงที่มีระนาบเดียว วิธีตรวจสอบคือการนำแผ่นโพลารอยด์อีกแผ่นที่มีระนาบอื่นมากั้นจะพบว่าไม่มีแสงผ่านแผ่นโพลารอยด์นั้นออกมาได้

การสะท้อนแสง

เมื่อแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่หนึ่งเข้าไปในตัวกลางที่สองจะมีแสงส่วนหนึ่งเคลื่อนที่เข้าไปในตัวกลางที่สอง ซึ่งจะเกิดการหักเหของแสงในตัวกลางที่สอง แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนตัวกลางที่สอง ตามกฎการสะท้อน “มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน” ซึ่งถ้าลำแสงสะท้อน ตั้งฉากกับลำแสงหักเหในตัวกลางที่สอง ลำแสงสะท้อนนั้นจะเป็น แสงโพลาไรส์ ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสงโพลาไรส์จากการสะท้อนแสง

• สามารถหาค่าดัชนีหักเหของตัวกลางที่ 2 ได้จาก

โพลาไรเซชันของแสง Polarization of Light

คลื่นทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นคลื่นตามยาวหรือคลื่นตามขวางก็ตามจะมีสมบัติหรือเกิดปรากฏการณ์การแทรกสอดและการเลี้ยวเบนได้ ในขณะที่ปรากฏการณ์โพลาไรซ์  (Polarization) เกิดได้เฉพาะกับคลื่นตามขวาง (transverse wave) เท่านั้น และคลื่นแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สามารถเกิดปรากฏการณ์โพลาไรเซชันได้ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นแสงเป็นคลื่นตามขวางและเนื่องจากคลื่นแสงประกอบด้วยสนามไฟฟ้า E และสนามไฟฟ้า B ที่มี ทิศตั้งฉากกันและมีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่
ดังนั้นคลื่นแสงจึงจัดเป็นคลื่นตามขวาง แสงทั่วๆ ไป ไม่ว่าจะเป็นแสงจากดวงอาทิตย์แสงจากหลอดไฟ หรือแสงจากเทียน แสงจากแหล่งกำเนิดเหล่านี้ล้วนแต่เป็นแสงที่ไม่โพลาไรซ์ (Unpolarized Light) เพราะว่า สนามไฟฟ้ามี การสั่นในทุกทิศทาง ดังภาพ (ก) ในขณะที่แสงโพลาไรซ์ (polarized Light)คือแสงที่มีทิศทาง การสั่นของสนามไฟฟ้า E ในแนวใดแนวหนึ่งเท่านั้น ดังภาพ(ข) แสดงแสงโพลาไรซ์ที่สนาม ไฟฟ้าสั่นในแนวดิ่งเท่านั้น ทั้งนี้เราสามารถทำให้แสงที่ไม่โพลาไรซ์ ให้เป็นแสงที่โพลาไรซ์ได้หลายวิธี