ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของเฮิรตซ์

               ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของเฮิรตซ์

                แมกซ์เวลล์ได้รวบรวมกฎต่างๆที่เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า มาสรุปเป็นทฤษฎีโดยนำเสนอในรูปของสมการคณิตศาสตร์ ซึ่งแมกซ์เวลล์ใช้ทำนายว่าสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และในขณะเดียวกันสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาก็ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าด้วย โดยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กต่างก็มีทิศตั้งฉากกัน แมกซ์เวลล์ยังทำนายอีกว่ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น จากการเหนี่ยวนำอย่างต่อเนื่องระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก ทำให้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วของแสง แมกซ์เวลล์จึงเสนอความคิดว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ช่วงหนึ่ง คำทำนายนี้ได้รับการยืนยันว่าเป็นจริงโดยการทดลองของเฮิรตซ์

รูป แมกซ์เวลล์

                James  Clerk Maxwell (พ.ศ. 2374 - 2422) นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ผลงานที่ทำให้เขามีชื่อเสียงมากที่สุดคือทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและนอกจากนี้ เขายังเป็นผู้นำวิทยาการด้านกลศาสตร์สถิติมาอธิบายการแจกแจงอัตราเร็วของโมเลกุลของแก๊ส ซึ่งมีความสำคัญในการพัฒนาทฤษฏีจลน์ของแก๊ส

เฮิรตซ์ได้ทดลองพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ โดยใช้ขดลวดสองขด พันรอบแกนเหล็กวงแหวน ดังรูป 18.2 ขดลวด A เป็นขดลวดปฐมภูมิ ขดลวด B เป็นขดลวดทุตยภูมิ ซึ่งมีจำนวนขดลวดมากกว่าขดลวด A มาก ปลายของดลวดทุติยภูมิทั้งสองข้างอยู่ห่างกันเป็นช่องว่างแคบ G S เป็นสวิตช์แบบสั่นซึ่งการสั่นของสวิตช์จะทำหน้าที่ปิดเปิดวงจรไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ มีผลทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ผ่านขดลวดปฐมภูมิ ตามจังหวะการปิดเปิดของสวิตช์

รูป 18.2 ขดลวดเหนี่ยวนำในการทดลองของเฮิรตซ์

                เมื่อสวิตช์แบบสั่นปิด-เปิดวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดปฐมภูมิจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นจังหวะตามไปด้วย ซึ่งจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีการเปลี่ยนแปลงภายในแกนเหล็กของวงแหวน เนื่องจากขดลวด B มีจำนวนขดมาก ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนี้จะเหนี่ยวนำทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงมาก ความต่างศักย์ช่วงสั้นๆ จะปรากฏที่ปลายทั้งสองขดลวด B ซึ่งทำเป็นช่องว่างที่แคบไว้ สนามไฟฟ้าภายในช่องแคบจะมีค่ามากพอที่จะทำให้อากาศระหว่างช่องแคบแตกตัว จึงเป็นตัวนำไฟฟ้าให้กระแสไฟฟ้าผ่านช่องแคบได้ ฉะนั้นทุกครั้งที่สวิตช์ปิดหรือเปิดวงจร จะเห็นประกายไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบนี้

                เมื่อเฮิรตซ์ใช้แผ่นโลหะแบนต่อเข้ากับปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิตรงช่องแคบ G และใช้เส้นลวดตัวนำงอเป็นรูปวงกลมโดยเหลือช่องแคบ D ไว้ แล้วนำมาใกล้ช่องแคบ G พอสมควร ดังรูป 18.3 จะสังเกตเห็นประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ D ทุกครั้งที่เกิดประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ G

รูป 18.3 การรับคลื่นแม่เหล็กฟ้าของเฮิรตซ์ 

เฮิรตซ์อธิบายการเกิดประกายไฟฟ้าที่ช่องแคบ D ดังนี้ ขณะที่เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงช่วงสั้นๆ ในขดลวด B ความต่างศักย์ซึ่งมีความถี่สูงมากจะเกิดระหว่างแผ่นราบทั้งสองที่ต่อไว้ ความถี่นี้สามารถควบคุมได้ด้วยขนาดของแผ่นราบและช่องว่าง G ในการทดลองทั่วไป ความถี่จะมีค่าประมาณ  เฮิรตซ์  ความต่างศักย์แปรเปลี่ยนที่เกิดขึ้นช่วงเวลาหนึ่งและมีความถี่สูง จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสลับเคลื่อนที่ผ่านช่อง G เป็นประกายไฟฟ้าดังที่กล่าวแล้ว

ประการไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้น เกิดจากกระแสไฟฟ้ากระโดดข้ามช่องแคบกลับไปกลับมาหลายๆครั้ง เพราะสนามไฟฟ้าระหว่างช่อง Gที่เปลี่ยนแปลง เหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้านี้จึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากแหล่งกำเนิด โดยความถี่ของคลื่นมีค่าเท่ากับความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่กระโดดข้ามช่องแคบไปมา เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านลวดตัวนำวงกลมในรูป ซึ่งมีรัศมีและขนาดช่องแคบ D ที่เหมาะสม จะทำให้เกิดความต่างศักย์เปลี่ยนค่าที่มีความถี่สูงเท่ากับความถี่ของคลื่นที่ช่องแคบ D    นี้ จึงทำให้เกิดสนามไฟฟ้าความเข้มสูงมาก จนอากาศระหว่างช่องแคบแตกตัวเป็นไอออน ทำให้มีกระแสฟ้าผ่านช่องแคบนี้เป็นประกายไฟฟ้าดังที่เห็น

การทดลองแต่ละคำอธิบายดังกล่าวจึงสนับสนุนทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ และนอกจากนี้เฮิรตซ์ยังได้ทำการทดลอง จนได้ผลสรุปว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วเท่ากับความเร็วของแสง

รูป เฮิรตซ์

                  Heinrich  Hertz (พ.ศ. 2400 - 2437) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันเป็นผู้ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งนำไปสู่การประดิษฐ์วิทยุโทรทัศน์และเรดาร์ นอกจากนี้เขายังแสดงให้เห็นว่า แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย