เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้า
ประวัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าฮานส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted) เกิดที่Langeland ประเทศเดนมาร์ก เขาสนใจวิชาวิทยาศาสตร์มาตั้งแต่เด็ก เขาเป็นผู้ช่วยร้านเภสัชของพ่อ ในปี 1797 เขาได้รับรางวัลสำหรับงานด้านสุนทรียศาสตร์ และการแพทย์ จากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน สองปีถัดมา เขาได้รับรางวัลสำหรับการแสดงความคิดเห็นเรื่องปรัชญาของคานท์ ซึ่งในเวลานั้น ทางมหาวิทยาลัยยังไม่ได้สนับสนุนวิชาฟิสิกส์หรือเคมีในปีค.ศ. 1819-1820 ระหว่างการบรรยายในหัวข้อ "Electricity, Galvanism and Magnetism" เออร์สเตดได้บรรยายเรื่องการทดลองของเขาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เข็มทิศจะเบนเมื่อมีฝนตกหนักและฟ้าแลบ ในเดือนเมษายน 1820 เวลาบ่าย ระหว่างที่เขากำลังสอนอยู่ เขาทดลองว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับเข็มทิศ ถ้าผ่านกระแสไฟเข้าไปในลวดตัวนำ เขานำลวดตัวนำตั้งฉากกับเข็มทิศและพบว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น หลังจากการบรรยายสิ้นสุด เขาก็พบว่าถ้าเขาวางลวดตัวนำขนานกับเข็มทิศ และผ่านกระแสไฟฟ้าไปในลวดตัวนำแล้ว เข็มทิศก็จะเบน การค้นพบนี้ทำให้เออร์สเตดเป็นบุคคลแรกที่ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็กสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Electric and Magnetic Field: EMFs) จะหมายถึงเส้นสมมุติที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงอาณาเขตและความเข้มของเส้นแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า (เรียกว่า สนามไฟฟ้า) และที่เกิดขึ้นโดยรอบวัตถุที่มีกระแสไฟฟ้าไหล (เรียกว่า สนามแม่เหล็ก) ในกรณีกล่าวถึงทั้ง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันมักจะเรียกรวมว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้ 2 ลักษณะคือ
1) เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ได้แก่ สนามแม่เหล็กโลก คลื่นรังสีจากแสงอาทิตย์ คลื่นฟ้าผ่า คลื่นรังสีแกมมา เป็นต้น
2) เกิดขึ้นจากการสร้างของมนุษย์ แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือ
- แบบจงใจ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่จงใจสร้างให้เกิดขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์โดยตรงจากคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นนี้ เช่น ให้สามารถส่งไปได้ในระยะไกลๆ ด้วยการส่งสัญญาณของระบบสื่อสารสัญญาณเรดาร์ คลื่นโทรศัพท์ คลื่นโทรทัศน์และ คลื่นวิทยุ และการใช้คลื่นไมโครเวฟในการให้ความร้อน เป็นต้น
- แบบไม่จงใจ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้งานอุปกรณ์ โดยไม่ได้มีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์โดยตรงจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเช่น ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (สายส่งไฟฟ้า)รวมถึงอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น
ฟลักซ์แม่เหล็ก(Magnetic Flux)คือ จำนวนเส้นแรงแม่เหล็ก ในบริเวณหนึ่งๆ มีหน่วยเป็นเวเบอร์(Weber, Wb) ในระบบ SI หน่วยของ B เป็น เทสลา(Tesla, T) 1 T=1 Wb/m2 ***บางครั้งใช้หน่วยเป็น เกาส์(Gauss) เมื่อ 1 G = 10-4 Tการเคลื่อนที่ของอนุภาค
ในห้องทดลองนี้แสดงการเคลื่อนที่ของประจุลบ ในสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางอยู่บนแกน + Z และ -Z เริ่มต้นให้อนุภาคเคลื่อนที่ออกจากจุดกำเนิดด้วยความเร็ว vx และ vz กำหนดให้ B = + 2.0 mT บนแกน +Z ให้ vZ = 0 และ vx มีค่าสูงสุด = 8.0 x 107 m/s กดปุ่ม RUN สังเกตว่าเกิดอะไรขึ้นไม่ว่าประจุทดสอบที่ใช้ในห้องทดลองจะเป็นประจุบวกหรือลบ เวกเตอร์ v x B จะมีทิศทางเข้าหาจุดศูนย์กลางเสมอ แต่ในห้องทดลองกำหนดให้เป็นประจุลบ อนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมทวนเข็มนาฬิกาบนแกน +y สังเกตดูที่จุดกำเนิด x =0 , y =0 ความเร็วจะวิ่งอยู่ในทิศทางบวก x เพราะว่า เวกเตอร์ B มีทิศพุ่งออก ทำให้เวกเตอร์ v X B ชี้ไปในทิศทางแกน - y แต่เนื่องจากเป็นประจุลบ ทิศทางการครอสของเวกเตอร์จึงมีทิศทางไปทางแกน +y นั่นคือทิศทางของแรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่จุดกำเนิด พุ่งไปบนแกนบวก y เช่นเดียวกันเมื่อประจุหมุนขึ้นไปบนสุด ( x=0 , y = ymax ) ความเร็วจะวิ่งอยู่ในทิศทาง -x ทิศทางการครอสของเวกเตอร์จึงมีทิศทางไปทางแกน -y นั่นคือทิศทางของแรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่จุดกำเนิด พุ่งไปบนแกนลบ y เพราะ แรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่กระทำกับประจุมีขนาดคงที่ ทำให้ประจุหมุนเป็นวงกลมอยู่ได้ ลองตอบคำถามว่า เกิดอะไรขึ้นกับรัศมีวงโคจร R ขณะที่เราลดค่า vx โดยให้ B คงที่ และ vZ เป็นศูนย์ ?กลับทิศทางของเวกเตอร์ B โดยกำหนดค่าสนามแม่เหล็ก = - 2.0 mT และยิงอิเล็กตรอนออกไปด้วยความเร็ว vz = 0 และ vx = 8.0 x 10 7 m/s สังเกตดูว่าประจุลบหมุนทวนหรือตามเข็มนาฬิกา ทั้งหมดนั้นเรากำหนดไว้ว่า ประจุไม่มีการสูญเสียพลังงานขณะเคลื่อนที่ ทำให้รัศมีวงโคจร R คงที่ แต่ถ้าอนุภาคมีการสูญเสียพลังงาน การเคลื่อนที่ของประจุจะเป็นวงกลมหมุนเข้าข้างใน เป็นเกลียวใน ให้สังเกตการเคลื่อนที่ของประจุในห้องฟอง (Bubble chamber) หรือห้องหมอก
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของแถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnetic Spectrum) ซึ่งแถบคลื่นความถี่นี้จะเป็นตัวบอกถึงระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Energy หรือ Photon Energy) โดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงจะมีระดับของพลังงานสูง และ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำก็จะมีระดับของพลังงานที่ต่ำ
แถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียงลำดับความถี่จากสูงไปสู่ต่ำ เป็นดังนี้ รังสีคอสมิก รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์แสงอาทิตย์ คลื่นความร้อน คลื่นไมโครเวฟ คลื่นวิทยุ และ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า ดังแสดงในรูป
อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของแถบความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความแตกต่างกันอย่างมากเมื่อเทียบกับรังสีแกมมาซึ่งมีความถี่อยู่ในย่านการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไอออน (Ionization Radiation)
[1] และสามารถทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้
นั่นหมายความว่ารังสีแกมมาและการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไอออนสามารถทำลายส่วนต่างๆ ของดีเอ็นเอ (DNA) และการได้รับรังสีชนิดนี้สามารถนำไปสู่โรคมะเร็งได้
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแถบคลื่นความถี่ที่ต่ำลงมา ระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะมีค่าลดลง ตัวอย่างเช่น คลื่นไมโครเวฟ ซึ่งมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้ อย่างไรก็ตามการได้รับการแผ่รังสีของคลื่นไมโครเวฟที่มีค่าสูงโดยตรงสามารถทำให้เกิดความร้อนได้เช่นเดียวกับการทำให้อาหารสุกโดยใช้ เตาไมโครเวฟ
สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า มีความถี่อยู่บนแถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่ต่ำมาก
[2] สนามแม่เหล็กจากเครื่องใช้ไฟฟ้าและสายส่งไฟฟ้านั้น มีระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยมากๆ ซึ่งไม่เพียงพอที่จะทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้
แต่อย่างไรก็ดี เซลล์ร่างกายคนเราสามารถตอบสนองกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานต่ำด้วย ในกรณีที่ขนาดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีค่าสูง ซึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้จะเป็นปฏิกิริยาทางอ้อม (ผลกระทบทางกายภาพ) โดยยังไม่มีหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่า ผลกระทบทางอ้อมนี้จะก่อให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับสุขภาพ
[1] Ionization Radiation คือ การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวของอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมที่มีประจุบวกและลบ โดยขึ้นอยู่กับการได้หรือสูญเสียอิเล็กตรอน[2] ย่านความถี่ต่ำมาก (Extremely Low Frequency : ELF) มีความถี่อยู่ในช่วง 3 Hz ถึง 3,000 Hz (3 kHz) สำหรับประเทศไทยใช้ความถี่ ในการส่งกระแสไฟฟ้าที่ 50 Hz
