หน่วยที่ 1 ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและระบบสื่อสารวิทยุ
จุดประสงค์การเรียนรู้
เพื่อให้ผู้เรียนเข้าใจประวัติและความเป็นมาของ การสื่อสารโทรคมนาคม
เพื่อให้ผู้เรียนเข้าใจองค์ประกอบของระบบสื่อสาร พื้นฐาน
เพื่อให้ผู้เรียนสามารถคำนวณหาค่าความยาวคลื่นได้
เพื่อให้ผู้เรียนเข้าใจองค์ประกอบของระบบสื่อสาร วิทยุเพื่อให้ผู้เรียนเข้าใจประวัติและความเป็นมาของ การสื่อสารโทรคมนาคมเพื่อให้ผู้เรียนเข้าใจองค์ประกอบของระบบสื่อสาร พื้นฐานเพื่อให้ผู้เรียนสามารถคำนวณหาค่าความยาวคลื่นได้เพื่อให้ผู้เรียนเข้าใจองค์ประกอบของระบบสื่อสาร วิทยุ
สาระสำคัญ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นทรัพยากรที่มีคุณค่าต่อชีวิตของมนุษย์ เพราะนำมาใช้งานทางด้านต่าง ๆ เช่นด้านการแพทย์ อุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ ทหาร และระบบสื่อสารโทรคมนาคม ทำให้โลกเจริญก้าวหน้าสามารถติดต่อสื่อสารได้จากซีกโลกหนึ่งไปยังอีกซีกโลกหนึ่งได้ในเวลาอันรวดเร็ว
คลื่นวิทยุ (RADIO FREQUENCY: RF) ได้มีการค้นพบทางทฤษฎีโดย เจมส์ คลาร์ก แมกเวลล์ (JAMES CLERK MAXWELL)
องค์ประกอบของระบบสื่อสาร จะต้องประกอบด้วย ผู้ส่ง ช่องสัญญาณ และผู้รับ ซึ่งจะขาดส่วนใดส่วนหนึ่งไม่ได้ ระบบสื่อสารวิทยุ เป็นการมอดูเลตข่าวสารเข้ากับคลื่นวิทยุความถี่สูง แพร่กระจายคลื่นผ่านอากาศว่าง หรือชั้นบรรยากาศไปยังเครื่องรับ
คลื่นคืออะไร
คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย
ลักษณะทางกายภาพของคลื่น
ค่าที่ใช้ในการระบุรูปร่างของคลื่น คือ
ความถี่
ความยาวคลื่น
แอมพลิจูด
คาบ
แอมพลิจูด นั้นวัดจากขนาด ของการรบกวนตัวกลาง ที่มากที่สุด ในช่วงหนึ่งคาบ โดยมีหน่วยของการวัดขึ้นกับประเภทของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือกมีหน่วยการวัดเป็นระยะทาง เช่น เมตร ส่วนคลื่นเสียงมีหน่วยการวัดเป็นความดัน (เช่น ปาสกาล) และ คลื่นเม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยการวัดเป็น ค่าตามขนาดสนามไฟฟ้า (โวลต์/เมตร) ค่าแอมพลิจูดนั้นอาจมีค่าเป็นคงที่ (เรียกคลื่นประเภทนี้ว่า คลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) ย่อ c.w. หรือ อาจมีค่าเปลี่ยนแปลงตามเวลา และ ตำแหน่ง (หากคลื่นเคลื่อนที่ไปในทิศทาง ) การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด เรียกว่า ซอง (envelope) ของคลื่น
คาบ เป็นช่วงเวลาที่คลื่นใช้ในการวนครบรอบในการกวัดแกว่ง
ความถี่ คือ จำนวนรอบที่คลื่นกวัดแกว่งครบรอบ ในหนึ่งหน่วยเวลา (เช่น ใน 1 วินาที) และมีหน่วยของการวัดเป็น เฮิรตซ์ โดยมีความสัมพันธ์บางครั้งสมการทางคณิตศาสตร์ของคลื่นอาจอยู่ในรูปของ ความถี่เชิงมุม (en:angular frequency) นิยมใช้สัญญลักษณ์ และมีหน่วนเป็น เรเดียนต่อวินาที และมีความสัมพันธ์กับ ดังต่อไปนี้ชนิดของคลื่น (Wave Type)
ชนิดของคลื่น (Wave Type)
เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบคลื่นเกิดจากการรบกวนสภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ ทำให้เกิดการส่งผ่านพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง โดยจำเป็นต้องมีตัวกลางหรือไม่ก็ได้ ดังนั้นในการแบ่งชนิดของคลื่นจึงแบ่งออกได้เป็นชนิดต่าง ๆ ดังนี้
1. แบ่งชนิดของคลื่นโดยพิจารณา การอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ สามารถแบ่งคลื่นได้เป็น 2 ชนิด คือ
1.1 คลื่นกลหรือคลื่นยืดหยุ่น (Mechanical Wave หรือ Elastic Wave) คือ คลื่นที่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยตัวกลางจะเกิดการสั่นทำให้เกิดการส่งผ่านพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง เช่น คลื่นเสียง, คลื่นน้ำ, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
1.2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ เป็นต้น
2. แบ่งชนิดของคลื่น โดยพิจารณาทิศทางของการเคลื่อนที่ของคลื่นและของตัวกลางที่ ถูกรบกวน สามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิดคือ
2.1 คลื่นตามขวาง (Transverse Wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนของคลื่น เช่น คลื่นน้ำ, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
2.2 คลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่เดียวกันกับทิศทางการเคลื่อนของคลื่น เช่น คลื่นเสียง, คลื่นในสปริง เป็นต้น
โดยทั่วไปคลื่นมีองค์ประกอบพื้นฐานดังนี้
1.ความยาวคลื่น (Wave Length ; λ ) หมายถึง ความยาวของคลื่น 1 คลื่น เป็นระยะทางที่วัดระหว่างจุดสองจุดที่สั้นที่สุดบนคลื่นที่เฟสตรงกัน ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (m)
2. ความถี่ (Frequency ; f ) หมายถึง จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา ในระบบ SI มีหน่วยเป็น วินาที-1(s-1) หรือ เฮิร์ทซ์ (Hz)
3. คาบการเคลื่อนที่ (Period ; T) หมายถึง เวลาที่คลื่น 1 คลื่น เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในระบบ SI มีหน่วยเป็นวินาที (s)
4. อัตราเร็วของคลื่น (Speed ; v) หมายถึง ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลาและเนื่องจากขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ไปด้วย อัตราเร็วค่าหนึ่ง เฟสของคลื่นก็เคลื่อนที่ไปด้วยอัตราเร็ว เท่ากัน ดังนั้นในบางครั้งจึงเรียกว่า อัตราเร็วเฟส ( Phase Speed) ของคลื่น ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (ms-1)
5. มุมเฟส (Phases Angle; Φ ) หมายถึง มุมที่ใช้กำหนดตำแหน่งบนคลื่นขณะที่เคลื่อนที่ โดยมีความสัมพันธ์กับการกระจัดของการเคลื่อนที่ของคลื่น ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเรเดียน (Radian ; rad)
6. แอมพลิจูด ( Amplitude A) หมายถึง การกระจัดสูงสุดของการสั่นของอนุภาคจากระดับปกติ ค่าของแอมปลิจูดจะบอกค่าพลังงานของคลื่นโดยพลังงานจะแปรโดยตรงกับแอมปลิจูด ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ชนิดของคลื่น
คลื่นเป็นปรากฎการณ์ที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่รูปแบบหนึ่ง คลื่นสามารถจำแนกตามลักษณะต่าง ๆได้ดังนี้
1. จำแนกตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง
1.1 คลื่นกล (Mechanical wave) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้ ตัวอย่างของคลื่นกลได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
1.2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น
2. จำแนกตามลักษณะการเคลื่อนที่
2.1 คลื่นตามขวาง (Transverse wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามขวางได้แก่ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2.2 คลื่นตามยาว (Longitudinal wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามยาวได้แก่ คลื่นเสียง
3. จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่น
3.1 คลื่นดล (Pulse wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียว
3.2 คลื่นต่อเนื่อง (Continuous wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่อง ส่วนประกอบของคลื่น
สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก
ท้องคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ
แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ
ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz)
คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s)
อัตราเร็วของคลื่น (wave speed) หาได้จากผลคูณระหว่างความยาวคลื่นและความถี่ สมบัติของคลื่น (wave properties)
คลื่นทุกชนิดแสดงสมบัติ 4 อย่าง คือ
การสะท้อน
การหักเห
การแทรกสอด และ
การเลี้ยวเบน
การสะท้อน (reflection) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง แล้วเปลี่ยนทิศทางกลับสู่ตัวกลางเดิม
การหักเห (refraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่ต่างกัน แล้วทำให้อัตราเร็วเปลี่ยนไป
การเลี้ยวเบน (diffraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง ทำให้คลื่นส่วนหนึ่งอ้อมบริเวณของสิ่งกีดขวางแผ่ไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น
การแทรกสอด (interference) เกิดจากคลื่นสองขบวนที่เหมือนกันทุกประการเคลื่อนที่มาพบกัน แล้วเกิดการซ้อนทับกัน ถ้าเป็นคลื่นแสงจะเห็นแถบมืดและแถบสว่างสลับกัน ส่วนคลื่นเสียงจะได้ยินเสียงดังเสียงค่อยสลับกัน
แหล่งข้อมูล
