ใบความรู้

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Electric and Magnetic Field: EMFs) จะหมายถึง เส้นสมมุติที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงอาณาเขตและความเข้มของเส้นแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มี ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า (เรียกว่า สนามไฟฟ้า) และที่เกิดขึ้นโดยรอบ วัตถุที่มีกระแสไฟฟ้าไหล (เรียกว่า สนามแม่เหล็ก) ในกรณีกล่าวถึงทั้ง สนามไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็กพร้อมกันมักจะเรียกรวมว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF) หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้ 2 ลักษณะคือ        สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กคืออะไร

1) เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ได้แก่ สนามแม่เหล็กโลก      คลื่นรังสีจากแสงอาทิตย์   คลื่นฟ้าผ่า  คลื่นรังสีแกมมา      เป็นต้น 2) เกิดขึ้นจากการสร้างของมนุษย์   แบ่งออกได้เป็น      2 ชนิด คือ

สนามแม่เหล็กโลกและปรากฏการณ์ ฟ้าผ่าจากสนามไฟฟ้า

- แบบจงใจ  คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่จงใจ สร้างให้เกิดขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ ประโยชน์โดยตรงจากคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สร้างขึ้นนี้ เช่น ให้สามารถส่งไปได้ในระยะ ไกลๆ ด้วยการส่งสัญญาณของระบบสื่อสาร สัญญาณเรดาร์  คลื่นโทรศัพท์  คลื่นโทรทัศน์ และ คลื่นวิทยุ และการใช้คลื่นไมโครเวฟ ในการให้ความร้อน เป็นต้น

- แบบไม่จงใจ  คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เกิดจากการใช้งานอุปกรณ์  โดยไม่ได้มี วัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์ โดยตรงจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้น เช่น ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (สายส่งไฟฟ้า) รวมถึงอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น

สนามแม่เหล็กไฟฟ้ายังสามารถแบ่ง ออกเป็น     สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสถิต ที่ไม่มีการเปลี่ยนตามเวลา (Static Field หรือ DC Field) ตัวอย่างเช่น  สนามไฟฟ้าระหว่าง ก้อนเมฆกับพื้นโลก    สนามแม่เหล็กจาก แม่เหล็กถาวร  สนามแม่เหล็กโลก เป็นต้น

สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น รอบแท่งแม่เหล็กถาวร

สนามไฟฟ้าระหว่าง ก้อนเมฆกับพื้นโลก

ส่วนอีกประเภทคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนตามเวลา (Dynamic Field หรือ AC Field) ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ (50 Hz) และ ระบบสื่อสาร เป็นต้น

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า เป็นเพียงส่วนหนึ่งของแถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum) ซึ่งแถบคลื่นความถี่นี้จะเป็นตัวบอกถึง ระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Energy หรือ Photon Energy) โดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงจะมี ระดับของพลังงานสูง และ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำก็จะมี ระดับของพลังงานที่ต่ำ          แถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียงลำดับความถี่ จากสูงไปสู่ต่ำ เป็นดังนี้   รังสีคอสมิก   รังสีแกมมา    รังสีเอ็กซ์ แสงอาทิตย์  คลื่นความร้อน   คลื่นไมโครเวฟ    คลื่นวิทยุ   และ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า ดังแสดงในรูป          อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเป็น เพียงส่วนหนึ่งของแถบความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความ แตกต่างกันอย่างมากเมื่อเทียบกับรังสีแกมมาซึ่งมีความถี่อยู่ในย่าน การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไอออน (Ionization Radiation) [1] และสามารถทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้

นั่นหมายความว่ารังสีแกมมาและการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไอออนสามารถ ทำลายส่วนต่างๆ ของดีเอ็นเอ (DNA) และการได้รับรังสีชนิดนี้สามารถนำไปสู่โรคมะเร็งได้          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแถบคลื่นความถี่ที่ต่ำลงมา ระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟ้าก็จะมีค่าลดลง ตัวอย่างเช่น คลื่นไมโครเวฟ ซึ่งมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะทำลาย การยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้ อย่างไรก็ตามการได้รับการแผ่รังสีของคลื่นไมโครเวฟที่มีค่าสูง โดยตรงสามารถทำให้เกิดความร้อนได้เช่นเดียวกับการทำให้อาหารสุกโดยใช้ เตาไมโครเวฟ          สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า มีความถี่อยู่บนแถบคลื่นความถี่ของคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่ต่ำมาก [2] สนามแม่เหล็กจากเครื่องใช้ไฟฟ้าและสายส่งไฟฟ้านั้น มีระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยมากๆ ซึ่งไม่เพียงพอที่จะทำลายการยึดเหนี่ยว ของโมเลกุลได้          แต่อย่างไรก็ดี เซลล์ร่างกายคนเราสามารถตอบสนองกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มี พลังงานต่ำด้วย ในกรณีที่ขนาดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีค่าสูง ซึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้ จะเป็นปฏิกิริยาทางอ้อม (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

                            สนามแม่เหล็ก

                 กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเส้นลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (M) รอบๆ บริเวณเส้นลวด ทิศทางของสนามแม่เล็กที่เกิดขึ้นนี้เป็นไปตามกฎมือขวา

กฎมือขวา

       สนามแม่เหล็ก นั้นอาจเกิดขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือในทางกลศาสตร์ควอนตัมนั้น การสปิน(การหมุนรอบตัวเอง) ของอนุภาคต่างๆ ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเช่นกัน ซึ่งสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการ สปิน เป็นที่มาของสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรต่างๆ

สนามแม่เหล็กคือปริมาณที่บ่งบอกแรงกระทำบนประจุที่กำลังเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็กเป็นสนามเวกเตอร์และทิศของสนามแม่เหล็ก ณ ตำแน่งใดๆ คือทิศที่เข็มของเข็มทิศวางตัวอย่างสมดุล
เรามักจะเขียนแทนสนามแม่เหล็กด้วยสัญลักษณ์ เดิมทีแล้ว สัญลักษณ์ นั้นถูกเรียกว่าความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กหรือความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ในขณะที่ ถูกเรียกว่า สนามแม่เหล็ก (หรือ ความแรงของสนามแม่เหล็ก) และคำเรียกนี้ก็ยังใช้กันติดปากในการแยกปริมาณทั้งสองนี้ เมื่อเราพิจารณาความตอบสนองต่อแม่เหล็กของวัสดุชนิดต่างๆ. แต่ในกรณีทั่วไปแล้ว สองปริมาณนี้ไม่มีความแตกต่างกันมากนัก และเรามักใช้คำแทนปริมาณทั้งสองชนิดว่าสนามแม่เหล็ก
ในระบบหน่วย SI และ นั้นมีหน่วยเป็นเทสลา (T) และ แอมแปร์/เมตร (A/m) หรือในระบบหน่วย cgs หน่วยของทั้งสองคือ เกาส์ (G) และ oersted (Oe)

เนื้อหา  [ซ่อน]  1 นิยาม 2 คุณสมบัติ 2.1 เส้นแรงแม่เหล็ก 2.1.1 ความสับสนในการเรียกชื่อขั้วแม่เหล็ก

เส้นแรงไฟฟ้า

1. เส้นแรงไฟฟ้า  

          เส้นแรงไฟฟ้า เป็นเพียงเส้นสมมุติขึ้น เพื่อให้เปลี่ยนจากนามธรรม มาเป็นรูปธรรม ที่สามารถนึกภาพออกได้ ถึงแม้จะไม่ตรงกับความเป็นจริงมากนัก

           ในการทดลองเรื่อง เส้นแรงไฟฟ้านั้น เราใช้ด่างทับทิม  KMnO₄  หรือ โพแทสเซี่ยมเปอร์มังกาเนต ประกอบกับเครื่องจ่ายไฟฟ้าความต่างศักย์สูง(ประมาณ 300 โวลต์) ทำให้ KMnO₄   แตกตัวออกเป็น โพแทสเซียมไอออน  K⁺ กับ เปอร์มังกาเนตไอออน MnO₄^-   ทำให้เห็นเส้นสีม่วง ซึ่งเป็นไอออนลบ เคลื่อนที่จาก ขั้วไฟฟ้าลบ ไปหาขั้วไฟฟ้าบวก ซึ่งอาจทำให้เข้าใจผิดว่า ไฟฟ้าเคลื่อนที่จากขั้วลบ ไปหาขั้วบวก  ซึ่งที่จริงไม่ใช่เช่นนั้น

           เมื่อใช้ขั้วไฟฟ้าต่างกัน จะเห็นเส้นแรงไฟฟ้า พุ่งออกจากขั้วไฟฟ้าบวก เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ จากภาพถ้าประจุทั้ง 2 มีขนาดเท่ากัน เราจะได้ภาพที่เป็น 2 ข้างเท่ากัน (Symmetry) แลดูสวยงาม แต่ถ้าประจุทั้งสองมีขนาดไม่เท่ากัน จะไม่ได้ดังภาพ

          เมื่อใช้ขั้วไฟฟ้าเหมือนกัน (อาจเป็น บวกเหมือนกัน หรือ ลบเหมือนกันก็ได้) เราจะเห็นภาพเส้นแรงไฟฟ้าที่พุ่งออกจากขั้วทั้งสอง แล้วเกิดแรงผลักกัน โปรดสังเกตว่า เส้นแรงไฟฟ้าจะไม่ตัดกัน แต่จะผลักกันจนเกิดจุดที่ไม่มีเส้นแรงไฟฟ้าเลย จุดนั้น เรียกว่า จุดสะเทิน ซึ่งหมายถึง บริเวณนั้น มีค่าสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์

สนามแม่เหล็ก

                                                               สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก

เราอาจเข้าใจสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้า และทำให้เกิดแรงไฟฟ้าขึ้น แรงนี้ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต และทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า) ในตัวนำขึ้น ขณะเดียวกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็ก และทำให้เกิดแรงแม่เหล็กต่อวัตถุที่เป็นแม่เหล็ก

คำว่า "แม่เหล็กไฟฟ้า" มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ถ้ากฏของฟิสิกส์จะเหมือนกันใน ทุก กรอบเฉื่อย การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า (เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เป็นพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้านั่นเอง) ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

เนื่องจาก สนามทั้งสองไม่สามารถแยกจากกันได้ จึงควรรวมให้เป็นอันเดียวกัน เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้รวมสนามไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กเข้าด้วยกันด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ เพียงสี่สมการ ที่เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ ทำให้เกิดการพัฒนาฟิสิกส์ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19เป็นอย่างมาก และนำไปสู่ความเข้าใจในเรื่องต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น แสงนั้น อธิบายได้ว่าเป็นการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่กระจายออกไป หรือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง ความถี่ของการสั่นที่แตกต่างกันทำให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เช่น คลื่นวิทยุเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำ แสงที่มองเห็นได้เกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ปานกลาง รังสีแกมมาเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ามีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิด ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1905