คลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุ (Radio Frequency)

ความเป็นมา

Heinrich Rudolf Hertz

เมื่อ พ.ศ. 2431 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเชื้อสายยิวผู้หนึ่งชื่อ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ ได้ค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่เกิดจากการสปาร์ก และรับสัญญาณที่สปาร์กนี้ได้ในระยะไกลหลายเมตร การค้นพบครั้งนี้ถือได้ว่าเป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญที่สุดครั้งหนึ่ง เพราะต่อมาได้มีการนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เฮิรตซ์ค้นพบ (ซึ่งในสมัยนั้นเรียกว่า คลื่นเฮิรตซ์ (Hertzian waves) มาประยุกต์ใช้ในการสื่อสาร โดยใน พ.ศ. 2441 มาร์โคนี นักประดิษฐ์ชาวอิตาเลียน สามารถสร้างระบบส่งและรับโทรเลขโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เป็นผลสำเร็จ ถัดมาอีก 3 ปี คือใน พ.ศ. 2444 มาร์โคนี ประสบความสำเร็จครั้งใหญ่เมื่อสามารถส่งคลื่นเฮิรตซ์ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก จากประเทศอังกฤษไปยังนิวฟาวน์แลนด์ ประเทศคานาดา ความสำเร็จของมาร์โคนีเป็นการเปิดโฉมหน้าใหม่ของการติดต่อสื่อสารระยะไกลโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นครั้งแรก มีผลทำให้การสื่อสารเป็นไปอย่างสะดวกและรวดเร็ว ต่อมาเมื่อมีการผสมสัญญาณเสียง สัญญาณภาพเข้ากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ก็ทำให้เกิดวิทยุกระจายเสียง และวิทยุโทรทัศน์ ตามลำดับพัฒนาการอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ทำให้เครื่องมือและอุปกรณ์การสื่อสารต่าง ๆ มีประสิทธิภาพสูง ทำให้การติดต่อสื่อสารเป็นไปอย่างรวดเร็ว และกว้างขวางครอบคลุมไปทั่วโลก เกิดการแลกเปลี่ยนความรู้ เทคโนโลยีข่าวสารข้อมูลระหว่างกัน ทำให้เศรษฐกิจ สังคม และวัฒนธรรม เปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว จึงอาจกล่าวได้ว่าคลื่นวิทยุมีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว

สมบัติของคลื่นวิทยุ

เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง ซึ่งมีคุณสมบัติกระจายไปได้เป็นระยะทางไกล ด้วยความเร็วเท่ากับแสงคือ 300 ล้านเมตรต่อวินาที เครื่องส่งวิทยุจะทำหน้าที่สร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงหรือคลื่นวิทยุ (RF) ผสมกับคลื่นเสียง (Audio Frequency -AF) แล้วส่งกระจายออกไป ลำพังคลื่นเสียงซึ่งมีความถี่ต่ำไม่สามารถส่งไปไกลๆ ได้ ต้องอาศัยคลื่นวิทยุเป็นพาหะจึงเรียกคลื่นวิทยุว่า คลื่นพาหะ (Carier Wave) เครื่องรับวิทยุ จะทำหน้าที่รับคลื่นวิทยุและแยกคลื่นเสียงออกจากคลื่นวิทยุให้รับฟังเป็นเสียงปกติได้ความถี่ของคลื่น หมายถึง จำนวนรอบของการเปลี่ยนแปลงของคลื่น ในเวลา 1 นาที คลื่นเสียงมีความถี่ช่วงที่หูของคนรับฟังได้ คือ ตั้งแต่ 20 เฮิร์ตถึง 20 กิโลเฮิรตรซ์ (1 KHz =1,000 Hz) ส่วนคลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง อาจมีตั้งแต่ 3 KHz ไปจนถึง 300 GHz
( 1 GHz = พันล้าน Hz) คลื่นวิทยุแต่ละช่วงความถี่จะถูกกำหนดให้ใช้งานด้านต่างๆ ตามความเหมาะสม

การส่งคลืนวิทยุระบบเอเอ็ม

  ในการกระจายเสียงคลื่นวิทยุระบบเอเอ็มออกอากาศนั้น นอกจากจะใช้คลื่นที่มีความถี่ขนาด 530 - 1600 กิโลเฮิรตซ์ แล้ว ยังมีคลื่นที่มีช่วงความถี่ต่ำกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นยาว และคลื่นที่มีความถี่สูงกว่านี้ซึ่งเรียกว่า คลื่นสั้น ด้วยในการส่งระบบเอเอ็มซึ่งเป็นการผสมคลื่นโดยให้แอมพลิจูดของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ขณะคลื่นเคลื่อนที่ไปในบรรยากาศ ปรากฏการณ์ฟ้าแลบหรือฟ้าผ่า สามารถทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ซึ่งคลื่นใหม่ที่เกิดขึ้นนี้สามารถรวมกับคลื่นวิทยุที่ส่งมาแบบเอเอ็ม ทำให้เกิดการรบกวน    การส่งคลื่นวิทยุอีกระบบหนึ่งเรียกว่า ระบบเอฟเอ็ม  เป็นการผสมสัญญาณเสียงเข้ากับคลื่นพาหะ โดยให้ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณเสียง

การส่งคลื่นวิทยุเอฟเอม

    การส่งคลื่นในระบบเอฟเอ็มถูกกำหนดให้อยู่ในช่วงความถี่จาก 88-108 เมกะเฮิรตซ์ หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 2.8-3.4 เมตร ระบบการส่งคลื่นแบบเอเอ็มและเอฟเอ็มต่างกันที่วิธีการผสมคลื่น ดังนั้นเครื่องรับวิทยุระบบเอเอ็มกับเอฟเอ็มจึงไม่สามารถรับคลื่นวิทยุของอีกระบบหนึ่งได้

คลื่นวิทยุมีสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง คือ คลื่นวิทยุบางช่วงสามารถสะท้อนได้ที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ เพราะบรรยากาศในชั้นนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก ดังนั้นเมื่อคลื่นวิทยุเคลื่อนที่มากระทบจะสะท้อนกลับสู่ผิวโลกอีก สมบัติข้อนี้ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการสื่อสารเป็นระยะทางไกลๆได้ แต่ถ้าเป็นคลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงสมบัติการสะท้อนดังกล่าวจะเกิดได้น้อยลง    ในการส่งกระจายเสียงด้วยคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม คลื่นสามารถเดินทางถึงเครื่องรับวิทยุได้สองทาง คือ เคลื่อนที่ไปตรงๆในระดับสายตา ซึ่งเรียกว่า คลื่นดิน  ส่วนคลื่นที่สะท้อนกลับลงมาชั้นไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเรียกว่า คลื่นฟ้า 

การใช้งานคลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุมีช่วงความถี่ตั้งแต่ประมาณ 10 กิโลเฮิรตซ์ ถึง 300 จิกะเฮิรตซ์ ถูกนำไปใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคมด้านต่าง ๆ สรุปดังตาราง 1

ประโยชน์

1. ติดต่อสื่อสารการโทรคมนาคม
2. ใช้สื่อสารทางทะเล
3. ใช้ในสถานีโทรทัศน์วิทยุ
4. ใช้ไมโครเวฟ

โทษ

     1. คลื่นวิทยุที่มีความถี่น้อยกว่า 150 เมกะเฮิรตซ์ (มีความยาวคลื่นมากกว่า 2 เมตร) คลื่นจะทะลุผ่านร่างกายโดยไม่ก่อให้เกิดผลใด ๆ เนื่องจากไม่มีการดูดกลืนพลังงานของคลื่นไว้ ร่างกายจึงเปรียบเสมือนเป็นวัตถุโปร่งใสต่อคลื่นวิทยุช่วงนี้
     2. คลื่นวิทยุที่มีความถี่ระหว่าง 150 เมกะเฮิรตซ์ ถึง 1.2 จิกะเฮิรตซ์ (มีความยาวคลื่นระหว่าง 2.00 ถึง 0.25 เมตร) คลื่นวิทยุช่วงนี้สามารถทะลุผ่านเข้าไปในร่างกายได้ลึกประมาณ 2.5 ถึง 20 เซนติเมตร เนื้อเยื่อของอวัยวะภายในบริเวณนั้นจะดูดกลืนพลังงานของคลื่นไว้ถึงร้อยละ 40 ของพลังงานที่ตกกระทบ ทำให้เกิดความร้อนขึ้นในเนื้อเยื่อ โดยที่ร่างกายไม่สามารถรู้สึกได้ ถ้าร่างกายไม่สามารถกระจายความร้อนออกไปในอัตราเท่ากับที่รับเข้ามา อุณหภูมิหรือระดับความร้อนของร่างกายจะสูงขึ้น เป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อร่างกาย ความร้อนในร่างกายที่สูงกว่าระดับปกติอาจก่อให้เกิดผลหลายประการ เช่น
- เลือดจะแข็งตัวช้ากว่าปกติ ผลอันนี้ถ้ามีการเสียเลือดเกิดขึ้น อาการจะมีความรุนแรง
- การหมุนเวียนของเลือดเร็วขึ้น
- ฮีโมโกลบินของเม็ดเลือดแดงจะมีความจุออกซิเจนลดลง ทำให้เลือดมีออกซิเจนไม่เพียงพอเลี้ยงเนื้อเยื่อต่าง ๆ เมื่อเนื้อเยื่อขาดออกซิเจนจะทำให้เซลล์สมอง ระบบประสาทส่วนกลางและอวัยวะภายในขาดออกซิเจนด้วย อาจทำให้มีการกระตุกของกล้ามเนื้อจนถึงชัก ถ้าสภาพเช่นนี้ดำเนินต่อไป ผลที่ตามมาก็คือ ไม่รู้สึกตัวและอาจเสียชีวิตได้
    3. คลื่นวิทยุที่มีความถี่ระหว่าง 1-3 จิกะเฮิรตซ์ (มีความยาวคลื่นระหว่าง 30 ถึง 10 เซนติเมตร) ทั้งผิวหนังและเนื้อเยื่อลึกลงไปดูดกลืนพลังงานได้ราวร้อยละ 20 ถึงร้อยละ 100 ขึ้นอยู่กับชนิดของเนื้อเยื่อ คลื่นวิทยุเช่นนี้เป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อนัยน์ตา โดยเฉพาะเลนส์ตาจะมีความไวเป็นพิเศษต่อคลื่นวิทยุความถี่ประมาณ 3 จิกะเฮิรตซ์ เพราะเลนส์ตามีความแตกต่างจากอวัยวะอื่นตรงที่ไม่มีเลือดมาหล่อเลี้ยงและไม่มีกลไกซ่อมเซลล์ ดังนั้นเมื่อนัยน์ตาได้รับคลื่นอย่างต่อเนื่องจะทำให้ของเหลวภายในตามีอุณหภูมิสูงขึ้น โดยไม่สามารถถ่ายโอนความร้อนเพื่อให้อุณหภูมิลดลงได้เหมือนเนื้อเยื่อของอวัยวะอื่น ๆ จึงจะก่อให้เกิดอันตรายอย่างรุนแรงตามมา พบว่าถ้าอุณหภูมิของตาสูงขึ้นเซลล์เลนส์ตาบางส่วนอาจถูกทำลายอย่างช้า ๆ ทำให้ความโปร่งแสงของเลนส์ตาลดลง ตาจะขุ่นลงเรื่อย ๆ ในที่สุดจะเกิดเป็นต้อกระจก สายตาผิดปกติ และสุดท้ายอาจมองไม่เห็น
    4. คลื่นวิทยุที่มีความถี่ระหว่าง 3-10 จิกะเฮิรตซ์ (มีความยาวคลื่นระหว่าง 10 ถึง 3 เซนติเมตร) ผิวหนังชั้นบนสามารถดูดกลืนพลังงานมากที่สุด เราจะรู้สึกว่าเหมือนกับถูกแสงอาทิตย์
    5. คลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงกว่า 10 จิกะเฮิรตซ์ (มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 3 เซนติเมตร) ผิวหนังจะสะท้อนให้กลับออกไป โดยมีการดูดกลืนพลังงานเล็กน้อย

คลิปวิดีโอ

ที่มาของคลิปวิดีโอ : youtube.com

ที่มาของข้อมูล

wikipedia.com      edtguide.com

web.ku.ac.th          google.com/site/fisiksthudey

google.com/site/sowiphank