คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation)
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นรูปแบบหนึ่งการถ่ายเทพลังงาน จากแหล่งที่มีพลังงานสูงแผ่รังสีออกไปรอบๆ โดยมีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คือ ความยาวคลื่น (l) โดยอาจวัดเป็น nanometer (nm) หรือ micrometer (mm) และ ความถี่คลื่น (f) ซึ่งจะวัดเป็น hertz (Hz) โดยคุณสมบัติทั้งสองมีความสัมพันธ์ผ่านค่าความเร็วแสง ในรูป v = fl
พลังงานของคลื่น พิจารณาเป็นความเข้มของกำลังงาน หรือฟลักซ์ของการแผ่รังสี (มีหน่วยเป็น พลังงานต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยพื้นที่ = Joule s-1 m-2 = watt m-2) ซึ่งอาจวัดจากความเข้มที่เปล่งออกมา (radiance) หรือความเข้มที่ตกกระทบ (irradiance)
 |
 |
จากภาพเป็นการแสดงช่วงความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเครื่องมือวัด (Sensor) ของดาวเทียมหรืออุปกรณ์ตรวจวัดจะออกแบบมาให้เหมาะสมกับช่วงความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นต่างกัน เช่น - ช่วงรังสีแกมมา (gamma ray : l < 0.1 nm) และช่วงรังสีเอ็กซ์ (x-ray : 0.1 nm < l < 300 nm) เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง แผ่รังสีจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ หรือจากสารกัมมันตรังสี
- ช่วงอัลตราไวโอเลต เป็นช่วงที่มีพลังงานสูง เป็นอันตรายต่อเซลสิ่งมีชีวิต
- ช่วงคลื่นแสง เป็นช่วงคลื่นที่ตามนุษย์รับรู้ได้ ประกอบด้วยแสงสีม่วง ไล่ลงมาจนถึงแสงสีแดง
- ช่วงอินฟราเรด เป็นช่วงคลื่นที่มีพลังงานต่ำ ตามนุษย์มองไม่เห็น จำแนกออกเป็น อินฟราเรดคลื่นสั้น และอินฟราเรดคลื่นความร้อน
- Near Infrared (NIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 0.7 ถึง 1.5 µm.
- Short Wavelength Infrared (SWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 1.5 ถึง 3 µm.
- Mid Wavelength Infrared (MWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 3 ถึง 8 µm.
- Long Wavelength Infrared (LWIR) ความยาวคลื่นจะอยู่ในช่วงระหว่าง 8 ถึง 15 µm.
- Far Infrared (FIR) ความยาวคลื่นจะมากกว่า 15 µm.
- ช่วงคลื่นวิทยุ (radio wave) เป็นช่วงคลื่นที่เกิดจากการสั่นของผลึกเนื่องจากได้รับสนามไฟฟ้า หรือเกิดจากการสลับขั้วไฟฟ้า สำหรับในช่วงไมโครเวฟ มีการให้ชื่อเฉพาะ เช่น
- P band ความถี่อยู่ในช่วง 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm)
- L band ความถี่อยู่ในช่วง 1 - 2 GHz (15 - 30 cm)
- S band ความถี่อยู่ในช่วง 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm)
- C band ความถี่อยู่ในช่วง 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm)
- X band ความถี่อยู่ในช่วง 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm)
- Ku band ความถี่อยู่ในช่วง 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm)
- K band ความถี่อยู่ในช่วง 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm)
- Ka band ความถี่อยู่ในช่วง 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm
ความยาวช่วงคลื่นและความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิ 6,000 K จะแผ่พลังงานในช่วงคลื่นแสงมากที่สุด วัตถุต่างๆ บนพื้นโลกส่วนมากจะมีอุณหภูมิประมาณ 300 K จะแผ่พลังงานในช่วงอินฟราเรดความร้อนมากที่สุด คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ จะถูกโมเลกุลอากาศ และฝุ่นละอองในอากาศดูดกลืน และขวางไว้ทำให้คลื่นกระเจิงคลื่นออกไป คลื่นส่วนที่กระทบถูกวัตถุจะสะท้อนกลับ และเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศมาตกสู่อุปกรณ์วัดคลื่น 
เนื่องจากวัตถุต่างๆ มีคุณสมบัติการสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ช่วงคลื่นต่างๆ ไม่เหมือนกัน ดังนั้นเราจึงสามารถใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการสำรวจจากระยะไกลได้ รูปต่อไปนี้แสดงลักษณะการสะท้อนแสงเปรียบเทียบระหว่างวัตถุต่างชนิดกันที่ช่วงคลื่นต่างๆ กัน ความสามารถในการสะท้อนแสงของวัตถุต่างๆ บนพื้นโลกสามารถสรุปได้ดังนี้ - น้ำสะท้อนแสงในช่วงแสงสีน้ำเงินได้ดี และดูดกลืนคลื่นในช่วงอื่นๆ และให้สังเกตว่าน้ำจะดูดกลืนคลื่น IR ช่วง 0.91 mm ในช่วงนี้ได้ดีมาก
- ดินสะท้อนแสงในช่วงคลื่นแสงได้ดีทุกสี
- พืชสะท้อนแสงช่วงสีเขียวได้ดี และสะท้อนช่วงอินฟราเรดได้ดีกว่าน้ำและดินมาก
สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
1. ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่
2. อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 299,792,458 m/s ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง
3. เป็นคลื่นตามขวาง
4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง
5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร
6. ไม่มีประจุไฟฟ้า
7. คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงสมบัติของคลื่นเหมือนกัน ดังนี้
1. มีการสะท้อน มีการหักเห มีการแทรกสอด และมีการเลี้ยวเบนได้
2. เคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศได้เร็วเท่ากัน และเร็วเท่ากับแสง v = c ; c = 3 x 108 m/s
3. V = fλ ในตัวกลางที่ไม่ใช่สุญญากาศ v ไม่เท่ากัน
สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้างเราเรียกช่วงความถี่เหล่านี้ว่า "สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" และมีชื่อเรียกช่วงต่าง ๆ ของความถี่ต่างกันตามแหล่งกำเนิดและวิธีการตรวจวัดคลื่น
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่างๆ ในสเปกตรัมมีสมบัติที่สำคัญเหมือนกันคือ เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วเท่ากับแสงและมีพลังงานส่งผ่านไปพร้อมกับคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้น
ประโยชน์ของคลื่นวิทยุ
1. คลื่นวิทยุ ใช้ในการสื่อสาร
1.1 ระบบ A.M. (amplitude modulation) ส่งสัญญาณได้ทั้งคลื่นดินและคลื่นฟ้า (สะท้อนได้ดีที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์)
1.2 ระบบ F.M. (frequency modulation) ส่งสัญญาณได้เฉพาะคลื่นดิน
ประโยชน์ของไมโครเวฟ
1.คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ สะท้อนจากผิวโลหะได้ดีในการส่งสัญญาณอาศัยสถานีถ่ายทอด หรือใช้ดาวเทียม
2.ใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งวัตถุที่เรียกว่า "เรดาร์"
3.เตาไมโครเวฟ
ประโยชน์ของรังสีอินฟราเรด (infrared rays)
1.รังสีอินฟราเรด มนุษย์รับรู้ในรูปความร้อน(ทางผิวหนัง)
2.ใช้ในรีโมทคอนโทล
3.เครื่องปิ้งขนมปัง
4.โทรศัพท์กับเส้นใยนำแสง
5.สามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้
ประโยชน์ของรังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays)
1.การใช้รังสีอัลตราไวโอเลตเปลี่ยนสีผิว
2.การเปลี่ยนรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นแสง
