โดยพื้นฐานแล้วนักวิทยุสมัครเล่น เป็นผู้ชำนาญทางการสื่อสาร ไม่ว่าจะในฐานะผู้ใช้งาน ชำนาญในการสร้างอุปกรณ์สื่อสารต่างๆ รวมทั้งหลายคนมีความรู้ด้านไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งหากได้รับการพัฒนาที่ดีย่อมมีประโยชน์ในการใช้งาน หรือบางทีอาจจะใช้ช่วยชีวิตคนก็ได้ ใครจะทราบ จริงไหมครับตั้งแต่บ่ายของวันที่ 23 มิถุนายน 2561 ที่ผ่านมาเยาวชนจำนวน 12 คนพร้อมผู้ฝึกสอนฟุตบอลในชื่อทีม “หมูป่า” ได้พลัดหลงขณะเดินทางเข้าไปที่ถ้ำหลวง อ.แม่สาย จังหวัดเชียงราย ที่มีความยาวรวม 10.3 กิโลเมตร จนปัจจุบันยังไม่สามารถช่วยเหลือออกมาได้ มีการระดมกำลังจากหลายส่วน รวมทั้งหน่วยนักประดาน้ำจากกองทัพเรือ และหน่วยกู้ชีพจากประเทศต่างๆ เช่น อังกฤษ สหรัฐอเมริกา เยอรมัน ออสเตรเลีย แม้แต่เพื่อนบ้านเราคือลาวและพม่าก็มาช่วย มีการนำเครื่องมือทันสมัยช่วยในการค้นหา ขณะที่เขียนเรื่องนี้คือวันที่ 30 มิถุนายน 2561 ยังไม่พบเยาวชนเหล่านั้น ก็ขอให้ทุกคนปลอดภัยนะครับ
- - - - - - - -
2 ก.ค. 61 ช่วงเวลาประมาณ 22:00 น.
ข่าวล่าสุด เจ้าหน้าที่ที่เข้าช่วยเหลือทีมหมูป่าฯ พบตัวน้องๆ แล้วและปลอดภัยดี รวมเวลาที่ติดอยู่ในถ้ำกว่า 9 วัน ดีใจแทนญาติๆ ของน้องจริงๆ ทั้งที่งานยากมากเนื่องจากไม่มี
7 ก.ค. 61 ทีมช่วยเหลือได้เริ่มนำเด็กๆ ทีมหมูป่าฯ ออกจากถ้ำได้
10 ก.ค. 61 ทีมช่วยเหลือ สามารถนำเด็กๆ รวมทั้งโค้ชออกมาได้ครบทั้ง 13 คนโดยปลอดภัย ทั้งหมดถูกส่งตัวไป ร.พ. และทำการตรวจร่างกายและรักษาสภาพร่างกายจากการอ่อนเพลียโดยละเอียด ทั้งหมดปลอดภัย
ต้องขอบคุณความช่วยเหลือจากทุกส่วน รวมทั้งจากนานาชาติ ไม่ว่าจะเป็นการช่วยเหลือโดยตรงหรือสนับสนุนการช่วยเหลือ ทั้งประเทศเพื่อนบ้านที่แม้แต่จัดอาหารมาช่วยก็มี
- - - - - - - - -
เมื่อเกิดภัยเช่นนี้ ทำให้เราที่เป็นนักวิทยุนึกถึงว่าเราควรเตรียมอุปกรณ์สื่อสารให้พร้อม แต่ในกรณีนี้เป็นกรณีพิเศษที่ที่เกิดเหตุอยู่ในถ้ำ ซึ่งแม้เรามีเครื่องวิทยุในความถี่ที่เราใช้งานกันนำติดตัวไปด้วยก็อาจจะไม่สามารถใช้งานได้อยู่ดี
ทำไมวิทยุของเราติดต่อผ่านน้ำ ดิน หิน ผนังถ้ำหนาๆ ไม่ได้
ที่จริงจะบอกว่า "ไม่ได้เลย" ก็ไม่ถูกต้องนัก ความจริงคือเดินทางเข้าไปได้ แต่จะถูกลดทอนกำลังลงอย่างรวดเร็ว และหายไป (กลายเป็นพลังงานอื่น ส่วนใหญ่คือความร้อนและการเคลื่อนที่ของอนุภาคต่างๆ ที่อยู่ในตัวกลางนั้นๆ ที่ไม่ใช่สูญญากาศ) ความถี่ของคลื่นวิทยุปกติของนักวิทยุสมัครเล่นขั้นต้นของไทยเราที่ใช้งานกันคือ 144-147MHz หรือแม้แต่ได้รับใบอนุญาตขั้นกลางหรือขั้นสูง ก็ยังใช้ได้มาถึงความถี่ 160 เมตร (1.8 MHz) ก็ถือว่าเป็นความถี่ที่สูงเกินไป ไม่สามารถทะลุทะลวงดินหรือผนังถ้ำต่างๆ เข้าไปได้ สาเหตุที่เป็นเช่นนั้นก็คือ ดิน ผนังถ้ำ พื้นดิน มีคุณสมบัติต่างจากอากาศ หรือสุญญากาศ (ที่คลื่นสามารถเดินทางได้อย่างสบาย) น้ำ หรือ น้ำทะเล หรือ หิน ดิน ที่ชื้น มีน้ำ และ/หรือ มีแร่ธาตุอื่นที่นำไฟฟ้าประกอบอยู่ โดยรวมแล้ว ทำให้คุณสมบัติของตัวกลาง เปลี่ยนไปจากอากาศ (ที่ คลื่นก็ attenuate นะ เรียกว่า free space loss ไม่ใช่ว่าไม่ลดทอนเลย) หลักๆ สองอย่างคือ
- conductivity คือ ความนำไฟฟ้า (กลับด้านกันกับ ความต้านทานไฟฟ้า นั่นแหละ)
- คุณสมบัติทางไฟฟ้า และ แม่เหล็ก คือ Permittivity (ไฟฟ้า) และ Permeability (แม่เหล็ก) ตามลำดับ แต่ตัวที่มีผลมาก คือ Permittivity นี้เอง
ภาพที่ 1 อัตราการลดทอนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ในตัวกลางที่มีความนำไฟฟ้าต่างๆ กัน
ในตัวกลางที่นำไฟฟ้า (บ้าง) จะมีการลดทอนกำลังของคลืนแม่เหล็กไฟฟ้าสูงมาก ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่าถ้าตัวกลางมีความนำไฟฟ้าสูง (เส้นสีเหลือง) จะเกิดการลดทอนสูงสุด โดยคลืนแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ต่ำกว่าจะถูกลดทอนต่ำกว่า (เดินทางไปได้ลึกกว่า ไกลกว่า จนกว่าจะถูกลดทอนไปเรื่อยๆ แล้วหายไปในที่สุด)
ตารางที่ 1 ระยะทางที่คลื่นเดินทางได้
ก่อนถูกลดทอนลงไป 50dB
(100,000 เท่า) ในน้ำจืดและน้ำทะเล
ตารางที่ 1 บอกเราว่า เราต้องใช้ความถี่ต่ำมากๆ เพื่อจะทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางในตัวกลางที่มีความนำไฟฟ้า (เช่น น้ำทะเล) ได้บ้าง - ซึ่งก็จะถูกลดทอนเร็วมากอยู่ดี
ทำอย่างไรจึงติดต่อได้
จากที่ทิ้งท้ายไว้ในหัวข้อที่แล้วว่า อัตราการลดทอนกำลังของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใน ดิน พื้นดิน ชั้นหิน ผนังถ้ำ ขึ้นกับความถี่ด้วย จะเห็นว่าที่ความถี่ต่ำมากคือ LF (Low Frequency) หรือ VLF (Very Low Frequency) คลื่นจะถูกลดทอนน้อยลงมาก ทำให้มีโอกาสทะลุดินขึ้นมาได้ และแพร่กระจายต่อโดยผ่านอากาศ (ซึ่งถึงจุดนั้นก็ง่ายแล้ว แพร่กระจายไปได้เรื่อยๆ) ทำให้มีโอกาสติดต่อได้
ตารางที่ 2 ความถี่ที่เหมาะสมกับการติดต่อ
ผ่าน น้ำ ดิน ชั้นดิน หินี่มีความชื้น จะอยู่ใน
ช่วงของ LF และ VLF ในตาราง
สายอากาศ
เพราะความถี่ที่ใช้นั้นต่ำมาก ความยาวคลื่นยาวมาก (1 - หลายสิบ กม.) คงไม่สามารถใช้สายอากาศแบบไดโพลได้ (คงต้องโยงไปหมู่บ้านอื่นด้วยจึงจะได้ขนาดที่ถูกต้อง) จึงมักมีการใช้สายอากาศแบบลูป คือใช้ลวดพันเป็นขวดลวด (เหมือนในวิทยุแบบเอเอ็ม) เพื่อให้ทำงานกับความถี่ต่ำได้ ดูภาพที่ 2
รุปที่ 2 สายอากาศแบบ spiral wound
เป็นสายอากาศอีกแบบหนึ่งที่สามารถออกแบบ
ให้ใช้ได้ดีกับความถี่ระดับ LF หรือ VLF ได้
สรุป
การแพร่กระจายหรือการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับ ความนำไฟฟ้า (conductivity, σ หน่วยเป็น Ʊ), คุณสมบัติทางไฟฟ้าคือ permittivity (Є หรือถ้าเทียบกับอากาศหรือสุญญากาศ จะเป็น relative permittivity คือ Єr = Є/Є0), และอาจจะมีผลจากคุณสมบัติทางแม่เหล็กหรือ permeability (µ หรือถ้าเทียบกับอากาศหรือสุญญากาศ จะเป็น relative permeability คือ µr = µ/ µ0) ด้วย ถ้าตัวกลางไม่มีความนำไฟฟ้า และคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กเหมือนกับอากาศหรือสุญญากาศ คลื่นจะเดินทางได้ไกล แต่ในน้ำ ดิน ผนังดิน หิน ต่างๆ ที่มีความชื้น มีความนำไฟฟ้า (conductivity, σ หน่วยเป็น Ʊ) สูงกว่าในอากาศมาก มีค่า permittivity สูง (permeability มักไม่ต่างจากอากาศไปมาก ยกเว้นเจอถ้ำหรือเหมืองเหล็ก) ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ปานกลางขึ้นไปถูกลดทอนอย่างมาก การจะติดต่อต้องใช้ความถี่ต่ำหรือต่ำมากเพื่อให้ ความนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ผิดไปจากอากาศหรือสุญญากาศมาก มีผลน้อย ทำให้การลดทอนต่ำหน่อยและทะลุผ่าน ดิน ผนังดิน หิน ไปถึงสายอากาศของฝ่ายรับหรือแพร่ต่อในอากาศได้นั่นเอง
แล้วพบกันใหม่ในเรื่องดีๆ ในคราวหน้านะครับ
73 de HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
ภาคผนวกเพิ่มเติม
ความจริงแล้วยังมีเบื้องหลัง มีการคำนวณมากมายทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่อธิบายการเดินทางของคลื่นในตัวกลางต่างๆ ได้เป็นอย่างดี แต่กับพวกเราที่เป็นนักวิทยุสมัครเล่น และหลายท่านอาจจะไม่ได้อยู่ในสายของวิทยาศาสตร์หรือวิศวกรรม ผมจึงคัดเอาเฉพาะส่วนที่สำคัญมาเล่าให้ฟัง ส่วนที่ซับซ้อนขึ้นขอแยกบันทึกไว้ต่างหาก (คือส่วนนี้) ผมคัดเอาภาพ ที่น่าสนใจ เป็นข้อมูลที่ดีไว้ให้เราค้นคว้าต่อได้ไว้ที่นี้พร้อมบรรยายภาพไว้ให้ด้วย ลองดูนะครับ
การลดทอนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในน้ำ (น้ำ
บริสุทธินำไฟฟ้าต่ำมาก คือ σ ≈ 0 Ʊ) ใน
ภาพ ความถี่สูงอยู่ซ้ายความถี่ต่ำอยู่ขวา)
จะเห็นว่าเปลี่ยนแปลงมากมาย ในช่วง
ความถี่แสง แสงสีน้ำเงินที่ความถี่สูงจะถูก
ดูดกลืนน้อยกว่าแสงสีแดงที่มีความถี่ต่ำกว่า
ทำให้ในน้ำลึกๆแสงสีแดงจะหายไปก่อน
เหลือแต่สีน้ำเงิน (แต่สุดท้าย เมื่อลึกเกิน
200 เมตรก็มักไม่เหลือแสงสีอะไรเลย คือ
มืดสนิท แต่เมื่อความถี่ต่ำลงในย่านวิทยุ
การลดทอนจะกลับข้างกันคือความถี่ต่ำลง
ถูกดูดกลืนน้อยกว่าความถี่ที่สูงกว่า
เป็นอีกข้อมูลที่น่าสนใจ คือ ดัชนีหักเห ของ
น้ำที่ขึ้นกับ Relative Permittivity ซึ่ง
เป็นค่า Permittivity เมื่อเทียบกับอากาศ
หรือ Єr คือ ɳ = (Єr)1/2 เมื่อ ɳ เป็นดัชนี
หักเห จะเห็นว่าที่ย่านความถี่แสง Єr ของน้ำ
มีค่าประมาณ 1.77 ทำให้ดัชนีหักเหของน้ำ
มีค่าเป็น 1.33 เท่านั้น นั่นคือ Єr
มีค่าไม่ถึง 2 เมื่อดัชนีหักเห "สูงกว่า" 1
(ดัชนีหักเหของอากาศหรือสุญญากาศ มีค่า
เป็น 1 เพราะเทียบกับตัวมันเอง) จะทำให้
คลื่นเดินทาง "ช้าลง" และมีความยาวคลื่น
"สั้นลง"ในตัวกลางนั้น แต่น้ำมีดัชนีหักเห
ต่างกันที่ความถี่แสงต่างกัน (สีต่างกัน)
เป็นสาเหตุทำให้หยดน้ำสามารถแยกสีต่างๆ
ออกจากกัน และเราเห็นรุ้งกินน้ำได้
* ที่ความถี่คลื่นวิทยุ Єr ของน้ำมีค่าสูงมาก
คือ 81 นั่นคือคลื่นวิทยุวิ่งในน้ำช้ามาก
Relative permittivity ของน้ำ
เปลี่ยนแปลงอย่างมากเมื่อความถี่เปลี่ยนไป
ที่ความถี่วิทยุ น้ำมีค่า Єr ≈ 80 (ประมาณ)
และลดเหลือเพียง 3-5 ที่ความถี่แสง
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเดินทางเข้าไปในตัวกลาง
ได้ "ลึก" แค่ไหนขึ้นกับคุณสมบติหลายอย่าง
แต่หลักแล้วคือถ้ามีความนำไฟฟ้ามาก จะขึ้น
กับความนำไฟฟ้าและความถี่ (ยิ่งทั้งคู่มาก
ยิ่งแย่ ดูสมการล่างสุดในภาพ) ทั้งดินที่มี
ความชื้นมีแร่ธาตุ หรือน้ำทะเล ก็ตกอยู่ใน
ประเภทตัวนำไฟฟ้าที่ดีสำหรับคลื่นแม่เหล็ก
ไฟฟ้าและ Є หรือ Єr เริ่มไม่ค่อยมีผลแล้ว
skin depth ของดินโดยทั่วไป ซึ่งมีความ
นำไฟฟ้าจำเพาะ (หน่วยจึงต้องขึ้นกับรูปร่าง
ของวัสดุด้วย) คือ σ = 0.005 s/m จะมี
skin depth ขึนกับ Relative
Permittivity (Єr) ด้วย และสังเกตว่า
การที่ค่าของ Єr สูงกว่า 80 (คือของน้ำ) ได้
เพราะในดิน มีแร่ธาตุอื่นอยู่ มีผลของ
โพลาไรเซชั่น เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย
* สำหรับดินที่เป็น ground ที่ดีสำหรับการ
ติดตั้งระบบสายอากาศนั้น จะมี skin depth
ไม่เกิน 2-3 เมตร (ในกรณีการใช้ดินเป็นกราวด์
เราไม่ได้ต้องการให้คลื่นวิ่งลงลึก ซึ่งกลับกันกับ
ความต้องการให้คลื่นวิ่งทะลุ ดิน ถ้ำ น้ำทะเล
การดูดซึมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทะเลต่างๆ
(น้ำทะเล คือน้ำ ไม่บริสุทธิและนำไฟฟ้าบ้าง)
จะเห็นว่าแม้ความถี่อยู่ในช่วงต่ำกว่า 1MHz
ก็ยังมีการดูดซึมรุนแรง (คลื่นเดินทาง
ไปได้ไม่ไกล จะถูกดูดซึมไปก่อน)
ในความจริงแล้ว Permittivity เป็นจำนวน
เชิงซ้อน คือ Є = Є' + iЄ" หรือถ้าเทียบกับ
สูญญากาศก็คือ Єr = Єr' + iЄr" ส่วนจริง
(real part) ของ permittivity จะสัมพันธ์
กับการเก็บพลังงานเอาไว้ในตัวมัน ในขณะที่
ส่วนจินตภาพ (imaginary) จะสัมพันธ์
กับการแปลงพลังงานไปเป็นรูปแบบอื่นใน
วัสดุนั้น นั่นคือการมีส่วนจินตภาพมากๆ
จะหมายถึงวัสดุนั้นมีการสูญเสียสูง
ความสามารถของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะ
เดินทางในวัสดุ ขึ้นกับค่าของ Єr', Є''r
และ σ ของวัสดุนั้น ตารางด้านบนจำแนก
วัสดุออกตั้งแต่เป็นสิ่งที่คลื่นเดินทางได้ดี
มีการลดทอนต่ำ (เช่น สุญญากาศ, อากาศ)
หรือสูญเสียมากเช่นน้ำ มากกว่าเช่น น้ำทะเล
ไปจนกระทั่งเดินทางไม่ได้เลย (คือ ตัวนำ
สมบูรณ์ - perfect conductor)
เมื่อ permittivity เป็นจำนวนเชิงซ้อน
ทำให้ดัชนีหักเหเป็นจำนวนเชิงซ้อนไปด้วย
ส่วนจินตภาพของดัชนีหักเหนี่เองที่ทำให้
คลื่นลดกำลังไปได้แม้ในตัวกลางที่่มีความ
นำไฟฟ้า = 0 (คือ เป็นฉนวนทางไฟฟ้า
แต่อาจจะไม่ใช่ dielectric ที่ดี) นอก
จากนั้นส่วนจริงจะทำให้ความยาวคลื่นใน
ตัวกลางนั้นเปลี่ยนไปด้วย
ค่าคงที่ต่างๆ
ε0 ≈ 8.854187817 ×10−12 F/m
εr (vacuum) = 1
εr (air) ≈ 1.0006
μ0 = 4π×10-7
H/m
μr (vacuum) = 1
μr (air) ≈ 1.00000037
1) Light penetration in the ocean
https://physics.stackexchange.com/questions/116420/light-penetration-in-the-ocean
2) Penetration depth
https://en.wikipedia.org/wiki/Penetration_depth
3) Skin Depth And Wavelength In Soil (ความถี่วิทยุ)
http://www.antennasbyn6lf.com/files/ground_skin_depth_and_wavelength.pdf
4) Skin Depth for Various Materials (ความถี่วิทยุ)
https://em.geosci.xyz/content/maxwell1_fundamentals/harmonic_planewaves_homogeneous/skindepth.html
5) Dielectric permittivity of water as a function of frequency (ความถี่วิทยุ - ความถี่แสง)
http://www.nature.com/articles/srep13535/figures/1
6) Microwave-Resonator-Based Sensors
https://www.sensorsmag.com/components/microwave-resonator-based-sensors-accurate-solution-for-measuring-water-content-paper
7) Water, dielectric in a resonant circuit
http://graphene.limited/deep-dive-into-technology-2/full-container-inspection/fill-level-inspection/high-frequency/high-frequency-for-still.html
8) Permittivity
https://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity
