Propagation หมายถึงอะไรกันแน่



เมื่อพูดถึงการเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว เพื่อนๆ อาจจะเคยได้ยินคำว่า “Propagation” กันมาบ้างแล้ว คำนี้ถ้าแปลให้ใกล้เคียงที่สุดน่าจะประมาณว่าเป็น "การแพร่กระจาย" แต่จะว่าไปก็ไม่ได้รวมเอาสาระสำคัญเอาไว้อยู่ดี วันนี้เลยอยากมาเล่าให้เพื่อนๆ ทราบถึงความหมายพิเศษของเจ้าคำว่า Propagation (พรอ เพ เก๊ ฉั่น - พยายามให้ใกล้เคียงสุดๆ แล้วนะเนี่ย)

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ

คลื่น ที่ออกจากสายอากาศเรา เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  ซึ่งไม่เหมือน “การขว้างลูกบอล” ออกจากมือ การขว้างลูกบอล เราขว้างแรง มันไปไกล ขว้างเบาก็หล่นใกล้ๆ ตัวไม่ไปไหนไกล แต่ คลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ออกจากสายอากาศเรา ไม่ได้เป็นแบบนั้น  การส่งด้วยกำลังส่งแรง ไม่ได้หมายความเดียวกันกับการขว้างลูกบอลแรงๆ การส่งด้วยกำลังส่งต่ำ “ไม่ได้” หมายความว่า คลื่นไปได้ไม่ไกล แต่หมายความว่า ความเข้มของสนามไฟฟ้า-แม่เหล็ก มันอ่อนลงในระยะไกลๆ จนอาจจะเกินกว่าผู้รับจะรับได้ เท่านั้น (แต่คลื่นยังเดินทางไปเรื่อยๆ ไปไกลได้เท่าๆ กันนั่นล่ะ)

เพราะ คลื่นมัน “Propagate”

ที่เรารู้เพราะว่า มันเป็นคำตอบ (solution) ของชุดสมการแมกซ์เวลล์



ใน space (บริเวณเปิดโล่ง) เมื่อความหนาแน่นของประจุ ρ หรือ ρ­­_v = 0 (คือ ไม่มีประจุไฟฟ้ามารบกวน)
ตายๆ เลิกๆ สมการอะไรยึกยือ ปิดเครื่องนอนดีกว่า...  อย่านะครับ ผมล้อเล่นไปงั้นแหละ (บอกตรงๆ ผมดูยังงงเลย มาไม่งงหลังจากเห็นมันมาสิบปีนี่แหละครับ)

การเหนี่ยวนำระหว่างสนามไฟฟ้าและแม่เหล็ก

เราสามารถอธิบายการ Propagation ง่ายๆ ด้วยกฏของฟาราเดย์ และ กฏของแอมแปร์ (ผมพยายามตัดสมการยุ่งยาก และการคำนวณซับซ้อนอันเนื่องมาจากสมการทั้ง 4 สมาการด้านบนออกไป)

- แอมแปร์ (André-Marie Ampère) บอกว่า การเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก เรื่องนี้สำหรับท่านที่ไม่คุ้นเคยก็เปรียบได้กับ "แม่เหล็กไฟฟ้า" นั่นเอง ที่เราเอากระแสไหลในขดลวดแล้วเกิดสนามแม่เหล็กได้ ดูภาพที่ 1  หลายท่านคงร้อง อ๋อ แล้ว เพราะเคยเอาเส้น



ภาพที่ 1 กฏของแอมแปร์ เมื่อมีกระแส

ไฟฟ้าไหลในตัวนำ จะทำให้เกิดสนาม

แม่เหล็ก ตามกฏมือขวา

- ต่อมา แม็กซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้เพิ่มเติมกฏของแอมแปร์ว่า ใช่แต่ว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงแล้ว จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนะ การมี "สนามไฟฟ้า ที่เปลี่ยนแปลง" (เปลี่ยนความเข้ม) ก็เกิดสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มเปลี่ยนแปลงได้เหมือนกัน และการที่เป็น "สนามไฟฟ้า" นั่นคือไม่จำเป็นต้องเป็นไฟฟ้ากระแส คือไม่ต้องมีเส้นลวดตัวนำก็ยังได้ แค่มีสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง (ในอากาศเปล่าๆ หรือสูญญากาศ) ก็เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงได้แล้ว ดูภาพที่ 2



ภาพที่ 2 เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของ

สนามไฟฟ้า E จะเกิดการหมุนวน

ของสนามแม่เหล็ก H (B = μH) ได้

ทั้งที่ในบริเวณตรงกลางระหว่างแผ่น

ตัวนำ (สีเหลือง) ทั้งสองนั้นคือที่ว่าง

- ฟาราเดย์ (Michael Faraday) บอกว่า การเปลี่ยนแปลงความเข้มของสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเข้มของสนามไฟฟ้า ตามในภาพที่ 3 ซึ่งสำหรับไฟฟ้ากระแสแล้ว ถ้าเราเอาเส้นลวดมาให้สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้น "เกาะ" ไป ก็จะกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้นั่นเอง อย่างไรก็ตาม แม้จะไม่มีเส้นลวดตัวนำ การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กก็ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าได้ (ในบริเวณว่าง, space, อากาศ)



ภาพที่ 3 เมื่อแม่เหล็กหมุน (รอบตัวเอง

ตามลูกศรสีม่วง) ทำให้ความหนาแน่น

ของเส้นแรงแม่เหล็ก B (เส้นสีชมพู)

ที่ตัดผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง ทำให้

เกิดการหมุนวนของสนามไฟฟ้า E
ซึ่งถ้าเราเอาลวดตัวนำไปรับ จะกลาย
เป็นกระแสไฟฟ้าไหลในตัวนำนั้น

ซึ่งที่อธิบายด้านบน คือความหมายของสมการแม็กซ์เวลล์ในรูปที่ชาวบ้านดูแล้วไม่รู้เรื่องนั่นแหละ เพราะในสมการเป็นตัวแปร-สมการแบบเวคเตอร์แคลคูลัส จะบอกทิศทางของสนามต่างๆ ที่เป็นต้นเหตุและที่เกิดขึ้นด้วย เลยดูซับซ้อน

แล้ว Propagation ล่ะคืออะไรแน่

ทีนี้ ในขณะที่คลื่นออกจากสายอากาศ มันมีการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า และ แม่เหล็ก พอมันขยับออกมาจากสายอากาศ เจ้าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ก็เหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า และในเวลาเดียวกันการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า ก็เหนี่ยวนำ ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก วนเวียนเช่นนี้เรื่อยไป

ซึ่งในอากาศหรือสูญญากาศแล้ว สนามทั้งสองจะตั้งฉากกัน และเดินทางตั้งฉากกับสนามทั้งสอง ตาม Vector Cross Product

P = Ε X Η

Ε, Η เป็นเวคเตอร์ของสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กตามลำดับ
P เป็นเวคเตอร์กำลังของคลื่นที่บอกทิศทางด้วย
เราเขียนด้วยตัวหนา เป็นการบอกว่าเป็นปริมาณเวคเตอร์ (เพราะพิมพ์ ลูกศร อยู่ด้านบนไม่ได้)
X คือเครื่องหมาย 'cross' vector operation ไม่ใช่เครื่องหมายคูณ

ทั้งหมดทั้งปวงนี้ เรียกว่า “Propagation” เป็นสิ่งที่เกิดโดยธรรมชาติ เราไม่ต้องไปทำอะไรเพิ่มเติมให้มันอีก ดูภาพที่ 4



ภาพที่ 4 แสดงผลจากการเหนี่ยวนำ

กันเองไปมาของสนามไฟฟ้าและ

แม่เหล็กในสุญญากาศ (หรืออากาศ)

ทิศทางการ Propagate คือทิศ

ของเวคเตอร์ลัพธ์จาก Cross

Product ระหว่างเวคเตอร์

สนามไฟฟ้า (E) และเวคเตอร์

สนามแม่เหล็ก (H)

ความหมายจริงๆ

จะเห็นว่าที่จริงแล้ว คำว่า Propagation มีนัยยะความหมายที่สำคัญว่า ขณะที่คลื่นเดินทางไป จะเหนี่ยวนำกันไป ให้เกิดสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ที่เหนี่ยวนำกันไปได้เรื่อยๆ ทำให้เดินทางได้ คือ ไปเรื่อยๆ ไม่สิ้นสุดด้วยตัวของมันเอง จนกว่าจะถูก ดูดซึม (เปลี่ยนพลังงานเป็นรูปแบบอื่น เช่น การสั่นสะเทือน ความร้อน ในโมเลกุลของตัวกลางที่ดูดซึมนั้น) นั่นเอง

ภาพที่ 5 ใน space (บริเวณเปิด)

จริงๆ สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

จากสายอากาศไดโพลจะ

Propagate ในลักษณะตามภาพนี้

หมายเหตุ

1. ที่เล่าให้ฟังมาด้านบนนี้ เป็นการเดินทางของคลื่นในอากาศ หรือ สุญญากาศ ซึ่งสภาวะของเราก็เป็นแบบนั้นอยู่แล้ว โดยถ้าคลื่นวิ่งในท่อนำคลื่น (waveguide) สี่เหลี่ยม ทรงกระบอก จะกลวงหรือมีตัวกลางอื่นใดก็ตาม ก็อาจจะมีทิศทางของสนามแม่เหล็ก และ สนามไฟฟ้าที่แปลกไปจากนี้นะครับ

2. สำหรับการสื่อสารที่ย่านความถี่ HF (ถ้าเป็นช่วงของวิทยุสมัครเล่นที่นิยมใช้กันก็คือ 1.8 - 30MHz) การติดต่อสื่อสารจะขึ้นกับการสะท้อน และ/หรือ re-radiate ของชั้นบรรยากาศต่างๆ ด้วย (ส่วนมากคือ E และ F) ทำให้การติดต่อทำให้ไกลเกินส่วนโค้งของโลกจะบดบังเอาไว้ เพราะมีการสะท้อนคลื่นจากพื้นดิน-น้ำ และชั้นบรรยากาศ (ที่อยู่สูงขึ้นไปกว่า 200-300 ไมล์) บางครั้งเราก็เรียกรวมๆ เมื่อสภาพชั้นบรรยากาศเหมาะสมทำให้ติดต่อได้ไกลว่า "Propagation ดี" ในทางกลับกันอาจจะบอกว่า "Propagation ไม่ดี" ก็เป็นการใช้คำคำเดียวกันในอีกลักษณะหนึ่ง

สรุป

1. Propagation ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ในสุญญากาศ หรือ อากาศปกติ) คือการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก การเหนี่ยวนำนี้ทำให้เกิดคลื่นเดินทาง คือ propagating หรือ traveling wave
2. คลื่นจะเดินทางไปเรื่อยๆ แต่ละความเข้มลงเมื่อห่างจากแหล่งกำเนิด และ/หรือ ถูกดูดซึม (ซึ่งคือการถูกเปลียนรูปพลังงานไปเป็นอย่างอื่นที่ไม่ใช่พลังงาน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อีกต่อไป)
3. ความหมายรองของคำว่า Propagation คือ สภาพการเดินทางของคลื่นโดยรวมกันเกิดจากสภาพชั้นบรรยากาศ ว่าสามารถติดต่อได้ดีหรือไม่

แล้วพบกันใหม่ในเรื่องเล่าต่อไปนะครับ
73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)