ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 1 : ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์ของแม่เหล็กมาเป็นเวลานานกว่าสองพันปี ตั้งแต่ใช้ทำเป็นเข็มทิศ เพื่อบอกทิศให้นักสำรวจและนักเดินทางในอดีตจนถึงปัจจุบัน แต่กระแสไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์เริ่มศึกษาเมื่อประมาณสามร้อยปีมานี้เอง และเมื่อประมาณ 180 ปีก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

  แม่เหล็ก

ประมาณ 2,000 ปีมาแล้ว ชาวกรีกที่อาศัยในเมืองแมกนีเซียได้พบว่า แร่ชนิดหนึ่งสามารถดูดเหล็กได้ จึงเรียกแร่นี้ว่า แมกนีไทต์ (megnetite) และเรียกวัตถุที่ดูดเหล็กได้ว่า แม่เหล็ก (magnet) ส่วนวัตถุที่แม่เหล็กออกแรงกระทำ เรียกว่า สารแม่เหล็ก (magnetic substance)

ถ้านำแท่งแม่เหล็กไปดูดผงเหล็กจะพบว่า ปลายแท่งแม่เหล็กมีผงเหล็กหนาแน่นกว่าบริเวณอื่น จึงเรียกบริเวณนี้ว่า ขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) หากให้แท่งแม่เหล็กหมุนได้อย่างอิสระในแนวราบ แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้ เสมอ ดังรูป ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียก ขั้วเหนือ (north pole) ขั้วที่ชี้ไปทิศใต้เรียกว่า ขั้วใต้ (south pole) ใช้สัญลักษณ์ N แทนขั้วเหนือ และ S แทนขั้วใต้ หรือใช้สีสองสีทาขั้วทั้งสองข้าง เพื่อให้เห็นว่า ขั้วแตกต่างกัน

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
แม่เหล็กแบบต่างๆ
(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
การวางตัวของสนามแม่เหล็กในแนวเหนือใต้
เมื่อนำขั้วแม่เหล็กสองแท่งเข้าใกล้กัน ขั้วชนิดเดียวกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน แต่ขั้วเหนือและขั้วใต้จะดูดสารแม่เหล็ก ในกรณีที่ตัดแท่งแม่เหล็กแท่งหนึ่งเป็นสองแท่ง จะเกิดขั้วแม่เหล็กต่างชนิดตรงปลายที่หักออก ทำให้แต่ละแท่งเป็นแท่งแม่เหล็กแท่งใหม่ ดังรูป

(ซ้าย) รูปแสดงทิศของแรงแม่เหล็ก, (ขวา) รูปแสดงขั้วแม่เหล็กที่เกิดขึ้นตรงรอยหัก

ก. สนามแม่เหล็ก

เส้นสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก
เมื่อนำเข็มทิศหรือสารแม่เหล็ก เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์ไปวางใกล้แม่เหล็ก จะมีแรงกระทำต่อสารแม่เหล็กและปลายเข็มทิศให้เบนไป เราเรียกบริเวณที่มีแรงกระทำต่อสารแม่เหล็กและเข็มทิศว่า สนามแม่เหล็ก (magnetic field) ซึ่งแสดงให้เห็นได้โดยใช้ผงเหล็กโรยบนกระดาษที่วางบนแท่งแม่เหล็ก จะเห็นผงเหล็กเรียงตัวเป็นแนว เรียกว่า เส้นสนามแม่เหล็ก (magnetic field lines)

เส้นสนามแม่เหล็กในรูปข้างต้นแทนสนามแม่เหล็กในสองมิติ แต่ในธรรมชาติ สนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กเป็นสามมิติ

เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ รอบแท่งแม่เหล็กจะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศอยู่ในแนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน เมื่อกำหนดให้เข็มทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกับทิศที่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป จะได้ว่า เส้นสนามแม่เหล็กมีขั้วจากเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก

จากการนำแท่งแม่เหล็กสองแท่งวางใกล้กันในลักษณะต่างๆ ดังรูป จะเห็นได้ว่า บางบริเวณมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่น แสดงว่า สนามแม่เหล็กบริเวณนี้มีค่าน้อยมากและบางบริเวณไม่มีเส้นสนามแม่เหล็กผ่าน แสดงว่าไม่มีสนามแม่เหล็กบริเวณนั้น เรียกตำแหน่งที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ว่า จุดสะเทิน (neutral point)

การวางตัวของเข็มทิศในแนวเส้นสนามแม่เหล็ก

จุดสะเทินของแม่เหล็กสองแท่ง

ข. สนามแม่เหล็กโลก

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
การวางตัวของแท่งแม่เหล็กโลก
เราทราบแล้วว่า เข็มทิศซึ่งเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กจะวางตัวอยู่ในแนวเหนือใต้เสมอ แสดงว่าโลกมีสนามแม่เหล็ก เรียกว่า สนามแม่เหล็กโลก (earth's magnetic field) เส้นสนามแม่เหล็กโลกมีทิศพุ่งออกจากบริเวณขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ไปยังขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์ ดังนั้นจึงเสมือนโลกมีแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ฝังอยู่ภายใน โดยขั้วเหนือของแม่เหล็กโลกอยู่ใกล้ขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ และขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกอยู่ใกล้ขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์

มนุษย์ใช้ประโยชน์จากสนามแม่เหล็กโลก หลังจากได้พบว่า เมื่อวางแม่เหล็กแท่งเล็กๆ บนแกน ให้หมุนในแนวราบได้อย่างอิสระ แม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้เสมอ จึงนำสมบัตินี้มาสร้าง เข็มทิศ (compass) เพื่อใช้บอกทิศทาง นอกจากนี้สนามแม่เหล็กโลกยังมีความสำคัญต่อชีวิตบนโลกและทำให้เกิดปรากฏการณ์ธรรมชาติที่สวยงามอีกด้วย

สนามแม่เหล็กโลกทำหน้าที่ป้องกันชีวิตให้ปลอดอันตรายจาก ลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ (ส่วนใหญ่เป็นโปรตอน อิเล็กตรอนและนิวเคลียสของฮีเลียม) ที่พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ เพื่อไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นผ่านชั้นบรรยากาศของโลก

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
สนามแม่เหล็กโลกขณะเกิดลมสุริยะ
ลมสุริยะที่มาปะทะสนามแม่เหล็กโลกจะถูกเบี่ยงเบนอ้อมโลก อัตรากิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กโลกกับลมสุริยะทำให้สนามแม่เหล็กโลกด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์ลู่ไปคล้ายหางของดาวหาง ซึ่งเรียกว่า แมกนีโตสเฟียร์ (magnetosphere)

แต่ก็มีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากลมสุริยะบางส่วนถูกสนามแม่เหล็กโลกผลักให้ผ่านเข้าบรรยากาศบริเวณขั้วแม่เหล็กโลก เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้ชนกับโมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ในบรรยากาศที่ระดับ 100-300 กิโลเมตร โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ก็จะปล่อยแสงในช่วงที่ตามองเห็นออกมา เรียกว่า ออโรรา (aurora)

ออโรรา (aurora)

ออโรรามักเกิดในท้องฟ้าตอนกลางคืนหรือพลบค่ำ บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กโลก มีลักษณะคล้ายผ้าม่านที่เป็นริ้วสะบัดไปมา มักมีสีเขียวหรือสีแดง ออโรราที่เกิดบริเวณขั้วโลกเหนือ เรียกว่า แสงเหนือ (northrn light หรือ aurora borealis) ออโรราที่เกิดบริเวณขั้วโลกใต้ เรียกว่า แสงใต้ (southern light หรือ aurora australis)

นักวิทยาศาสตร์พบว่า สนามแม่เหล็กโลกยังมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมอพยพของนกและเต่าทะเล

ค. ฟลักซ์แม่เหล็ก

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
ฟลักซ์แม่เหล็ก
การศึกษาสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก พบว่า เส้นสนามแม่เหล็กแผ่ออกจากขั้วเหนือบริเวณสามมิติ บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กทั้งสองจะมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นยิ่งกว่าบริเวณอื่นๆ ถ้าพิจารณาพื้นที่บริเวณสนามแม่เหล็ก เรียกสนามแม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux) พบว่า บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กจะมีฟลักซ์แม่เหล็กหนาแน่น และฟลักซ์แม่เหล็กจะหนาแน่นน้อยลงเมื่อบริเวณอยู่ห่างขั้วแม่เหล็ก

อัตราส่วนระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กต่อพื้นที่ตั้งฉากกับสนามหนึ่งตารางหน่วย เรียกว่า ขนาดของสนามแม่เหล็ก หรือ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density)

ถ้าให้ ø เป็นขนาดฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่ มีหน่วยเวเบอร์ (weber หรือ Wb)
A เป็นพื้นที่ที่ตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก มีหน่วยตารางเมตร
B เป็นความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก

จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้

------------------ สมการที่ (14)

สนามแม่เหล็กมีหน่วย เวเบอร์ต่อตารางเมตร หรือเทสลา (tesla หรือ T) ระดับของสนามแม่เหล็กจากแหล่งกำเนิดต่างๆ แสดงดังในตาราง

แหล่ง
ขนาดของสนามแม่เหล็ก (T)
แม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง
30
แม่เหล็กไฟฟ้าในงานวิจัย
2
แท่งแม่เหล็ก
10-2
แม่เหล็กโลก
0.5 x 10-4


รูปประกอบตัวอย่าง
ตัวอย่างที่ 10 เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กขนาด 2 x 10-4 เวเบอร์ พุ่งผ่านพื้นที่ 10 ตารางเซนติเมตร ซึ่งวางตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก จงหาความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก

วิธีทำ จาก

ในที่นี้ ø = ฟลักซ์แม่เหล็ก = 2 x 10-4 Wb

A = พื้นที่ = 10 x 10-4 m2



คำตอบ ความหนาแน่นฟลักศ์แม่เหล็กเท่ากับ 0.2 เทสลา

ง. การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก

เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าจะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคนั้น ถ้าให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่ ศึกษาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก

จากกิจกรรม เมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่มีทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้งลง แสดงว่ามีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศลง เมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้ง แสดงว่า มีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศขึ้นดังรูป แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เรียกว่า แรงแม่เหล็ก (magnetic force)

แรงและแนวการเคลื่อนมราของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก

ในการหาทิศของแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคประจุไฟฟ้าลบ ใช้มือขวาโดยหันทั้งสี่นิ้วไปทางทิศของความเร็ว วนนิ้วทั้งสี่ไปหาสนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปทางทิศตรงข้ามกับทิศแรง ดังรูป ก. สำหรับการหาทิศของแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก ยังคงใช้มือขวา นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปทางทิศของแรง ดังรูป ข.

การหาทิศของแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

เนื่องจากปริมาณทั้งสามคือ ความเร็ว สนามแม่เหล็กและแรงมีทิศตั้งฉากกันและกัน และ q เป็นประจุไฟฟ้าของอนุภาค พบว่า ปริมาณเหล่านี้มีความสัมพันธ์กัน โดยหาขนาดของแรงได้ดังนี้

F = qvB ------------------ สมการที่ (15)

ในกรณีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว สนามแม่เหล็ก แรง ที่กระทำต่ออนุภาค จะหาได้จากสมการ

= q( x ) หรือขนาดของแรง F = qvB sin θ

เมื่อวิเคราะห์สมการที่ 16 จะพบว่า อนุภาคเคลื่อนที่เป็นแนวขนานกับสนามแม่เหล็ก (θ = 0o หรือ 180o เพราะ sin θ = 0) ดังนั้นแรงที่กระทำจะเป็นศูนย์ แต่ถ้าอนุภาคนั้นหยุดนิ่ง ( = 0) ก็จะไม่มีแรงกระทำต่ออนุภาคเช่นกัน แต่เมื่อความเร็วของอนุภาคตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก (θ = 90o sin θ = 1) แรงที่กระทำต่ออนุภาคมากที่สุด

ตัวอย่างที่ 11 อิเล็กตรอนตัวหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว 1.6 x 107 เมตรต่อวินาที ในทิศจากซ้ายไปขวา เข้าไปในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 9.1 x 10-3 เทสลา และสนามมีทิศตั้งฉากเข้าหากระดาษ จงหาขนาดและทิศของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออิเล็กตรอน

รูปแสดงทิศของแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอน
วิธีทำ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออิเล็กตรอน หาได้จากสมการ

F = qvB

ในที่นี้ q = 1.6 x 10-19 C

v = 1.6 x 107 m/s

B = 9.1 x 10-3 T

แทนค่าจะได้ F = 1.6 x 10-19 C x 1.6 x 107 m/s x 9.1 x 10-3 T = 2.3 x 10-14 N

หาทิศของแรงโดยใช้มือขวา จะได้ดังรูป

คำตอบ แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนเท่ากับ 2.3 x 10-14 นิวตัน มีทิศลง

  กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

ในปี พ.ศ.2363 ฮานส์ เออร์สเตด พบว่า เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำนั้น สำหรับลวดตัวนำที่มีรูปต่างๆ กัน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีลักษณะเหมือนหรือแตกต่างจากสนามแม่เหล็กของทางแม่เหล็กอย่างไร

อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : Hans Christian Oersted

ก. สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรง

เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำตรง จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ ซึ่งทราบได้จากการดูเข็มทิศเล็กๆ ที่วางรอบลวดตัวนำ มีการเรียงตัวเป็นวง ทิศของสนามแม่เหล็กหาได้จาก กฎมือขวา (right hand rule) โดยกำมือขวารอบลวดตัวนำตรง ให้หัวแม่มือชี้ไปทางทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศทางการวนของนิ้วทั้งสี่คือ ทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อกลับทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปด้วย ความสัมพันธ์นี้ศึกษาได้จากกิจกรรมสนามาแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำ ตอนที่ 1

แนวการวางตัวของเข็มทิศรอบลวดตัวนำตรงก่อนกระแสไฟฟ้าผ่านในรูป ก. และหลังผ่านในรูป ข. (2 รูปขวามือ คือ การใช้กฎมือขวาหาทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรง)

ถ้าผ่านกระแสไฟฟ้าไปในลวดตัวนำที่ถูกดัดเป็นวงกลม จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบๆ ลวดตัวนำนั้น การหาทิศของสนามแม่เหล็กยังคงใช้กฎมือขวา โดยการกำลวดตัวนำแต่ละส่วนจะได้ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำ ดังรูป ก. นอกจากนี้ ยังอาจใช้วิธีกำมือขวาวางบนระนาบของลวดตัวนำ โดยให้นิ้วทั้งสี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปตามทิศของสนามแม่เหล็ก ดังรูป ข. จะเห็นว่า ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำวงกลมมีลักษณะคล้ายกับสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก ซึ่งศึกษาได้จากกิจกรรมตอนที่ 2

(สองรูปด้านซ้าย) สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำรูปวงกลม และ (รูปขวามือ) สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำวงกลมคล้ายกับสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก

ข. สนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์
เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลายๆ วง เรียงซ้อนกันเป็นรูปทรงกระบอก ขดลวดที่ได้นี้ เรียกว่า โซเลนอยด์ (solenoid) เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น การหาทิศของสนามแม่เหล็กใช้วิธีการกำมือขวาแบบเดียวกับการหาทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำวงกลม ปลายของขดลวดด้านที่สนามแม่เหล็กพุ่มออกมาจะเป็นขั้วเหนือ และอีกปลายหนึ่งซึ่งสนามแม่เหล็กพุ่มเข้าจะเป็นขั้วใต้ ศึกษาได้จากกิจกรรม ตอนที่ 3

สนามแม่เหล็กที่เกิดจากโซเลนอยด์มีค่าสูงสุดบริเวณแกนกลางของโซเลนอยด์และขนาดของสนามแม่เหล็กนี้จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่ม หรือจำนวนรอบของขดลวดเพิ่ม

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
แม่เหล็กไฟฟ้าอย่างง่าย
ถ้าใส่แท่งเหล็กอ่อนไว้ที่แกนกลางของโซเลนอยด์ เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ แท่งเหล็กอ่อนจะมีสมบัติเป็นแม่เหล็ก แม่เหล็กที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กจะเพิ่ม เมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มและจำนวนรอบต่อความยาวของขดลวด แต่เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้า แท่งแม่เหล็กอ่อนจะหมดสภาพแม่เหล็กทันที หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้านี้ถูกนำไปประยุกต์สร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายอย่าง ดังรูป

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
การนำหลักการแม่เหล็กไฟฟ้า
ไปใช้ประโยชน์

ค. สนามแม่เหล็กของทอรอยด์

เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มขดเป็นวงกลมหลายๆ รอบเรียงกันเป็นรูปทรงกระบอกแล้วขดเป็นวงกลม ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า ทอรอยด์ (toroid) เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่าน จะเกิดสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ ซึ่งหาทิศของสนามได้ด้วยการกำมือขวารอบแกนของทอรอยด์ให้นิ้วทั้งสี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์มีค่าไม่สม่ำเสมอ โดยสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านในมีค่าสูงกกว่าสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านนอก

(ซ้าย) สนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ และ (ขวา) เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันโทคามัค

ปัจจุบันมีการนำหลักการของทอรอยด์ ไปสร้างสนามแม่เหล็กในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ชั้นสูง เช่น เครื่องใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน (fusion nuclear reactor) โดยสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอภายในทอรอยด์ ทำให้พลาสมาซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่ถูกกักเก็บอยู่ภายในทอรอยด์มีการเคลื่อนที่แบบเกลียว การถูกสนามแม่เหล็กความเข้มสูงกระทำอนุภาคจะมีความเร็วสูงจนมีพลังงานสูงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่ใช้หลักการนี้ เรียกว่า โทคามัค (tokamak) คาดว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันจะเป็นแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าที่สำคัญในอนาคต

  แรงกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
การใช้มือขวาหาทิศของแรงที่กระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออนุภาคนั้น ถ้าให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำที่วางในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อขดลวดตัวนำหรือไม่ต้องศึกษาจากกิจกรรม แรงกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก

พบว่า เมื่อลวดตัวนำมีกระแสไฟฟ้าผ่านขณะอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงกระทำ และเมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กหรือทิศของกระแสไฟฟ้า พบว่า แรงกระทำจะกลับทิศด้วย แสดงว่า แรงที่กระทำต่อลวดตัวนำมีความสัมพันธ์กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้ได้ดังนี้

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระด้วยความเร็วลอยเลื่อน ดังนั้น เมื่อลวดตัวนำวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ตามสมการ F = qvB เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระอยู่ภายในลวดตัวนำ ดังนั้น แรงที่เกิดจึงทำให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่ในทิศของแรงนั้น

ถ้าประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวนำในเวลา t จากนิยามของกระแสไฟฟ้า เขียนได้ว่า q = It



ในสมการ (17) เท่ากับความยาวของลวดช่วงที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ทิศของแรงหาได้จากการกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของแรง

ตัวอย่างที่ 12 ลวดตัวนำยาว 15 เซนติเมตร มวล 0.04 กิโลกรัม วางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 2 เทสลา ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 10 แอมแปร์ ผ่านลวดมีผลให้ลวดเคลื่อนที่ในแนวราบ จงหาความเร่งของลวดตัวนำ (สมมติไม่คิดแรงโน้มถ่วงของโลก)

วิธีทำ หาขนาดของแรงจากสมการ

F = I B

F = 10 A x 0.15 m x 2 T = 3 N

หาความเร่งของขดลวดตัวนำเนื่องจากแรงกระทำจากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน

F = ma

3 N = 0.04 kg x a

a = 75 m/s2

คำตอบ ความเร่งของลวดตัวนำเท่ากับ 75 เมตรต่อวินาที2

  แรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน

เราทราบแล้วว่า เวลาลวดตัวนำมีกระแสไฟฟ้าผ่านจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวลวดตัวนำ และลวดตัวนำเส้นนั้น อยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำ ถ้าลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านสองเส้นวางขนานและใกล้กัน จะมีแรงกระทำระหว่างลวดตัวนำทั้งสองหรือไม่

จะพบว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองเส้นมีทิศเดียวกัน แรงระหว่างลวดเป็นแรงดูด แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองทิศมีทิศตรงกันข้ามแรงระหว่างลวดเป็นแรงผลัก ซึ่งสามารถวิเคราะห์ผลที่เกิดขึ้นได้ดังนี้

พิจารณาลวดตัวนำ ab และ cd ที่วางขนานกัน เมื่อลวด ab มีกระแสไฟฟ้า I1 ผ่านจะมีสนามแม่เหล็ก B1 เกิดขึ้นรอบลวด ab ดังนั้นมีลวด cd จะอยู่ในสนามแม่เหล็ก B1 ด้วยเหตุนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้า I2 ผ่านลวด cd ในทิศเดียวกับ I1 จะเกิดแรง F1 กระทำต่อลวด cd ในขณะเดียวกัน ลวด ad ก็อยู่ในสนามแม่เหล็ก B2 ที่เกิดจากลวด cd และจะมีแรง F2 กระทำต่อลวด ab ด้วย เพราะ F1 และ F2 มีทิศตรงกันข้าม ดังนั้น แรงระหว่างลวดทั้งสองนี้จึงเป็นแรงดึงดูด

ในทำนองเดียวกัน อาจวิเคราะห์ได้ว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองทิศตรงข้ามกัน แรงระหว่างลวดทั้งสองเป็นแรงผลัก

ความรู้เรื่องแรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่านถูกนำมาใช้นิยามหน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบเอสไอ โดยกำหนดว่า 1 แอมแปร์ คือ กระแสไฟฟ้าคงตัวในลวดตัวนำตรงทั้งสองเส้นที่ยาวมากและเล็กจนไม่คิดพื้นที่หน้าตัด ซึ่งวางขนานกันและห่างกัน 1 เมตร ในสุญญากาศ แล้วทำให้เกิดแรงระหว่างลวดตัวนำทั้งสองเท่ากับ 2 x 10-7 นิวตันต่อเมตร

  แรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก

เมื่อลวดตัวนำตรงที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านวางในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อลวด ถ้าเปลี่ยนลวดตัวนำตรงเป็นขดลวดรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก แรงกระทำที่เกิดขึ้นจะมีผลต่อขดลวดอย่างไร

พิจารณาขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก PQRS วางในสนามแม่เหล็ก โดยระนาบของขดลวดขนานกับทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อให้กระแสไฟฟ้า I ผ่านขดลวดในทิศ จะพบว่า ลวดส่วน QR และ SP มีทิศของกระแสไฟฟ้าขนานกับสนามแม่เหล็กจึงไม่เกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่ในลวดส่วน PQ และ RS ทิศของกระแสไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็ก จึงเกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่แรงทั้งสองนี้มีขนาดเท่ากัน และทิศตรงข้ามจึงเป็นแรงคู่ควบ และหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบได้


จากรูป ให้ความยาว PS = QR = a และความยาว PQ = RS = b ดังนั้น แรงกระทำที่เกิดขึ้นกับลวดส่วน PQ และ RS จึงมีค่า IbB โมเมนต์ของแรงควบคู่หาได้ ดังนี้

โมเมนต์ของแรงคู่ควบ = แรงคู่ควบ x ระยะทางตั้งฉากระหว่างแนวแรงทั้งสอง

M = Fa = IbBa

M = IAB เมื่อ A = ab = พื้นที่ของขดลวด

เมื่อเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ขดลวด PQRS จะหมุนทวนเข็มนาฬิกา

พิจารณาระนาบของขดลวด PQRS ทำมุม θ กับสนามแม่เหล็ก โมเมนต์ของแรงคู่ควบหาได้ดังนี้

โมเมนต์ของแรงคู่ควบ M = F (a cos θ) = IbB a cos θ

M = IAB cos θ

ถ้าขดลวดมีลวดพัน N รอบ จะได้ M = NIAB cos θ ------------------ สมการที่ (18)

ในกรณีที่ขดลวดเป็นระนาบรูปทรงอื่นที่ไม่ใช่สี่เหลี่ยม โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดก็ยังหาได้จากสมการ (18)

ตัวอย่างที่ 13 ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมีจำนวนขด 400 รอบ และพื้นที่ 20 ตารางเซนติเมตร อยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 0.5 เทสลา ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 6 แอมแปร์ ผ่านขดลวด จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้น เมื่อระนาบของขดลวดทำมุม 15 องศา กับสนามแม่เหล็ก

วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบ M = NIAB cos θ

ในที่นี้ N = 400, I = 6 A, A = 20 x 10-4 m2, B = 0.5 T และ θ = 15o

แทนค่า M = 400 x 6 A x 20 x 10-4 m2 x 0.58 T x cos 15o

= 400 x 6 x 20 x 10-4 x 0.5 x 0.97 Am2T

= 2.32 Nm

คำตอบ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเท่ากับ 2.32 นิวตัน เมตร
ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ฟิสิกส์ เล่ม 3
ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ ฟิสิกส์ ม.4-5-6 บริษัทไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง จำกัด
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.6 สสวท 2544
จำนวนคนอ่าน 77103 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved