คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
 

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

บทเรียนฟิสิกส์
   

ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 2 : กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
 
ระดับชั้น : มัธยม 6
กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวดตัวนำ
เมื่อต้องการทราบว่า ฟลักซ์แม่เหล็กทำให้มีกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำได้หรือไม่ จะพบว่า เข็มของแอมมิเตอร์เบนไปจากตำแหน่งเดิม แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวดทองแดง ในทางกลับกัน ถ้าให้ขดลวดทองแดงอยู่กับที่ แต่เคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กไป-มา ให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดขดลวดทองแดงเปลี่ยนแปลงก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าผ่านแอมมิเตอร์ได้เช่นกัน นั่นคือ มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดทองแดง

กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำมีการเปลี่ยนแปลง เรียกการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากวิธีนี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current)

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นเลือดตัวนำ
เมื่อเคลื่อนเส้นลวดตัวนำในสนามแม่เหล็ก เส้นลวดตัวนำ PQ เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังนั้น จะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดตัวนำในทิศตั้งฉากกับระนาบของ และ ซึ่งจะอยู่ในแนวเส้นลวด PQ มีผลทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างปลาย PQ หรือ กล่าวอีกนัยหนึ่งว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำมีความต่างศักย์ VPQ ดังนั้น ถ้าต่อเส้นลวดตัวนำนี้ให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force)

จากที่กล่าวมาแล้ว เป็นการใช้เส้นลวดตัวนำตรงเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ถ้าให้ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก หมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็กในแนวตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็กจะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดรูปสี่เหลี่ยม

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
ขดลวดตัวนำหมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็ก
ให้ขดลวด PQRS หมุนรอบแกน XY ในทิศทวนเข็มนาฬิกา เมื่อพิจารณาลวดตัวนำ ส่วน PQ และ RS จะเห็นว่า ลวด PQ และ RS เคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ในทิศลงและขึ้น ดังนั้น จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ I โดยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะมีทิศจาก P ไป Q และจาก R ไป S พร้อมกัน

เมื่อนำขดลวดตัวนำต่อกับแอมมิเตอร์ที่สามารถวัดกระแสไฟฟ้าค่าน้อยๆ ได้ และนำขดลวดนี้เคลื่อนที่เข้าใกล้หรือออกห่างแท่งแม่เหล็ก จะพบว่า ขณะที่ขดลวดตัวนำเคลื่อนนั้น จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ซึ่งสังเกตได้จากการเบนของเข็มชี้ของแอมมิเตอร์ แต่ขณะที่ขดลวดตัวนำอยู่นิ่ง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นผลที่ได้จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังนั้น จึงกล่าวได้ว่า เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กผ่านที่ขดลวดตัวนำมีค่าเปลี่ยนแปลง จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำ ซึ่งเป็นผลให้มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำนั้น

ไมเคิล ฟาราเดย์ ได้ทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง และสรุปได้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวด เป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้น เมื่อเทียบกับเวลา ข้อความนี้เรียกว่า กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ (Faraday’s Law of Induction) เรียกสั้นๆ ว่า กฎของฟาราเดย์ ซึ่งเป็นกฎพื้นฐานของไฟฟ้าและแม่เหล็ก

อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : Michael Faraday

พิจารณาระนาบของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็ก ในตอนแรกไม่มีฟลักซ์แม่เหล็กผ่านขดลวด

เมื่อขดลวดหมุนจากตำแหน่งเริ่มต้น ระนาบของขดลวดจะทำมุมต่างๆ กับสนามแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และมีค่าสูงสุดเมื่อระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก สรุปคือ ในช่วงการหมุนของขดลวดที่ระนาบขดลวดหมุนกวาดมุมไป 90 องศา จากตำแหน่งเริ่มต้นนี้ ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำขดลวด

ต่อไปจะศึกษาว่า ถ้าขดลวดอยู่กับที่และฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นหรือไม่ และกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับทิศทางการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างไร

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
ทิศของกระแสไฟฟ้าเมื่อใช้กฎของเลนซ์
การหาทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ หาได้จากกฎของเลนซ์ (Lenz’s law) ซึ่งมีใจความว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดจะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในทิศที่จะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเดิมที่ตัดผ่านขดลวดนั้น

ขดลวดตัวนำ P อยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้า ดังรูป ก.ถ้าสนามแม่เหล็กในบริเวณขดลวดมีค่าสม่ำเสมอเท่ากับ เมื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า ทำให้สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอมีค่าเพิ่มขึ้นเป็น ดังรูป ข.

สนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ ดังรูป ก. แสดงว่า ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด P ก็เปลี่ยนแปลงด้วย ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด P ในทิศที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งมีทิศตรงข้ามกับ ดังรูป ข. ตามกฎของเลนซ์ ทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังรูปด้านล่าง ก. ทำนองเดียวกัน ถ้าสนามแม่เหล็กมีค่าลดลงก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเช่นเดียวกัน ด้านล่าง ข.

การเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด

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 18100 คน
   
 

© 2000 - 2013 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved