ประมาณ 2000 ปีมาแล้ว ชาวกรีกที่อาศัยในเมืองแมกนีเซียได้พบว่าแร่ชนิดหนึ่งสามารถดูดเหล็กได้ จึงเรียกแร่นี้ว่า แมกนีไทต์ และเรียกวัตถุที่ดูดเหล็กได้ว่า แม่เหล็ก ส่วนวัตถุที่แม่เหล็กออกแรงกระทำ เรียกว่า สารแม่เหล็ก
ถ้านำแท่งแม่เหล็กไปดูดผงเหล็ก จะพบว่าปลายแท่งแม่เหล็กมีผงเหล็กหนาแน่นกว่าบริเวณอื่น จึงเรียกบริเวณนี้ว่า ขั้วแม่เหล็ก หากให้แท่งแม่เหล็กหมุนได้อย่างอิสระในแนวราบ แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้เสมอ ดังรูป 31 ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียก ขั้วเหนือ ขั้วที่ชี้ไปทางทิศใต้ เรียก ขั้วใต้ ใช้อักษร N แทนขั้วเหนือ และ S แทนขั้วใต้
การวางตัวของแท่งแม่เหล็กในแนวเหนือใต้
เมื่อนำขั้วแม่เหล็กของแม่เหล็กสองแท่งเข้าใกล้กัน ขั้วชนิดเดียวกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน แต่ทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้จะดูดสารแม่เหล็ก ในกรณีที่ตัดแท่งแม่เหล็กแท่งหนึ่งเป็นสองแท่ง จะเกิดขั้วแม่เหล็กต่างชนิดตรงปลายที่หักออก ทำให้แต่ละแท่งเป็นแท่งแม่เหล็กแท่งใหม่สนามแม่เหล็กสนามแม่เหล็กเป็นบริเวณรอบ ๆ แท่งแม่เหล็ก ซึ่งมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อวัตถุ ความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็กแสดงโดยเส้นแรงแม่เหล็ก เส้นแรงแม่เหล็กแสดงให้เห็นได้โดยใช้ผงเหล็กโรยรอบๆ แท่งแม่เหล็ก เส้นแรงแม่เหล็กพุ่งจากขั้วเหนือ (N) ของแท่งแม่เหล็ก ไปยังขั้วใต้ (S) โดยที่บริเวณขั้วแม่เหล็กทั้งสองจะมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นมากกว่าที่บริเวณอื่นถ้าหันขั้วชนิดเดียวกันเข้าหากัน เส้นสนามแม่เหล็กรอบๆ แท่งแม่เหล็กแต่ละแท่งจะมีลักษณะเดียวกันกับการวางตัวของเส้นสนามแม่เหล็ก 1 แท่ง ยกเว้นบริเวณระหว่างขั้วชนิดเดียวกันที่หันเข้าหากันทั้งสองจะไม่มีเส้นสนามแม่เหล็ก เรียกตำแหน่งที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ว่า จุดสะเทิน
ถ้าหันขั้วต่างชนิดกันเข้าหากันเส้นสนามแม่เหล็กรอบๆ แท่งแม่เหล็กแต่ละแท่งจะมีลักษณะเดียวกันกับการวางตัวของเส้นสนามแม่เหล็ก 1 แท่ง ส่วนบริเวณระหว่างขั้วต่างชนิดกันที่หันเข้าหากันจะมีเส้นสนามแม่เหล็กโยงเข้าหากันสนามแม่เหล็กโลกเข็มทิศ ซึ่งเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กจะวางตัวอยู่ในแนวเหนือใต้เสมอ แสดงว่า โลกมีสนามแม่เหล็ก เรียก สนามแม่เหล็กโลก เส้นสนามแม่เหล็กโลกมีทิศพุ่งออกจากบริเวณขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ไปยังขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์ ดังนั้นจึงเสมือนโลกมีแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ฝังอยู่ภายใน โดยขั้วเหนือของแม่เหล็กโลกอยู่ใกล้ขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ และขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกอยู่ใกล้ขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์ฟลักซ์แม่เหล็กการศึกษาสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก พบว่า เส้นสนามแม่เหล็กแผ่ออกจากขั้วเหนือเป็นบริเวณสามมิติ บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กทั้งสองจะมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นยิ่งกว่าบริเวณอื่น ถ้าพิจารณาพื้นที่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก เรียกเส้นสนามแม่เหล็กที่ผ่านพี้นที่นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็ก พบว่า บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กจะมีฟลักซ์แม่เหล็กหนาแน่นและฟลักซ์แม่เหล็กจะน้อยลง เมื่ออยู่ห่างขั้วแม่เหล็กอัตราส่วนระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กต่อพื้นที่ตั้งฉากกับสนามหนึ่งตารางหน่วย เรียกว่า ขนาดของสนามแม่เหล็ก หรือ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก จะได้ความสัมพันธ์ ดังนี้การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก
เมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่มีทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้งลง แสดงว่ามีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศลง ดังรูป 32 ก เมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้งขึ้น แสดงว่ามีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศขึ้น ดังรูป 32 ข แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เรียกว่า แรงแม่เหล็กรูป 32 แรงและแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กในการหาทิศของแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคประจุไฟฟ้าลบ ใช้มือขวา โดยหันนิ้วทั้งสี่ไปทางทิศของความเร็ว วนนิ้วทั้งสี่ไปหาสนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปทางทิศตรงข้ามกับทิศของแรง สำหรับการหาทิศของแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก ยังคงใช้มือขวา นิ้วหัวแม่มือจะไปทางทิศของแรง ดังรูป 33การหาทิศของแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเนื่องจากปริมาณทั้งสามคือความเร็ว สนามแม่เหล็กและแรงมีทิศตั้งฉากกันและกัน พบว่ามีความสัมพันธ์กัน ดังนี้ในกรณีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว
สนามแม่เหล็ก
แรง
ที่กระทำต่ออนุภาค จะหาได้จากสมการ
หรือ ขนาดของแรง
----(16)
เมื่อวิเคราะห์สมการ (16) พบว่าถ้าอนุภาคเคลื่อนที่ในแนวขนานกับสนามแม่เหล็ก (หรือ
เพราะ
) ดังนั้นแรงที่กระทำจะเป็นศูนย์ แต่ถ้าอนุภาคนั้นหยุดนิ่ง (
) ก็จะไม่มีแรงกระทำต่ออนุภาคเช่นกัน แต่เมื่อความเร็วของอนุภาคตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก (
) แรงที่กระทำต่ออนุภาคจะมากที่สุด
สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรงเมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำตรง จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ ทิศของสนามแม่เหล็กหาได้จาก กฎมือขวา โดยกำมือขวารอบลวดตัวนำตรงให้หัวแม่มือชี้ไปทางทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศการวนของนิ้วทั้งสี่ คือ ทิศของสนามแม่เหล็ก ดังรูป เมื่อกลับทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปด้วยการใช้กฎมือขวาหาทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรงถ้าผ่านกระแสไฟฟ้าไปในลวดตัวนำที่ถูกดัดเป็นวงกลม จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบ ๆ ลวดตัวนำนั้น การหาทิศของสนามแม่เหล็กยังคงใช้กฎมือขวา โดยการกำลวดตัวนำแต่ละส่วนจะได้ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำสนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลาย ๆ วง เรียงซ้อนกันเป็นรูปทรงกระบอก ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า โซเลนอยด์ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น การหาทิศของสนามแม่เหล็กใช้วิธีการกำมือขวาแบบเดียวกับการหาทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำวงกลม ปลายขดลวดด้านที่สนามแม่เหล็กพุ่งออกจะเป็นขั้วเหนือ และอีกปลายหนึ่งซึ่งสนามแม่เหล็กพุ่งเข้าจะเป็นขั้วใต้ ดังรูปสนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์สนามแม่เหล็กที่เกิดจากโซเลนอยด์มีค่าสูงสุดที่บริเวณแกนกลางของโซเลนอยด์และขนาดของสนามแม่เหล็กนี้จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่ม หรือจำนวนรอบของขดลวดเพิ่มสนามแม่เหล็กของทอรอยด์เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลาย ๆ รอบเรียงกันเป็นรูปทรงกระบอกแล้วขดเป็นวงกลม ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า ทอรอยด์ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่าน จะเกิดสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ ซึ่งหาทิศของสนามได้ด้วยการกำมือขวารอบแกนของทอรอยด์ ให้นิ้วทั้งสี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของสนามแม่เหล็ก ดังรูป สนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์มีค่าไม่สม่ำเสมอ โดยสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านในมีค่าสูงกว่าสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านนอกสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์
เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระด้วยความเร็วลอยเลื่อน ดังนั้นเมื่อลวดตัวนำวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ตามสมการเนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระอยู่ภายในลวดตัวนำ ดังนั้นแรงที่เกิดขึ้นจึงทำให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่ในทิศของแรงนั้น
ถ้าประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวนำในเวลา
จากนิยามของกระแสไฟฟ้า เชียนได้ว่า
ถ้าให้เป็นระยะทางที่ประจุไฟฟ้า
เคลื่อนที่ได้ในเวลา
จะได้
ดังนั้น
----(17)
สมการที่ (17)เท่ากับความยาวของลวดช่วงที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ทิศของแรงหาได้จากการกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของแรง
ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองเส้นมีทิศเดียวกัน แรงระหว่างลวดเป็นแรงดูด แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองมีทิศตรงกันข้าม แรงระหว่างลวดเป็นแรงผลัก ซึ่งสามารถวิเคราะห์ผลที่เกิดขึ้นได้ ดังนี้
พิจารณาลวดตัวนำ ab และ cd ที่วางขนานกัน เมื่อลวด ab มีกระแสไฟฟ้าผ่านจะมีสนามแม่เหล็ก
เกิดขึ้นรอบลวด ab ดังนั้นมีลวด cd จะอยู่ในสนามแม่เหล็ก
ดัวยเหตุนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้า
ผ่านลวด cd ในทิศเดียวกับ
จะเกิดแรง
กระทำต่อลวด cd ดังรูป 37 ก ในขณะเดียวกัน ลวด ab ก็อยู่ในสนามแม่เหล็ก
ที่เกิดจากลวด cd และจะมีแรง
กระทำต่อลวด ab ด้วย ดังรูป ข เพราะ
และ
มีทิศตรงกันข้าม ดังนั้นแรงระหว่างลวดทั้งสองนี้จึงเป็นแรงดึงดูด ดังรูป ค
ในทำนองเดียวกัน ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองมีทิศตรงกันข้าม แรงระหว่างลวดทั้งสองเป็นแรงผลัก ดังรูป ก-ค
แรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าในทิศเดียวกัน
แรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าในทิศตรงกันข้าม
พิจารณาขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก PQRS วางในสนามแม่เหล็กโดยระนาบของขดลวดขนานกับทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อให้กระแสไฟฟ้า
ผ่านขดลวด ดังรูป จะพบว่าลวดส่วน QR และ SP มีทิศของกระแสไฟฟ้าขนานกับสนามแม่เหล็ก จึงไม่เกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่ในลวดส่วน PQ และ RS ทิศของกระแสไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็ก จึงเกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่แรงทั้งสองนี้มีขนาดเท่ากันและทิศตรงกันข้ามจึงเป็นแรงคู่ควบ และหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบได้ โดยพิจารณา ดังรูป
แรงที่กระทำต่อขดลวดในสนามแม่เหล็ก
ภาคตัดขวางของขดลวด แสดงแรงคู่ควบที่กระทำต่อลวอ PQ และ RS
จากรูป ให้ความยาว PS = QR =และความยาว PQ = RS =
ดังนั้นแรงกระทำที่เกิดขึ้นกับลวดส่วน PQ และ RS จึงมีค่าเท่ากับ
โมเมนต์ของแรงคู่ควบหาได้ดังนี้
เมื่อเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ขดลวด PQRS ในรูปนี จะหมุนทวนเข็มนาฬิกาแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดขณะทำมุมกับ
พิจารณาระนาบของขดลวด PQRS ทำมุมกับสนามแม่เหล็ก
ดังรูป โมเมนต์ของแรงคู่ควบหาได้ดังนี้
ถ้าขดลวดมีลวดพัน N รอบ จะได้
กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| กระแสเหนี่ยวนำ จากการศึกษาเมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กหรือ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ฟลักซ์แม่เหล็กรอบลวดตัวนำนั้น ในทางกลับกันฟลักซ์แม่เหล็กก็น่าจะทำให้มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นบ้าง | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ซึ่งความคิดนี้ Michael Faraday นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ค้นพบ และสรุปผลว่า | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็ก ณ บริเวณใดการเปลี่ยนฟลักซ์แม่เหล็กนี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแส | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ไฟฟ้าขึ้นในตัวนำที่วางอยู่ในบริเวณนั้น เรียกผลที่เกิดขึ้นว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (electromagnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากวิธีการนี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นบนเส้นลวดตัวนำที่เคลื่อนที่ตัดเส้นแรงแม่เหล็ก
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| เป็นที่ทราบกันแล้วว่า ภายในลวดตัวนำมีอิเล็กตรอนอิสระอยู่เป็นจำนวนมาก เมื่อให้ลวดตัวนำนี้ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก จะมีผลทำให้อิเล็กตรอนอิสระที่อยู่ภายในลวดตัวนำ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| เคลื่อนที่ด้วย ดังนั้นจึงเกิดแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่จากปลาย A ไปปลาย B ดังรูป1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| หรือเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในลวดนี้ในทิศจาก B ไป A เรียกกระแสที่เกิดขึ้นจากการนี้ว่า | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| รูป 1 การเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวดตรง | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ไปยัง 
นิ้วหัวแม่มือชี้ตั้งฉากกับนิ้วทั้งสี่ จะแสดงทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวด
ดังรูป 5 ข ต่อมาเพิ่มกระแสไฟฟ้า ทำให้สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ
ดังรูป 5 ค และ ง
กับ 
= 
ดังรูป 6ก แสดงว่าฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด P มีค่าเปลี่ยนแปลงทำให้เกิด
ซึ่งมีทิศทางตรงข้ามกับ
ดังรูป 6ข ตามกฎของเลนซ์
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น