(electromagnetic field: emf) - cr-engineer.com ·...

15
1 สนามแม่เหล็กไฟฟ้ า (Electromagnetic Field: EMF) สนามแม่เหล็กไฟฟ้ า (Electromagnetic Field: EMF) 11.1 ความเป็นมาเรื ่องสนามแม ่เหล็กไฟฟ้ า ให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบ ตัวนานั้น เมี่อมีกระแสไฟฟ้ าไหลผ่านเส้นลวดตัวนา จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึ ้นรอบๆเส ้นลวดตัวนานั ้น แต่อา นาแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีเพียงจานวนเล็กน ้อย ซึ่งไม่สามารถนาไปใช้ประโยชน์ได้ การจะเพิ่มความเข้มของ สนามแม่เหล็ก ทาได้โดยการนาเส้นลวดตัวนามาพันเป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหล็กที _เกิดในแต่ละส่วนของ เส้นลวดตัวนาจะเสริมอานาจกัน ทาให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น การค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้ า ปี .1820 ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) ศาสตราจารย์ทางปรัชญาธรรมชาติใน กรุงโคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก ค้นพบความสัมพันธ์ ระหว่างไฟฟ้ าและแม่เหล็กในตอนท้ายของชั่วโมงการบรรยาย วิชาไฟฟ้ าและแม่เหล็กเขาวางเข็มทิศไว้ใกล้เส้นลวดที่มี กระแสไฟฟ้ า ปรากฏว่าเข็มทิศชี .ไปทิศทางใหม่ เมื่อเข็มทิศเข้า ไปใกล้เส้นลวด จะมีทอร์กกระทาต่อเข็มทิศมากขึ้น เขาพบว่า สนามแม่เหล็กมาจากเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้ าไหลนั่นเอง ดังนั้นเขาจึงเริ่มหาเส้นแรงแม่เหล็ก พบว่าเส้นแรงแม่เหล็กmทีเกิดขึ้นเป็นวงกลมรอบเส ้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้ าไหล กระแสไฟฟ้ าทีไหลผ่านเส้นลวดจะทาให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆเส้น ลวด ลักษณะของสนามแม่เหล็กขึ้นอยู ่กับรูปร่างของเส้นลวดและกระแสไฟฟ้ าทีไหลผ่าน สนามแม่เหล็กทีเกิดขึ้นนี้เรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้ า ซึ่งใช้สร้างแม่เหล็กที่มี กาลังสูง และใช้สาหรับทาให้เกิดการเคลื่อนที โดยกระแสไฟฟ้ าแม่เหล็กไฟฟ้ า (Electromagnets) หมายถึง อานาจแม่เหล็กที jเกิดจากการที jกระแสไฟฟ้ าไหล ผ่านในวัตถุตัวนาหมายความว่าถ้าปล่อยให้กระแสไฟฟ้ าไหลในวัตถุ ตัวนาจะทา

Upload: dinhnguyet

Post on 22-Apr-2018

238 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

1 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

สนามแม่เหล็กไฟฟ้า

(Electromagnetic Field: EMF)

11.1 ความเป็นมาเร่ืองสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

ให้เกิดสนามแมเ่หลก็รอบ ๆ ตวัน านัน้ เม่ีอมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดตวัน า จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึน้รอบๆเส้นลวดตวัน านัน้ แตอ่ า

นาแม่เหล็กท่ีเกิดขึน้มีเพียงจ านวนเล็กน้อย ซึง่ไม่สามารถน าไปใช้ประโยชน์ได้ การจะเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก ท าได้โดยการน าเส้นลวดตวัน ามาพนัเป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหล็กที_เกิดในแตล่ะสว่นของเส้นลวดตวัน าจะเสริมอ านาจกนั ท าให้มีความเข็มของสนามแม่เหลก็เพิ่มขึน้ การค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้า

ปี ค.ส 1820 ฮนัส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) ศาสตราจารย์ทางปรัชญาธรรมชาติในกรุงโคเปนเฮเกน ประเทศเดนมาร์ก ค้นพบความสมัพนัธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กในตอนท้ายของชัว่โมงการบรรยายวิชาไฟฟ้าและแม่เหล็กเขาวางเข็มทิศไว้ใกล้เส้นลวดท่ี มีกระแสไฟฟ้า ปรากฏวา่เข็มทิศชี.ไปทิศทางใหม่ เม่ือเข็มทิศเข้าไปใกล้เส้นลวด จะมีทอร์กกระท าตอ่เข็มทิศมากขึน้ เขาพบว่าสนามแม่เหล็กมาจากเส้นลวดท่ีมีกระแสไฟฟ้าไหลนั่นเอง ดงันัน้เขาจึงเร่ิมหาเส้นแรงแม่เหล็ก พบว่าเส้นแรงแม่เหล็กmท่ีเกิดขึน้เป็นวงกลมรอบเส้นลวดท่ีมีกระแสไฟฟ้าไหล

กระแสไฟฟ้าทีไหลผ่านเส้นลวดจะท าให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆเส้นลวด ลกัษณะของสนามแม่เหลก็ขึน้อยูก่บัรูปร่างของเส้นลวดและกระแสไฟฟ้าท่ีไหลผ่าน สนามแมเ่หลก็ทีเกิดขึน้นีเ้รียกวา่ แม่เหลก็ไฟฟ้า ซึง่ใช้สร้างแม่เหล็กท่ีมีก าลงัสงู และใช้ส าหรับท าให้เกิดการเคลื่อนที โดยกระแสไฟฟ้าแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnets) หมายถึง อ านาจแม่เหล็กทีjเกิดจากการทีjกระแสไฟฟ้าไหลผา่นในวตัถตุวัน าหมายความวา่ถ้าปลอ่ยให้กระแสไฟฟ้าไหลในวตัถตุวัน าจะท า

2 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

รูป เออร์สเตดค้นพบวา่กระแสท่ีไหลในขดลวดมีแรงกระท าตอ่แม่เหลก็หรืออธิบายใหมไ่ด้วา่ประจ ุ

ท่ีเคลือ่นท่ีท าให้เกิดสนามแมเ่หลก็

เส้นแรงแม่เหล็ก

เส้นแรงแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก

เม่ือน ากระดาษแข็งวางบนแท่งแม่เหล็กโรยเศษผงเหล็กละเอียดบนกระดาษแล้วค่อยๆเคาะด้วยนิว้เบาๆ ผงเหล็กจะเรียงตวัตามเส้นแรงแม่เหล็กจากขัว้ N ไปขัว้ S อย่างสวยงามดงัรูปด้านบน โดยในท่ีท่ีมีเส้นแรงแมเ่หลก็ เราเรียกวา่มี สนามแม่เหล็ก

เส้นแรงแม่เหล็กรอบตวัน า

3 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

รูปด้านบนแสดงเส้นแรงแม่เหล็กท่ีเกิดขึน้รอบตวัน าท่ีมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ซึง่มีลกัษณะเป็น

รูปวงกลม โดยเส้นแรงแม่เหล็กมีทิศทางไปในทิศของการขนัสกรูเกลียวขวาเม่ือกระแสมีทิศทางพุ่งเข้าและ

จะไปในทิศการขนัสกรูเกลียวซ้ายเมื่อกระแสพุง่ออก

11.2 ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จะขึน้อยู่ กับส่วนประกอบต่างๆ ดงันี ้

11.2.1 จ านวน รอบของการพนัเส้นลวดตวัน า การพนัจ านวนรอบของเส้นลวดตวัน ามากเกิดสนามแมเ่หลก็มาก ในทางกลบักนัถ้าพนัจ านวนรอบน้อยการเกิดสนามแม่เหลก็ก็น้อยตามไปด้วย

11.2.2 ปริมาณ การไหลของกระแสไฟฟ้าผา่นเส้นลวดตวัน า กระไฟฟ้าไหลผา่นมากสนา ม แม่เหลก็เกิดขึน้มาก และถ้ากระแสไฟฟ้าไหลผา่นน้อยสนามแมเ่หลก็เกิดน้อย

11.2.3 ชนิด ของวสัดท่ีุใช้ท าแกนของแท่งแม่เหลก็ไฟฟ้า วสัดตุา่งชนิดกนัจะให้ความเข็มของสนามแมเ่หลก็ตา่งกนั เชน่ แกนอากาศจะให้ความเข็มของสนามแม่เหลก็น้อยกว่าแกนท่ีท าจากสารเฟอโรแมกเนตกิ (Ferromagnetic) หรือ สารท่ีสามารถเกิดอ านาจแมเ่หลก็ได้ เช่น เหล็ก เฟอร์ไรท์ เป็นต้น สารเหลา่นีจ้ะชว่ยเสริมอ านาจแมเ่หลก็ในขดลวดท าให้มีความเข็มของสนามแมเ่หลก็ มากขึน้

11.2.4 ขนาดของแกนแทง่แมเ่หลก็ไฟฟ้า แกนท่ีมีขนาดใหญ่จะให้สนามแม่เหลก็มาก สว่นแกนท่ีมีขนาดเลก็จะให้สนามแม่เหล็กน้อย

4 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

11.3 การเคลือ่นทีข่องอนุภาคทีม่ีประจุในสนามแม่เหลก็

เม่ืออนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนท่ีผ่านบริเวณท่ีมีสนามแม่เหล็ก จะมีแรงทางแม่เหล็กกระท าต่ออนภุาคนัน้แรงกระท านีเ้รียกวา่แรงลอเรนซ์ (Lorentz force) สามารถหาขนาดของแรงได้จาก

รูปที่ 11 อนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหลก็

ทศิทางของแรงที่กระท า เป็นไปตามกฎมือขวาของสกรู (right hand screw rule) ส าหรับประจไุฟฟ้าบวก

รูป กฎมือขวา

5 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

- นิว้หวัแมมื่อ แทนทิศของ F - ปลายนิว้ทัง้สี่ แทนทิศของ V - ก าปลายนิว้ทัง้สี่ตามทิศของ B หรือ ใช้อีกวิธีหนึง่ ใช้มือขวา

รูป ทิศของ F, Vและ B ตามกฎมือขวา

- นิว้หวัแมมื่อ แทนทิศของ F - นิว้ชี ้แทนทิศของ V - นิว้กลาง แทนทิศของ B

** ในกรณีท่ีเป็นประจไุฟฟ้าลบเราก็จะต้องกลบัทิศทางไปอีก 180 องศา หรือในทางตรงข้ามกบัผลท่ีได้จาก cross product นัน่เอง

เราอาจแยกพจิารณาการเคล่ือนที่ของประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กดงัต่อไปนี ้1. ถ้าประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่ตัง้ฉากกับสนามแม่เหล็ก ( )

รูปการเคลื่อนท่ีของประจไุฟฟ้าในสนามแมเ่หลก็

6 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

แนวทางเดินของประจไุฟฟ้าจะเป็นวงกลม โดยมีแรงแม่เหล็กเป็นแรงสูศ่นูย์กลาง โดยทิศทางของแรงแม่เหล็กเปลี่ยนตลอดเวลา ท าให้ทิศทางของความเร็วเปลี่ยนไปด้วย จะเห็นได้ว่าแรงท่ีเกิดจากสนามแม่เหล็กมีคา่สม ่าเสมอ และมีทิศตัง้ฉากกบัความเร็ว โดยแรงแม่เหล็กท าหน้าท่ีเป็นแรงสู่ศนูย์กลาง จะได้วา่

และรัศมี

จงึสรุปได้วา่ เม่ือประจไุฟฟ้าเคลื่อนท่ีตัง้ฉากกบัทิศทางของสนามแม่เหลก็ ประจไุฟฟ้าจะตวีงเป็นวงกลม

ด้วยขนาดรัศมี (ข้อสงัเกต r m)

ความเร็วเชิงมมุ

2. ประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่โดยท ามุม กับสนามแม่เหล็ก

รูป ประจไุฟฟ้าเคลื่อนท่ีโดยท ามมุ กบัสนามแม่เหลก็

ก. ถ้า เป็น 0 องศา หรือ 180 องศา แรงกระท าจะเป็นศนูย์ ประจจุะเคลื่อนท่ีทางเดมิ ข. ถ้า ไม่เท่ากบั 0 องศาหรือ 180 องศา และไมใ่ช่ 90 องศาทางเดินจะเป็นรูปเกลยีว รัศมีของเกลยีว สามารถหาได้จาก

7 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

3. ประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่ผ่านบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก

ในกรณีท่ีสนามแม่เหล็กมีบริเวณไม่กว้างมากนกั ประจุไฟฟ้าท่ีเข้ามาในสนามแม่เหล็กก็ย่อมถูกแรงกระท าเป็นสว่นโค้งของวงกลม โดยแรงกระท ามีทิศทางเปลี่ยนตลอดเวลา ความเร็วเปลี่ยนแปลงโดยอตัราเร็วคงเดมิ เม่ือพ้นบริเวณท่ีมีสนามแม่เหล็กแล้วประจจุะเดินทางเป็นเส้นตรงด้วยอตัรา เร็วเท่ากบัครัง้แรก

4. ประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่ในสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าโดยเวกเตอร์ทัง้สามมีทศิตัง้ฉากกัน

ซึ่งประจุไฟฟ้าจะถูกทัง้แรงไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กกระท า ท าให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนท่ีได้โดยไม่เบี่ยงเบนเลยแสดงวา่ แรงแม่เหล็ก = แรงไฟฟ้า

ตัวอย่างที่ 1 อนภุาคท่ีมีประจุไฟฟ้า +3.2 x 10-19 คลูอมบ์ เคลื่อนท่ีเข้าไปในบริเวณท่ีมีสนามแม่เหล็ก ขนาด 1.2 เทสลา ด้วยความเร็ว 2.5 X 105 เมตรตอ่วินาที ในทิศตัง้ฉากกบัสนามแม่เหล็ก จงหาขนาดของ แรงแม่เหล็กท่ีกระท าตอ่อนภุาคนี ้

8 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

ตัวอย่างที่ 2 อนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้า เคลื่อนท่ีด้วยความเร็ว 2 X106 เมตรต่อวินาที ในทิศตัง้ฉากกับสนามแม่เหล็กสม ่าเสมอขนาด 5.0 X 10-2 เทสลา และมีแรงขนาด 4.8 X 10-14 นิวตนั กระท าตอ่อนภุาค จงหาประจไุฟฟ้าของอนภุาค

แรงกระท าต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งเคล่ือนที่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก

เม่ืออนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนท่ีเข้าไปในสนามแม่เหล็ก ปรากฏว่าทิศทางของอนุภาคนีจ้ะเปลี่ยนไปจากเดมิ แสดงวา่มีแรงเน่ืองจากสนามแมเ่หลก็กระท าตอ่อนภุาคท่ีมีประจไุฟฟ้านี ้

ซึ่งหาความสัมพันธ์ได้จาก F = qvBsinθ

เม่ือ F คือ แรงท่ีกระท าตอ่ประจ ุ q มีหน่วยเป็น นิวตนั ( N )

q คือ ประจไุฟฟ้าบนอนภุาคท่ีเคลื่อนท่ีผา่นสนามแมเ่หล็ก มีหนว่ยเป็น คลูอมบ์ ( C )

v คือ ความเร็วของอนภุาค มีหน่วยเป็น เมตรตอ่วนิาที ( m/s )

B คือ สนามแม่เหลก็ มีหน่วยเป็น เทสลา ( T )

θ คือ มมุระหวา่ง v กบั B

เม่ืออนภุาคท่ีมีประจไุฟฟ้าเคลื่อนท่ีในสนามแม่เหลก็ แบง่แนวการเคลื่อนท่ีได้ 3 ลกัษณะดงันี ้

1. เม่ืออนุภาคที่มีประจุเคล่ือนที่ตามทศิสนามแม่เหล็กหรือสวนทางกลับสนามแม่เหล็ก ( θ = 0° หรือ θ = 180° ) จะไมเ่กิดแรงกระท าตอ่อนภุาคนี ้( F = 0 ) ทางเดนิของอนภุาคเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงท่ี

9 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

2. เม่ืออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่ตัง้ฉากกับสนามแม่เหล็ก (θ = 90° ) แรงกระท าจะมีคา่สงูสดุและทิศของแรงท่ีกระท าตอ่อนภุาคท่ีมีประจไุฟฟ้าจะมีทิศ ตัง้ฉากกบักบัทิศการเคลื่อนท่ีตลอดเวลาจงึมีผลให้อนภุาคเคลื่อนท่ีเป็นวงกลม หรือสว่นหนึง่ของวงกลมด้วยอตัราเร็วคงท่ี

3. เม่ืออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่ท ามุม 0°<θ หรือ มุมใดๆ(นอกจากกรณี1และ2) กับสนามแม่เหล็ก จะ ได้ F = qvBsinθ โดยเกิดแรงท่ีกระท าตอ่อนภุาคมีมมุ θ กบัแนวการเคลื่อนท่ีของอนภุาคท่ีมีประจเุป็นผลให้ การเคลื่อนท่ีของอนภุาคท่ีมีประจจุะเป็นเกลียว

11.4 กระแสไฟฟ้าที่ท าให้เกิดสนามแม่เหล็ก

1. สนามแม่เหล็กของลวดตัวน าตรง

ฮานส์ เออร์สเตต นกัวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ได้ท าการทดลองได้ท าการทดลองหาความสมัพนัธ์ระหวา่งไฟฟ้ากบัแม่เหลก็ พบวา่ มีสนามแมเ่หลก็เกิดขึน้รอบตวัน าท่ีมีกระแสไฟฟ้าผา่น

รูป สนามแมเ่หลก็ เกิดขึน้รอบตวัน าท่ีมีกระแสไฟฟ้าผา่น

** ถ้าเส้นลวดยาวมาก สนาม B ท่ีระยะห่าง r จากเส้นลวดตรงคือ

** ทิศทางของสนามแมเ่หลก็ B ในเส้นลวดตรงหาได้จากกฎมือขวา

10 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

รูป ทิศทางของสนามแม่เหลก็ B ในเส้นลวดตรงหาได้จากกฎมือขวา

- หวัแมมื่อ แทนทิศของ กระแสไฟฟ้า I - ปลายนิว้ทัง้ 4 ก ารอบลวดตวัน า เป็นทิศของสนามแมเ่หลก็ B ** การหาขัว้แมเ่หลก็ท่ีเกิดจากกระแสไหลในขดลวดโซลนิอยด์ จะหาได้จากการใช้มือขวาก าให้นิว้ทัง้สี่วนตามทิศท่ีกระแสไหล นิว้หวัแมมื่อ จะชีไ้ปทางด้านขัว้ N ของแม่เหลก็ท่ีเกิดขึน้ ** ทิศของสนามแม่เหลก็ B จะขึน้อยูก่บัทิศของกระแสไฟฟ้า I

ถ้าผา่นกระแสไฟฟ้าไปในลวดตวัน าท่ีถกูดดัเป็นวงกลม จะเกิดสนามแมเ่หลก็รอบๆลวดตวัน านัน้การหาทิศของสนามแมเ่หลก็ยงัคงใช้กฎมือขวา โดยการก าลวดตวัน าแตล่ะสว่น จะได้ทิศของสนามแมเ่หลก็ดงัรูป 18

(ก) นอกจากนีย้งัอาจใช้วิธีก ามือขวาวางบนระนาบของลวดตวัน า โดยให้นิว้ทัง้สี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิว้หวัแมมื่อจะชีไ้ปตามทิศของสนามแม่เหลก็ ดงัรูป 18

(ข) จะเห็นวา่ทิศของสนามแมเ่หลก็ของลวดตวัน าวงกลมมีลกัษณะคล้ายกบัสนามแม่เหลก็ของแท่งแม่เหลก็ ดงัรูป 19

11 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

ก ข

รูปที่ 18 ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตวัน าวงกลม

รูปที่ 19 ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตวัน าวงกลม

2. สนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์

เม่ือน าลวดตวัน าท่ีมีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลายๆวง เรียงซ้อนกนัเป็นรูปทรงกระบอก ขดลวดท่ีได้นีเ้รียกว่า โซเลนอยด์ (solenoid) เม่ือให้กระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึน้ การหาทิศของสนามแม่เหล็กใช้วิธีการก ามือขวาแบบเดียวกบัการหาทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตวัน าวงกลม ปลายขดลวดด้านท่ีสนามแมเ่หลก็พุง่ออกจะเป็นขัว้เหนือ และอีกปลายหนึ่งซึง่สนามแม่เหล็กพุ่งเข้าจะเป็นขัว้ใต้ ดงัรูป

12 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

รูปที่ 20 สนามแม่เหลก็ของโซเลนอยด์

สนามแม่เหล็กท่ีเกิดจากโซเลนอยด์มีค่าสงูสดุท่ีบริเวณแกนกลางของโซเลนอยด์และขนาดของ สนามแม่ เ หล็ ก นี ้ จ ะ มีค่ า เพิ่ ม ขึ น้ เ ม่ื อก ระแส ไฟ ฟ้ า เพิ่ ม ห รื อจ านวนรอบของขดลวด เพิ่ ม ถ้าใสแ่ท่งเหล็กอ่อนไว้ท่ีแกนกลางของโซเลนอยด์ เม่ือกระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ แท่งเหล็กอ่อน จะมีสมบตัิเป็นแม่เหล็ก แม่เหล็กท่ีเกิดจากวิธีนีเ้รียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) สนามแม่เหล็ก ของแม่เหล็กไฟฟ้าจะเพิ่ม เม่ือกระแสไฟฟ้าเพิ่มและจ านวนรอบต่อความยาวของขดลวดเพิ่ม แต่เม่ือไม่มี กระแสไฟฟ้า แท่งเหลก็ออ่นจะหมดสภาพแมเ่หลก็ทนัที

รูป สนามแมเ่หลก็ของแมเ่หลก็ไฟฟ้าแท่งเหลก็ออ่น

หลกัการของแมเ่หลก็ไฟฟ้านีถ้กูน าไปประยกุต์สร้างอปุกรณ์ไฟฟ้า เชน่ สวิตช์อตัโนมตัิ สวิตช์รีเลย์ เป็นต้น

13 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

รูปการประยกุต์หลกัการของแมเ่หลก็ไฟฟ้า

3. สนามแม่เหล็กของทอรอยด์

เม่ือน าลวดตวัน าท่ีมีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลายๆรอบเรียงกนัเป็นรูปทรงกระบอกแล้วขด เป็นวงกลมขดลวดท่ีได้นีเ้รียกว่า ทอรอยด์ (toroid) เม่ือให้กระแสไฟฟ้าผ่านจะเกิดสนามแม่เหล็กภายใน ทอรอยด์

รูปสนามแมเ่หล็กภายในทอรอยด์

ซึ่งหาทิศของสนามได้ด้วยการก ามือขวารอบแกนของทอรอยด์ ให้นิว้ทัง้สี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิว้หวัแมมื่อจะชีท้ิศของสนามแมเ่หลก็ ดงัรูป สนามแมเ่หลก็ภายในทอรอยด์มีคา่ไม่สม ่าเสมอ โดยสนามแมเ่หลก็ท่ีขอบด้านในมีคา่สงูกว่าสนามแม่เหล็กท่ีขอบด้านนอกปัจจบุนัมีการน าหลกัการของทอรอยด์ ไปสร้างสนามแม่เหล็กในห้องปฏิบตัิการวิทยาศาสตร์ขัน้สงู เช่น ใช้ในเคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชนั (fusion nuclear reaction) ท่ีเรียกว่า โทคามคั (tokamak) คาดว่าเคร่ืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชนัจะเป็นแหลง่ผลติพลงังานไฟฟ้าท่ีส าคญัในอนาคต

14 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

11.5 การเหน่ียวน าแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Induction)

พาราเดย์และเฮนร่ีค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าสามารถสร้างขึน้ได้โดยการเคลื่อนแม่เหล็กเข้าออกขดลวดดงัรูปด้านลา่งซ้าย อีกวิธีหนึง่คือเคลื่อนขดลวดไปตดักบัสนามแมเ่หลก็ ดงัรูปด้านลา่งขวา ผลคือได้ความตา่งศกัดิเ์ท่ากนัถ้าอตัราเร็วในการเคล่ือนวตัถเุท่ากนั

การเหน่ียวน าแม่เหล็กไฟฟ้า

ยิ่งขดลวดมีจ านวนขดมากจะได้ความตา่งศกัดิ์มากขึน้ ถ้าเพิ่มจ านวนวงของขดลวดมากขึน้เท่าตวัความต่างศกัดิ์จะเพิ่มขึน้เท่าตวัด้วย นัน่หมายความว่าถ้าเพิ่มจ านวนขดลวดขึน้ 10 เท่าก็จะมีความต่างศกัดิ์เพิ่มขึน้ 10 เท่า ดงั นัน้จะดเูหมือนว่าเราสามารถสร้างความต่างศกัดิ์ได้ไม่จ ากดัแต่ในความจริง แล้วปัญหาอยูท่ี่การสร้างแมเ่หลก็ขนาดใหญ่มาเหน่ียวน ากบัขดลวดจ านวนหลายรอบ นัน้

จ านวนขดลวดมากขึน้ความต่างศักดิ์มากขึน้

เน่ืองจากความต่างศกัดิ์ท าให้เกิดกระแสไฟฟ้า ยิ่งเราเคล่ือนมือเร็วความต่างศกัดิ์จะเพิ่มสูงขึน้ และถ้าเพิ่มจ านวนรอบขดลวดจะมีความต่างศกัดิ์สงูขึน้ ปรากฏการณ์ท่ีเหน่ียวน าความต่างศกัดิ์ด้วยการเปลี่ยนแปลงสนามแมเ่หลก็ในขดลวดอย่างนีเ้ราเรียกวา่การเหน่ียวน าแมเ่หลก็ไฟฟ้า

15 สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)

กฎของฟาราเดร์ (Faraday's Law) การเหน่ียวน าแม่เหล็กไฟฟ้าตามกฎของฟาราเดย์ ขึน้อยู่กับจ านวนขดลวดและอัตราการ

เปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก กระแสขึน้อยู่กับความต่างศกัดิ์และความต้านทานภายในขดลวด การเหน่ียวน าแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่รอบตัวเรา เช่น สนามแม่เหล็กบนบัตร ATM ในวิทยุเทป รวมทัง้คลื่อแม่เหลก็ไฟฟ้าท่ีเราใช้ในการมองเห็นนัน่คือแสง การสร้างก าลังไฟฟ้า (Power Production) สิบห้าปีหลงัท่ีไมเคิล ฟาราเดย์ค้นพบการเหน่ียวน าไฟฟ้า นิโคลา เทสลาสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้า

มากมาย และแสดงให้โลกเห็นวา่เราสามารถใช้ไฟฟ้าอ านวยความสะดวกและจดุโลกให้สวา่งไสวได้

ไดนาโมกระแสสลับ การเหน่ียวน าภายใน

การเหน่ียวน าของไดนาโมกระแสสลับ

*******************************************************************************************