แม่เหล็ก

แม่เหล็กรูปเกือกม้า ทำให้แม่เหล็กมีแรงดูดมากขึ้น

รูปแสดงเส้นแรงแม่เหล็กจากขั้วเหนือไปขั้วใต้ บริเวณที่แรงนี้ส่งไปถึง เรียกว่าสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็ก เป็นแร่หรือโลหะที่มีสมบัติดูดเหล็กได้ ในประวัติศาสตร์ พบว่า สาร Magnesian stone (หินแมกแนเซียน) เป็นวัตถุที่ดูดเหล็กได้ แม่เหล็ก (มาจากภาษากรีก μαγνήτις λίθος magnḗtis líthos) แม่เหล็กสามารถทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ นั่นคือมันสามารถส่งแรงดูดหรือแรงผลัก ออกไปรอบ ๆ ตัวมันได้ แม้ว่าสนามแม่เหล็กจะเป็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้แต่มันเป็นเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติสำคัญของแม่เหล็กโดยตรง ได้แก่ คุณสมบัติการดูดและการผลักกันระหว่างแท่งแม่เหล็ก เราสามารถสร้างแม่เหล็กขึ้นมาได้ วิธีแรกคือ นำเหล็กมาถูกับแม่เหล็ก วิธีที่สองคือ ป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดที่พันรอบเหล็ก แรงเหนี่ยวนำในขดลวดทำให้เหล็กนั้นกลายเป็นแม่เหล็กชั่วคราว และทำให้เกิด สนามแม่เหล็กรอบ ๆ เหล็กนั้น เราเรียกแม่เหล็กแบบนี้ว่า แม่เหล็กไฟฟ้า ปัจจุบัน มีสารอื่นที่ทำให้เป็นแม่เหล็กได้ เช่น นิเกิล โคบอล แมงกานีส

รูปแสดงการเรียงตัวของผงตะไบเหล็กในสนามแม่เหล็ก

คุณสมบัติของแม่เหล็ก

1. แม่เหล็กมี 2 ขั้วเสมอ ขั้วเหนือและขั้วใต้ ถ้าแขวนแท่งแม่เหล็กให้เคลื่อนที่อย่างอิสระ เมื่อหยุดนิ่ง ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียกว่า ขั้วเหนือ (N) ขั้วที่ชี้ไปทางทิศใต้ เรียกว่า ขั้วใต้ (S)
2. ขั้วแม่เหล็กทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้จะดูดสารแม่เหล็กเสมอ
3. เมื่อนำแม่เหล็ก 2 อันมาอยู่ใกล้กัน ขั้วเหมือนกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน
4. แรงดูดจะมีมากที่สุดที่บริเวณขั้วทั้งสองของแม่เหล็กและลดน้อยลงเมื่อถัดเข้ามา
5. เส้นแรงแม่เหล็กมีทิศทางออกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ ทั้งสามมิติ
6. สนามแม่เหล็กหมายถึงบริเวณที่แม่เหล็กส่งแรงไปถึง

การประดิษฐ์แม่เหล็ก

1. แท่งแม่เหล็กโดยการถู วางแท่งแม่เหล็กบนโต๊ะแล้วใช้แท่งแม่เหล็กถูลากจากปลายหนึ่งไปยังอีกข้างหนึ่งแล้วยกขึ้นนำกลับมาวางที่ปลายตั้งต้น ทำซ้ำหลาย ๆ ครั้ง จนกระทั่งแท่งเหล็กกลายเป็นแม่เหล็ก สังเกตลักษณะของเหล็ก

• ถ้าเหล็กเป็นเหล็กอ่อน (iron) จะได้แม่เหล็กชั่วคราว
• ถ้าเหล็กเป็นเหล็กกล้า (steel) จะได้แม่เหล็กถาวร

ซึ่งแม่เหล็กจะหมดอำนาจเมื่อถูกนำไปเผาหรือทุบด้วยค้อนหลาย ๆ ครั้ง

1. เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดสามารถแสดงอำนาจเป็นแม่เหล็กเกิดขึ้นได้และอำนาจจะหมดเมื่อหยุดปล่อยกระแสไฟฟ้า

การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก

เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก B ด้วยความเร็ว v ทำมุมใด ๆ ที่ไม่ขนานกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงกระทำต่ออนุภาคดังสมการ

$\mathbf {F} =q\left(\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)$

โดยทิศทางสามารถหาได้จาก กฎมือขวา (right hand rule) และเมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลาย ๆ วงเรียงซ้อนกัน เป็นรูปทรงกระบอก เรียกว่า โซเลนอยด์ (solenoid)

กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำในลักษณะดังนี้

1. กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำตรง จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ หาทิศทางของสนามแม่เหล็กได้จาก กฎมือขวาโดยการกำมือรอบลวดตัวนำตรง และให้นิ้วหัวแม่มือชี้ไปทางทิศทางของกระแสไฟฟ้า ทิศการวนตามการชี้ของนิ้วทั้งสี่จะชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก
2. เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ (รวมทั้งลวดตัวนำวงกลม) จะเกิดสนามแม่เหล็กที่มีลักษณะคล้ายกับสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก การหาทิศทางยังคงใช้กฎมือขวาโดยวิธีกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ไปตามทิศทางของกระแสไฟฟ้านิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก
3. กระแสไฟฟ้าผ่านทอรอยด์ จะเกิดสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ การหาทิศทางใช้วิธีกำมือขวารอบแกนทอรอยด์ให้นิ้วทั้งสี่วนไปตามทิศทางของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม้มือจะชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก

แรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า

เมื่อลวดตัวนำตรงยาว I ที่มีกระแสไฟฟ้า I ผ่านขณะวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก B จะเกิดแรงกระทำด้วยขนาด

$\mathbf {F} =i\left(\mathbf {l} \times \mathbf {B} \right)$

โดยทิศทางของแรงหาได้จากการกำมือขวาโดยวนนิ้วทั้งสี่ (ผ่านมุมเล็ก) จากทิศทางของกระแสไฟฟ้าไปหาทิศทางของสนามแม่เหล็กนิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางของแรง ส่วนในกรณีลวดตัวนำวางในทิศทางกระแสไฟฟ้าที่ทำมุม θ กับสนามแม่เหล็ก B ขนาดของแรงจะเป็น $F=ilB\sin(\theta )$

โดยยังคงใช้กฎมือขวาหาทิศทางของแรงได้เช่นกัน แรงแม่เหล็กระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน ลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน จะมีแรงกระทำระหว่างลวดตัวนำทั้งสองโดยจะเป็นแรงดึงดูดถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทั้งสองมีทิศทางเดียวกัน แต่จะเป็นแรงผลัก ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทั้งสองมีทิศทางตรงข้ามกัน

แกลแวนอมิเตอร์และมอเตอร์กระแสตรง

แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดทองแดงเคลือบน้ำยาที่หมุนรอบแกน มีลักษณะเป็นขดลวดสี่เหลี่ยมมีแกนหมุนที่หมุนได้คล่องซึ่งจะใช้วัตถุที่มีความแข็งมาก เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบบิดขดลวดให้หมุนไป ทำให้เข็มชี้ (ตัดกับแกนหมุนของขดลวด) เบนตามไปด้วย มุมเบนของเข็มชี้แปรผันตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด การสร้างสเกลเพื่ออ่านกระแสไฟฟ้าทำได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดต่าง ๆ มอเตอร์กระแสตรง เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ประกอบด้วยขดลวดที่หมุนได้รอบแกนวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก มีคอมมิวเทเตอร์และแปรงสัมผัสช่วยให้ขดลวดหมุนอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวเมื่อมีกระแสจากแบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวด

กระแสเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากการที่มีการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำเรียกการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (eletro magnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากวิธีนี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (inducedcurrent) ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำมีความต่างศักย์ ดังนั้นถ้าต่อเส้นลวดตัวนำนี้ให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่ เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force) หรือ อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ (induced emf) กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ สรุปได้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้นเมื่อเทียบกับเวลา กฎของเลนซ์มีใจความว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดจะทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำในทิศทางที่ทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาต้านการเปลี่ยนแปลง ของฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดผ่านขดลวดนั้น

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

มอเตอร์ขณะหมุนจะมีฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลงผ่านขดลวด ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีทิศทางตรงข้ามกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเดิม เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับ ในกรณีมอเตอร์ติดขัดหรือหมุนช้ากว่าปกติแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับจะมีค่าน้อยทำให้กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีค่ามาก อาจทำให้ขดลวดร้อนจนไหม้ได้ จึงจำเป็นต้องตัดสวิตซ์เพื่อหยุดการทำงานของมอเตอร์ทุกครั้งที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับมีค่าน้อย

ค่าของปริมาณที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้ากระแสสลับ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเปลี่ยนค่าตามเวลาในรูปฟังก์ชันไซน์ดังสมการ $e=Em\sin(\omega t)$

เมื่อ $e$เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เวลา $t$ ใด ๆ $Em$ เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุด $\omega$ เป็นความถี่เชิงมุมซึ่งมีค่าเท่ากับ $2\pi f$ (โดย $f$ เป็นความถี่ในการเปลี่ยนค่าซ้ำเดิมของแรงเคลื่อนไฟฟ้า)

การนำความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กไปใช้ประโยชน์

ความรู้ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกนำไปใช้ในการสร้างและพัฒนาเครื่องมือเครื่องใช้ด้านต่าง ๆ เช่น ไมโครโฟน ลำโพง แผ่นบันทึกข้อมูลของคอมพิวเตอร์ ฯลฯ

ดูเพิ่ม

• แม่เหล็กไฟฟ้า, แม่เหล็กที่สร้างสนามแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้า

แหล่งข้อมูลอื่น

• About Magnets เก็บถาวร 2012-05-27 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/electromagnetism/sub_lesson/8_2.htm