แม่เหล็กไฟฟ้า

เรื่อง  แม่เหล็กไฟฟ้า

สาระสำคัญ
เมื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดจะเกิดสภาพแม่ เหล็กรอบ ๆ ขดลวด ถ้านำแท่งเหล็กใส่ไว้ในขดลวดจะทำให้แท่งเหล็กนั้นมีสภาพเป็นแม่เหล็ก แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของมอเตอร์ไฟฟ้าที่เป็นอุปกรณ์สร้างพลังงานกล และเป็นส่วนประกอบในไดนาโมซึ่งเป็นอุปกรณ์สร้างพลังงานไฟฟ้า

ผลการเรียนรู้ที่คาดหวัง
ทดลองและอธิบายเกี่ยวกับผลทางแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้าและการนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน

จุดประสงค์การเรียนรู้
1. ทดลองและอธิบายการเกิดแม่เหล็กไฟฟ้าได้
2. บอกความสัมพันธ์ระหว่างความแรงของแม่เหล็กไฟฟ้ากับจำนวนรอบและขนาดของกระแสไฟฟ้าได้
3. มีความสนใจใฝ่รู้หรืออยากรู้อยากเห็น
4. พอใจในประสบการณ์การเรียนรู้ที่เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์
5. ทำงานร่วมกับผู้อื่นอย่างสร้างสรรค์
6. สามารถสื่อสารและนำความรู้เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้าและการใช้แม่เหล็กไฟฟ้าไปใช้ในชีวิตประจำวันได้

ชาวกรีกและโรมันโบราณรู้จักอำนาจแม่เหล็ก ไฟฟ้า พวกเขาเห็นว่าหินสีดำที่ลึกลับน่าพิศวงชนิดหนึ่งมีแรงที่ทำให้โลหะบางชนิด เข้ามาติดอยู่กับมันได้ พวกเขายังสังเกตเห็นด้วยว่า เมื่อเอาหินชนิดนี้ชิ้นเล็กๆผูกแขวนกับเชือกปลายข้างหนึ่งของมันจะชี้ไปทาง ทิศเหนือเสมอ หินดังกล่าวจึงอาจจะเอามาใช้เป็นเข็มทิศสำหรับบอกทิศทางได้

แต่ชาวกรีกและโรมันไม่สามารถอธิบาย ปรากฏการณ์ประหลาดนี้ได้ ที่จริงแล้ว มีผู้คนจำนวนมากที่เชื่อว่า อำนาจของหินสีดำนั้นเกิดจากอำนาจเหนือธรรมชาติบางประการ ในยุคโบราณจึงเกิดตำนานหลายเรื่องที่เกี่ยวกับอำนาจของแม่เหล็ก ตำนานเรื่องหนึ่งเกี่ยวกับคนเลี้ยงแกะชื่อว่า แม็กเนส ผู้ซึ่งยังคงติดอยู่กับหินบนเขาอิดา ทั้งนี้ ก็เพราะตะปูที่ตอกรองเท้าของเขา ตำนานอีกเรื่องหนึ่งเล่าว่า แม่เหล็ก หรือ แม็กเน็ต ( Magnet) ในภาษาอังกฤษนั้นเป็นคำที่ได้มาจากชื่อสถานที่แห่งหนึ่งในเอเชียน้อย คือ แม็กนีเซีย ( Magnesia) อันเป็นแหล่งที่พบแม่เหล็กเป็นครั้งแรก บางทีเรื่องที่ฟังดูแปลกประหลาดที่สุดคงจะเป็นเรื่องของภูเขาที่เป็นหินแม่ เหล็กซึ่งดูดเอาตะปูจากลำเรือที่แล่นเข้ามาใกล้ภูเขาลูกนั้นเกินไป

       จนถึงปลายศตวรรษที่ 16 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ วิลเลียม กิลเบิร์ต จึงได้เริ่มศึกษาระบบการทำงานของแม่เหล็ก เขาเสนอแนวคิดสำคัญประการหนึ่ง คือ โลกเองก็เป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่มีขั้วแม่เหล็กเหมือนแม่เหล็กธรรมดานี่เอง แนวคิดนี้อธิบายว่าทำไมแม่เหล็กจึงชี้ไปทางทิศเหนือและทิศใต้อยู่เสมอ แม่เหล็กถูกขั้วแม่เหล็กของโลกดึงดูดนั่นเอง

แม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็ก คือ สารที่สามารถดูดเหล็กหรือเหนี่ยวนำให้เหล็กหรือสารแม่เหล็กเป็นแม่เหล็กได้ แบ่งเป็น 2 ชนิด คือ
1. แม่เหล็กถาวร (Permanent Magnetic) คือแม่เหล็กที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กตลอดไป เช่น แม่เหล็กที่ใช้ในลำโพง เป็นต้น ซึ่งได้มาจากการนำเอาลวดทองแดงอาบน้ำยาพันรอบแท่งเหล็กกล้าแล้วปล่อยกระแส ไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวด ทำให้เกิดสนานแม่เหล็กไปดูดเหล็กผลักโมเลกุลภายในแท่งเหล็กกล้า ให้มีการเรียงตัวของโมเลกุลอย่างเป็นระเบียบตลอดไป เหล็กกล้าดังกล่าวก็จะคงสภาพเป็นแม่เหล็กถาวรต่อไป
2. แม่เหล็กไฟฟ้า หรือ แม่เหล็กชั่วคราว (Electro Magnetic) เป็นแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับแม่เหล็กถาวร แต่เหล็กที่นำมาใช้เป็นเพียงเหล็กอ่อนธรรมดา เมื่อมีการป้อนกระแส ไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวดที่พันอยู่รอบแท่งเหล็กอ่อนนั้น แท่งเหล็กอ่อนก็จะมีสภาพเป็นแม่เหล็กไปทันที แต่เมื่อหยุดจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไป อำนาจแม่เหล็กก็จะหมดไปด้วย เช่น อุปกรณ์จำพวกรีเลย์ (Relay) โซนินอยด์ (Solenoid) กระดิ่งไฟฟ้า เป็นต้น

1. ถ้าแขวนแท่งแม่เหล็กให้เคลื่อนที่อย่างอิสระ เมื่อหยุดนิ่ง แล้วจะชี้ตามแนวทิศเหนือ ทิศใต้ ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียกว่า ขั้วเหนือ(N) ขั้วที่ชี้ไปทางทิศใต้ เรียกว่า ขั้วใต้(S)
2. ขั้วแม่เหล็กทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้จะดูดสารแม่เหล็กเสมอ
3. ขั้วเหมือนกันเข้าใกล้กันจะเกิดแรงผลักกัน และขั้วต่างกันเมื่อเข้าใกล้กันจะเกิดแรงดูด
4. อำนาจแรงดึงดูดจะมีมากที่สุดที่บริเวณขั้วทั้งสองแม่เหล็ก
5. เส้นแรงแม่เหล็กมีทิศทางออกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้

เส้นแรงแม่เหล็ก

      เมื่อนำกระดาษแข็งวางบนแท่งแม่เหล็ก โรยเศษผงเหล็กละเอียดบนกระดาษแล้วค่อยๆ เคาะด้วยนิ้วเบาๆ ผงเหล็กจะเรียงตัวตามเส้น แรงแม่เหล็กจากขั้ว N ไปขั้ว S อย่างสวยงาม ดังรูปด้านบน โดยในที่ที่มีเส้นแรงแม่เหล็ก เราเรียกว่ามี สนามแม่เหล็ก

แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) หมาย ถึง อำนาจแม่เหล็กที่เกิดจากการที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านในวัตถุตัวนำหมายความว่าถ้า ปล่อยให้ กระแสไฟฟ้าไหลในวัตถุตัวนำจะทำให้เกิด สนามแม่เหล็กรอบ ๆ ตัวนำนั้น
เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดตัวนำ จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นรอบๆ เส้นลวดตัวนำนั้น แต่อำนาจแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีเพียงจำนวนเล็กน้อย ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ การจะเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก ทำได้โดยการนำเส้นลวดตัวนำมาพันเป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดในแต่ละส่วนของเส้นลวดตัวนำจะเสริมอำนาจกัน ทำให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น

ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จะขึ้นอยู่กับส่วนประกอบต่างๆ ดังนี้

1. จำนวนรอบของการพันเส้นลวดตัวนำ การพันจำนวนรอบของเส้นลวดตัวนำมากเกิดสนามแม่เหล็กมาก ในทางกลับกันถ้าพันจำนวนรอบน้อยการเกิดสนามแม่เหล็กก็น้อยตามไปด้วย
2. ปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นลวดตัวนำ กระไฟฟ้าไหลผ่านมากสนา ม แม่เหล็กเกิดขึ้นมาก และถ้ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้อยสนามแม่เหล็กเกิดน้อย
3. ชนิดของวัสดุที่ใช้ทำแกนของแท่งแม่เหล็กไฟฟ้า วัสดุต่างชนิดกันจะให้ความเข็มของสนามแม่เหล็กต่างกัน เช่น แกนอากาศจะให้ความเข็มของสนามแม่เหล็กน้อยกว่าแกนที่ทำจากสารเฟอโรแมกเนติก (Ferromagnetic) หรือสารที่สามารถเกิดอำนาจแม่เหล็กได้ เช่น เหล็ก เฟอร์ไรท์ เป็นต้น สารเหล่านี้จะช่วยเสริมอำนาจแม่เหล็กในขดลวดทำให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็ก มากขึ้น
4. ขนาดของแกนแท่งแม่เหล็กไฟฟ้า แกนที่มีขนาดใหญ่จะให้สนามแม่เหล็กมาก ส่วนแกนที่มีขนาดเล็กจะให้สนามแม่เหล็กน้อย

ประโยชน์ของแม่เหล็กไฟฟ้า (Applications of electromagnets)
แม่เหล็กไฟฟ้ามีประโยชน์มากมาย ใช้หลักการที่แม่เหล็กดูดแผ่นโลหะเมื่อว่างวงจรปิดซึ่งเป็นการเปลี่ยน พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่นพลังงานเสียง ออด ไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียงจากกระแสตรง แผ่นโลหะจะถูกดูดโดยแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้จุดสัมผัสแยกออก มีผลให้กระแสที่เข้ามายังแม่เหล็กไฟฟ้าหยุดไหล ดังนั้นแผ่นโลหะจึงดีดกลับ เกิดขึ้นเช่นนี้เรื่อยๆ มีผลให้แผ่นโลหะสั่นเกิดเสียงออตขึ้น ในกระดิ่งไฟฟ้ามีค้อนติดกับแผ่นโลหะใกล้กับกระดิ่งเมื่อแผ่นโลหะสั่นค้อนก็ จะเคาะกระดิ่ง

ปั้นจั่น เป็นการประยุกต์ใช้หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าไปใช้เป็นเครื่องมือสำหรับยกของ จำพวกโลหะ ใช้สำหรับดูดเศษเหล็กจากเศษโลหะอื่นๆ เมื่อต้องการใช้ก็เปิดสวิทช์ ทำให้เหล็กที่เป็นแกนของขดลวดเป็นแม่เหล็กดูดเศษเหล็กได้ และเมื่อใช้เสร็จก็ปิดสวิทช์ แกนเหล็กก็จะไม่เป็นแม่เหล็ก ปล่อยเศษเหล็กให้หลุดลงมา

หูฟัง เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนสัญญานไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง ใช้แม่เหล็กถาวรดูดแผ่นไดอะแฟรม ความแรงของแรงดึงดูดเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าในขดลวดแม่เหล็ก ไฟฟ้า แผ่นไดอะแฟรมจะสั่นทำให้เกิดเสียง

รถไฟความเร็วสูง เป็นรถไฟที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าติดอยู่ข้างใต้ซึ่งเคลื่อนที่ ไปบนรางที่มีแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กผลักซึ่งกันและกันทำให้รถไฟลอยเหนือราง เป็นการลดแรงเสียดทานระหว่างรถไฟและราง ทำให้เคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

วิดีโอประกอบการศึกษา

คำถาม/คำตอบ    เรื่อง  แม่เหล็กไฟฟ้า

1.บริเวณใดของแท่งแม่เหล็กมีความเข็มของสนามแม่เหล็กมากที่สุด
ก.ปลายทั้งสองของแท่งแม่เหล็ก
ข.ตรงกลางแท่งแม่เหล็ก
ค.รอบๆแท่งแม่เหล็ก
ง.จากกึ่งกลางถึงปลายแต่ละข้าง

2.กล่องสี่ เหลี่ยมแต่ละด้านมีพื้นที่ 0.10 ตารางเมตร วางอยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 5 เทสลา มีทิศของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบ ของกล่องด้านใดด้านหนึ่ง ฟลักซ์สนามแม่เหล็กที่ผ่านกล่องนี้ คือ เท่าไร
ก.0 เวเบอร์
ข.0.5 เวเบอร์
ค.1.0 เวเบอร์
ง.3 เวเบอร์

เฉลยคำตอบ

1.ก

2.ข

เครดิต

http://webhtml.horhook.com/wbi/ec/5magnet-05.htm

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/285/21/magnetic/test1.html