เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้า       (Electromagnets) หมายถึง อำนาจแม่เหล็กที่เกิดจากการที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านในวัตถุตัวนำหมายความว่าถ้าปล่อยให้ กระแสไฟฟ้าไหลในวัตถุตัวนำจะทำให้เกิด สนามแม่เหล็กรอบ ๆ ตัวนำนั้น        เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวดตัวนำ จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึ้นรอบๆ เส้นลวดตัวนำนั้น แต่อำนาจแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีเพียงจำนวนเล็กน้อย ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ การจะเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก ทำได้โดยการนำเส้นลวดตัวนำมาพันเป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดในแต่ละส่วนของเส้นลวดตัวนำจะเสริมอำนาจกัน ทำให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จะขึ้นอยู่กับส่วนประกอบต่างๆ ดังนี้ จำนวนรอบของการพันเส้นลวดตัวนำ การพันจำนวนรอบของเส้นลวดตัวนำมากเกิดสนามแม่เหล็กมาก ในทางกลับกันถ้าพันจำนวนรอบน้อยการเกิดสนามแม่เหล็กก็น้อยตามไปด้วย ปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นลวดตัวนำ กระไฟฟ้าไหลผ่านมากสนา ม แม่เหล็กเกิดขึ้นมาก และถ้ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านน้อยสนามแม่เหล็กเกิดน้อย ชนิดของวัสดุที่ใช้ทำแกนของแท่งแม่เหล็กไฟฟ้า วัสดุต่างชนิดกันจะให้ความเข็มของสนามแม่เหล็กต่างกัน เช่น แกนอากาศจะให้ความเข็มของสนามแม่เหล็กน้อยกว่าแกนที่ทำจากสารเฟอโรแมกเนติก (Ferromagnetic) หรือสารที่สามารถเกิดอำนาจแม่เหล็กได้ เช่น เหล็ก เฟอร์ไรท์ เป็นต้น สารเหล่านี้จะช่วยเสริมอำนาจแม่เหล็กในขดลวดทำให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็กมากขึ้น ขนาดของแกนแท่งแม่เหล็กไฟฟ้า แกนที่มีขนาดใหญ่จะให้สนามแม่เหล็กมาก ส่วนแกนที่มีขนาดเล็กจะให้สนามแม่เหล็กน้อย ประโยชน์ของแม่เหล็กไฟฟ้า (Applications of electromagnets)        แม่เหล็กไฟฟ้ามีประโยชน์มากมาย ใช้หลักการที่แม่เหล็กดูดแผ่นโลหะเมื่อว่างวงจรปิดซึ่งเป็นการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่นพลังงานเสียง        ออดไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียงจากกระแสตรง แผ่นโลหะจะถูกดูดโดยแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้จุดสัมผัสแยกออก มีผลให้กระแสที่เข้ามายังแม่เหล็กไฟฟ้าหยุดไหล ดังนั้นแผ่นโลหะจึงดีดกลับ เกิดขึ้นเช่นนี้เรื่อยๆ มีผลให้แผ่นโลหะสั่นเกิดเสียงออตขึ้น ในกระดิ่งไฟฟ้ามีค้อนติดกับแผ่นโลหะใกล้กับกระดิ่งเมื่อแผ่นโลหะสั่นค้อนก็จะเคาะกระดิ่ง         ปั้นจั่น เป็นการประยุกต์ใช้หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าไปใช้เป็นเครื่องมือสำหรับยกของจำพวกโลหะ ใช้สำหรับดูดเศษเหล็กจากเศษโลหะอื่นๆ เมื่อต้องการใช้ก็เปิดสวิทช์ ทำให้เหล็กที่เป็นแกนของขดลวดเป็นแม่เหล็กดูดเศษเหล็กได้ และเมื่อใช้เสร็จก็ปิดสวิทช์ แกนเหล็กก็จะไม่เป็นแม่เหล็ก ปล่อยเศษเหล็กให้หลุดลงมา        หูฟัง เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนสัญญานไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง ใช้แม่เหล็กถาวรดูดแผ่นไดอะแฟรม ความแรงของแรงดึงดูดเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า แผ่นไดอะแฟรมจะสั่นทำให้เกิดเสียง        รถไฟความเร็วสูง เป็นรถไฟที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าติดอยู่ข้างใต้ซึ่งเคลื่อนที่ ไปบนรางที่มีแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กผลักซึ่งกันและกันทำให้รถไฟลอยเหนือราง เป็นการลดแรงเสียดทานระหว่างรถไฟและราง ทำให้เคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

      แม่เหล็กไฟฟ้าใช้ไฟจากแบตเตอรี่  เป็นแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า  ให้คุณหาแบตเตอรี่ หรือ ถ่านไฟฉาย   คุณจะเห็นขั้วไฟฟ้า  2  ขั้ว   คือขั้วบวก  + และขั้วลบ -  โดยปกติอิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุลบจะเคลื่อนที่จากขั้วลบไปที่ขั้วบวกของแบต   ถ้าเราต่อสายไฟให้ครบวงจร     โดยถ้าคุณต่อสายไฟจากขั้วบวกไปที่ขั้วลบโดยตรง  มีปรากฎการณ์เกิดขึ้นดังต่อไปนี้

1. อิเล็กตรอนไหลจากขั้วลบไปที่ขั้วบวกอย่างรวดเร็ว
2. พลังงานภายในแบตจะหมดอย่างรวดเร็ว  ดังนั้นคุณไม่ควรต่อสายไฟตรง  ให้ใช้สวิทซ์ หรือ ต่อตัวต้านทานหรือภาระให้กับแบตด้วย   ภาระที่ว่าคือ มอเตอร์  หลอดไฟ   และวิทยุเป็นต้น
3. สนามแม่เหล็กจะเกิดขึ้นรอบสายไฟเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหล สนามแม่เหล็กที่เกิดขี้นนี้จะนำเราไปสู่การสร้างแม่เหล็กไฟฟ้า

    ทดลองสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยตัวของคุณเอง  โดยไปหา

• ถ่านไฟฉายแบบ  AA
• สายไฟ  (ตัดจากสายไฟทั่วไป  แล้วปลอกพลาสติกภายนอกออก  เอาแต่สายทองแดง  ยกเว้นสายโทรศัพท์ใช้ไม่ได้  เพราะสายทองแดงเส้นเล็กไป  )
• เข็มทิศ

      ต่อสายไฟไว้กับแบตเตอรี่  โดยผ่านสวิทซ์หนึ่งอันดังรูป   วางเข็มทิศไว้บนสายไฟ  ขณะที่ยังไม่มีการปิดสวิทซ์  เข็มทิศจะชี้ไปยังทิศเหนือตลอดและนิ่งอยู่อย่างนั้น  แต่เมื่อคุณเปิดและปิดสวิทซ์เป็นจังหวะ  คุณจะเห็นว่าเข็มทิศสวิงไปมา เพราะกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแมเหล็ก  และผลักเข็มทิศออกไป  ถ้าคุณกลับขั้วของแบต และทดลองซ้ำ  คุณจะเห็นว่าเข็มทิศถูกผลักไปอีกด้านหนึ่ง
      ภาพข้างล่างแสดงทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบเส้นลวด   ในรูปเป็นภาพตัดของเส้นลวด และมองจากทางด้านบน  วงกลมสีเขียวในรูปภาพเป็นภาพตัดของเส้นลวด  สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเป็นรูปวงกลมล้อมรอบเส้นลวด  สนามแมเหล็กจะอ่อนลง  เมื่ออยู่ห่างจากเส้นลวด  ยิ่งห่างยิ่งอ่อน   ถ้าคุณสังเกตให้ดี  ทิศทางของสนามแม่เหล็กมีทิศทางตั้งฉากกับเส้นลวดเสมอ 

สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นรอบเส้นลวด

       เพราะว่าสนามแม่เหล็กรอบเส้นลวดเป็นวงกลม และมีทิศตั้งฉากกับเส้นลวด   เราจึงสามารถเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กได้โดย  ขดเส้นลวดให้เป็นวง  ดังรูปข้างล่าง

สนามแม่เหล็กเกิดรอบวงของเส้นลวด

        ถ้าเราเพิ่มขดลวดขึ้นอีกวง สนามแม่เหล็กจะเพิ่มความเข้มขึ้น  ยิ่งมีวงขดมากสนามแม่เหล็กยิ่งมากตาม    ยกตัวอย่างเช่น  ถ้าคุณพันเส้นลวดรอบตะปู  10  รอบ  และต่อขดลวดเข้ากับแบต และนำไปทดสอบดูดคลิบหนีบกระดาน  คุณจะเห็นว่าสนามแม่เหล็กที่ได้มีความแรงมากกว่าขดลวด  1 รอบ

แม่เหล็กไฟฟ้าแบบง่ายๆ

       แม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน  ดังนั้นถ้าเกิดไม่มีกระแสไฟฟ้า  อำนาจของสนามแม่เหล็กจะหมดไป

 ชาวกรีกและโรมันโบราณรู้จักอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้า พวกเขาเห็นว่าหินสีดำที่ลึกลับน่าพิศวงชนิดหนึ่งมีแรงที่ทำให้โลหะบางชนิดเข้ามาติดอยู่กับมันได้ พวกเขายังสังเกตเห็นด้วยว่า เมื่อเอาหินชนิดนี้ชิ้นเล็กๆผูกแขวนกับเชือกปลายข้างหนึ่งของมันจะชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ หินดังกล่าวจึงอาจจะเอามาใช้เป็นเข็มทิศสำหรับบอกทิศทางได้

       แต่ชาวกรีกและโรมันไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ประหลาดนี้ได้ ที่จริงแล้ว มีผู้คนจำนวนมากที่เชื่อว่า อำนาจของหินสีดำนั้นเกิดจากอำนาจเหนือธรรมชาติบางประการ ในยุคโบราณจึงเกิดตำนานหลายเรื่องที่เกี่ยวกับอำนาจของแม่เหล็ก ตำนานเรื่องหนึ่งเกี่ยวกับคนเลี้ยงแกะชื่อว่า แม็กเนส ผู้ซึ่งยังคงติดอยู่กับหินบนเขาอิดา ทั้งนี้ ก็เพราะตะปูที่ตอกรองเท้าของเขา ตำนานอีกเรื่องหนึ่งเล่าว่า แม่เหล็ก หรือ แม็กเน็ต ( Magnet) ในภาษาอังกฤษนั้นเป็นคำที่ได้มาจากชื่อสถานที่แห่งหนึ่งในเอเชียน้อย คือ แม็กนีเซีย ( Magnesia) อันเป็นแหล่งที่พบแม่เหล็กเป็นครั้งแรก บางทีเรื่องที่ฟังดูแปลกประหลาดที่สุดคงจะเป็นเรื่องของภูเขาที่เป็นหินแม่เหล็กซึ่งดูดเอาตะปูจากลำเรือที่แล่นเข้ามาใกล้ภูเขาลูกนั้นเกินไป

       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 ซึ่งได้มาจากการนำเอาลวดทองแดงอาบน้ำยาพันรอบแท่งเหล็กกล้าแล้วปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวด ทำให้เกิดสนานแม่เหล็กไปดูดเหล็กผลักโมเลกุลภายในแท่งเหล็กกล้า ให้มีการเรียงตัวของโมเลกุลอย่างเป็นระเบียบตลอดไป เหล็กกล้าดังกล่าวก็จะคงสภาพเป็นแม่เหล็กถาวรต่อไป
       2. แม่เหล็กไฟฟ้า หรือ แม่เหล็กชั่วคราว (Electro Magnetic) เป็นแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับแม่เหล็กถาวร แต่เหล็กที่นำมาใช้เป็นเพียงเหล็กอ่อนธรรมดา เมื่อมีการป้อนกระแส ไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวดที่พันอยู่รอบแท่งเหล็กอ่อนนั้น แท่งเหล็กอ่อนก็จะมีสภาพเป็นแม่เหล็กไปทันที แต่เมื่อหยุดจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไป อำนาจแม่เหล็กก็จะหมดไปด้วย เช่น อุปกรณ์จำพวกรีเลย์ (Relay) โซนินอยด์ (Solenoid) กระดิ่งไฟฟ้า เป็นต้น

คุณสมบัติของแม่เหล็ก

  

       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