แม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก

ประจุไฟฟ้า (electric charge) เรียกอย่างสั้นว่า ประจุ (charge) มีสองชนิด เรียกประจุบวกและประจุลบ ประจุมีการส่งแรงกระทำระหว่างกัน โดยประจุต่างชนิดกันดึงดูดกัน ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน นอกจากนี้ประจุยังถูกถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปอีกวัตถุหนึ่งได้ ในการถ่ายโอนประจุระหว่างวัตถุ ผลรวมของประจุทั้งหมดยังคงเดิม ซึ่งเรียกว่า กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า (law of conservation of charge)

การเหนี่ยวนำ (induction) เป็นวิธีการทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบนตัวนำ โดยการนำวัตถุที่มีประจุเข้าไปใกล้ตัวนำจะทำให้เกิดประจุชนิดตรงข้ามบนตัวนำด้านใกล้วัตถุที่มีประจุไฟฟ้า เรียกประจุไฟฟ้าที่ได้โดยวิธีนี้ว่า ประจุเหนี่ยวนำ (induced charge)

สนามไฟฟ้า (electric field) เป็นบริเวณที่มีแรงกระทำกับประจุทดสอบ สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์มีทิศตามทิศของแรงกระทำต่อประจุบวกที่อยู่ในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าและมีขนาดเท่ากับขนาดของแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุหนึ่งหน่วย สนามไฟฟ้ามีหน่วยเป็นนิวตันต่อคูลอมบ์ (N/C)

ศักย์ไฟฟ้า (electric potential) ขณะที่ประจุอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุจะมีพลังงานศักย์ไฟฟ้า (electric potential energy) ซึ่งถ้าคิดพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยประจุ เรียกว่า ศักย์ไฟฟ้า

ศักย์ไฟฟ้ามีหน่วยเป็นจูลต่อคูลอมบ์ (J/C) หรือ โวลต์ (V) ผลต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองตำแหน่งเรียกว่า ความต่างศักย์ไฟฟ้า (potential difference)

กระแสอิเล็กตรอน (electron current) เมื่อต่อวงจรภายนอกกับเซลล์ไฟฟ้าเคมีจะเกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากขั้วไฟฟ้าลบ ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ ผ่านวงจรภายนอก ไปยังขั้วไฟฟ้าบวก ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า กล่าวได้ว่ามีกระแสอิเล็กตรอน ขณะมีกระแสอิเล็กตรอน กำหนดให้มีกระแสไฟฟ้า (electric current) เคลื่อนที่จากขั้วไฟฟ้าบวก ผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วไฟฟ้าลบ หากกระแสไฟฟ้าได้จากอัตราการเคลื่อนที่ของประจุหรือประจุที่เคลื่อนที่ผ่านบริเวณหนึ่งในหนึ่งหน่วยเวลา กระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นคูลอมบ์ต่อวินาที (C/s) หรือแอมแปร์ (A)

แม่เหล็ก (magnets) เป็นสารที่ดึงดูดสารบางอย่างได้ เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์ได้สารที่ถูกแม่เหล็กดูดนี้ เรียกว่า สารแม่เหล็ก (magnetic substance) สำหรับแม่เหล็กที่เป็นแท่งบริเวณปลายแท่งแม่เหล็กจะแสดงอำนาจดึงดูดมากที่สุด เรียกว่า ขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) เมื่อแขวนแท่งแม่เหล็ก ๆ จะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้ ขั้วแม่เหล็กที่ชี้ไปทางทิศเหนือเรียกว่า ขั้วเหนือ (magnetic pole) และขั้วแม่เหล็กที่ชี้ไปทางทิศใต้เรียกว่า ขั้วใต้ (south pole) แท่งแม่เหล็กเล็ก ๆ เป็นเครื่องมือบอกทิศเหนือ-ใต้ได้ เรียกว่า เข็มทิศ (compass)

สนามแม่เหล็ก (magnetic field) เป็นบริเวณที่แม่เหล็กออกแรงกระทำกับแม่เหล็กหรือสารแม่เหล็กได้ เส้นแรงแม่เหล็ก (magnetic lines of force) เป็นเส้นสมมติใช้แทนขนาดและทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อนำแม่เหล็กสองแท่งวางใกล้กันจะมีบางตำแหน่งที่สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กทั้งสองหักล้างกันจนได้สนามลัพธ์เป็นศูนย์ ตำแหน่งนี้เรียกว่า จุดสะเทิน (neutral point)

ฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux) หมายถึง จำนวนเส้นแรงแม่เหล็กที่ทะลุผ่านพื้นที่ตั้งฉาก ถ้าคิดจำนวนเส้นแรงแม่เหล็กที่ทะลุผ่านพื้นที่ตั้งฉากหนึ่งตารางหน่วย เรียกว่าความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density) หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ ถ้าลวดตัวนำเป็นเส้นตรง เราหาทิศของสนามแม่เหล็ก โดยการกำรอบลวดตัวนำให้นิ้วหัวแม่มือชี้ทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วทั้งสี่จะชี้ไปตามทิศของสนามแม่เหล็ก ถ้าลวดตัวนำเป็นรูปวงกลมหรือโซเลนอยด์ อาจหาทิศโดยการกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปตามทิศของสนามแม่เหล็ก

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic induction) เมื่อขดลวดลวดเคลื่อนที่ตัดกับฟลักซ์แม่เหล็กหรือเคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กตัดกับขดลวด จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวด ผลที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotiveforce) และกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current)

หม้อแปลง (transformer) อุปกรณ์เปลี่ยนแรงเคลื่อนไฟฟ้าให้เพิ่มขึ้นหรือลดลงหม้อแปลงประกอบด้วยแกนเหล็กอ่อนและขดลวด 2 ชุด คือ ขดลวดปฐมภูมิ (primary coil) เป็นขดลวดด้านเข้าของหม้อและขดลวดทุติยภูมิ (secondary coil) เป็นขดลวดด้านออกของหม้อแปลง หม้อแปลงมี 2 ชนิด คือ หม้อแปลงลง (step down transformer) จะให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านออกน้อยกว่าด้านเข้าและ หม้อแปลงขึ้น (step up transformer) จะให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านออกมากกว่าด้านเข้า

ที่มา :หนังสือเรียน วิชาฟิสิกส์ 1 ว 422