แม่เหล็ก

แม่เหล็ก เป็นแร่หรือโลหะที่มีสมบัติดูดเหล็กได้ ในประวัติศาสตร์ พบว่า สาร"Magnesian stone") ("หินแมกแนเซียน") เป็นวัตถุที่ดูดเหล็กได้ แม่เหล็ก (มาจากภาษากรีก ???????? ????? magn?tis l?thos) 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

เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก B ? ด้วยความเร็ว v ? ทำมุมใด ๆ ที่ไม่ขนานกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงกระทำต่ออนุภาคดังสมการ F ?= q (V ??B ?) โดยทิศทางสามารถหาได้จาก กฎมือขวา (right hand rule) และเมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลาย ๆ วงเรียงซ้อนกัน เป็นรูปทรงกระบอก เรียกว่า โซเลนอยด์ (solenoid)

เมื่อลวดตัวนำตรงยาว l ที่มีกระแสไฟฟ้า I ผ่านขณะวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก B ? จะเกิดแรงกระทำด้วยขนาด F=IlB โดยทิศทางของแรงหาได้จากการกำมือขวาโดยวนนิ้วทั้งสี่ (ผ่านมุมเล็ก) จากทิศทางของกระแสไฟฟ้าไปหาทิศทางของสนามแม่เหล็กนิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางของแรง ส่วนในกรณีลวดตัวนำวางในทิศทางกระแสไฟฟ้าที่ทำมุม?กับสนามแม่เหล็กB ? ขนาดของแรงจะเป็น F=IlBsin?? โดยยังคงใช้กฎมือขวาหาทิศทางของแรงได้เช่นกัน แรงแม่เหล็กระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน ลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน จะมีแรงกระทำระหว่างลวดตัวนำทั้งสองโดยจะเป็นแรงดึงดูดถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทั้งสองมีทิศทางเดียวกัน แต่จะเป็นแรงผลัก ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทั้งสองมีทิศทางตรงข้ามกัน

แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดทองแดงเคลือบน้ำยาที่หมุนรอบแกน มีลักษณะเป็นขดขวดสี่เหลี่ยมมีแกนหมุนที่หมุนได้คล่องซึ่งจะใช้วัตถุที่มีความแข็งมาก เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบบิดขดขวดให้หมุนไป ทำให้เข็มชี้ (ตัดกับแกนหมุนของชดลวด) เบนตามไปด้วย มุมเบนของเข็มชี้แปรผันตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด การสร้างสเกลเพื่ออ่านกระแสไฟฟ้าทำได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดต่าง ๆ มอเตอร์กระแสตรง เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ประกอบด้วยขดลวดที่หมุนได้รอบแกนวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก มีคอมมิวเทเตอร์และแปรงสัมผัสช่วยให้ขดลวดหมุนอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวเมื่อมีกระแสจากแบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวด

กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากการที่มีการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำเรียกการทำให้เกิดกระเกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า 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 ในขดลวดจะทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำในทิศทางที่จำทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาต้านการเปลี่ยนแปลง ของฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดผ่านขดลวดนั้น

มอเตอร์ขณะหมุนจะมีฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลงผ่านขดลวด ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีทิศทางตรงข้ามกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเดิม เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับ ในกรณีมอเตอร์ติดขัดหรือหมุนช้ากว่าปกติแรงเคลื่อนไฟฟฟ้ากลับจะมีค่าน้อยทำให้กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีค่ามาก อาจทำให้ขดลวดร้อนจนไหม้ได้ จึงจำเป็นต้องตัดสวิตซ์เพื่อหยุดการทำงานของมอเตอร์ทุกครั้งที่แรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับมีค่าน้อย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเปลี่ยนค่าตามเวลาในรูปฟังก์ชันไซน์ดังสมการ

เมื่อ e เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เวลา t ใด ๆ Em เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุด ? เป็นความถี่เชิงมุมซึ่งมีค่าเท่ากับ 2?f (โดย f เป็นความถี่ในการเปลี่ยนค่าซ้ำเดิมของแรงเคลื่อนไฟฟ้า)

ความรู้ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกนำไปใช้ในการสร้างและพัฒนาเครื่องมือเครื่องใช้ด้านต่าง ๆ เช่น ไมโครโฟน ลำโพง แผ่นบันทึกข้อมูลของคอมพิวเตอร์ ฯลฯ