กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

 

บทที่ 17 ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 2

                 จากการศึกษาบทที่ผ่านมาทราบว่า กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทำให้เกิดสนามแม่เหล็กและมีฟลักซ์แม่เหล็กรอบตัวนำนั้น ในทางกลับกัน ฟลักซ์แม่เหล็กจะทำให้มีกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำได้หรือไม่ และปริมาณทั้งสองมีความสัมพันธ์กันอย่างไร

                ในบทนี้จะกล่าวถึง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ที่เป็นหลักการสำคัญในการอธิบายการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ หลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า หม้อแปลง วงจรไฟฟ้าภายในบ้าน ตลอดจนความปลอดภัยของการใช้ไฟฟ้า เพื่อให้นักเรียนตระหนักถึงการใช้ไฟฟ้าที่ถูกต้องทั้งประหยัดและปลอดภัย

 

กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

                เมื่อต้องการทราบว่า ฟลักซ์แม่เหล็กทำให้มีกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำได้หรือไม่ ศึกษาได้จากกิจกรรม 17.1 ดังรูป 17.1 จะพบว่าเข็มของแอมมิเตอร์เบนไปจากตำแหน่งเดิม แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวดทองแดง ในทางกลับกัน ถ้าให้ขดลวดทองแดงอยู่กับที่ แต่เคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กไป-มาให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดขดลวดทองแดงเปลี่ยนแปลง ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าผ่านแอมมิเตอร์ได้เช่นกัน นั่นคือ มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดทองแดง

รูป 17.1 การเคลื่อนที่ขดลวดทองแดงตัดฟลักซ์แม่เหล็ก

 

กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำมีการเปลี่ยนแปลงเรียกการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากวิธินี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current)

เมื่อเคลื่อนเส้นลวดตัวนำในสนามแม่เหล็กดังรูป 17.2เส้นลวดนำ PQเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว  \displaystyle\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\overv} ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก \displaystyle\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\overB}  

ดังนั้นจะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดตัวนำในทิศตั้งฉากกับระนาบของ และ \displaystyle\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B} ซึ่งจะอยู่ในแนวเส้นลวด PQ มีผลทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างปลาย PQ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำมีความต่างศักย์ \displaystyle V_PQ
ดังนั้นถ้าต่อเส้นลวดตัวนำนี้ให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า
แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force)

รูป 17.2 การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวดตัวนำ

 

                จากที่กล่าวมาแล้ว เป็นการใช้เส้นลวดตัวนำตรงเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ถ้าให้ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก หมุมตัดฟลักซ์แม่เหล็กในแนวตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็กจะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดรูปสี่เหลี่ยม

รูป 17.3 ขดลวดตัวนำหมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็ก

 

ให้ขดลวด PQRS หมุนรอบแกน XY ในทิศทวนเข็มนาฬิกา เมื่อพิจารณาลวดตัวนำ ส่วนPQ และ RS จะเห็นว่า ลวด PQ และ RS เคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ในทิศลงและขึ้น ดังนั้น จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ I ดังรูป 17.3 โดยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะมีทิศจาก P ไป Q และจาก R ไป S พร้อมกัน 

               -  ลวด PS และ QR จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นหรือไม่

จากกิจกรรม 17.1 เมื่อนำขดลวดตัวนำต่อกับแอมมิเตอร์ที่สามารถวัดกระแสไฟฟ้าค่าน้อยๆ ได้ และนำขดลวดนี้เคลื่อนที่เข้าใกล้หรือออกห่างแท่งแม่เหล็ก จะพบว่าขณะที่ขดลวดตัวนำเคลื่อนนั้น จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ซึ่งสังเกตได้จากการเบนของเข็มชี้ของแอมมิเตอร์ แต่ขณะที่ขดลวดตัวนำอยู่นิ่ง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นผลที่ได้จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กผ่านที่ขดลวดตัวนำมีค่าเปลี่ยนแปลง จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำ ซึ่งเป็นผลให้มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำนั้น

ไมเคิล ฟาราเดย์ ได้ทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง และสรุปได้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวด เป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้น เมื่อเทียบกับเวลา ข้อความนี้เรียกว่า กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ (Faraday’s Law of Induction)  เรียกสั้นๆ ว่า กฎของฟาราเดย์ ซึ่งเป็นกฎพื้นฐานของไฟฟ้าและแม่เหล็ก

รูป 17.4 ฟาราเดย์ 

                Michael  Faraday (พ.ศ. 2334 - 2410) เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่พบปรากฏการณ์วิทยาศาสตร์ที่สำคัญ ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิชาไฟฟ้า - แม่เหล็ก แสง และเคมี

                พิจารณา ระนาบของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็ก ในตอนแรกไม่มีฟลักซ์ แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด ดังรูป 17.5

รูป 17.5 ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด PQRS เมื่อระนาบขดลวดทำมุมต่างๆ กับสนามแม่เหล็ก

 

                เมื่อขดลวดหมุนจากตำแหน่งเริ่มต้น ระนาบของขดลวดจะทำมุมต่างๆ กับสนามแม่เหล็กฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และมีค่าสูงสุดเมื่อระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก สรุปก็คือในช่วงการหมุนของขดลวดที่ระนาบขดลวดหมุนกวาดมุมไป 90 องศา จากตำแหน่งเริ่มต้นนี้ ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด

                ต่อไปจะศึกษาว่า ถ้าขดลวดอยู่กับที่และฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นหรือไม่ และกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับทิศการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างไร

                การหาทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ หาได้จาก กฎของเลนซ์ (Lenz’s law) ซึ่งมีใจความว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในทิศที่จะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเดิมที่ตัดผ่านขดลวดนั้น

รูป 17.6 ทิศของกระแสไฟฟ้าเมื่อใช้กฎของเลนซ์

 

        - จากรูป 17.6 เมื่อให้ขดลวดตัวนำ P  หยุดนิ่งและให้กระแส I มีค่าเพิ่มขึ้น จะเกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำ P หรือไม่ และกระแสไฟฟ้ามีทิศใด

                ขดลวดตัวนำ P อยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้าดังรูป 17.7 ก  ถ้าสนามแม่เหล็กในบริเวณขดลวดมีค่าสม่ำเสมอเท่ากับ

\displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over B} _1เมื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า ทำให้สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอ มีค่าเพิ่มขึ้นเป็น \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B} _2ดังรูป 17.7 ข

รูป 17.7 การเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด

 

                สนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ  \displaystyle \Delta\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B}  = \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B} _2  -\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over B} _1 ดังรูป 17.8 ก  แสดงว่า ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด P ก็เปลี่ยนแปลงด้วย ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด P ในทิศที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over B} _1 ซึ่งมีทิศตรงข้ามกับ\displaystyle \Delta \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over B} ดังรูป  17.8    ตามกฎของเลนซ์ ทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำดังรูป 17.9 ก ในทำนองเดียวกัน ถ้าสนามแม่เหล็กมีค่าลดลงก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเช่นกัน ดังรูป 17.9 ข

รูป 17.8 ทิศของ \displaystyle \Delta \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}}\over B} กับ \displaystyle \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over B}
          

รูป 17.9  การเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

 

               - ในรูป 17.7 ถ้าขดลวด P  มีส่วนขาดที่ทำให้ไม่ครบรอบ แต่มีฟลักซ์แม่เหล็กผ่านขดลวดเหมือนดังที่กล่าวมา จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น หรือไม่ เพราะเหตุใด