Magnetism and electromagnetism

แม่เหล็กที่เคลื่อนที่สามารถสร้างกระแสได้; กระแสไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดการเคลื่อนที่ได้ เครื่องยนต์, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, โรงไฟฟ้า และลำโพงทั้งหมดอยู่ในหัวข้อนี้ เอกสารอ้างอิงนี้ครอบคลุม AQA GCSE Physics 8463, หัวข้อ 4.7 แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

วิธีการทดสอบหัวข้อนี้ในการสอบ:

• ใบสอบ 2 มีหัวข้อนี้อยู่ $F = BIl$ และสมการหม้อแปลงทั้งสองอยู่บนแผ่นแนบมาด้วย
• กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง, เครื่องยนต์, ลำโพง, ผลกระทบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า, อัลเทอร์เนเตอร์/ไดนามो, ไมโครโฟน และหม้อแปลง เป็น เฉพาะ HT; ทุกอย่างตั้งแต่ 4.7.3 เป็นต้นไปเป็น เฉพาะฟิสิกส์
• คุณต้อง วาดรูปแบบสนามแม่เหล็ก: แท่งแม่เหล็ก, ลวดตรง, โซเลנוอิด

• ขั้วแม่เหล็ก: ตำแหน่งที่แรงแม่เหล็กมีความแรงที่สุด

ขั้วเหมือนกันจะผลักกัน ขั้วต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน — เป็นแรงที่ไม่สัมผัส

• แม่เหล็กถาวร สร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง แม่เหล็กเหนี่ยวนำ จะกลายเป็นแม่เหล็กก็ต่อเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กเท่านั้น — และ แม่เหล็กเหนี่ยวนำจะดึงดูดเสมอ (จะสูญเสียคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กเมื่อถูกนำออก)
• สนามแม่เหล็ก คือบริเวณที่มีแรงกระทำต่อแม่เหล็กอื่นหรือวัสดุที่เป็นแม่เหล็ก (เหล็ก, สตีล, คอบอลต์, นิกเกิล) แม่เหล็กจะ ดึงดูด วัสดุที่เป็นแม่เหล็กเสมอ
• สนามแม่เหล็ก มีความแรงที่สุดที่ขั้ว; ทิศทาง = แรงที่กระทำต่อ ขั้วเหนือ ณ จุดนั้น เส้นสนามวิ่งจาก เหนือ → ใต้
• เข็มทิศ เป็นแท่งแม่เหล็กขนาดเล็ก ชี้ไปตามสนามแม่เหล็กของโลก — เป็นหลักฐานว่าโลกมีสนามแม่เหล็ก (แกนโลกทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กยักษ์)

การทำแผนภูมิสนามแม่เหล็ก: วางเข็มทิศเล็กใกล้กับแม่เหล็ก ทำเครื่องหมายปลายเข็ม, ย้ายเข็มทิศให้ปลายหางวางอยู่บนเครื่องหมายล่าสุด, ทำซ้ำแล้วเชื่อมจุดเข้าด้วยกัน ขี้เหล็กแสดงรูปแบบทั้งหมดในครั้งเดียว

ลวดที่มีกระแสไหลผ่าน จะมีสนามแม่เหล็กล้อมรอบ (วงกลมซ้อนกัน; กุมมือขวา — นิ้วโป้งชี้ตามกระแส, นิ้วที่เหลืองุ้มตามทิศทางสนาม) สนามจะ แรงขึ้นเมื่อมีกระแสมากขึ้น และ อ่อนลงเมื่อห่างจากลวดมากขึ้น

การดัดลวดให้เป็น โซเลนอยด์:

• สนามของแต่ละวงลวดรวมกัน — สนามภายในมี ความเข้มสูงและเป็นเอกภาพ;
• ด้านนอก มีรูปร่างคล้าย แม่เหล็กแท่ง;
• การใส่ แกนเหล็ก เข้าไป会增加ความเข้มยิ่งขึ้น — นี่คือ แม่เหล็กไฟฟ้า.

แม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเปิด-ปิดได้ และปรับความเข้มได้ตามกระแสไฟ — จึงเหนือกว่าแม่เหล็กถาวรในโรงเก็บรถขยะและรีเลย์

ตัวนำที่ไหลผ่านกระแสไฟในสนามแม่เหล็กจะ受到的แรง (ผลจากมอเตอร์ — สนาม, แม่เหล็ก และตัวนำ互相推挤กัน)

กฎมือซ้ายของเฟมิ่ง: นิ้วโป้ง = แรง, นิ้วชี้ = สนาม (N→S), นิ้วกลาง = กระแส — ทั้งสามตั้งฉากกันทั้งหมด

• $F$ แรงเป็นนิวตัน; $B$ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก เป็นเทสลา, T; $I$ กระแสเป็นแอมแปร์; $l$ ความยาวของตัว导 อยู่ในสนาม, เป็นเมตร
• แรงมากขึ้นเมื่อ: สนามแรงขึ้น (ค่า $B$更大), กระแสใหญ่ขึ้น, ตัว导ยาวขึ้นในสนาม. แรงสูงสุดเมื่อตัว导ตั้งฉากกับสนาม

มอเตอร์ไฟฟ้า: ขดลวดที่มีกระแสไหลผ่านในสนามแม่เหล็กจะหมุนเพราะสองด้าน受到的力ในทิศทางตรงข้ามกัน

คอมมิวเตเตอร์แบบแยกวง เปลี่ยนทิศทางกระแสทุกครึ่งรอบเพื่อให้การหมุนดำเนินต่อไป

ลำโพง (ทางฟิสิกส์เท่านั้น): กระแสสลับไหลผ่านขดลวดในสนามทำให้ขดลวดสั่นเข้าออก;กรวยดันอากาศให้เกิด การเปลี่ยนแปลงความดัน — คลื่นเสียง ที่มีความถี่ตรงกับสัญญาณ

หากตัว导 เคลื่อนที่เทียบกับสนามแม่เหล็ก, หรือสนามรอบๆเปลี่ยนไป, ** potenciale difference จะถูกเหนี่ยวนำ**; หากวงจรสมบูรณ์จะมีกระแสไหล — คือ ผลจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

• สนามของกระแสที่ถูกเหนี่ยวนำจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดมัน
• Potenciale difference ถูกเหนี่ยวนำมากขึ้นเมื่อ: เคลื่อนที่เร็วขึ้น, สนามแรงขึ้น, ขดลวดมีจำนวนรอบมากขึ้น. ทิศทางกลับเมื่อ: เคลื่อนที่กลับหรือขั้วสนามกลับ

อะลเทอร์เนเตอร์ (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC): ขดลวดหมุนในสนาม — potenciale difference就被เหนี่ยวนำ เปลี่ยนทิศทาง ทุกครึ่งรอบ, ดังนั้นกราฟ potenciale difference–เวลาจึงเป็นคลื่นซ้ำซ้อนที่ตัดศูนย์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (ไดนามो): คอมมิวเตเตอร์แบบวงแหวนแยกจะกลับการเชื่อมต่อทุกครึ่งรอบหมุน ทำให้เอาต์พุตอยู่ด้านเดียวของศูนย์ (กราฟที่เป็นยอดสูงและบวกตลอดเวลา)

ไมโครโฟน: เป็นการทำงานย้อนกลับของลำโพง — การเปลี่ยนแปลงของความดันเสียงทำให้คอยล์เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดกระแสแปรผัน ที่สะท้อนรูปแบบเสียง

เทรนส์ฟอร์เมอร์: คอยล์ปฐมภูมิและทุติยภูมิพันอยู่บน แกนเหล็ก (ถูกแม่เหล็กได้ง่าย; ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นบางฉนวน)

กระแสสลับ ในคอยล์ปฐมภูมิสร้างสนามแม่เหล็กแปรผันในแกน; สนามแปรผันนี้ เหนี่ยวนำให้มีความต่างศักย์สลับ เกิดขึ้นในคอยล์ทุติยภูมิ

• เพิ่มแรงดัน: $V_s > V_p$ (จำนวนขดลวดทุติยภูมิจากเดิมมากกว่า). ลดแรงดัน: $V_s < V_p$.
• สมการที่สองคือ กำลังเข้า = กำลังออก; ใช้หาค่ากระแสที่ดึงมาจากแหล่งจ่ายไฟขาเข้า

ตัวอย่างวิธีทำ. เทรนส์ฟอร์เมอร์มี 345 ขดลวดปฐมภูมิ และ 6000 ขดลวดทุติยภูมิ; ค่าอินพุตคือ 230 โวลต์

ตัวอย่างวิธีทำ (กำลัง). เทรนส์ฟอร์เมอร์นี้จ่าย 50 มิลลิแอมแปร์ ที่ 4000 โวลต์

• กำลังเอาท์พุต: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ วัตต์
• กระแสอินพุต: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ แอมแปร์

เรื่องราวของระบบส่งกำลังไฟฟ้าแห่งชาติปิดวงจร: เพิ่มแรงดันก่อนการส่งผ่าน (กระแสน้อยลง → $P = I^2R$ ความสูญเสียลดลงอย่างมาก), ลดแรงดัน สำหรับใช้งานในบ้าน (ดูหัวข้อ 2.7)

• ระบุกฎของขั้วแม่เหล็ก; แยกแยะระหว่างแม่เหล็กถาวรกับแม่เหล็กเหนี่ยวนำ
• วาดรูปแบบสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก ลวดตรง และโซเลนอยด์พร้อมทิศทาง; อธิบายความเชื่อมโยงระหว่างเข็มทิศกับโลก
• (HT) ใช้กฎมือซ้ายของเฟลมिंग และ $F = BIl$; อธิบายการทำงานของมอเตอร์และคอมมิวเตเตอร์
• (ฟิสิกส์เท่านั้น, HT) ระบุเงื่อนไขเกิดปรากฏการณ์กำเนิดกระแสและสนามเหนี่ยวนำที่ต้านทาน; แยกแยะกราฟของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรง; อธิบายการทำงานของไมโครโฟน
• (ฟิสิกส์เท่านั้น, HT) ใช้สมการเทรนส์ฟอร์เมอร์ทั้งสอง; อธิบายการเหนี่ยวนำระหว่างคอยล์และข้อดีของระบบส่งกำลังไฟฟ้า