แรงแบบเคลื่อนที่บนตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
| English | ไทย |
|---|---|
| magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ | ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก |
| Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ | กฎมือซ้ายของเฟมิ่ง |
| tesla/ˈteslə/ | เทสลา |
นิยามที่ซ่อนอยู่ในมอเตอร์
- สายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสนามแม่เหล็กจะกระโดดไปด้านข้าง มอเตอร์ไฟฟ้าทุกตัวที่เคยสร้างขึ้นคือการกระโดดนั้น จัดวางให้เกิดขึ้นซ้ำๆ
- พิจารณาแรงอย่างละเอียดแล้วจะเห็นสิ่งอื่น ๆ ออกมา ไม่มีใครสามารถวัดสนามแม่เหล็กโดยตรงได้ แต่แรงนี้สามารถวัดได้ และแปรผันตรงกับ $B$
- ดังนั้นผลจากมอเตอร์ไม่ใช่แค่การประยุกต์ใช้เท่านั้น; แต่มันคือวิธีการ นิยามความเข้มของสนามแม่เหล็ก
- บทเรียนนี้คือ $F = BIL\sin\theta$ ความหมายของ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก และ กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง
แรงที่กระทำต่อสายไฟที่มีกระแสไหลผ่าน
- สายไฟยาว $L$ มีกระแส $I$ ทำมุม $\theta$ กับสนามที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ $B$ จะได้รับแรง:
- แรงจะมีค่า มากที่สุดในเมื่อตั้งฉากกัน ซึ่ง $\sin\theta = 1$ และ $F = BIL$, และมีค่าเป็น ศูนย์ เมื่อสายไฟเรียงตัว ขนานกับ สนาม ซึ่ง $\sin\theta = 0$
- แรงจะตั้งฉากกับทั้งกระแสและสนาม นี่คือเหตุผลที่มอเตอร์หมุนแทนที่จะดึงตัวเองแตกสลาย
แรงแบบเคลื่อนที่ที่กระทำต่อสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กคือ:
มากที่สุดเมื่อสายไฟตั้งฉากกับสนาม ($\sin 90^{\circ} = 1$, ดังนั้น $F = BIL$)
แรงแบบเคลื่อนที่ต่อสายไฟเป็นศูนย์เมื่อวางขนานกับสนาม
เมื่อสายไฟขนานกับสนาม $\theta = 0$ และ $\sin\theta = 0$, ดังนั้นไม่มีแรงกระทำ
สายไฟ $0.10\ \text{m}$ พกพากระแส $2.0\ \text{A}$ ที่ตั้งฉากกับสนาม $0.50\ \text{T}$. แรง是多少?
$F = BIL = 0.50 \times 2.0 \times 0.10 = 0.10\ \text{N}$.
ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก
- จัดรูปสมการใหม่สำหรับสายไฟที่ตั้งฉากกับสนาม สมการเดียวกันนี้ กำหนดนิยาม $B$:
- ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก คือแรงต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยความยาวของสายไฟที่ตั้งฉากกับสนาม
- หน่วยวัดคือ เทสลา: $1\ \text{T} = 1\ \text{N/(A m)}$. เทสลาหนึ่งเป็นสนามที่เข้มมาก; สนามของโลกมีค่าประมาณ 50 ไมโครเทสลา
ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กวัดได้ในหน่วย ____.
$1\ \text{T} = 1\ \dfrac{\text{N}}{\text{A}\cdot\text{m}}$ — แรงแบบเคลื่อนที่ต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยความยาว
ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กคืออะไร?
B = F/(IL) สำหรับสายไฟที่ตั้งฉาก, ในหน่วยเทสลา นิยามนี้มาจากแรงแบบเคลื่อนที่ของมอเตอร์โดยตรง ซึ่งเป็นวิธีการวัดค่า B
กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง
- ยึดนิ้วโป้งและนิ้วชี้สองต้นแรกของคุณที่ มือซ้าย ให้ตั้งฉากกันทุกคู่
- นิ้วชี้ (First) แทน Field (สนาม), นิ้วกลาง (Cond) แทน Current (กระแส), นิ้วโป้ง (Mb) แทนแรง หรือ Motion (การเคลื่อนที่)
- ใช้มือซ้ายสำหรับผลของ มอเตอร์ ซึ่งกระแสทำให้เกิดการเคลื่อนที่ ส่วนมือขวาใช้สำหรับผลของ เจนเนอเรเตอร์ ซึ่งการเคลื่อนที่ทำให้เกิดกระแส และการสลับการใช้ทั้งสองมือจะทำให้คำตอบผิดทั้งหมด
สามปริมาณ สามทิศทาง ตั้งฉากกันทุกคู่
รู้สึกถึงแรงที่กระทำต่อสายไฟ
กระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กจะ experiencing แรง F = BIL ตั้งฉากกับทั้งสอง — กลับทิศทางกระแสหรือพลิกแม่เหล็ก แรงจะเปลี่ยนทิศทางทันที
ในกฎมือซ้ายของเฟมिंग นิ้วโป้งแสดงถึง:
นิ้วชี้ = สนาม, นิ้วกลาง = กระแส, นิ้วโป้ง = แรงแบบเคลื่อนที่/การเคลื่อนที่
จับคู่นิ้วแต่ละนิ้วของกฎมือซ้ายของเฟมิ่งกับสิ่งที่มันแทน
นิ้วชี้-สนาม, นิ้วกลาง-กระแส, นิ้วโป้ง-การเคลื่อนที่. มือซ้ายใช้สำหรับแรงแบบเคลื่อนที่ของมอเตอร์; มือขวาใช้สำหรับแรงแบบเคลื่อนที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ตัวอย่างวิธีทำ: แรง作用于สายไฟ
- สายไฟยาว $0.10\ \text{m}$ มีกระแส $2.0\ \text{A}$ ตั้งฉากกับสนามที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ $0.25\ \text{T}$ จงหาแรง และหากเปลี่ยนให้สายไฟทำมุม $30°$ กับสนาม แรงจะเป็นเท่าไร
- ในกรณีตั้งฉาก: $F = BIL = (0.25)(2.0)(0.10) = 0.050\ \text{N}$
- ที่มุม $30°$: $F = BIL\sin 30° = 0.050 \times 0.5 = 0.025\ \text{N}$, น้อยลงครึ่งหนึ่ง
- หากสายไฟถูกหมุนให้ขนานกับสนาม แรงจะเป็น ศูนย์ มุมนี้วัดระหว่าง สายไฟ กับ สนาม ไม่ใช่ระหว่างสายไฟกับสิ่งอื่นใด
สายไฟยาว 0.10 m พกพากระแส 2.0 A ที่มุม 30 องศา กับสนาม 0.25 T. แรง是多少, ในหน่วยนิวตัน?
F = BIL sin30 = 0.25 x 2.0 x 0.10 x 0.5 = 0.025 N, ครึ่งหนึ่งของค่าที่ตั้งฉาก. หากขนานกับสนามแรงจะเป็นศูนย์
กระแสในสายขนานกันสองเส้น
- สายแต่ละเส้นอยู่ใน สนามของอีกเส้นหนึ่ง ดังนั้นแต่ละเส้นจึงได้รับแรง ใช้กฎมือซ้ายสองครั้ง ผลลัพธ์จึงสมมาตร
- กระแสไหลใน ทิศทางเดียวกัน จะ ดึงดูด กระแสไหลใน ทิศทางตรงข้าม จะ ผลักกัน
- สิ่งนี้ควรจดจำไว้เพราะมันเป็นการย้อนกลับจากพฤติกรรมของประจุไฟฟ้า: ประจุเหมือนกันจะผลักกัน แต่กระแสเหมือนกันจะดึงดูดกัน
สายไฟสองเส้นขนานที่พกพากระแสในทิศทางเดียวกันจะดูดกันเอง
แต่ละสายอยู่ในสนามของอีกฝ่ายหนึ่ง; ใช้กฎมือซ้ายกับแต่ละสายจะได้การดูดกัน เป็นตรงข้ามกับประจุเหมือนกันที่จะผลักกัน
ตัวอย่างวิธีทำ: การวัดสนาม
- สายไฟแข็งบนตราชั่งแบบถาดวางรับกระแสไฟฟ้าผ่านสนามแม่เหล็ก อธิบายวิธีการวัด $B$ นี้
- วางสายไฟ ตั้งฉากกับ สนาม ดังนั้นแรงจะเป็น $F = BIL$
- แม่เหล็กวาง บนตราชั่ง และตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงที่กระทำต่อแม่เหล็กมีขนาดเท่ากับและทิศทางตรงข้ามกับแรงที่กระทำต่อสายไฟ ดังนั้นค่าที่อ่านได้จากตราชั่งจะเปลี่ยนแปลงไป $F/g$ กิโลกรัม
- จากนั้นคำนวณ $B = F/(IL)$ โดยใช้แรงที่วัดได้ กระแสจากแอมมิเตอร์ และความยาวของสายไฟจริง ๆ ที่ อยู่ในสนาม
- รายละเอียดสุดท้ายคือจุดที่คนมักพลาด: $L$ คือความยาวภายในสนาม ไม่ใช่ความยาวของสายทั้งหมด
เรียงลำดับขั้นตอนในการวัดความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กด้วยเครื่องชั่งกระแสไฟฟ้า
กฎข้อที่สามของนิวตันคือสิ่งที่ทำให้เครื่องชั่งรู้สึกถึงแรงปฏิกิริยาต่อแรงแบบเคลื่อนที่ที่กระทำต่อสายไฟ L คือความยาวที่อยู่ภายในสนาม ไม่ใช่สายไฟทั้งหมด
คะแนนที่หลุดหายไป
- $\theta$ คือมุมระหว่าง สายไฟกับสนาม แรงจะเป็น ศูนย์ เมื่อขนานกัน ไม่ใช่ค่าสูงสุด
- $L$ คือความยาวของสายไฟ ที่อยู่ในสนาม
- ใช้ มือซ้าย สำหรับผลของมอเตอร์, มือขวาสำหรับผลของเจนเนอเรเตอร์ ต้องบอกให้ชัดว่ากำลังใช้มือใด
- กระแสขนานใน ทิศทางเดียวกัน จะ ดึงดูดกัน ซึ่งขัดแย้งกับประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน
คุณเข้าใจแล้ว
- $F = BIL\sin\theta$: สูงสุดเมื่อตั้งฉาก, เป็น ศูนย์ เมื่อขนานกับสนาม, และแรงตั้งฉากกับทั้งกระแสและสนาม
- จัดรูปใหม่แล้ว กำหนดนิยาม ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก: แรงต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยความยาวของสายไฟที่ตั้งฉาก, วัดเป็น เทสลา
- กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง: นิ้วชี้ Field, นิ้วกลาง Current, นิ้วโป้ง Motion, สำหรับผลของ มอเตอร์
- กระแสขนานจะ ดึงดูด เมื่อทิศทางเดียวกันและ ผลักกัน เมื่อทิศทางตรงข้าม