สมัครเรียน
Logo
สมัครคอร์ส

แม่เหล็กและไฟฟ้า ม.ปลาย เนื้อหาครบ! สรุปสูตร! พร้อมตัวอย่างโจทย์และข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์!

Key Takeaways:

แม่เหล็กและไฟฟ้า เป็นหนึ่งในบทสำคัญของฟิสิกส์ ม.ปลาย เพราะเป็นพื้นฐานที่เชื่อมโยงทั้งเรื่องสนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็ก การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ และการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า บทความนี้จะช่วยให้เข้าใจแนวคิดสำคัญ ควบคู่กับการสรุปสูตร วิธีวิเคราะห์โจทย์ และตัวอย่างข้อสอบ เพื่อให้สามารถนำความรู้ไปประยุกต์ใช้ในการเรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายและเตรียมความพร้อมสำหรับการสอบเข้ามหาวิทยาลัยได้อย่างมั่นใจและมีประสิทธิภาพ

Table of Contents

แม่เหล็กและไฟฟ้าคืออะไร ? เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์พื้นฐานอย่างไร ?

แม่เหล็กและไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นหนึ่งในฟิสิกส์พื้นฐานที่ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวเสมอ และสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงก็ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้เช่นกัน เป็นหลักการพื้นฐานของมอเตอร์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และหม้อแปลง

ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับทิศทางสนามแม่เหล็ก

ลวดตัวนำวางในแนวดิ่ง กระแสไฟฟ้าไหลจากบนลงล่าง จงหาทิศสนามแม่เหล็กที่จุดด้านขวาของลวด (มองจากด้านหน้า)

วิธีคิด

ใช้กฎมือขวา ชี้นิ้วโป้งตามทิศกระแสไฟฟ้า นิ้วที่เหลือโค้งตามทิศสนามแม่เหล็ก ที่จุดด้านขวาของลวด สนามแม่เหล็กมีทิศพุ่งออกจากกระดาษ

ดังนั้น สนามแม่เหล็กที่จุดดังกล่าวมีทิศพุ่งออกจากหน้ากระดาษ

สนามแม่เหล็กคืออะไร ? มีสูตรคำนวณอย่างไร ?

สนามแม่เหล็ก (Magnetic Field; \vec{B}) มีหน่วยเป็นเทสลา (tesla; T) เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำ โดยขนาดของสนามแม่เหล็กจะขึ้นกับรูปแบบของตัวนำนั้น ๆ ได้แก่

  • ลวดตัวนำตรงเส้นยาว ที่ระยะห่าง r จากลวด
B = \dfrac{\mu_0 I}{2\pi r}
  • ขดลวดวงกลม N รอบ รัศมี r ที่จุดศูนย์กลาง
B = \dfrac{\mu_0 N I}{2r}
  • โซลินอยด์ (Solenoid) ที่มีจำนวนรอบต่อหน่วยความยาว n
B = \mu_0 n I

โดยที่ \mu_0 คือ ค่าสภาพให้ซึมผ่านได้ของสุญญากาศ = 4\pi \times 10^{-7}\, \text{T}\cdot \text{m/A}

แม่เหล็กและไฟฟ้า ม.ปลาย สรุปฟิสิกส์พื้นฐานครบทุกสูตร

ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับสนามแม่เหล็ก

ลวดตรงยาวมีกระแสไฟฟ้า 4\, \text{A} ไหลผ่าน จงหาสนามแม่เหล็กที่ระยะ 0.02 \, \text{m} จากลวด

วิธีคิด

จากโจทย์ I = 4\, \text{A},   r = 0.02\, \text{m} แทนค่าในสูตร

B = \dfrac{(4\pi\times10^{-7})(4)}{2\pi(0.02)} = 4\times10^{-5}\ \text{T}

ดังนั้น สนามแม่เหล็กที่ระยะดังกล่าวมีค่า 4\times 10^{-5} เทสลา

แรงแม่เหล็กกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่ มีสูตรคำนวณอย่างไร ?

เมื่อประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v เข้าไปในสนามแม่เหล็ก B จะเกิดแรงกระทำต่อประจุนั้น เรียกว่า แรงแม่เหล็ก ขนาดของแรงคำนวณได้จากสูตร

F = qvB\sin\theta

โดย \theta คือมุมระหว่างความเร็วกับสนามแม่เหล็ก

แรงนี้ตั้งฉากกับความเร็วและสนามแม่เหล็กเสมอ ทำให้ประจุเคลื่อนที่เป็นวงกลม

ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับแรงลอเรนซ์

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 2×10⁶ m/s เข้าสนามแม่เหล็ก 0.5 T ในทิศตั้งฉาก จงหาแรงที่กระทำ (ประจุอิเล็กตรอน = 1.6×10⁻¹⁹ C)

วิธีคิด

จากโจทย์ q = 1.6×10⁻¹⁹ C, v = 2×10⁶ m/s, B = 0.5 T, θ = 90° แทนค่าในสูตร

F = (1.6\times10^{-19})(2\times10^{6})(0.5)\sin90^\circ = 1.6\times10^{-13}\ \text{N}

ดังนั้น แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนมีค่า 1.6×10⁻¹³ นิวตัน

แรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า มีสูตรคำนวณอย่างไร ?

เมื่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า I ไหลผ่าน ความยาว L วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก B จะเกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำนั้น คำนวณได้จากสูตร

F = ILB\sin\theta

โดย θ คือมุมระหว่างกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก เป็นหลักการพื้นฐานของมอเตอร์ไฟฟ้า

ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับแรงกระทำต่อลวดตัวนำ

ลวดยาว 0.3 m มีกระแส 5 A วางในสนามแม่เหล็ก 0.2 T ทำมุม 90° กับสนาม จงหาแรงที่กระทำต่อลวด

วิธีคิด

จากโจทย์ I = 5 A, L = 0.3 m, B = 0.2 T, θ = 90° แทนค่าในสูตร

F = (0.2)(5)(0.3)\sin90^\circ = 0.3\ \text{N}

ดังนั้น แรงที่กระทำต่อลวดตัวนำมีค่า 0.3 นิวตัน

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร ? กฎของฟาราเดย์และกฎของเลนซ์ใช้อย่างไร ?

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Induction) คือปรากฏการณ์ที่ฟลักซ์แม่เหล็ก (Φ) เปลี่ยนตามเวลา จนเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ตามกฎของฟาราเดย์

\varepsilon = -N\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}

เครื่องหมายลบคือกฎของเลนซ์ บอกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีทิศต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเสมอ เป็นหลักการพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ตัวอย่างโจทย์เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ขดลวด 100 รอบ ฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนจาก 2×10⁻³ Wb เป็น 5×10⁻³ Wb ใน 0.5 s จงหาแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

วิธีคิด

จากโจทย์ N = 100, ΔΦ = 3×10⁻³ Wb, Δt = 0.5 s แทนค่าในสูตร

\varepsilon = (100)\dfrac{3\times10^{-3}}{0.5} = 0.6\ \text{V}

ดังนั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีขนาด 0.6 โวลต์

ตัวอย่างข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์เรื่อง แม่เหล็กและไฟฟ้า

ตัวอย่างที่ 1

โปรตอนเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 3×10⁵ m/s เข้าสนามแม่เหล็ก 0.6 T ในแนวตั้งฉาก ทำให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมรัศมี r จงหา r (มวลโปรตอน = 1.67×10⁻²⁷ kg, ประจุ = 1.6×10⁻¹⁹ C)

วิธีคิด

แรงแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นแรงเข้าสู่ศูนย์กลาง (Centripetal Force) ดังนั้น

qvB = \dfrac{mv^2}{r} \ \Rightarrow\ r = \dfrac{mv}{qB}r = \dfrac{(1.67\times10^{-27})(3\times10^{5})}{(1.6\times10^{-19})(0.6)} \approx 5.22\times10^{-3}\ \text{m}

ดังนั้น รัศมีของวงกลมมีค่าประมาณ 5.22×10⁻³ เมตร

ตัวอย่างที่ 2

แท่งตัวนำยาว 0.5 m เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 4 m/s ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก 0.25 T จงหาแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ปลายแท่ง

วิธีคิด

ในกรณีตัวนำเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำคำนวณได้จาก

\varepsilon = BLv = (0.25)(0.5)(4) = 0.5\ \text{V}

ดังนั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นมีค่า 0.5 โวลต์

เรียนเรื่องแม่เหล็กและไฟฟ้า กับ OnDemand

สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการปูพื้นฐานหรือเตรียมสอบเรื่องแม่เหล็กและไฟฟ้า การเรียนกับ OnDemand คอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : แม่เหล็กและไฟฟ้า ช่วยให้เข้าใจง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคเน้นคิดวิเคราะห์ สรุปกระชับ พร้อมตะลุยโจทย์

นอกจากนี้ ทาง OnDemand ยังมีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 5 : กลุ่มไฟฟ้า สำหรับตะลุยโจทย์แม่เหล็กและไฟฟ้าแบบเข้มข้น เตรียมพร้อมสอบเข้ามหาวิทยาลัยอย่างมั่นใจ

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

อ้างอิง

  • สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 4. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
  • Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9th ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแม่เหล็กและไฟฟ้า (FAQs)

Q: สนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้าต่างกันอย่างไร ?

A: สนามไฟฟ้าทำให้เกิดแรงกระทำต่อประจุนิ่งหรือเคลื่อนที่ก็ได้ ส่วนสนามแม่เหล็กทำให้เกิดแรงกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่และมีทิศไม่ขนานกับสนามแม่เหล็กได้เท่านั้น

A: ไม่ได้ แรงแม่เหล็กเกิดกับอนุภาคที่มีประจุและกำลังเคลื่อนที่เท่านั้น

A: เพราะแรงแม่เหล็กจะตั้งฉากกับความเร็วเสมอ จึงเป็นแรงเข้าสู่ศูนย์กลาง ทำให้ทิศทางความเร็วเปลี่ยนแต่ขนาดคงที่ จึงเคลื่อนที่เป็นวงกลม

A: กฎของเลนซ์บอกทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ โดยกระแสเหนี่ยวนำจะมีทิศต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเสมอ

20260706-194512
20260706-200834