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
- ขดลวดวงกลม N รอบ รัศมี r ที่จุดศูนย์กลาง
- โซลินอยด์ (Solenoid) ที่มีจำนวนรอบต่อหน่วยความยาว n
โดยที่ \mu_0 คือ ค่าสภาพให้ซึมผ่านได้ของสุญญากาศ = 4\pi \times 10^{-7}\, \text{T}\cdot \text{m/A}
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\thetaโดย \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\thetaโดย 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
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
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
Q: แรงแม่เหล็กกระทำต่อวัตถุที่ไม่มีประจุไฟฟ้าได้หรือไม่ ?
A: ไม่ได้ แรงแม่เหล็กเกิดกับอนุภาคที่มีประจุและกำลังเคลื่อนที่เท่านั้น
Q: ทำไมประจุที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจึงเคลื่อนที่เป็นวงกลม ?
A: เพราะแรงแม่เหล็กจะตั้งฉากกับความเร็วเสมอ จึงเป็นแรงเข้าสู่ศูนย์กลาง ทำให้ทิศทางความเร็วเปลี่ยนแต่ขนาดคงที่ จึงเคลื่อนที่เป็นวงกลม
Q: กฎของเลนซ์สำคัญอย่างไรในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ?
A: กฎของเลนซ์บอกทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ โดยกระแสเหนี่ยวนำจะมีทิศต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเสมอ
