แม่เหล็กไฟฟ้า: องค์ประกอบชิ้นส่วนวิธีการทำงานและการใช้งาน - กายภาพ - 2025

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ผลิตจากแม่เหล็กไฟฟ้าในปัจจุบัน หากกระแสไฟฟ้าหยุดลงสนามแม่เหล็กก็จะหายไปด้วย ในปี 1820 มีการค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กในสิ่งแวดล้อม สี่ปีต่อมามีการประดิษฐ์และสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าตัวแรก

แม่เหล็กไฟฟ้าตัวแรกประกอบด้วยเกือกม้าเหล็กที่ทาสีด้วยสารเคลือบเงาฉนวนและลวดทองแดงสิบแปดรอบที่ไม่มีฉนวนไฟฟ้าถูกพันไว้

รูปที่ 1. แม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา: pixabay

แม่เหล็กไฟฟ้าสมัยใหม่สามารถมีรูปร่างต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับการใช้งานขั้นสุดท้ายที่จะได้รับ และเป็นสายเคเบิลที่หุ้มด้วยสารเคลือบเงาไม่ใช่แกนเหล็ก รูปร่างที่พบมากที่สุดของแกนเหล็กคือทรงกระบอกซึ่งลวดทองแดงหุ้มฉนวนจะพันแผล

คุณสามารถสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าได้โดยใช้เพียงขดลวดที่สร้างสนามแม่เหล็ก แต่แกนเหล็กจะคูณความเข้มของสนาม

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าแกนเหล็กจะกลายเป็นแม่เหล็ก นั่นคือช่วงเวลาแม่เหล็กภายในของวัสดุจะจัดแนวและเพิ่มทำให้สนามแม่เหล็กทั้งหมดเข้มข้นขึ้น

แม่เหล็กเช่นนี้เป็นที่รู้จักอย่างน้อยตั้งแต่ 600 ปีก่อนคริสตกาลเมื่อ Thales of Miletus ชาวกรีกพูดในรายละเอียดเกี่ยวกับแม่เหล็ก Magnetite ซึ่งเป็นแร่เหล็กก่อให้เกิดแม่เหล็กตามธรรมชาติและถาวร

ข้อดีของแม่เหล็กไฟฟ้า

ข้อได้เปรียบที่ไม่ต้องสงสัยของแม่เหล็กไฟฟ้าคือสนามแม่เหล็กสามารถสร้างเพิ่มลดหรือลบออกได้โดยการควบคุมกระแสไฟฟ้า เมื่อสร้างแม่เหล็กถาวรจำเป็นต้องใช้แม่เหล็กไฟฟ้า

ตอนนี้เหตุใดจึงเกิดขึ้น คำตอบคือแม่เหล็กเป็นสิ่งที่อยู่ภายในสสารเช่นเดียวกับกระแสไฟฟ้า แต่ปรากฏการณ์ทั้งสองปรากฏภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น

อย่างไรก็ตามอาจกล่าวได้ว่าแหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กกำลังเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า ภายในสสารในระดับอะตอมและโมเลกุลกระแสเหล่านี้ถูกผลิตขึ้นเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กในทุกทิศทางที่ตัดกันซึ่งกันและกัน นี่คือสาเหตุที่วัสดุปกติไม่แสดงแม่เหล็ก

วิธีที่ดีที่สุดในการอธิบายคือการคิดว่าแม่เหล็กขนาดเล็ก (ช่วงเวลาแม่เหล็ก) อยู่ภายในสสารที่ชี้ไปในทุกทิศทางดังนั้นเอฟเฟกต์ระดับมหภาคของมันจึงถูกยกเลิก

ในวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงเวลาแม่เหล็กสามารถจัดแนวและสร้างบริเวณที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็ก เมื่อใช้ฟิลด์ภายนอกโดเมนเหล่านี้จะจัดแนว

เมื่อลบฟิลด์ภายนอกโดเมนเหล่านี้จะไม่กลับไปที่ตำแหน่งสุ่มเดิม แต่ยังคงจัดแนวบางส่วน ด้วยวิธีนี้วัสดุจะกลายเป็นแม่เหล็กและกลายเป็นแม่เหล็กถาวร

องค์ประกอบและชิ้นส่วนของแม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วย:

- การพันสายเคเบิลหุ้มฉนวนเคลือบเงา

- แกนเหล็ก (อุปกรณ์เสริม)

- แหล่งที่มาปัจจุบันซึ่งสามารถเป็นทางตรงหรือสลับกันได้

รูปที่ 2. ชิ้นส่วนของแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา: self made.

ขดลวดเป็นตัวนำที่กระแสไฟฟ้าที่ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กผ่านไปและถูกพันในรูปของสปริง

ในการคดเคี้ยวการเลี้ยวหรือการเลี้ยวมักจะชิดกันมาก นั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ลวดที่ขดลวดทำจะมีฉนวนไฟฟ้าซึ่งทำได้ด้วยสารเคลือบเงาพิเศษ จุดประสงค์ของการเคลือบเงาคือแม้ว่าการเปลี่ยนจะถูกรวมเข้าด้วยกันและสัมผัสกัน แต่ก็ยังคงแยกออกจากกันด้วยไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ายังคงหมุนวน

ยิ่งตัวนำที่คดเคี้ยวหนาเท่าไรก็จะยิ่งทนกระแสของสายได้มากขึ้น แต่ จำกัด จำนวนรอบทั้งหมดที่สามารถพันแผลได้ ด้วยเหตุนี้ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนมากจึงใช้ลวดเส้นเล็ก

สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลผ่านตัวนำที่คดเคี้ยวและแปรผันตามความหนาแน่นของรอบ ซึ่งหมายความว่ายิ่งวางรอบต่อหน่วยความยาวมากเท่าไหร่ความเข้มของสนามก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ยิ่งการหมุนของคดเคี้ยวยิ่งแน่นเท่าใดจำนวนที่จะพอดีกับความยาวที่กำหนดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นการเพิ่มความหนาแน่นและทำให้เกิดฟิลด์ที่ได้ นี่เป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่แม่เหล็กไฟฟ้าใช้สายเคเบิลที่หุ้มด้วยสารเคลือบเงาแทนพลาสติกหรือวัสดุอื่น ๆ ซึ่งจะเพิ่มความหนา

ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า

ในโซลินอยด์หรือแม่เหล็กไฟฟ้าทรงกระบอกเช่นเดียวกับที่แสดงในรูปที่ 2 ความเข้มของสนามแม่เหล็กจะได้รับจากความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

B = μ⋅n⋅I

โดยที่ B คือสนามแม่เหล็ก (หรือการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก) ซึ่งวัดในหน่วยของระบบสากลในเทสลาμคือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกน n คือความหนาแน่นของรอบหรือจำนวนรอบต่อเมตรและสุดท้ายคือกระแส I ที่ไหลเวียนผ่านขดลวดที่วัดเป็นแอมป์ (A)

ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนเหล็กขึ้นอยู่กับโลหะผสมและโดยปกติจะอยู่ระหว่าง 200 ถึง 5,000 เท่าของการซึมผ่านของอากาศ สนามผลลัพธ์จะคูณด้วยปัจจัยเดียวกันนี้เมื่อเทียบกับแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่มีแกนเหล็ก ความสามารถในการซึมผ่านของอากาศจะเท่ากับสุญญากาศโดยประมาณซึ่งคือμ ₀ = 1.26 × 10 ^-6 T * m / A

มันทำงานอย่างไร?

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของแม่เหล็กไฟฟ้าจำเป็นต้องเข้าใจฟิสิกส์ของแม่เหล็ก

เริ่มต้นด้วยลวดเส้นตรงธรรมดาที่มีกระแส I กระแสนี้จะสร้างสนามแม่เหล็ก B รอบ ๆ เส้นลวด

รูปที่ 3. สนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยลวดตรง ที่มา: Wikimedia Commons

เส้นสนามแม่เหล็กรอบเส้นตรงเป็นวงกลมศูนย์กลางรอบลวดตะกั่ว เส้นสนามเป็นไปตามกฎมือขวานั่นคือถ้านิ้วหัวแม่มือของมือขวาชี้ไปในทิศทางของกระแสไฟฟ้าอีกสี่นิ้วของมือขวาจะระบุทิศทางการไหลเวียนของเส้นสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กของเส้นตรง

สนามแม่เหล็กเนื่องจากเส้นตรงที่ระยะ r จากมันคือ:

สมมติว่าเรางอสายเคเบิลเพื่อให้เป็นวงกลมหรือลูปจากนั้นเส้นสนามแม่เหล็กที่อยู่ด้านในจะรวมกันชี้ไปในทิศทางเดียวกันเพิ่มและเสริมความแข็งแกร่ง ในส่วนด้านในของลูปหรือวงกลมสนามมีความเข้มข้นมากกว่าในส่วนด้านนอกซึ่งเส้นสนามแยกออกจากกันและอ่อนตัวลง

รูปที่ 4. สนามแม่เหล็กที่เกิดจากลวดในวงกลม ที่มา: Wikimedia Commons

สนามแม่เหล็กที่อยู่ตรงกลางของวง

สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นที่ศูนย์กลางของวงรัศมีที่มีกระแส I คือ:

เอฟเฟกต์จะทวีคูณขึ้นหากทุกครั้งที่เรางอสายเคเบิลเพื่อให้มีสองสามสี่ … และหลายรอบ เมื่อเราพันสายเคเบิลในรูปแบบของสปริงที่มีขดลวดที่อยู่ใกล้มากสนามแม่เหล็กภายในสปริงจะสม่ำเสมอและรุนแรงมากในขณะที่ด้านนอกนั้นแทบจะเป็นศูนย์

สมมติว่าเราพันสายเป็นเกลียว 30 รอบยาว 1 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 ซม. สิ่งนี้ให้ความหนาแน่นของรอบ 3000 รอบต่อเมตร

สนามแม่เหล็กโซลินอยด์ในอุดมคติ

ในโซลินอยด์ในอุดมคติสนามแม่เหล็กภายในจะได้รับจาก:

สรุปการคำนวณของเราสำหรับสายเคเบิลที่มีกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์และการคำนวณสนามแม่เหล็กในไมโครเทตลาสโดยอยู่ห่างจากสายเคเบิล 0.5 ซม. เสมอในรูปแบบต่างๆ:

1. สายตรง: 40 ไมโครเทสลา
2. สายเคเบิลในวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 ซม.: 125 ไมโครเมตร
3. เกลียว 300 รอบใน 1 ซม.: 3770 microteslas = 0.003770 Tesla

แต่ถ้าเราเพิ่มแกนเหล็กเข้าไปในเกลียวที่มีค่าเผื่อสัมพัทธ์เท่ากับ 100 สนามจะคูณ 100 เท่านั่นคือ 0.37 เทสลา

นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณแรงที่แม่เหล็กไฟฟ้าในรูปโซลินอยด์กระทำกับส่วนของแกนเหล็กของส่วนตัดขวาง A:

สมมติว่าสนามแม่เหล็กอิ่มตัว 1.6 เทสลาแรงต่อตารางเมตรของพื้นที่แกนเหล็กที่แม่เหล็กไฟฟ้ากระทำจะเท่ากับ 10 ^ 6 นิวตันเทียบเท่ากับแรง 10 ^ 5 กิโลกรัมนั่นคือ 0.1 ตันต่อ ตารางเมตรของหน้าตัด

ซึ่งหมายความว่าแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีสนามอิ่มตัว 1.6 เทสลาออกแรง 10 กิโลกรัมบนแกนเหล็กที่มีหน้าตัด1 ซม. ²

การใช้งานแม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของแกดเจ็ตและอุปกรณ์มากมาย ตัวอย่างเช่นมีอยู่ภายใน:

- มอเตอร์ไฟฟ้า

- เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและไดนาโม

- ลำโพง

- รีเลย์หรือสวิตช์ไฟฟ้า

- ระฆังไฟฟ้า

- โซลินอยด์วาล์วสำหรับควบคุมการไหล

- ฮาร์ดไดรฟ์คอมพิวเตอร์

- เครนยกเศษโลหะ

- เครื่องแยกโลหะจากขยะในเมือง

- เบรกไฟฟ้าสำหรับรถไฟและรถบรรทุก

- เครื่องถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์

และอุปกรณ์อื่น ๆ อีกมากมาย

อ้างอิง

1. García, F. สนามแม่เหล็ก กู้คืนจาก: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. และ Martina, E. Magnetism จากเข็มทิศไปจนถึงการหมุน สืบค้นจาก: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. เซียร์เซมันสกี้ 2559. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่. วันที่ 14 ฉบับที่ 2. 921-954
4. วิกิพีเดีย แม่เหล็กไฟฟ้า สืบค้นจาก: wikipedia.com
5. วิกิพีเดีย แม่เหล็กไฟฟ้า สืบค้นจาก: wikipedia.com
6. วิกิพีเดีย การสะกดจิต สืบค้นจาก: wikipedia.com