การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าหมายถึง เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านลูปหรือตัวนำเปลี่ยนแปลง จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้น หากเส้นทางเป็นวงจรปิด แรงเคลื่อนไฟฟ้านี้ก็สามารถขับให้เกิดกระแสได้ นี่คือแนวคิดพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง และอุปกรณ์ในชีวิตประจำวันจำนวนมากที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่หรือสนามที่เปลี่ยนไปให้เป็นผลทางไฟฟ้า

ข้อความเชิงปริมาณที่สำคัญที่สุดคือกฎของฟาราเดย์:

$$\mathcal{E} = -N \frac{d\Phi_B}{dt}$$

โดยที่ $\mathcal{E}$ คือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ, $N$ คือจำนวนรอบ, และ $\Phi_B$ คือฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านหนึ่งรอบ เครื่องหมายลบมาจากกฎของเลนซ์ ซึ่งบอกว่าผลของการเหนี่ยวนำจะต้านการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้มันเกิดขึ้น

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อฟลักซ์เปลี่ยนเท่านั้น

สิ่งสำคัญไม่ใช่แค่มีสนามแม่เหล็กอยู่ แต่คือฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านลูปมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่

สำหรับลูปแบนในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

$$\Phi_B = BA \cos\theta$$

ดังนั้นฟลักซ์จึงเปลี่ยนได้ 3 กรณีที่พบบ่อย:

1. ความเข้มสนาม $B$ เปลี่ยน
2. พื้นที่ของลูป $A$ เปลี่ยน
3. มุม $\theta$ เปลี่ยนเพราะลูปหมุน

ถ้าไม่มีสิ่งใดเปลี่ยน ฟลักซ์จะคงที่และจะไม่เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ทำไมฟลักซ์ที่เปลี่ยนจึงทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

สภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กที่เปลี่ยนไปจะผลักประจุในตัวนำและทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ถ้าฟลักซ์เปลี่ยนเร็วขึ้น ก็จะได้แรงเคลื่อนไฟฟ้ามากขึ้น ถ้าฟลักซ์เปลี่ยนช้าลง ก็จะได้ค่าน้อยลง

นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการเคลื่อนแม่เหล็กผ่านขดลวดอย่างรวดเร็วจึงให้ผลแรงกว่าการเคลื่อนช้า เมื่อปัจจัยอื่นเท่ากัน รูปแบบเดียวกันนี้ยังเกิดขึ้นเมื่อคุณหมุนลูปให้เร็วขึ้นหรือเปลี่ยนสนามให้เร็วขึ้นด้วย

ตัวอย่างโจทย์: ขดลวดในสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง

สมมติว่าขดลวดมีจำนวนรอบ $N = 50$ รอบ และมีพื้นที่ $A = 0.020 \, \mathrm{m}^2$ สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอตั้งฉากกับขดลวดตลอด ดังนั้น $\cos\theta = 1$ สนามเพิ่มจาก $0.30 \, \mathrm{T}$ เป็น $0.80 \, \mathrm{T}$ ในเวลา $0.10 \, \mathrm{s}$

เนื่องจากสนามตั้งฉาก การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ต่อหนึ่งรอบคือ

$$\Delta \Phi_B = A \Delta B = (0.020)(0.80 - 0.30) = 0.010 \, \mathrm{Wb}$$

จากนั้นใช้รูปแบบค่าเฉลี่ยของกฎของฟาราเดย์ในช่วงเวลานั้น:

$$|\mathcal\{E\}| = N \frac\{|\Delta \Phi_B|\}\{\Delta t\}$$ $$|\mathcal\{E\}| = 50 \cdot \frac\{0.010\}\{0.10\} = 5.0 \, \mathrm\{V\}$$

ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเฉลี่ยมีขนาด $5.0 \, \mathrm{V}$ ถ้าสนามเพิ่มขึ้นด้วยอัตราคงที่ตลอดช่วงเวลา ค่านี้ก็จะเป็นขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่งตลอดช่วงการเปลี่ยนแปลงด้วย

ถ้าขดลวดเป็นส่วนหนึ่งของวงจรปิด แรงเคลื่อนไฟฟ้านี้ก็สามารถขับให้เกิดกระแสได้ ถ้าวงจรเปิด ก็ยังคงมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำอยู่ แต่จะไม่มีกระแสไหลต่อเนื่องรอบลูปครบวง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

• คิดว่าสนามแม่เหล็กใด ๆ ก็ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำได้ สนามคงที่ที่ผ่านลูปคงที่จะไม่ทำให้เกิด
• ลืมว่าฟลักซ์ขึ้นอยู่กับมุมด้วย ไม่ได้ขึ้นอยู่แค่ความเข้มสนามและพื้นที่
• มองเครื่องหมายลบในกฎของฟาราเดย์ว่าเป็นเพียงคำตอบเชิงตัวเลขติดลบ ทั้งที่จริงมันบอกว่าผลของการเหนี่ยวนำต้านการเปลี่ยนแปลง
• คิดว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแสเป็นสิ่งเดียวกัน กระแสเหนี่ยวนำจะเกิดได้ก็ต่อเมื่อมีเส้นทางตัวนำที่ปิด

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้านำไปใช้ที่ไหน

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าถูกใช้ทุกครั้งที่ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงถูกเปลี่ยนให้เป็นแรงดันไฟฟ้าหรือกระแส ตัวอย่างที่พบบ่อย ได้แก่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง เตาแม่เหล็กไฟฟ้า และระบบชาร์จไร้สาย

แนวคิดนี้ยังเป็นวิธีที่ใช้ได้จริงในการเชื่อมโยงการเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็ก และวงจรไฟฟ้า เมื่อการเหนี่ยวนำทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าแล้ว คุณก็สามารถวิเคราะห์ส่วนที่เหลือของวงจรด้วยแนวคิดอย่างความต้านทาน กระแส และกำลังไฟฟ้าได้

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

ใช้ขดลวดเดิม แต่ให้การเปลี่ยนแปลงของสนามเกิดขึ้นในเวลา $0.20 \, \mathrm{s}$ แทน $0.10 \, \mathrm{s}$ การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ยังเท่าเดิม ดังนั้นขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเฉลี่ยจะลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง ลองสร้างโจทย์แบบของคุณเองโดยใช้ลูปที่กำลังหมุนหรือเปลี่ยนจำนวนรอบ แล้วตรวจสอบก่อนใช้สูตรว่าส่วนใดของฟลักซ์กำลังเปลี่ยน