ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ที่ประกอบด้วยการเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือแรงดันไฟในตัววัตถุที่อยู่ในสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เป็นผลมาจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเช่นกัน หากวัตถุเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กที่คงที่และไม่สม่ำเสมอ หรือหมุนในสนามแม่เหล็กเพื่อให้เส้นตัดกับวงปิดเปลี่ยน
กระแสไฟเหนี่ยวนำ
ภายใต้แนวคิดของ "การเหนี่ยวนำ" หมายถึงการเกิดขึ้นของกระบวนการอันเป็นผลมาจากผลกระทบของกระบวนการอื่น ตัวอย่างเช่น สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้จากการที่ตัวนำไฟฟ้าสัมผัสกับสนามแม่เหล็กในลักษณะพิเศษ กระแสไฟฟ้าดังกล่าวเรียกว่าเหนี่ยวนำ เงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของกระแสไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะกล่าวถึงในบทความต่อไป
แนวคิดของสนามแม่เหล็ก
ก่อนเพื่อเริ่มต้นศึกษาปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า จำเป็นต้องเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กคืออะไร พูดง่ายๆ ก็คือ สนามแม่เหล็กคือพื้นที่ของช่องว่างที่วัสดุแม่เหล็กแสดงผลและคุณสมบัติของสนามแม่เหล็ก พื้นที่ของพื้นที่นี้สามารถอธิบายได้โดยใช้เส้นที่เรียกว่าเส้นสนามแม่เหล็ก จำนวนของเส้นเหล่านี้แสดงถึงปริมาณทางกายภาพที่เรียกว่าฟลักซ์แม่เหล็ก เส้นสนามแม่เหล็กปิด โดยเริ่มต้นที่ขั้วเหนือของแม่เหล็กและสิ้นสุดที่ใต้
สนามแม่เหล็กสามารถกระทำกับวัสดุใดๆ ที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก เช่น ตัวนำเหล็กของกระแสไฟฟ้า สนามนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ซึ่งแสดงแทน B และวัดเป็นเทสลาส (T) การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก 1 T เป็นสนามแม่เหล็กแรงมากที่ทำแรง 1 นิวตันต่อประจุจุด 1 คูลอมบ์ ซึ่งเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับเส้นสนามแม่เหล็กด้วยความเร็ว 1 m / s นั่นคือ 1 T=1 Ns / (mCl).
ใครเป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้อุปกรณ์ที่ทันสมัยจำนวนมากถูกค้นพบในช่วงต้นทศวรรษ 30 ของศตวรรษที่ XIX การค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ามักเกิดจาก Michael Faraday (วันที่ค้นพบ - 29 สิงหาคม 1831) นักวิทยาศาสตร์อาศัยผลการทดลองของ Hans Oersted นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวเดนมาร์ก ซึ่งค้นพบว่าตัวนำซึ่งกระแสไฟฟ้าไหลผ่านสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง นั่นคือ เริ่มแสดงคุณสมบัติของแม่เหล็ก
ในทางกลับกัน ฟาราเดย์ก็ค้นพบสิ่งที่ตรงกันข้ามกับปรากฏการณ์ที่ Oersted ค้นพบ เขาสังเกตว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์ของกระแสไฟฟ้าในตัวนำ ทำให้เกิดความต่างศักย์ที่ปลายตัวนำกระแสใดๆ หากปลายเหล่านี้เชื่อมต่อกัน เช่น ผ่านหลอดไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าก็จะไหลผ่านวงจรดังกล่าว
ด้วยเหตุนี้ ฟาราเดย์จึงค้นพบกระบวนการทางกายภาพซึ่งเป็นผลมาจากกระแสไฟฟ้าที่ปรากฏในตัวนำเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กซึ่งเป็นปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน สำหรับการก่อตัวของกระแสเหนี่ยวนำ ไม่สำคัญว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร: สนามแม่เหล็กหรือตัวนำเอง สิ่งนี้สามารถแสดงให้เห็นได้อย่างง่ายดายโดยทำการทดลองที่เหมาะสมกับปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อวางแม่เหล็กไว้ในเกลียวโลหะแล้วเราก็เริ่มขยับมัน หากคุณเชื่อมต่อปลายเกลียวผ่านตัวบ่งชี้กระแสไฟฟ้าเข้ากับวงจร คุณจะเห็นลักษณะของกระแส ตอนนี้คุณควรปล่อยแม่เหล็กไว้ตามลำพังแล้วขยับเกลียวขึ้นและลงเมื่อเทียบกับแม่เหล็ก ตัวบ่งชี้จะแสดงการมีอยู่ของกระแสในวงจรด้วย
ทดลองฟาราเดย์
การทดลองของฟาราเดย์ประกอบด้วยการทำงานกับตัวนำและแม่เหล็กถาวร Michael Faraday ค้นพบครั้งแรกว่าเมื่อตัวนำเคลื่อนที่ภายในสนามแม่เหล็ก จะมีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นที่ปลายของมัน ตัวนำเคลื่อนที่เริ่มข้ามเส้นสนามแม่เหล็กซึ่งจำลองผลของการเปลี่ยนฟิลด์นี้
นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าสัญญาณบวกและลบของผลต่างศักย์ที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับทิศทางที่ตัวนำเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น หากตัวนำถูกยกขึ้นในสนามแม่เหล็ก ผลต่างศักย์ที่ได้จะมีขั้ว +- แต่ถ้าตัวนำนี้ถูกลดระดับลง เราก็จะได้ขั้ว -+ แล้ว การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในเครื่องหมายของศักย์ซึ่งความแตกต่างที่เรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) นำไปสู่การปรากฏในวงจรปิดของกระแสสลับนั่นคือกระแสที่เปลี่ยนทิศทางอย่างต่อเนื่องเป็นตรงกันข้าม
คุณลักษณะของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่ค้นพบโดยฟาราเดย์
เมื่อรู้ว่าใครเป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและเหตุใดจึงมีกระแสเหนี่ยวนำ เราจะอธิบายคุณสมบัติบางอย่างของปรากฏการณ์นี้ ดังนั้น ยิ่งคุณเคลื่อนตัวนำในสนามแม่เหล็กได้เร็วเท่าใด ค่าของกระแสเหนี่ยวนำในวงจรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น คุณลักษณะอีกประการของปรากฏการณ์มีดังนี้: ยิ่งมีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามมากเท่านั้น กล่าวคือ ยิ่งสนามนี้แข็งแกร่งมากเท่าใด ความต่างศักย์ที่จะเกิดขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ตัวนำในสนามก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากตัวนำหยุดนิ่งในสนามแม่เหล็ก จะไม่มี EMF เกิดขึ้น เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงในเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ตัดผ่านตัวนำ
ทิศทางไฟฟ้าและกฎมือซ้าย
เพื่อกำหนดทิศทางในตัวนำของกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า คุณสามารถใช้กฎมือซ้ายที่เรียกว่า สามารถกำหนดได้ดังนี้: หากวางมือซ้ายเพื่อให้เส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กซึ่งเริ่มต้นที่ขั้วเหนือของแม่เหล็กเข้าสู่ฝ่ามือและนิ้วโป้งที่ยื่นออกมานั้นชี้ไปในทิศทางการเคลื่อนที่ของตัวนำใน สนามของแม่เหล็ก จากนั้นสี่นิ้วที่เหลือของมือซ้ายจะระบุทิศทางของการเคลื่อนที่ของกระแสเหนี่ยวนำในตัวนำ
มีกฎนี้อีกรุ่นหนึ่ง มีลักษณะดังนี้: ถ้านิ้วชี้ของมือซ้ายชี้ไปตามเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก และนิ้วโป้งที่ยื่นออกมาจะชี้ไปในทิศทางของตัวนำ นิ้วกลางหันฝ่ามือไปทางฝ่ามือ 90 องศา เป็นการบอกทิศทางของกระแสน้ำที่ปรากฎในตัวนำ
ปรากฏการณ์การชักนำตนเอง
Hans Christian Oersted ค้นพบการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กรอบตัวนำหรือขดลวดที่มีกระแส นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่าลักษณะของสนามนี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับความแรงของกระแสน้ำและทิศทางของมัน หากกระแสในขดลวดหรือตัวนำเป็นตัวแปร ก็จะสร้างสนามแม่เหล็กที่ไม่คงที่ กล่าวคือ จะเปลี่ยน ในทางกลับกัน สนามสลับนี้จะนำไปสู่การปรากฏตัวของกระแสเหนี่ยวนำ (ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) การเคลื่อนที่ของกระแสเหนี่ยวนำจะอยู่ตรงข้ามกับกระแสสลับที่หมุนเวียนผ่านตัวนำเสมอ กล่าวคือ มันจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของกระแสในตัวนำหรือขดลวดแต่ละครั้ง กระบวนการนี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำตนเอง ผลต่างทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นศักยภาพเรียกว่า EMF ของการเหนี่ยวนำตนเอง
สังเกตว่าปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อทิศทางของกระแสเปลี่ยนเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงด้วย เช่น เมื่อเพิ่มขึ้นเนื่องจากความต้านทานในวงจรลดลง
สำหรับคำอธิบายทางกายภาพของความต้านทานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสในวงจรเนื่องจากการเหนี่ยวนำตนเอง แนวคิดของการเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้ซึ่งวัดเป็นเฮนรี่ (เพื่อเป็นเกียรติแก่โจเซฟ เฮนรี นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน) เฮนรี่ตัวหนึ่งเป็นตัวเหนี่ยวนำที่เมื่อกระแสเปลี่ยนไป 1 แอมแปร์ใน 1 วินาที EMF จะเกิดขึ้นในกระบวนการเหนี่ยวนำตัวเอง เท่ากับ 1 โวลต์
กระแสสลับ
เมื่อตัวเหนี่ยวนำเริ่มหมุนในสนามแม่เหล็กอันเป็นผลมาจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้านี้เป็นตัวแปร หมายถึง เปลี่ยนทิศทางอย่างเป็นระบบ
กระแสสลับมีมากกว่ากระแสตรง ดังนั้นอุปกรณ์จำนวนมากที่ทำงานจากเครือข่ายไฟฟ้าส่วนกลางจึงใช้กระแสประเภทนี้ กระแสสลับจะเหนี่ยวนำและขนส่งได้ง่ายกว่ากระแสตรง ตามกฎแล้วความถี่ของกระแสสลับในครัวเรือนคือ 50-60 Hz นั่นคือใน 1 วินาทีทิศทางจะเปลี่ยน 50-60 ครั้ง
การแสดงทางเรขาคณิตของกระแสสลับเป็นเส้นโค้งไซน์ที่อธิบายการพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าตรงเวลา ระยะเวลาเต็มของเส้นโค้งไซน์สำหรับกระแสไฟในครัวเรือนอยู่ที่ประมาณ 20 มิลลิวินาที จากผลทางความร้อน กระแสสลับจะคล้ายกับกระแสDC ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้า Umax/√2 โดยที่ Umax คือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดบนเส้นโค้งไซน์ไซน์
การใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในเทคโนโลยี
การค้นพบปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เกิดความเจริญอย่างแท้จริงในการพัฒนาเทคโนโลยี ก่อนหน้าการค้นพบนี้ มนุษย์สามารถผลิตไฟฟ้าได้ในปริมาณจำกัดโดยใช้แบตเตอรี่ไฟฟ้าเท่านั้น
ปัจจุบันนี้ ปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้ถูกใช้ในหม้อแปลงไฟฟ้า ในเครื่องทำความร้อนที่แปลงกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้เป็นความร้อน และในมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้ารถยนต์
