เรียนรู้ สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ ตั้งแต่ต้น ก่อนหน้านี้: กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า , การเคลื่อนที่เป็นวงกลม
1 กระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กกระแสไฟฟ้าทุกกระแสมีสนามแม่เหล็ก B ล้อมรอบ วัดเป็นเทสลา (T) สนามของโลกประมาณ 50 µT ส่วนแม่เหล็กติดตู้เย็นมีไม่กี่ mT
I B into the page out of the page รอบเส้นลวดตรงยาว เส้นสนามเป็นวงกลม ชี้นิ้วหัวแม่มือขวาไปตามทิศของกระแส นิ้วที่เหลือจะโค้งไปตามทิศของ B (กฎมือขวา ) ในรูปวาด ⊗ หมายถึงสนามพุ่งเข้าหน้ากระดาษ และ ⊙ หมายถึงพุ่งออกจากหน้ากระดาษ
ลวดตรง: B = μ₀I/(2πr) จุดศูนย์กลางขดลวดวงกลม: B = μ₀NI/(2R) โซลินอยด์: B = μ₀(N/L)·I
μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A ใช้หน่วยเมตรเสมอ: 5 cm คือ 0.05 m ภายในโซลินอยด์ยาว สนามสม่ำเสมอและไม่ขึ้นกับรัศมี
ตรวจสอบตนเอง ระยะจากเส้นลวดตรงยาวเพิ่มเป็นสองเท่า B จะเปลี่ยนอย่างไรลดครึ่ง ลดลงเหลือหนึ่งในสี่ เท่าเดิม เพิ่มเป็นสองเท่า คำตอบ: ลดครึ่ง. B = μ₀I/(2πr) ลดลงตาม 1/r ดังนั้นระยะทางเป็นสองเท่าให้สนามครึ่งหนึ่ง กฎ 1/r² เป็นของประจุจุด ไม่ใช่ของเส้นลวด
2 แรงแม่เหล็กสนามผลักประจุที่เคลื่อนที่ สำหรับเส้นลวดตรงยาว L ที่มีกระแส I และสำหรับประจุเดี่ยว q ที่เคลื่อนที่ด้วย v:
F = BIL·sin θ F = |q|vB·sin θ
θ คือมุมระหว่างกระแส (หรือความเร็ว) กับสนาม: เส้นลวดที่ขนานกับ B ไม่ได้รับแรง แรงตั้งฉากกับทั้งสองทิศ วางนิ้วมือขวาตามทิศ v แล้วโค้งนิ้วไปทาง B นิ้วหัวแม่มือบอกทิศของ F สำหรับประจุบวก สำหรับอิเล็กตรอนให้กลับทิศ
+ v F F = |q|vB·sin θ r = mv/(|q|B) เนื่องจากแรงตั้งฉากกับความเร็วเสมอ ประจุที่เคลื่อนที่ตัดสนามสม่ำเสมอจึงเคลื่อนที่เป็นวงกลม การตั้ง |q|vB = mv²/r ได้ r = mv/(|q|B) เวลาสำหรับหนึ่งรอบ T = 2πm/(|q|B) ไม่ขึ้นกับอัตราเร็ว
เส้นลวดขนานสองเส้นดึงดูดกันเมื่อกระแสไหลทางเดียวกัน และผลักกันเมื่อไหลสวนทางกัน โดย F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
ตรวจสอบตนเอง โปรตอนและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่ากันตัดสนามเดียวกัน ตัวใดเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่ใหญ่กว่าวงกลมทั้งสองมีขนาดเท่ากัน อิเล็กตรอน โปรตอน ไม่มีตัวใด: ทั้งสองเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง คำตอบ: โปรตอน. r = mv/(|q|B) ทั้งสองมีขนาดประจุเท่ากัน แต่โปรตอนหนักกว่าประมาณ 1836 เท่า วงกลมของมันจึงใหญ่กว่า 1836 เท่า และทั้งสองยังโค้งไปในทิศตรงข้ามกัน
3 ฟลักซ์และกฎของฟาราเดย์ฟลักซ์แม่เหล็ก ผ่านลูปบอกว่ามีสนามผ่านลูปมากเท่าใด: Φ = BA·cos θ โดย θ คือมุมระหว่าง B กับเส้นแนวฉากของลูป หน่วย: เวเบอร์ (Wb = T·m²)
เมื่อฟลักซ์ผ่านขดลวดเปลี่ยนไป จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (emf) (กฎของฟาราเดย์ ) กระแสเหนี่ยวนำไหลในทิศที่สนามของมันเองต้านการเปลี่ยนแปลง (กฎของเลนซ์ ):
ε = −N·ΔΦ/Δt
ฟลักซ์เปลี่ยนได้เพราะ B เปลี่ยน พื้นที่เปลี่ยน หรือขดลวดหมุน การพลิกขดลวดกลับด้านในสนามทำให้ฟลักซ์กลับทิศ ดังนั้น ΔΦ = 2BA
แท่งโลหะยาว L ที่เคลื่อนที่ด้วย v ตัดสนามกวาดพื้นที่ออกไป ดังนั้น ε = BLv เมื่อมีตัวต้านทาน R กระแสคือ I = ε/R และสนามผลักกระแสนั้นกลับด้วย F = BIL: คุณต้องดึงต่อเนื่องเพื่อให้แท่งเคลื่อนที่ต่อไป
ตรวจสอบตนเอง สนามที่พุ่งเข้าหน้ากระดาษผ่านลูปกำลังเพิ่มขึ้น กระแสเหนี่ยวนำไหลไปทางใดเมื่อมองจากด้านหน้าขึ้นอยู่กับขนาดของลูป ตามเข็มนาฬิกา ทวนเข็มนาฬิกา ไม่มีกระแส คำตอบ: ทวนเข็มนาฬิกา. กระแสเหนี่ยวนำต้านการเพิ่มขึ้นของฟลักซ์ที่พุ่งเข้าหน้ากระดาษ ดังนั้นสนามของมันเองภายในลูปจึงชี้ออกจากหน้ากระดาษ ตามกฎมือขวาต้องใช้กระแสทวนเข็มนาฬิกา
4 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความเหนี่ยวนำขดลวด N รอบพื้นที่ A หมุนด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω ในสนาม B ให้ emf รูปไซน์ที่มีค่าสูงสุด E₀ = NBAω ค่า rms คือ E₀/√2 และ ω = 2π·n/60 เมื่อ n มีหน่วย rpm
กระแสที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดเปลี่ยนฟลักซ์ของตัวมันเอง ซึ่งเหนี่ยวนำ emf ที่ต้านการเปลี่ยนแปลง: นี่คือความเหนี่ยวนำในตัวเอง L มีหน่วยเฮนรี (H)
ε = L·ΔI/Δt โซลินอยด์ยาว: L = μ₀N²A/l พลังงาน: W = ½LI²
ขดลวดสองขดที่ใช้ฟลักซ์ร่วมกันมีความเหนี่ยวนำร่วม M: กระแสที่เปลี่ยนแปลงในขดหนึ่งเหนี่ยวนำ ε₂ = M·di₁/dt ในอีกขดหนึ่ง โดย M = k√(L₁L₂) และ 0 ≤ k ≤ 1 หม้อแปลงใช้หลักการนี้
5 ตัวอย่างที่แก้ให้ดูทำตามทุกขั้นตอน ลองทำนายขั้นถัดไปก่อนเปิดดู
ตัวอย่างที่แก้ให้ดู แท่งโลหะยาว 40 cm เลื่อนด้วย 5 m/s บนรางในสนาม 0.5 T รางเชื่อมกันด้วยตัวต้านทาน 2 Ω จงหากระแสและแรงที่ต้องใช้เพื่อให้แท่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่
1 ε = BLv = 0.5 · 0.40 · 5 = 1.0 V
3 กระแสในแท่งอยู่ในสนาม ดังนั้นแท่งได้รับแรง F = BIL ทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ (เลนซ์)
F = 0.5 · 0.5 · 0.40 = 0.10 N
4 กำลังดึง F·v = 0.10 · 5 = 0.5 W เท่ากับความร้อนในตัวต้านทาน I²R = 0.25 · 2 = 0.5 W พลังงานอนุรักษ์
คำตอบ I = 0.5 A และ F = 0.10 N
6 ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยปล่อยระยะทางเป็น cm หรือพื้นที่เป็น cm² 1 cm² = 10⁻⁴ m² ปะปนสูตรกัน: μ₀I/(2πr) สำหรับเส้นลวด μ₀NI/(2R) สำหรับจุดศูนย์กลางของลูป μ₀nI สำหรับโซลินอยด์ ใช้มุมกับระนาบใน Φ = BA·cos θ แทนมุมกับเส้นแนวฉาก ใช้สนามสุดท้ายแทนการเปลี่ยนแปลงของสนามในกฎของฟาราเดย์ ลืมกลับทิศของแรงสำหรับประจุลบ ปะปนค่าสูงสุดกับค่า rms สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 7 ข้อสอบมีหน้าตาอย่างไรง่าย: B ของเส้นลวด ลูป หรือโซลินอยด์ แรงที่กระทำต่อเส้นลวดหรือประจุที่เคลื่อนที่ และฟลักซ์ผ่านลูปปานกลาง: รัศมีและคาบของประจุในสนาม กฎของฟาราเดย์สำหรับขดลวด แท่งบนราง เส้นลวดขนาน และทิศของแรงหรือกระแสเหนี่ยวนำยาก: เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ความเหนี่ยวนำในตัวเองและพลังงานที่สะสม ความเหนี่ยวนำร่วม แมสสเปกโตรมิเตอร์ และตัวเลือกความเร็วสำหรับทิศทาง ให้ร่างสัญลักษณ์สนามและใช้มือขวาทุกครั้ง สำหรับขนาด ให้เขียนสูตรก่อนและแปลงทุกปริมาณเป็นหน่วย SI
เรียนรู้ทีละขั้นในแอป เรียนรู้ทีละขั้นในแอป