หลักการของมอเตอร์
ที่เปลี่ยนไฟฟ้าเป็นการทำงาน
ด้วยแม่เหล็กและขดลวด
-1- พลังของไฟฟ้าและพลังของแม่เหล็ก
- สร้างสนามแม่เหล็กด้วยกระแสไฟฟ้า
เมื่อนำเข็มทิศเข้าใกล้ลวดนำไฟฟ้าที่มีไฟฟ้ากระแสตรงไหลอยู่ในทิศทางเหนือใต้ เข็มทิศจะส่าย เข็มทิศที่วางด้านบนของลวดนำไฟฟ้า กับที่วางด้านล่างของลวดนำไฟฟ้า จะส่ายไปในทางตรงข้ามกัน อีกทั้งเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าให้แรงขึ้น เข็มทิศจะส่ายกว้างมากขึ้น
นั่นเป็นเพราะว่าเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบลวดนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไหล โดยจะเกิดสนามแม่เหล็กในทิศทางเดียวกับเกลียวขวาดังผังที่ 8-1 ตามทิศทางการไหลของไฟฟ้า สิ่งนี้เรียกว่า “กฎมือขวา (right-handed screw rule)” ความแรงของสนามแม่เหล็กจะเป็นสัดส่วนตรงกับความแรงของกระแสไฟฟ้า และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางจากลวดนำไฟฟ้า
- สนามแม่เหล็กรอบขดลวด
ดังผังที่ 8-2 แม้จะทำให้ลวดนำไฟฟ้าเป็นรูปวงกลม ก็จะได้สนามแม่เหล็กตามกฎมือขวาที่จุดต่าง ๆ บนลวดนำไฟฟ้าเช่นกัน เมื่อนำมาวางเรียงกันหลายชั้นก็จะเป็นขดลวดที่ใช้กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้แนะนำในมุมทดลองของบทที่แล้ว เมื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าขดลวด สนามแม่เหล็กรอบกระแสไฟฟ้ารูปวงกลมจะต่อกันจนเป็นสนามแม่เหล็กหนึ่งเดียว สนามแม่เหล็กนี้ จะแทบขนานกันที่ด้านในของขดลวด แต่ด้านนอกจะเหมือนกับแท่งแม่เหล็ก
ดังนั้น ตะปูด้านในก็จะทำหน้าที่เป็นแม่เหล็ก อีกทั้งจากทิศทางของสนามแม่เหล็ก ทำให้ทราบว่าแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวจะมีขั้ว N ทางด้านหัวตะปู
- แรงที่กระแสไฟฟ้าได้รับจากสนามแม่เหล็ก
ก่อนอื่น ดังผังที่ 8-3 อุปกรณ์ที่ประกอบขึ้นจากชิงช้าที่ทำจากลวดนำไฟฟ้าและแม่เหล็ก เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าไปที่ลวดนำไฟฟ้านี้ ลวดนำไฟฟ้ารูปชิงช้าจะขยับ เพราะอะไร ?
นั่นเป็นเพราะเป็นปรากฏการณ์ที่สนามแม่เหล็กของแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปในลวดนำไฟฟ้าที่มีตำแหน่งอยู่ด้านในเกิดการทำงานร่วมกัน ถ้าทิศทางของสนามแม่เหล็กจากแม่เหล็ก และทิศทางของสนามแม่เหล็กจากไฟฟ้าสวนทางกันแรงก็จะอ่อน ถ้าเป็นทิศทางเดียวกันก็จะเกิดแรงมากขึ้น (ผังที่ 8-4) และด้วยแรงดันของสนามแม่เหล็กที่แรงขึ้นนั้น ลวดนำไฟฟ้าจึงเคลื่อนที่ไปยังสนามแม่เหล็กที่อ่อนกว่า
เมื่อสนามแม่เหล็กจากไฟฟ้าและจากแม่เหล็กทำมุมกันเป็นมุมฉาก ทิศทางของกระแสไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก และแรง ต่างก็ตัดกันเป็นมุมฉาก เมื่อแสดงด้วยนิ้วของคนก็จะเป็นดังกฎมือซ้ายของเฟลมมิง (ผังที่ 8-5)
เมื่อเข้าใจเรื่องนี้ หากทราบ 2 อย่างจากกระแสไฟฟ้า-สนามแม่เหล็ก-แรง ก็จะสามารถหาอีกตัวหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น หากทราบทิศทางของสนามแม่เหล็ก และแรงเมื่อต่อกระแสไฟฟ้า ก็จะนำไปสู่การรู้ทิศทางของกระแสไฟฟ้าได้
- กลไกของมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
เมื่อพูดถึงการทำงานโดยใช้กระแสไฟฟ้า เรามักจะนึกถึงมอเตอร์
กลไกนั้นแสดงได้ดังผังที่ 8-6 จากการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กจากแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้า ทำให้มอเตอร์หมุนได้อย่างต่อเนื่อง
เรารู้ว่าจะเกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้า ทว่ากลับกัน เมื่อเพิ่มแรงของลวดนำไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก หรือขยับแม่เหล็ก กระแสไฟก็จะไหลเข้าลวดนำไฟฟ้า
ตัวอย่างเช่น ในขดลวดที่ใช้กับแม่เหล็กไฟฟ้าดังได้กล่าวมาแล้ว เมื่อเราเอาแท่งแม่เหล็กเข้าออก กระแสไฟฟ้าก็จะไหลตามการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก
เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้ามอเตอร์ ขั้วแม่เหล็กของขดลวดด้านใน และขั้วแม่เหล็กของแม่เหล็กที่อยู่รอบ ๆ จะเกิดปฏิกิริยาทำให้เกิดการหมุน ในทางตรงข้าม ด้วยการทำให้ส่วนของแกนหมุน ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างที่ดีก็ได้แก่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้กับไฟรถจักรยาน
ซึ่งจะมีประโยชน์ในการตรวจสอบว่าส่วนที่หมุน เช่น พัดลมระบายอากาศ ทำงานอยู่ หรือไม่ (ผังที่ 8-7) การหมุนในส่วนที่มองไม่เห็นจะส่งไปที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสไฟที่เกิดขึ้นจะไปทำให้หลอดไฟติด ทำให้ตรวจสอบได้ง่าย
- เครื่องดูดควันที่ใช้ไฟฟ้าสถิต
เมื่อถึงฤดูหนาวที่อากาศแห้ง พอสัมผัสลูกบิดประตูที่เป็นโลหะจะเกิดการช็อต นั่นเป็นเพราะเกิดไฟฟ้าสถิตที่ร่างกายมนุษย์จากการเสียดสีของพรมที่พื้นกับรองเท้า แล้วไปปล่อยกระแสไฟฟ้านั้นผ่านลูกบิดประตูโลหะ
เมื่อเราเอาวัตถุสองอย่างที่ต่างกันมาเสียดสีกัน อิเล็กตรอนจากวัตถุตัวหนึ่งจะเคลื่อนที่ไปยังวัตถุอีกตัว ดังนั้น ผิวหน้าของวัตถุที่เคยเป็นกลางทางไฟฟ้าในตอนแรก จะกลายสภาพเป็นประจุบวกหรือประจุลบ (ผังที่ 8-8 (1))
วัตถุบางอย่างมีแนวโน้มจะเกิดประจุบวกสูง กับวัตถุบางอย่างมีแนวโน้มจะเกิดประจุลบสูง (ผังเดียวกัน (2))
ในตอนนั้น หากเรานำวัตถุสองอย่างมาเสียดสีกัน วัตถุด้านขวาเกิดประจุลบ ( – ) และด้านซ้ายเกิดประจุบวก ( + ) อีกทั้งหากวัตถุสองอย่างในผังนี้ยิ่งห่างกันเท่าไร ไฟฟ้าสถิตก็ยิ่งแรงขึ้น
เครื่องดูดควันบุหรี่ก็เป็นสิ่งที่ใช้ปฏิกิริยาการเกิดประจุของไฟฟ้าสถิตให้เป็นประโยชน์ อุปกรณ์นี้เป็นการให้กระแสไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรงหลายพันโวลต์ให้กับควันบุหรี่ อนุภาคของควันจะเกิดเป็นประจุลบ ทำให้ดูดควันด้วยแรงของไฟฟ้าสถิตที่แรงกล้าได้
เครื่องดูดควันแบบนี้ ยังสามารถนำไปใช้กับ เตาเผาขยะ หรือในการกำจัดเขม่า ควัน และฝุ่นผง เป็นต้นด้วย
- มุมทดลองของโรงเรียน◎
กำเนิดไฟฟ้าด้วยความร้อน ? ความอัศจรรย์ของคู่ควบความร้อน
ลวดทองแดงที่ใช้กับสายไฟ เมื่อเชื่อมต่อกับลวดโลหะอื่น (constantan wire) แล้วให้ความร้อนที่ปลาย จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ลวดโลหะที่ใช้ต่อนี้เรียกว่าคู่ควบความร้อน (Thermocouple)
- สิ่งที่ต้องเตรียม
ลวดทองแดง (หรือเหล็ก) ลวดคอนสแตนทัน (โลหะผสมนิกเกิล 45% ทองแดง 55%) หัวตะเกียงก๊าซหรือเตาแก๊ส มาตรวัดแรงดันไฟฟ้า
- วิธีการทดลอง
(1) รวบส่วนปลายของลวดทองแดงกับลวดคอนสแตนทัน บิดให้เป็นเส้นเดียวกัน
(2) เชื่อมปลายอีกด้านเข้ากับเครื่องวัด
(3) ใช้หัวตะเกียงก๊าซให้ความร้อนกับปลายที่รวบเป็นเส้นเดียว
เมื่อดูมาตรวัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างให้ความร้อน ก็จะรู้ว่ากำลังเกิดไฟฟ้า การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้วยความร้อนนี้เกิดขึ้นจากชนิดของโลหะและความแตกต่างของอุณหภูมิจากการสัมผัสกันสองจุด จุดสัมผัสหนึ่งรักษาอุณหภูมิมาตรฐานที่รู้อยู่แล้ว ส่วนอีกจุดให้เป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิ และจากการวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้วยมาตรวัดแรงดันไฟฟ้าหรือมาตรวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า (Potentiometer) ที่มีความแม่นยำ โดยการเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานที่ได้ไว้ล่วงหน้า ก็สามารถใช้ประโยชน์เป็นเทอร์โมมิเตอร์ (มาตรวัดอุณหภูมิ) ได้ด้วย
อีกทั้ง ยังใช้คู่ควบความร้อนและมาตรวัดในการตรวจวัดความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของท่อทางที่หน้างานจริงได้ด้วย
เรียบเรียงโดย อาจารย์ณรงค์เกียรติ นักสอน
ที่ปรึกษา TPM-JIPM