คุณสมบัติของแม่เหล็ก
ที่มีอยู่มากมายรอบตัวเรา
-1- หินมหัศจรรย์ซึ่งมีพลังที่มองไม่เห็น
สำหรับคนยุคโบราณ แม่เหล็กเป็นหินมหัศจรรย์จริง ๆ มองไปก็เหมือนก้อนหินธรรมดาที่ไม่มีอะไรพิเศษ แต่กลับดูดเหล็กได้ เข็มเล็ก ๆ ที่ทำจากแม่เหล็กก็ชี้ทิศเหนือทิศใต้ได้อย่างถูกต้องตลอดเวลา
เห็นว่าไอน์สไตน์สมัยยังเล็ก เมื่อเห็นเข็มทิศชี้ทิศเหนือ จึงได้รู้ว่ามีกฎเกณฑ์ที่ซ่อนไว้อยู่ในโลกธรรมชาติ
สิ่งที่เกี่ยวข้องกับ “แม่เหล็ก” มีอยู่มากมายรอบตัวเรา ตั้งแต่มอเตอร์ที่ใช้ในเครื่องซักผ้า พัดลม จนถึงวิดีโอเทป ฟล็อปปี้ดิสก์ และแม้แต่โลกของเรา ความจริงแล้วก็คือแท่งแม่เหล็กขนาดยักษ์นั่นเอง
เข็มทิศที่กล่าวถึงก่อนหน้า ก็เพราะว่าที่ใกล้ขั้วโลกเหนือมีขั้ว S ของแม่เหล็กโลก และที่ใกล้ขั้วโลกใต้มีขั้ว N ของแม่เหล็กโลก ทำให้ขั้วตรงข้ามถูกดูดเข้าหา ขั้ว N ของเข็มทิศจึงชี้ทิศเหนือ และขั้ว S จึงชี้ทิศใต้อยู่เสมอ
- ขนาดของแรงที่กระทำระหว่างขั้วแม่เหล็ก
แม่เหล็กมีคุณสมบัติคือ หากเป็นขั้วเดียวกันจะผลักกัน และจะดูดกันเมื่อขั้วต่างกัน
แรงที่กระทำระหว่างขั้วแม่เหล็กทั้งสอง เป็นสัดส่วนเท่ากับผลคูณของปริมาณพลังแม่เหล็กที่ขั้วแม่เหล็กแต่ละขั้วมี อีกทั้ง เมื่อระยะห่างเป็น 2 เท่า 3 เท่า ยิ่งห่างมากเท่าไร แรงก็จะอ่อนลงเป็น 1/22 และ 1/32 ตามลำดับ เป็นกฎของพลังแม่เหล็กที่เรียกว่า กฎของกูลง (Coulomb’s law)
- เมื่อเข้าใกล้แม่เหล็กจะเกิดพลังแม่เหล็กชั่วคราว
เมื่อนำแท่งเหล็กที่ไม่มีพลังแม่เหล็กเข้าใกล้แม่เหล็ก แท่งเหล็กนั้นจะเกิดพลังแม่เหล็กขึ้นชั่วคราว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำของพลังแม่เหล็ก ในตอนนั้นจะเป็นดังผังที่ 7-1 แท่งเหล็กด้านที่ใกล้กับขั้วแม่เหล็กจะได้ขั้วที่ต่างกับแม่เหล็ก และด้านที่ไกลจะได้ขั้วเดียวกับขั้วของแม่เหล็ก
- แรงของแม่เหล็ก
เพื่อให้มีแรงแม่เหล็กที่เพียงพอ จำเป็นต้องให้แรงแม่เหล็กที่ออกจากแม่เหล็กมีการรวมศูนย์
หากวางแม่เหล็กไว้ในที่ว่าง รอบแม่เหล็กจะเกิดสนามแม่เหล็ก แต่ด้วยการรวมแรงแม่เหล็กด้วยการล้อมรอบแม่เหล็กด้วยเหล็ก จะทำให้นำทางแรงนั้นได้
แม้ว่าแรงแม่เหล็กจะผ่านอากาศได้ แต่เนื่องจากแรงแม่เหล็กจะผ่านเหล็กได้ง่ายกว่าหลายร้อยเท่า หากมีเหล็กอยู่ใกล้ ๆ แรงแม่เหล็กจะผ่านไปทางนั้นแทน
ดังผังที่ 7-2 ก้อนแม่เหล็กสีที่ใช้ติดกระดาน เป็นตัวอย่างของการเก็บแรงแม่เหล็กอย่างหนึ่ง ด้วยการปิดวงจรของแรงแม่เหล็กด้วยฝาครอบ จึงเกิดแรงดูดมาก
-2- ความอัศจรรย์ของแม่เหล็ก
- สิ่งที่แม่เหล็กดูดได้มีแต่เหล็กเท่านั้นหรือ?
เป็นที่ทราบกันดีว่า แม่เหล็กดูดเหล็กได้ดีมาก นิกเกิลและโคบอลต์ซึ่งมีโครงสร้างอะตอมคล้ายคลึงกับเหล็ก ก็จัดเป็นพวกสารแม่เหล็ก (ferromagnetic) ซึ่งแม่เหล็กดูดได้ดี
สารนอกจากสารแม่เหล็กเหล่านี้ ทุกอย่างจะถูกจัดเข้าเป็น สารพาราแมกเนติก (paramagnetic) ที่มีคุณสมบัติถูกดูดได้น้อยมาก อย่างเช่นออกซิเจน และสารไดอะแมกเนติก (diamagnetic) ที่ถูกผลักด้วยแรงอ่อน ๆ เช่นทองแดง สิ่งที่ถูกดูดไม่เพียงเหล็กเท่านั้น แต่มีแม้แต่สสารที่ผลักกัน
- แม่เหล็กเหลวและการซีล
แม่เหล็กเหลว (ferrofluid) เป็นของเหลวที่แม่เหล็กดูดได้ ซึ่งมนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น
นาซ่า ของสหรัฐอเมริกาเป็นผู้นำแม่เหล็กเหลวนี้มาใช้งานเป็นครั้งแรก รอบคอของชุดอวกาศจำเป็นต้องมีการซีลสุญญากาศอย่างสนิทแนบเพื่อไม่ให้อากาศรั่วออกมา ดังนั้น จึงมีการคิดค้นการซีลสุญญากาศดังผังที่ 7-4 โดยใช้แม่เหล็กเหลวและแม่เหล็ก
ด้วยการใช้แม่เหล็กดูดแม่เหล็กเหลว อันเป็นการตัดแรงกระทำที่จะทำให้อากาศจะรั่วออกภายนอกด้วยแรงของแม่เหล็ก อันเป็นการรักษาแรงดันอากาศเอาไว้ข้างใน อีกทั้งเพราะว่าซีลเป็นของเหลว จึงแทบไม่เกิดการเสียดทานตอนคอหมุน จึงหมุนได้อย่างราบรื่นมาก
หลักการนี้มักใช้มากในการซีลอุปกรณ์สุญญากาศที่ไม่มีแรงเสียดทาน
- แม่เหล็กที่สูญเสียแรงแม่เหล็กเพราะอุณหภูมิสูง
แม่เหล็ก มีทั้งแม่เหล็กถาวร (permanent magnet) และแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) ที่มีแรงแม่เหล็กจากการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
แม่เหล็กถาวร มีพลังแม่เหล็กโดยตัวของมันเอง จึงไม่จำเป็นต้องให้พลังงานจากภายนอกอีก กล่าวคือ จะใช้แค่ไหนก็ไม่มีวันหมดไป
ทว่า ไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย พลังงานแม่เหล็กจะลดลงด้วยอุณหภูมิสูงหรือการกลับกันของสนามแม่เหล็ก หรืออาจลดพลังแม่เหล็กโดยธรรมชาติ โดยเฉพาะเมื่อเจออุณหภูมิที่สูงมากกว่าอุณหภูมิคูรี (Curie Temperature: อุณหภูมิเฉพาะที่ทำให้แม่เหล็กสูญเสียแรงแม่เหล็ก) จะทำให้แม่เหล็กกลับเป็นเหล็กธรรมดา อุณหภูมิคูรีของเหล็กคือ 770 องศา โคบอลต์ 1131 องศา นิกเกิล 358 องศาเซลเซียส
ผังที่ 7-5 เป็นส่วนของสวิตช์หม้อหุงข้าวไฟฟ้าที่ใช้แม่เหล็ก เมื่อหุงข้าวเสร็จ แผ่นเหล็กที่ใต้หม้อจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนเกินอุณหภูมิคูรีของเฟอร์ไรต์ (ferrite) เฟอร์ไรต์ซึ่งเคยเป็นแม่เหล็กดูดได้ก็จะสูญเสียความเป็นแม่เหล็ก ทำให้สวิตช์ตัดอัตโนมัติ
เมื่อกดสวิตช์อีก กระแสไฟฟ้าก็จะไหลเข้าขดลวดรอบเฟอร์ไรต์ ทำให้กลายเป็นแม่เหล็กอีกครั้ง
- ใช้แม่เหล็กเปลี่ยนการหมุนเป็นการเคลื่อนที่แบบไปกลับ
เมื่อใช้แรงดูดและผลักของแม่เหล็ก ก็จะสามารถสร้างการเคลื่อนที่แบบต่าง ๆ ได้ อย่างเช่น ในการจะได้การเคลื่อนที่แบบไปกลับจากการหมุนของมอเตอร์ เป็นต้น ก็จำเป็นต้องมีกลไกข้อเหวี่ยงหรือกลไกลูกเบี้ยวเข้ามาช่วย แต่ถ้าใช้แม่เหล็กก็จะทำได้อย่างง่ายดาย
ผังที่ 7-6 เป็นกลไกที่ง่ายที่สุดในการเปลี่ยนการหมุนให้เป็นการเคลื่อนที่แบบไปกลับโดยใช้แม่เหล็ก แม่เหล็กที่ปลายแกนหมุน และแม่เหล็กที่ปลายลูกสูบจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กหลายขั้วที่เป็นขั้ว N และ S สลับกัน เมื่อหมุนแกนหมุนจะสร้างแรงดูดสลับแรงผลักให้กับแม่เหล็กของลูกสูบ ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่แบบไปกลับได้
- มีใช้ในที่แบบนี้ ! ■
ตัวอย่างอ้างอิง: โรงงานชิตะ บริษัท Aichi Steel กลุ่ม Pressure Circle ยามาโมโตะ คิมิ “Magnet Seal”
ก่อนไคเซ็น
อุปกรณ์ลำเลียงฝุ่น ซึ่งเป็นอุปกรณ์เสริมของเครื่องดูดฝุ่น มีฝุ่นรั่วมาจากส่วนของซีลที่แกนหมุน ทำให้มีชั่วโมงแรงงานเพิ่มขึ้นในการเปลี่ยนซีลและทำ 5 ส.
หลังไคเซ็น
- มุมทดลองของโรงเรียน◎
วิธีสร้างแม่เหล็กไฟฟ้า
แม่เหล็กไฟฟ้าก็คือเอาแกนเหล็กม้วนด้วยขดลวด ลองมาดูวิธีการสร้างอย่างง่าย ๆ กัน
- สิ่งที่ต้องเตรียม
ตะปูยาว เทป ลวดทองแดงเคลือบ (ยาวประมาณ 15 เมตร)
- ขั้นตอน
(1) พันเทปให้เหลือปลายสองด้านของตะปูยาว เพื่อให้มีฉนวนอย่างเพียงพอ
(2) ใช้ลวดทองแดงเคลือบพันให้แนบสนิทไม่มีช่องว่างตั้งแต่ส่วนที่พันเทปบริเวณหัวตะปูไปทางส่วนปลายตะปู
(3) เมื่อพันจนถึงเกือบถึงปลายตะปู ให้ใช้เทปพันผิวขดลวดที่พันมาจนถึงตรงนี้เพื่อยึดเอาไว้
(4) คราวนี้พันจากส่วนปลายตะปูไปทางหัวตะปู โดยหมุนไปในทิศทางเดียวกัน แล้วใช้เทปยึดเอาไว้เช่นเดียวกัน ทำแบบเดียวกันราว 500 รอบ
(5) หากเชื่อมปลายสายนำไฟฟ้าทั้งสองด้านกับถ่านไฟฉาย ก็จะได้แม่เหล็กไฟฟ้า
เรียบเรียงโดย อาจารย์ณรงค์เกียรติ นักสอน
ที่ปรึกษา TPM-JIPM