ใบความรู้ที่ 1 มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ใบความร้ทู ี่ 1.1 หน่วยท่ี 1 ชื่อวชิ า มอเตอร์ไฟฟา้ กระแสสลับ สอนคร้งั ที่ 1 คาบรวม12คาบ ช่ื อหน่ วยหลั กการทางานของมอเตอร์ เหนี่ยวนา จานวนคาบ 6 คาบช่ือเร่ือง สนามแม่เหล็กไฟฟา้1. หลักการทางานของมอเตอร์เหนย่ี วนา 1.1แม่เหล็กและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟา้ กระแสสลบั คือเครื่องกลไฟฟ้าทเี่ ปลี่ยนจากพลงั งานไฟฟ้าให้เป็นพลงั งานกล โดยใชห้ ลกั การเหน่ียวนาของแมเ่หล็กไฟฟา้ ดงั น้นั เราจึงควรรู้จกั พืน้ ฐานของการเกดิ การเหนี่ยวนาไฟฟ้าและกฎตา่ งๆ ดงั น้ี รูปที่ 1.1 แสดงขว้ั แมเ่หล็ก แมเ่หล็กคือ สารท่ดี ดู เหล็กหรือเหน่ียวนาให้เหล็กหรือสารแมเ่หลก็ ให้เป็นแมเ่หลก็ ไดแ้ มเ่หล็กมี 2 ขว้ั คอื ข้วั เหนือ (N) และข้วั ใต้ (S) ดงั รูปที่ 1.1 โดยแมเ่หลก็ ยงั แบง่ เป็น 2ชนิด คือ 1.แมเ่หล็กถาวร (Permanent Magnetic) คอื แมเ่หลก็ ที่มคี ณุ สมบตั ิเป็นแมเ่หล็กตลอดไป เชน่ แมเ่หล็กที่ใชใ้ นลาโพง เป็นตน้ ซ่งึ ไดม้ าจากการนาเอาลวดทองแดงอาบน้ายาพนั รอบแทง่ เหล็กกลา้ แลว้ ปลอ่ ยกระแสไฟฟา้ ผา่ นเขา้ ไปในขดลวดทาใหเ้ กดิสนามแมเ่หลก็ ไปดดู เหล็กผลกั โมเลกุลภายในแทง่ เหล็กกลา้ ใหม้ ีการเรียงตวั ของโมเลกลุ อยา่ งเป็นระเบยี บตลอดไปเหลก็ กลา้ ดงั กลา่ วกจ็ ะคงสภาพเป็นแมเ่หล็กถาวรตอ่ ไป

2.แมเ่หล็กไฟฟา้ หรือ แมเ่หลก็ ชว่ั คราว (Electro Magnetic) เป็นแมเ่หล็กท่ีเกดิ ข้นึ ในลกั ษณะเดยี วกนั กบั แมเ่หล็กถาวรแตเ่หล็กที่นามาใชเ้ ป็นเพยี งเหล็กออ่ นธรรมดา เมอ่ื มกี ารป้อนกระแสไฟฟ้าผา่ นเขา้ ไปในขดลวดท่ีพนั อยรู่ อบแทง่ เหล็กออ่ นน้ันแทง่เหล็กออ่ นกจ็ ะมสี ภาพเป็นแมเ่หล็กไปทนั ที แตเ่มอื่ หยดุ จา่ ยกระแสไฟฟา้ เขา้ ไปอานาจแมเ่หล็กก็จะหมดไปดว้ ย เชน่ อปุ กรณจ์ าพวกรีเลย์ (Relay) โซลินอยด์ (Solenoid) กระดงิ่ ไฟฟ้า เป็นตน้ 1.1.1คุณสมบัตขิ องแม่เหล็ก 1. ถา้ แขวนแทง่ แมเ่หล็กใหเ้ คล่อื นทอ่ี ยา่ งอิสระ เมอ่ื หยดุ น่ิง แลว้ จะช้ีตามแนวทิศเหนือทิศใต้ ขว้ั ทีช่ ้ไี ปทางทิศเหนือเรียกวา่ ข้วั เหนือข้วั ที่ช้ีไปทางทิศใตเ้ รียกวา่ ข้วั ใต้ 2. ข้วั แมเ่หลก็ ท้งั ข้วั เหนือและข้วั ใตจ้ ะดดู สารแมเ่หลก็ เสมอ 3. ข้วั เหมอื นกนั เขา้ ใกลก้ นั จะเกดิ แรงผลกั กนั และข้วั ตา่ งกนั เมอ่ื เขา้ ใกลก้ นั จะเกดิ แรงดูดกนั 4. อานาจแรงดงึ ดดู จะมมี ากท่สี ุดที่บริเวณข้วั ท้งั สองของแมเ่หล็กดงั รูปที่ 1.2 5. เสน้ แรงแมเ่หล็กมที ิศทางออกจากขว้ั เหนือไปยงั ข้ัวใต้ รูปท่ี 1.2 คณุ สมบตั แิ มเ่หลก็ 1.1.2 เส้นแรงแม่เหล็ก นากระดาษแข็งวางบนแทง่ แมเ่หลก็ โรยเศษผงเหลก็ ละเอียดบนกระดาษแลว้ คอ่ ยๆ เคาะดว้ ยน้ิวเบาๆ ผงเหล็กจะเรียงตวั ตามเส้นแรงแมเ่หล็กจากข้วั เหนือไปข้ัวใตอ้ ยา่ งสวยงาม ดงั รูปที่ 1.3โดยในทท่ี ีม่ เี สน้ แรงแมเ่หล็กเราเรียกวา่ สนามแมเ่หล็ก

รูปที่ 1.3 แสดงการเกดิ สนามแมเ่หลก็ 1.1.3 ฟลักซ์แม่เหล็ก ฟลกั ซแ์ มเ่หล็กหมายถึงจานวนเส้นแรงแมเ่หล็กที่ผา่ นต้งั ฉากบนพน้ื ท่หี น่ึงตารางหนว่ ย เป็นปริมาณสเกลาร์พบวา่ บริเวณใกลข้ ้วั แมเ่หล็กจะมฟี ลกั ซ์แมเ่หล็กหรือความเข้มของสนามแมเ่หล็กหนาแนน่ และจะมคี า่ น้อยลงเมอื่ อยูห่ า่ งจากข้ัวแมเ่หล็ก อตั ราสว่ นระหวา่ งฟลกั ซ์แมเ่หลก็ ตอ่ พืน้ ที่ตง้ั ฉากกบั สนามหน่ึงตารางหนว่ ย เรียกวา่ ขนาดของสนามแมเ่หล็ก หรือความหนาแนน่ ฟลกั ซ์แมเ่หลก็ถา้ ให้ B = ขนาดของสนามแมเ่หลก็ มหี นว่ ยเวเบอร์ตอ่ ตารางเมตร(Wb/m2)  = ฟลกั ซแ์ มเ่หล็กที่ผา่ นพ้นื ที่ มหี นว่ ยเวเบอร์(Wb) A = พืน้ ท่ีตง้ั ฉากกบั ฟลกั ซ์แมเ่หล็ก มหี นว่ ยตารางเมตร (m2)จะได้ B  Φ เวเบอร์ตอ่ ตารางเมตร Aหรือ = B Asinกรณที ่ี B ไมต่ ง้ั ฉาก โดยทามมุ ใด ๆ กบั พ้นื ท่ี A = มมุ ที่ B ทากบั พื้นท่ี A มหี นว่ ยเป็นองศา

ตวั อยา่ งท่ี 1.1 บริเวณพน้ื ท่ี 10 ตารางเซนติเมตร มคี วามหนาแนน่ ของสนามแมเ่หล็ก 0.5 เวเบอร์ตอ่ ตารางเมตร ฟลกั ซแ์ มเ่หลก็ บริเวณดงั กลา่ วมคี า่ เทา่ ใดจากสูตร B  Φ A =0.5×10×10-4 ฟลกั ซ์แมเ่หลก็ = 5×10-4เวเบอร์ตอ่ ตารางเมตรตอบหรือ = .5 มลิ ลิเวเบอร์ ตอบตวั อยา่ งที่ 1.2 ขดลวดวงกลมรัศมี 3 เซนติเมตร วางอยใู่ นสนามแมเ่หล็กท่ีมคี วามหนาแนน่ 3เวเบอร์ตอ่ ตารางเมตร จงหา ก. ฟลกั ซแ์ มเ่หลก็ ที่ผา่ นขดลวดวงกลม โดยมที ิศของสนามแมเ่หลก็ ต้งั ฉาก กบั ระนาบของขดลวดวงกลม ข. ฟลกั ซแ์ มเ่หล็กท่ผี า่ นขดลวด ถา้ สนามแมเ่หล็กทามมุ 70ํ กบั ระนาบของ ขดลวดวงกลมก. จากสูตร B  Φ A=BA = 3×3.14×3×3×10-4ฟลกั ซแ์ มเ่หล็ก =0.00847 เวเบอร์ หรือ = 8.47×10-3เวเบอร์ ตอบ ข. จากสูตร  = B Asin มลิ ลิเวเบอร์ ตอบ = 8.47×10-3×sin70 = 8.47×10-3×0.940ฟลกั ซแ์ มเ่หล็กทีส่ นามแมเ่หลก็ ทามมุ 70 = 7.96

1.1.4 การเหน่ียวนาแม่เหล็กไฟฟา้ เมอ่ื มกี ระแสไฟฟา้ ไหลในลวดตวั นา จะทาให้เกดิ สนามแมเ่หลก็ ข้นึ และในทางตรงขา้ มถา้ มสี นามแมเ่หลก็ เกดิ ข้ึนกน็ า่ จะมีกระแสไฟฟ้าเกดิ ข้นึ ได้ ความคดิ น้ี ฟาราเดย์(Michael Faraday) ไดท้ าการทดลองและสรุปผลไวด้ งั น้ีคือ ถา้ มกี ารเปล่ียนแปลงสนามแมเ่หล็ก ณ บริเวณใด การเปล่ยี นแปลงสนามแมเ่หลก็ น้ีจะเหนี่ยวนาทาให้เกดิกระแสไฟฟา้ ข้ึนที่ตวั นาซ่งึ นาไปวางอยู่ ณ บริเวณน้นั การเปลย่ี นแปลงเสน้ แรงแมเ่หลก็ อาจเกดิจากสาเหตตุ อ่ ไปน้ี เชน่ เลอ่ื นแทง่ แมเ่หล็กเขา้ หรือออกจากตัวนา เลือ่ นตวั นาเขา้ หรือออกตดั กบัเส้นแรงแมเ่หล็ก ปิดหรือเปิดสวติ ช์ทนั ทีทนั ใด เพิม่ หรือลดกระแสไฟฟ้า เพิม่ หรือลดความตา้ นทานในวงจร เป็นตน้ เมอ่ื นาขดลวดหมนุ ตดั กบั เส้นแรงแมเ่หล็กหรือทาใหเ้ สน้ แรงแมเ่หล็กเคลือ่ นท่ีตดั กบั ขดลวดตวั นา พบวา่ จะมกี ระแสไฟฟา้ เกดิ ข้นึ ทีต่ ัวนา เรียกปรากฏการณ์ดงั กลา่ ววา่ การเหนี่ยวนาแมเ่หลก็ ไฟฟา้ และเรียกกระแสทีเ่ กดิ ข้นึ วา่ กระแสไฟฟา้ เหนี่ยวนา การเกดิกระแสไฟฟา้ เหนี่ยวนาน้ีเป็นผลเน่ืองจากการเปลีย่ นแปลงเสน้ แรงแมเ่หลก็ ทีต่ ดั กบั ขดลวดตวั นาทาให้เกดิ แรงดนั ไฟฟ้าเหนี่ยวนาและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนาข้นึ เมอ่ื หยุดเคลอ่ื นทส่ี ่ิงใดส่ิงหน่ึงกระแสไฟฟา้ เหนี่ยวนาจะไมเ่กดิ ข้นึ เน่ืองจากไมม่ กี ารเปล่ียนแปลงเสน้ แรงแมเ่หล็กที่ตดั กบัตวั นา ดงั รูปที่ 1.4 รูปท่ี 1.4 ลวดตวั นาตดั ผา่ นสนามแมเ่หลก็ ความเขม้ ของสนามแมเ่หล็กไฟฟ้า จะข้ึนอยูก่ บั สว่ นประกอบตา่ งๆ ดงั น้ี 1. จานวนรอบของการพนั เส้นลวดตวั นาการพนั จานวนรอบของเส้นลวดตัวนามากเกดิสนามแมเ่หล็กมากในทางกลบั กนั ถา้ พนั จานวนรอบนอ้ ยการเกดิ สนามแมเ่หล็กกน็ อ้ ยตามไปดว้ ย 2. ปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าผา่ นเส้นลวดตวั นา กระไฟฟา้ ไหลผา่ นมากสนามแมเ่หล็กเกดิ ข้นึ มาก และถา้ กระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นน้อยสนามแมเ่หล็กเกดิ ข้ึนนอ้ ย

3. ชนิดของวสั ดทุ ี่ใชท้ าแกนของแทง่ แมเ่หล็กไฟฟา้ วสั ดุตา่ งชนิดกนั จะให้ความเข้มของสนามแมเ่หลก็ ตา่ งกนั เชน่ แกนอากาศจะให้ความเขม้ ของสนามแมเ่หล็กน้อยกวา่ แกนที่ทาจากสารเฟอร์โรแมกเนตกิ (Ferromagnetic) หรือสารทส่ี ามารถเกดิ อานาจแมเ่หลก็ ได้ เชน่ เหล็กเฟอร์ไรต์เป็นตน้ สารเหลา่ น้ีจะชว่ ยเสริมอานาจแมเ่หล็กในขดลวดทาให้มคี วามเขม้ ของสนามแมเ่หลก็ มากข้ึน 4. ขนาดของแกนแทง่ แมเ่หลก็ ไฟฟา้ แกนทีม่ ขี นาดใหญจ่ ะให้สนามแมเ่หล็กมากสว่ นแกนทม่ี ขี นาดเล็กจะให้สนามแมเ่หล็กนอ้ ย 1.1.5 แรงทก่ี ระทากับตัวนาทก่ี ระแสไฟฟ้าไหลผ่านและวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก เมอื่ มกี ระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นลวดตัวนาจะเกดิ สนามแมเ่หลก็ ข้ึนรอบ ๆตวั นาเนื่องจากกระแสไฟฟ้าในลวดตวั นาเกดิ จากการเคลอื่ นที่ของอิเล็กตรอนอิสระ ดงั น้นั เมอื่ลวดตวั นาวางต้งั ฉากกบั สนามแมเ่หล็ก จะเกดิ แรงกระทาตอ่ อิเล็กตรอนอิสระเหลา่ น้ี เนื่องจากอเิ ล็กตรอนอิสระอยภู่ ายในเส้นลวดตวั นา ดงั น้นั แรงที่เกดิ ข้นึ จงึ ทาใหล้ วดตวั นาเคลื่อนทีใ่ นทิศของแรงน้ันดงั รูป 1.5 รูปท่ี 1.5 แสดงทิศทางแรงที่เกดิ ข้นึ ขนาดของแรงท่ีเกดิ ข้นึ หาไดจ้ ากสมการ F = B×I×lนิวตนัเมอ่ื F = แรงที่เกดิ ข้นึ ในตวั นาไฟฟา้ มหี นว่ ยเป็นนิวตนั (N)B =ความหนาแนน่ ของเสน้ แรงแมเ่หล็กมหี นว่ ยเป็นเวเบอร์/ตารางเมตร(Wb/m2)I = กระแสไฟฟา้ ที่ไหลผา่ นลวดตวั นา มหี นว่ ยเป็นแอมแปร์ (A)l= ความยาวของลวดตัวนาไฟฟา้ ท่ีวางในสนามแมเ่หล็ก มหี นว่ ยเป็นเมตร (m)

การทก่ี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นลวดตวั นา หากนากฎมอื ขวาสาหรบั ตวันามาใช้ จะทาใหท้ ราบถงึ ทศิ ทางของเส้นแรงแมเ่หล็กรอบตวั นาซ่งึ ทศิ ทางเสน้ แรงแมเ่หลก็ ท่ีเกดิ ข้นึ หาไดจ้ ากกฎการขนั สกรูถา้ พิจารณาเปรียบเทียบการขนั สกรูเขา้ เนื้อไม้ ดงั รูปที่ 1.6ทศิ ทางของเสน้ แรงแมเ่หล็กทเ่ี กดิ ข้นึ รอบตวั นา ถา้ กระแสไฟฟา้ ไหลเขา้ จะมที ิศทางตามเข็มนาฬิกาและถา้ กระแสไฟฟ้าพงุ่ ออกจากลวดตวั นาเส้นแรงแมเ่หล็กท่ีเกดิ ข้นึ รอบตวั นาจะมีทศิ ทางทวนเข็มนาฬิกา รูปท่ี 1.6 แสดงทศิ ทางเส้นแรงแม่เหล็กรอบตัวนาตวั อยา่ งท่ี 1.3ตวั นาไฟฟา้ ยาว 20 เซนติเมตร วางอยใู่ นสนามแมเ่หล็กทม่ี คี วามหนาแนน่ ของเสน้แรงแมเ่หลก็ 2.5 mWb/m2มกี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นตวั นาไฟฟา้ 5 แอมป์ จงหาขนาดของแรงท่ีเกดิ ข้ึนทต่ี วั นาไฟฟา้ น้นัจากสูตร F = B×I×lF = 2.5×10-3×5×20×10-2ขนาดของแรง = .0025นิวตนั ตอบตวั อยา่ งที่ 1.4แรงท่ีเกดิ ข้ึนกบั ลวดตวั นาท่ีวางในสนามแมเ่หล็ก .05 นิวตนั มกี ระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นลวดตวั นา1.5 แอมป์ ถา้ ความหนาแนน่ ของเสน้ แรงแมเ่หลก็ 0.3 เวเบอร์ตอ่ ตารางเมตร ลวดตวั นามคี วามยาวเทา่ ไรจากสูตร F = B×I×ll= F = .05 BI 0.31.5ลวดตวั นายาว = 0.11 เมตร ตอบ

1.1.6 ผลของตัวนาทมี่ ีกระแสไฟฟา้ ไหลผ่านอย่ใู นสนามแม่เหล็ก เกดิ ข้ึนกรณที ่ีตวั นามกี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นวางอยใู่ นสนามแมเ่หล็กจะมีแรงกระทากบั เส้นลวดเกดิ จากแรงดึงดูดของแมเ่หล็กข้ัวตา่ งชนิดกนั และแรงผลกั ของแมเ่หลก็ชนิดเดยี วกนั และมขี นาดเทา่ กนั แตอ่ ยใู่ นทิศทางตรงขา้ มกนั เป็นผลทาใหเ้ กดิ แรงบิดขบั ตวั นาให้หมนุ รอบแกนมผี ลให้เกดิ การเคลอื่ นที่ผลเชน่ น้ีนามาสรา้ งมอเตอร์ไฟฟา้ ซ่งึ เปลย่ี นพลงั งานไฟฟา้ เป็นพลงั งานกลดงั รูปท่ี 1.7 แสดงการหมนุ ตวั นา รปู ท่ี 1.7 แสดงการหมนุ ของตวั นา จากหลกั การท่วี า่ ข้วั แมเ่หล็กท่ีมีข้วั เหมอื นกนั จะผลักกนั สว่ นขว้ั แมเ่หล็กทีม่ ขี ้วั ตา่ งกนั จะดดู กนั ดงั น้นั หากนาแทง่ แมเ่หล็กมาทาให้หมนุ รอบตวั เองได้ แลว้ นาแทง่แมเ่หลก็ มาวางรอบแทง่ แมเ่หลก็ ที่กาลงั หมนุ น้ัน จะทาให้เกดิ การดูดและการผลกั กนั ตลอดเวลาซ่งึ หากทาการตดิ ตง้ั ไวอ้ ยา่ งเหมาะสมแลว้ แทง่ แมเ่หลก็ ท่อี ยูต่ รงกลางจะหมนุ รอบตวั เองได้มอเตอร์ไฟฟา้ (Electric motor)เป็นอปุ กรณ์ท่ใี ชห้ ลกั การผลของสนามแมเ่หล็กหมนุ ที่มตี อ่ ตวั นาในการเปลย่ี นพลงั งานไฟฟ้าเป็นพลงั งานกลนั่นเอง

กฎต่าง ๆ เกีย่ วกบั มอเตอร์ กฎการเหนี่ยวนาของฟาราเดย์กลา่ ววา่ ขนาดของแรงดนั ไฟฟา้ เหนี่ยวนาในตัวนาเป็นสดั สว่ นกบั อตั ราการเปลย่ี นแปลงสนามแมเ่หล็ก กฎของเลนซ์กลา่ ววา่ แรงดนั ไฟฟ้าเหนี่ยวนาจะเกดิ ข้นึ เพ่ือขดั ขวางสาเหตุที่ทาให้เกดิ การเปลี่ยนแปลงเชน่ ในมอเตอร์ไฟฟ้าจะมแี รงดนั ไฟฟ้าไฟฟ้าเกดิ ข้ึนเสมอื นเป็นเคร่ืองกาเนิดไฟฟ้าสรา้ งแรงดนั ไฟฟ้าเพื่อขดั ขวางแรงดนั ไฟฟ้า (e.m.f) ที่ตอ่ ไวส้ าหรบั ขบั เคล่ือนมอเตอร์น้ัน กฎมอื ขวาของเฟลมมงิ่ หรือกฎไดนาโมกลา่ ววา่ ทศิ ของกระแสไฟฟ้าเหน่ียวนาหาไดจ้ ากทิศของสนามแมเ่หล็กและทิศการเคลือ่ นที่โดยใชม้ อื ขวาโดยกางนิ้วหัวแมม่ อื น้ิวช้แี ละนิ้วกลาง ให้ต้งั ฉากกนั ดงั รูปที่ 1.8 น้ิวหัวแมม่ อื แทนทศิ ทางการเคลอื่ นทีข่ องตัวนา นิ้วช้ีแทนทิศทางของสนามแมเ่หลก็ หรือเสน้ แรงแมเ่หลก็ และนิ้วกลางแทนทศิ ทางการไหลของกระแสไฟฟ้า รูปท่ี 1.8 กฎมอื ขวาของเฟลมมง่ิ กฎสกรูของแมกซ์เวลลก์ ลา่ ววา่ ทิศของสนามแมเ่หลก็ รอบๆเส้นลวดที่มกี ระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นจะอยใู่ นทิศสกรูหมนุ เมอื่ ขนั สกรูเขา้ ไปตามทศิ ของกระแสไฟฟา้ ดงั รูปที่ 1.9 รูปท่ี 1.9 กฎสกรูของแมกซ์เวลล์

กฎมอื ขวาการอบตวั นา(Righthand grip rule) กลา่ ววา่ ทิศทางของสนามแมเ่หล็กรอบเสน้ ลวดตวั นา ในแนวมอื ขวาทกี่ ารอบลวดตวั นานิ้วท้งั สี่แทนเสน้ แรงแมเ่หลก็ ทเี่ กดิ ข้นึน้ิวหัวแมม่ อื ช้ไี ปตามทิศของกระแสไฟฟ้าในเส้นลวด ดงั รูปที่ 1.10 รูปท่ี 1.10 กฎมอื ขวาของเฟลมมงิ่ กฎมอื ซา้ ยของเฟลมมงิ่ หรือกฎของมอเตอร์ ทศิ ของแรงทก่ี ระทากบั เส้นลวดท่ีมีกระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นวางในสนามแมเ่หลก็ สามารถหาไดจ้ ากกฎมือซา้ ยโดยกางน้ิวหัวแมม่ อืนิ้วช้ีและน้ิวกลางให้ต้งั ฉากกนั ดงั รูปที่ 1.11 กาหนดใหน้ ้ิวหัวแมม่ อื แทนแรงและการเคลอื่ นที่น้ิวช้แี ทนทศิ ทางของสนามแมเ่หลก็ หรือเส้นแรงแมเ่หลก็ จากข้วั เหนือไปยงั ข้วั ใตแ้ ละนิ้วกลางแทนทิศทางการไหลของกระแสไฟฟา้ รูปที่ 1.11 กฎมอื ซา้ ยของเฟลมมงิ่ หรือกฎของมอเตอร์