กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ( Induction current)

กระแสไฟฟ้าเหนย่ี วนา นาย เบญจรงค์ ปานโต สาขาวชิ าไฟฟ้ากาลัง วิทยาลัยเทคนคิ สโุ ขทัย เรียบเรียงโดย

กระแสไฟฟา้ เหน่ียวนาและแรงเคลือ่ นไฟฟา้ เหนี่ยวนา บทที่ 17 ไฟฟ้าและแม่เหลก็ 2 จากการศึกษาบททผี่ า่ นมาทราบว่า กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนาทาใหเ้ กิดสนามแม่เหลก็และมีฟลกั ซแ์ ม่เหล็กรอบตัวนานน้ั ในทางกลับกัน ฟลักซแ์ ม่เหลก็ จะทาให้มีกระแสไฟฟ้าในลวดตวั นาไดห้ รอื ไม่ และปรมิ าณท้งั สองมคี วามสัมพันธ์กันอย่างไร ในบทนจ้ี ะกล่าวถึง แรงเคล่ือนไฟฟา้ เหน่ยี วนา ท่เี ป็นหลกั การสาคัญในการอธิบายการทางานของเคร่ืองกาเนดิ ไฟฟา้ ทั้งกระแสตรงและกระแสสลบั หลกั การทางานของมอเตอร์ไฟฟา้ หม้อแปลง วงจรไฟฟ้าภายในบ้าน ตลอดจนความปลอดภัยของการใช้ไฟฟา้ เพื่อให้นักเรียนตระหนกั ถึงการใช้ไฟฟา้ ที่ถกู ต้องท้ังประหยัดและปลอดภัยกระแสไฟฟ้าเหนีย่ วนาและแรงเคลอ่ื นไฟฟ้าเหนี่ยวนา เมอื่ ต้องการทราบว่า ฟลักซ์แม่เหล็กทาให้มกี ระแสไฟฟ้าในลวดตัวนาไดห้ รือไม่ ศึกษาได้จากกจิ กรรม 17.1 ดงั รูป 17.1 จะพบวา่ เข็มของแอมมิเตอรเ์ บนไปจากตาแหน่งเดิม แสดงวา่ มีกระแสไฟฟา้ เกิดขึ้นในขดลวดทองแดง ในทางกลับกัน ถา้ ให้ขดลวดทองแดงอยู่กบั ท่ี แต่เคลอื่ นท่ีแท่งแมเ่ หล็กไป-มาให้ฟลกั ซ์แม่เหล็กทตี่ ดั ขดลวดทองแดงเปลีย่ นแปลง กจ็ ะทาให้เกิดกระแสไฟฟา้ ผา่ นแอมมเิ ตอร์ได้เช่นกนั น่ันคือ มกี ระแสไฟฟ้าในขดลวดทองแดง รูป 17.1 การเคล่อื นทขี่ ดลวดทองแดงตัดฟลักซแ์ ม่เหล็ก กระแสไฟฟา้ ในขดลวดตัวนาเกดิ จากฟลกั ซ์แม่เหล็กทีผ่ ่านขดลวดตัวนามีการเปลยี่ นแปลงเรียกการทาให้เกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนีย่ วนาแมเ่ หล็กไฟฟา้ (electromagneticinduction) และเรยี กกระแสไฟฟ้าทเ่ี กดิ จากวธิ ินว้ี า่ กระแสไฟฟา้ เหนย่ี วนา (induced current)

เมอื่ เคลื่อนเสน้ ลวดตัวนาในสนามแม่เหลก็ ดังรูป 17.2เสน้ ลวดนา PQเคลอ่ื นท่ีดว้ ยความเรว็ ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหลก็ดังนัน้ จะมีแรงแม่เหล็กกระทาต่ออเิ ล็กตรอนอิสระในเสน้ ลวดตวั นาในทิศตั้งฉากกบั ระนาบของ และ ซง่ึ จะอยู่ในแนวเสน้ ลวด PQ มผี ลทาใหเ้ กิดความต่างศักย์ระหวา่ งปลาย PQ หรือกล่าวอีกนยั หนงึ่ วา่ ปลายทั้งสองของเส้นลวดตวั นามีความต่างศักย์ดงั นั้นถ้าต่อเสน้ ลวดตวั นาน้ีให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟา้ ในวงจร แสดงว่าปลายทั้งสองของเสน้ ลวดตัวนาทาหน้าทเี่ สมอื นเป็นแหลง่ กาเนดิ ไฟฟา้ แรงเคลอ่ื นไฟฟ้าทเี่ กดิ ขึ้นนี้เรียกวา่ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนยี่ วนา (induced electromotive force) รูป 17.2 การเกิดแรงเคล่ือนไฟฟ้าเหนยี่ วนาในเส้นลวดตวั นา จากท่กี ล่าวมาแล้ว เปน็ การใชเ้ ส้นลวดตวั นาตรงเคลือ่ นท่ตี ัดฟลักซแ์ มเ่ หล็ก ถา้ ให้ขดลวดตวั นารปู สี่เหล่ยี มมุมฉาก หมุมตัดฟลักซ์แมเ่ หล็กในแนวตงั้ ฉากกบั ทิศสนามแม่เหลก็ จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนยี่ วนาในขดลวดรูปสี่เหล่ยี ม

รูป 17.3 ขดลวดตวั นาหมนุ ตัดฟลกั ซแ์ ม่เหลก็ ใหข้ ดลวด PQRS หมุนรอบแกน XY ในทิศทวนเข็มนาฬิกา เม่อื พจิ ารณาลวดตัวนา สว่ นPQ และ RS จะเหน็ ว่า ลวด PQ และ RS เคลื่อนที่ตัดฟลักซแ์ ม่เหล็ก ในทศิ ลงและขน้ึ ดงั นั้น จะเกดิกระแสไฟฟ้าเหนีย่ วนา I ดังรูป 17.3 โดยกระแสไฟฟ้าเหน่ียวนาจะมีทิศจาก P ไป Q และจาก R ไป S พร้อมกัน - ลวด PS และ QR จะมีกระแสไฟฟา้ เหนีย่ วนาเกิดขึ้นหรือไม่ จากกจิ กรรม 17.1 เมอ่ื นาขดลวดตัวนาต่อกับแอมมเิ ตอร์ทสี่ ามารถวัดกระแสไฟฟ้าคา่ น้อยๆได้ และนาขดลวดน้เี คล่ือนทีเ่ ขา้ ใกล้หรือออกห่างแทง่ แม่เหล็ก จะพบวา่ ขณะท่ีขดลวดตัวนาเคลอ่ื นนน้ัจะมกี ระแสไฟฟา้ เหนยี่ วนาเกิดข้นึ ซ่ึงสงั เกตไดจ้ ากการเบนของเขม็ ชี้ของแอมมิเตอร์ แต่ขณะทขี่ ดลวดตวั นาอยูน่ ง่ิ จะไมม่ ีกระแสไฟฟ้าเหนย่ี วนา เน่อื งจากกระแสไฟฟ้าเหนย่ี วนาเป็นผลที่ไดจ้ ากแรงเคล่ือนไฟฟ้าเหน่ียวนา ดงั นัน้ จึงกลา่ วได้ว่า เมอื่ ฟลกั ซ์แม่เหลก็ ผา่ นท่ขี ดลวดตวั นามีคา่เปลย่ี นแปลง จะมีแรงเคลื่อนไฟฟา้ เหนีย่ วนาเกิดขึน้ ในขดลวดตวั นา ซ่งึ เปน็ ผลให้มกี ระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนานัน้

รปู 17.4 ฟาราเดย์ Michael Faraday (พ.ศ. 2334 - 2410) เป็นนักวิทยาศาสตรช์ าวองั กฤษท่ีพบปรากฏการณ์วทิ ยาศาสตร์ทสี่ าคญั ซ่ึงเกยี่ วขอ้ งกับวชิ าไฟฟ้า - แมเ่ หลก็ แสง และเคมี พจิ ารณา ระนาบของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็ก ในตอนแรกไม่มีฟลักซ์แม่เหลก็ ท่ผี ่านขดลวด ดงั รูป 17.5 รปู 17.5 ฟลักซแ์ ม่เหลก็ ทผ่ี ่านขดลวด PQRS เม่อื ระนาบขดลวดทามมุ ตา่ งๆ กับสนามแมเ่ หล็ก เม่อื ขดลวดหมนุ จากตาแหน่งเริ่มตน้ ระนาบของขดลวดจะทามมุ ต่างๆ กับสนามแม่เหล็กฟลกั ซ์แมเ่ หล็กท่ผี ่านขดลวดจะมคี า่ เพิ่มข้นึ เร่ือยๆ และมีค่าสูงสดุ เมื่อระนาบของขดลวดต้ังฉากกับสนามแม่เหล็ก สรปุ ก็คือในช่วงการหมุนของขดลวดที่ระนาบขดลวดหมุนกวาดมุมไป 90 องศา จากตาแหน่งเรมิ่ ตน้ นี้ ฟลักซแ์ มเ่ หล็กทีผ่ า่ นขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง ดงั น้ันจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหน่ียวนา และกระแสไฟฟ้าเหนยี่ วนาในขดลวด ต่อไปจะศึกษาว่า ถ้าขดลวดอยู่กับท่ีและฟลักซ์แมเ่ หล็กทผี่ ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง จะมีกระแสไฟฟ้าเหน่ยี วนาเกดิ ขน้ึ หรือไม่ และกระแสไฟฟ้ามีความสมั พันธ์กับทศิ การเปลยี่ นแปลงของฟลกั ซ์แมเ่ หล็กอยา่ งไร

การหาทิศของกระแสไฟฟา้ เหนีย่ วนาในขดลวดตัวนา หาได้จาก กฎของเลนซ์ (Lenz’slaw) ซงึ่ มีใจความวา่ แรงเคล่ือนไฟฟา้ เหน่ียวนาในขดลวดจะทาให้เกดิ กระแสไฟฟา้ เหน่ยี วนาในทศิทจี่ ะทาใหเ้ กดิ ฟลกั ซ์แมเ่ หลก็ ใหม่ข้นึ มาต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แมเ่ หล็กเดิมท่ีตัดผา่ นขดลวดนนั้ รูป 17.6 ทศิ ของกระแสไฟฟ้าเม่อื ใชก้ ฎของเลนซ์ - จากรปู 17.6 เมื่อให้ขดลวดตวั นา P หยดุ น่งิ และให้กระแส I มีค่าเพ่ิมขนึ้ จะเกิดกระแสไฟฟา้ในขดลวดตวั นา P หรอื ไม่ และกระแสไฟฟ้ามีทิศใด ขดลวดตัวนา P อยรู่ ะหวา่ งขว้ั ของแมเ่ หล็กไฟฟ้าดังรปู 17.7 ก ถา้ สนามแม่เหล็กในบริเวณขดลวดมคี า่ สม่าเสมอเท่ากบั เม่อื เพ่ิมกระแสไฟฟ้า ทาใหส้ นามแมเ่ หล็กทสี่ ม่าเสมอ มีค่าเพ่ิมขน้ึ เปน็ ดังรปู 17.7 ข

รปู 17.7 การเกิดกระแสไฟฟ้าเหน่ียวนาในขดลวดสนามแม่เหล็กทเี่ พิ่มขนึ้ มีค่าเทา่ กับ ดังรูป 17.8 ก แสดงว่าฟลักซ์แมเ่ หล็กทผี่ า่ นขดลวด P กเ็ ปลีย่ นแปลงดว้ ย ทาใหเ้ กิดกระแสไฟฟ้าเหนยี่ วนาในขดลวด P ในทิศทที่ าใหเ้ กดิ สนามแม่เหล็ก ซง่ึ มีทศิ ตรงข้ามกบั ดงั รปู 17.8 ข ตามกฎของเลนซ์ ทิศของกระแสไฟฟา้ เหนยี่ วนาดังรูป 17.9 กในทานองเดยี วกนั ถ้าสนามแม่เหล็กมคี ่าลดลงก็จะเกดิ กระแสไฟฟา้ เหนี่ยวนาเชน่ กัน ดังรปู 17.9 ข รูป 17.8 ทิศของ กับ

รูป 17.9 การเกดิ กระแสไฟฟ้าเหนีย่ วนา - ในรปู 17.7 ถา้ ขดลวด P มสี ่วนขาดท่ที าให้ไมค่ รบรอบ แตม่ ีฟลักซ์แมเ่ หล็กผา่ นขดลวดเหมอื นดังทก่ี ล่าวมา จะมกี ระแสไฟฟ้าเหนย่ี วนาเกดิ ขน้ึ หรือไม่ เพราะเหตุใดแหล่งขอ้ มูลอ้างองิhttp://www.vcharkarn.com/lesson/1358วันท่2ี 7กราฎาคม2560