วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-สนามของแรง | บทเรียน วิชาการ.คอม
วิทย์ทั่วไป
 

สนามของแรง

สร้างเมื่อ 08 เม.ย. 2554 22:01:38
  • ระดับม.4
  • 10,374 view

สนามของแรง  
                                
           ในชีวิตประจำวัน  นักเรียนคงเคยเห็นผลไม้สุก  ดอกไม้และใบไม้แก่  ร่วงหล่นจากต้นสุ่พื้น  การที่ผลไม้  ดอกไม้หรือวัสดุต่างๆตกสู่พื้น  แสดงว่ามีแรงกระทำต่อผลไม้  ดอกไม้และใบไม้  ในทำนองเดียวกัน  นักเรียนรู้แล้วว่า  ถ้านำแม่เหล็กเข้ามกล้เหล็ก  เหล็กจะถูกดูดด้วยแรงชนิดหนึ่ง  เข้าหาแม่เหล็ก  แรงธรรมชาติเหล่านี้มีลักษณะอย่างไร

            นักวิทยาศาสตร์กำหนดว่า  บริเวณใดที่มีแรงกระทำต่อวัตถุ  บริเวณนั้นมีสนาม  (field)  ตาเราไม่สามารถมองเห็นสนามได้  แต่ก็สามารถรู้ว่าบริเวณใดมีสนาม  จากการดูผลของแรงที่กระทำ
             สนามและแรงเกี่ยวข้องกันอย่างไร  และมีความสำคัญต่อมนุษย์อย่างไรบ้าง 

2.1  สนามแม่เหล็ก 
            เมื่อนำวัสดุที่ทำด้วยเหล็ก  เช่นลวดหนีบกระดาษหรือเข็มหมุด  ไปวางใกล้แม่เหล็ก  แม่เหล็กจะดูดวัสดุเหล่านั้น  หรือเมื่อนำเข็มทิศมาวาง  ก็จะมีแรงมากระทำให้เข็มทิศเบนไปนอกจากวัสดุที่ทำด้วยเหล็ก  แม่เหล็กยังดูดนิกเกิล  และโคบอลต์ด้วย  บริเวณที่มีแรงแม่เหล็กกระทำเรียกว่า สนามแม่เหล็ก  (magnetic  field)  ลักษณะของสนามแม่เหล็กเป็นอย่างไร  นักเรียนจะได้ศึกษาจากกิจกรรมต่อไปนี้
                       
                                                  ภาพ 2.1  แม่เหล็กดูดเหล็ก

กิจกรรม 2.1  เส้นสนามแม่เหล็ก
1.  โรยผงเหล็กบนกระดาษขาว  ใช้นิ้วเคาะแผ่นกระดาษเบาๆ  สังเกตการเรียงตัวของผลเหล็ก  จากนั้นโรยผลเหล็กบนกระดาษขาวอีกแผ่นหนึ่งซึ่งวางอยู่บนแท่งแม่เหล็ก  เคาะกระดาษเบาๆ  สังเกตและเขียนแผนภาพบันทึกการเรียงตัวของผงเหล็กเปรียบเทียบกัน
2.  สังเกตและเขียนแผนภาพบันทึกลักษณะเส้นสนามแม่เหล็ก  ของแท่งแม่เหล็กสองแท่งที่วางในลักษณะต่างๆดังนี้
            -  หันขั้วชนิดเดียวกันเข้าหากัน
            -  หันขั้วต่างชนิดเข้าหากัน
            -  วางขนานและหันขั้วชนิดเดียวกันไปทางเดียวกัน
            -  วางขนานและหันขั้วต่างชนิดไปทางเดียวกัน
3.  ถ้าต้องการหาเส้นสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กโดยใช้เข็มทิศ  จะทำอย่างไร  และได้ผลเหมือนกรณีใช้ผงแม่เหล็กหรือไม่
4.  เปรียบเทียบการเรียงตัวของผลเหล็กในแต่ละกรณี

            แนวการเรียงตัวของผงเหล็กรอบแท่งแม่เหล็ก  เรียกว่า  เส้นสนามแม่เหล็ก ( magnetic  field  line)   ซึ่งใช้เป็นประจักษ์พยานพบว่ามีสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น  แม้จะมองด้วยตาไม่เห็นบริเวณใดมีความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็กน้อย  สนามแม่เหล็กในบริเวณนั้นมีความเข้มน้อย  ส่วนบริเวณใดมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นมาก  บริเวณนั้นสนามแม่เหล็กทีวคามเข้มสูง  ซึ่งได้แก่  บริเวณขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก

            เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ  ในบริเวณรอบๆแท่งแม่เหล็ก  จะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศว่าอยู่แนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน  ดังภาพ  2.2  เมื่อกำหนดให้ทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกันกับทิศท่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป  จะได้ว่าเส้นสนามแม่เหล็กมีทิศจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก

            กิจกรรม 2.1  ทำให้รู้ว่าสนามแม่เหล็กในบริเวณต่างๆ  รอบแท่งแม่เหล็กมีค่าไม่เท่ากัน
                                  
                              ภาพ 2.2  การวางตัวของเข็มทิศในแนวเส้นสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กที่มีค่าคงตัวมีหรือไม่ 
กิจกรรม 2.2  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ
1.  วางเข็มทิศขนาดเล็กให้เรียงกันเป็นสามแถวชิดกันแถวละ  3  อัน  สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ
2.  วางแม่เหล็กสองอันขนานกัน  และให้ขั้วต่างชนิดใกล้กัน  โดยให้เข็มทิศทุกอันอยู่ระหว่างแม่เหล็กทั้งสอง  สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ
                         
                                                   ภาพการจัดอุปกรณ์
                         
            -  เขียนแผนภาพแสดงเส้นสนามแม่เหล็กตามแนวเข็มทิศชี้
            -  การวางตัวของเข็มทิศครั้งหลัง  เหมือนหรือแตกต่างจากครั้งแรกอย่างไร
            -  อธิบายผลการทดลองนี้ได้ว่าอย่างไร

            สนามแม่เหล็กที่สังเกตได้จากกิจกรรม  2.2  นี้เป็นสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ  มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน  ซึ่งประมาณว่ามีทิสทางเดียวกัน  และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่งสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ  มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน  ซึ่งประมาณว่ามีทิศทางเดียวกัน  และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่ง  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอนำไปใช้ประโยชน์หลายอย่าง  เช่น  การสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า  และเครื่องวัดทางไฟฟ้าต่างๆ  เป็นต้น
                                       
                                       ภาพ 2.3  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

            สนามแม่เหล็กมีผลต่ออะไร  จะได้ศึกษาต่อไป

2.1.1  ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า
            สนามแม่เหล็กสามารถดูดและผลักวัสดุขนาดใหญ่ได้  ถ้าเป็นกรณีอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม  เช่น อิล็กตรอน  จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่
    
กิจกรรมสาธิต  2.1   ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอน  
            ต่อขั้วทั้งสองของหลอดรังสีแคโทดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟโวลต์สูง  (ประมาณ  12,000 - 15,000  โวลต์)  เปิดสวิตซ์ของแหล่งจ่ายไฟตรงโวลต์สูง  สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น  นำขั้วเหนือของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอด  จากนั้นสลับขั้วให้ขั้วใต้ของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอดบ้าง  สังเกตการเปลี่ยนแปลง
                              
                                                      ภาพหลอดรังสีแคโทด

            -  การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตเห็นคืออะไรและเกิดขึ้นจากอะไร

ข้อควรระวัง  ต้องไม่ให้ส่วนใดของร่างกายและโลหะเข้าใกล้ขั้วหลอดรังสีแคโทด  เพราะจะเป็นอันตราย  เนื่องจากไฟฟ้าโวลต์สูง

            เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะถูกแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก  หรือแรงแม่เหล็ก  (magnetic  force)  กระทำ  ทำให้แนวการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป  ดังภาพ  2.4
                 
                     ภาพ 2.4  แรงแม่เหล็กและแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก

ความรู้เรื่องการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กมีประโยชน์อะไรบ้าง
                                       
                                                  ภาพ 2.5  จอคอมพิวเตอร์
                                       
                                                      ภาพ 2.6 จอโทรทัศน์

            โทรทัศน์เป็นอุปกรณืไฟฟ้าที่ใช้แพร่หลาย  ทั่วทุกบ้านและทั่วโลก  มีส่วนประกอบสำคัญคือหลอดภาพ  ซึ่งทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กหลอดภาพมีส่วนประกอบ  3  ส่วนดังนี้  ส่วนแรกคือ  ขั้วแคโทด  ส่วนที่สองคือ จอเรืองแสง   ซึ่งฉาบสารเรื่องแสงไว้  เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบจอจะทำให้เกิดจุดสว่าง  และส่วนสุดท้ายคือ  ขดลวดเบี่ยงเบน  ทำหน้าที่ผลิตสนามแม่เหล็กเพื่อเบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอน  และควบคุมให้ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่กวาดไปมาบนจอภาพในแนวระดับด้วยความเร็วสูงมาก  ทำให้เกิดภาพขึ้น  อย่างไรก็ตามการที่ลำอิเล็กตรอนกระทบกับจอภาพจะมีรังสีเกิดขึ้นด้วย  จึงไม่ควรดุโทรทัศน์ใกล้จอมากเกินไป
                   
                                             ภาพ 2.7  หลอดภาพของโทรทัศน์ขาวดำ

2.1.2  ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำตัวที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน
            นักเรียนคงเคยทราบแล้วว่า  กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน  และในหัวข้อที่ได้ศึกษามาแล้ว  จะเห็นว่าเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปในสนามแม่เหล็กจะมีการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้นหรือไม่  และจะนำความรู้ที่ได้ไปใช้ประโยชน์อย่างไร

กิจกรรม  2.3  ผลของสนามแม่เหล็กที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน 
                                   
                                                           ภาพการจัดอุปกรณ์
1.  นำแถบอะลูมิเนียมฟอยล์ที่ต่ออยู่กับแบตเตอรี่และสวิตซ์  ไปวางระหว่างแม่เหล็กสองอันที่หันขั้วต่างชนิดเข้าหากัน  โดยจัดให้ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก  กดสวิตซ์ให้กระแสไฟฟ้าผ่านแถบอะลูมิเนียมฟอยล์  สังเกตการเปลี่ยนแปลง  แล้วตัดวงจรทันที
2.  ทำการทดลองซ้ำ  โดยกลับทิศของกระแสไฟฟ้าหรือทิศของสนามแม่เหล็ก  สังเกตผลที่เกิดขึ้น  เปรียบเทียบกับการทดลองในตอนแรก
3.  ทำการทดลองซ้ำ  โดยให้กระแสไฟฟ้ามีทิศเดียวกับสนามแม่เหล็ก  สังเกตและบันทึกผล
            -  อธิบายและสรุปผลของสนามแม่เหล็กในการทดลองนี้

            เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำซึ่งวางตัดกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำ  มีผลให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่  ทิศทางของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก  หลักการนี้นำไปใช้ประโยชน์ในการสร้างมอนิเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องวัดไฟฟ้าต่างๆ
            เมื่อต่อขดลวดกัลแบตเตอรี่  ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด  ดังภาพที่ 2.8  จะเกิดแรงกระทำบนขดลวดด้าน  ab  และ  cd  ในทิศตรงข้าม  แรงที่เกิดขึ้นนี้ทำให้ขดลวดหมุนได้
                  
ภาพ 2.8   แรงที่กระทำต่อขดลวดในสนามแม่เหล็ก  ทำให้ขดลวดหมุน  ซึ่งเป็นหลักการของมอเตอร์ไฟฟ้า
                          
                                                    ภาพ 2.9  มอเตอร์ไฟฟ้า

กิจกรรมเพิ่มเติม 
            ออกแบบสร้างมอเตอร์อย่างง่าย  เพื่อนำไปใช้งานตามที่ร่วมกันกำหนดไว้    
                      
            ความสามารถในการหมุนของขดลวดขณะอยู่ในสนามแม่เหล็กดังกล่าวนี้  นำไปใช้สร้างมอเตอร์ไฟฟ้า  ซึ่งเป็นอุปกรณที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า  เป็นพลังงานกลในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายอย่างได้  เช่น  พัดลม  เครื่องดูดฝุ่น  เครื่องผสมอาหาร  และสว่านไฟฟ้า  เป็นต้น
                         
                                              ภาพ 2.10  อุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า

            จากที่ศึกษามาจะเห็นว่า  การนำขดลวดที่ต่อกับแบตเตอรี่ไปวางในสนามแม่เหล็ก  จะทำให้เกิดแรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน  ขดลวดจึงหมุนได้  ในทางกลับกัน  ถ้ายกแบตเตอรี่ออกจากวงจร  แล้วหมุนขดลวดในสนามแม่เหล็ก  ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในขดลวดได้เช่นกันกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้  เรียกว่า  กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ  (induced  current)  ซึ่งพบโดยไมเคิล  ฟาราเดย์  (Michael  Faraday)  ในปี  ค.ศ.  1831  หลักการดังกล่าวนี้  ได้นำไปสู่การสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
            -พลังงานที่นำไปใช้ในการหมุนขดลวดตัดสนามแม่เหล็ก  เพื่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  มาจากแหล่งพลังงานใดบ้าง
                                    
                                     ภาพ 2.11  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า

2.1.3  สนามแม่เหล็กโลก
            นักเรียนได้ศึกษาสนามแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กและบริเวณที่สนามแม่เหล็กแผ่ขยายไปถึงมาแล้ว  ทราบหรือไม่ว่า  โลกก็มีสนามแม่เหล็กโดยรอบเช่นกัน 
                             
                                                             โรงไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กโลกมีลักษณะอย่างไร

กิจกรรม 2.4  สนามแม่เหล็กโลก

            แขวนแท่งแม่เหล็กที่บริเวณต่างๆ  ในห้องเรียน  โดยเลือก  2 - 3  ตำแหน่งที่ห่างกันพอสมควร  ให้อท่งแม่เหล็กวางตัวอยู่ในแนวระดับและสามารถหมุนได้คล่อง  เมื่อทำให้แท่งแม่เหล็ก  หยุดนิ่ง  สังเกตการวางตัวของแท่งแม่เหล็ก
            -  ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็กชี้ไปทางทิศใด
                        
                                                 ภาพการจัดอุปกรณ์

            จากกิจกรรม  2.4  แสดงว่าโลกมีสมบัติเสมือนมีแม่เหล็กขนาดใกญ่ฝังอยู่ใต้โลก  โดยวางตัวในแนวเหนือใต้และแผ่สนามแม่เหล็กปกคลุมทั้งโลก  เรียกว่า  สนามแม่เหล็กโลก (Earth’s  magnetic  field)  ดังภาพ  2.12  ซึ่งมีประจักษ์พยานคือการที่แท่งแม่เหล็กพยายามวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ

            มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์ของสนามแม่เหล็กโลกหลังจากที่ได้พบว่า  เมื่อวางแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กบนวัตถุปลายแหลม  เพื่อให้หมุนในแนวราบอย่างอิสระ  แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ  จึงนำความรู้นี้มาใช้ในการสร้างเข็มทิศ  เพื่อบอกทิศทาง  เข็มทิศเป็นเครื่องมือสำคัญของนักเดินทาง  และนักสำรวจในหลายศตวรรษที่ผ่านมา
                                 
                                             2.12  แสดงลักษณะสนามแม่เหล็กโลก
                             
                                                    2.13  เข็มทิศแบบต่างๆ

สนามแม่เหล็กโลกมีวคามสำคัญต่อโลกอย่างไรอีกบ้าง
                      
                                                   ภาพ 2.14  สนามแม่เหล็กโลก

            สนามแม่เหล็กโลกมีประโยชน์สำคัญอีกประการหนึ่งคือเป็นโล่ป้องกันอันตรายจาก  ลมสุริยะ  (solar  wind)  ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ  ส่วนใหญ่เป็นโปรตรอนและอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมาจากดวงอาทิตย์  โดยสนามแม่เหล็กโลกจะป้องกันไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นทำลายชั้นบรรยากาศ  ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลก

            นอกจากสนามแม่เหล็กซึ่งมีประโยชน์มหาศาลแล้วยังมีสนามของแรงอะไรอีกบ้าง




จำไว้ตลอด