ເຂົ້າໃຈສະໜາມແມ່ເຫຼັກໃນສາຍໄຟທີ່ມີກະແສໄຟຟ້າ
Pendahuluan
ສະໜາມແມ່ເຫຼັກເປັນປະກົດການທາງທຳມະຊາດທີ່ດຶງດູດມະນຸດມາເປັນເວລາຫຼາຍສັດຕະວັດແລ້ວ. ວິທີໜຶ່ງໃນການສ້າງສະໜາມແມ່ເຫຼັກແມ່ນການສົ່ງກະແສໄຟຟ້າຜ່ານສາຍນຳໄຟຟ້າ. ປະກົດການນີ້ໄດ້ຖືກສັງເກດເຫັນເປັນຄັ້ງທຳອິດໂດຍ Hans Christian Ørsted ໃນປີ 1820, ຜູ້ທີ່ໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າກະແສໄຟຟ້າສາມາດຜະລິດສະໜາມແມ່ເຫຼັກໄດ້. ບົດຄວາມນີ້ຈະເຈາະເລິກເຂົ້າໄປໃນສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ຜະລິດໂດຍສາຍນຳໄຟຟ້າ, ກົດໝາຍຂອງມັນ, ແລະ ການນຳໃຊ້ຂອງມັນໃນຊີວິດປະຈຳວັນ.
ເຂົ້າໃຈສະໜາມແມ່ເຫຼັກ ແລະ ແນວຄວາມຄິດພື້ນຖານ
ສະໜາມແມ່ເຫຼັກແມ່ນພື້ນທີ່ອ້ອມຮອບແມ່ເຫຼັກ ຫຼື ກະແສໄຟຟ້າທີ່ໄຫຼ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ແຮງແມ່ເຫຼັກຖືກກະທົບໃສ່ວັດສະດຸອື່ນໆພາຍໃນສະໜາມນັ້ນ. ສະໜາມນີ້ຖືກສະແດງໂດຍເສັ້ນສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ແຜ່ອອກມາຈາກຂົ້ວເໜືອຂອງແມ່ເຫຼັກ ແລະ ເຂົ້າໄປໃນຂົ້ວໃຕ້ຂອງແມ່ເຫຼັກ. ເສັ້ນສະໜາມເຫຼົ່ານີ້ຢູ່ໃກ້ກັນເທົ່າໃດ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກກໍ່ຈະແຂງແຮງຂຶ້ນເທົ່ານັ້ນ.
ເມື່ອກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານຕົວນຳ ເຊັ່ນ: ສາຍໄຟ, ມັນຈະສ້າງສະໜາມແມ່ເຫຼັກວົງມົນອ້ອມຮອບສາຍໄຟ. ທິດທາງຂອງສະໜາມສາມາດກຳນົດໄດ້ໂດຍໃຊ້ກົດມືຂວາ, ບ່ອນທີ່ນິ້ວໂປ້ຂອງມືຂວາຊີ້ໄປໃນທິດທາງຂອງກະແສໄຟຟ້າ, ແລະນິ້ວມືອື່ນໆ, ເຊິ່ງງໍຂຶ້ນ, ຊີ້ບອກທິດທາງຂອງສະໜາມແມ່ເຫຼັກ.
ກົດໝາຍ Biot-Savart
ໜຶ່ງໃນກົດໝາຍພື້ນຖານທີ່ອະທິບາຍເຖິງສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ຜະລິດໂດຍກະແສໄຟຟ້າແມ່ນກົດໝາຍ Biot-Savart. ກົດໝາຍນີ້ຖືກຕັ້ງຊື່ຕາມນັກຟີຊິກສາດຊາວຝຣັ່ງສອງຄົນຄື Jean-Baptiste Biot ແລະ Félix Savart, ຜູ້ທີ່ໄດ້ກຳນົດມັນຂຶ້ນເປັນຄັ້ງທຳອິດໃນຕົ້ນສະຕະວັດທີ 19.
ສົມຜົນ Biot-Savart ລະບຸວ່າສະໜາມແມ່ເຫຼັກ (dB) ຢູ່ຈຸດທີ່ກຳນົດໄວ້ໃນອະວະກາດທີ່ຜະລິດໂດຍອົງປະກອບກະແສໄຟຟ້າຂະໜາດນ້ອຍ (Idl) ແມ່ນ:
\[ dB = \frac{{\mu_0}}{{4\pi}} \frac{{Idl \times \hat{r}}}{{r^2}} \]
ຢູ່ໃສ:
- \( dB \) ເປັນສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ບໍ່ມີຂອບເຂດ.
– \( \mu_0 \) ແມ່ນຄ່າຄົງທີ່ຂອງຄວາມຊຶມຜ່ານສູນຍາກາດ, ຄ່າຂອງມັນແມ່ນປະມານ \( 4\pi \times 10^{-7} \) Tm/A.
-\(I\) ແມ່ນກະແສໄຟຟ້າ.
-\( dl\) ເປັນອົງປະກອບຍາວຂອງສາຍນຳໄຟຟ້າ.
- \( \hat{r} \) ແມ່ນເວັກເຕີຫົວໜ່ວຍຂອງອົງປະກອບປະຈຸບັນໄປສູ່ຈຸດສັງເກດການ.
-\( r\) ແມ່ນໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງອົງປະກອບປະຈຸບັນ ແລະ ຈຸດສັງເກດການ.
ຈາກສົມຜົນນີ້, ພວກເຮົາສາມາດເຫັນໄດ້ວ່າສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ຜະລິດໂດຍກະແສໄຟຟ້າແມ່ນສັດສ່ວນໂດຍກົງກັບຂະໜາດຂອງກະແສໄຟຟ້າ ແລະ ສັດສ່ວນກົງກັນຂ້າມກັບກຳລັງສອງຂອງໄລຍະຫ່າງຈາກສາຍ.
ກົດເກນຂອງແອມແປຣ໌
ນອກເໜືອໄປຈາກກົດໝາຍ Biot-Savart, ກົດໝາຍຂອງແອມແປຣ໌ຍັງມີຄວາມສຳຄັນໃນການເຂົ້າໃຈສະໜາມແມ່ເຫຼັກອ້ອມຮອບສາຍທີ່ມີກະແສໄຟຟ້ານຳ. ກົດໝາຍນີ້ຖືກສ້າງຂຶ້ນຄັ້ງທຳອິດໂດຍ André-Marie Ampère ໃນປີ 1826. ກົດໝາຍຂອງແອມແປຣ໌ລະບຸວ່າອິນທິກຣອນຂອງສະໜາມແມ່ເຫຼັກ (B) ຕາມເສັ້ນທາງປິດ (ວົງ) ແມ່ນສັດສ່ວນກັບກະແສໄຟຟ້າທັງໝົດທີ່ໄຫຼຜ່ານວົງ. ໃນທາງຄະນິດສາດ, ມັນສະແດງອອກເປັນ:
\[ \ຈຸດ B \cdot dl = \mu_0 I_{\text{ທັງໝົດ}} \]
ຢູ່ໃສ:
- \( B \) ແມ່ນສະໜາມແມ່ເຫຼັກ.
- \( dl \) ແມ່ນອົງປະກອບຄວາມຍາວຂອງເສັ້ນທາງປິດ.
– \( I_{\text{total}} \) ແມ່ນກະແສໄຟຟ້າທັງໝົດທີ່ໄຫຼຜ່ານເສັ້ນທາງປິດ.
ກົດໝາຍຂອງແອມແປຣ໌ມີປະໂຫຍດຫຼາຍໃນການຄິດໄລ່ສະໜາມແມ່ເຫຼັກສຳລັບຮູບຮ່າງທີ່ສົມມາດເຊັ່ນ: ສາຍຊື່, ໂຊເລນອຍ ແລະ ໂທຣອຍ.
ສະໜາມແມ່ເຫຼັກອ້ອມຮອບສາຍທີ່ມີກະແສໄຟຟ້າຊື່
ໃນສາຍຊື່ຍາວທີ່ມີກະແສໄຟຟ້າ \(I\), ສະໜາມແມ່ເຫຼັກອ້ອມຮອບມັນສາມາດຄິດໄລ່ໄດ້ໂດຍໃຊ້ກົດເກນຂອງແອມແປ. ສົມມຸດວ່າພວກເຮົາເລືອກເສັ້ນທາງວົງມົນທີ່ມີລັດສະໝີ \(r\) ຢູ່ໃຈກາງຂອງສາຍ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກ \(B\) ຢູ່ທີ່ໄລຍະຫ່າງ \(r\) ຈາກສາຍຈະຄົງທີ່ຕາມເສັ້ນທາງນັ້ນ. ໂດຍການທົດແທນກົດເກນຂອງແອມແປ, ພວກເຮົາໄດ້ຮັບ:
\[ B \cdot 2\pi r = \mu_0I\]
ດັ່ງນັ້ນ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກອ້ອມຮອບສາຍຊື່ແມ່ນ:
\[ B = \frac{{\mu_0 I}}{{2\pi r}} \]
ນີ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າສະໜາມແມ່ເຫຼັກມີສັດສ່ວນກັບກະແສໄຟຟ້າທີ່ໄຫຼຜ່ານສາຍ ແລະ ສັດສ່ວນກົງກັນຂ້າມກັບໄລຍະຫ່າງຈາກສາຍ.
ສະໜາມແມ່ເຫຼັກອ້ອມຮອບ Solenoid
ໂຊເລນອຍແມ່ນຂົດລວດຍາວ, ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວເປັນຮູບຊົງກະບອກ, ເຊິ່ງຜະລິດສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ແຮງເມື່ອກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານມັນ. ສະໜາມແມ່ເຫຼັກພາຍໃນໂຊເລນອຍແມ່ນເກືອບເປັນເອກະພາບ ແລະ ສາມາດຄິດໄລ່ໄດ້ໂດຍໃຊ້ກົດໝາຍຂອງແອມແປ. ຖ້າໂຊເລນອຍມີ ∙ ຮອບຕໍ່ໜ່ວຍຄວາມຍາວ ແລະ ກະແສໄຟຟ້າ ∙ ໄຫຼຜ່ານສາຍ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກພາຍໃນໂຊເລນອຍແມ່ນ:
\[ B = \mu_0 n I \]
ສະໜາມແມ່ເຫຼັກຢູ່ນອກໂຊລີນອຍສາມາດຖືກລະເລີຍໄດ້ ເພາະມັນອ່ອນແອຫຼາຍເມື່ອທຽບກັບສະໜາມພາຍໃນ.
ການນຳໃຊ້ສະໜາມແມ່ເຫຼັກຂອງສາຍໄຟທີ່ມີກະແສໄຟຟ້າ
ການເຂົ້າໃຈສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ຜະລິດໂດຍກະແສໄຟຟ້າແມ່ນມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍສຳລັບເຕັກໂນໂລຢີທີ່ທັນສະໄໝຫຼາຍຢ່າງ:
1. ໝໍ້ແປງໄຟຟ້າ
ໝໍ້ແປງໄຟຟ້າແມ່ນອຸປະກອນທີ່ໃຊ້ເພື່ອປ່ຽນແຮງດັນໄຟຟ້າ. ພວກມັນເຮັດວຽກຕາມຫຼັກການຂອງການຊັກນຳໄຟຟ້າແມ່ເຫຼັກ, ເຊິ່ງສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ປ່ຽນແປງຈະກະຕຸ້ນແຮງດັນໃນສາຍໄຟ. ໝໍ້ແປງໄຟຟ້າປະກອບດ້ວຍຂົດລວດສອງຂົດ, ຂົດລວດປະຖົມ ແລະ ຂົດລວດທຸຕິຍະພູມ, ພັນຮອບແກນເຫຼັກ. ເມື່ອກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານຂົດລວດປະຖົມ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ໄດ້ຮັບຈະກະຕຸ້ນແຮງດັນໃນຂົດລວດທຸຕິຍະພູມ.
2. ມໍເຕີໄຟຟ້າ ແລະ ເຄື່ອງກຳເນີດໄຟຟ້າ
ມໍເຕີໄຟຟ້າປ່ຽນພະລັງງານໄຟຟ້າເປັນພະລັງງານກົນຈັກໂດຍໃຊ້ຫຼັກການຂອງສະໜາມແມ່ເຫຼັກ. ເມື່ອກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານຂົດລວດພາຍໃນມໍເຕີ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ເກີດຂຶ້ນຈະພົວພັນກັບສະໜາມແມ່ເຫຼັກຂອງແມ່ເຫຼັກຄົງທີ່, ຜະລິດແຮງທີ່ໝຸນ rotor. ໃນທາງກັບກັນ, ເຄື່ອງກຳເນີດໄຟຟ້າປ່ຽນພະລັງງານກົນຈັກເປັນພະລັງງານໄຟຟ້າໂດຍການໝຸນຂົດລວດໃນສະໜາມແມ່ເຫຼັກ.
3. ໂຊລີນອຍ ແລະ ແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ
ໂຊເລນອຍຖືກນໍາໃຊ້ໃນຫຼາຍໆຄໍາຮ້ອງສະຫມັກ, ເຊັ່ນ: ຣີເລ, ວາວໂຊເລນອຍ, ແລະຕົວກະຕຸ້ນ. ເມື່ອກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານໂຊເລນອຍ, ສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ແຂງແຮງຈະຖືກສ້າງຂຶ້ນພາຍໃນມັນ, ເຊິ່ງຫຼັງຈາກນັ້ນສາມາດນໍາໃຊ້ເພື່ອເຄື່ອນຍ້າຍກະບອກສູບຫຼືກົນໄກອື່ນໆ. ແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າສາມາດນໍາໃຊ້ໃນອຸປະກອນຍົກ, ການເບຣກແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າ, ແລະອຸປະກອນ MRI ໃນຂົງເຂດການແພດ.
4. ສາຍໄຟທີ່ນຳໄຟຟ້າໄດ້ດີ
ຕົວນຳໄຟຟ້າແມ່ນວັດສະດຸທີ່ມີຄວາມຕ້ານທານສູນຢູ່ທີ່ອຸນຫະພູມຕໍ່າຫຼາຍ. ເມື່ອກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຜ່ານສາຍຕົວນຳໄຟຟ້າ, ມັນສາມາດສ້າງສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ແຂງແຮງຫຼາຍໂດຍບໍ່ສູນເສຍພະລັງງານ. ສິ່ງນີ້ມີປະໂຫຍດຫຼາຍໃນເຕັກໂນໂລຊີ MRI, ເຄື່ອງເລັ່ງອະນຸພາກ, ແລະ ການພັດທະນາເຄື່ອງປະຕິກອນນິວເຄຼຍຟິວຊັນ.
ສະຫຼຸບ
ການເຂົ້າໃຈສະໜາມແມ່ເຫຼັກທີ່ເກີດຈາກສາຍໄຟທີ່ມີກະແສໄຟຟ້ານຳແມ່ນພື້ນຖານສຳລັບປະກົດການ ແລະ ການນຳໃຊ້ຫຼາຍຢ່າງຂອງຟີຊິກສາດສະໄໝໃໝ່. ຕັ້ງແຕ່ກົດໝາຍພື້ນຖານເຊັ່ນ: ກົດໝາຍ Biot-Savart ແລະ Ampère ຈົນເຖິງການຄິດໄລ່ສະໜາມແມ່ເຫຼັກໃນການຕັ້ງຄ່າທີ່ສັບສົນຫຼາຍຂຶ້ນ, ຫຼັກການເຫຼົ່ານີ້ຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາພັດທະນາເຕັກໂນໂລຢີທີ່ປ່ຽນແປງໂລກໄດ້ຫຼາກຫຼາຍ. ຜ່ານການຄົ້ນຄວ້າ ແລະ ນະວັດຕະກຳຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງໃນຂົງເຂດນີ້, ພວກເຮົາສາມາດຄາດຫວັງວ່າຈະເຫັນການນຳໃຊ້ເຕັກໂນໂລຢີຫຼາຍຂຶ້ນທີ່ອີງໃສ່ສະໜາມແມ່ເຫຼັກໃນຊີວິດປະຈຳວັນ.
