บทความเกี่ยวกับ กระแสไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็ก
ในปี ค.ศ. 1819 นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ ฮันส์ คริสเตียน เออสเต็ด (ค.ศ. 1777-1851) ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้าหรือประจุเคลื่อนที่ เขาพบว่าเมื่อเข็มทิศอยู่ใกล้สายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า เข็มทิศจะเบี่ยงเบนไปจากทิศทางที่ต้องการ และเมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้า เข็มทิศจะชี้ไปทางทิศเหนือ
เข็มทิศเป็นแม่เหล็ก ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยแรงแม่เหล็ก แรงแม่เหล็ก (F) มาจากไหน? ใกล้กับเข็มทิศมีลวดที่นำกระแสไฟฟ้าอยู่ ดังนั้นแรงแม่เหล็กจึงต้องเกิดจากกระแสไฟฟ้านั่นเอง
ดูภาพด้านข้างประกอบ เราสามารถหาทิศทางของกระแสไฟฟ้าและทิศทางของสนามแม่เหล็กได้โดยใช้กฎมือขวา ถ้ากระแสไฟฟ้า (I) ไหลขึ้น ทิศทางของสนามแม่เหล็ก (B) จะเป็นดังแสดงในภาพด้านซ้าย ถ้าทิศทางของกระแสไฟฟ้าไหลลง ทิศทางของสนามแม่เหล็กจะเป็นดังแสดงในภาพด้านขวา
สนามแม่เหล็กออกแรงกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
ก่อนหน้านี้ได้อธิบายไปแล้วว่ากระแสไฟฟ้าสามารถออกแรงกระทำต่อเข็มทิศแม่เหล็กได้ แล้วแม่เหล็กสามารถออกแรงกระทำต่อกระแสไฟฟ้าได้หรือไม่?
สมมติว่ามีลวดตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวางอยู่ระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็ก ทิศทางของสนามแม่เหล็กแสดงด้วยลูกศรจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ ถ้าทิศทางของกระแสไฟฟ้า (I) แสดงด้วยลูกศรสีแดง ก็จะเกิดแรงแม่เหล็ก (F) ขึ้น โดยทิศทางของแรงแม่เหล็กจะแสดงด้วยลูกศรสีน้ำเงิน
ทิศทางของแรงแม่เหล็ก F ตั้งฉากกับทิศทางของกระแสไฟฟ้า I และตั้งฉากกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก B
ทิศทางของกระแสไฟฟ้า ทิศทางของสนามแม่เหล็ก และทิศทางของแรงแม่เหล็ก สามารถกำหนดได้โดยใช้กฎมือขวา
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก สามารถแสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้
F = BI l sin θ
F คือสัญลักษณ์ของแรงแม่เหล็ก, B คือสัญลักษณ์ของสนามแม่เหล็ก, I คือสัญลักษณ์ของกระแสไฟฟ้า, l คือสัญลักษณ์ของความยาวของลวดที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก
θ คือมุมระหว่างทิศทางของกระแสไฟฟ้าและทิศทางของสนามแม่เหล็ก ถ้ากระแสไฟฟ้าตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก (90°) ค่าของ sin 90 = 1 สูตรจะเปลี่ยนเป็น F = BI l ในทางกลับกัน ถ้ากระแสไฟฟ้าขนานกับสนามแม่เหล็ก (0°) ค่าของ sin 0 = 0 ดังนั้นแรงแม่เหล็กจึงเป็น 0
ในการคำนวณสนามแม่เหล็ก สูตรข้างต้นจะถูกปรับเปลี่ยนเป็น: B = F / I l.
หน่วยสากลสำหรับแรงแม่เหล็กคือ นิวตัน (ย่อว่า N) หน่วยสากลสำหรับสนามแม่เหล็กคือ เทสลา (ย่อว่า T) เทสลาตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์และนักฟิสิกส์ชาวเซอร์เบีย-อเมริกัน นิโคลา เทสลา (ค.ศ. 1856-1943) จากสูตรสนามแม่เหล็กข้างต้น สนามแม่เหล็กสามารถแสดงในหน่วยนิวตันต่อแอมแปร์เมตร (N/A m) ได้เช่นกัน นอกจากเทสลาแล้ว สนามแม่เหล็กยังแสดงในหน่วยเกาส์ (G) ด้วย เกาส์มาจากชื่อของนักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน โยฮันน์ คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ (ค.ศ. 1777-1855) 1 G = 10⁻⁴ T
แรงแม่เหล็กที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กสามารถออกแรงแม่เหล็กต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ กระแสไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ ดังนั้นสนามแม่เหล็กจึงสามารถออกแรงแม่เหล็กต่อประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่อย่างอิสระได้ ไม่ใช่แค่ต่อลวดตัวนำเท่านั้น
สูตรสำหรับการคำนวณแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กนั้นได้มาจากสูตรแรงแม่เหล็กก่อนหน้านี้ F = BI l sin θ เนื่องจาก I = q/t และ l = vt สูตรแรงแม่เหล็กจึงเปลี่ยนไปเป็น
คำอธิบายสูตร: F = แรงแม่เหล็ก, B = สนามแม่เหล็ก, q = ประจุไฟฟ้า, v = ความเร็วของการเคลื่อนที่ของประจุ, θ = มุมระหว่าง v และ B
ถ้า v ตั้งฉากกับ B แล้ว θ = 90oโดยที่ sin 90o = 1. ในทางกลับกัน ถ้า v ขนานกับ B แล้ว θ = 0oโดยที่ sin 0o = 0 ดังนั้น แรงแม่เหล็กจะมีค่าสูงสุดเมื่อ v ตั้งฉากกับ B และแรงแม่เหล็กจะมีค่าเป็นศูนย์เมื่อ v ขนานกับ B
ทิศทางของแรงแม่เหล็ก F ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก B และตั้งฉากกับความเร็วของประจุไฟฟ้า v
