ข้ามไปยังเนื้อหา

Magnetism and electromagnetism

AQA · GCSE · Physics · หัวข้อ 7

ดูสไลด์ ฝึกฝน
7.1

แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า: การเคลื่อนที่จากกระแสไฟฟ้า

แม่เหล็กที่เคลื่อนที่สามารถสร้างกระแสได้; กระแสไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดการเคลื่อนที่ได้ เครื่องยนต์, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, โรงไฟฟ้า และลำโพงทั้งหมดอยู่ในหัวข้อนี้ เอกสารอ้างอิงนี้ครอบคลุม AQA GCSE Physics 8463, หัวข้อ 4.7 แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

วิธีการทดสอบหัวข้อนี้ในการสอบ:

  • ใบสอบ 2 มีหัวข้อนี้อยู่ $F = BIl$ และสมการหม้อแปลงทั้งสองอยู่บนแผ่นแนบมาด้วย
  • กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง, เครื่องยนต์, ลำโพง, ผลกระทบเครื่องกำเนิดไฟฟ้า, อัลเทอร์เนเตอร์/ไดนามो, ไมโครโฟน และหม้อแปลง เป็น เฉพาะ HT; ทุกอย่างตั้งแต่ 4.7.3 เป็นต้นไปเป็น เฉพาะฟิสิกส์
  • คุณต้อง วาดรูปแบบสนามแม่เหล็ก: แท่งแม่เหล็ก, ลวดตรง, โซเลנוอิด
7.1

แม่เหล็กถาวรและแม่เหล็กเหนี่ยวนำ, สนามแม่เหล็ก

หลักสูตร

แม่เหล็กถาวรและแม่เหล็กเหนี่ยวนำ, แรงและสนามแม่เหล็ก (AQA 8463 ข้อบ่งชี้ 4.7.1)

  1. อธิบายแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างขั้วแม่เหล็กถาวรเป็นแรงที่ไม่สัมผัส
  2. แยกแยะแม่เหล็กถาวรออกจากแม่เหล็กเหนี่ยวนำ และจำได้ว่าแม่เหล็กเหนี่ยวนำจะเกิดแรงดึงดูดเสมอ
  3. อธิบายสนามแม่เหล็กและทิศทางของมัน; จำชื่อวัสดุแม่เหล็กสี่ชนิด
  4. อธิบายว่าเข็มทิศวัดสนามแสดงทิศทางของสนามได้อย่างไร, และหลักฐานจากเข็มทิศเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กของโลก

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

  • ขั้วแม่เหล็ก: ตำแหน่งที่แรงแม่เหล็กมีความแรงที่สุด

เส้นสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กจาก N ไป S ขั้วเหมือนกันจะผลักกัน ขั้วต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน — เป็นแรงที่ไม่สัมผัส

  • แม่เหล็กถาวร สร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง แม่เหล็กเหนี่ยวนำ จะกลายเป็นแม่เหล็กก็ต่อเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กเท่านั้น — และ แม่เหล็กเหนี่ยวนำจะดึงดูดเสมอ (จะสูญเสียคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กเมื่อถูกนำออก)
  • สนามแม่เหล็ก คือบริเวณที่มีแรงกระทำต่อแม่เหล็กอื่นหรือวัสดุที่เป็นแม่เหล็ก (เหล็ก, สตีล, คอบอลต์, นิกเกิล) แม่เหล็กจะ ดึงดูด วัสดุที่เป็นแม่เหล็กเสมอ
  • สนามแม่เหล็ก มีความแรงที่สุดที่ขั้ว; ทิศทาง = แรงที่กระทำต่อ ขั้วเหนือ ณ จุดนั้น เส้นสนามวิ่งจาก เหนือ → ใต้
  • เข็มทิศ เป็นแท่งแม่เหล็กขนาดเล็ก ชี้ไปตามสนามแม่เหล็กของโลก — เป็นหลักฐานว่าโลกมีสนามแม่เหล็ก (แกนโลกทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กยักษ์)

การทำแผนภูมิสนามแม่เหล็ก: วางเข็มทิศเล็กใกล้กับแม่เหล็ก ทำเครื่องหมายปลายเข็ม, ย้ายเข็มทิศให้ปลายหางวางอยู่บนเครื่องหมายล่าสุด, ทำซ้ำแล้วเชื่อมจุดเข้าด้วยกัน ขี้เหล็กแสดงรูปแบบทั้งหมดในครั้งเดียว

7.2

ไฟฟ้าแม่เหล็ก

หลักสูตร

แม่เหล็กไฟฟ้าและผลมอเตอร์, HT (AQA 8463 ข้อบ่งชี้ 4.7.2.1-4.7.2.4)

  1. อธิบายสนามแม่เหล็กรอบสายไฟที่มีกระแสไหลผ่านและสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอและเข้มภายในโซเลโน이드; อธิบายแม่เหล็กไฟฟ้า
  2. วาดรูปแบบสนามสำหรับสายตรงและโซเลโน이드พร้อมทิศทาง
  3. ใช้กฎมือซ้ายของเฟลมิ่งและ F = BIl กับตัวนำที่ตั้งฉากกับสนาม
  4. อธิบายการหมุนของคอยล์ในมอเตอร์และบทบาทของคอมมิวเตเตอร์แบบวงแหวนแยก
  5. (ฟิสิกส์เท่านั้น) อธิบายว่าลำโพงและหูฟังแปลงการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าเป็นการเปลี่ยนแปลงความดันเสียงได้อย่างไร

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

ลวดที่มีกระแสไหลผ่าน จะมีสนามแม่เหล็กล้อมรอบ (วงกลมซ้อนกัน; กุมมือขวา — นิ้วโป้งชี้ตามกระแส, นิ้วที่เหลืองุ้มตามทิศทางสนาม) สนามจะ แรงขึ้นเมื่อมีกระแสมากขึ้น และ อ่อนลงเมื่อห่างจากลวดมากขึ้น

การดัดลวดให้เป็น โซเลนอยด์:

สนามของลวดตรงและของโซเลนอยด์.
  • สนามของแต่ละวงลวดรวมกัน — สนามภายในมี ความเข้มสูงและเป็นเอกภาพ;
  • ด้านนอก มีรูปร่างคล้าย แม่เหล็กแท่ง;
  • การใส่ แกนเหล็ก เข้าไป会增加ความเข้มยิ่งขึ้น — นี่คือ แม่เหล็กไฟฟ้า.

แม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเปิด-ปิดได้ และปรับความเข้มได้ตามกระแสไฟ — จึงเหนือกว่าแม่เหล็กถาวรในโรงเก็บรถขยะและรีเลย์

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
poles/pəʊlz/ ขั้วแม่เหล็ก (magnetic poles)
permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ แม่เหล็กถาวร (permanent magnet)
induced magnet/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪt/ วัตถุที่แม่เหล็ก induce (induced magnet)
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ สนามแม่เหล็ก (magnetic field)
solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ คอยล์โซลินอยด์ (solenoid)
electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet)
magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density)
7.2

ผลจากมอเตอร์ (HT)

หลักสูตร

แม่เหล็กไฟฟ้าและผลมอเตอร์, HT (AQA 8463 ข้อบ่งชี้ 4.7.2.1-4.7.2.4)

  1. อธิบายสนามแม่เหล็กรอบสายไฟที่มีกระแสไหลผ่านและสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอและเข้มภายในโซเลโน이드; อธิบายแม่เหล็กไฟฟ้า
  2. วาดรูปแบบสนามสำหรับสายตรงและโซเลโน이드พร้อมทิศทาง
  3. ใช้กฎมือซ้ายของเฟลมิ่งและ F = BIl กับตัวนำที่ตั้งฉากกับสนาม
  4. อธิบายการหมุนของคอยล์ในมอเตอร์และบทบาทของคอมมิวเตเตอร์แบบวงแหวนแยก
  5. (ฟิสิกส์เท่านั้น) อธิบายว่าลำโพงและหูฟังแปลงการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าเป็นการเปลี่ยนแปลงความดันเสียงได้อย่างไร

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

ตัวนำที่ไหลผ่านกระแสไฟในสนามแม่เหล็กจะ受到的แรง (ผลจากมอเตอร์ — สนาม, แม่เหล็ก และตัวนำ互相推挤กัน)

กฎมือซ้ายของเฟมิ่ง: นิ้วโป้ง = แรง, นิ้วชี้ = สนาม (N→S), นิ้วกลาง = กระแส — ทั้งสามตั้งฉากกันทั้งหมด

กฎมือซ้ายของเฟมینگ.
$$F = BIl$$
  • $F$ แรงเป็นนิวตัน; $B$ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก เป็นเทสลา, T; $I$ กระแสเป็นแอมแปร์; $l$ ความยาวของตัว导 อยู่ในสนาม, เป็นเมตร
  • แรงมากขึ้นเมื่อ: สนามแรงขึ้น (ค่า $B$更大), กระแสใหญ่ขึ้น, ตัว导ยาวขึ้นในสนาม. แรงสูงสุดเมื่อตัว导ตั้งฉากกับสนาม

มอเตอร์ไฟฟ้า: ขดลวดที่มีกระแสไหลผ่านในสนามแม่เหล็กจะหมุนเพราะสองด้าน受到的力ในทิศทางตรงข้ามกัน

ขดลวดมอเตอร์พร้อมคอมมิวเตเตอร์แบบแยกวง. คอมมิวเตเตอร์แบบแยกวง เปลี่ยนทิศทางกระแสทุกครึ่งรอบเพื่อให้การหมุนดำเนินต่อไป

ลำโพง (ทางฟิสิกส์เท่านั้น): กระแสสลับไหลผ่านขดลวดในสนามทำให้ขดลวดสั่นเข้าออก;กรวยดันอากาศให้เกิด การเปลี่ยนแปลงความดัน — คลื่นเสียง ที่มีความถี่ตรงกับสัญญาณ

7.3

ผลจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ทางฟิสิกส์เท่านั้น, HT)

หลักสูตร

Induced potential, transformers and the National Grid, physics only and HT (AQA 8463 statement 4.7.3).

  1. State the conditions for the generator effect and the factors affecting the size and direction of the induced pd.
  2. Explain alternators (ac) and dynamos (dc) and interpret their pd-time graphs.
  3. Explain how moving-coil microphones convert sound to current variations.
  4. Use the transformer turns and power equations; explain induction between coils and the advantage of high-pd transmission.

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

หากตัว导 เคลื่อนที่เทียบกับสนามแม่เหล็ก, หรือสนามรอบๆเปลี่ยนไป, ** potenciale difference จะถูกเหนี่ยวนำ**; หากวงจรสมบูรณ์จะมีกระแสไหล — คือ ผลจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

  • สนามของกระแสที่ถูกเหนี่ยวนำจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดมัน
  • Potenciale difference ถูกเหนี่ยวนำมากขึ้นเมื่อ: เคลื่อนที่เร็วขึ้น, สนามแรงขึ้น, ขดลวดมีจำนวนรอบมากขึ้น. ทิศทางกลับเมื่อ: เคลื่อนที่กลับหรือขั้วสนามกลับ

อะลเทอร์เนเตอร์ (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC): ขดลวดหมุนในสนาม — potenciale difference就被เหนี่ยวนำ เปลี่ยนทิศทาง ทุกครึ่งรอบ, ดังนั้นกราฟ potenciale difference–เวลาจึงเป็นคลื่นซ้ำซ้อนที่ตัดศูนย์

กราฟกระแสสลับของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง. เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (ไดนามो): คอมมิวเตเตอร์แบบวงแหวนแยกจะกลับการเชื่อมต่อทุกครึ่งรอบหมุน ทำให้เอาต์พุตอยู่ด้านเดียวของศูนย์ (กราฟที่เป็นยอดสูงและบวกตลอดเวลา)

ไมโครโฟน: เป็นการทำงานย้อนกลับของลำโพง — การเปลี่ยนแปลงของความดันเสียงทำให้คอยล์เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดกระแสแปรผัน ที่สะท้อนรูปแบบเสียง

7.3

เทรนส์ฟอร์เมอร์ (ฟิสิกส์เท่านั้น, HT)

หลักสูตร

Induced potential, transformers and the National Grid, physics only and HT (AQA 8463 statement 4.7.3).

  1. State the conditions for the generator effect and the factors affecting the size and direction of the induced pd.
  2. Explain alternators (ac) and dynamos (dc) and interpret their pd-time graphs.
  3. Explain how moving-coil microphones convert sound to current variations.
  4. Use the transformer turns and power equations; explain induction between coils and the advantage of high-pd transmission.

แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International

เทรนส์ฟอร์เมอร์: คอยล์ปฐมภูมิและทุติยภูมิพันอยู่บน แกนเหล็ก (ถูกแม่เหล็กได้ง่าย; ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นบางฉนวน)

เทรนส์ฟอร์เมอร์พร้อมสมการทั้งสอง.

กระแสสลับ ในคอยล์ปฐมภูมิสร้างสนามแม่เหล็กแปรผันในแกน; สนามแปรผันนี้ เหนี่ยวนำให้มีความต่างศักย์สลับ เกิดขึ้นในคอยล์ทุติยภูมิ

$$\frac{V_p}{V_s} = \frac{n_p}{n_s} \qquad V_s I_s = V_p I_p \; (100\%\ \text{efficient})$$
  • เพิ่มแรงดัน: $V_s > V_p$ (จำนวนขดลวดทุติยภูมิจากเดิมมากกว่า). ลดแรงดัน: $V_s < V_p$.
  • สมการที่สองคือ กำลังเข้า = กำลังออก; ใช้หาค่ากระแสที่ดึงมาจากแหล่งจ่ายไฟขาเข้า

ตัวอย่างวิธีทำ. เทรนส์ฟอร์เมอร์มี 345 ขดลวดปฐมภูมิ และ 6000 ขดลวดทุติยภูมิ; ค่าอินพุตคือ 230 โวลต์

$$\frac{230}{V_s} = \frac{345}{6000} \quad\Rightarrow\quad V_s = 230 \times \frac{6000}{345} = 4000\ \text{V (a step-up)}$$

ตัวอย่างวิธีทำ (กำลัง). เทรนส์ฟอร์เมอร์นี้จ่าย 50 มิลลิแอมแปร์ ที่ 4000 โวลต์

  • กำลังเอาท์พุต: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ วัตต์
  • กระแสอินพุต: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ แอมแปร์

เรื่องราวของระบบส่งกำลังไฟฟ้าแห่งชาติปิดวงจร: เพิ่มแรงดันก่อนการส่งผ่าน (กระแสน้อยลง → $P = I^2R$ ความสูญเสียลดลงอย่างมาก), ลดแรงดัน สำหรับใช้งานในบ้าน (ดูหัวข้อ 2.7)

คำศัพท์ ฝึกฝน
English ไทย
transformer/trænsˈfɔːmə/ หม้อแปลง
7.3

รายการตรวจสอบก่อนจะจบหัวข้อนี้

  • ระบุกฎของขั้วแม่เหล็ก; แยกแยะระหว่างแม่เหล็กถาวรกับแม่เหล็กเหนี่ยวนำ
  • วาดรูปแบบสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก ลวดตรง และโซเลนอยด์พร้อมทิศทาง; อธิบายความเชื่อมโยงระหว่างเข็มทิศกับโลก
  • (HT) ใช้กฎมือซ้ายของเฟลมिंग และ $F = BIl$; อธิบายการทำงานของมอเตอร์และคอมมิวเตเตอร์
  • (ฟิสิกส์เท่านั้น, HT) ระบุเงื่อนไขเกิดปรากฏการณ์กำเนิดกระแสและสนามเหนี่ยวนำที่ต้านทาน; แยกแยะกราฟของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรง; อธิบายการทำงานของไมโครโฟน
  • (ฟิสิกส์เท่านั้น, HT) ใช้สมการเทรนส์ฟอร์เมอร์ทั้งสอง; อธิบายการเหนี่ยวนำระหว่างคอยล์และข้อดีของระบบส่งกำลังไฟฟ้า

หัวข้อเพิ่มเติมใน AQA · GCSE · Physics

เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี

IGCSE, A-Level & AP