ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่ 2 : แม่เหล็กและการควบคุมจักรกล

28-01-2021 อ่าน 4,044

จากเดิมตอนที่แล้ว เราได้รู้จักกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการควบคุมพลังงานไฟฟ้าที่สำคัญ 2 ชนิดคือตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์ ในตอนที่ 2 นี้เราจะได้รู้จักกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญอีก 3 ชนิดที่คือ ตัวเก็บประจุไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำและมอเตอร์ไฟฟ้า ตัวเก็บประจุไฟฟ้าและตัวเหนี่ยวนำแสดงได้ดังรูปที่1

รูปที่ 1 ภาพแสดงตัวเก็บประจุไฟฟ้าและตัวเหนี่ยวนำในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [1])
มีสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าเป็น

รูปที่ 2 ภาพแสดงสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของตัวเก็บประจุไฟฟ้าและตัวเหนี่ยวนำ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [2])

ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เก็บประจุไฟฟ้า โดยอาศัยฟิสิกส์ของประจุไฟฟ้าขั้วตรงข้ามกันที่จะดึงดูดกัน ยิ่งระยะห่างระหว่างขั้วทั้งสองใกล้กันมากขึ้นเท่าใด ปริมาณประจุที่สามารถตรึงหรือเก็บเอาไว้ได้ก็ยิ่งสูงมากขึ้นเท่านั้น ตัวเก็บประจุมีรูปร่างหน้าตาหลายแบบ ในภาพตัวเก็บประจุมีลักษณะเป็นกระป๋องสีดำ วางอยู่ใกล้ๆกับตัวเหนี่ยวนำที่มีลักษณะเป็นขดลวดทองแดงพันรอบแกนทรงกลมคล้ายโดนัท

ตัวเหนี่ยวนำมีลักษณะการทำงานคล้ายกับตัวเก็บประจุ แต่ต่างกันตรงที่ตัวเหนี่ยวนำเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ขดลวดของตัวเหนี่ยวนำจะสามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ในรูปของสนามแม่เหล็ก แทนที่จะเป็นในรูปของสนามไฟฟ้าซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กนี้ถูกค้นพบครั้งแรกโดยบังเอิญโดย ฮันส์ คริสเทียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted)

รูปที่ 3 ภาพแสดงเข็มทิศที่ชี้ทิศเบนไปจากทิศเหนือเดิม โดยชี้ทิศวางตัวตามแนวเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมาจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลอยู่ในลวดตัวนำไฟฟ้า (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [3])

ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงเราสามารถใช้ตัวเหนี่ยวนำในการสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงเพื่อนำไปขับดันระบบกลศาสตร์ต่างๆได้ดังเช่น มอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล มีส่วนประกอบหลักๆได้แก่ ขดลวดสร้างสนามแม่เหล็ก (Field Coil), ขั้วแม่เหล็ก (Pole Pieces), โครงมอเตอร์ (Motor Frame), อาร์เมเจอร์ (Armature), คอมมิวเตเตอร์ (Commutator) และแปรงถ่าน (Brush) ส่วนที่สำคัญที่สุดที่ทำให้เกิดแรงผลักทางกลศาสตร์คือส่วนของขดลวดสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ขดลวดของมอเตอร์ก็จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา แต่ทว่าขดลวดนี้จะวางอยู่ในบริเวณที่มีขั้วแม่เหล็ก ทำให้สนามแม่เหล็กทั้งสองเกิดการผลักกัน เกิดเป็นการเคลื่อนไหวทางกลขึ้นมานั่นเอง

รูปที่ 4 ภาพแสดงขดลวดสร้างสนามแม่เหล็กเกิดแรงผลักขึ้นอันเนื่องมาจากการมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในตัวมัน ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไปผลักกับสนามแม่เหล็กจากแม่เหล็กที่มีอยู่เดิมภายในโครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้า
(ภาพจากเอกสารอ้างอิง [4])

หากเรามีแบตเตอรี่และขดลวดตัวนำ เช่น ลวดทองแดงหรือสายไฟฟ้า เราก็สามารถทดลองสร้างแม่เหล็กขึ้นมาจากไฟฟ้าได้เองดังรูป

รูปที่ 5 ภาพแสดงการทดลองสร้างแม่เหล็กขึ้นมาจากไฟฟ้าโดยการใช้ขดลวดตัวนำพันรอบตะปูเหล็ก แล้วต่อเข้ากับขั้วของแบตเตอรี่ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [3])

โดยเราสามารถกำหนดขั้วเหนือ-ใต้ของแม่เหล็กนี้ได้จากทิศการพันขดลวด ตามกฏมือขวา(Right-hand rule) ดังภาพ

รูปที่ 6 ภาพแสดงการหาทิศเหนือ-ใต้ ของแม่เหล็กที่สร้างขึ้นมาจากลักษณะการพันตัวของขดลวดตัวนำ
(ภาพจากเอกสารอ้างอิง [6])

นอกจากการนำขดลวดมาพันเป็นตัวเหนี่ยวนำมาใช้กับแบตเตอรี่ซึ่งเป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อสร้างพลังแม่เหล็กขึ้นมาแล้ว เรายังสามารถนำขดลวดที่เราสร้างไปต่อกับไฟฟ้ากระแสสลับได้อีกด้วย

ไฟฟ้ามีอยู่ด้วยกันสองประเภทคือไฟฟ้าสถิตและไฟฟ้ากระแส สำหรับไฟฟ้าที่เราใช้กันอยู่ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปแล้ว และใช้กฎทางฟิสิกส์ไฟฟ้าของแต่ละอุปกรณ์ในการควบคุมปริมาณไฟฟ้านั้นเป็นไฟฟ้ากระแส ซึ่งไฟฟ้ากระแสยังสามารถแบ่งย่อยออกได้อีกเป็นสองชนิดคือ ไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวอย่างของไฟฟ้ากระแสตรง เช่นไฟฟ้าที่เราได้มาจากแบตเตอรี่ ซึ่งจะมีแรงดันคงที่ตลอดจนกว่าแบตเตอรี่จะเริ่มหมด ส่วนไฟฟ้ากระแสสลับนั้น แรงดันไฟฟ้าจะมีการกระเพื่อมสลับไปมา ไม่คงที่อย่างไฟฟ้ากระแสตรงที่ได้มาจากแบตเตอรี่ ตัวอย่างของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใกล้ตัวเรามากที่สุดก็คือไฟฟ้าในเต้ารับไฟฟ้าตามบ้าน 220 โวลต์นั่นเอง

แต่เดิม ในมุมมองของไฟฟ้ากระแสตรง ตัวเก็บประจุจะถูกมองเป็นวงจรเปิด ไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านตัวเก็บประจุได้ และตัวเหนี่ยวนำจะถูกมองเป็นวงจรปิด คือถูกมองเป็นเหมือนขดลวดธรรมดาๆ แต่เหตุการณ์เหล่านี้จะเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง เมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไม่ใช่ไฟฟ้ากระแสตรง แต่เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำจะมีพฤติกรรมเหมือนตัวต้านทาน โดยค่าความต้านทานที่เกิดจากตัวเก็บประจุจะแปรผกผันกับค่าความจุและค่าความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับ ยิ่งตัวเก็บประจุสามารถเก็บประจุไฟฟ้าไว้ได้มาก ค่าความต้านทานก็จะยิ่งน้อย กลับกัน ในกรณีของตัวเหนี่ยวนำนั้น ยิ่งจำนวนรอบที่พันบนแกนมากขึ้นเท่าไร สนามแม่เหล็กที่ตัวเหนี่ยวนำสามารถสร้างได้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ค่าความต้านทานที่เกิดขึ้นจากตัวเหนี่ยวนำก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย

ตัวอย่างหนึ่งที่น่าสนใจของการนำตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำไปใช้ก็คือการสร้างวิทยุแร่ (Crystal radio) ซึ่งเป็นวงจรไฟฟ้าที่สามารถทำงานได้เองโดยไม่ต้องการแหล่งพลังงานไฟฟ้าภายนอก[7] ขอแค่เพียงมีคลื่นวิทยุที่มีความถี่สอดคล้องกับค่าของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในวงจรตกกระทบเสาอากาศเข้ามา วงจรก็จะสามารถเล่นเสียงเพลงตามที่สถานีวิทยุนั้นๆแพร่กระจายเสียงได้ทันที!

รูปที่ 7 ภาพแสดงวงจรอย่างง่ายของวิทยุแร่ (Crystal radio) (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [8])

ยังไม่หมดเพียงเท่านี้ เรื่องราวของไฟฟ้าและแม่เหล็กยังมีประเด็นที่น่าสนใจอีกมาก สามารถติดตามต่อได้ใน ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่3 : คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและพฤติกรรมน่าฉงน

เรียบเรียงโดย

อภิสิทธิ์ ศรีประดิษฐ์

นักศึกษาระดับปริญญาเอก ภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคม คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

บทความฟิสิกส์ล่าสุด

หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์บรรลุความแม่นยำระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในการศึกษาการแกว่งของนิวทริโน 20-08-2024

หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 4 19-07-2024

หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 3 04-03-2024

หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2 29-02-2024