Lab 123 — เส้นแรงแม่เหล็ก: ผงเหล็กและเข็มทิศ (3D)

วัตถุประสงค์

• สังเกตรูปแบบสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กเมื่อจัดวางแบบต่าง ๆ ด้วยผงเหล็ก
• เขียนเส้นแรงแม่เหล็กด้วยเข็มทิศ และบอกทิศของสนาม
• หาจุดสะเทิน และระบุขั้วของแท่งแม่เหล็กที่ไม่มีป้ายบอก

อุปกรณ์

• แท่งแม่เหล็ก 2 แท่ง · แผ่นรองกระดาษกราฟวางเหนือแท่งแม่เหล็ก
• ผงเหล็กพร้อมขวดโรย · เข็มทิศขนาดเล็ก · ดินสอ

ตอนที่ 1: ดูรูปแบบสนามด้วยผงเหล็ก

1. เลือกการจัดวางแท่งแม่เหล็ก ลากแท่งเพื่อย้ายตำแหน่ง และใช้ปุ่ม ↺ ↻ ⇄ หมุนแท่งที่เลือกได้
2. กด 🧂 โรยผงเหล็ก แล้วกด 🫳 เคาะแผ่น 2–3 ครั้ง ผงเหล็กจะเรียงตัวเป็นแนว
3. เทียบรูปแบบของแท่งเดียว ขั้วต่าง ขั้วเหมือน และวางขนาน ถ้าย้ายแท่ง ต้องเคาะใหม่

ตอนที่ 2: ลากเส้นแรงด้วยเข็มทิศ

1. ลากเข็มทิศไปไว้ใกล้ขั้ว N รอจนเข็มนิ่ง
2. กด 📍 จุดตามเข็ม โปรแกรมจะจุดที่หัวเข็มและย้ายเข็มทิศให้ท้ายเข็มอยู่ที่จุดนั้น
3. รอเข็มนิ่งแล้วกดซ้ำจนถึงขั้ว S เส้นที่ได้คือเส้นแรง 1 เส้น แล้วเริ่มเส้นใหม่จากจุดอื่นใกล้ขั้ว N

ตอนที่ 3: หาจุดสะเทินและขั้วปริศนา

1. จุดสะเทินคือจุดที่สนามลัพธ์เป็นศูนย์ ลากเข็มทิศช้า ๆ บริเวณที่คาดว่าสนามหักล้างกัน เข็มจะแกว่งช้าและเปลี่ยนทิศได้ง่าย
2. เมื่อพบจุดที่เข็มเปลี่ยนทิศรอบตัว กด 📝 บันทึกจุดสะเทิน แล้วดูระยะห่างจากตำแหน่งจริงในตาราง
3. ปิดและเปิด สนามโลก แล้วเทียบตำแหน่งจุดสะเทิน
4. กด ❓ ปริศนา วางเข็มทิศใกล้ปลายแท่ง ปลายที่ดึงหัวเข็ม (N) เข้าหาคือขั้ว S แล้วเลือกคำตอบ

คำถามท้ายการทดลอง

1. เส้นแรงแม่เหล็กของขั้วต่างกับขั้วเหมือนต่างกันอย่างไร
2. บริเวณใดของแท่งแม่เหล็กที่เส้นแรงอยู่ชิดกันที่สุด หมายความว่าอย่างไร
3. ทำไมจุดสะเทินของขั้วเหมือนจึงไม่อยู่กึ่งกลางพอดีเมื่อเปิดสนามโลก
4. ผงเหล็กบอกทิศของสนามจาก N ไป S ได้หรือไม่ เครื่องมือใดบอกได้

1. เส้นแรงแม่เหล็ก

เส้นแรงแม่เหล็กเป็นเส้นสมมติที่เส้นสัมผัส ณ จุดใดบอกทิศของสนาม ณ จุดนั้น นอกแท่งแม่เหล็ก เส้นแรงออกจากขั้ว N ไปยังขั้ว S และไม่ตัดกัน บริเวณที่เส้นแรงชิดกันสนามมีค่ามาก

2. ผงเหล็กและเข็มทิศบอกอะไรได้บ้าง

ผงเหล็กแต่ละชิ้นถูกเหนี่ยวนำเป็นแม่เหล็กเล็ก ๆ จึงเรียงตัวตามแนวสนาม แต่บอกไม่ได้ว่าสนามชี้ไปทางไหน ส่วนเข็มทิศบอกทิศได้ เพราะหัวเข็ม N ชี้ตามทิศของสนามลัพธ์ที่ตำแหน่งนั้น

3. สนามลัพธ์และจุดสะเทิน

สนามแม่เหล็กรวมกันแบบเวกเตอร์ จุดที่ผลรวมเป็นศูนย์เรียกว่าจุดสะเทิน เข็มทิศที่จุดนี้ไม่ถูกดึงไปทางใดเป็นพิเศษ ถ้าไม่คิดสนามโลก จุดสะเทินของขั้วเหมือนที่แรงเท่ากันอยู่กึ่งกลางระหว่างขั้ว