Lab 124 — สนามแม่เหล็กรอบลวดและโซเลนอยด์ (3D)

วัตถุประสงค์

• สังเกตว่ากระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และบอกทิศของสนามด้วยกฎมือขวา
• หาความสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กรอบลวดตรงกับกระแส I และระยะ d
• เปรียบเทียบสนามรอบลวดตรงกับสนามรอบโซเลนอยด์ และหาว่า B แปรตาม N และ I อย่างไร

อุปกรณ์

• แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงพร้อมแอมมิเตอร์ · สายไฟ · สวิตช์
• ลวดทองแดงตรง · ขาตั้ง · แท่นวางเข็มทิศ · เข็มทิศแบบมีสเกล
• โซเลนอยด์ · แผ่นกระดาษกราฟ · ผงเหล็ก

ตอนที่ 1: ลวดเหนือเข็มทิศ

1. เปิดวงจรไว้ก่อน เข็มชี้ทิศเหนือ และวางลวดแนวเหนือ–ใต้ ขนานกับเข็ม
2. ทายว่าเข็มจะเบนไปทางใด แล้วกด ⏻ ปิดวงจร เทียบผลกับกฎมือขวา
3. กด ⇄ กลับทิศกระแส และ ลวดอยู่เหนือเข็ม/ใต้เข็ม แล้วสังเกตทิศที่เข็มเบน
4. กด 🔍 ซูมเข็มทิศ รอเข็มนิ่ง แล้วกด 📝 บันทึกผล พิมพ์มุม θ ที่อ่านได้ลงในตาราง
5. คงระยะ d แล้วเปลี่ยน I อย่างน้อย 4 ค่า จากนั้นคง I แล้วเปลี่ยน d อย่างน้อย 4 ค่า
6. เขียนกราฟ B กับ I และ B กับ 1/d โดย B = B_โลก tan θ
7. ลองวางลวดแนวตะวันออก–ตะวันตก แล้วอธิบายว่าทำไมเข็มจึงไม่เบนข้าง

ตอนที่ 2: ลวดตั้งผ่านแผ่น

1. กด 🧭 เข็มทิศ 8 อัน แล้วปิดวงจร ดูว่าเข็มเรียงตัวรอบลวดอย่างไร แล้วกลับทิศกระแส
2. ลากเข็มทิศออกห่างจากลวด หาจุดที่สนามของลวดหักล้างกับสนามโลก
3. โรยผงเหล็กและเคาะแผ่น หรือกด 📍 จุดตามเข็ม เพื่อเขียนเส้นแรง

ตอนที่ 3: โซเลนอยด์

1. ปิดวงจร แล้วใช้กฎมือขวาทำนายว่าปลายใดเป็นขั้ว N จากนั้นลากเข็มทิศไปตรวจที่ปลายทั้งสอง
2. โรยผงเหล็กและเคาะแผ่น เทียบรูปแบบกับแท่งแม่เหล็กใน Lab 123
3. วางเข็มทิศบนแนวแกนขดลวด เปลี่ยน I หรือ N ทีละอย่าง แล้วบันทึก θ เพื่อหา B

คำถามท้ายการทดลอง

1. กราฟ B กับ I และ B กับ 1/d มีลักษณะอย่างไร สรุปความสัมพันธ์ได้ว่าอย่างไร
2. เมื่อย้ายลวดจากเหนือเข็มไปใต้เข็ม ทิศที่เข็มเบนเปลี่ยนอย่างไร เพราะเหตุใด
3. เหตุใดมุมเบนจึงไม่เพิ่มตามกระแสแบบเส้นตรง
4. สนามนอกโซเลนอยด์เหมือนแท่งแม่เหล็กอย่างไร และสนามภายในขดลวดเป็นอย่างไร

1. กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

เออร์สเตดพบว่าเข็มทิศเบนเมื่อมีกระแสในลวดที่อยู่ใกล้ เส้นแรงรอบลวดตรงเป็นวงกลมรอบลวด ถ้าใช้มือขวากำลวดให้นิ้วหัวแม่มือชี้ตามทิศกระแส นิ้วที่เหลือจะวนตามทิศของสนาม

2. หา B จากมุมเบนของเข็มทิศ

เมื่อวางลวดแนวเหนือ–ใต้ สนามของลวดที่เข็มตั้งฉากกับสนามโลก เข็มจึงชี้ตามสนามลัพธ์ของเวกเตอร์ทั้งสอง

ถ้าวางลวดแนวตะวันออก–ตะวันตก สนามของลวดจะอยู่แนวเดียวกับสนามโลก เข็มจึงไม่เบนข้าง และอาจกลับทิศได้เมื่อสนามของลวดแรงกว่าและมีทิศตรงข้ามสนามโลก

3. โซเลนอยด์

สนามจากลวดแต่ละรอบรวมกัน ทำให้สนามภายในขดลวดยาวเกือบสม่ำเสมอ และสนามภายนอกคล้ายแท่งแม่เหล็ก ใช้มือขวากำขดลวดให้นิ้วทั้งสี่ตามทิศกระแส นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปทางขั้ว N