Lab 125 — แรงบนลวดในสนามแม่เหล็ก (3D)

วัตถุประสงค์

• หาความสัมพันธ์ของแรงบนลวดกับกระแส I ความยาวลวด L และมุม θ ระหว่างลวดกับสนามแม่เหล็ก
• หาค่าสนามแม่เหล็ก B ของแม่เหล็กจากความชันของกราฟ
• หาทิศของแรงด้วยกฎมือขวา และอธิบายผลของเครื่องชั่งด้วยกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน

อุปกรณ์

• แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงพร้อมแอมมิเตอร์ · สายไฟ · สวิตช์
• เครื่องชั่งดิจิทัล ละเอียด 0.01 g · แม่เหล็กถาวรพร้อมโครงเหล็ก 3 ชุด
• ลวดตัวยูความยาว 2, 4, 6 และ 8 cm บนหัวหมุนที่มีสเกลมุม · ขาตั้ง
• ชิงช้าลวดและแม่เหล็กรูปตัวซี

ตอนที่ 1: ลวดกับเครื่องชั่ง

1. เปิดวงจรไว้ เลือกแม่เหล็ก แล้วกด ⊘ TARE ให้เครื่องชั่งอ่าน 0.00 g
2. ทายว่าเลขบนเครื่องชั่งจะเพิ่มหรือลด แล้วกด ⏻ ปิดวงจร
3. กด ⇄ กลับทิศกระแส และ 🔄 กลับขั้วแม่เหล็ก แล้วดูว่าเลขเปลี่ยนเครื่องหมายอย่างไร
4. ให้ θ = 90° คง L แล้วเปลี่ยน I อย่างน้อย 4 ค่า กด 📝 บันทึกผล และพิมพ์เลขจากจอเครื่องชั่งลงตาราง
5. คง I แล้วเปลี่ยน L ทั้ง 4 ค่า จากนั้นคง I และ L แล้วเปลี่ยน θ อย่างน้อย 4 ค่า
6. เขียนกราฟ F กับ I, F กับ L และ F กับ sin θ โดย F = |Δm| g
7. คำนวณ B จากความชันของกราฟ F กับ I แล้วตรวจคำตอบในแผง 🎯

ตอนที่ 2: ชิงช้าลวด

1. ทายว่าลวดจะแกว่งเข้าหาโครงแม่เหล็กหรือออกนอกโครง แล้วกด ⏻ ปิดวงจร
2. กลับทิศกระแสหรือกลับขั้วแม่เหล็ก แล้วเทียบทิศที่ลวดแกว่งกับกฎมือขวา
3. เพิ่มกระแส แล้วสังเกตว่าลวดแกว่งมากขึ้น และแรงลดลงเมื่อลวดออกนอกช่องแม่เหล็ก

คำถามท้ายการทดลอง

1. เมื่อแรงบนลวดมีทิศขึ้น เลขบนเครื่องชั่งเพิ่มหรือลด เพราะเหตุใด
2. กราฟ F กับ I, L และ sin θ มีลักษณะอย่างไร สรุปเป็นสมการได้อย่างไร
3. เมื่อ θ = 0° เหตุใดจึงไม่มีแรงกระทำต่อลวด แม้จะมีกระแสอยู่
4. เหตุใดแรงบนขาตั้งสองข้างของลวดตัวยูจึงไม่ทำให้เลขบนเครื่องชั่งเปลี่ยน

1. แรงบนลวดที่มีกระแส

เมื่อลวดยาว L มีกระแส I อยู่ในสนามแม่เหล็ก B และลวดทำมุม θ กับสนาม จะมีแรงกระทำต่อลวดตั้งฉากกับทั้งลวดและสนาม

หาทิศด้วยกฎมือขวา: ชี้นิ้วทั้งสี่ตามทิศกระแส แล้วงอนิ้วไปหาทิศของสนาม นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของแรง สนามแม่เหล็กระหว่างขั้วมีทิศจากขั้ว N ไปขั้ว S

2. อ่านแรงจากเครื่องชั่ง

ลวดถูกยึดกับขาตั้ง ไม่ได้วางบนเครื่องชั่ง แต่ตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน แรงที่แม่เหล็กกระทำต่อลวดกับแรงที่ลวดกระทำต่อแม่เหล็กมีขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม ถ้าแรงบนลวดมีทิศขึ้น แม่เหล็กจะถูกกดลง เลขบนเครื่องชั่งจึงเพิ่ม

3. หาค่า B จากความชัน

ถ้าคง L และ θ แล้วเขียนกราฟ F กับ I จะได้เส้นตรงผ่านจุดกำเนิด

ต้องแปลงหน่วยก่อนคำนวณ: F เป็นนิวตัน และ L เป็นเมตร ถ้าความชันเป็น mN/A ให้คูณ 10⁻³ และถ้า L เป็น cm ให้คูณ 10⁻²

4. ขาทั้งสองของลวดตัวยู

ขาทั้งสองตั้งฉากกับสนาม จึงมีแรงเช่นกัน แต่แรงอยู่ในแนวระดับและมีทิศตรงข้ามกัน เครื่องชั่งวัดเฉพาะแรงแนวดิ่ง จึงอ่านเฉพาะแรงบนลวดส่วนล่าง