Lab 128 — มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างง่าย (3D)

วัตถุประสงค์

• อธิบายหน้าที่ของตัวสับเปลี่ยน และเหตุที่ขดลวดหมุนได้ต่อเนื่อง
• หาทิศการหมุนด้วยกฎมือขวา เมื่อกลับขั้วไฟหรือกลับขั้วแม่เหล็ก
• หาความสัมพันธ์ของอัตราการหมุนกับความต่างศักย์และสนามแม่เหล็ก
• หาอีเอ็มเอฟกลับจากกระแสที่ลดลงเมื่อมอเตอร์หมุน

อุปกรณ์

• แหล่งจ่ายไฟกระแสตรง 0–6 V · แอมมิเตอร์ · เครื่องวัดรอบแบบเกตแสง
• ขดลวดพันบนโครง พื้นที่ 48 cm² จำนวน 100 และ 200 รอบ · แม่เหล็กถาวร 3 ความแรง
• ปลายขดลวด 3 แบบ: วงแหวนผ่าซีก · ลวดขูดฉนวนครึ่งซีก · วงแหวนเต็ม · แปรงถ่าน
• เบรกสักหลาดบนจานท้ายแกน

วิธีการทดลอง

1. เลือกแบบปลายขดลวด ทายผล แล้วกด ⏻ ปิดวงจร ทำซ้ำให้ครบทั้ง 3 แบบ
2. ใช้ วงแหวนผ่าซีก กด ⇄ กลับขั้วไฟ และ 🔄 กลับขั้วแม่เหล็ก แล้วดูทิศการหมุน
3. เปลี่ยน V อย่างน้อย 4 ค่า รอให้เลขนิ่ง กด 📝 บันทึกผล แล้วพิมพ์รอบและกระแสจากมิเตอร์ลงตาราง
4. กด ✋ จับให้หยุด หรือลากขดลวดไว้ แล้วอ่านกระแส คำนวณ R = V/I และตรวจในแผง 🎯
5. เพิ่มเบรกทีละขั้น คง V แล้วบันทึกรอบกับกระแส เขียนกราฟ I กับรอบ
6. คำนวณ ε = V − IR ของแต่ละแถว แล้วดูว่า ε แปรตามรอบอย่างไร

คำถามท้ายการทดลอง

1. เหตุใดวงแหวนเต็มจึงทำให้ขดลวดแกว่งแล้วหยุด
2. ลวดขูดฉนวนครึ่งซีกต่างจากวงแหวนผ่าซีกอย่างไร
3. เหตุใดกระแสจึงมากที่สุดเมื่อมอเตอร์หยุดหมุน
4. เมื่อเพิ่มความแรงแม่เหล็ก มอเตอร์ที่ไม่มีภาระหมุนเร็วขึ้นหรือช้าลง เพราะเหตุใด

1. โมเมนต์ของแรงบนขดลวด

ด้านของขดลวดที่ตั้งฉากกับสนามได้รับแรงขนาด F = N I L B ในทิศตรงข้ามกัน จึงเกิดคู่ควบ ถ้า φ คือมุมระหว่างระนาบขดลวดกับสนาม

เมื่อระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนาม (φ = 90°) τ = 0 ตำแหน่งนี้เรียกว่าจุดตาย ถ้าหยุดตรงนี้พอดีต้องดันช่วยจึงจะเริ่มหมุน

2. ตัวสับเปลี่ยน

• วงแหวนเต็ม: กระแสไม่กลับทิศ τ จึงกลับทิศทุกครึ่งรอบ ขดลวดแกว่งแล้วหยุดที่จุดตาย
• ขูดฉนวนครึ่งซีก: มีกระแสเฉพาะครึ่งรอบที่ τ มีทิศเดิม อีกครึ่งรอบหมุนต่อด้วยความเฉื่อย
• วงแหวนผ่าซีก: กลับทิศกระแสทุกครึ่งรอบ τ จึงมีทิศเดิมตลอด

3. อีเอ็มเอฟกลับ

ขดลวดที่หมุนในสนามเหนี่ยวนำอีเอ็มเอฟสวนทางกับแหล่งจ่าย ยิ่งหมุนเร็ว ε ยิ่งมาก กระแสจึงลดลง

เมื่อหยุดหมุน ε = 0 กระแสจึงเท่ากับ V/R ซึ่งเป็นค่าสูงสุด

4. อัตราการหมุน

เมื่อไม่มีภาระ กระแสน้อยมาก ε จึงเกือบเท่ากับ V อัตราการหมุนแปรผันตรงกับ V และแปรผกผันกับ N A B แม่เหล็กแรงขึ้นจึงทำให้หมุนช้าลงแต่ให้โมเมนต์มากขึ้น