Lab 129 — การเหนี่ยวนำ: แม่เหล็กกับขดลวด (3D)

วัตถุประสงค์

• หาทิศของกระแสเหนี่ยวนำเมื่อแม่เหล็กเข้าและออกจากขดลวด แล้วอธิบายด้วยกฎของเลนซ์
• หาความสัมพันธ์ของอีเอ็มเอฟสูงสุดกับอัตราเร็วของแม่เหล็กและจำนวนรอบ
• แสดงว่าพื้นที่ใต้กราฟ ε กับ t เท่ากับการเปลี่ยนแปลงของ N Φ และไม่ขึ้นกับอัตราเร็ว

อุปกรณ์

• ขดลวดรัศมีเฉลี่ย 2.6 cm ยาว 6 cm จำนวน 100, 200 และ 400 รอบ
• แม่เหล็กแท่งยาว 8 cm ติดก้านบนรถเลื่อนที่ตั้งอัตราเร็วคงตัวได้
• แกลแวนอมิเตอร์ศูนย์กลาง · เครื่องบันทึกอีเอ็มเอฟ

วิธีการทดลอง

1. ตอนที่ 1: ลากแม่เหล็กเข้าขดลวดด้วยเมาส์หรือนิ้ว แล้วดึงออก สังเกตเข็มและกระแสสีเหลือง
2. กด 🔄 กลับขั้วแม่เหล็ก แล้วทำซ้ำ บันทึกทิศเข็มและขั้วที่ปลายขดลวดครบ 4 กรณี
3. ตอนที่ 2: ตั้งค่า v กด 🚀 ส่งผ่านขดลวด แล้วกด 📝 บันทึกผล อ่าน ε สูงสุดและพื้นที่จากจอ พิมพ์ลงตาราง
4. เปลี่ยน v อย่างน้อย 4 ค่า โดยคง N และแม่เหล็ก จากนั้นเปลี่ยน N อย่างน้อย 3 ค่า โดยคง v
5. เขียนกราฟ ε สูงสุดกับ v, ε สูงสุดกับ N และพื้นที่กับ v
6. หาฟลักซ์สูงสุดผ่านขดลวด 1 รอบ จากพื้นที่หารด้วย N แล้วตรวจในแผง 🎯

คำถามท้ายการทดลอง

1. เหตุใดขณะแม่เหล็กอยู่นิ่งในขดลวดจึงไม่มีอีเอ็มเอฟ แม้มีฟลักซ์มากที่สุด
2. เหตุใดกราฟ ε กับ t จึงมีสองยอดในทิศตรงข้าม
3. เหตุใดเมื่อเร็วขึ้น ε สูงสุดมากขึ้น แต่พื้นที่ใต้กราฟเท่าเดิม
4. ถ้าขดลวดไม่ต้านการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กตามกฎของเลนซ์ จะขัดกับกฎข้อใด

1. กฎของฟาราเดย์

อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ (แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ) เท่ากับอัตราการเปลี่ยนของฟลักซ์คล้องขดลวด

เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนด้วยอัตราเร็ว v จะได้ dΦ/dt = v dΦ/dx จึงมี ε แปรผันตรงกับ v และ N เมื่อรูปทรงเดิม

2. พื้นที่ใต้กราฟ

จากจุดที่แม่เหล็กอยู่ไกลถึงกลางขดลวด ฟลักซ์เปลี่ยนจากเกือบ 0 ถึงค่าสูงสุด

ค่านี้ขึ้นกับจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดเท่านั้น จึงไม่ขึ้นกับอัตราเร็ว ถ้าเร็วขึ้นยอดสูงขึ้นแต่ช่วงเวลาสั้นลง

3. กฎของเลนซ์

กระแสเหนี่ยวนำมีทิศที่สร้างสนามต้านการเปลี่ยนฟลักซ์ เมื่อขั้วเหนือเข้ามา ปลายขดลวดด้านนั้นเป็นขั้วเหนือเพื่อผลัก เมื่อขั้วเหนือออกไป ปลายนั้นเป็นขั้วใต้เพื่อดูด งานที่ใช้ดันแม่เหล็กจึงกลายเป็นพลังงานไฟฟ้า ตรงตามการอนุรักษ์พลังงาน