🧲

Lab 130 — แม่เหล็กตกผ่านท่อ (3D)

Magnet in a Conducting Tube — ปล่อยแม่เหล็กในท่อ 5 ชนิด วัดอัตราเร็วปลายด้วยเกตแสง แล้วหาค่าคงตัวการหน่วงจากกระแสวน

3D · three.js KP Science simulation
สิ่งที่ปล่อย
จำนวนก้อน
ผนังท่อ
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — ต้องเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต
โหมดการทดลอง
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
❓ ผลการแข่ง
📋 ตารางบันทึกผล
📈 กราฟ
🎯 หาค่าคงตัวการหน่วง k ของท่อที่เลือก
k =N·s/m
ที่อัตราเร็วปลาย แรงจากกระแสวนเท่ากับน้ำหนัก k v = M g

วัตถุประสงค์

อุปกรณ์

วิธีการทดลอง

  1. ทายว่าท่อไหนถึงพื้นช้าที่สุด กด 🏁 ปล่อยพร้อมกันทุกท่อ แล้วเปรียบเทียบ ลองแท่งทองเหลืองด้วย
  2. แตะท่อเพื่อเลือก เกตแสงจะย้ายไปที่ท่อนั้น กด 🔪 ผ่าท่อดู เพื่อดูแม่เหล็กและกระแสวน
  3. กด ▼ ปล่อยท่อที่เลือก อ่าน Δt กด 📝 บันทึกผล แล้วพิมพ์ลงตาราง โปรแกรมคำนวณ v = Δs/Δt ให้
  4. ลากเกตแสงไปตำแหน่งอื่น แล้วดูว่า v เปลี่ยนหรือไม่ เทียบท่อทองแดงกับท่อพลาสติก
  5. เพิ่มมวลถ่วงอย่างน้อย 4 ค่า บันทึก v แล้วเขียนกราฟ v กับ Mg
  6. เปลี่ยนท่อหรือความหนาผนัง เขียนกราฟ v กับ 1/σ และ v กับ 1/t
  7. หาค่า k จาก M g / v แล้วตรวจในแผง 🎯
⚠️ เมื่อทำจริง แม่เหล็กนีโอดิเมียมดูดกันแรงจนหนีบผิวหนังและแตกได้ เก็บห่างจากบัตร โทรศัพท์ และอุปกรณ์ฝังในร่างกาย วางวัสดุนุ่มรองปลายท่อ

คำถามท้ายการทดลอง

  1. เหตุใดท่อทองแดงกับท่อพลาสติกซึ่งไม่ดูดแม่เหล็กทั้งคู่ จึงให้ผลต่างกัน
  2. กระแสวนเหนือและใต้แม่เหล็กมีทิศต่างกันอย่างไร และแต่ละวงออกแรงต่อแม่เหล็กทิศใด
  3. เหตุใดการผ่าท่อตามยาวจึงทำให้ตกเร็วขึ้น
  4. ที่อัตราเร็วคงตัว พลังงานศักย์ที่ลดลงกลายเป็นพลังงานรูปใด ให้หาอัตราการเปลี่ยนจากการวัด
  5. กลับขั้วแม่เหล็กแล้วผลเปลี่ยนหรือไม่ เพราะเหตุใด

1. กระแสวนในผนังท่อ

แม่เหล็กที่ตกทำให้ฟลักซ์ผ่านวงแหวนของผนังท่อเปลี่ยนไป วงแหวนใต้แม่เหล็กมีฟลักซ์เพิ่ม วงแหวนเหนือแม่เหล็กมีฟลักซ์ลด จึงเกิดกระแสวนสองชุดในทิศตรงข้าม ตามกฎของเลนซ์ ชุดล่างผลักแม่เหล็กขึ้น และชุดบนดูดแม่เหล็กขึ้น

2. อัตราเร็วปลาย

แรงจากกระแสวนแปรผันตรงกับอัตราเร็ว เมื่อเท่ากับน้ำหนัก ความเร่งเป็นศูนย์

M dv/dt = M g − k v · v ปลาย = M g / k

เวลาคงตัวของการเข้าสู่อัตราเร็วปลายคือ M/k ซึ่งน้อยกว่าหนึ่งในร้อยวินาทีในท่อทองแดง จึงเห็นว่าตกคงตัวแทบทันที

3. ค่า k สำหรับท่อผนังบาง

ถ้าแม่เหล็กเป็นไดโพลขนาด m และท่อมีรัศมี a ผนังหนา t ความนำไฟฟ้า σ จะได้

k = 45 μ₀² m² σ t / (1024 a⁴)

ได้จากการรวมกำลังที่สูญเสียในทุกวงแหวน แล้วให้เท่ากับ k v²

4. พลังงาน

M g v = k v² = กำลังความร้อนในผนังท่อ

พลังงานศักย์ไม่ได้กลายเป็นพลังงานจลน์ แต่กลายเป็นความร้อนในผนังท่อ

🔍 แลปนี้ใช้แบบจำลองไดโพล m = 2 A·m² ต่อก้อน และให้ m กับมวลแม่เหล็กเพิ่มตามจำนวนก้อน ของจริงก้อนที่ซ้อนกันไม่ใช่ไดโพลจุด ค่าจึงต่างออกไป ท่อผ่าใช้ตัวคูณ k เท่ากับ 0.3 ซึ่งเป็นค่าที่ตั้งไว้ในแลป เพราะกระแสยังวนเป็นวงเล็กได้ และใช้ σ ทองแดง 5.8, อะลูมิเนียม 3.5, ทองเหลือง 1.5 × 10⁷ S/m ค่าจริงขึ้นกับโลหะผสม