ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (อังกฤษ: Electromagnetism) เป็นสาขาหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษา แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคใดๆที่มีประจุไฟฟ้า แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามักจะแสดงสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นสนามไฟฟ้า, สนามแม่เหล็ก, และแสง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานในธรรมชาติ อีกสามแรงพื้นฐานได้แก่ อันตรกิริยาอย่างเข้ม, อันตรกิริยาอย่างอ่อน และแรงโน้มถ่วง[1]| ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า |
|---|
 |
ฟ้าผ่าเป็นการระบายออกของไฟฟ้าสถิตแบบหนึ่งที่ไฟฟ้าสถิตจะเดินทางระหว่างสองภูมิภาคที่มีประจุไฟฟ้า
แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติภายในของวัตถุส่วนใหญ่ที่พบในชีวิตประจำวัน สสารทั่วไปจะได้รูปแบบของมันจากผลของแรงระหว่างโมเลกุลของโมเลกุลแต่ละตัวในสสาร อิเล็กตรอนจะถูกยึดเหนี่ยวตามกลไกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากับวงโคจรรอบนิวเคลียสเพื่อก่อตัวขึ้นเป็นอะตอมซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของโมเลกุล กระบวนการนี้จะควบคุมกระบวนการที่เกี่ยวข้องทั้งหลายในทางเคมีซึ่ง เกิดขึ้นจากการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมหนึ่งกับ อิเล็กตรอนอื่นในวงโคจรของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งจะถูกกำหนดโดยการปฏิ สัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้ากับโมเมนตัมของอิเล็กตรอนเหล่านั้น
มีคำอธิบายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทางคณิตศาสตร์จำนวนมาก ในไฟฟ้าพลศาสตร์แบบคลาสสิก (อังกฤษ: classical electrodynamics) สนามไฟฟ้าจะอธิบายถึงศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ในกฎของฟาราเดย์ สนามแม่เหล็กจะมาพร้อมกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและแม่เหล็ก, และสมการของแมกซ์เวลจะ อธิบายว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร มีการเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกันอย่างไร และมีการเปลี่ยนแปลงโดยประจุและกระแสได้อย่างไร
การแสดงเจตนาเป็นนัยในทางทฤษฎีของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะในการจัดตั้งของความเร็วของแสงที่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ "ตัวกลาง" ของการกระจายคลื่น (ความสามารถในการซึมผ่าน (อังกฤษ: permeability) และแรงต้านสนามไฟฟ้า (อังกฤษ: permittivity)) นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1905
แม้ว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถือเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐาน แต่ที่ระดับพลังงานสูงอันตรกิริยาอย่างอ่อนและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถูกรวมเป็นสิ่งเดียวกัน ในประวัติศาสตร์ของจักรวาล ในช่วงยุคควาร์ก แรงไฟฟ้าอ่อน (อังกฤษ: electroweak) จะหมายถึงแรง(แม่เหล็ก)ไฟฟ้า + (อันตรกิริยาอย่าง)อ่อน
ประวัติที่มาของทฤษฏี
[2]แม่ เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) หมายถึง อำนาจแม่เหล็กที่เกิดจากการที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านในวัตถุตัวนำ แต่อำนาจแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีเพียงจำนวนเล็กน้อย ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ การจะเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็ก ทำได้โดยการนำเส้นลวดตัวนำมาพันเป็นขดลวด เส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดในแต่ละส่วนของเส้นลวดตัวนำจะเสริมอำนาจกัน ทำให้มีความเข็มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น[3]คุณสมบัติของแม่เหล็ก
1. ถ้าแขวนแท่งแม่เหล็กให้เคลื่อนที่อย่างอิสระ เมื่อหยุดนิ่ง แล้วจะชี้ตามแนวทิศเหนือ ทิศใต้
2. สามารถดูดสสารแมกเนติกได้
3. ขั้วเหมือนกันเข้าใกล้กันจะเกิดแรงผลักกัน และขั้วต่างกันเมื่อเข้าใกล้กันจะเกิดแรงดูด
4. อำนาจแรงดึงดูดจะมีมากที่สุดที่บริเวณขั้วทั้งสองแม่เหล็ก
5. เส้นแรงแม่เหล็กมีทิศทางออกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้
[4]ประโยชน์ของแม่เหล็กไฟฟ้า(Applications of electromagnets)
แม่เหล็กไฟฟ้ามีประโยชน์มากมาย ใช้หลักการที่แม่เหล็กดูดแผ่นโลหะเมื่อวางวงจรปิด ซึ่งเป็นการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่น พลังงานเสียง พบได้ในการประดิษฐ์หูฟังที่เราใช้กันในงานสื่อสารมวลชนแต่เดิม ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกคิดว่าเป็นสองแรงแยกออกจากกัน ความคิดนี้เปลี่ยนไป เมื่อหนังสือของ เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์ พิมพ์ขึ้นในปี ค.ศ.1873 บ่งว่า ปฏิสัมพันธ์ของประจุบวกและประจุลบถูกควบคุมโดยแรงเดียว ผลของการปฏิสัมพันธ์ทำให้เกิดผลกระทบสี่เรืองหลักๆ ผลกระทบเหล่านี้สามารถสาธิตให้ดูได้จากการทดลอง ดังนี้
- ประจุไฟฟ้าดูดหรือผลักกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางกำลังสองระหว่างประจุนั้น ประจุต่างกันดูดกัน ประจุเหมือนกันผลักกัน
- ขั้วแม่เหล็ก(หรือสภาวะการวางตัวที่จุดใดๆ) ดูดและผลักกันในทำนองเดียวกัน และ ขั้วแม่เหล็กมาเป็นคู่ คือขั้วเหนือและขั้วใต้
- ไฟฟ้าที่ไหลในเส้นลวดสร้างสนามแม่เหล็กเป็นวงกลมรอบเส้นลวดนั้น ทิศทางของสนามแม่เหล็ก(ตามเข็มหรือทวนเข็มนาฬิกา)ขึ้นอยู่กับกระแส
- กระแสจะถูกเหนี่ยวนำในขดลวด เมื่อขดลวดเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากสนามแม่เหล็ก หรือแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากขดลวด ทิศทางของกระแสขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่
ฮันส์ คริสเตียน ออร์สเตด
อังเดร-มาเรีย แอมแปร์
ไมเคิล ฟาราเดย์
เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์
ออร์สเตดไม่ใช่คนเดียวที่ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็ก ในปี ค.ศ.1802 เกียน โดมีนิโค โรแมคนอสิ นักวิชาการกฎหมายชาวอิตาลี ขยับเข็มแม่เหล็กด้วยประจุไฟฟ้าสถิต สิ่งที่เกิดขึ้นจริง ไม่มีกระแสไหลในการจัดทำจึงไม่มีอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น การค้นพบถูกตีพิมพ์ในหนังสือพิมพ์อิตาลี แต่ถูกมองข้ามไปโดยชุมชนนักวิทยาศาสตร์สมัยนั้น[5]
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
เราอาจเข้าใจสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้า และทำให้เกิดแรงไฟฟ้าขึ้น แรงนี้ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต และทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า) ในตัวนำขึ้น ขณะเดียวกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็ก และทำให้เกิดแรงแม่เหล็กต่อวัตถุที่เป็นแม่เหล็ก
ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกวาดเป็นมโนภาพให้เป็นคลื่นไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
ที่แกว่งกระจายออกจากแหล่งกำเนิดได้เอง สนามไฟฟ้าอยู่ในแนวตั้ง
สนามแม่เหล็กอยู่ในแนวนอน
เนื่องจาก สนามทั้งสองไม่สามารถแยกจากกันได้ จึงควรรวมให้เป็นอันเดียวกัน เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้รวมสนามไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กเข้าด้วยกันด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ เพียงสี่สมการ ที่เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ ทำให้เกิดการพัฒนาฟิสิกส์ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19เป็นอย่างมาก และนำไปสู่ความเข้าใจในเรื่องต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น แสงนั้น อธิบายได้ว่าเป็นการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่กระจายออกไป หรือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง ความถี่ของการสั่นที่แตกต่างกันทำให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เช่น คลื่นวิทยุเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำ แสงที่มองเห็นได้เกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ปานกลาง รังสีแกมมาเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ามีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิด ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1905
ปริมาณและหน่วย
- ampere (electric current)
- coulomb (electric charge)
- farad (capacitance)
- henry (inductance)
- ohm (resistance)
- tesla (magnetic flux density)
- volt (electric potential)
- watt (power)
- weber (magnetic flux)
|
SI electromagnetism units
|
||||
|---|---|---|---|---|
| Symbol[6] | Name of Quantity | Derived Units | Unit | Base Units |
| I | กระแสไฟฟ้า | แอมแปร์ (หน่วย SI) | A | A (= W/V = C/s) |
| Q | ประจุไฟฟ้า | คูลอมบ์ | C | A⋅s |
| U, ΔV, Δφ; E | ความต่างศักย์; แรงเคลื่อนไฟฟ้า | โวลท์ | V | kg⋅m2⋅s−3⋅A−1 (= J/C) |
| R; Z; X | ความต้านทานไฟฟ้า; อิมพีแดนซ์; รีแอคแตนซ์ | โอห์ม | Ω | kg⋅m2⋅s−3⋅A−2 (= V/A) |
| ρ | สภาพต้านทานไฟฟ้า | โอห์มเมตร | Ω⋅m | kg⋅m3⋅s−3⋅A−2 |
| P | กำลังไฟฟ้า | วัตต์ | W | kg⋅m2⋅s−3 (= V⋅A) |
| C | คาปาซิแตนซ์ | ฟารัด | F | kg−1⋅m−2⋅s4⋅A2 (= C/V) |
| E | ความแรงสนามไฟฟ้า | โวลท์ต่อเมตร | V/m | kg⋅m⋅s−3⋅A−1 (= N/C) |
| D | electric displacement field | คูลอมบ์ต่อเมตร2 | C/m2 | A⋅s⋅m−2 |
| ε | แรงต้านสนามไฟฟ้า | ฟารัดต่อเมตร | F/m | kg−1⋅m−3⋅s4⋅A2 |
| χe | ความอ่อนไหวทางไฟฟ้า | (ไม่มีหน่วย) | – | – |
| G; Y; B | คอนดักแตนซ์; แอดมิตแตนซ์; susceptance | ซีเมนส์ | S | kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2 (= Ω−1) |
| κ, γ, σ | สภาพนำไฟฟ้า | ซีเมนส์ต่อเมตร | S/m | kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2 |
| B | ความเข้มสนามแม่เหล็ก, การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก | เทสลา | T | kg⋅s−2⋅A−1 (= Wb/m2 = N⋅A−1⋅m−1) |
| Φ | สนามแม่เหล็ก | เวเบอร์ | Wb | kg⋅m2⋅s−2⋅A−1 (= V⋅s) |
| H | ความแรงสนามแม่เหล็ก | แอมแปร์ต่อเมตร | A/m | A⋅m−1 |
| L, M | อินดัคแตนซ์ | เฮนรี | H | kg⋅m2⋅s−2⋅A−2 (= Wb/A = V⋅s/A) |
| μ | ความสามารถซึมผ่าน | เฮนรีต่อเมตร | H/m | kg⋅m⋅s−2⋅A−2 |
| χ | ความอ่อนไหวทางแม่เหล็ก | (ไม่มีหน่วย) | – | – |
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น