สนามแม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

แม่เหล็กทำให้เข็มทิศเบน แต่สายไฟธรรมดาก็ทำเช่นนั้นเมื่อมีกระแส ทั้งสองมีอะไรเหมือนกัน และจะทำลวดให้เป็นแม่เหล็กที่ควบคุมได้อย่างไร?

แม่เหล็กแท่งมีปลายสองด้านที่เห็นผลชัด คือขั้วเหนือ N และขั้วใต้ S ขั้วเหมือนกันผลัก ขั้วต่างกันดึงดูด ลองทำนายเมื่อตัดแม่เหล็ก เราจะไม่ได้ N กับ S ที่แยกเดี่ยว แต่แต่ละชิ้นของแม่เหล็กทั่วไปกลับมีทั้งสองขั้ว ต่างจากการแยกประจุไฟฟ้าอย่างง่าย แบบจำลองแม่เหล็กจึงสร้างจาก ‘ประจุแม่เหล็ก’ สองชิ้นที่หักแยกกันอย่างอิสระไม่ได้

เข็มแม่เหล็กเล็กหมุนเมื่ออยู่ใกล้แม่เหล็ก เรากำหนดทิศที่ปลายเหนือของเข็มชี้เป็นทิศสนามแม่เหล็กตรงนั้น เชื่อมทิศเหล่านี้เป็นเส้นสนาม ภายนอกแม่เหล็กแท่งเส้นไปจาก N สู่ S และต่อภายในจาก S สู่ N เส้นไม่สิ้นสุดที่ขั้ว ภาพนี้แทนผลของสนาม ไม่ใช่เส้นใยจริงในอวกาศ ที่จุดหนึ่งสนามมีทิศเดียว

วางเข็มทิศใกล้ลวดตรงแล้วเปิดกระแส เข็มจะเบน หากกลับกระแส ผลแม่เหล็กก็กลับทิศ สำหรับลวดตรงยาว เส้นสนามเป็นวงกลมล้อมลวด ใช้มือขวาให้นิ้วโป้งชี้ตามกระแสตามข้อตกลง นิ้วที่โค้งแสดงทิศสนาม ห้ามใช้ทิศอิเล็กตรอนแทนกระแสตามข้อตกลง เพราะจะได้คำตอบกลับด้าน

เมื่อลวดผ่านทะลุกระดาษ การแสดงทิศด้วยลูกศรเส้นธรรมดาทำได้ยาก จุดในวงกลมหมายถึงพุ่งมาหาเรา เหมือนมองเห็นหัวลูกศร กากบาทหมายถึงพุ่งออกจากเรา เหมือนเห็นหาง ชี้นิ้วโป้งขวาเข้าหาตัว นิ้วโค้งจะแสดงสนามทวนเข็มนาฬิกาสำหรับกระแสมาหาผู้มอง กระแสออกจากเราจะให้สนามตามเข็มนาฬิกา ต้องเลือกด้านที่มองก่อน

พันลวดเป็นขด แต่ละรอบสร้างสนาม ภายในขดลวด สนามจากรอบต่าง ๆ ชี้ในทิศคล้ายกันและบวกกัน จึงได้สนามรวมชัดเจน โดยขดลวดยาวมีสนามส่วนใหญ่ตามแกน ภายนอกมีรูปแบบคล้ายแม่เหล็กแท่งสองขั้ว การเพิ่มความแรงนี้อ้างถึงบริเวณที่เลือกเมื่อกระแสและขนาดเทียบกันได้ ไม่ได้หมายความว่าสนามทุกจุดภายนอกต้องแรงขึ้น

แม่เหล็กไฟฟ้าคือขดลวดที่มีกระแส มักมีแกนเหล็ก แกนถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและเพิ่มสนามรวม กระแส I วัดเป็นแอมแปร์ เมื่อรูปทรงเดิม การเพิ่ม I มักเพิ่มผลแม่เหล็ก แต่แกนไม่สามารถเพิ่มสนามในสัดส่วนเดิมได้ไม่จำกัด สมบัติของมันมีขอบเขต ประโยชน์ของแม่เหล็กไฟฟ้าคือใช้วงจรไฟฟ้าควบคุมการทำงานได้

เพิ่มจำนวนรอบโดยขนาดขดลวดและกระแสเดิม สนามจากรอบที่มากขึ้นมักทำให้สนามแรงขึ้น การคงกระแสสำคัญจริง ๆ เพราะขดลวดที่ยาวขึ้นมีความต้านทานต่างไป กลับกระแสแล้วขั้วสลับ ปิดกระแสแล้วสนามส่วนหลักจากกระแสหายไป แต่แกนอาจยังมีสภาพแม่เหล็กตกค้าง ดังนั้น ‘แม่เหล็กที่ปิดได้’ จริงอาจไม่ได้หมดความเป็นแม่เหล็กโดยสิ้นเชิง

ขดลวดทำให้เข็มทิศเบน หากสลับขั้วแหล่งจ่ายโดยคงขนาดกระแส จะเกิดอะไร?

การสลับขั้วแหล่งจ่ายกลับกระแสตามข้อตกลงในทุกรอบ จากกฎทิศสนาม สนามที่แต่ละรอบสร้างจึงกลับด้วย

ขั้วเหนือกับขั้วใต้ของขดลวดสลับกัน ข้อสรุปนี้กล่าวถึงสนามของขดลวด ส่วนเข็มทิศชี้ตามสนามรวมจากขดลวด โลก และวัตถุรอบข้าง

เมื่อขนาดกระแสและเงื่อนไขเดิม ขนาดสนามส่วนหลักของขดลวดแทบคงเดิม การสลับขั้วจึงไม่ได้หมายความว่าเข็มทิศต้องหมุน 180° พอดี

ขั้วขดลวดสลับกัน ทิศใหม่ของเข็มขึ้นกับผลรวมสนามขดลวดกับสนามภายนอก

เข็มแม่เหล็กบอกทิศสนาม แม่เหล็กทั่วไปที่ตัดแล้วแต่ละชิ้นยังมีสองขั้ว

สนามของกระแสในลวดตรงล้อมรอบลวด กฎมือขวาเชื่อมทิศสนามกับกระแสตามข้อตกลง

สนามจากแต่ละรอบบวกกันในขดลวด การควบคุมกระแสเปลี่ยนความแรงและขั้วแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามออกแรงต่อลวดที่มีกระแสได้ ต่อไปจะเปลี่ยนผลนี้เป็นการหมุนของมอเตอร์