การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและกฎของเลนซ์

เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนเข้าหาขดลวดที่ไม่มีแบตเตอรี่ เครื่องวัดตรวจพบกระแส หยุดแม่เหล็กไว้ใกล้ขดลวดแล้วค่าที่อ่านได้หายไป เหตุใดสนามแรงเพียงอย่างเดียวจึงไม่พอ และเหตุใดการเปลี่ยนแปลงจึงสำคัญ?

นึกถึงพื้นผิวที่ขึงครอบวงลวดเหมือนฟิล์มบนห่วง เราต้องบอกทั้งสนามที่จุดหนึ่งและลักษณะที่สนามผ่านพื้นผิวทั้งหมด จึงนิยามฟลักซ์แม่เหล็ก Φ ซึ่งขึ้นอยู่กับความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก พื้นที่ และแนววางของพื้นผิว คำว่า ‘ฟลักซ์’ ไม่ได้หมายถึงสารแม่เหล็กไหลผ่านวงลวด แต่เป็นปริมาณที่รวมข้อมูลของสนามกับเรขาคณิต

สำหรับสนามสม่ำเสมอที่ตั้งฉากกับระนาบวงลวด ขนาดฟลักซ์คือ Φ = BS เมื่อเพิ่มพื้นที่เป็นสองเท่าโดยคง B เดิม ฟลักซ์เพิ่มเป็นสองเท่า เมื่อลด B ลงครึ่งหนึ่ง ฟลักซ์ก็ลดครึ่งหนึ่ง B ในหน่วย T กับ S ในหน่วย m² ให้หน่วยเวเบอร์: 1 Вб = 1 Тл·м² เมื่อหมุนวงลวด ความสัมพันธ์นี้เปลี่ยนไป หากสนามขนานกับระนาบวงลวด ฟลักซ์ผ่านวงลวดเป็นศูนย์ ดังนั้น Φ = BS ใช้ได้เมื่อแนววางตรงตามเงื่อนไข

เพิ่มฟลักซ์ได้หลายวิธี เช่น เลื่อนแม่เหล็กเข้าใกล้ เพิ่มกระแสในขดลวดข้างเคียง เปลี่ยนพื้นที่วงลวด หรือหมุนวงลวด ทุกกรณีต้องเปรียบเทียบสนามที่ผ่านพื้นผิวที่เลือกก่อนและหลัง ลองเลื่อนวงลวดทั้งวงในสนามสม่ำเสมอที่ไม่เปลี่ยน โดยคงพื้นที่และแนววางเดิม ฟลักซ์จะไม่เปลี่ยน ตัวอย่างนี้แสดงว่าคำว่า ‘มีการเคลื่อนที่จึงมีการเหนี่ยวนำ’ ยังไม่เพียงพอ

เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยน จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ แม้ชื่อมีคำว่า ‘แรง’ แต่ปริมาณนี้ไม่ใช่แรงที่วัดเป็นนิวตัน วัดเป็นโวลต์และบอกงานจากการกระทำทางไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำต่อประจุหนึ่งหน่วยเมื่อวนรอบวงลวด หากเส้นทางนำไฟฟ้าและปิด กระแสเหนี่ยวนำจึงไหลได้ การเปิดวงจรหยุดกระแสที่ไหลต่อเนื่อง แต่ไม่จำเป็นต้องทำให้แรงดันระหว่างปลายหายไป เส้นทางกับสาเหตุที่ทำให้ประจุเคลื่อนเป็นคนละเงื่อนไข

หยุดแม่เหล็กเทียบกับขดลวดที่อยู่นิ่ง เมื่อเงื่อนไขอื่นคงเดิม ฟลักซ์ไม่เปลี่ยนอีก จึงไม่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจากการเปลี่ยนแปลงนี้ สนามคงตัวที่แรงมากแทนสนามอ่อนที่กำลังเปลี่ยนไม่ได้ ในวงจรทั่วไปที่มีความต้านทาน กระแสที่เกิดก่อนหน้าจะค่อย ๆ ดับลงหลังช่วงเปลี่ยนผ่าน ดังนั้นค่าศูนย์ในสภาวะคงตัวไม่ได้แปลว่าไม่มีสนามแม่เหล็กใกล้ขดลวด

กระแสไหลทิศใด? กระแสสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง ตามกฎของเลนซ์ สนามนี้ต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ภายนอกที่ทำให้เกิดกระแส ถ้าฟลักซ์ภายนอกเพิ่ม สนามเหนี่ยวนำต้านการเพิ่ม ถ้าฟลักซ์ลด สนามเหนี่ยวนำพยายามคงฟลักซ์ไว้ จึงไม่จำเป็นต้องตรงข้ามกับสนามภายนอกเสมอ ให้ระบุการเปลี่ยนแปลงก่อน แล้วหาการกระทำที่ต้านมัน จึงค่อยหาทิศกระแส

เลื่อนขั้วเหนือ N เข้าหาขดลวดวงจรปิด ฟลักซ์ภายนอกเพิ่ม ปลายใกล้ของขดลวดเป็น N และผลักแม่เหล็กเพื่อต้านการเข้าใกล้ จากนั้นดึงขั้วเดิมออก ฟลักซ์ลด ปลายใกล้กลายเป็น S และดึงดูด N ที่กำลังถอยออก ทั้งสองกรณีต้านการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดกระแส ข้อสรุปว่า ‘ขดลวดผลักแม่เหล็กเสมอ’ ผ่านการทดสอบแรก แต่ไม่ผ่านการทดสอบที่สอง

เมื่อไม่มีแบตเตอรี่ พลังงานที่ทำให้ขดลวดร้อนมาจากไหน? วัตถุภายนอกทำงานโดยเคลื่อนแม่เหล็กต้านการกระทำที่เกิดจากการเหนี่ยวนำ พลังงานนี้ส่งเข้าสู่วงจรและอาจเปลี่ยนเป็นความร้อน หากกระแสเหนี่ยวนำเสริมการเคลื่อนที่ที่ทำให้เกิดมันโดยไม่ต้องรับพลังงาน ระบบก็จะสร้างพลังงานจากความว่างเปล่าได้ไม่สิ้นสุด การต้านตามกฎของเลนซ์จึงสอดคล้องกับการอนุรักษ์พลังงาน แม่เหล็กถาวรเพียงอย่างเดียวไม่ใช่แหล่งพลังงานที่ใช้ได้ไม่หมด

ดึงขั้วเหนือออกจากขดลวดวงจรปิด ปลายขดลวดด้านใกล้แม่เหล็กกลายเป็นขั้วใด?

เมื่อขั้วเหนือเคลื่อนออก ฟลักซ์จากมันที่ผ่านขดลวดลดลง ตามกฎของเลนซ์ สนามจากกระแสในขดลวดต้องต้านการลดลงนี้

ขดลวดต้องดึงดูด N ที่กำลังถอยออก ปลายด้านใกล้จึงกลายเป็นขั้วใต้ S ถ้าเป็นขั้วเหมือนกันจะให้ผลตรงข้าม

หากหยุดแม่เหล็กและไม่เปลี่ยนสิ่งอื่น ฟลักซ์ภายนอกก็หยุดเปลี่ยน ในขดลวดทั่วไป กระแสจะดับลงหลังช่วงเปลี่ยนผ่าน

ปลายด้านใกล้กลายเป็นขั้วใต้ แรงดึงดูดต้านการดึงแม่เหล็กออก จึงต้องทำงานจากภายนอกเพื่อให้เคลื่อนออกต่อไป

การเหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนฟลักซ์ผ่านวงลวด ไม่ใช่เพียงการมีแม่เหล็กหรือการเคลื่อนที่ใด ๆ

แรงเคลื่อนไฟฟ้าและแรงดันอาจเกิดได้แม้วงจรเปิด แต่กระแสเหนี่ยวนำที่ไหลต่อเนื่องต้องมีเส้นทางนำไฟฟ้าที่ปิด

กฎของเลนซ์กำหนดให้การกระทำต้านการเปลี่ยนฟลักซ์ และช่วยสืบหาที่มาของพลังงานที่ได้รับ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้การหมุนเปลี่ยนฟลักซ์อย่างต่อเนื่อง ต่อไปจะติดตามเส้นทางพลังงานไปถึงผู้ใช้