ไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันอย่างสลับซับซ้อน นำไปสู่การใช้คำว่าแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่หลบเลี่ยงขอบเขตที่เป็นจริงจนกระทั่งช่วงครึ่งหลังของปี ค.ศ. 1800 เมื่อเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ ต่อยอดจากผลงานของ นักฟิสิกส์ที่นับถือต่อหน้าเขา ได้สร้างชุดสมการเชิงอนุพันธ์ (แคลคูลัส) ที่มีชื่อเสียงสี่ชุด เชื่อมโยงคุณสมบัติต่างๆ ของสนามแม่เหล็กและ สนามไฟฟ้า
ความเข้าใจสนามแม่เหล็กหรือเส้นสนามแม่เหล็กผ่านระนาบเรขาคณิตที่กำหนดเรียกว่า aพื้นที่เวกเตอร์นำไปสู่ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สำคัญหลายประการ ได้แก่การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าหรือการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF)
ฟลักซ์แม่เหล็กคืออะไร?
ฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดเป็นตัววัดของมีเส้นสนามแม่เหล็กกี่เส้นผ่านพื้นที่ผิวที่กำหนด A– นั่นคือ การวัดความแรงของสนามแม่เหล็ก เป็นทางการมากขึ้นถูกกำหนดเป็น:
\Phi_B=B\cdot A=BA\cos{\theta}
โดยที่ θ คือมุมระหว่างสนามแม่เหล็ก B และตั้งฉากกับ Aที่บริเวณที่กำหนด
- สนามแม่เหล็ก B หรือ theความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กต่อหน่วยพื้นที่, วัดเป็นเทสลา (T) ในหน่วย SI ในขณะที่ A คือพื้นที่ที่สนามผ่านในหน่วย m2. หน่วย SI ของฟลักซ์แม่เหล็กคือเวเบอร์ (Wb) โดยที่ Wb = T⋅m2.
ถ้า B ไม่เท่ากันบนพื้นผิวของ A นิยามแคลคูลัสก็คือ Φ = ∫B⋅dA ฟังก์ชันอินทิกรัลพื้นผิวนี้หมายความว่าค่าฟลักซ์ผ่านส่วนเล็กๆ เกือบอนันต์ของ A ถูกกำหนดอย่างอิสระและรวมเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ค่าคอมโพสิต
ฟลักซ์แม่เหล็กมีความสำคัญอย่างไร?
กฎของเกาส์: ฟลักซ์แม่เหล็กสุทธิผ่านพื้นผิวปิด คือ 0. นี่เป็นสมการที่สองของแมกซ์เวลล์ และสอดคล้องกับแนวคิดที่ว่าไม่มีขั้วแม่เหล็กขั้วเดียว
ไม่ว่าคุณจะเลือกปริมาตรที่น้อยเพียงใด สนามแม่เหล็กก็สามารถอธิบายได้เสมอว่ารวมถึงไดโพลหรือแม่เหล็กแท่งเล็กๆ ที่มองไม่เห็น สิ่งนี้แตกต่างกับสนามไฟฟ้าซึ่งเกิดจากประจุแบบจุด (หรืออาร์เรย์ของประจุแบบจุดแยกได้)
กฎแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์:ชักนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า(EMF) ในขดลวดที่มี N รอบคือ N คูณด้วยการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ตามเวลา:
EMF=N\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}
ฟลักซ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ทันเวลาโดยเปลี่ยน B เปลี่ยนแปลงพื้นที่หน้าตัด A หรือเปลี่ยนมุมระหว่าง B และ A โดยการหมุนขดลวดหรือแหล่งกำเนิดภาคสนาม
- EMF มีหน่วยของแรงดัน (ความต่างศักย์) ไม่ใช่แรง มันถูกขนานนามว่า "แรง" เพราะแรงดันไฟฟ้าเป็นสิ่งที่เหนี่ยวนำให้ประจุเคลื่อนที่ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตอนแรก
กฎของเลนซ์:กระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำจะไหลไปในทิศทางที่ขัดต่อการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น สมมติว่าคุณมีขดลวดที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานใดๆ
ลองนึกภาพการเคลื่อนแท่งแม่เหล็กตามยาวเข้าไปตรงกลางของขดลวดตามแกนของมัน เหมือนกับการสอดแท่งเหล็กลงไปตรงกลางของท่อยาวโดยไม่ต้องสัมผัสด้านข้างของท่อ สนามที่เพิ่มขึ้นนี้ในขดลวดเหนี่ยวนำให้กระแสไหลไปในทิศทางที่มันสร้างสนามแม่เหล็กที่ต่อต้านการเพิ่มขึ้น
หากคุณทำขั้นตอนนี้ซ้ำหลังจากสลับขั้วใต้และขั้วเหนือของแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจะเท่ากัน ในขนาดและทิศทางตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับกรณีแรกและกระแสจะไหลในทิศทางตรงกันข้ามเป็น a ผลลัพธ์.