1
ก ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ชุดนี้ มีวัตถุประสงค์เพื่อส่งเสริมแนวคิดและพัฒนาผลสัมฤทธิ์ทางการเรียนของนักเรียน ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ผู้จัดทำได้เรียบเรียงเนื้อหาความรู้โดยยึดตามหลักสูตร แกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551 ซึ่งมีเนื้อหาที่เหมาะสมกับ นักเรียน เพื่อให้นักเรียนได้ใช้ประกอบการเรียน ในห้องเรียนและศึกษาค้นคว้า เพิ่มเติมด้วยตนเอง ชุดกิจกรรมฉบับนี้มีเนื้อหาทั้งหมด 5 เรื่องใหญ่ๆ ได้แก่ แม่เหล็ก และสนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็ก การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวดที่มี กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ไฟฟ้า กระแสสลับ ชุดกิจกรรมชุดนี้เป็นชุดที่ 3 ใช้ประกอบการเรียนรู้แผนการจัดการ เรียนรู้ที่ 1 ที่มีองค์ประกอบที่สำคัญ คือ แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน บัตร ความรู้ บัตรกิจกรรม ได้เน้นให้นักเรียนได้สืบเสาะหาความรู้ ได้ฝึกปฏิบัติและ สามารถสร้างองค์ความรู้ด้วยตนเองได้เมื่อผู้เรียนฝึกปฏิบัติกิจกรรมตามขั้นตอนที่ ผู้สอนกำหนดไว้ได้ ผู้จัดทำขอบคุณผู้ที่มีส่วนเกี่ยวกับข้องกับทุกท่านที่ให้คำแนะนำ ให้คำปรึกษา ตรวจสอบความถูกต้องของเนื้อหา จนทำให้ชุดกิจกรรมฉบับนี้ สำเร็จลุล่วงได้ด้วยดี หวังเป็นอย่างยิ่งว่าชุดกิจกรรมการเรียนรู้ฉบับนี้ จะเป็นประโยชน์แก่นักเรียนและ ครูผู้สอนท่านอื่นๆ ที่นำไปใช้ในการพัฒนาการเรียนการสอนให้มีประสิทธิภาพ ต่อไป สายรุ้ง สุวรรณไตรย์
ข เรื่อง หน้า คำนำ ก สารบัญ ข คำชี้แจง .................................................................................................... 1 คำแนะนำสำหรับนักเรียน.......................................................................... 3 ผลการเรียนรู้ และสาระการเรียนรู้เพิ่มเติม................................................. 4 จุดประสงค์การเรียนรู้ชั่วโมงที่ 1................................................................. 5 แบบทดสอบก่อนเรียน เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวด ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน............................................................................ 6 บัตรความรู้ เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวดที่มี กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน................................................................................ 10 บัตรกิจกรรมที่ 3.1 โจทย์ปัญหา เรื่อง โมเมนต์ของแรงคู่ควบ........................ 17 บัตรกิจกรรมที่ 3.2 โจทย์ปัญหา เรื่อง แกลแวนอมิเตอร์............................... 21 จุดประสงค์การเรียนรู้ชั่วโมงที่ 2................................................................. 24 บัตรกิจกรรมที่ 3.3 เรียนรู้เรื่อง มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง............................ 26 แบบทดสอบหลังเรียน เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวด ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน........................................................................... 30 เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน.................................................. 35 เฉลยบัตรกิจกรรมที่ 3.1-3.3........................................................................ 36
1 ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียน รู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เป็น ชุดกิจกรรมที่เน้นการพัฒนาความสามารถในการแก้ปัญหาด้วยวิธีการฝึกให้นักเรียน รู้จักศึกษาค้นคว้าหาความรู้ โดยกระตุ้นให้นักเรียนใช้กระบวนการทางความคิด หา เหตุผลจนค้นพบความรู้สึกหรือแนวทางในการแก้ปัญหาที่ถูกต้องด้วยตนเอง โดย เรียนรู้ตามขั้นตอนที่ระบุไว้ในชุดกิจกรรมด้วยความตั้งใจและมีความซื่อสัตย์ต่อ ตนเอง ซึ่งมีองค์ประกอบ ดังนี้ 1. ขอบข่ายเนื้อหา ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์ เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 แบ่งเนื้อหา ออกเป็น 5 เรื่อง ดังนี้ ชุดที่ 1 เรื่อง แม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก ชุดที่ 2 เรื่อง แรงแม่เหล็ก ชุดที่ 3 เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้า ไหลผ่าน ชุดที่ 4 เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ชุดที่ 5 เรื่อง ไฟฟ้ากระแสสลับ
2 1. เวลาการจัดกิจกรรม ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์ เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ใช้เวลาในการจัด กิจกรรม ทั้งหมด15 ชั่วโมง 1. องค์ประกอบของชุดกิจกรรม ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีรายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ในชุดกิจกรรม ชุดนี้มีองค์ประกอบ ดังนี้ 1. คำชี้แจง 2. คำแนะนำสำหรับนักเรียน 3. สาระและผลการเรียนรู้ 4. สาระสำคัญ จุดประสงค์การเรียนรู้ 5. แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน 6. บัตรความรู้ 7. บัตรกิจกรรมที่ 3.1-3.3 8. เฉลยบัตรกิจกรรม 9. บรรณานุกรม 10. ภาคผนวกเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน - หลังเรียน
3 ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ชุดที่ 3 เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ใช้เวลาในการสอน 2 ชั่วโมง ดังนี้ ⚫ ชั่วโมงที่ 1 เรื่อง แกลแวนอมิเตอร์ ⚫ ชั่วโมงที่ 2 เรื่อง มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อให้นักเรียนทราบบทบาทหน้าที่ของตนเองในขณะที่เรียนจากชุดกิจกรรม ซึ่งนักเรียนต้องปฏิบัติดังนี้ 1. ศึกษาจุดประสงค์การเรียนรู้ให้เข้าใจอย่างละเอียดชัดเจน 2. ทำแบบทดสอบก่อนเรียน จำนวน 10 ข้อ เพื่อประเมินความรู้พื้นฐาน ของนักเรียน 3. ฟังคำแนะนำในการใช้ชุดกิจกรรม ตั้งใจเรียนรู้ตามลำดับขั้นตอนที่กำหนด ไว้ขณะปฏิบัติกิจกรรมร่วมกันเป็นกลุ่มนักเรียนต้องทำงานด้วยความตั้งใจ 4. ลงมือปฏิบัติกิจกรรมตามขั้นตอนในชุดกิจกรรม (ศึกษาบัตรความรู้ และทำบัตรกิจกรรม) ตามขั้นตอน รวมถึงการนำเสนอผลการปฏิบัติกิจกรรม 5. เมื่อนักเรียนทำกิจกรรมครบแล้ว ทำแบบทดสอบหลังเรียน จำนวน 10 ข้อ เพื่อวัดความเข้าใจและเปรียบเทียบความก้าวหน้าทางการเรียนของนักเรียน หมายเหตุครูเป็นที่ปรึกษาคอยชี้แนะ แนะนำในการปฏิบัติกิจกรรม ทุกขั้นตอนอย่างใกล้ชิด
4 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ชุดที่ 3 เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวด ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ผลการเรียนรู้ 1. สังเกต และอธิบายเส้นสนามแม่เหล็ก อธิบายและคำนวณฟลักซ์แม่เหล็ก ในบริเวณที่กำหนดรวมทั้งสังเกตและอธิบายสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า ในลวดตัวนำเส้นตรงและโซเลนอยด์ได้ 2. อธิบาย และคำนวณแรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ ในสนามแม่เหล็กแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและวางใน สนามแม่เหล็ก รัศมีความโค้งของการเคลื่อนที่เมื่อประจุเคลื่อนที่ตั้งฉากกับ สนามแม่เหล็ก รวมทั้งอธิบายแรงระหว่างเส้นลวดตัวนำคู่ขนานที่มีกระแสไฟฟ้า ผ่านได้ 3. อธิบายหลักการทำงานของแกลแวนอมิเตอร์และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องได้ 4. สังเกต และอธิบายการเกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ กฎการเหนี่ยวนำของฟารา เดย์ และคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง รวมทั้งนำความรู้เรื่องอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ไปอธิบายการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าได้ 5. อธิบายและคำนวณความต่างศักย์อาร์เอ็มเอสและกระแสไฟฟ้าอาร์เอ็มเอสได้ 6. อธิบายหลักการทำงานและประโยชน์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส การแปลงอีเอ็มเอฟของหม้อแปลง และคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องได้ ไปศึกษาจุดประสงค์ การเรียนรู้พร้อม ๆ กันค่ะ
5 เรื่อง แกลแวนอมิเตอร์ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการคำนวณโมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำต่อ ขดลวดนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก รวมทั้งปริมาณที่เกี่ยวข้องได้ 2. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการทำงานของแกลแวนอมิเตอร์ได้ ด้านทักษะ/กระบวนการ (P) 3. นักเรียนสามารถทำกิจกรรมภาคปฏิบัติเพื่อศึกษาการทำงานของ แกลแวนอมิเตอร์รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องได้ 4. นักเรียนสามารถคำนวณหาแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่ง เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจากโจทย์ที่กำหนดให้ได้ 5. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ 6. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทำงานเป็นกลุ่ม ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 7. นักเรียนมีความซื่อสัตย์สุจริต มีวินัย ใฝ่เรียนรู้อยู่อย่างพอเพียง มุ่งมั่น ในการทำงานและมีจิตสาธารณะ
6 เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวด ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ......................................................................................................................... รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 คำชี้แจง แบบทดสอบเป็นปรนัย จำนวน 10 ข้อ รวม 10 คะแนน คำสั่ง ให้นักเรียนทำเครื่องหมายกากบาท () ที่นักเรียนเห็นว่าถูกต้องที่สุด เพียงคำตอบเดียวลงในกระดาษคำตอบ 1. จากรูป การเปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นทุกครั้งเมื่อระนาบของขดลวด ทำมุมเท่าใดกับสนามแม่เหล็ก ก. 30 องศา ข. 60 องศา ค. 90 องศา ง. 120 องศา
7 G (A) G (B) G E R S 2.ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง 1) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานกล 2) เมื่อหมุนขดลวดของมอเตอร์กระแสตรงไป 1/4 รอบ หรือ 90 องศา โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดมีค่ามากที่สุด 3) อุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวด ประกอบด้วยตัวทำ สลับที่หรือคอมมิวเทเตอร์ (commutator) และแปรง (brush) ข้อที่ถูกต้องคือข้อใด ก. 1 เท่านั้น ข. 1 และ 2 ค. 1 และ 3 ง. 2 และ 3 3. เมื่อนำแกลแวนอมิเตอร์ที่มีความไวมากต่อกับลวดตัวนำเป็นวงจร A แล้วนำมา วางใกล้กับวงจร B ซึ่งประกอบด้วยแบตเตอรี่ E สวิทซ์ S และความต้านทาน R ดังรูป แล้วกระทำการต่อไปนี้ ตามลำดับ 1) สับสวิทซ์ลง 2) ปล่อยให้สวิทซ์สับอยู่เช่นนั้นสักครู่หนึ่ง 3) เลื่อนวงจร B ออกไปทางซ้าย 4) เลื่อนวงจร B กลับมาที่เดิม 5) ยกสวิทซ์ขึ้น จงบอกว่า ขั้นตอนใดที่ไม่ทำให้เข็มแกลแวนอมิเตอร์กระดิก ก. 1 ข. 2 ค. 3 ง. 4
8 4.การสร้างแกลแวนอมิเตอร์โดยใช้ขดลวดตัวนำขนาดใหญ่ที่ทนกระแสไฟฟ้า ได้มากกับการสร้างแกลแวนอมิเตอร์โดยใช้ขดลวดขนาดเล็กแต่ใช้ชันต์ประกอบ วิธีสร้างแบบใดจะให้ผลดีกว่า ก. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดใหญ่ดีกว่า เพราะจะทำให้แกลแวนอมิเตอร์มีมวล มากเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบได้ดี ข. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดใหญ่ดีกว่า เพราะจะทำให้เกิดแรงบิดกลับได้ดีกว่า ค. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดเล็กดีกว่า เพราะมวลน้อยจะเกิดแรงบิดกลับได้ดีกว่า ง. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดใดก็ได้ 5. ข้อใดกล่าวไม่ถูกต้องเกี่ยวกับแกลแวนอมิเตอร์ ก. แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องวัดไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ข. แกลแวนอมิเตอร์ไม่สามารถนำไปดัดแปลงเป็นแอมมิเตอร์และโวลต์ มิเตอร์ได้ ค. มุมเบนของเข็มชี้ของแกลแวนอมิเตอร์ ทำให้ทราบค่าของโมเมนต์ของแรง คู่ควบ M ซึ่งนำไปหาค่าของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด หลักการนี้นำไปสร้าง เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าที่มีค่าน้อย ง. หลักการทำงานของแกลแวนอมิเตอร์คือ เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะ เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ทำให้ระนาบของขดลวดหมุนและสปริงก้นหอยบิด จนกระทั่งโมเมนต์ของแรงบิดกลับของสปริงก้นหอยเท่ากับโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ที่กระทำบนขดลวด ขดลวดก็จะหยุดหมุน ซึ่งมีผลให้เข็มชี้หยุดนิ่งด้วย 6. ขดลวดตัวนํารูปสี่เหลี่ยมพื้นที่ 10 cm2 วางอยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก 5 เทสลา ถ้าจํานวนขดลวดตัวนําเท่ากับ 400 รอบ จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ที่เกิดขึ้น เมื่อระนาบขดลวดทํามุม 600 กับแนวสนามแม่เหล็ก ค่าของกระแส ที่ผ่านขดลวดเท่ากับ 6 แอมแปร์ ก. 0.5 N-m ข. 6 N-m ค. 8.10 N-m ง. 100 N-m
9 7. ขดลวดวงกลมมีพื้นที่หน้าตัด 60 cm2 มีขดลวดพันอยู่ 600 รอบ และ มีกระแสไหล ผ่าน 1 A วางไว้ในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้ม 1 T โมเมนต์สูงสุดของขดลวดจะมีค่า กี่นิวตันเมตร ก. 3.6 N-m ข. 3600 N-m ค. 0.1 N-m ง. 100 N-m 8. ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ 2 เซนติเมตร จำนวน 300 รอบ มี กระแสไฟฟ้าผ่าน 10 mA ในสนามแม่เหล็กขนาด 0.05 เทสลา ถ้าขดลวดนี้หมุนใน สนามแม่เหล็ก ขนาดของโมเมนต์แรงคู่ควบสูงสุดที่เกิดขึ้นมีค่าเท่าไร ก. 5 x 10-2 N-m ข. 3 x 10-3 N-m ค. 6 x 10-5 N-m ง. 12 x 10-6 N-m 9. รูปใดแสดงเวคเตอร์ต่างๆ ในมอเตอร์ได้อย่างถูกต้องคือข้อใด ก. ข. ค. ง. 10. จงหาโมเมนต์ของขดลวดที่มีพื้นที่ 100 cm2 จำนวน 400 รอบ มีกระแสไหล 0.2 แอมแปร์ ในสนามแม่เหล็ก 0.5 เทสลา ก. 0.2 N-m ข. 0.24 N-m ค. 0.32 N-m ง. 0.4 N-m I B F I F B I B F F I B
10 การเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบบนขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านและอยู่ใน สนามแม่เหล็กซึ่งส่งผลให้ขดลวดบิดตัวหรือหมุน เป็นหลักการที่ใช้ในการสร้าง แกลเวนอมิเตอร์และมอเตอร์ไฟฟ้าขึ้นมาใช้งาน โดยส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ ทั้งสอง คือ ขดลวดที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็ก ถาวร 1. แกลแวนอมิเตอร์ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิด โมเมนต์ของแรงคู่ควบส่งผลให้ขดลวดนั้นเกิดการหมุนในสนามแม่เหล็กได้ ซึ่ง สามารถน ำไปสร้างอุปกรณ์ ไฟฟ้ าชนิดหนึ่ งที่เรียกว่า แกลแวน อมิเตอร์ (galvanometer) ดังภาพที่ 1 ภาพที่ 1 ส่วนประกอบหลักของแกลแวนอมิเตอร์ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 33
11 จากภาพที่ 1 ขดลวดจะพันรอบแกนเหล็กที่มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกอยู่ ในสนามแม่เหล็กที่เกิดจากแท่งแม่เหล็กเหนือ-ใต้ที่ปลายทั้งสองของแกนหมุนของ ขดลวดจะติดอยู่กับสปริงก้นหอย เมื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดสี่เหลี่ยม จะเกิด โมเมนต์ของแรงคู่ควบทำให้ขดลวดหมุน เข็มที่ติดอยู่กับแกนหมุนก็จะเบี่ยงเบนไป บนสเกลหน้าปัดในแนวระดับ และจะหยุดที่ตำแหน่งซึ่งแรงหมุนของขดลวดเป็น สัดส่วนโดยตรงกับโมเมนต์ของแรงคู่ควบ หรือเท่ากับแรงบิดตัวกลับของสปริง ก้นหอย จากสมการ M BINA = cos จะเห็นได้ว่า ถ้าให้ขดลวดสี่เหลี่ยมวางอยู่ ในสนามแม่เหล็กที่มีขนาดสม่ำเสมอ และขณะที่ขดลวดหมุน ระนาบของขดลวด สี่เหลี่ยมจะขนานกับทิศของสนามแม่เหล็กอยู่ตลอดเวลา ( =0 ) โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่ทำให้ขดลวดในเครื่องแกลแลนอมิเตอร์หมุนจึง เป็นไปตามสมการ M BINA = เมื่อขนาดของสนามแม่เหล็ก ( B ) จำนวนรอบของขดลวด ( N ) พื้นที่หน้าตัด ของขดลวด ( A ) จะมีค่าคงตัว ดังนั้น โมเมนต์ของแรงคู่ควบจะเป็นสัดส่วนโดยตรง กับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวด กล่าวคือ ถ้ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านเครื่องแกล แวนอมิเตอร์มาก เข็มบนสเกลหน้าปัดก็จะเบี่ยงเบนมากเนื่องจากแรงหมุนของ ขดลวดมีค่ามาก และถ้ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านเครื่องแกลแวนอมิเตอร์น้อย เข็มบน สเกลหน้าปัดก็จะเบี่ยงเบนไปน้อย เราจึงใช้หลักการนี้มาสร้างเป็นตัวเลขบนสเกล หน้าปัดเพื่อบอกค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเครื่องแกลแวนอมิเตอร์ได้
12 2. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็น พลังงานกล โดยอาศัยหลักการเดียวกับแกลแวนอมิเตอร์ กล่าวคือ เมื่อให้ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดสี่เหลี่ยมที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก ขดลวดสี่เหลี่ยมนั้น ก็สามารถหมุนได้ ถ้าเราต่อแกนหมุนของขดลวดนี้เข้ากับใบพัดหรือส่วนประกอบ ของเครื่องยนต์ต่าง ๆ จะทำให้เกิดพลังงานกลซึ่งนำไปใช้งานได้โดยส่วนประกอบ หลักของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ดังภาพที่ 2 ภาพที่ 2 ส่วนประกอบหลักของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 34 ส่วนประกอบที่สำคัญของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง มีดังนี้ ขั้วแม่เหล็กเหนือ-ใต้ทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กในมอเตอร์ ซึ่ง ขั้วแม่เหล็กอาจเป็นแม่เหล็กถาวรหรืออาจทำจากแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ โดยในมอเตอร์ จะเรียกขั้วแม่เหล็กเหนือ-ใต้นี้ว่า สเตเตอร์ (stator) ขดลวดอาร์มาเจอร์ (armature) เป็นขดลวดที่หมุนได้รอบตัว เมื่อมี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในขดลวดอาร์มาเจอร์ที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กจะทำให้ เกิดแรงกระทำต่อขดลวดแล้วเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบหมุนขดลวดอาร์มาเจอร์ คอมมิวเทเตอร์หรือวงแหวนผ่าซีก (commutator) เป็นส่วนประกอบ สำคัญที่จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดอาร์มาเจอร์ไหลไปในทิศที่ทำให้เกิด โมเมนต์ของแรงคู่ควบหมุนของขดลวดอาร์มาเจอร์ในทิศเดียวกันตลอดเวลา
13 แปรงสัมผัส (contact brush) ทำหน้าที่สัมผัสเบา ๆ กับคอมมิวเทเตอร์ โดยที่แปรงทั้งสองอยู่กับที่และใช้สำหรับต่อเข้ากับวงจรไฟฟ้า จากภาพที่ 2 เมื่อกระแสไฟฟ้า I จากขั้วบวกผ่านแปรงสัมผัส Q เข้าทาง คอมมิวเทเตอร์ y กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านขดลวดตามแนว DCBA แล้วออกคอมมิว เทเตอร์ x ผ่านแปรงสัมผัส P ไปสู่ขั้วลบ กระแสที่ไหลผ่านขดลวดในทิศดังกล่าว จะทำให้เกิดโมเมนต์ของคู่ควบหมุนขดลวดอาร์มาเจอร์ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา เมื่อขดลวดหมุนไปได้ครึ่งรอบคอมมิวเทเตอร์ x และ y ซึ่งเชื่อมติดกับปลาย ของขดลวดจะหมุนตามไปด้วย ดังนั้น คอมมิวเทเตอร์ y จะมาแตะกับแปรงสัมผัส P และคอมมิวเทเตอร์ x จะมาแตะกับแปรงสัมผัส Q กระแสไฟฟ้า I ซึ่งไหลออกจาก ขั้วบวกผ่าน P ก็จะไหลเข้าสู่ขดลวดทางคอมมิวเทเตอร์โมเมนต์ของคู่ควบที่เกิดขึ้นจึง มีทิศทางเดียวกันด้วย ลักษณะเช่นนี้เกิดขึ้นทุก ๆ ครึ่งรอบ ดังนั้น โมเมนต์ที่เกิดขึ้น ทุกขณะจึงทำให้ขดลวดหมุนไปทิศเดียวกันโดยตลอด ภาพที่ 3 แรงที่กระทำต่อขดลวดที่อยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าวนผ่าน ขดลวดในทิศทางเดียว ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 35
14 พิจารณาแรงที่กระทำต่อขดลวดที่อยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ ระหว่างขั้ว เหนือ-ใต้ของแม่เหล็ก โดยพิจารณาจากตำแหน่ง ที่ระนาบของขดลวดวางตัวขนาน กับสนามแม่เหล็ก เมื่อมีกระแสไฟฟ้าที่ผ่านเข้าสู่ปลายข้างขวาและวนออกทางปลาย ข้างซ้ายของขดลวด ดังภาพที่ 3 (ก) ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อ ขดลวด ส่งผลให้ขดลวดหมุนตามเข็มนาฬิกา ดังภาพที่ 3 (ข) และเมื่อขดลวดหมุนไป 90 องศา ระนาบของขดลวดจะตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังภาพที่ 3 (ค) ซึ่งที่ ตำแหน่งนี้ไม่เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่ต่อขดลวด (มีค่าเป็นศูนย์) แต่ผลจากความ เฉื่อยของขดลวดทำให้ขดลวดหมุนผ่านตำแหน่งนี้ไปได้ แต่ทันทีที่หมุนผ่าน ตำแหน่งที่ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่ กระทำต่อขดลวดจะกลับทิศ ทำให้ขดลวดหมุนทวนเข็มนาฬิกาย้อนกลับไปยัง ตำแหน่งที่ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังภาพที่ 3 (ง) เมื่อขดลวดหมุนย้อนกลับผ่านตำแหน่งที่ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับ สนามแม่เหล็ก โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดจะกลับทิศ ทำให้ขดลวด หมุนตามเข็มนาฬิกาอีกครั้ง นั่นคือขดลวดจะหมุนกลับไปกลับมาก ไม่หมุนอย่าง ต่อเนื่องในทิศทางเดียว เพื่อให้ลดลวดหมุนอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียว จึงต้อง เปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวด มอเตอร์กระแสตรงจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ สำหรับเปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวด คือ คอมมิวเทเตอร์และแปรงสัมผัส ดังภาพที่ 4 (ก) ภาพที่ 4 การหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 36
15 กระแสไฟฟ้าในขดลวดไหลผ่านตามแนว DCBA ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ ควบหมุนขดลวดตามเข็มนาฬิกา ดังภาพที่ 4 (ข) และ (ค) เมื่อขดลวดหมุนไปจน ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังภาพที่ 4 (ง) โมเมนต์ของแรงคู่ควบมี ค่าเป็นศูนย์ (พิจารณาสมการ M BINA = cos โดยที่ cos90 0 = ) แต่ความ เฉื่อยทำให้ขดลวดหมุนต่อไปอีกเล็กน้อยทำให้แปรงสัมผัส P และ Q เปลี่ยนจาก สัมผัสคอมมิวเทเตอร์ x และ y ไปสัมผัสกับคอมมิวเทเตอร์y และ x ตามลำดับ ทำให้ กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีทิศตามแนว ABCD และโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้น ขณะนี้จะทำให้ขดลวดหมุนในทิศทางเดิม ดังภาพที่ 4 (ฉ) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีขดลวดเพียงระนาบเดียว จึงใช้คอมมิวเทเตอร์ 1 คู่ ตำแหน่งที่ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กเป็นตำแหน่งซึ่งมีโมเมนต์ กระทำน้อยที่สุด จึงเพิ่มขดลวดในระนาบอื่นเพื่อให้โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ ต่อขดลวดมีค่ามากขึ้น มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงถูกนำไปใช้ทำให้เกิดการหมุนของ อุปกรณ์ในเครื่องยนต์ ตัวหมุนเทปในเครื่องบันทึกเสียง และตัวหมุนเครื่องยนต์ของ รถเมื่อสตาร์ต ตัวอย่างที่ 1 มอเตอร์เครื่องหนึ่งมีขดลวด 200 รอบ รัศมีเฉลี่ยของขดลวด 14 เซนติเมตร สนามแม่เหล็กของมอเตอร์ 0.05 เทสลา จงหาว่าเมื่อระนาบขดลวดทำมุม 60 องศา กับสนามแม่เหล็ก โดยมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด 3 แอมแปร์ โมเมนต์ของแรงคู่ ควบขณะเริ่มหมุนมีค่าเท่าไร วิธีทำ จากสมการ M = BINAcos M = 2 BIN r ( )cos60 M = 2 1 (0.05 T)(3 A)(0.14 m ) 2 M = 0.92 Nm ดังนั้น โมเมนต์ของแรงคู่ควบขณะเริ่มหมุนมีค่าเท่ากับ 0.92 นิวตัน เมตร
16 ตัวอย่างที่ 2 มอเต อร์ไฟ ฟ้ าอย่างง่ายเครื่องห นึ่ ง พัน เป็น เส้น ลวดท องแ ดงรูป สี่เหลี่ยมผืนผ้า 4.0 เซนติเมตร ยาว 5.0 เซนติเมตร จำนวน 50 รอบ หมุนได้รอบ แกน วางไว้ในสนามแม่เหล็กขนาด 30 มิลลิเทสลา ถ้าให้กระแสไฟฟ้าในขดลวด ขนาด 200 มิลลิแอมแปร์ จะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบกับขดลวดมากที่สุดเท่าใด วิธีทำ จากสมการของโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดกับขดลวดในสนามแม่เหล็ก M = BINBcos โมเมนต์ของแรงคู่ควบจะมีค่ามากที่สุดเมื่อ cos 1 = ดังนั้นจะได้สมการเป็น M = BINB แทน M = -3 -3 (50)(200 10 A)(0.04 m)(0.05m)(30 10 T) M = 6.0 x 10-4 N m ดังนั้น โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่มากที่สุดที่เกิดกับขดลวด เท่ากับ 6.0 x 10-4 นิวตัน เมตร ตัวอย่างที่ 3 ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมขนาด 20 ตารางเซนติเมตร มีจำนวนรอบ 500 รอบ วางอยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 0.5 เทสลา และมีกระแสไหลผ่าน 5 แอมแปร์ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเมื่อระนาบขดลวดทำมุม 60 องศา กับสนามแม่เหล็ก มีค่าเท่าไร วิธีทำ จากโจทย์ทราบ A = 20 cm2 = 20 x 10-4 m 2 , N = 500 รอบ, B = 0.5 T, I = 5 A และ = 60o จากสมการ M = NIBcos = 4 (500)(5)(20 10 )(0.5)cos60 − = 4 (500)(5)(20 10 )(0.5) 1 2 − = 1.25 N m ดังนั้น โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเท่ากับ 1.25 นิวตัน-เมตร
17 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชื่อ-นามสกุล........................................................................ เลขที่ ......... ชั้น ม.6 คำชี้แจง ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง 1. ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมขนาด 20 ตารางเซนติเมตร มีจำนวนรอบ 500 รอบ วงอยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 0.5 เทสลา และมีกระแสไหลผ่าน 5 แอมแปร์ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเมื่อระนาบขดลวดทำมุม 60 องศา กับสนามแม่เหล็กมีค่าเท่าไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. โจทย์ปัญหา เรื่อง โมเมนต์ของแรงคู่ควบ
18 2. ขดลวดวงกลมจำนวน 200 รอบ มีรัศมีเฉลี่ยเท่ากับ 0.5 มิลลิเมตร วางอยู่ใน สนามแม่เหล็กขนาด 2 x 106 เทสลา โดยระนาบขดลวดทำมุม 30 องศากับ แนวสนามแม่เหล็ก เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดทำให้เกิดโมเมนต์ ของแรงคู่ควบ 50 3 นิวตัน-เมตร กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีค่ากี่แอมแปร์ .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 3. ขดลวดตัวนำรูปวงกลมรัศมี7 เซนติเมตร มีจำนวน 100 รอบ มีกระแสไฟฟ้า 2 แอมแปร์อยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 0.2 เทสลา ปริมาณต่อไปนี้ มีค่าเท่าไร ก. โมเมนต์ของขดลวดที่มากที่สุด ข. ตำแหน่งของขดลวดที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของค่าโมเมนต์สูงสุด .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. ..................................................................................................................................
19 .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. เกณฑ์การประเมินบัตรกิจกรรมที่ 3.1 1. เกณฑ์การประเมิน รายการ คะแนน การเขียนประโยคสัญลักษณ์ 1. เขียนประโยคสัญลักษณ์ถูกต้อง 2. เขียนประโยคสัญลักษณ์ได้ถูกต้องแต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนประโยคสัญลักษณ์ไม่ถูกต้อง 2 1 0 การเขียนแสดงวิธีทำ 1. เขียนแสดงวิธีทำได้ถูกต้อง ชัดเจน 2. เขียนแสดงวิธีทำได้แต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนแสดงวิธีทำไม่ถูกต้อง 2 1 0 การแสดงคำตอบ 1. เขียนแสดงคำตอบถูกต้อง 2.เขียนแสดงคำตอบไม่ถูกต้อง 1 0
20 2. เกณฑ์การตัดสินระดับคุณภาพ ช่วงคะแนน ระดับคุณภาพ ระดับคุณภาพ 12 – 15 3 ☺ = ดี 8 – 11 2 = พอใช้ 0 – 7 1 = ปรับปรุง 3. นักเรียนต้องได้คะแนนในระดับคุณภาพ 3 ขึ้นไป ถือว่า ผ่านเกณฑ์
21 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชื่อ-นามสกุล........................................................................ เลขที่ ......... ชั้น ม.6 คำชี้แจง ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง 1. ลวดตัวนำแข็งตรง ab วางพาดอยู่บนรางตัวนำซึ่งต่อเป็นวงจรกับแบตเตอรี่ 12 โวลต์ ความต้าน ทาน 3 โอห์ม ดังภาพ ถ้าลวดตัวน ำ ab อยู่ใน สนามแม่เหล็ก 0.15 เทสลา ซึ่งมีทิศทางตั้งฉากกับลวด สนามแม่เหล็กจะทำให้ เกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำ ab .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. โจทย์ปัญหา เรื่อง แกลแวนอมิเตอร์
22 2. ขดลวดวงกลมมีพื้นที่หน้าตัด 60 ตารางเซนติเมตร มีขดลวดพันอยู่จำนวน 600 รอบและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน 1 แอมแปร์ วางไว้ในสนามแม่เหล็กที่มี ขนาดเท่ากับ 1 เทสลา จงหาโมเมนต์สูงสุดของขดลวด .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 3. ขดลวดตัวนำ รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีพื้นที่ 10 ตารางเซนติเมตร วางอยู่ในบริเวณ ที่มีสนามแม่เหล็ก ขนาดเท่ากับ 5 เทสลา ถ้าจำนวนขดของลวดตัวนำ เท่ากับ 400 รอบ จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ที่เกิดขึ้นเมื่อระนาบขดลวดทำมุม 60 องศากับทิศทางของสนามแม่เหล็ก (กำหนดให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด เท่ากับ 6 แอมแปร์) .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. ..................................................................................................................................
23 เกณฑ์การประเมินบัตรกิจกรรมที่ 3.2 1. เกณฑ์การประเมิน รายการ คะแนน การเขียนประโยคสัญลักษณ์ 1. เขียนประโยคสัญลักษณ์ถูกต้อง 2. เขียนประโยคสัญลักษณ์ได้ถูกต้องแต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนประโยคสัญลักษณ์ไม่ถูกต้อง 2 1 0 การเขียนแสดงวิธีทำ 1. เขียนแสดงวิธีทำได้ถูกต้อง ชัดเจน 2. เขียนแสดงวิธีทำได้แต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนแสดงวิธีทำไม่ถูกต้อง 2 1 0 การแสดงคำตอบ 1. เขียนแสดงคำตอบถูกต้อง 2.เขียนแสดงคำตอบไม่ถูกต้อง 1 0 2. เกณฑ์การตัดสินระดับคุณภาพ ช่วงคะแนน ระดับคุณภาพ ระดับคุณภาพ 12 – 15 3 ☺ = ดี 8 – 11 2 = พอใช้ 0 – 7 1 = ปรับปรุง 3. นักเรียนต้องได้คะแนนในระดับคุณภาพ 3 ขึ้นไป ถือว่า ผ่านเกณฑ์
24 เรื่อง มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงได้ ด้านทักษะ/กระบวนการ (P) 2. นักเรียนสามารถทำกิจกรรมภาคปฏิบัติเพื่อศึกษาการทำงานของมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสตรง รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องได้ 3. นักเรียนสามารถคำนวณหาแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่ง เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจากโจทย์ที่กำหนดให้ได้ 4. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ 5. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทำงานเป็นกลุ่ม ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 6. นักเรียนมีความซื่อสัตย์สุจริต มีวินัย ใฝ่เรียนรู้อยู่อย่างพอเพียง มุ่งมั่น ในการทำงานและมีจิตสาธารณะ
25 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชื่อ-นามสกุล........................................................................ เลขที่ ......... ชั้น ม.6 คำชี้แจง ให้นักเรียนตอบคำถามต่อไปนี้ 1. วงแหวนผ่าซีกในมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างง่ายมีประโยชน์อย่างไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 2. จากการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง จะเห็นว่าการต่อขั้วบวกและขั้วลบ ของแบตเตอรี่เข้ากับแปรงสัมผัส ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าแปรงสัมผัสกระแสไฟฟ้า ผ่านแปรงสัมผัสจะมีการกลับทิศทางหรือไม่ อย่างไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 3. หากต้องการให้โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อมอเตอร์มีค่าสม่ำเสมอมากขึ้น ควรทำอย่างไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. เรียนรู้เรื่อง มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
26 4. ให้นักเรียนอธิบายหลักการทำงานของคอมมิวเทเตอร์ในมอเตอร์กระแสตรง ในแต่ละขั้นตอน .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. ..................................................................................................................................
27 5. ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง โจทย์ ขดลวดวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 เซนติเมตร จำนวน 12 รอบ มีกระแสไฟฟ้าผ่าน 5 แอมแปร์วางอยู่ในสนามแม่เหล็กขนาด 0.6 เทสลา จงหา ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวด ข. มุมระหว่างระนาบของขดลวดกับสนามแม่เหล็กที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่ง ของโมเมนต์มากที่สุดที่กระทำต่อขดลวด .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. ..................................................................................................................................
28 เกณฑ์การประเมินบัตรกิจกรรมที่ 3.3 1. เกณฑ์การประเมิน 1.1 ข้อ 1 – 3 (ข้อละ 1 คะแนน) รายการ คะแนน 1. เขียนแสดงคำตอบถูกต้อง 2.เขียนแสดงคำตอบไม่ถูกต้อง 1 0 1.2 ข้อ 4 (5 คะแนน) รายการ คะแนน การเขียนประโยคสัญลักษณ์ 1. เขียนประโยคสัญลักษณ์ถูกต้อง 2. เขียนประโยคสัญลักษณ์ได้ถูกต้องแต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนประโยคสัญลักษณ์ไม่ถูกต้อง 2 1 0 การเขียนแสดงวิธีทำ 1. เขียนแสดงวิธีทำได้ถูกต้อง ชัดเจน 2. เขียนแสดงวิธีทำได้แต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนแสดงวิธีทำไม่ถูกต้อง 2 1 0 การแสดงคำตอบ 1. เขียนแสดงคำตอบถูกต้อง 2.เขียนแสดงคำตอบไม่ถูกต้อง 1 0 1.3 ข้อ 5 (5 คะแนน) รายการ คะแนน การเขียนประโยคสัญลักษณ์ 1. เขียนประโยคสัญลักษณ์ถูกต้อง 2. เขียนประโยคสัญลักษณ์ได้ถูกต้องแต่ไม่สมบูรณ์ 3. เขียนประโยคสัญลักษณ์ไม่ถูกต้อง 2 1 0
29 รายการ คะแนน การเขียนสรุปความ 1. เขียนได้ตรงประเด็นตามที่กำหนดไว้มีรูปแบบการเขียนชัดเจน ตัวสะกดและไวยากรณ์มีความถูกต้อง สมบูรณ์ ทำให้ผู้อ่านเข้าใจง่าย มีแนวคิดที่น่าสนใจ ใช้ภาษาสละสลวย 2. เขียนได้ตรงประเด็นตามที่กำหนดไว้มีรูปแบบการเขียนที่ชัดเจน ภาษาที่ใช้ทำให้ผู้อ่านเข้าใจ 3. เขียนไม่ตรงประเด็น รูปแบบการเขียนไม่ถูกต้อง ภาษาที่ใช้ทำให้ ผู้อ่านเกิดความสับสน ใช้ศัพท์ที่เหมาะสม 4. ไม่มีผลงาน 3 2 1 0 2. เกณฑ์การตัดสินระดับคุณภาพ ช่วงคะแนน ระดับคุณภาพ ระดับคุณภาพ 7 – 8 3 ☺ = ดี 4 – 6 2 = พอใช้ 0 – 3 1 = ปรับปรุง 3. นักเรียนต้องได้คะแนนในระดับคุณภาพ 3 ขึ้นไป ถือว่า ผ่านเกณฑ์
30 เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวด ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ......................................................................................................................... รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 คำชี้แจง แบบทดสอบเป็นปรนัย จำนวน 10 ข้อ รวม 10 คะแนน คำสั่ง ให้นักเรียนทำเครื่องหมายกากบาท () ที่นักเรียนเห็นว่าถูกต้องที่สุด เพียงคำตอบเดียวลงในกระดาษคำตอบ 1. ขดลวดตัวนํารูปสี่เหลี่ยมพื้นที่ 10 cm2 วางอยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก 5 เทสลา ถ้าจํานวนขดลวดตัวนําเท่ากับ 400 รอบ จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่ เกิดขึ้น เมื่อระนาบขดลวดทํามุม 600 กับแนวสนามแม่เหล็ก ค่าของกระแสที่ผ่าน ขดลวดเท่ากับ 6 แอมแปร์ ก. 0.5 N-m ข. 6 N-m ค. 8.10 N-m ง. 100 N-m 2. ขดลวดวงกลมมีพื้นที่หน้าตัด 60 cm2 มีขดลวดพันอยู่ 600 รอบ และ มีกระแสไหล ผ่าน 1 A วางไว้ในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้ม 1 T โมเมนต์สูงสุดของขดลวดจะมีค่า กี่นิวตันเมตร ก. 3.6 N-m ข. 3600 N-m ค. 0.1 N-m ง. 100 N-m
31 3. ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ 2 เซนติเมตร จำนวน 300 รอบ มี กระแสไฟฟ้าผ่าน 10 mA ในสนามแม่เหล็กขนาด 0.05 เทสลา ถ้าขดลวดนี้หมุน ในสนามแม่เหล็ก ขนาดของโมเมนต์แรงคู่ควบสูงสุดที่เกิดขึ้นมีค่าเท่าไร ก. 5 x 10-2 N-m ข. 3 x 10-3 N-m ค. 6 x 10-5 N-m ง. 12 x 10-6 N-m 4. รูปใดแสดงเวคเตอร์ต่างๆ ในมอเตอร์ได้อย่างถูกต้องคือข้อใด ก. ข. ค. ง. 5. จงหาโมเมนต์ของขดลวดที่มีพื้นที่ 100 cm2 จำนวน 400 รอบ มีกระแสไหล 0.2 แอมแปร์ ในสนามแม่เหล็ก 0.5 เทสลา ก. 0.2 N-m ข. 0.24 N-m ค. 0.32 N-m ง. 0.4 N-m I B F I F B I B F F I B
32 6. จากรูป การเปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นทุกครั้งเมื่อระนาบของขดลวด ทำมุมเท่าใดกับสนามแม่เหล็ก ก. 30 องศา ข. 60 องศา ค. 90 องศา ง. 120 องศา 7.ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง 1) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็น พลังงานกล 2) เมื่อหมุนขดลวดของมอเตอร์กระแสตรงไป 1/4 รอบ หรือ 90 องศา โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดมีค่ามากที่สุด 3) อุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวด ประกอบด้วยตัวทำ สลับที่หรือคอมมิวเทเตอร์ (commutator) และแปรง (brush) ข้อที่ถูกต้องคือข้อใด ก. 1 เท่านั้น ข. 1 และ 2 ค. 1 และ 3 ง. 2 และ 3
33 G (A) G (B) G E R S 8. เมื่อนำแกลแวนอมิเตอร์ที่มีความไวมากต่อกับลวดตัวนำเป็นวงจร A แล้วนำมา วางใกล้กับวงจร B ซึ่งประกอบด้วยแบตเตอรี่ E สวิตซ์ S และความต้านทาน R ดังรูป แล้วกระทำการต่อไปนี้ ตามลำดับ 1) สับสวิตซ์ลง 2) ปล่อยให้สวิตซ์สับอยู่เช่นนั้นสักครู่หนึ่ง 3) เลื่อนวงจร B ออกไปทางซ้าย 4) เลื่อนวงจร B กลับมาที่เดิม 5) ยกสวิตซ์ขึ้น จงบอกว่า ขั้นตอนใดที่ไม่ทำให้เข็มแกลแวนอมิเตอร์กระดิก ก. 1 ข. 2 ค. 3 ง. 4 9. การสร้างแกลแวนอมิเตอร์โดยใช้ขดลวดตัวนำขนาดใหญ่ที่ทนกระแสไฟฟ้าได้ มากกับการสร้างแกลแวนอมิเตอร์โดยใช้ขดลวดขนาดเล็กแต่ใช้ชันต์ประกอบ วิธีสร้างแบบใดจะให้ผลดีกว่า ก. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดใหญ่ดีกว่า เพราะจะทำให้แกลแวนอมิเตอร์มีมวล มากเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบได้ดี ข. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดใหญ่ดีกว่า เพราะจะทำให้เกิดแรงบิดกลับได้ดีกว่า ค. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดเล็กดีกว่า เพราะมวลน้อยจะเกิดแรงบิดกลับได้ดีกว่า ง. ใช้ขดลวดตัวนำขนาดใดก็ได้
34 10. ข้อใดกล่าวไม่ถูกต้องเกี่ยวกับแกลแวนอมิเตอร์ ก. แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องวัดไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ข. แกลแวนอมิเตอร์ไม่สามารถนำไปดัดแปลงเป็นแอมมิเตอร์และโวลต์ มิเตอร์ได้ ค. มุมเบนของเข็มชี้ของแกลแวนอมิเตอร์ ทำให้ทราบค่าของโมเมนต์ของ แรงคู่ควบ M ซึ่งนำไปหาค่าของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด หลักการนี้นำไปสร้าง เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าที่มีค่าน้อย ง. หลักการทำงานของแกลแวนอมิเตอร์คือ เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด จะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ทำให้ระนาบของขดลวดหมุนและสปริงก้นหอยบิด จนกระทั่งโมเมนต์ของแรงบิดกลับของสปริงก้นหอยเท่ากับโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ที่กระทำบนขดลวด ขดลวดก็จะหยุดหมุน ซึ่งมีผลให้เข็มชี้หยุดนิ่งด้วย ***************************
35 บรรณนานุกรม ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ. (มปป.). คู่มือเตรียมสอบฟิสิกส์ ม.4 – 6 สาระ การเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์. กรุงเทพฯ : ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง. ทัศนียา อ่อยอารีย์และคณะ. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 1. ตามผลการเรียนรู้ การเรียนรู้ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ : แม็คเอ็ดดูเคชั่น. นิรันดร์ สุวรัตน์. (มปป.). คู่มือสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม กลุ่มสาระ การเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ฟิสิกส์ ม. 4 กลศาสตร์ 1. กรุงเทพฯ : พัฒนาศึกษา. ปรีชา ไชยเพ็ชร. (2551). ฟิสิกส์พื้นฐานและเพิ่มเติม. กรุงเทพฯ: ซี.วี.แอล การพิมพ์. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, กระทรวงศึกษาธิการ. ตัวชี้วัดและสาระการเรียนรู้แกนกลาง กลุ่มสาระ การเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี(ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตาม หลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพฯ : ชุมนุมสหกรณ์การเกษตรแห่งประเทศไทย, 2560. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชา เพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 5 (พิมพ์ครั้งที่ 11). กรุงเทพฯ : สกสค. ลาดพร้าว. ________. (2563). คู่มือครู รายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 5 (พิมพ์ครั้งที่ 11). กรุงเทพฯ : สกสค. ลาดพร้าว. สุธิษา เละเซ็น และคณะ. (2564). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 1. ตามผลการเรียนรู้ การเรียนรู้ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ : เจริญทัศน์ อจท..
36 ________. (2564). คู่มือรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 1. ตามผลการเรียนรู้การเรียนรู้ กลุ่มสาระ การเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ : เจริญทัศน์ อจท.. อภิญญา แช๋โง้ว และคณะ. (2560). สรุปและแนวข้อสอบฟิสิกส์ เพื่อการทดสอบ เข้ามหาลัยโดยเฉพาะครอบคลุมเนื้อหาตั้งแต่ ม.4-6 พร้อมแนวข้อสอบ. กรุงเทพฯ : ธิงค์ บียอนด์บุ๊คส์. อดิชาต บ้วนกียาพันธุ์. (มปป.). ฉบับพิชิตข้อสอบ O-NET, A-NET ฟิสิกส์ ม. 4- 6. กรุงเทพฯ : ภูมิบัณฑิตการพิมพ์.
37 ภาคผนวก
38 แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน เรื่อง การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ข้อ เฉลยก่อนเรียน ข้อ เฉลยหลังเรียน 1 ค 1 ข 2 ค 2 ก 3 ข 3 ค 4 ค 4 ง 5 ข 5 ง 6 ข 6 ค 7 ก 7 ค 8 ค 8 ข 9 ง 9 ค 10 ง 10 ข (เฉลยคำตอบ)
39 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี คำชี้แจง ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง 1. ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมขนาด 20 ตารางเซนติเมตร มีจำนวนรอบ 500 รอบ วงอยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 0.5 เทสลา และมีกระแสไหลผ่าน 5 แอมแปร์ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเมื่อระนาบขดลวดทำมุม 60 องศา กับสนามแม่เหล็กมีค่าเท่าไร วิธีทำ จากโจทย์ทราบ A = 20 cm2 = 20 x 10-4 m2, N = 500 รอบ, B = 0.5 T, I = 5 A และ = 60o จากสมการ M = NIABcos = -4 (500)(5)(20 10 )(0.5)cos60 = -4 1 (500)(5)(20 10 )(0.C) 2 = 1.25 Nm ดังนั้น โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเท่ากับ 1.25 นิวตัน-เมตร โจทย์ปัญหา เรื่อง โมเมนต์ของแรงคู่ควบ (เฉลยคำตอบ)
40 2. ขดลวดวงกลมจำนวน 200 รอบ มีรัศมีเฉลี่ยเท่ากับ 0.5 มิลลิเมตร วางอยู่ใน สนามแม่เหล็กขนาด 2 x 106 เทสลา โดยระนาบขดลวดทำมุม 30 องศากับ แนวสนามแม่เหล็ก เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดทำให้เกิดโมเมนต์ ของแรงคู่ควบ 50 3 นิวตัน-เมตร กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีค่ากี่แอมแปร์ วิธีทำ จากโจทย์ทราบ N = 200 รอบ, r = 0.5 mm = 0.5 x 10-3 m, B = 2 x 106 T, = 30 o และ M = 50 3 Nm จากสมการ M = NIABcos = 2 NI r B ( ) cos30 50 3 = -3 2 6 3 (200)I( )(0.5 10 ) (2 10 ) 2 50 = 2 (200)(0.5) I I = 1 A ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีค่า 1 แอมแปร์ 3. ขดลวดตัวนำรูปวงกลมรัศมี7 เซนติเมตร มีจำนวน 100 รอบ มีกระแสไฟฟ้า 2 แอมแปร์อยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 0.2 เทสลา ปริมาณต่อไปนี้มีค่า เท่าไร ก. โมเมนต์ของขดลวดที่มากที่สุด ข. ตำแหน่งของขดลวดที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของค่าโมเมนต์สูงสุด วิธีทำ จากโจทย์ทราบ r = 7 cm = 7 x 10-2 m, N = 100 รอบ, I = 2 A และ 0.2 T ก. โมเมนต์ของขดลวดจะมีค่ามากที่สุดเมื่อระนาบของขดลวดขนาน กับสนามแม่เหล็ก = 0 o จากสมการ M = NIABcos = 2 NI r B ( ) cos = -2 2 (100)(2) (7 10 ) (0.2(I) = 2 (200)(0.5) I = 0.62 Nm ดังนั้น โมเมนต์ของขดลวดที่มากที่สุดมีค่าเท่ากับ 0.62 นิวตัน*เมตร
41 ข. จากข้อ ก. โมเมนต์สูงสุดมีค่าเท่ากับ 0.62 Nm โมเมนต์ครึ่งหนึ่งจะเท่ากับ • 0.62 =0.31 N m 2 จากสมการ M = NIABcos = 2 NI r B ( ) cos 0.31 = -2 2 (100)(2) (7 10 ) (0.2)cos cos = 0.50 = cos-1 (0.5 = 30o ดังนั้น ตำแหน่งของขดลวดที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของค่าโมเมนต์สูงสุด เท่ากับ 30 องศา
42 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี คำชี้แจง ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง 1. ลวดตัวนำแข็งตรง ab วางพาดอยู่บนรางตัวนำซึ่งต่อเป็นวงจรกับแบตเตอรี่ 12 โวลต์ ความต้าน ทาน 3 โอห์ม ดังภาพ ถ้าลวดตัวน ำ ab อยู่ใน สนามแม่เหล็ก 0.15 เทสลา ซึ่งมีทิศทางตั้งฉากกับลวด สนามแม่เหล็กจะทำให้ เกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำ ab วิธีทำ จากสมการ F = ILsin F = ILsin 90 F = -2 (4A)(5 10 m)(0.15 T)(1) = 0.03 N ดังนั้น สนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำ ab เท่ากับ 0.03 นิวตัน โจทย์ปัญหา เรื่อง แกลแวนอมิเตอร์ (เฉลยคำตอบ)
43 2. ขดลวดวงกลมมีพื้นที่หน้าตัด 60 ตารางเซนติเมตร มีขดลวดพันอยู่จำนวน 600 รอบและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน 1 แอมแปร์ วางไว้ในสนามแม่เหล็กที่มี ขนาดเท่ากับ 1 เทสลา จงหาโมเมนต์สูงสุดของขดลวด วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำกับขดลวดเป็นไปตามสมการ จากสมการ M = NLABcos มีค่าสูงสุดเมื่อ cos 1 = จะได้ว่าโมเมนต์สูงสุดของขดลวด M = NLAB แทนค่า M = -4 -2 (600)(1A)(60 10 m )(1 T) = 3.6 N m ดังนั้น โมเมนต์สูงสุดของขดลวดเท่ากับ 3.6 นิวตันเมตร 3. ขดลวดตัวนำ รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีพื้นที่ 10 ตารางเซนติเมตร วางอยู่ในบริเวณ ที่มีสนามแม่เหล็ก ขนาดเท่ากับ 5 เทสลา ถ้าจำนวนขดของลวดตัวนำเท่ากับ 400 รอบ จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ที่เกิดขึ้นเมื่อระนาบขดลวดทำมุม 60 องศากับทิศทางของสนามแม่เหล็ก (กำหนดให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด เท่ากับ 6 แอมแปร์) วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำกับขดลวดเป็นไป ตามสมการ จากสมการ M = NLABcos แทนค่า M = -4 -2 o (400)(6A)(10 10 m )(5 T)(cos60 ) = 6 N m ดังนั้น โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเท่ากับ 6 นิวตันเมตร
44 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี คำชี้แจง ให้นักเรียนตอบคำถามต่อไปนี้ 1. วงแหวนผ่าซีกในมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างง่ายมีประโยชน์อย่างไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 2. จากการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง จะเห็นว่าการต่อขั้วบวกและขั้วลบ ของแบตเตอรี่เข้ากับแปรงสัมผัส ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าแปรงสัมผัสกระแสไฟฟ้า ผ่านแปรงสัมผัสจะมีการกลับทิศทางหรือไม่ อย่างไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 3. หากต้องการให้โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อมอเตอร์มีค่าสม่ำเสมอมากขึ้น ควรทำอย่างไร .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. เรียนรู้เรื่อง หลักการทำงานมอเตอร์ไฟฟ้า กระแสตรง แนวคำตอบ วงแหวนผ่าซีกทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดกลับทิศทางเมื่อ หมุนผ่านตำแหน่งระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ทำให้โมเมนต์ ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดยังคงมีทิศทางเดิมต่อไป แนวคำตอบ แปรงสัมผัสไม่มีการกลับทิศทางของกระแสไฟฟ้า เพราะแปรง สัมผัสไม่ได้เคลื่อนที่และยังคงรับกระแสไฟฟ้าจากขั้วบวกและขั้วลบใน ทิศทางเดิม แนวคำตอบ เพิ่มจำนวนระนาบของขดลวด โดยขดลวดแต่ละขดจะต้องมี ระนาบทำมุมกันอย่างเหมาะสม (เฉลยคำตอบ)
45 4. ให้นักเรียนอธิบายหลักการทำงานของคอมมิวเทเตอร์ในมอเตอร์กระแสตรง ในแต่ละขั้นตอน .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. แนวคำตอบ จากภาพ (ก) กระแสไฟฟ้าผ่านเข้าสู่ขดลวดทางซีกซ้ายของคอมมิวเทเตอร์ (L) ซึ่งสัมผัสกับแปรงที่ต่อกับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง กระแสไฟฟ้า จะวนผ่านขดลวดจากปลายด้านซ้ายไปยังปลายด้านขวา โมเมนต์ของแรงที่เกิดขึ้น ทำให้ของลวดหมุนตามเข็มนาฬิกา ดังภาพ (ข) และตำแหน่งที่แต่ละซีกของ คอมมิวเทเตอร์สัมผัสกับแปรงจะเปลี่ยนไปแต่ยังคงเป็นแปรงอันเดิม เมื่อขดลวด หมุนไปจนระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังภาพ (ค) ที่ตำแหน่งนี้ ตำแหน่งที่เป็นช่องว่างระหว่างซีกซ้ายและขวาของคอมมิวเทเตอร์จะสัมผัสกับแปรง และไม่มีแรงกระทำต่อขดลวด แต่เพราะมีความเฉื่อยในการหมุนทำให้ขดลวดหมุน ผ่านตำแหน่งนี้ไปได้และส่งผลให้ซีกขวาของคอมมิเทเตอร์ (R) สัมผัสกับแปรงที่ต่อ กับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง กระแสไฟฟ้าจึงผ่านเข้าสู่ขดลวดทางซีก ขวาของคอมมิวเทเตอร์และวนผ่านขดลวดจากปลายด้านขวาไปยังปลายด้านซ้าย ผลจาการกลับทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวด ทำให้เกิดแรงกระทำต่อขดลวดให้หมุน ตามเข็มนาฬิกาต่อไป จนระนาบของขดลวดขนานกับสนามแม่เหล็กอีกครั้ง คือ กลับไปสู่สภาพการณ์ดังภาพ (ก) และเริ่มต้นกระบวนการใหม่
46 5. ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง โจทย์ ขดลวดวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 เซนติเมตร จำนวน 12 รอบ มีกระแสไฟฟ้าผ่าน 5 แอมแปร์วางอยู่ในสนามแม่เหล็กขนาด 0.6 เทสลา จงหา ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวด ข. มุมระหว่างระนาบของขดลวดกับสนามแม่เหล็กที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่ง ของโมเมนต์มากที่สุดที่กระทำต่อขดลวด วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำกับขดลวดเป็นไป ตามสมการ M = NIABcos มีค่าสูงสุดเมื่อ cos 1 = จะได้ว่าโมเมนต์สูงสุดของขดลวด M = NIAB ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวด หาได้จากสมการ M = NIAB แทนค่า M = 2 0.08 2 (12)(5 A) m (0.6 T) 2 = 0.18 N m ข. ขณะที่โมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของโมเมนต์ที่มากที่สุด จะได้ว่า M = 1 2 NIAB ได้ NIABcos = 1 2 NIAB cos = 1 2 ดังนั้น ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวดเท่ากับ 0.18 นิวตันเมตร ข. ตำแหน่งของขดลวดที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของโมเมนต์ ที่มากที่สุด ทำมุมกับสนามแม่เหล็ก 60 องศา
47