ชุดที่ 4 กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ก

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 4 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 1-2.............................................................. 5 แบบทดสอบก่อนเรียน เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ.................................................................................................. 6 บัตรความรู้1 เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ 9 บัตรกิจกรรมที่ 4.1 โจทย์ปัญหา เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ........................................................................ 17 บัตรกิจกรรมที่ 4.2 กิจกรรมทดลอง เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ................ 20 จุดประสงค์การเรียนรู้ชั่วโมงที่ 3-4............................................................ 27 บัตรความรู้2 เรื่อง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในมอเตอร์และเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า............................................................................................... 28 บัตรกิจกรรมที่ 4.3 เรียนรู้ เรื่อง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในมอเตอร์และ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า..................................................................................... 47 จุดประสงค์การเรียนรู้ชั่วโมงที่ 5-6............................................................. 51 บัตรกิจกรรมที่ 4.4 โจทย์ปัญหา เรื่อง หม้อแปลงไฟฟ้า................................ 52 บัตรกิจกรรมที่ 4.5 กิจกรรมทดลอง เรื่อง หม้อแปลง.................................... 56 แบบทดสอบหลังเรียน เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ................................................................................................... 61 เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน.................................................. 64 เฉลยคำตอบบัตรกิจกรรมที่ 4.1-4.5............................................................ 65

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 4.1-4.5 8. เฉลยบัตรกิจกรรม 9. บรรณานุกรม 10. ภาคผนวกเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน - หลังเรียน

3 ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์เรื่อง แม่เหล็กไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ชุดที่ 4 เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ใช้เวลาในการสอน 6 ชั่วโมง ดังนี้ ⚫ ชั่วโมงที่ 1–2 เรื่อง กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ⚫ ชั่วโมงที่ 3-4 เรื่อง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ⚫ ชั่วโมงที่ 5-6 เรื่อง หม้อแปลง 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 4 เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ 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 กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถบอกส่วนประกอบของหลักการทำงานของหลอดรังสี แคโทดได้ 2. นักเรียนสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กได้ 3. นักเรียนสามารถบอกได้ว่าสนามแม่เหล็กทำให้เกิดแรงกระทำต่อ อิเล็กตรอนให้เบนไปจากเดิมได้ ด้านทักษะ/กระบวนการ (P) 4. นักเรียนสามารถทำกิจกรรมภาคปฏิบัติเพื่อศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอน ในสนามแม่เหล็กด้วยหลอดรังสีแคโทดได้ 5. นักเรียนสามารถคำนวณหาแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่ง เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจากโจทย์ที่กำหนดให้ได้ 6. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ 7. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทำงานเป็นกลุ่ม ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 8. นักเรียนมีความซื่อสัตย์สุจริต มีวินัย ใฝ่เรียนรู้อยู่อย่างพอเพียง มุ่งมั่น ในการทำงานและมีจิตสาธารณะ

6 เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ......................................................................................................................... รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 คำชี้แจง แบบทดสอบเป็นปรนัย จำนวน 10 ข้อ รวม 10 คะแนน คำสั่ง ให้นักเรียนทำเครื่องหมายกากบาท () ที่นักเรียนเห็นว่าถูกต้องที่สุด เพียงคำตอบเดียวลงในกระดาษคำตอบ 1. จากภาพ ก เมื่อให้แม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านขดลวดทองแดงที่อยู่นิ่งไปมา จะทำให้เข็ม ของแกลแวนอมิเตอร์เบนไปจากตำแหน่งเดิม แปลว่ามีสิ่งใดเกิดขึ้นในขด ลวดทองแดง ก. กระแสไฟฟ้า ข. สนามแม่เหล็ก ค. สนามไฟฟ้า ง. ความเร็ว

7 2. จากภาพ ข. ถ้าให้แม่เหล็กอยู่นิ่ง แล้วเคลื่อนที่ขดลวดทองแดงไปมา ทำให้เข็ม ของแกลแวนอมิเตอร์เบนไปจากตำแหน่งเดิม แสดงเกิดอะไรขึ้นในขดลวดทองแดง ก. กระแสไฟฟ้า ข. สนามแม่เหล็ก ค. สนามไฟฟ้า ง. ความเร็ว 3. เมื่อให้ลวดตัวนำผ่านเข้าสนามแม่เหล็กที่อยู่นิ่ง ผลที่เกิดขึ้น คือข้อใด ก. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เบนออกจากสนามไฟฟ้า ข. การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ค. ลวดตัวนำอยู่นิ่ง ง. ไม่มีอะไรเกิดขึ้น 4. เมื่อให้ลวดตัวนำอยู่นิ่ง แล้วเคลื่อนสนามแม่เหล็กผ่านสิ่งที่เกิดขึ้นในลวดตัวนำ คือข้อใด ก. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เบนออกไปจากตำแหน่งเดิม ข. การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ค. สนามแม่เหล็กมีฟลักซ์ไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น ง. ไม่เกิดอะไรขึ้น 5. สิ่งที่เกิดขึ้น เกิดจากการเหนี่ยวนำระหว่างขดลวดตัวนำและสนามแม่เหล็ก เรียกสิ่งที่เกิดขึ้นว่าอะไร ก. แรงในสนามแม่เหล็ก ข. ความเร็วเหนี่ยวนำ ค. กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ง. แรงระหว่างประจุ

8 6. ถ้าต่อขดลวดให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าปลายทั้งสอง ของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า จึงเรียกแหล่งกำเนิด ไฟฟ้านี้ว่าอะไร ก. กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ข. แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ค. อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ง. ถูกทั้งข้อ ข และ ค 7. “แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดเป็นสัดส่วนกับอัตราการ เปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้นเมื่อเทียบกับเวลา” จากข้อความ ดังกล่าวเป็นกฏของใคร ก. กฏกการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ข. กฏของเลนซ์ ค. กฏการเคลื่อนที่ของนิวตัน ง. กฏของโอห์ม 8. “แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำใน ทิศทางที่จะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาเพื่อต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ แม่เหล็กที่ตัดขดลวดนั้น” คำกล่าวข้างต้นเป็นกฏของใคร ก. กฏการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ข. กฏของเลนซ์ ค. กฏการเคลื่อนที่ของนิวตัน ง. กฏของโอห์ม 9. ถ้าเพิ่มกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ จะทำให้มีค่าใดเพิ่มขึ้น ก. สนามแม่เหล็กเป็น 0 ข. สนามแม่เหล็กลดลง ค. สนามแม่เหล็กเท่าเดิม ง. สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอเพิ่มขึ้น 10. ข้อใดใช้หลักการกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ก. ตู้เย็น ข. เครื่องดูดฝุ่น ค. เครื่องปรับอากาศ ง. ถูกทุกข้อ

9 เมื่อนำขดลวดหมุนตัดกับเส้นสนามแม่เหล็กหรือทำให้เส้นสนามแม่เหล็ก เคลื่อนที่ตัดกับขดลวดตัวนำ พบว่า จะมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นที่ลวดตัวนำ เรียก ปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้น ว่า การเหนี่ ยวน ำแม่เหล็กไฟฟ้ า (electromagnetic induction) และกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น เรียกว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current) ลวดตัวนำเส้นตรงจะมีอิเล็กตรอนอยู่จำนวนมาก เมื่อทำให้ลวดตัวนำตัดผ่าน สนามแม่เหล็กหรือฟลักซ์แม่เหล็กในทิศที่ตั้งฉาก จะมีสภาพเหมือนเคลื่อนประจุ ไฟฟ้าตัดผ่านสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กกระทำกับประจุไฟฟ้าในลวด ตัวนำซึ่งประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ไปตามแนวเส้นลวด ทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่าง ปลายของลวดขึ้น และถ้าปลายลวดให้ครบวงจรจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร โดยลวดตัวนำที่เคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็กอยู่นั้น จะทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งเรียกแรงที่เกิดขึ้นนี้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force) หรือ อิเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ (induced e.m.f.)

10 ภาพที่ 1 การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวดตัวนำ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 39 จากภาพที่ 1 เมื่อเคลื่อนเส้นลวดตัวนำด้วยความเร็ว v ในทิศตั้งฉากกับ สนามแม่เหล็ก B จะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดตัวนำใน ทิศตั้งฉากกับระนาบของ v และ B ซึ่งจะอยู่ในแนวเส้นลวด PQ มีผลทำให้เกิด ความต่างศักย์ระหว่างปลายลวด PQ การหาทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำสามารถหาได้จากกฎมือขวา คือ ให้นิ้ว ทั้งสี่ชี้ตามทิศการเคลื่อน ที่ v ของเส้น ลวด แล้วกำนิ้ ววน ไปตามทิศของ สนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือจะแสดงทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็น ทิศของแรงที่กระทำต่อประจุบวกให้เคลื่อนที่ไปตามเส้นลวดและเกิดเป็น กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวด ภาพที่ 2 ลวดตัวนำ L เคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก B ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 39

11 จากภาพที่ 2 ถ้าลวดตัวนำเส้นตรงยาว L เคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก B ในทิศตั้งฉากด้วยความเร็ว v จะเกิดแรงทำต่อประจุ q ในเส้นลวด ดังสมการ F qvB = ทำให้ประจุเคลื่อนที่ไปตามลวดตัวนำคิดเป็นงานกระทำ (w) W Fs qvB L = =( )( ) งานนี้จะเป็นพลังงานที่ทำให้ประจุเคลื่อนที่ เมื่อพิจารณาว่าลวดตัวนำที่ เคลื่อนที่จะมีค่าของเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ( ) เท่ากับพลังงานที่แหล่งกำเนิดนั้น จะสามารถให้ได้ต่อการเคลื่อนที่ประจุไฟฟ้า W q = ( )( ) qvB L q = =vBL 1. กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ภาพที่ 3 การทดลองเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 40

12 ใน พ.ศ. 2374 ไมเคิล ฟาราเดย์(Michael Faraday) ได้ทดลองเพื่อศึกษา ความสัมพันธ์ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด โดยถ้าให้สนามแม่เหล็กพุ่งผ่านขดลวดที่อยู่นิ่งก็จะมี กระแสไฟฟ้าในขดลวดได้ และถ้าถึงแท่งแม่เหล็กออกจากขดลวดก็จะเกิด กระแสไฟฟ้าเช่นเดียวกัน แต่ถ้าให้แท่งแม่เหล็กอยู่นิ่งจะไม่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น ฟาราเดย์จึงสรุปว่า ถ้าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนค่าผ่านขดลวดใด ๆ ก็จะมี กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวดได้เอง ซึ่งเรียกว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังภาพที่ 3 จากภาพที่ 3 (ก) เมื่อเคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กเข้าหาขดลวด เข็มแกลแวนอ มิเตอร์จะเบนไปทางหนึ่ง และเมื่อแท่งแม่เหล็กออกจากขดลวด เข็มแกลแวนอ มิเตอร์จะเบนไปทางตรงข้ามการเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์ แสดงว่ามี กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวด และการเบนไปในทิศตรงข้ามของเข็มแกลแวนอ มิเตอร์ เมื่อเคลื่อนแท่งแม่เหล็กเข้าหาขดลวดกับเมื่อเคลื่อนแท่งแม่เหล็กออกจาก ขดลวด แสดงว่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดมีทิศตรงข้าม แต่ถ้าสอดแท่ง แม่เหล็กเข้าไปในขดลวดแล้วจับแท่งแม่เหล็กนิ่งไว้เข็มแกลแวนอมิเตอร์จะชี้ที่เลข ศูนย์(ไม่เบน) แสดงว่าไม่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวด กระแสไฟฟ้าจึงเกิดขึ้น ในขดลวดเฉพาะตอนที่แท่งแม่เหล็กกำลังเคลื่อนที่เท่านั้น จากภาพที่ 3 (ข) เมื่อเคลื่อนขดลวดเข้าหาแท่งแม่เหล็ก เข็มของแกลแวนอ มิเตอร์จะเบนไปทางหนึ่ง และเมื่อเคลื่อนที่ขดลวดออกจากแท่งแม่เหล็ก เข็มแกล แวนอมิเตอร์จะเบนไปทางตรงข้าม การเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์ แสดงว่า กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวด การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กบริเวณขดลวดส่งผลให้เกิดการ เปลี่ยน แปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่าน ขดลวด จึงสามารถสรุปได้ว่า เกิด แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นในขดลวด ซึ่งส่งผลให้มีกระแสไฟฟ้าในขดลวด เมื่อมี การเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

13 ฟาราเดย์จึงสรุปผลว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดเป็น สัดส่วนโดยตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงเทียบกับเวลาของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่าน ขดลวด ผลสรุปนี้ เรียกว่า กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์(Faraday’s law of induction) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า กฎของฟาราเดย์ ซึ่งเป็นกฎพื้นฐานทางไฟฟ้าและ แม่เหล็ก ถ้าให้ ( ) เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะเขียนสมการแทนกฎ ของฟาราเดย์ได้เป็น t = สำหรับขดลวดที่มี N รอบ จะเขียนสมการแทนกฎของฟาราเดย์ได้เป็น N t = − คือ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง t คือ เวลาที่ใช้ในการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็ก N คือ จำนวนรอบของขดลวด โดยเครื่องหมายลบในสมการ แสดงนัยของการด้านการเปลี่ยนแปลง ของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงลวดหรือขดลวด ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการทิศของ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (รวมทั้งทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ) ที่เกิดขึ้น ในขดลวด

14 2. กฎของเลนซ์ หลังจากฟาราเดย์พบว่า เมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงผ่านขดลวดจะทำให้ เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นในขดลวดนั้น ต่อมาเลนซ์สามารถหาทิศทางของ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไหลในขดลวดนั้นได้และได้ตั้งเป็นกฎของเลนซ์ (Lenz’s law) มีใจความว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจะมีทิศอยู่ในทิศที่เกิด กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดในทิศทางที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งให้ฟลักซ์ แม่เหล็กด้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเดิม จากกฎของเลนซ์ เมื่อกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะมีทิศทางการไหลที่ทำให้เส้น สนามแม่เหล็กที่ถูกสร้างโดยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำนี้ต่อต้านการเปลี่ยนแปลงเส้น สนามแม่เหล็กจากภายนอก ดังภาพที่ 4 ภาพที่ 4 กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำตามกฎของเลนซ์ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 44

15 พิจารณาแท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าหาห่วงตัวนำ ดังภาพที่ 4 (ก) เมื่อแท่ง แม่เหล็กเคลื่อนที่ไปทางขวาเข้าหาห่วงตัวนำ เส้นสนามแม่เหล็กซึ่งพุ่งผ่านห่วง ตัวนำมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเวลาในการหักล้างการเพิ่มขึ้นของเส้นสนามแม่เหล็ก ด้านขวา กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะต้องสร้างเส้นสนามแม่เหล็กที่พุ่งไปด้านซ้าย ดัง ภาพที่ 4 (ข) เส้นสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อต้านการ เคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กคล้ายกับว่าขั้วแม่เหล็กผลักกัน ซึ่งพื้นผิวด้านซ้ายของห่วง ตัวนำจะเป็นขั้วเหนือและผิวด้านขวาจะเป็นขั้วใต้ ถ้าแท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่ไปด้านซ้ายออกห่างห่วงตัวนำ ดังภาพที่ 4(ค) เส้น สนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ไปด้านขวามือลดลงเมื่อเทียบกับเวลาขณะนั้น กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในห่วงตัวนำมีทิศทาง ดังภาพที่ 4 (ง) เนื่องจากทิศของ กระแสไฟฟ้านี้ทำให้เกิดเส้นสนามแม่เหล็กในทิศทางเดียวกับเส้นสนามแม่เหล็ก จากภายนอก ซึ่งผิวด้านซ้ายของห่วงตัวนำจะเป็นขั้วใต้และผิวด้านขวาจะเป็นขั้ว เหนือ ภาพที่ 5 การเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 45

16 จากการเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ สามาถสรุปได้ว่า การให้สนามแม่เหล็ก เคลื่อนที่ตัดผ่านห่วงตัววนำในช่วงเวลาที่เร็วมากจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ มาก และถ้าให้สนามแม่เหล็กเคลื่อนตัดผ่านห่วงตัวนำในช่วงเวลาที่ช้าลงจะทำให้ เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำได้น้อยลงไป พิจารณาขดลวดตัวนำ P ที่อยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็ก ดังภาพที่ 5 (ก) ถ้า สนามแม่เหล็กในบริเวณขดลวดมีค่าสม่ำเสมอเท่ากับ B1 เมื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า ทำให้ สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอมีค่าเพิ่มขึ้นเป็น B2 ดังภาพที่ 5 (ข) ภาพที่ 6 การเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 45 สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง ( B ) ในลักษณะเพิ่มขึ้น แสดงว่าฟลักซ์ แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำ P จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ P ในทิศที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ( i B ) ในทิศทาง ต่อต้านสนามแม่เหล็กเดิม ดังภาพที่ 6 (ก) ตามกฎของเลนซ์ ในทำนองเดียวกัน ถ้า สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง ( B ) ในลักษณะที่ลดลง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ P ในทิศที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ( i B ) ในทิศทางเสริม กับสนามแม่เหล็กเดิม ดังภาพที่ 6 (ข)

17 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชื่อ-นามสกุล........................................................................ เลขที่ ......... ชั้น ม.6 คำชี้แจง ให้นักเรียนแสดงวิธีหาคำตอบให้ถูกต้อง 1. ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ 1.50 เซนติเมตร จำนวน 25.0 รอบ ซึ่งแต่ละรอบมีขนาดเท่ากันและมีความต้านทาน 0.350 โอห์ม ถ้าให้ สนามแม่เหล็กที่มีขนาดคงตัวในทิศทางตั้งฉากกับขดลวด ดังภาพ จงหา ก) ขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด ขณะที่สนามแม่เหล็ก ที่พุ่งผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลงจาก 0 เป็น 0.500 เทสลา ภายใน 0.800 วินาที ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ โจทย์ปัญหา เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

18 ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 2. ในการเคลื่อนแท่งแม่เหล็กเข้าหาขดลวดวงกลม ปรากฏว่าฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัด กับขดลวดเพิ่มจาก 1.0 × 10-4 เวเบอร์เป็น 1.2 × 10-4 เวเบอร์ในเวลา 0.2 วินาทีจงหาขนาดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำเฉลี่ยที่เกิดขึ้นมีค่าเป็นเท่าใด ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................

19 เกณฑ์การประเมินบัตรกิจกรรมที่ 4.1 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 2. เกณฑ์การตัดสินระดับคุณภาพ ช่วงคะแนน ระดับคุณภาพ ระดับคุณภาพ 8 – 10 3 ☺ = ดี 5 – 7 2 = พอใช้ 0 – 4 1 = ปรับปรุง 3. นักเรียนต้องได้คะแนนในระดับคุณภาพ 3 ขึ้นไป ถือว่า ผ่านเกณฑ์

20 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี คำชี้แจง ให้นักเรียนปฏิบัติกิจกรรมตามขั้นตอนและบันทึกผล ขื่อกลุ่ม.......................................................... ปฏิบัติกิจกรรมวันที่......... เดือน.................................. พ.ศ........... เวลา............ สมาชิกกลุ่ม จำนวน ................... คน 1. .................................................................................... เลขที่.................. 2. .................................................................................... เลขที่.................. 3. .................................................................................... เลขที่.................. 4. .................................................................................... เลขที่.................. 5. .................................................................................... เลขที่.................. 1. จุดประสงค์การปฏิบัติกิจกรรม เพื่อศึกษาสังเกตการเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ กิจกรรมทดลอง เรื่อง กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

21 2. วัสดุและอุปกรณ์ รายการ จำนวน/กลุ่ม 1. ขดลวดทองแดงเคลือบฉนวน 1 ขด 2. แกลแวนนอมิเตอร์ 1 เครื่อง 3. แท่งแม่เหล็ก 1 อัน 4. สายไฟ 2 เส้น 3. ขั้นตอนการดำเนินกิจกรรม 3.1 นำแท่งแม่เหล็กโดยใช้ปลายขั้วแม่เหล็กสอดไว้ในขดลวดทองแดงเคลือบ ฉนวนแล้วต่อกับแกลแวนอมิเตอร์ดังรูป สังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ขณะแท่ง แม่เหล็กอยู่นิ่ง 3.2 เคลื่อนแท่งแม่เหล็กให้ปลายขั้วแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกแล้วเข้าขดลวด พร้อมทั้งสังเกตเข็มของแกลแวนอมิเตอร์ 3.3 ทำซ้ำข้อ 3.2 โดยเคลื่อนแท่งแม่เหล็กให้เร็วมากขึ้น

22 4. บันทึกผลการทำกิจกรรม การเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก ผลการสังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... .......................................................

23 การเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก ผลการสังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... 5. คำถามท้ายกิจกรรม 5.1 ขณะแท่งแม่เหล็กอยู่นิ่งในขดลวดเคลือบฉนวน เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบน จากเดิมหรือไม่ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 5.2 ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวด เข็มแกลแวนอมิเตอร์ เบนอย่างไร ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................

24 5.3 ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวดเร็วมากขึ้น เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนต่างจากตอนแรกอย่างไร ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 5.4 ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวดมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น หรือไม่ สังเกตได้อย่างไร ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 5.5 ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกและขณะเคลื่อนที่เข้าขดลวด กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีทิศเดียวกันหรือไม่ สังเกตได้อย่างไร ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 5.6 การเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวดด้วยความเร็วต่างกัน เกิดกระแสไฟฟ้าภายในขดลวดมีขนาดเท่ากันหรือไม่ สังเกตได้อย่างไร ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ เกณฑ์การประเมินบัตรกิจกรรมที่ 4.2 1. เกณฑ์การประเมิน 1.1 การบันทึกผลการทำกิจกรรม รายการ คะแนน บันทึกผลการทำกิจกรรมได้ถูกต้อง ชัดเจน ครบถ้วน 2 บันทึกผลการทำกิจกรรมได้ถูกต้อง แต่ยังไม่ครบถ้วน 1 บันทึกผลการทำกิจกรรมไม่ถูกต้อง 0

25 1.2 การตอบคำถามหลังกิจกรรม รายการ คะแนน ตอบคำถามได้ถูกต้อง ชัดเจน ครบถ้วนทุกข้อ 2 ตอบคำถามได้ถูกต้อง แต่ยังไม่ครบถ้วน 1 ตอบคำถามไม่ถูกต้อง หรือไม่ตอบ 0 1.3 การปฏิบัติกิจกรรม รายการ คะแนน ปฏิบัติกิจกรรมตามวิธีการและขั้นตอนที่กำหนดไว้อย่างถูกต้องให้ความ ร่วมมือและปฏิบัติกิจกรรมร่วมกับผู้อื่นตลอดเวลา 2 ปฏิบัติกิจกรรมตามวิธีการและขั้นตอนที่กำหนดไว้อย่างถูกต้องให้ความ ร่วมมือและปฏิบัติกิจกรรมร่วมกับผู้อื่นบ้าง มีครูคอยกระตุ้น 1 ไม่ปฏิบัติกิจกรรมและไม่ให้ความร่วมมือกับผู้อื่น 0 1.4 สรุปผลการทำกิจกรรม รายการ คะแนน สรุปผลการทำกิจกรรมได้อย่างถูกต้อง กระชับ ชัดเจน และครอบคลุม ข้อมูลจากการวิเคราะห์ทั้งหมด 2 สรุปผลการทำกิจกรรมได้ถูกต้อง แต่ยังไม่ครอบคลุมข้อมูลจาก การวิเคราะห์ทั้งหมด 1 สรุปผลการทำกิจกรรมได้ตามความเห็นของตนเอง โดยไม่ใช้ข้อมูลอ้างอิง 0 1.5 การเตรียมวัสดุ/อุปกรณ์และการจัดเก็บ รายการ คะแนน จัดเตรียมวัสดุ/อุปกรณ์ได้ถูกต้อง ครบถ้วนและมีการทำความสะอาดและ จัดเก็บอย่างถูกต้องตามหลักการ 2 จัดเตรียมวัสดุ/อุปกรณ์ได้ถูกต้อง และมีการทำความสะอาดแต่จัดเก็บไม่ ถูกต้อง 1 จัดเตรียมวัสดุ/อุปกรณ์ไม่ถูกต้อง และไม่สนใจทำความสะอาดรวมทั้ง จัดเก็บไม่ถูกต้อง 0

26 2. เกณฑ์การตัดสินระดับคุณภาพ ช่วงคะแนน ระดับคุณภาพ ระดับคุณภาพ 8 – 10 3 ☺ = ดี 5 – 7 2 = พอใช้ 0 – 4 1 = ปรับปรุง 3. นักเรียนต้องได้คะแนนในระดับคุณภาพ 3 ขึ้นไป ถือว่า ผ่านเกณฑ์

27 เรื่อง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการทำงานและประโยชน์ของมอเตอร์และ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ 2. นักเรียนสามารถอธิบายลักษณะของไฟฟ้ากระแสสลับและสรุป ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสกับเวลา และความต่างศักย์กับเวลาที่มีค่าการเปลี่ยนค่า ในรูปของฟังก์ชันไซน์ได้ ได้ ด้านทักษะ/กระบวนการ (P) 3. นักเรียนสามารถทำกิจกรรมภาคปฏิบัติเพื่อคำนวณหาค่าต่าง ๆ เกี่ยวข้อง กับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้อย่างถูกต้อง 4. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ 5. นักเรียนมีทักษะกระบวนการทำงานเป็นกลุ่ม ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 6. นักเรียนมีความซื่อสัตย์สุจริต มีวินัย ใฝ่เรียนรู้อยู่อย่างพอเพียง มุ่งมั่น ในการทำงานและมีจิตสาธารณะ

28 เราสามารถนำความรู้เกี่ยวกับกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไปอธิบายผลที่กเกิดขึ้น ในเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า แบลลัสต์ในวงจรฟลูออเรสเซนต์ 1. มอเตอร์ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าเข้ามอเตอร์กระแสไฟฟ้านี้จะทำให้เกิดโมเมนต์ของแรง คู่ควบซึ่งจะทำให้ขดลวดหมุนขณะที่มอเตอร์หมุนจะทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่าน ขดลวดจะมีค่าเปลี่ยนแปลง เกิดแรงการเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ซึ่งมีทิศตรงข้ามกับ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเดิม จึงเป็นผลทำให้กระแสไฟฟ้าผ่านมอเตอร์ขณะหมุนด้วย อัต ราเร็วคงตั ว มีค่ าน้ อยกว่ากระแส ไฟ ฟ้ าที่ผ่าน มอเตอร์ขณ ะเริ่ม หมุ น แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำนี้ เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านกลับ (back emf) ภาพที่ 1 กระแสไฟฟ้าผ่านมอเตอร์ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 47

29 ในกรณีเกิดการติดขัดในการหมุนซึ่งอาจเกิดความเสียดทานตามจุดหมุน ความเสียดทานจากแรงภายนอกหรือการลดลงของแรงเคลื่อนไฟฟ้า (ไฟตก) เป็นเหตุให้มอเตอร์ไม่หมุนหรือหมุนช้ากว่าปกติ แรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับจะมีค่าน้อย ทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดของมอเตอร์มีค่ามากกระแสไฟฟ้าที่มีค่ามากที่ไหล ผ่านขดลวดเป็นเวลานานจะทำให้ขดลวดร้อนขึ้นจนอาจไหม้ได้ จึงควรปิดสวิตซ์เพื่อ ห ยุ ดก ารท ำงาน ข อ งม อ เต อ ร์ไว้ชั่ วค ราวทุ กค รั้งที่ ม อ เต อร์ไม่ห มุ น ห รือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าลดลง เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เป็นส่วนทำงานหลัก เช่น ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ เครื่องดูดฝุ่น กำหนดให้ back แทนแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านกลับ E แทนแรงดันไฟฟ้าหรือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ใช้ขับดันมอเตอร์ (แรงเคลื่อนไฟฟ้าเดิม) I แทนกระแสไฟฟ้า ที่จ่ายเข้าสู่มอเตอร์ (กระแสไฟฟ้าที่ทำให้ขดลวดหมุน) และ R เป็นความต้านทาน ของขดลวดอาร์มาเจอร์จะได้ back = − E IR 2. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) หรือ ไดนาโม (dynamo) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ พลังงานกลจากแหล่งกำเนิดพลังงานกลภายนอก เช่น กังหันไอน้ำ กังหันน้ำ กังหัน ลม เครื่องยนต์สันดาปภายใน ไปหมุนขดลวดตัวนำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งอยู่ใน สนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำใน ขดลวดตัวนำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จึงกล่าวได้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตพลังงาน ไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานกลับกันกับมอเตอร์ แต่มีส่วนประกอบหลักเหมือนกัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ เครื่องกำเนิด ไฟฟ้ากระแสตรง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

30 2.1 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (DC generator) มีส่วนประกอบหลัก ดังนี้ ภาพที่ 2 ส่วนประกอบหลักของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าตรง ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้า 48 จากภาพที่ 2 แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในช่วงเวลา 0 ถึง T เมื่อ T เป็นคาบของการหมุนขดลวด (เวลาที่ใช้ในการหมุนขดลวดครบ 1 ครบ) เมื่อหมุน ขดลวดตัวนำตามเข็มนาฬิกาจากตำแหน่งที่ระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จนครบรอบ . ขณะที่ระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ทิศของความเร็วของด้าน PQ และด้าน RS มีแนวขนานกับทิศของสนามแม่เหล็ก ตำแหน่งนี้จึงไม่มี แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวด เนื่องจากด้าน PQ และด้าน RS ของ ขดลวดไม่ได้เคลื่อนตัดเส้นสนามแม่เหล็ก (หรือฟลักซ์แม่เหล็ก)

31 . ทิศของความเร็วของด้านทั้งสองขดลวด (ด้าน PQ และด้าน RS) เริ่มทำ มุมกับทิศของสนามแม่เหล็กทำให้เริ่มเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและมีค่า เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนมีค่าสูงสุด เมื่อขดลวดหมุนไปเป็นมุม 90 องศา หรือเมื่อเวลาผ่าน ไป 4 T ที่ตำแหน่งนี้ ระนาบของขดลวดอยู่ในแนวขนานกับทิศของสนามแม่เหล็ก และความเร็วของด้านทั้งสองมีทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก โดยแรงเคลื่อนไฟฟ้า เหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในด้าน PQ มีทิศจาก Q ไป C ขณะที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในด้าน RS มีทิศจาก S ไป R จึงเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำวนผ่านขดลวดจาก S R Q P . เมื่อขดลวดหมุนต่อไป แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะมีค่าลดลงจากค่าสูงสุดจนเป็น ศูนย์เมื่อขดลวดหมุนไปเป็นมุม 180 องศา หรือเมื่อเวลาผ่านไป 2 T ที่ตำแหน่งนี้ ระนาบของขดลวดอยู่ในแนวตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็กและทิศของความเร็ว ของด้านทั้งสองมีแนวขนานกับสนามแม่เหล็ก . เมื่อขดลวดหมุนต่อไป แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนมี ค่าสูงสุดอีกครั้ง เมื่อขดลวดไปเป็นมุม 270 องศา หรือเมื่อเวลาผ่านไป 3 4 T ที่ตำแหน่ง นี้ ระนาบของขดลวดอยู่ในแนวขนานกับทิศของสนามแม่เหล็กและทิศของความเร็ว ของด้านทั้งสองจะมีทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก โดยแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ เกิดขึ้นในด้าน SR มีทิศ S ไป R ขณะที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในด้าน QP มีทิศ จาก Q ไป P จึงเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำวนผ่านขดลวดจาก S R Q P . แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะมีค่าลดลงจากค่าสูงสุดจนเป็นศูนย์ เมื่อขดลวหมุน ไปเป็นมุม 360 องศา หรือเมื่อเวลาผ่านไป T ขดลวดจะหมุนกลับมายังตำแหน่ง เริ่มต้นใหม่ (หมุนครบรอบ) และได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เปลี่ยนแปลงตาม เวลา ซึ่งจะเกิดซ้ำ ๆ กันในแต่ละรอบของการหมุนของขดลวด และสังเกตว่ากราฟ ระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำกับเวลามีเพียงด้านบวกเท่านั้น

32 เนื่องจากระบบมีคอมมิวเทเตอร์แบบวงแหวนผ่าซีก (split ring) และแปรง สัมผัสทำให้ทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีเพียงทิศทางเดียว เรียกว่า ไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งสังเกตได้จากภาพที่ 2 และ กระแสไฟฟ้าที่ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่มีขดลวดเพียงระนาบ เดียวเป็นกระแสไฟฟ้าที่ไม่ราบเรียบ ถ้าต้องการให้ได้กระแสไฟฟ้าที่ราบเรียบขึ้น จะต้องเพิ่มขดลวดในระนาบอื่น ๆ ซึ่งอย่างน้อย 3 ระนาบ เช่นเดียวกับกรณีที่ ต้องการให้ได้โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่มีค่าคงตัวสำหรับมอเตอร์กระแสตรง หรือใช้ วงจรกรองมาปรับกระแสไฟฟ้าให้ราบเรียบก่อนจ่ายเข้าสู่วงจรไฟฟ้ากระแสตรง 2.2 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสกลับ (AC generator) มีส่วนประกอบหลัก ดังนี้ ภาพที่ 3 ส่วนประกอบหลักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้50

33 จะเห็นได้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับมีส่วนประกอบหลักเหมือนเครื่อง กำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ต่างกันเพียงลักษณะของวงแหวนและการติดตั้งแปรง กล่าวคือ วงแหวนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเป็นวงแหวน (เต็มวง) 2 วง แยกกัน (slip ring) ยึดติดกับปลายแต่ละข้างของขดลวดและติดตั้งแปรงเรียงกัน สัมผัสกับวงแหวนแต่ละวง ขณะที่วงแหวนของเครื่องกำเกิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นวง แหวนผ่าซีก (วงแหวนเดียวแบ่งออกเป็น 2 ซีก) และติดตั้งแปรงขนานกันประกบอยู่ คนละข้างของวงแหวนผ่าซีก แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในเวลา 0 ถึง T เมื่อ T เป็นคาบของการ หมุนขดลวด (เวลาที่ใช้ในการหมุนขดลวดครบ 1 รอบ) เมื่อหมุนขดลวดตัวนำตาม เข็มนาฬิกาจากตำแหน่งที่ระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจนครบรอบ จากภาพที่ 3 พบว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดของเครื่อง กำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเหมือนกันทุกประการกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ เกิดขึ้นในขดลวดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง คือ จะกลับทิศทุกครึ่งรอบของ การหมุน สภาพขั้วของวงแหวนและแปรงสัมผัสของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและ กระแสสลับจึงสลับกันทุกครึ่งรอบของการหมุนของการขดลวดและกระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำจะกลับทิศทุกครึ่งรอบเช่นกัน ดังทิศของกระแสไฟฟ้าที่เวลา 4 T ใน ภาพที่ 3 ซึ่งกระแสไฟฟ้าผ่านออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทางแปรง U2 เข้าสู่วง จนไฟฟ้าภายนอก แล้ววนกลับเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทางแปรง U1 กลับทิศของ กระแสไฟฟ้าที่เวลา 3 4 T ในภาพที่ 3 ซึ่งกระแสไฟฟ้าผ่านออกจากเครื่องกำเนิด ไฟฟ้าทางแปรง U1 เข้าสู่วงจรไฟฟ้าภายนอก แล้ววนกลับเข้าสู่เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทางแปรง U2 ด้วยเหตุนี้ กราฟของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำกับเวลา (และกราฟของ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำกับเวลา) ของไฟฟ้ากระแสสลับ เมื่อขดลวดหมุนครบรอบจึงมี ทั้งด้านบวกและด้านลบ ถ้าครึ่งรอบแรกอยู่ด้านบวก ครึ่งรอบหลังจะอยู่ด้านลบ

34 ถ้าขดลวดหมุนในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอด้วยความถี่คงตัว แรงเคลื่อนไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าที่ได้จะเปลี่ยนแปลงตามเวลาแบบฟังก์ชันไซน์ (sine) โดยมี ความถี่เท่ากับความถี่ในการหมุนของขดลวด ในประทศไทยความถี่ของไฟฟ้า กระแสสลับที่ใช้ในครัวเรือนมีค่า 50 เฮิรตซ์ในประเทศแถบอเมริกาเหนือและ อเมริกาใต้ ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้สำหรับครัวเรือน มีค่า 60 เฮิรตซ์ ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณ าในการเลือกซื้อ เครื่องใช้ไฟฟ้ามาใช้งาน นอกจากค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า (220 โวลต์ สำหรับการใช้ งานในครัวเรือนในประเทศไทย และ 110 โวลต์ สำหรับการใช้งานในครัวเรือนใน บางประเทศ) โดยเฉพาะเครื่องไฟฟ้าประเภทที่ต้องการความถี่ที่แน่นอน เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าของนาฬิกาไฟฟ้าบางชนิด เพราะถ้าใช้กับไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่ ต่างจากความถี่ใช้งานของเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้านั้นทำงานได้ไม่ดี หรือเกิดการชำรุดได้ การผลิตไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า นอกจากใช้วิธีหมุนขดลวดตัว สนามแม่เหล็กแล้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบางประเภท เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสสลับของรถจักรยาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้งานตามโรงไฟฟ้า จะใช้วิธีหมุน แท่งเหล็กในสนามแม่เหล็กตัดขดลวดตัวนำ โดยแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ เกิดขึ้นภายในขดลวดตัวนำสามารถผ่านสายไฟฟ้าได้โดยไม่มีวงแหวนลื่น หรือแปรง สัมผัส ภาพที่ 4 แผนภาพเครื่อง ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้50

35 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้งานตามโรงไฟฟ้ามักมีขดลวดอยู่ 3 ชุด ติดตั้งอยู่รอบแม่เหล็กที่หมุนได้รอบแกนมุม จึงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส เพราะ ระนาบของขดลวดแต่ละชุดทำมุม 120 องศาซึ่งกันและกัน ถ้าห มุ น แ ท่งแ ม่ เห ล็ ก ข อ งเค รื่อ งกำเนิ ด ไฟ ฟ้ า 3 เฟ ส ค รบ 1 รอ บ สนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดความต่างศักย์ของกระแสสลับออกมาจากขดลวด ทั้ง 3 ชุด ดังนั้นค่าสูงสุดของความต่างศักย์ของขดลวดแต่ละชุดเกิดขึ้นพร้อมกัน เนื่องจากขดลวดทั้งสามมีเฟสต่างกัน 120 องศา พิจารณาได้จากกราฟระหว่างความ ต่างศักย์กับเวลาสำหรับขดลวดแต่ละชุด ดังภาพที่ 4 ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในบ้านเรือนเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวซึ่งมีความ ต่างศักย์ 220 โวลต์ ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านที่ต้องการกำลังไฟฟ้าไม่มากนัก และ ใช้กับแรงดันไฟฟ้า 220 โวลต์ เช่น พัดลม เตารีด ตู้เย็น เครื่องรับโทรทัศน์ หม้อหุง ข้าว การนำไฟฟ้าไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้ทำได้โดยต่อสายมีศักย์ (live wire) สายหนึ่งของไฟฟ้า 3 เฟส กับสายกลาง (neutral wire) ส่วนไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส นิยมใช้กับเครื่องจักรกลไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส ที่ใช้ ตามโรงงาน การนำไฟฟ้าไปใช้กับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส จะต่อสายมีศักย์ ทั้งสามเข้ากับมอเตอร์ไฟฟ้าโดยตรง ดังภาพที่ 5 ภาพที่ 5 การต่อสายไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟฟ้า 3 เฟสให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า3 เฟส ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้53

36 ระบบการส่งไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว (ไฟฟ้าเข้าบ้าน) จะใช้สายไฟฟ้า 2 สาย คือ สายมีศักย์กับสายกลาง ส่วนระบบการส่งไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส โดยทั่วไปจะใช้สายไฟฟ้า 4 สาย (สายมีศักย์ 3 สาย และสายกลาง 1 สาย) โดยแบ่ง กำลังไฟฟ้าที่สางเป็น 3 ส่วน ทำให้ไม่ต้องใช้สายไฟฟ้าใหญ่มาก และประหยัด ค่าใช้จ่ายสำหรับวัสดุที่นำมาทำสายไฟฟ้า รวมทั้งลดการสูญเสีย พลังงานไฟฟ้าใน สายส่งได้มากกว่าระบบการส่งไฟฟ้าเฟสเดียว เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลังไฟฟ้า 3 กิโลวัตต์ซึ่งต่ออยู่ระหว่างสายมีศักย์กับสายกลางที่มีความต่างศักย์ 100 โวลต์ เครื่องใช้ไฟฟ้านี้ต้องการกระแสไฟฟ้า 30 แอมแปร์ ถ้าเป็นระบบไฟฟ้าเฟสเดียวต้อง ใช้สายไฟฟ้า 2 เส้น ที่แต่ละเส้นนำกระแสได้ 30 แอมแปร์ แต่ถ้าเป็นระบบไฟฟ้า 3 เฟส ต้องการสายไฟฟ้า 3 เส้น ที่แต่ละเส้นนำกระแสไฟฟ้าเพียง 10 แอมแปร์(ไม่ พิจารณาสายกลางเนื่องจากไม่มีกระแสไฟฟ้า) ถ้าเลือกขนาดของสายไฟฟ้าที่มีความ หนาแน่นกระแส (กระแสต่อหน่วยพื้นที่) เท่ากัน ระบบไฟฟ้าเฟสเดียวต้องใช้ ทองแดงในการทำสายไฟฟ้าปริมาณ 2 เท่าของที่ปริมาณทองแดงที่ใช้ทำสายไฟฟ้า ในระบบไฟฟ้า 3 เฟส และจากปริมาณกระแสไฟฟ้าในสายไฟฟ้าที่น้อยกว่า ระบบ การส่งไฟฟ้า 3 เฟส จึงเกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในสายส่งน้อยกว่าระบบการส่ง ไฟฟ้าเฟสเดียว นอกจากนี้ เมื่อเกิดความเสียหายกับเฟสใดเฟสหนึ่งของระบบไฟฟ้า 3 เฟส ไฟฟ้าเฟสอื่นยังคงทำงานได้ตามปกติ แต่ถ้าเป็นระบบไฟฟ้าเฟสเดียว เมื่อไฟฟ้าดับ จะพร้อมกันหมด การผลิตพลังงานไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน (thermal power plant) จะใช้ความร้อนจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง เช่น น้ำมันเตา แก๊สธรรมชาติ ถ่านหิน ไปต้มน้ำให้กลายเป็นไอน้ำความดันสูงเพื่อหมุนกังหันไอน้ำที่ต่อกับเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า การหมุนของกังหันทำให้ขดลวดที่ยึดติดกับแกนของกังหันหมุน ทำให้ ได้พลังงานไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ส่วนการผลิตพลังงานไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า พลังน้ำ (hydro power plant) จะใช้การสร้างเขื่อนกักเก็บน้ำให้ระดับน้ำเหนือเขื่อน สูงกว่าระดับน้ำใต้เขื่อน จากนั้นปล่อยให้น้ำไหลผ่านท่อที่มีกังหันอยู่ภายใน พลังงาน

37 ศักย์โน้มถ่วงของน้ำจะเปลี่ยนพลังงานจลน์ในการไหลของน้ำ เมื่อน้ำปะทะกับกังหัน น้ำจะทำให้กังหันน้ำหมุน การหมุนของกังหันทำให้ขดลวดที่ยึดติดกับแกนของกังหัน หมุน ทำให้ได้พลังงานไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้ P แล้วส่งไปตามสายไฟฟ้า ด้วยความต่างศักย์ V จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลไปตามสายไฟฟ้าเป็น I จาก สมการ P VI = หรือ P I V = และเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลไปตามสายไฟฟ้าซึ่งมีความต้านทาน R จะทำให้เกิด การสูญเสียพลังงานขึ้นในสายไฟฟ้า สามารถคิดได้จากสมการ 2 2 P W I Rt Rt V = = 3. หม้อแปลง ในระบบส่งจ่ายไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังบ้านเรือนจะมีอุปกรณ์ไฟฟ้าอย่าง หนึ่งติดตั้งไว้เป็นช่วง ๆ อุปกรณ์ไฟฟ้าดังกล่าว คือ หม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งใช้แปลง ความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าสำหรับไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อให้เหมาะสมกับ การใช้งาน 3.1 ส่วนประกอบของหม้อแปลง หม้อแปลงไฟฟ้า (transformer) มี 2 ประเภท ได้แก่ หม้อแปลงขึ้น ซึ่งทำ หน้าที่แปลงให้แรงดันไฟฟ้ามีเพิ่มขึ้น และหม้อแปลงลง ทำหน้าที่แปลงให้ แรงดันไฟฟ้า มีค่าลดลง หม้อแปลงประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 3 อย่าง คือ แกน เหล็ก ขดลวดตัวนำ และฉนวนไฟฟ้า

38 1. แกนเหล็ก ประกอบด้วยแผ่นเหล็กผสมซิลิคอนแผ่นบาง ๆ หลายแผ่น ประกบติดกันโดยแผ่นเหล็กบาง ๆ แต่ละแผ่นเคลือบผิวด้วยน้ำยาฉนวน แกนเหล็ก เป็นทางผ่านของฟลักซ์แม่เหล็กของสนามแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้าที่วนผ่าน ขดลวดซึ่งพันอยู่รอบแกน โดยฟลักซ์แม่เหล็กจะวนไปตามแกนเหล็ก แกนของหม้อ แปลงมี 2 รูปแบบหลัก คือ แบบคอร์ (core type) และแบบเซลล์(shell type) ภาพที่ 6 ส่วนประกอบของหม้อแปลง ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้53 2. ขดลวดตัวนำ ของหม้อแปลงเป็นลวดทองแดงเคลือบน้ำยาฉนวนพันรอบ แกน ซึ่งมีทั้งลวดกลมและลวดแบนและมีหลายขนาด เหตุผลที่เคลือบน้ำยาฉนวน คือ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในขดลวด ขดลวดตัวนำของหม้อแปลง โดยทั่วไปจะมี 2 ชุด ได้แก่ ขดลวดปฐมภูมิ (primary coil) และขดลวดทุติยภูมิ (secondary coil) พันอยู่รอบแกนของหม้อแปลงโดยขดลวดปฐมภูมิจะต่อกับ แหล่งกำเนิดไฟฟ้า ส่วนขดลวดทุติยภูมิจะต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า 3. ฉนวนไฟฟ้า ใช้คั่นระหว่างชั้นของขดลวดตัวนำที่พันรอบแกนเหล็กและ คั่นระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ส่วนใหญ่เป็นกระดาษอายน้ำยาเป็น ฉนวน สำหรับหม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้กระดาษอาบน้ำยาที่ฉนวนพันรอบลวด ก่อนพันเป็นขดลวดตัวนำบนแกนเหล็ก นอกจากนี้ ยังใช้น้ำมันชนิดที่เป็นฉนวนใน การระบายความร้อนจากขดลวดด้วย

39 3.2 หลักการทำงานหม้อแปลง หม้อแปลงไฟฟ้าเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ โดยอาศัยการ เหนี่ยวนำร่วมกันระหว่างขดลวด 2 ขด ที่ไม่ได้ต่อถึงกันเป็นวงจรไฟฟ้าเดียวกัน หม้อ แปลงไฟฟ้าแปลงแรงดันไฟฟ้าโดยความถี่ยังคงเดิมและไม่มีการเคลื่อนที่ของ ชิ้นส่วนทางกลใด ๆ การทำงานหม้อแปลงไฟฟ้าอธิบายได้ด้วยกฎการเหนี่ยวนำ ของฟาราเดย์ กล่าวคือ ขดลวดปฐมภูมิซึ่งต่ออยู่แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับทำให้เกิด สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา โดยฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดจะวนไปตามแกน หลักและตัดผ่านขดลวดทุติยภูมิ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะเหนี่ยวนำ ให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นในวงจรของขดลวดทุติยภูมิ จึงดูเสมือนว่ามีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าสู่หม้อแปลงไฟฟ้าทางขดลวดปฐมภูมิและผ่าน ออกจากหม้อแปลงไฟฟ้าทางขดลวดทุติยภูมิ โดยจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงจาก แรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิ มักขึ้นอยู่กับจำนวนรอบของขดลวดในขดลวดทั้ง 2 ชุด ถ้าขดลวดปฐมภูมิมี N1 รอบ และขดลวดทุติยภูมิมี N2 รอบ และแรงดันไฟฟ้า V1 โวลต์ที่ป้อนเข้าสู่ขดลวดปฐมภูมิ หรือแรงเคลื่อนไฟฟ้า 1 ในขดลวดปฐมภูมิทำ ให้เกิดแรงดันไฟฟ้า V2 โวลต์ หรือเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ 2 ขึ้นใน ขดลวดทุติยภูมิ ถ้าไม่พิจารณาการสูญเสียพลังงานใด ๆ จะเขียนสมการแสดง ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้า และจำนวนรอบของ ขดลวดได้เป็น 1 1 2 2 V N V N = สมการ (1)

40 1 1 2 2 N N =สมการ (2) 1 และ 2 คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิและขดลวด ทุติยภูมิตามลำดับ N1 และ N2 คือ จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ตามลำดับ ถ้าจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิมากกว่าจำนวนของขดลวดปฐมภูมิ ( N N 2 1 ) จากสมการ (1) จะพิจารณาได้ว่า V V2 1 หรือแรงดันไฟฟ้าด้านออก มากกว่าแรงดันไฟฟ้าด้านเข้า จึงเรียกหม้อแปลงที่มีจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ มากกว่าจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิว่า หม้อแปลงขึ้น (step up transformer) แต่ถ้าจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิน้อยกว่าจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ ( N N 2 1 ) จากสมการ (2) จะพิจารณาได้ว่า V V2 1 หรือแรงดันไฟฟ้าด้านออก น้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าด้านเข้า จึงเรียกหม้อแปลงที่มีจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ มากกว่าจำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิว่า หม้อแปลงลง (step down transformer) หม้อแปลงอาจเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แต่กำลังไฟฟ้าทางด้าน ออกจะมีค่ามากกว่ากำลังไฟฟ้าทางด้านเข้าไม่ได้ เพราะจะขัดกับกฎการอนุรักษ์ พลังงาน กล่าวคือ หม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น การเลือกหม้อ แปลงมาใช้งานจึงต้องพิจารณาทั้งความต่างศักย์และกำลังไฟฟ้าที่ใช้ด้วย การใช้หม้อ แปลงที่มีกำลังไฟฟ้าต่ำกว่ากำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้าอาจทำให้หม้อแปลงไฟฟ้า เสียหายได้ หม้อแปลงที่ออกแบบมาอย่างดีโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพสูงกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ โดยอาจสูงถึง 99 เปอร์เซ็นต์ กล่าวคือ มีพลังงานเพียงเล็กน้อยที่ สูญเสียไปในรูปของความร้อน ซึ่งสังเกตได้จากการใช้มือแตะหม้อแปลงที่ใช้งาน นาน ๆ จะรู้สึกว่าหม้อแปลงร้อนกว่าปกติ สำหรับหม้อแปลงในอุดมคติซึ่งไม่มีการ สูญเสีย

41 พลังงานใด ๆ ในหม้อแปลง ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานจะได้ว่า กำลังไฟฟ้าที่ ขดลวดทุติยภูมิได้รับมีค่าเท่ากับกำลังไฟฟ้าที่ส่งผ่านขดลวดปฐมภูมิ จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน จะได้ P P 1 2 = โดยที่ P IV = 1 1 2 2 I V I V = สมการ (3) 1 2 P P, คือ กำลังไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิตามลำดับ 1 2 I I, คือ กระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ตามลำดับ V1 คือ ความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดปฐมภูมิ V2 คือ ความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิ แต่ถ้าหม้อแปลงมีประสิทธิภาพไม่ถึง 100 เปอร์เซ็นต์ หรือไม่ใช่หม้อแปลง ในอุดมคติ P2 < P1 หรือ IV2 2 < IV1 1 โดยประสิทธิภาพ (efficiency : eff ) ของหม้อแปลง จะหาได้จากสมการ 2 2 2 100 100 1 1 % 1 % P I V eff P I V = = สมการ(4) หม้อแปลงไฟฟ้าจัดเป็นเครื่องกลไฟฟ้าที่มีการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุดเมื่อ เทียบกับเครื่องกลไฟฟ้าอื่น เช่น มอเตอร์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพราะไม่มีการ เคลื่อนที่ของส่วนประกอบใดๆ จึงไม่มีการสูญเสียเนื่องจากความเสียดทานและแรง ต้านจากลม การสูญเสียพลังงานในหม้อแปลงไฟฟ้าโดยทั่วไปเป็นการสูญเสียใน

42 ขดลวดตัวนำ (copper loss) เนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าของขดลวดตัวนำกับ การสูญเสียในแกนเหล็ก (core loss) จากการเกิดกระแสวน (eddy current) และ การเกิดฮิสเทอรีซิส (hysteresis) ในแกนเหล็ก ตัวอย่างที่ 1 หม้อแปลงเครื่องหนึ่ง ขดลวดปฐมภูมิมีจำนวน 50 รอบ และขดลวดทุติยภูมิมีจำนวน 250 รอบ ขดลวดทุติยภูมิต่ออยู่กับตัวต้านทาน 100 โอห์ม ถ้าความต่างศักย์ระหว่าง ปลายทั้งสองของขดลวดปฐมภูมิเป็น 20 โวลต์ กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทาน 100 โอห์ม มีค่าเท่าใด วิธีทำ จากสมการ 1 2 V V = 1 2 N N จะได้ 2 20V V = 50 250 2 V = 100V จากสมการ V = IR 2 I = V2 R = 100 100 V = 1A ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทาน 100 โอห์ม มีค่าเท่ากับ 1 แอมแปร์ ไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายเข้าสู่ขดลวดปฐมภูมิทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กที่ เปลี่ยนแปลงตัดผ่านแกนของหม้อแปลง ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำ ให้เกิดกระแสวนขึ้นในแกนเหล็ก โดยกระแสวนจะวนผ่านหน้าตัดของแกนเหล็ก เป็นวงปิดในแนวตั้งฉากกับขดลวดทุติยภูมิ เนื่องจากแกนเหล็กมีความต้านทาน กระแสวนจึงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนขึ้นในแกนเหล็ก ส่งผลให้แกนของหม้อแปลงร้อนขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งไม่พึงประสงค์ เพื่อลดการสูญเสีย

43 พลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อนที่เกิดขึ้นในแกนของหม้อแปลง จึงต้องลดปริมาณ กระแสไหลวน ซึ่งทำได้โดยการใช้แผ่นตัวนำบางๆ ที่เคลือบผิวด้วยน้ำยาที่เป็น ฉนวนไฟฟ้ามาประกบติดกันเป็นแกนของหม้อแปลงไฟฟ้า ความหนาที่น้อยมากของ แผ่นเหล็กบางๆ แต่ละแผ่นส่งผลให้กระแสวนเป็นวงปิดเล็กมาก ปริมาณกระแส ไหลวนจึงลดลงมากเมื่อเทียบกับแกนเหล็กที่ทำจากแท่งเหล็กตัน การส่งไฟฟ้ากระแสสลับจากโรงไฟฟ้าไปสู่บ้านเรือน เริ่มจากใช้หม้อแปลงขึ้น ขนาดใหญ่เพิ่มความต่างศักย์จาก 138 กิโลโวลต์เป็น 500 กิโลโวลต์ แล้วส่งออกจาก โรงไฟฟ้าเข้าสู่ระบบส่งไฟฟ้า จากนั้นจึงใช้หม้อแปลงลงขนาดใหญ่ลดความต่างศักย์ ลงเหลือ 230 กิโลโวลต์ แล้วส่งไปตามสายไฟฟ้าแรงสูง จากนั้นใช้หม้อแปลงลงลด ความต่างศักย์ลงตามลำดับ โดยลดลงเหลือ 12-69 กิโลโวลต์เมื่อไปถึงสถานีจ่ายไฟฟ้า ย่อยจนเหลือ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้าน ดังภาพที่ 7 ภาพที่ 7 ระบบสายส่งกระแสไฟฟ้าในประเทศไทย ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้59

44 เนื่องจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ผ่านขดลวดตัวนำ ดังนั้น ถ้าเราให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดปฐมภูมิ โดยการปิด-เปิดสวิตซ์สลับกันเป็นจังหวะ จะได้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านไป ยังขดลวดทุติยภูมิและสามารถทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำได้โดย เครื่องใช้ไฟฟ้าที่อาศัยหลักการนี้ ได้แก่ เครื่องจ่ายไฟศักย์สูง สำหรับการจุดระเบิดใน เครื่องยนต์เบนซิน (Ignition system) วงจรนี้ทำงานโดยให้ไฟฟ้ากระแสตรงจาก แบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวดปฐมภูมิเป็นจังหวะๆ ด้วยการปิด-เปิดวงจรไฟฟ้าอย่าง รวดเร็วตามจังหวะการหมุนของเพลาเครื่องยนต์ ทำให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ มีค่าสูงในขดลวดทุติยภูมิ ดังภาพที่ 8 ภาพที่ 8 ระบบสายส่งกระแสไฟฟ้าในประเทศไทย ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้59 เครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด เช่น วิทยุ เครื่องคิดเลข ใช้ได้กับทั้งไฟฟ้า กระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรงจากถ่านไฟฉาย การใช้งานเครื่องใช้เหล่านี้กับไฟ บ้านแทนถ่านไฟฉาย นอกจากใช้หม้อแปลงลงลดความต่างศักย์ของไฟฟ้า กระแสสลับ 220 โวลต์ ให้เหลือเท่ากับความต่างศักย์ใช้งานของเครื่องใช้ไฟฟ้าแล้ว จะต้องมีอุปกรณ์บางอย่างที่ทำหน้าที่เปลี่ยน ไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้า กระแสตรง อุปกรณ์ดังกล่าวคือ ไดโอด ดังภาพที่ 9 ซึ่งการให้ความต่างศักย์ไฟฟ้ากับ ไดโอด และทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร เรียกว่า ไบแอสตรง (forward bias) และการให้ความต่างศักย์ไฟฟ้ากับไดโอดแต่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร เรียกว่า ไบแอสกลับ (reverse bias)

45 ภาพที่ 9 การนำไฟฟ้าของไดโอด (ก) ไบแอสตรง (ข) ไบแอสกลับ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้60 ในการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรงจะนำไดโอดไปต่อ อนุกรมกับตัวต้านทานและต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ วงจรไฟฟ้าที่ ประกอบด้วยไดโอดไปต่ออนุกรมกับตัวต้านทานและแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็น ไฟฟ้ากระแสตรง เรียกว่า วงจรเรียงกระแส (rectifier circuit) ประกอบด้วยวงจร เรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (half wave rectifier circuit) และวงจรเรียงกระแสแบบ เต็มคลื่น (full wave rectifier circuit) ดังภาพที่ 10 ภาพที่ 10 ไฟฟ้ากระแสตรงที่ได้จากวงจรเรียงกระแสแบบ (ก) ครึ่งคลื่น (ข) เต็มคลื่น ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้60

46 จากภาพที่ 10 (ก) ไดโอดจะยอมให้กระแสไฟฟ้าสลับผ่านได้เฉพาะช่วงครึ่ง บวกเท่านั้น เพราะขณะนั้นไดโอดได้รับไบแอสตรง แต่ไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าสลับ ช่วงครึ่งลบผ่าน เนื่องจากขณะนั้นไดโอดได้รับไบแอสกลับ โดยกระแสไฟฟ้าที่ผ่าน ไดโอดมาจะผ่านตัวต้านทานในทิศทางเดียว จึงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง จากภาพที่ 10 (ข) ขณะที่ไฟฟ้ากระแสสลับช่วงครึ่งบวกผ่านเข้าสู่วงจรเรียง กระแส ไดโอด D1 และ D2 ได้รับไบแอสตรงจึงยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ โดย กระแสไฟฟ้าจะเข้าสู่วงจรเรียงกระแสทางจุดต่อ A แล้ววนผ่านไดโอด D1 ตัว ต้านทาน R และไดโอด D3 แล้วออกจากวงจรเรียงกระแสทางจุดต่อ B แต่ขณะที่ ไฟฟ้ากระแสสลับช่วงครึ่งลบผ่านเข้าสู่วงจรเรียงกระแส ไดโอด D2และ D4 ได้รับ ไบแอสตรงจึงยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ โดยกระแสไฟฟ้าจะเข้าสู่วงจรเรียงกระแส ทางจุดต่อ B แล้ววนผ่านไดโอด D2 ตัวต้านทาน R และไดโอด D4 แล้วออกจากวงจร เรียงกระแสทางจุดต่อ A โดยที่กระแสไฟฟ้าที่ผ่านไดโอด 2 ชุด มาจะผ่านตัว ต้านทาน R ในทิศทางเดียวกัน จึงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ภาพที่ 11 วงจรกรองกระแสแบบใช้ตัวเก็บประจุ ที่มาภาพ คลังภาพ อจท. หน้61

47 รายวิชาฟิสิกส์ 5 (ว33204) กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชื่อ-นามสกุล........................................................................ เลขที่ ......... ชั้น ม.6 ตอนที่ 1 คำชี้แจง ให้นักเรียนอธิบายความแตกต่างของแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ เรียนรู้เรื่อง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า