แผนการจดการเรยน หนวยท 1รหสวชา 3104-2002 ชอวชา เครองกลไฟฟา 1ชอหนวย แมเหลกและแมเหลกไฟฟา จำานวน 4 คาบ

ชอเรอง แมเหลกและแมเหลกไฟฟา สอนสปดาหท 1หวขอเรอง

1. ธรรมชาตของอำานาจแมเหลก2. สนามแมเหลกและเสนแรงแมเหลก3. ความสมพนธระหวางกระแสไฟฟาและเสนแรงแมเหลก4. สนามแมเหลกรอบๆ ตวนำาทมกระแสไฟฟาไหล5. สนามแมเหลกของขดลวดตวนำา6. ความซาบซมจำาเพาะและความซาบซมสมพนธของวสดสารแมเหลก7. ฮสเตอรรซส8. องคประกอบของวงจรแมเหลก9. ประเภทของวงจรแมเหลก

สาระสำาคญการเรยนการสอนเรองแมเหลกและแมเหลกไฟฟาในหนวยการ

เรยนนนน นกศกษาจะตองไดรบการปฐมนเทศจากครผสอน เพอใหนกศกษาไดรบทราบ คำาอธบายรายวชา กตกาในระหวางเรยน ขอควรระหวงในระหวางเรยน หลกเกณฑการประเมน (ความร ทกษะ คณธรรม จรยธรรม)

ในหนวยการเรยนนจะศกษาเกยวกบเรองแมเหลก การเกดขนของสนามแมเหลก แรงเคลอนของทเหลกไฟฟาทเกดขนกบตวนำาทมกระแสไฟฟาไหลผาน วงจรแมเหลกทมแรงเคลอนของแมเหลกทเคลอนผานตวนำา การเกดฮสเตอรรซส วงจรของแมเหลกไฟฟา

2

วตถประสงคทวไป1. เพอใหผเรยนรและเขาใจความหมายของสนามแมเหลกและเสน

แรงแมเหลก2. เพอใหผเรยนรองคประกอบของวงจรแมเหลกรประเภทของ

วงจรแมเหลก

แผนการจดการเรยน หนวยท 1รหสวชา 3104-2002 ชอวชา เครองกลไฟฟา 1ชอหนวย แมเหลกและแมเหลกไฟฟา จำานวน 4 คาบ

ชอเรอง แมเหลกและแมเหลกไฟฟา สอนสปดาหท 1จดประสงคเชงพฤตกรรม

1. อธบายธรรมชาตของอำานาจแมเหลกได2. อธบายสนามแมเหลกและเสนแรงแมเหลกได3. อธบายความสมพนธระหวางกระแสไฟฟาและเสนแรงแมเหลกได4. อธบายสนามแมเหลกรอบๆ ตวนำาทมกระแสไฟฟาไหลได5. อธบายสนามแมเหลกของขดลวดตวนำาได6. อธบายความซาบซมจำาเพาะและความซาบซมสมพนธของวสดสาร

แมเหลก7. อธบายฮสเตอรรซสได

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

3

8. อธบายองคประกอบของวงจรแมเหลกได 9. อธบายประเภทของวงจรแมเหลกได

ดานคณธรรม จรยธรรมและคานยมทพงประสงค ศกษาคนควาและเรยนรดวยตนเอง ปฏบตกจกรรมรวมกลม มความกระตอรอรนในการใฝหาความร มความรบผดชอบในงานทมอบหมาย และแสดงออกในดานสรางสรรค

บรณาการกบปรชญาเศรษฐกจพอเพยงความพอประมาณ- ไมอจฉา ไมรษยา ไมมความโลภ รจกใชอปกรณเครองกลไฟฟา

ไดอยางประหยด คมคา- นำาสมมาคารวะตอครและผอน ปฏบตตนเปนผนำาและผตามทดความมเหตผล- กลาแสดงความคดอยางมเหตผล- วางแผนการทำางานรวมกนอยางเปนระบบและยอมรบความคด

เหนของผอน- ใชวสดถกตองเหมาะสมกบงานมภมคมกนทด- รบฟงความคดเหนของผอนเพอนำาไปปรบปรงการทำางานให

ถกตองเหมาะสม- ทำางานอยางรอบคอบ ถกตองตามใบงาน และใบความรทได

รบมอบหมาย

แผนการจดการเรยน หนวยท 1รหสวชา 3104-2002 ชอวชา เครองกลไฟฟา 1ชอหนวย แมเหลกและแมเหลกไฟฟา

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

4

จำานวน 4 คาบชอเรอง แมเหลกและแมเหลกไฟฟา สอนสปดาหท 1

เงอนไขความร- มการเตรยมความพรอมในการเรยนและปฏบตงาน- ยอมรบผลการปฏบตงาน- นำาความรหลกการของเครองกลไฟฟากระแสตรงมาประยกต

ใชกบปรชญาของเศรษฐกจ พอเพยง

เงอนไขคณธรรม- ความมวนย สงงานตรงตรงเวลา ความรบผดชอบ ความสนใฝร

ความซอสตยสจรตรอบคอบ ทำางานรวมกบผอนได

มตทางเศรษฐกจ- รจกใชวสดอปกรณใหเกดประโยชน คมคากบเงนทซอวสด

อปกรณเนอหาวชาเครองกลไฟฟาเบองตนมตทางสงคม

เรยนรการทำางานรวมกน เหนแกประโยชนสวนรวม ชวยเหลอกนภายในกลม ภายในหองเรยน

มตทางสงแวดลอม- รกษาความสะอาดภายในหอง หลงจากใชวสดในการเรยนมตทางวฒนธรรม- ถายทอดการการนำาเอาเนอหาวชาเคร องกลไฟฟาเบองตนไป

ประยกตใชงาน กบครอบครว และบคคลใกลชด

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

5

หนวยการเรยนรท 1แมเหลกและแมเหลกไฟฟา

สารทเปนแมเหลกนน จะตองมอำานาจทางแมเหลก (Magnetism) อยภายในตวนนคอ จะตองมกำาลงดดสารเหลาน เชน นเกล โคบอลท ซงเปนสารแมเหลก (Magnetics material) ถาสารแมเหลกนนถกทำาใหเปนแทงเหลก แทงเหลกนนจะมกำาลงดงดดมากทสดทปลายทงสอง และตรงจดกงกลางและจะไมมกำาลงดงดดจดทมกำาลงดงดดทมกำาลงมากทสดนนเรยกวา ขวของแมเหลก “ ” (Magnetics poles) แมเหลกทกอนจะมขวอยางนอยทสดสองขว

1.1 ธรรมชาตของของอำานาจแมเหลกทฤษฎของเวเบอร (Weber’s Theory) เกยวกบธรรมชาตของ

อำานาจแมเหลกไดจากการสมมตวา แตละโมเลกลของแมเหลกนนจะเปนแมเหลกเลกๆ อยภายในตวของมนเอง โมเลกลของแมเหลกซงอยในแทงเหลกหรอวสดสารแมเหลกทยงไมมแมเหลกโดยสมบรณจะวางตวไมเปนระเบยบ ดงแสดงในรปท 1 (ก) เนองจากการวางตวของมนในลกษณะน อำานาจแมเหลกของโมเลกลแตละตวจะถกทำาใหเปนกลาง (Neutralized) ไปโดยโมเลกลทอยใกลชดกน จงไมทำาใหเกดอำานาจแมเหลกสงออกมานอกแทง เมอจายแรงททำาใหเกดอำานาจแมเหลก ใหกบแทงเหลกทโมเลกลของมนจะจดเรยงตวใหเปนระเบยบ โดยขวเหนอชไปทางทศหนงและขวใตชไปทางทศหนง ดงแสดงในรปท 1 (ข) เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

6

รป (ก) รป (ข)รปท 1 (ก) การจดเรยงตวของโมเลกลในวสดสารแม

เหลกทยงไมเปนแมเหลก(ข) การจดเรยงตวขอโมเลกลในแทงแมเหลก

1.2 สนามแมเหลกและเสนแรงแมเหลกสนามแมเหลก (Magnetic field) คอ บรเวณรอบๆ แทงแม

เหลกทครอบคลมไปดวยเสนแรงแมเหลก หรอบรเวณทมเสนแรงแมเหลกไหลผานนนเอง

รปท 2 เสนแรงแมเหลกรอบแทงแมเหลก

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

7

แทงแมเหลก (Bar magnet) จะประกอบขวแมเหลก 2 ขว (1 คขว) เสมอ คอขวเหนอ (N) และขวใต (S)

ไมเคล ฟาราเดย (Michael Faraday) นกวทยาศาสตร ทไดแสดงใหเหนสนามแมเหลกทอยในสภาพของแรงซงประกอบดวยการกระจายของเสนแรงแมเหลกทอยในรปเดยวกน ปรมาณเสนแรงแมเหลกรอบๆ แทงแมเหลกทงหมดเรยกวา ฟลกแมเหลก “ ”(Magnetic Flux) ฟลกทเกดขนในวงจรแมเหลกจะขนอยกบกระแสไฟฟาทใชเปนแรงททำาใหเกดอำานาจแมเหลก

จำานวนของเสนแรงแมเหลกตอหนงหนวยพนทเรยกวาความหนาแนนของฟลก (Flux Density) ซงจะมหนวยเปนเวเบอรตอตารางเมตร (Weber/m2)

B = φ /A (wb/m2) ………………………(1)

เมอ B แทน ความหนาแนนของฟลกแมเหลกφ แทน จำานวนเสนแรงแมเหลกทงหมดA แทน พนทหนาตดของวงจรแมเหลก

1.3 ความสมพนธระหวางกระแสไฟฟาและเสนแรงแมเหลก ในป ค.ศ 1820 Hans Christian Oersted คนพบวา

ตวนำาไฟฟาสามารถทจะนำามาสรางสนามแมเหลก โดยการจายกระแสไฟฟาใหไหลผานตวนำาไฟฟา จะเกดสนามแมเหลกรอบๆตวนำานนเราสามารถแยกพจารณาในรปแบบตางๆไดดงน

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

8

เราสามารถพจารณาเมอเราวางเสนลวดตวนำาไฟฟาทมกระแสไฟฟาไหลผานขนานกบเขมทศ เมอเราสงเกตเขมทศจะเหนไดวาเขมทศจะบายเบนทศทาง ดงรปท 1.1 ถาเรานำาเอาตวนำาเสนลวด ทมกระแสไหลผานวางใกลและใหขนานกบกบดานลางเขมทศ เราจะสงเกตเหนเขมทศจะเคลอนทบายเบนไปในทศทางตรงกนขามกบครงแรก

รปท 3 การบายเบนของเขมทศเมอนำาตวนำาทมกระแสไฟฟาไหลวางดานบนเขมทศ

1.4 สนามแมเหลกรอบๆ ตวนำาทมกระแสไฟฟาไหลกฎมอขวา (right - hand rule)

ทศทางของสนามแมเหลกทเกดรอบตวนำาสามารถพจารณาไดจากใชกฎมอขวากำารอบตวนำาใหหวแมมอชไปตามทศทางการไหลของกระแสไฟฟาไหล นวทงสทเหลอกำารอบตวนำาแสดงถงทศทางการเคลอนทของเสนแรงแมเหลกรอบตวนำานน ถาใหนวช-นวกลาง-นวกลางและนวกอยแทนทศทางการไหลของกระแสแลว นวหวแมมอจะแสดงถงทศทางของเสนแรงแมเหลกทเคลอนท คอเปนขวเหนอและแมเหลกทอยตรงขามจะเปนขวใต ดงแสดงในรปท

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

9

รปท 4 แสดงกฎมอขวาของขดลวดตวนำา

1.5 สนามแมเหลกของขดลวดตวนำาสนามแมเหลกทเกดขนรอบๆ ขดลวดตวนำาทมกระแสไฟฟาไหล

ผานนนจะเกดขนทกๆ จดตลอดความยาวของมน ซงสนามแมเหลกนนจะประกอบไปดวยวงกลมซอนกนหลายๆ วง และมจดศนยกลางรวมกนเปนแนวราบทตงฉากกบตวนำา เมอนำาตวนำามาขดหรอพนรอบแกนเปนวงกลมแลวปลอยใหกะแสไฟฟาไหลผานขดลวด จะทำาใหเกดสนามแมเหลกทเกดขนทตวนำาทพนเปนขดลวดแตละรอบของการพน

- เครองหมายกากบาทแทนหางลกศร ซงเปนทศทางทกระแส ไหลเขา (หวแมมอจะชออกจากตวเรา)

- เครองหมายจดแทนหวลกศร ซงเปนทศทางทกระแสไหล ออก (หวแมมอจะชเขาหาตวเรา)

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

10

รปท 5 สนามแมเหลกทเกดขนรอบๆ ตวนำาทมกระแสไหลเขา – ออก

ทศทางของสนามแมเหลกจะสมพนธกบกระแสไฟฟาทไหลผานขดลวด อธบายไดโดยใช กฎมอขวาของขดลวดตวนำา“ ” ซงกลาววา

กำาลวดดวยมอขวา นวทงสชทศทางกระแสทไหลในขดลวด นว“หวแมมอจะชไปทางขวเหนอ ”

รปท 6 แสดงกฎมอขวาของขดลวดตวนำาและสนามแมเหลกทเกดขนรอบๆตวนำาทมกระแสไหล

1.6 ความซาบซมจำาเพาะและความซาบซมสมพนธของวสดสารแมเหลก

ความซาบซม คอคณสมบตของตวกลางทยอมใหเสนแรงแมเหลกไหลผานไดยากหรองายเพยงไร ความซาบซมจำาเพาะ (Permeability ; µ) ของวสดแมเหลกแตละชนดประกอบไปดวย

1.6.1 ความซาบซมของอากาศ (Permeability of Air ; µ) หมายถง ความซาบซมของสวนทเปนชองอากาศ (Air Gap) ในวงจรแมเหลกซงประกอบไปดวยคาคงท 4π ¿10−7 มหนวยเปนเฮนรตอเมตร(H/m) สามรถเขยนสมการในรปของความเขมและแรงของสนามแมเหลกไดดงน

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

11

μ0=BH (

Wb/m2

A/m ) …………………………(2)

1.6.2 ความซาบซมสมพนธ (Relative Permeability ; µ) หมายถง ความซาบซมของวสดสารแมเหลกหรอวสดตวนำาแมเหลก ซงขนอยกบชนดของสารแมเหลกนนๆ สวนความซาบซมของ

อากาศ ( μr ) จะมคาเทากบ 1 ความซาบซมจำาเพาะ (µ) ของวสดสารแมเหลก โดยทวไปสามารถเขยนสมการไดดงน

µ = μ0⋅μr …………………………(3)

เมอ µ แทน ความซาบซมจำาเพาะμ0 แทน ความซาบซมอากาศμrแทน ความซาบซมสมพนธ

ความซาบซมจำาเพาะของอากาศ (µ) จะสามารถเขยนเปนสมการไดดงน

µ = μ0 (เมอ μr= 1)…………………………(4)ความซาบซมของวสดตวนำาแมเหลกจะขนอยกบความหนาแนน

ของเสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก (B) และความเขมหรอความแรงของสนามแมเหลก (H) ดงนนความซาบซมจำาเพาะของวสดสารจงไมคงท ถานำาความซาบซมจำาเพาะมารวมพจารณาเพอหาคาความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก (B) จะเขยนเปนสมการไดดงน

B = µ H …………………………(5)

หรอ µ = BH …………………………(6)

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

12

เมอ B แทน ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก

µ แทน ความซาบซมจำาเพาะของวสดสารแมเหลกH แทน และความเขมหรอความแรงของสนามแมเหลก

1.7 ฮสเตอรซสเปนผลจากการกลบตวของการเปนแมเหลกในสารแมเหลกเมอ

แรงแมเหลก ( H ) เปลยนแปลงสลบกนไปการแสดงคณสมบตของฮสเตอรซสคอการใชกราฟแสดงวงฮสเตอรซส(Hysteresis loop)

รปท 7 วงฮสเตอรซสของวสดสารแมเหลกหรอวสดตำานำาแมเหลก

1.8 องคประกอบของวงจรแมเหลกวงจรแมเหลกจะมองคประกอบคอแรงเคลอนหรอแรงดนแมเหลก

เสนแรงแมเหลก และความตานทานแมเหลก จากรปท 8 (ก) เปนวงจรไฟฟาซงประกอบไปดวยแรงเคลอนไฟฟาหรอแรงดนไฟฟา

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

13

(Electro Motive Force; emf.) กระแสไฟฟา (Current; I) และความตานทาน (Resistance; R) ในรปท 8 (ข) จะเปนวงจรแมเหลกซงประกอบดวย แรงเคลอนหรอแรงดนแมเหลก (Magneto Motive Force; mmf.) เสนแรงแมเหลก (Line Of Force;φ ) และความตานทานแมเหลก (Reluctance ; Rm)

รปท 8 แสดงการเปรยบเทยบระหวางวงจรแมเหลกและวงจรไฟฟา

1.8.1 แรงเคลอนแมเหลก (Magneto Motive Force ; mmf.) หรอแรงดนแมเหลกเปรยบไดกบแรงเคลอนไฟฟาหรอแรงดนไฟฟาในวงจรไฟฟา ซงแรงเคลอนแมเหลกนจะมองคประกอบ 2 สวน คอ จำานวนรอบของขดลวด (Turns ; N) และกระแสไฟฟา (Current ; I) จะทำาหนาทในการผลกดนแรงดนเสนแรงแมเหลก (Flux ; φ ) ใหเคลอนทไปในวงจรแมเหลกของแกนเหลกวงจรปด

แรงเคลอนไฟฟาเหนยวนำาเกดจากตวนำาเคลอนท (Dynamic induced emf.) หมายถงการทำาใหเกดแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนำา

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

14

โดยการใหตวนำาเคลอนทตดผานสนามแมเหลกโดยเราใหสนามแมเหลกอยกบท

รปท 9 การเกดแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนำาโดยใหตวนำาตดผานสนามแมเหลก

ตวอยางท 1 จากรปจงหาคาแรงเคลอนแมเหลกหรอแรงดนแมเหลก

รปท 10 วงจรแมเหลกแบบอนกรมวธทำาจากสตร mmf. = NI

จากโจทยตามรป I = 2 AN = 240 T

ดงนน mmf. = 2 x 240= 480 A-T

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

15

1.8.2 เสนแรงแมเหลก (Line Of Force;φ ) การเคลอนทของเสนแรงแมเหลกจะเคลอนทไปในวงจรของแกนเหลกวงจรปดโดยอาศยแรงผลกดนจากแรงเคลอนแมเหลก เสนแรงแมเหลกจะเทากบผลคณระหวางความหนาแนนของเสนแรงแมเหลกกบพนทหนาตดของแกนเหลก ซงสามารถเขยนสมการไดดงน

φ = BA …………………………(7)เมอ φ แทน เสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก (Wb)

B แทน ความหนาแนนของสนามแมเหลก (Wb/m2)A แทน พนทหนาตดของแกนเหลก (m2)

1.8.3 ความตานทานแมเหลก (Reluctance ; Rm) เปนตวตานทานในการไหลของกระแสไฟฟา สวนในวงจรแมเหลกนนทมตวตานทานในการไหลหรอการเคลอนทของเสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก เรยกวาความตานทานแมเหลก หรอรลกแตนซสามารถเขยนเปนสมการไดดงน

Rm = L

μA …………………………(8)เมอ Rm แทน ความตานทานแมเหลก หรอรลกแตนซ

L แทน ความยาวของวงแมเหลกหรอวงจรแมเหลก (m)

µ แทน ความซาบซมจำาเพาะของแกนเหลก (Wb/m2

A-T/m )A แทน พนทหนาตดของแกนเหลก (m2)

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

16

หรอ Rm =mmf .φ =

NI φ

…………………………(9)เมอ mmf. แทน แรงเคลอนหรอแรงดนแมเหลก (A-T)

φ แทน เสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก (Wb)1.8.4 ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก (Flux

Density; B) หมายถง ปรมาณของเสนแรงแมเหลกตอหนวยพนทเปนเวเบอรตอตารางหนวย ซงสามารถเขยนสมาการไดดงน

B = φ /A …………………………(10)เมอ B แทน ความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก (wb/m2)

φ แทน เสนแรงแมเหลกหรอฟลกแมเหลก (Wb)A แทน พนทหนาตดของแกนเหลก (m2)

1.8.5 ความเขมหรอความแรงของสนามแมเหลก1.9 ประเภทของวงจรแมเหลกวงจรแมเหลกคอเสนทางหรอแนวทเสนแรงแมเหลกสวนใหญไหล

ผาน ไดแกสวนทเปนสารแมเหลก และสวนทเปนชองอากาศ 1.9.1 วงจรแมเหลกแบบอนกรม หมายถง วงจรแมเหลกทม

ทางเดนของเสนแรงแมเหลกครบวงจรเพยงเสนทางเดยว และจะมแรงเคลอนแมเหลกตกครอมเหลกหลอเปน mmf1 แรงเคลอนแมเหลกตกครอมเหลกกลาเปน mmf2 ดงนนจะไดแรงเคลอนแมเหลกรวมดงสมการ

mmf = mmf1+ mmf2

เครองกลไฟฟา 1 โดย นายพรวฒน สวรรณศร : คอบ.ไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร