sar.udontech.ac.thsar.udontech.ac.th/44/public/files/1520751045_9a2610ee... · Web...
Transcript of sar.udontech.ac.thsar.udontech.ac.th/44/public/files/1520751045_9a2610ee... · Web...
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