ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (อังกฤษ: Electromagnetism) คือ วิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นสนามที่แผ่ไปในปริภูมิ (space) และออกแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า มีผลทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคนั้น[1] โดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่อันตรกิริยาพื้นฐาน (fundamental interaction in nature) อันประกอบไปด้วยแรงนิวเคลียร์ชนิดเข้ม (strong interaction), แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อน (weak interaction), และแรงโน้มถ่วง

สนามแม่เหล็ก

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน เป็นแรงที่กระทำระหว่างโมเลกุลต่อโมเลกุลในสสาร อิเล็คตรอนถูกดึงดูดอยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมด้วยกลไกของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อะตอมหลายอะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็คตรอนของอะตอมหลายอะตอมที่อยู่ใกล้กัน มีผลทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอนเหล่านั้น

มีสูตรทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายความหมายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในสาขาดั้งเดิมของ อิเล็คโทรไดนามิคส์ สนามไฟฟ้าถูกอธิบายว่าเป็นศักย์ทางไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าด้วยกฎของโอห์ม, สนามแม่เหล็กถูกนำไปรวมกับการเหนี่ยวนำของแม่เหล็กไฟฟ้าและสถาวะแม่เหล็ก และ สมการของแมกซ์เวลล์อธิบายถึงการที่ไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกสร้างมาได้อย่างไร ถูกเปลี่ยนแปลงโดยกันและกันได้อย่างไรและเกิดขึ้นหรือเปลี่ยนแปลงโดยการประจุและกระแสได้อย่างไร

ประวัติศาสตร์ของทฤษฏี[แก้]

แต่เดิม ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกคิดว่าเป็นสองแรงแยกออกจากกัน ความคิดนี้เปลี่ยนไป เมื่อหนังสือของ เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์ พิมพ์ขึ้นในปี ค.ศ.1873 บ่งว่า ปฏิสัมพันธ์ของประจุบวกและประจุลบถูกควบคุมโดยแรงเดียว ผลของการปฏิสัมพันธ์ทำให้เกิดผลกระทบสี่เรืองหลักๆ ผลกระทบเหล่านี้สามารถสาธิตให้ดูได้จากการทดลอง ดังนี้

  1. ประจุไฟฟ้าดูดหรือผลักกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางกำลังสองระหว่างประจุนั้น ประจุต่างกันดูดกัน ประจุเหมือนกันผลักกัน
  2. ขั้วแม่เหล็ก(หรือสภาวะการวางตัวที่จุดใดๆ) ดูดและผลักกันในทำนองเดียวกัน และ ขั้วแม่เหล็กมาเป็นคู่ คือขั้วเหนือและขั้วใต้
  3. ไฟฟ้าที่ไหลในเส้นลวดสร้างสนามแม่เหล็กเป็นวงกลมรอบเส้นลวดนั้น ทิศทางของสนามแม่เหล็ก(ตามเข็มหรือทวนเข็มนาฬิกา)ขึ้นอยู่กับกระแส
  4. กระแสจะถูกเหนี่ยวนำในขดลวด เมื่อขดลวดเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากสนามแม่เหล็ก หรือแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากขดลวด ทิศทางของกระแสขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่
ฮันส์ คริสเตียน ออร์สเตด

ในขณะที่กำลังเตรียมเพื่อการสอนในตอนเย็นของวันที่ 21 เมษายน ค.ศ.1820 ฮันส์ คริสเตียน ออร์สเตด ได้สังเกตเห็นสิ่งน่าแปลกใจบางอย่าง เขาสังเกตเห็นเข็มทิศขยับออกจากทิศเหนือเมื่อกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรีที่เขาใช้อยู่ถูกปิดหรือเปิด การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เขามั่นใจว่าสนามแม่เหล็กถูกแผ่ออกมาจากทุกด้านของลวดที่มีกระแสไหลผ่าน เหมือนกับที่แสงและความร้อนแผ่รังสีออกมา และเป็นการยืนยันความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างไฟฟ้าและอำนาจแม่เหล็ก

อังเดร-มาเรีย แอมแปร์

ในตอนนั้น ออร์สเตด ไม่ได้ให้คำอธิบายของปรากฏการณ์อันนั้นให้เป็นที่น่าพอใจได้ และก็ไม่ได้พยายามที่จะนำเสนอปรากฏการณ์ในรูปแบบของคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตาม อีก 3 เดือนต่อมา เขาก็เริ่มค้นคว้าหาสาเหตุอย่างจริงจัง ไม่นานเขาก็พิมพ์สิ่งที่เขาค้นพบ พิสูจน์ว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กเมื่อมีกระแสไหลผ่านเส้นลวด คำว่า ออร์สเตด จึงเป็นหน่วยวัดการเหนี่ยวนำของแม่เหล็ก ถูกตั้งให้เป็นเกียรติแก่เขาในฐานะมีคุณูปการต่อวิชาการด้านทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า

ไมเคิล ฟาราเดย์

การค้นพบของออร์สเตดมีผลทำให้มีการค้นคว้าในกลุ่มนักวิทยาศาสตร์กันอย่างมากมายในเรื่อง อิเล็คโทรไดนามิคส์ (หรือพลศาสตร์ไฟฟ้า หรือ การปฏิสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก) สาขานี้ มีอิทธิพลต่อนักฟิสิกซ์ชาวฝรั่งเศสชื่อ อังเดร-มาเรีย แอมแปร์ ที่พัฒนารูปแบบทางคณิตศาสตร์แบบเดียวเพื่อแสดงอำนาจแม่เหล็กระหว่างตัวนำหลายตัวที่มีกระแสไหลผ่าน การค้นพบของออร์สเตดยังเป็นก้าวสำคัญในการทำให้กรอบความคิดเกี่ยวกับพลังงานเป็นหนึ่งเดียว

เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์

การเป็นหนึ่งเดียว ทำให้ไมเคิล ฟาราเดย์ นำไปใช้, ขยายเพิ่มเติมโดย เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์ และสร้างสูตรบางส่วนขึ้นมาโดย โอลิเวอร์ เฮฟวีไซด์ และ ไฮน์ริช เฮิทส์ เป็นความสำเร็จอย่างสำคัญสำหรับฟิสิกซ์คณิตศาสตร์ในศตวรรษที่ 19 ผลที่ตามมาไปไกลมาก หนึ่งในนั้นก็คือความเข้าใจในธรรมชาติของแสง ไม่เหมือนกับสิ่งที่นำเสนอในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า แสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ ในปัจจุบันถูกมองว่าอยู่ในรูปของปริมาณที่แน่นอน เป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีออกไปด้วยตัวเองในรูปคลื่นแกว่งไปมาซึ่งถูกเรียกว่าโฟตอน ความถี่ในการแกว่งที่ต่างกันทำให้รูปแบบการแผ่อำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบที่แตกต่างกัน จากคลื่นวิทยุความถี่ต่ำสุด ไปจนถึงความถี่ขนาดกลาง้ป็นแสงที่มองเห็นได้ และความถี่สูงสุดเป็นรังสีแกรมมา

ออร์สเตดไม่ใช่คนเดียวที่ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็ก ในปี ค.ศ.1802 เกียน โดมีนิโค โรแมคนอสิ นักวิชาการกฎหมายชาวอิตาลี ขยับเข็มแม่เหล็กด้วยประจุไฟฟ้าสถิต สิ่งที่เกิดขึ้นจริง ไม่มีกระแสไหลในการจัดทำจึงไม่มีอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้น การค้นพบถูกตีพิมพ์ในหนังสือพิมพ์อิตาลี แต่ถูกมองข้ามไปโดยชุมชนนักวิทยาศาสตร์สมัยนั้น


สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก[แก้]

เราอาจเข้าใจสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้า และทำให้เกิดแรงไฟฟ้าขึ้น แรงนี้ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต และทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า) ในตัวนำขึ้น ขณะเดียวกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็ก และทำให้เกิดแรงแม่เหล็กต่อวัตถุที่เป็นแม่เหล็ก

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกวาดเป็นมโนภาพให้เป็นคลื่นไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แกว่งกระจายออกจากแหล่งกำเนิดได้เอง สนามไฟฟ้าอยู่ในแนวตั้ง สนามแม่เหล็กอยู่ในแนวนอน

คำว่า "แม่เหล็กไฟฟ้า" มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ถ้ากฎของฟิสิกส์จะเหมือนกันใน ทุก กรอบอ้างอิงเฉื่อย (Inertia frame of reference) การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า (เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เป็นพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้านั่นเอง) ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

เนื่องจาก สนามทั้งสองไม่สามารถแยกจากกันได้ จึงควรรวมให้เป็นอันเดียวกัน เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้รวมสนามไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กเข้าด้วยกันด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ เพียงสี่สมการ ที่เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ ทำให้เกิดการพัฒนาฟิสิกส์ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19เป็นอย่างมาก และนำไปสู่ความเข้าใจในเรื่องต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น แสงนั้น อธิบายได้ว่าเป็นการสั่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่กระจายออกไป หรือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง ความถี่ของการสั่นที่แตกต่างกันทำให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เช่น คลื่นวิทยุเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำ แสงที่มองเห็นได้เกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ปานกลาง รังสีแกมมาเกิดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ามีส่วนสำคัญที่ทำให้เกิด ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1905

ปริมาณและหน่วย[แก้]

  • ampere (electric current)
  • coulomb (electric charge)
  • farad (capacitance)
  • henry (inductance)
  • ohm (resistance)
  • tesla (magnetic flux density)
  • volt (electric potential)
  • watt (power)
  • weber (magnetic flux)
SI electromagnetism units
    
Symbol[2] Name of Quantity Derived Units Unit Base Units
I electric current ampere (SI base unit) A A (= W/V = C/s)
Q electric charge coulomb C A⋅s
U, ΔV, Δφ; E potential difference; electromotive force volt V kg⋅m2⋅s−3⋅A−1 (= J/C)
R; Z; X electric resistance; impedance; reactance ohm Ω kg⋅m2⋅s−3⋅A−2 (= V/A)
ρ resistivity ohm metre Ω⋅m kg⋅m3⋅s−3⋅A−2
P electric power watt W kg⋅m2⋅s−3 (= V⋅A)
C capacitance farad F kg−1⋅m−2⋅s4⋅A2 (= C/V)
E electric field strength volt per metre V/m kg⋅m⋅s−3⋅A−1 (= N/C)
D electric displacement field coulomb per square metre C/m2 A⋅s⋅m−2
ε permittivity farad per metre F/m kg−1⋅m−3⋅s4⋅A2
χe electric susceptibility (dimensionless)
G; Y; B conductance; admittance; susceptance siemens S kg−1⋅m−2⋅s3⋅A2 (= Ω−1)
κ, γ, σ conductivity siemens per metre S/m kg−1⋅m−3⋅s3⋅A2
B magnetic flux density, magnetic induction tesla T kg⋅s−2⋅A−1 (= Wb/m2 = N⋅A−1⋅m−1)
Φ magnetic flux weber Wb kg⋅m2⋅s−2⋅A−1 (= V⋅s)
H magnetic field strength ampere per metre A/m A⋅m−1
L, M inductance henry H kg⋅m2⋅s−2⋅A−2 (= Wb/A = V⋅s/A)
μ permeability henry per metre H/m kg⋅m⋅s−2⋅A−2
χ magnetic susceptibility (dimensionless)

อ้างอิง[แก้]

  1. [1], แม่เหล็กไฟฟ้า ฟิสิกส์ราชมงคล
  2. แม่แบบ:GreenBookRef2nd