เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้า

เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ นักฟิสิกส์

เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell พ.ศ. 2374-2422) นักฟิสิกส์ เกิดที่เมืองเอดินบะระ สกอตแลนด์ สหราชอาณาจักร ได้รับการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระและเคมบริดจ์ และเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยอาเบอร์ดีน (พ.ศ. 2399) แลมหาวิทยาลัยลอนดอน (พ.ศ. 2403
แมกซ์เวลล์เป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์เชิงทดลอง (Experimental Physics) คนแรกของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (พ.ศ. 2414) โดยเป็นผู้ก่อตั้งห้องทดลองคาเวนดิช (Cavendish Laboratory) ที่มีชื่อเสียง แมกซ์เวลล์ได้ตีพิมพ์หนังสือเล่มสำคัญชื่อ "เรื่องราวว่าด้วยไฟฟ้าและแม่เหล็ก" (Treatise on Electricity and magnetism) ในปี พ.ศ. 2416 ซึ่งเป็นการให้วิธีการทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายทฤษฎีของฟาราเดย์เกี่ยวกับไฟฟ้าและแรงของแม่เหล็ก นอกจากนี้ แมกซ์เวลล์ยังได้ให้คำอธิบายเกี่ยวกับการมองเห็นสี จลนะ หรือ การเคลื่อนไหวของก๊าซ แต่งานที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของเขาได้แก่ทฤษฎีว่าด้วยการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งทำให้แมกซ์เวลล์ได้รับการยกย่องให้เป็นนักทฤษฎีฟิสิกส์ชั้นนำแห่งศตวรรษ

จากภาพที่ 3 จะเห็นช่องว่างบริเวณหัวและท้ายของแท่งแม่เหล็กไม่มีแนวจัดเรียงตัวของผงตะไบเหล็กเลย สามารถเขียนเส้นแรงแม่เหล็กได้ดังภาพที่4จากภาพที่ 4 บริเวณจุด A และ B ไม่มีเส้นแรงแม่เหล็กพาดผ่านเลย ถ้านำเข็มทิศมาวาง ณ บริเวณดังกล่าวจะพบว่าเข็มทิศหมุนได้โดยรอบแสดงว่าจุดดังกล่าวเส้นแรงแม่เหล็กหักล้างกันหมดจึงให้ชื่อจุดดังกล่าวว่า จุดสะเทิน (Natural point)

ฟลักซ์แม่เหล็ก(Magnetic Flux)

ฟลักซ์แม่เหล็ก (Magnetic Flux) คือปริมาณเส้นแรงแม่เหล็ก หรือจำนวนของเส้นแรงแม่เหล็ก สัญลักษณ์คือ B มีหน่วยเป็น เวบเบอร์ (WB)
ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก หรือ ความเข้มของสนามแม่เหล็ก ( Magnetic Flux Density)
ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก หมายถึง จำนวนเส้นแรงแม่เหล็กต่อหน่วยพื้นที่ที่เส้นแรงแม่เหล็กตกตั้งฉาก

เนื่องจากแรง F ที่เกิดขึ้นนี้กระทำในทิศตั้งฉากกับความเร็ว v ตลอดเวลา ดังนั้นถ้าอนุภาคยังคงเคลื่อนที่อยู่ในสนามแม่เหล็กตลอดเวลา ผลก็คือ อนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นวงกลม เมื่ออาศัยหลักการเคลื่อนที่ของวงกลมจะสรุปได้ดังนี้

การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก

เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เข้าไปในบริเวณ ของสนามแม่เหล็กจะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อ อนุภาคไฟฟ้านั้นตลอดเวลาทุก ๆ ตำแหน่งที่อนุภาคนั้นเคลื่อนที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ถ้าสนามแม่เหล็ก มีขนาดสม่ำเสมอ แรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคจะมีค่าคงที่ด้วยแรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออนุภาคไฟฟ้าขึ้นอยู่กับจำนวนประจุไฟฟ้า และความเร็วของอนุภาค และความเข้มของสนามแม่เหล็ก ซึ่งเขียนในรูปทางคณิตศาสตร์ของผลคูณเวกเตอร์ของเวกเตอร์สองจำนวนได้ดังนี้

สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก

เราอาจเข้าใจสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้า และทำให้เกิดแรงไฟฟ้าขึ้น แรงนี้ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต และทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า) ในตัวนำขึ้น ขณะเดียวกัน อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็ก และทำให้เกิดแรงแม่เหล็กต่อวัตถุที่เป็นแม่เหล็ก
คำว่า "แม่เหล็กไฟฟ้า" มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไม่สามารถแยกออกจากกันได้ ถ้ากฏของฟิสิกส์จะเหมือนกันใน ทุก กรอบเฉื่อย 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