การศึกษารูปแบบการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กผ่านท่อทองแดงและอลูมิเนียม

Abstract

การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษารูปแบบการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กโดยเปรียบเทียบความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปตลอดช่วงเวลาที่แท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านท่อโลหะสองชนิด ได้แก่ ท่อทองแดง และท่ออลูมิเนียม และศึกษาผลของความเข้มของสนามแม่เหล็กต่อรูปแบบการเคลื่อนที่คณะผู้วิจัยได้สร้างระบบรอกเพื่อใช้ทำการทดลองเมื่อปล่อยแท่งแม่เหล็กนีโอไดเมียม (neodymium) ทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 มิลลิเมตร และสูง 15 มิลลิเมตร ให้เคลื่อนที่ลงไปในท่อโลหะทั้งสองชนิดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในประมาณ 15.5 มิลลิเมตร และยาว 1 เมตร จะเกิดฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux) ตามทิศทางการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กและจะเกิดฟลักซ์แม่เหล็กต้านในทิศทางตรงกันข้ามตามกฎของเลนซ์และฟาราเดย์ฟลักซ์แม่เหล็กต้านดังกล่าวจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนํา (induced electric current) ที่พื้นผิวของท่อโลหะปรากฏการณ์นี้ส่งผลให้เกิดแรงต้านจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagneticbraking) ซึ่งต้านการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก แท่งแม่เหล็กจึงเคลื่อนที่ช้าลงจนกระทั่งเข้าสู่ความเร็วสุดท้าย (terminal velocity) ซึ่งมีค่าคงที่ ในการเก็บข้อมูลจากการทดลอง คณะผู้วิจัยใช้เซนเซอร์ตรวจวัดระยะทางที่แท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่ได้เมื่อเวลาผ่านไป และทำการประมวลผลโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์Arduino จากนั้นนำความสัมพันธ์ดังกล่าวไปหาอนุพันธ์เพื่อให้ได้ความเร็วของแท่งแม่เหล็กที่เวลาใดๆ นอกจากนี้ยังทำการเปลี่ยนแปลงค่าความเข้มของสนามแม่เหล็กโดยการเพิ่มจำนวนแท่งแม่เหล็กแบบเดียวกันจนถึง 3 แท่ง 

          ผลการศึกษาพบว่าเมื่อปล่อยแท่งแม่เหล็กให้เคลื่อนที่ลงไปในท่อโลหะด้วยความเร็วเริ่มต้นที่คงที่พบว่าความเร็วของแท่งแม่เหล็กในช่วงแรกนี้ไม่คงที่ ต่อมาความเร็วจะลดลงอย่างรวดเร็วจนเข้าสู่ความเร็วสุดท้ายและพบว่าชนิดของท่อโลหะมีผลต่อการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก ความเร็วคงที่เริ่มต้นในท่อทองแดงมีค่ามากกว่าในท่ออลูมิเนียมและช่วงเวลาของความเร็วที่ลดลงในท่อทองแดงจะยาวนานกว่าในท่ออลูมิเนียม ส่วนการเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กด้วยการเพิ่มจํานวนแท่งแม่เหล็กแบบเดียวกันไปจนถึง 3 แท่งในท่อโลหะทั้งสองประเภท พบว่าความเร็วต้นลดลง และทําให้ช่วงก่อนที่ความเร็วจะลดลงอย่างงรวดเร็วนั้นมีค่าเพิ่มขึ้นด้วยข้อจํากัดของระบบรอกและเซนเซอร์ตรวจวัดระยะทางที่ใช้ในการทําวิจัยนี้ ส่งผลให้ไม่สามารถหาความเร็วของแท่งแม่เหล็กตั้งแต่ช่วงที่ปล่อยได้ทันที จึงทําให้ศึกษาช่วงที่ความเร็วไม่คงที่ได้เพียงบางส่วน และระยะทางในการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กที่วัดได้นั้นไม่มากพอที่จะศึกษาช่วงที่เข้าสู่ความเร็วสุดท้ายได้ทั้งหมด หากงานวิจัยนี้ได้รับการพัฒนาในส่วนของเซนเซอร์ตรวจวัด เช่น การใช้เซนเซอร์ตรวจวัดอัตราเร็วของการหมุนของรอกแทนการใช้เซนเซอร์ตรวจวัดระยะทางที่แท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่ได้จะทําให้การทดลองนั้นได้ข้อมูลที่ต่อเนื่องและแม่นยํามากขึ้น