แล็บสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กเสมือน: ห้องแล็บฟิสิกส์ 2

วิธีใช้แล็บ

• ลากประจุหรือลวด เพื่อย้ายตำแหน่ง คลิกเลือกแล้วปรับขนาดด้วยแถบ “ประจุของตัวที่เลือก”
• ลากจุด P (สี่เหลี่ยมข้าวหลามตัดสีดำ) หรือคลิกที่ว่างเพื่อวาง P ใหม่ ช่องขวาแสดงสนามจากแต่ละแหล่งและผลรวม
• ตารางพื้นหลังห่าง 0.1 m · k = 8.988 × 10⁹ N·m²/C² · μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

ทฤษฎีที่ใช้อยู่ใน เวกเตอร์ในสนามไฟฟ้าและแม่เหล็ก (สูตร M1–M12)

การทดลองที่ 1 · หลักการซ้อนทับของสนามไฟฟ้า พื้นฐาน

วัตถุประสงค์ แสดงว่าสนามรวมเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของสนามจากประจุแต่ละตัว (M3) ไม่ใช่ผลรวมขนาด

1. เลือก “ไดโพล +q −q” วาง P ที่ (0, 0.35) บันทึก |E₁|, |E₂|, |E| (เทียบตัวอย่าง M-2)
2. ย้าย P ไป (0.6, 0), (0, 0) และ (−0.6, 0.3) บันทึกค่าทุกจุด
3. คำนวณ |E₁| + |E₂| เทียบกับ |E| แล้วอธิบายเมื่อใดสองค่านี้เท่ากัน

การทดลองที่ 2 · เส้นแรงและเส้นศักย์เท่า พื้นฐาน

วัตถุประสงค์ วาดรูปแบบสนามของประจุแบบต่าง ๆ และตรวจว่าเส้นแรงตั้งฉากกับเส้นศักย์เท่า (M4)

1. เปิด “เส้นแรงไฟฟ้า” และ “เส้นศักย์เท่า” ปิด “เวกเตอร์สนาม” สลับตัวอย่าง: ประจุเดี่ยว ไดโพล ประจุชนิดเดียวกัน ควอดรูโพล ร่างรูปลงสมุด
2. หาจุดที่เส้นแรงทุกเส้นหลบไป (จุดอานม้า) ในกรณีประจุชนิดเดียวกัน — ที่นั่น E = 0
3. เปิด “แผนที่ศักย์ (สี)” สีแดงคือศักย์บวก สีน้ำเงินคือลบ เส้นศักย์ศูนย์ของไดโพลอยู่ตรงไหน?

คำถาม ถ้าวางอิเล็กตรอนไว้บนเส้นศักย์เท่าเส้นหนึ่งแล้วปล่อย มันจะวิ่งไปตามเส้นนั้นหรือไม่? ทำไม?

การทดลองที่ 3 · จุดที่สนามเป็นศูนย์ กลาง

วัตถุประสงค์ หาจุดที่ E = 0 ของประจุสองตัวต่างขนาดด้วยการทดลอง แล้วเทียบกับ M5

1. เลือก “+4 μC กับ −1 μC” จุด P อยู่ที่ (0.6, 0) แล้ว อ่าน |E|
2. เลื่อน P ไปทาง 0.55 และ 0.65 m ดูว่า |E| เพิ่มทั้งสองข้าง
3. เปลี่ยนประจุ −1 μC เป็น −2 μC แล้วหาจุดใหม่ คำนวณทฤษฎี: $\sqrt{4}/(x+0.2)=\sqrt{2}/(x-0.2)\Rightarrow x=0.2(\sqrt4+\sqrt2)/(\sqrt4-\sqrt2)=1.166$ m (นอกจอ ลองเลื่อนประจุให้ใกล้กันขึ้น)

การทดลองที่ 4 · สนามสม่ำเสมอระหว่างแผ่นขนาน กลาง

วัตถุประสงค์ แสดงว่าประจุจำนวนมากเรียงเป็นแผ่นให้สนามเกือบสม่ำเสมอระหว่างแผ่น (หลักของตัวเก็บประจุ) และสนามรั่วที่ขอบ

1. เลือก “แผ่นขนาน” วัด |E| ที่ (−0.2, 0), (0, 0), (0.2, 0), (0, 0.1), (0, −0.1) — ค่าใกล้กันมาก
2. ย้าย P ไปที่ (0.75, 0) นอกขอบแผ่น สนามลดลงเท่าไร? นี่คือ fringing field
3. ตรวจว่าศักย์เปลี่ยนเป็นเส้นตรงจากแผ่นบนลงล่าง: E ≈ ΔV/Δy

การทดลองที่ 5 · แรงคูลอมบ์ลัพธ์บนประจุ กลาง

วัตถุประสงค์ หาแรงลัพธ์บนประจุหนึ่งตัวจากประจุอื่นทั้งหมด (M1) ตรวจตัวอย่าง M-1

1. เลือก “สามเหลี่ยม” (เลือก q₃ ไว้แล้วและเปิดแรงบนประจุที่เลือก) บันทึกแรงจาก q₁, q₂ และผลรวม
2. ลาก q₃ ไปตำแหน่งที่แรงลัพธ์ชี้ตรงไปทาง −y (แนวดิ่งลง)
3. เปลี่ยน q₂ เป็น +4 μC แรงลัพธ์บน q₃ เปลี่ยนทิศอย่างไร?

สามมิติ: ฉากนี้แสดงการซ้อนทับของสนามจากประจุบนแกน x, y, z ลากหมุนเพื่อดูการบวกเวกเตอร์ในอวกาศ

การทดลองที่ 6 · สนามแม่เหล็กจากลวดตรงและแรงระหว่างลวด กลาง

วัตถุประสงค์ ศึกษาสนามรอบลวด $B=\mu_0I/(2\pi r)$ และแรงต่อเมตรระหว่างลวดขนาน (M10, M11)

1. เลือก “ลวดเส้นเดียว” วัด |B| ที่ r = 0.1, 0.2, 0.4 m พล็อต B กับ 1/r ต้องได้เส้นตรง
2. เลือก “กระแสทิศเดียวกัน” เลือกลวดเส้นหนึ่งแล้วเปิด “แรงต่อเมตรบนลวดที่เลือก” บันทึกทิศ (ดูดกัน) แล้วเปลี่ยนเป็น “สวนทาง”
3. เปลี่ยนระยะห่างของลวด ตรวจว่าแรงแปรผกผันกับ d
4. เลือก “สายสามเฟสขณะหนึ่ง” สังเกตว่าเมื่อกระแสรวมเป็นศูนย์ สนามไกลจากชุดสายลดลงเร็ว — เหตุผลที่สายสามเฟสวางชิดกัน

การทดลองที่ 7 · อนุภาคมีประจุในสนาม E และ B ขั้นสูง

วัตถุประสงค์ ศึกษาการเคลื่อนที่ภายใต้แรงลอเรนซ์ $\mathbf F=q(\mathbf E+\mathbf v\times\mathbf B)$ (M7, M8) แล็บนี้ใช้หน่วยย่อ (m = 1, |q| = 1) จึงได้ r = v/B และ T = 2π/B

1. “วงกลมใน B อย่างเดียว”: วัดรัศมีจากเส้นทางที่ v = 2, 3, 4 (B = 2) แล้วตรวจว่า r แปรตาม v แต่คาบคงที่
2. “ประจุลบ”: ทิศการวนกลับเป็นทวนเข็ม
3. “ตัวเลือกความเร็ว”: E_y = 6, B = 2 ต้องได้เส้นตรงเมื่อ v₀ = 3 ลองเปลี่ยน v₀ เป็น 2.5 หรือ 3.5 แล้วดูว่าเบนไปทางไหน
4. “ไซคลอยด์”: เริ่มนิ่งใน E ⟂ B อนุภาคเดินเป็นโค้งไซคลอยด์ด้วยความเร็วดริฟต์เฉลี่ย E/B ไปทางแกน x ไม่ใช่ทิศของ E

การทดลองที่ 8 · แรงบนลวดและแรงบิดบนขดลวด (หลักการมอเตอร์) กลาง

1. ฉากแรก: เปลี่ยนมุมระหว่างลวดกับ B จาก 0° ถึง 90° บันทึกแรง ตรวจ $F=ILB\sin\theta$
2. ฉากที่สอง: หมุนขดลวดจาก 0° ถึง 180° บันทึกแรงบิด สังเกตว่าแรงบิดกลับทิศหลัง 180° (เหตุผลที่มอเตอร์ DC ต้องมีคอมมิวเตเตอร์)

เครื่องมือระดับโลกที่ใช้ต่อได้: PhET Charges and Fields และ Faraday's Electromagnetic Lab และ Falstad 3-D Electrostatic Field