ศึกษารูปแบบการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กผ่านท่อทองแดงและอลูมิเนียมโดยระบบรอกและโปรแกรม ARDUINO
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
ตาณ เหล่าเจริญสุข, สิริไชย พรมเจียม, สัณหณัฐ เชาว์กิจค้า
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
ธัญนันท์ สมนาม
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
ในงานวิจัยนี้ คณะผู้พัฒนามุ่งศึกษาการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กผ่านท่อทองแดงและอลูมิเนียม โดยการใช้ระบบรอกและโปรแกรม Arduino และผลของความเข้มสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ ผู้พัฒนาได้สร้างระบบรอกขึ้นเองจากอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ เพื่อปล่อยแท่งแม่เหล็กนีโอไดเมียม (neodymium) ทรงกระบอก ให้เคลื่อนที่ลงไปในท่อโลหะทั้งสอง การเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของเลนซ์ และฟาราเดย์ การเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux) จะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กต้านในทิศทางตรงกันข้าม จนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนํา (induced electric current) ที่พื้นผิวของท่อโลหะ ปรากฏการณ์นี้ส่งผลให้เกิดแรงต้านจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic braking) ที่ต้านการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก แท่งแม่เหล็กจึงมีความเร็วลดลง จนกระทั่งมีความเร็วคงที่ เรียกว่า ความเร็วสุดท้าย (terminal velocity) เนื่องจากข้อจำกัดของชุดการทดลองในงานวิจัยที่ผ่านมาทำให้ไม่สามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงความเร็วของแท่งแม่เหล็กตั้งแต่เริ่มปล่อยจนกระทั่งหลุดออกจากท่อได้ ดังนั้นคณะผู้พัฒนาจึงได้ออกแบบชุดการทดลองใหม่ที่ใช้ระบบรอกที่ออกแบบและสร้างขึ้นเอง และเปลี่ยนระบบวัดการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กจากเซนเซอร์ที่วัดการกระจัดมาเป็นเซนเซอร์ที่วัดความเร็วของการหมุนของรอก ซึ่งจะได้ความเร็วในการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กจากการทดลองโดยตรง โดยไม่ต้องหาความเร็วจากการคำนวณอนุพันธ์ของการกระจัดเหมือนในงานวิจัยที่ผ่านมา
จากผลการทดลองพบว่าสามารถแบ่งการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กได้เป็น 2 ช่วงใหญ่ คือ ช่วงที่ความเร็วไม่คงที่ และช่วงที่ความเร็วคงที่ โดยช่วงที่ความเร็วไม่คงที่สามารถแบ่งได้เป็น 2 ช่วงย่อย คือ ช่วงที่ความเร็วเพิ่มขึ้น และช่วงที่ความเร็วลดลง โดยเมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านท่อโลหะจะมีความเร็วเพิ่มขึ้น แล้วลดลงจนกระทั่งมีความเร็วคงที่เป็นความเร็วสุดท้าย มีความเร็ว 2 ค่าที่นำมาพิจารณา คือ ความเร็วสูงสุดก่อนที่ความเร็วจะลดลงเข้าสู่ความเร็วสุดท้าย และความเร็วสุดท้าย สำหรับความเร็วทั้งสองประเภทนี้ แท่งแม่เหล็กที่เคลื่อนที่ผ่านในท่อทองแดงจะมีค่าความเร็วน้อยกว่าในชุดการทดลองที่ใช้ท่ออลูมิเนียม และช่วงเวลาเคลื่อนที่ทั้งหมดของแท่งแม่เหล็กในท่อทองแดงจะยาวนานกว่าในท่ออลูมิเนียม ในส่วนของความเข้มสนามแม่เหล็กนั้น เมื่อความเข้มสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นหรือจำนวนแท่งแม่เหล็กเพิ่มมากขึ้น รูปแบบการเคลื่อนที่โดยภาพรวมยังคงเหมือนเดิม จะมีส่วนที่แตกต่าง คือ ความเร็วตลอดทั้งการเคลื่อนที่ลดลง และเวลาที่ใช้เคลื่อนที่ทั้งหมดนานขึ้น โดยงานวิจัยนี้สามารถนำไปเป็นแนวทางในการต่อยอดการศึกษาการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กในโลหะประเภทอื่นๆ นำไปประกอบการเลือกวัสดุหรือการเลือกใช้ความเข้มสนามแม่เหล็กในการสร้างระบบชะลอความเร็วด้วยแรงต้านจากแม่เหล็ก นอกจากนี้หากเซนเซอร์สำหรับตรวจวัดความเร็วของแท่งแม่เหล็กได้รับการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น การศึกษาลักษณะการเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็กจะมีความแม่นยำมากขึ้น ชุดทดลองที่สร้างขึ้นนี้ยังสามารถนำไปปรับใช้เป็นสื่อประกอบการเรียนการสอนในรายวิชาฟิสิกส์เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งในระดับโรงเรียนและระดับมหาวิทยาลัยได้ในอนาคต