รถไฟแม็กเลฟ (MAGLEV) กับการลอยตัวของแม่เหล็กไฟฟ้า

น้องๆ หลายคนน่าจะเคยใช้บริการรถไฟฟ้ากันอยู่แล้วแต่เคยคิดกันไหมว่า ถ้ารถไฟฟ้าลอยได้เหมือนเครื่องบิน มันจะเร็วขนาดไหน อย่างรถไฟแม็กเลฟ หรือ รถไฟแม่เหล็ก ก็เป็นรถไฟที่สามารถลอยได้ โดยใช้หลักการของ “แม่เหล็กไฟฟ้า” มาช่วยในการขับเคลื่อน ส่วนจะขับเคลื่อนได้อย่างไร มาดูข้อมูลกันเลย แต่ก่อนจะเข้าเรื่องรถไฟแม็กเลฟ เรามาทำความรู้จักกับแม่เหล็กไฟฟ้ากันก่อน

ขอบคุณรูปภาพจาก www.freeimages.com

แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic)

แม่เหล็กไฟฟ้า ต้องใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก

อย่างที่เราทราบกันดีว่าแม่เหล็กมี 2 ขั้ว คือ ขั้วเหนือ และขั้วใต้ ขั้วเหมือนกันจะดูดกัน ขั้วต่างกันจะผลักกัน ซึ่งแม่เหล็กไฟฟ้าก็เหมือนกับแม่เหล็กทั่วไป แต่แม่เหล็กไฟฟ้าต้องใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็กไฟฟ้า เป็นแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับแม่เหล็กถาวร แต่เหล็กที่นำมาใช้เป็นเพียงเหล็กอ่อนธรรมดา เมื่อมีการป้อนกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวดที่พันอยู่รอบแท่งเหล็กอ่อนนั้น แท่งเหล็กอ่อนก็จะมีสภาพเป็นแม่เหล็กไปทันที แต่เมื่อหยุดจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไปอำนาจแม่เหล็กก็จะหมดไปด้วย

“Maglev” คืออะไร?

Maglev ย่อมาจาก Magnetic Levitation คือ การใช้สนามแม่เหล็กมายกให้รถไฟลอยอยู่บนราง รวมทั้งใช้รถไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้เป็นสนามแม่เหล็ก เพื่อเป็นตัวขับเคลื่อนและหยุดรถ

รถไฟแม็กเลฟ เป็นยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยพลังแม่เหล็ก ซึ่งทำให้มันลอยอยู่เหนือรางตลอดเวลา และสามารถเดินทางได้ด้วยความเร็วมากกว่า 500 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และลอยอยู่เหนือรางประมาณ 1-10 เซนติเมตร และไม่มีคนขับ

การกำหนดความเร็วทั้งหมดทำโดยคอมพิวเตอร์ส่วนกลาง ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กให้รถเคลื่อนที่ไปในเวลาที่ต้องการ ระบบสับเปลี่ยนรางควบคุมโดยคอมพิวเตอร์ และถ้าเกิดเหตุฉุกเฉิน แบตเตอรี่ที่ติดตั้งไว้ในตัวรถจะทำการจ่ายกระแสไฟฟ้า เพื่อบังคับให้รถหยุดอย่างแม่นยำที่ความสูงเหนือราง 10 มิลลิเมตร

ทำไม Maglev ถึงลอยได้

ขอบคุณรูปภาพจาก nexusp4science.wordpress.com

การที่รถไฟแม็กเลฟสามารถลอยได้นั้นเกิดจากการลอยตัวของแม่เหล็ก ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้แรงดูดหรือแรงผลัก หรือเป็นระบบที่ใช้ทั้งแรงดูดและแรงผลักร่วมกัน ทำให้รถไฟลอยอยู่ในอากาศได้

หลักการคือทำให้แม่เหล็กสองข้างสลับขั้วเหนือขั้วใต้อย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดแรงดึงไปข้างหน้าและแรงผลักจากข้างหลัง ส่งผลให้ตัวรถพุ่งไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว  ส่วนรางและรถไฟจะทำงานด้วยกัน ด้วยการสร้างและควบคุมการยกและ ผลักกันด้วยสนามแม่เหล็ก

ประเภทของรถไฟ Maglev

ขอบคุณรูปภาพจาก www.pngfuel.com

Electromagnetic Suspension (EMS) หรือ การลอยตัวด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า

รถไฟแบบ EMS ส่วนล่างของรถ จะยื่นงุ้มออกมาหุ้มรางเอาไว้ และใช้แม่เหล็กที่ติดอยู่กับรถ ดูดกับแม่เหล็กที่ติดอยู่กับราง โดยตัวรถจะลอยอยู่เหนือรางแค่ 1 เซนติเมตรเท่านั้น

EMS จะลอยอยู่ตลอด ถึงแม้จะจอดอยู่เฉยๆ เพราะระบบนี้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่อยู่บนตัวรถไฟ ซึ่งถ้าใช้ไปเรื่อยๆโดยไม่อัดประจุเพิ่มก็จะลอยได้นานแค่ 1 ชั่วโมง แต่ตัวรถไฟออกแบบให้วิ่งไปด้วยอัดไฟไปด้วย จึงสามารถใช้ได้นานยิ่งขึ้น ซึ่งรถไฟแบบ EMS นี้ได้พัฒนาขึ้นในประเทศเยอรมัน

Electrodynamic Suspension (EDS) หรือ การลอยตัวด้วยไฟฟ้าพลศาสตร์

รถไฟแบบ EDS เป็นระบบที่ใช้แม่เหล็กที่ทำจากสารตัวนำยิ่งยวด ซึ่งถ้าหากอุณภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติค่าหนึ่ง ตัวนำยิ่งยวดนี้จะนำไฟฟ้าได้โดยไร้ความต้านทานทางไฟฟ้า

ในขณะที่รถวิ่งเส้นแม่เหล็กจากขดลวดตัวนำยิ่งยวดจะไปเหนี่ยวนำขดลวดที่อยู่ 2 ข้างทางให้กลายเป็นแม่เหล็กชั่วคราว เกิดแรงผลักจากด้านล่างและแรงดึงขึ้นจากด้านบนทั้ง 2 ข้าง ซ้ายและขวา ทำให้ตัวรถไฟลอยได้ถึง 10 เซนติเมตรเหนือราง

EDS จะไม่ลอยอยู่ตลอด เวลาจอดอยู่นิ่งๆ ก็จะมีล้อยางชั้นดีมารองรับไว้ เมื่อรถออกวิ่งใหม่ๆ รถจะวิ่งบนล้อยางไปก่อน พอทำความเร็วได้ถึง 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง รถก็จะทะยานพุ่งลอยออกไป ซึ่งรถไฟแบบ EDS นี้ได้พัฒนาขึ้นในประเทศญี่ปุ่น

รถไฟฟ้าในประเทศไทย

ขอบคุณรูปภาพจาก ya-webdesign.com

เมื่อพูดถึงรถไฟแม็กเลฟไปแล้ว สิ่งที่ลืมไม่ได้เลยคือรถไฟฟ้าในประเทศไทย ซึ่งเป็นรถไฟฟ้าที่อยู่ใกล้ตัวเรา ซึ่งน้องๆหลายคนน่าจะเคนได้ใช้บริการรถไฟฟ้า BTS และ MRT กันอยู่แล้ว

ระบบรถไฟฟ้าในประเทศไทยจะใช้กระแสไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อนรถไฟฟ้า

ระบบไฟฟ้าที่ใช้ในรถไฟฟ้า มี 2 ระบบ คือ

-ระบบไฟฟ้ากระแสตรงถูกใช้ใน BTS และ MRT รถไฟฟ้าระบบนี้จะรับไฟฟ้าจากรางที่สามขนาด 750 โวลต์ผ่านคอเล็กเตอร์ชูส์ หรือแผงรับกระแสไฟฟ้าที่ติดอยู่กับโบกี้ของรถไฟฟ้า ซึ่งรางที่สามนี้จะรับไฟฟ้าจากการไฟฟ้าแห่งประเทศไทย เมื่อผ่านหม้อแปลงจะเปลี่ยนเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

-ระบบไฟฟ้ากระแสสลับถูกใช้ในรถไฟ airport rail link ไฟฟ้ากระแสสลับจะมีความซับซ้อนมากกว่าไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งระบบไฟฟ้าภายในรถไฟฟ้าจะประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังนี้

1. แหนบรับไฟ (pantograph) ทำหน้าที่เป็นแขนรับไฟฟ้ากระแสสลับจากสายส่งเหนือศีรษะ โดยลักษณะของแหนบรับไฟ จะแตกต่างกันไปตามความกว้างของขบวนรถและแรงดันไฟฟ้า

2.หม้อแปลงหลัก (Main transformer) ใช้แปลงขนาดแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสมกับอุปกรณ์ไฟฟ้าและระบบขับเคลื่อนรถไฟฟ้า โดยปกติจะติดตั้งอยู่บนขบวนรถไฟฟ้า

3.วงจรเรียงกระแสหลัก (main Rectifier) ทำหน้าที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อจ่ายให้อินเวอร์เตอร์หลักและอินเวอร์เตอร์รอง

4.วงจรเรียงกระแสรอง (auxiliary Rectifier) ทำหน้าที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อชาร์จแบตเตอรี่

5.อินเวอร์เตอร์หลัก (Main inverter) ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส และยังสามารถควบคุมความถี่ไฟฟ้าให้เหมาะสมกับชุดขับเคลื่อนมอเตอร์ 3 เฟส ที่ติดอยู่ใต้โบกี้ของรถไฟฟ้าต่างๆ ในขบวนรถไฟฟ้า

6.อินเวอร์เตอร์รอง (auxiliary inverter) ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แต่จะควบคุมแรงดันและความถี่ให้คงที่เพื่อจ่ายให้อุปกรณ์ต่างๆ ในรถไฟฟ้าที่จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า

นี่ก็เป็นฟิสิกส์ในชีวิตประจำวันที่น่าจะเป็นประโยชน์กับน้องๆ  ที่จะทำให้น้องๆ เข้าใจหลักการของแม่เหล็กไฟฟ้ามากขึ้น  หรือถ้าน้องๆ อยากทราบว่าสิ่งต่างๆ ในชีวิตประจำวัน เกิดขึ้นได้อย่างไร เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์อย่างไรบ้าง ก็สามารถ inbox สอบถามมาได้ที่ FB Dek-D School หรือ line@schooldekd