Physics: บทที่13ไฟฟ้าสถิต

ฟ้าผ่า ฟ้าแลบและฟ้าร้องเป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติ

เกิดจากการถ่ายเทประจุไฟฟ้าจำนวนมากระหว่างวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งอาจเกิดขึ้นระหว่างพื้นโลกกับก้อนเฆม หรือระหว่างก้อนเฆมกับพื้นดิน เหมือนกับหลักการที่ว่าถ้าเอาวัตถุต่างชนิดมาถูกันจะเกิดอำนาจของไฟฟ้าขึ้น ในวัตถุทั้งสองนั้น

ประจุไฟฟ้า

อะตอมประกอบด้วย นิวเคลียส ( บรรจุด้วยโปรตอน ) และอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสด้วยอัตราเร็วที่สูงมาก

อนุภาคที่มีประจุในหัวข้อนี้ เช่น อิเล็กตรอนและโปรตอน ซึ่งมีขนาดเท่ากัน คือ e = 1.6 x 10-19 C

โดยที่ C คือ Coulomb เป็นหน่วยของประจุนั่นเอง

ประจุของโปรตอนเป็น +1.6 x 10-19 C และประจุของอิเล็กตรอนเป็น -1.6 x 10-19 C

คำถาม ถ้านักเรียนต้องการมีประจุ 1 Coulomb ถามว่าต้องใช้จำนวนอิเล็กตรอนเท่าไร ?

เฉลย เนื่องจากอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีขนาดของประจุเป็น 1.6 x 10-19 ดังนั้น จำนวนอิเล็กตรอน ทั้งหมดเท่ากับ 1/1.6 x 10-19 = 6.25 x 1018 อิเล็กตรอน นักเรียนจำเป็นต้องใช้อิเล็กตรอน 6.25 x 1018 ตัวเพื่อสร้างประจุ 1 Coulomb

ปัญหาน่าสนใจ

เมื่อนักเรียนมีจำนวนอิเล็กตรอนจำนวนมาก ๆ มาอยู่ด้วยกัน ก็จะคล้ายกับการพบปะสังสรรค์กันของเครือญาติที่สุดแสนจะน่าเบื่อ ต่างคนก็ต่างแยกย้ายกันไปในที่สุด เมื่องานมันน่าเบื่อ ( กระเจิง ) เอาหละนักเรียนรู้จักแรงไฟฟ้าไหม ? มันคล้ายกับแรงดันและแรงดึงไหม ! ให้นักเรียนจินตนาการว่าประจุไฟฟ้าออกแรงกระทำซึ่งกันและกัน และนักเรียนมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับ 6.25 x 1018 ยกตัวอย่างเช่น นักเรียนพยายามที่จะยึดอิเล็กตรอนทั้งหมดนี้ให้อยู่ด้วยกัน สสารทั้งหมดจะมีประจุไฟฟ้าประกอบด้วย : โปรตอน, อิเล็กตอน, และนิวตรอน ‘แต่ถ้าวัตถุหนึ่งมีจำนวนของอิเล็กตรอนเกินมา เรียกว่า วัตถุนี้มีประจุสุทธิเป็นลบ และถ้าวัตถุหนึ่งมีจำนวนของอิเล็กตรอนขาดไป เรียกว่า วัตถุนี้มีประจุเป็นบวก’

สรุป ประจุไฟฟ้าเป็นสมบัติเฉพาะของอนุภาคพื้นฐานในทางฟิสิกส์ครับ

นักเรียนคงเคยเล่นแท่งแม่เหล็ก ถ้าขั้วแม่เหล็กเหมือนกันจะผลักกัน ถ้าขั้วแม่เหล็กต่างกันจะดึงดูดกัน ในทำนองเดียวกัน ประจุไฟฟ้าที่เหมือนกันจะผลักกัน แต่ถ้าประจุไฟฟ้าต่างกันจะดึงดูดกัน ลองดูภาพเคลื่อนไหว

จากรูปที่ 1 นักเรียนรู้ไหมว่า แรงระหว่างวัตถุที่มีประจุมีกำลังเป็นอย่างไร ?

กำลังของแรงทั้งหมดขึ้นอยู่กับว่า ขนาดของประจุและระยะห่างระหว่างประจุ จากแรงโน้มถ่วงของโลก นักเรียนจะเห็นแรงกระทำระหว่างวัตถุเป็น

F = -Gm1m2 /R2

โดยที่ F เป็นแรงโน้มถ่วง

G เป็นค่าคงที่โน้มถ่วงทั่วไป

m1 เป็นมวลของวัตถุหนึ่ง

m2 เป็นมวลของอีกวัตถุหนึ่ง

R เป็นระยะห่างระหว่างมวลทั้งสอง

แรงระหว่างประจุุ

เหนี่ยวนำไฟฟ้า

การทำให้เกิดประจุ

สำหรับคนที่สวมใส่รองเท้าหนังแล้วเดินไปบนพื้นที่ปูด้วยขนสัตว์หรือพรหม เมื่อเดินไปจับลูกปิดประตูจะมีความรู้สึกว่าถูกไฟช๊อต ที่เป็นเช่นนี้เราสามารถอธิบายได้ว่า เกิดประจุไฟฟ้าขึ้นจากการขัดสีของวัตถุ 2 ชนิด วัตถุใดสูญเสียอิเลคตรอนไปจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ส่วนวัตถุใดได้รับอิเลคตรอนมาจะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ซึ่งขึ้นอยู่กับวัตถุที่มาขัดสีกัน

ปกติคนเป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อเดินผ่านขนสัตว์หรือพรหม รองเท้าหนัง ของเขาจะขัดสีกับพื้นขนสัตว์หรือพรหม ทำให้อิเลคตรอนหลุดจากรองเท้าหนังไปยังพื้นพรหม เมื่อเขาเดินไปเรื่อย ๆ อิเลคตรอนจะหลุดจากรองเท้าไปยังพื้นมากขึ้น จึงทำให้เขามีประจุไฟฟ้าเป็นบวกกระจายอยู่เต็มตัวเขา เมื่อเขา(ซึ่งมีประจุบวก)เข้าไปใกล้ ๆ และจะจับลูกบิดประตู ซึ่งเป็นโลหะจะทำให้ อิเลคตรอนจากประตูกระโดดมายังตัวเขา ทำให้เขารู้สึกว่าคล้าย ๆ ถูกไฟช๊อต

ในลักษณะเดียวกันถ้าเขาใส่รองเท้ายาง รองเท้ายางจะรับอิเลคตรอนจากผ้าขนสัตว์หรือพรหม จะทำให้เขามีประจุไฟฟ้าเป็นลบ เมื่อเขาเข้าไปใกล้และจะจับลูกบิดประตูจะทำให้อิเลคตรอนกระโดด จากเขาไปยังลูกบิด เขาจะมีความรู้สึกว่าคล้าย ๆ ถูกไฟช๊อต

เมื่อเรานำวัตถุต่าง ๆ มาขัดสีกัน แล้วพิจารณาดูว่า วัตถุใดจะให้ หรือรับอิเลคตรอน แล้วมาเรียงลำดับ ได้ลักษณะดังซ้ายมือ

เมื่อเอาวัตถุที่กำหนดทางซ้ายมือ 2 ชนิดมาขัดสีกัน วัตถุที่มีลำดับอยู่บนจะสูญเสียอิเลคตรอน(ทำให้มีประจุไฟฟ้า เป็นบวก) ส่วนวัตถุที่มีดับดับด้ายล่างลงมาจะเป็นผู้รับอิเลคตรอน จึงทำให้มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ

ตัวอย่างเช่น ถ้านำหนัง( leather)มาถูกับขนสัตว์( wool) หลังการถู หนังจะมีประจุเป็นบวก ขนสัตว์จะมีประจุเป็นลบ หรือเอาแท่งยางแข็ง (hard rubber)ถูกับขนสัตว์( wool) แท่งยางจะมีประจุไฟฟ้าลบและขนสัตว์จะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก

หมายเหตุ การเรียงลำดับการให้หรือรับอิเลคตรอนดังกล่าววัตถุนั้นจะต้อง สะอาดและแห้ง

ตัวนำฉนวน

เมื่อนำประจุไฟฟ้าบวกเข้ามาใกล้ ๆ แท่งตัวนำ จะทำให้เกิดแรงดูดกับอิเลคตรอนในแท่งตัวนำ ทำให้อิเลคตรอนในแท่งตัวนำเกิดการเคลื่อนที่ จากปลายด้านหนึ่งไปยังปลายด้านใกล้ประจุบวก ที่มาเหนี่ยวนำ ทำให้ปลายด้านใกล้จะมีอิเลคตรอน มากกว่าปกติ ขณะที่ปลายด้านไกลจะมีประจะบวก มากกว่าปกติ

ข้อสังเกต อิเลคตรอนเท่านั้นที่มีการเคลื่อนที่ ส่วนประจะไฟฟ้าบวกจะไม่เคลื่อนที่เพราะมีมวล มากกว่าอิเลคตรอนมาก ทางซ้ายมือเป็นการเหนี่ยวนำฉนวนไฟฟ้า ซึ่งปกติ ก็จะเป็นกลางทางไฟฟ้า(มีอิเลคตรอนเท่ากับประจุ บวก) เมื่อเอาประจุบวกมาเหนี่ยวนำ จะทำให้ อิเลคตรอนเคลื่อนที่จากด้านหนึ่งของอะตอม ไปยังด้านตรงข้ามของอะตอมนั้น ไม่ได้เคลื่อนที่ ไปยังปลายด้านตรงกันข้ามแบบตัวนำ จึงไม่ทำให้ อิเลคตรอนเคลื่อนที่ได้มากเป็นผลทำให้อะตอมนั้น ก็คงยังเป็นกลางทางไฟฟ้าเช่นเดิม(ประจุไม่ได้แยก ออกจากกัน) ดังนั้นถ้าเราให้ประจุไฟฟ้าแก่ฉนวน ประจุจะไม่ เคลื่อนที่ไปจากเดิม(คงอยู่ที่เดิม)

อิเลคโทรสโคป