แรงพื้นฐานในธรรมชาติ

โดย :

สมศักดิ์ เสนาใหญ่

เมื่อ :

วันจันทร์, 12 มิถุนายน 2560

Hits

223259

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force)

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 1 ใน 4 แรงพื้นฐานในธรรมชาติ (fundamental interactions in nature)ซึ่งแรงอีก 3 ชนิด ได้แก่ แรงนิวเคลืออย่างอ่อน (weak interaction) แรงนิวเคลืยร์อย่างเข้ม (strong interaction) และความโน้มถ่วง (gravitation) แรงแม่เหล็กไฟฟ้านี้อธิบายด้วยทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และอันตรกิริยาของอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก ซึ่งเกิดการเหนี่ยวนำระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด
http://electronics-friendship.blogspot.co.uk/2013/12/blog-post.html

จากการพัฒนาทฤษฎีในปัจจุบัน และการค้นพบควาร์ก ซึ่งถือได้ว่าเป็นยุคของควาร์ก (quark epoch) ได้มีการรวมแรงพื้นฐานเข้าด้วยกัน 2 ชนิด ได้แก่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน เรียกว่า แรงอิเล็กโทรวีค (electroweak force)แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกี่ยวข้องกับสมบัติของสสารในชีวิตประจำวันที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลในสสาร เมื่อพิจารณาในระดับอะตอมเราพบว่า อิเล็กตรอนแสดงสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีวงโคจรรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม ทำให้สามารถสร้างเป็นโมเลกุลชนิดต่างๆ ได้ ซึ่งพันธะเคมีระหว่างอะตอมของสารสามารถอธิบายได้โดยอ้างถึงอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนเกี่ยวกับสมบัติความเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และโมเมนตัมของอิเล็กตรอน (the momentum of the electrons)

Atoms-and-Molecules
แบบจำลองอะตอม
http://fatscientist.wordpress.com/chemistry

ทฤษฎีที่อธิบายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในเชิงคณิตศาสตร์ที่สำคัญในกลศาสตร์แผนเก่า กล่าวว่า สนามไฟฟ้า (electric fields) คือความสัมพันธ์ระหว่าง ศักย์ไฟฟ้า (electric potential) และกระแสไฟฟ้า (electric current) ตามกฎของโอห์ม (Ohm's law) สนามแม่เหล็ก (magnetic fields) เกิดจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก ซึ่ง สมการแม็กเวลล์ (Maxwell's equations) สามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งเกิดจากการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาทฤษฎีในการอธิบายสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นลักษณะของอนุภาคที่มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง โดยเป็นการกระจายผ่านตัวกลางชนิดต่าง โดยทฤษฎีนี้เรียกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (special relativity) นำเสนอโดย ไอน์สไตน์(Albert Einstein)ในปี ค.ศ. 1905

ประโยชน์ของแม่เหล็กไฟฟ้า (Applications of electromagnets)

แม่เหล็กไฟฟ้ามีประโยชน์มากมาย ใช้หลักการที่แม่เหล็กดูดแผ่นโลหะเมื่อว่างวงจรปิดซึ่งเป็นการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่นพลังงานเสียง

ออดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียงจากกระแสตรง แผ่นโลหะจะถูกดูดโดยแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้จุดสัมผัสแยกออก มีผลให้กระแสที่เข้ามายังแม่เหล็กไฟฟ้าหยุดไหล ดังนั้นแผ่นโลหะจึงดีดกลับ เกิดขึ้นเช่นนี้เรื่อยๆ มีผลให้แผ่นโลหะสั่นเกิดเสียงออตขึ้น ในกระดิ่งไฟฟ้ามีค้อนติดกับแผ่นโลหะใกล้กับกระดิ่งเมื่อแผ่นโลหะสั่นค้อนก็จะเคาะกระดิ่ง
http://www.plazathai.com/show-105627.html

ปั้นจั่นเป็นการประยุกต์ใช้หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าไปใช้เป็นเครื่องมือสำหรับยกของจำพวกโลหะ ใช้สำหรับดูดเศษเหล็กจากเศษโลหะอื่นๆ เมื่อต้องการใช้ก็เปิดสวิทช์ ทำให้เหล็กที่เป็นแกนของขดลวดเป็นแม่เหล็กดูดเศษเหล็กได้ และเมื่อใช้เสร็จก็ปิดสวิทช์ แกนเหล็กก็จะไม่เป็นแม่เหล็ก ปล่อยเศษเหล็กให้หลุดลงมา

หูฟังเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนสัญญานไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง ใช้แม่เหล็กถาวรดูดแผ่นไดอะแฟรม ความแรงของแรงดึงดูดเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า แผ่นไดอะแฟรมจะสั่นทำให้เกิดเสียง

http://www.l3nr.org/posts/479906

รถไฟความเร็วสูงเป็นรถไฟที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าติดอยู่ข้างใต้ซึ่งเคลื่อนที่ ไปบนรางที่มีแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กผลักซึ่งกันและกันทำให้รถไฟลอยเหนือราง เป็นการลดแรงเสียดทานระหว่างรถไฟและราง ทำให้เคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

http://pracob.blogspot.co.uk/2013/03/high-speed-rail-in-china.html

เรียบเรียงจาก
http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetism
http://webhtml.horhook.com/wbi/ec/5magnet-04.htm

กลับไปที่เนื้อหา

แรงโน้มถ่วง (Gravitational force)

ความโน้มถ่วง (gravity) หรือ แรงโน้มถ่วง (gravitational force) ในทางฟิสิกส์คือแรงที่กระทำระหว่างมวลแรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสี่แรงหลัก ซึ่งประกอบด้วย แรงโน้มถ่วงแรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม ในจำนวนแรงทั้งสี่แรงหลัก แรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยที่สุด ถึงแม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็นแรงที่เราไม่สามารถรับรู้ได้มากนักเพราะความเบาบางของแรงที่กระทำต่อเรา แต่ก็เป็นแรงเดียวที่ยึดเหนี่ยวเราไว้กับพื้นโลก แรงโน้มถ่วงมีความแรงแปรผันตรงกับมวล และแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ไม่มีการลดทอนหรือถูกดูดซับเนื่องจากมวลใดๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่สำคัญมากในการยึดเหนี่ยวเอกภพไว้ด้วยกัน

นอกเหนือจากความโน้มถ่วงที่เกิดระหว่างมวลแล้ว ความโน้มถ่วงยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการที่เราเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเช่น การเพิ่มหรือลดความเร็วของวัตถุ การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ เป็นต้น

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน

แรงโน้มถ่วงของโลกเป็นแรงซึ่งโลกกระทำต่อวัตถุทุกชิ้น โดยมีทิศทางเข้าสู่ศูนย์กลางโลก เป็นแรงที่ยึดเหนี่ยววัตถุให้ติดอยู่กับพื้นโลก มิฉนั้นวัตถุหรือแม้กระทั้งบรรยากาศจะหลุดปลิวไปในอากาส นิวตันได้ค้นพบธรรมชาติพื้นฐานของแรงดึงดูดโน้มถ่วงระหว่างวัตถุใดๆ สองวัตถุ นิวตันตีพิมพ์กฏความโน้มถ่วงพร้อมกับกฏการเคลื่อนที่ 3ข้อของเขา ในปี ค.ศ.1687 เราอาจแถลงกฏนี้ได้ดังนี้

"ทุกอนุภาคสสารนี้เอกภพดึงดูดทุกอนุภาคอื่นด้วยแรงซึ่งแปรผันตรงกับผลคูณของมวลของอนุภาคและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างอนุภาคทั้งสองนั้น"

$F = frac{G m_1 m_2}{r^2}$

เมื่อ F แทนความโน้มถ่วงระหว่างมวลทั้งสอง
Gแทนค่านิจโน้มถ่วงสากล
m1แทนมวลของวัตถุแรก
m2แทนมวลของวัตถุที่สอง
r แทนระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

นั่นคือความโน้มถ่วงแปรผันตรงกับมวล (มวลมากก็มีความโน้มถ่วงมาก) และแปรผกผันกับระยะห่างกำลังสอง (ระยะห่างมากก็มีความโน้มถ่วงน้อย)

การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วง

วัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะถูกโลกดึงดูดดังนั้นเมื่อปล่อยวัตถุให้ตกบริเวณใกล้ผิวโลกแรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น นั่นคือ วัตถุมีความเร่ง

การตกของวัตถุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัวเรียกว่าความเร่งโน้มถ่วง(gravitationalacceleration)มีทิศทางเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลก มีค่าต่างกันตามตำแหน่งทาง ภูมิศาสตร์ในการตกของวัตถุวัตถุจะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งโน้มถ่วง9.8เมตรต่อวินาทียกกำลังสองซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุจะเพิ่มขึ้นวินาทีละ 9.8 เมตรต่อวินาที

ถ้าโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่งวัตถุในสนามโน้มถ่วงจะเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่งโน้มถ่วงg โดยมีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางโลกทำให้วัตถุซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นมีความเร็วลดลงวินาทีละ9.8เมตรต่อวินาทีจนกระทั่งความเร็วสุดท้ายเป็นศูนย์จากนั้นแรงดึงวัตถุให้ตกกลับสู่โลกด้วยความเร่งเท่าเดิม

การเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของวัตถุที่บริเวณใกล้ผิวโลก ถ้าคำนึงถึงแรงโน้มถ่วงเพียงแรงเดียว โดยไม่คิดถึงแรงอื่นเช่นแรงต้านอากาศหรือแรงลอยตัวของวัตถุในอากาศ แล้ววัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วงที่มีค่าคงตัวเท่ากับ 9.8เมตรต่อวินาที่ยกกำลังสองในทิศลง เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่าการตกแบบเสรี(freefall)

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงโลก

การพังทลายของดินกับแรงโน้มถ่วงของโลก

ปัจจัยที่ทำให้เกิดการพังทลายของดิน ได้แก่ แผ่นดินไหว มนุษย์ สัตว์ น้ำ ลม และแรงโน้มถ่วงของโลก แรงโน้มถ่วงของโลกมีผลทำให้เกิดการพังทลายของดิน ซึ่งพบได้จากบริเวณที่มีความลาดชันสูง เมื่อมีฝนตกหนักจนดินอิ่มตัว ทำให้แรงยึดตัวของดินมีน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงของโลก ดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำจะเคลื่อนที่จากที่สูงลงสู่ที่ต่ำตามแรงดึงดูดของโลก เกิดดินเลื่อนหรือดินถล่มเป็นต้น

(อ้างอิง : http://cw.rmui.ac.th ปฐพีวิทยาเบื้องต้น)

(อ้างอิงรูปภาพ : gothai.net)

เรียบเรียงจาก
http://www.gotoknow.org/posts/504730
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitation
http://wachirapornloysmith26171.wordpress.com

กลับไปที่เนื้อหา

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak force)

อันตรกิริยาอย่างอ่อน หรือบางครั้งเรียกกันทั่วไปว่า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak interaction, weak nuclear force) เป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานสี่ประการในธรรมชาติ ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคแรงนี้ขึ้นกับการแลกเปลี่ยนระหว่างอนุภาคโบซอน W กับ Z ผลกระทบที่รู้จักกันดีคือการเกิดปฏิกิริยาBeta decay(หรือการเปล่งพลังงานของอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนโดยนิวตรอนในนิวเคลียสอะตอม) และการแผ่กัมมันตรังสีคำว่า "อ่อน" มาจากขนาดความเข้มของสนามพลังทั่วไปที่ 10-11เท่าของความเข้มของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า และ 10-13เท่าของอันตรกิริยาอย่างเข้มหรือจะกล่าวโดยรัดกุมได้ว่า"เกิดจากการที่นิวตรอนมีอันตรกิริยากับสนามซึ่งเกี่ยวข้องกับอัตรกิริยาอย่างอ่อน และปลดปล่อยก้อนควอนตัมออกมา 1 ก้อน นั่นคือ intermediate vector boson ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลในช่วงที่กำหนด โดยหลักความไม่แน่นอนในกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งโบซอนนี้จะกลายเป็นอิเล็กตรอนและปฏิของนิวตริโนนั่นเอง"

แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (Weak Nuclear Force)เป็นแรงที่ทำให้เกิดการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี แรงนี้จะกระทำกับอนุภาคสปิน 1/2 ที่มีมวล แต่ไม่กระทำกับอนุภาคที่มีสปินเป็นจำนวนเต็มอย่างแกรวิตอนหรือโฟตอน การศึกษาระยะหลังโดย แอบัส ซาลัม (Abus Salam) และ สตีเวน ไวน์เบอร์ก (Steven Weinberg) สามารถรวมแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนเข้ากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ทั้งสองพบว่า นอกจากโฟตอนแล้วยังมีอนุภาคที่มีสปิน 1 อีกสามตัว คือ W+, W- และ Z0 แต่ละตัวมีเนื้อสารราวๆ 100 GeV (หนักกว่าโปรตอนหรือนิวตรอนร้อยกว่า ทั้งโปรตอนและนิวตรอนมีเนื้อสารประมาณ เก้าร้อยกว่าๆ MeV เอง).. ในระดับพลังงานสูงๆ อนุภาคทั้งสามจะทำตัวเหมือนโฟตอนมากๆ แต่ในระดับพลังงานต่ำจะไม่เป็นเช่นนั้น เพราะว่าอนุภาคทั้งสามมีมวลเยอะ

กลับไปที่เนื้อหา

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (Strong force)

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเป็นแรงที่ยึดควาร์กในโปรตอนและนิวตรอน และยังยึดโปรตอนกับนิวเคลียสของอะตอมเข้าด้วยกัน อนุภาคที่เป็นพาหะเป็นอนุภาคสปิน 1 ชื่อว่า "กลูออน" (Gluon) .. แรงจะกระทำกับควาร์กและกลูออนด้วยกัน แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ค่อนข้างประหลาดตรงที่มีขอบเขตจำกัด คือว่าควาร์กจะอยู่โดดๆ ไม่ได้ จะต้องรวมตัวกันให้ได้เป็นสีขาวเท่านั้น (ควาร์กมีสามสี) การรวมตัวอาจจะเป็นแดง+เขียว+น้ำเงินก็ได้ หรืออีกแบบจะเป็นควาร์ก+แอนตี้ควาร์ก (เช่น แดง+แอนตี้แดง) แต่การรวมตัวแบบนี้จะไม่เสถียร อนุภาคที่ไม่เสถียรนี้เรียกว่ามีซอน (Meson) .. ทำนองเดียวกัน กลูออนก็มีสีและต้องรวมเป็นสีขาวให้ได้ ซึ่งอยู่ในสภาพเสถียรไม่ได้เหมือนกัน การรวมตัวแบบนี้เรียกว่า กลูบอล (Glueball) . ในสภาพปกติแรงนิวเคลียร์แบบแข็งมีค่าเยอะมาก

ทฤษฎีรวมแรงพื้นฐาน

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) และแรงนิวเคลียร์ชนิดอ่อน (Weak nuclear forces) ทั้งสองแรงประสบความสำเร็จ ที่ทำให้เป็นแบบเดียวกันในด้านทฤษฎีโดยตรง ตั้งแต่ปี ค.ศ.1970

ส่วนแรงโน้มถ่วง (Gravity force) และแรงนิวเคลียร์ชนิดเข้ม (Strong nuclear force) ยังคงค้างและรอทฤษฎีโดยตรงอยู่ แต่มีความนิยมในแนวคิดรวมกันของ
แรงทั้งสอง เรียกว่า Supersymmetry (SUSY)