เส้นสนามไฟฟ้า

          สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยพื้นฐานแล้วสนามไฟฟ้าสามารถเขียนแทนได้ด้วยภาพลูกศร โดยใช้ขนาดและทิศของลูกศรแทนขนาดและทิศของสนามไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น สนามไฟฟ้าที่จุดต่าง ๆ ของประจุบวก 1 ประจุ จะแทนด้วยลูกศร โดยให้ลูกศรมีทิศชี้ออกจากประจุบวกตามทิศของสนามไฟฟ้า เมื่อพิจารณาที่ตำแหน่งต่าง ๆ โดยกำหนดให้ A  B และ  C เป็นตำแหน่งที่อยู่บนเส้นตรงเดียวกัน ซึ่งตำแหน่ง A อยู่ใกล้ ประจุที่สุดถัดไปเป็นตำแหน่ง B และ C ตามลำดับ จะพบว่าลูกศรที่ตำแหน่ง A ยาวกว่าที่จุด B และลูกศรที่จุด B ยาวกว่าที่จุด C สาเหตุมาจากสนามไฟฟ้ามีขนาดลดลง เมื่ออยู่ห่างจากประจุมากขึ้น 

ภาพการแสดงเส้นสนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน
ที่มา  https://sites.google.com/a/htp.ac.th/physics4/neuxha-snam-fifa

        สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยพื้นฐานแล้วสนามไฟฟ้าสามารถเขียนแทนได้ด้วยภาพลูกศร โดยใช้ขนาดและทิศของลูกศรแทนขนาดและทิศของสนามไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น สนามไฟฟ้าที่จุดต่าง ๆ ของประจุบวก 1 ประจุ จะแทนด้วยลูกศร โดยให้ลูกศรมีทิศชี้ออกจากประจุบวกตามทิศของสนามไฟฟ้า เมื่อพิจารณาที่ตำแหน่งต่าง ๆ โดยกำหนดให้ A  B และ  C เป็นตำแหน่งที่อยู่บนเส้นตรงเดียวกัน ซึ่งตำแหน่ง A อยู่ใกล้ ประจุที่สุดถัดไปเป็นตำแหน่ง B และ C ตามลำดับ จะพบว่าลูกศรที่ตำแหน่ง A ยาวกว่าที่จุด B และลูกศรที่จุด B ยาวกว่าที่จุด C สาเหตุมาจากสนามไฟฟ้ามีขนาดลดลง เมื่ออยู่ห่างจากประจุมากขึ้น 

          ในทำนองเดียวกัน สนามไฟฟ้าของประจุลบ 1ตัวสามารถแทนได้ด้วยลูกศรที่มีทิศชี้เข้าหาประจุลบตามทิศของสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยรอบประจุ เมื่อใช้ลูกศร 1 ตัวแทนสนามไฟฟ้าที่แต่ละจุดแล้วจะมีลูกศรเป็นจำนวนนับไม่ถ้วน ดังนั้น ไมเคิล ฟาราเดย์ จึงได้เสนออีกวิธีหนึ่งแทนการใช้ลูกศร ซึ่งเป็นการวาดภาพสนามไฟฟ้าด้วยเส้นที่ เรียกว่า เส้นสนามไฟฟ้า (electric field line)

          เส้นสนามไฟฟ้าเป็นเส้นที่ลากเชื่อมต่อจุดสนามไฟฟ้าแต่ละจุด โดยเส้นสนามไฟฟ้าจะอยู่ในแนวเส้นสัมผัสกับสนามไฟฟ้าที่จุดนั้น ๆ และมีทิศตามลูกศรของสนามไฟฟ้า ในกรณีของประจุบวกจะเห็นได้ว่าเส้นสนามไฟฟ้ามีจุดเริ่มต้นที่ประจุบวก และชี้ออกจากประจุไปยังจุดที่อยู่ห่างเป็นอนันต์ โดยจะวาดเส้นสนามไฟฟ้าจำนวนหนึ่งที่ไม่มากจนเกินไป ในกรณีของประจุลบ 1 ประจุ เส้นสนามไฟฟ้าจะมีรูปแบบที่คล้ายคลึงกัน แต่เส้นสนามไฟฟ้ามีจุดสิ้นสุดที่ประจุลบและมีจุดเริ่มต้นอยู่ห่างออกไปเป็นระยะอนันต์

          เส้นสนามไฟฟ้าเป็นภาพที่ใช้แทนสนามไฟฟ้า เส้นสนามไฟฟ้าจึงต้องระบุข้อมูลของสนามไฟฟ้าอย่างครบถ้วน เริ่มตั้งแต่ขนาดของประจุที่จุดใด ๆ จะแทนด้วยจำนวนเส้นสนามไฟฟ้า โดยใช้จำนวนเส้นที่เป็นสัดส่วนกับขนาดของประจุ เช่น กำหนดให้เส้นสนามไฟฟ้า 4 เส้นแทนขนาดของประจุ Q  ดังนั้นประจุ 2Q และ 3Q จะต้องใช้เส้นสนามไฟฟ้าจำนวน 8 เส้น และ 12 เส้นตามลำดับ

          สำหรับขนาดของสนามไฟฟ้าที่จุดต่าง ๆ จะพิจารณาจากความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น จุด A อยู่ใกล้กับประจุมากกว่าจุด B ขนาดของสนามไฟฟ้าที่จุด A ตามสมการ E = k₀IQI/r² จึงมากกว่า เมื่อพิจารณาจากความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้าจะพบว่า ที่จุด A  เส้นสนามไฟฟ้าอยู่ใกล้กันมากกว่าที่จุด B ความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้าที่จุด A จึงมากกว่าที่จุด B กล่าวได้ว่า บริเวณที่มีความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้ามากกว่าจะมีขนาดของสนามไฟฟ้ามากกว่าด้วย และทิศของสนามไฟฟ้าจะอยู่ในแนวสัมผัสกับเส้นสนามไฟฟ้า โดยมีทิศตามลูกศรของเส้นสนามไฟฟ้า  ข้อควรระวัง ทิศของสนามไฟฟ้าแสดงทิศของแรงไฟฟ้าซึ่งจะเป็นทิศของความเร่งด้วย แต่อาจไม่ใช่ทิศของความเร็ว ดังนั้นประจุจึงไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่ตามแนวเส้นสนามไฟฟ้า

          เมื่อมีประจุที่จุดใด ๆ มากกว่า 1 ประจุ ขั้นตอนการวาดเส้นสนามไฟฟ้ายังคงทำได้เช่นเดิมแต่จะต้องเริ่มจากการหาสนามไฟฟ้าลัพธ์ที่จุดสนามใด ๆ จากผลรวมแบบเวกเตอร์ของสนามไฟฟ้าจากประจุที่จุดใด ๆ แต่ละตัวตามหลักการซ้อนทับก่อน เช่น ประจุที่จุดใด ๆ เป็นประจุบวก 2 ประจุ ที่จุดสนามใด ๆ จะประกอบด้วยสนามไฟฟ้า 2 สนามจากประจุที่จุดใด ๆ แต่ละประจุ ก่อนจะวาดเส้นสนามไฟฟ้าจึงต้องหาสนามไฟฟ้าลัพธ์ ซึ่งในที่นี่ได้ใช้วิธีหาผลรวมด้วยรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน เมื่อทราบสนามไฟฟ้าแล้ว ให้ลากเส้นสนามไฟฟ้าสัมผัสกับสนามไฟฟ้าลัพธ์ที่แต่ละจุด ในกรณีที่ประจุบวกทั้ง 2 ประจุ มีขนาดเท่ากัน เส้นสนามไฟฟ้าที่ออกจากแต่ละประจุจะต้องมีจำนวนเท่ากันด้วย

          หากเปลี่ยนเป็นประจุที่มีขนาดเท่ากันแต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม เส้นสนามไฟฟ้าจะมีจุดเริ่มต้นที่ประจุบวกและมีจุดสิ้นสุดที่ประจุลบ โดยจำนวนเส้นสนามไฟฟ้าที่ออกจากประจุบวกเท่ากับจำนวนเส้นสนามไฟฟ้าที่เข้าประจุลบสาเหตุเนื่องจากประจุทั้งสองมีขนาดเท่ากัน จากขั้นตอนการวาดเส้นสนามไฟฟ้าของประจุ 2 ตัว จะพบว่า ที่จุดสนามใด ๆ ไม่มีเส้นสนามไฟฟ้าสองเส้นตัดที่จุดเดียวกัน สาเหตุเนื่องจากเส้นสนามไฟฟ้าถูกวาดสัมผัสกับทิศของสนามไฟฟ้า ซึ่งที่จุดสนามหนึ่ง ๆจะมาสนามไฟฟ้าลัพธ์ เพียง 1 ค่า ดังนั้นหากมีจุดที่เส้นสนามไฟฟ้าสองเส้นตัดกัน ย่อมหมายถึงที่จุดนั้นมีสนามไฟฟ้า 2 ทิศทางซึ่งเป็นไปไม่ได้

          กรณีเส้นสนามไฟฟ้าจากแผ่นตัวนำ 2 แผ่นที่มีประจุประเภทตรงกันข้าม จะพบว่าสนามไฟฟ้ามีทิศชี้ออกจากแผ่นที่มีประจุบวก สนามไฟฟ้ามีทิศตั้งฉากกับแผ่นตัวนำในทิศชี้ออกจากแผ่นที่มีประจุบวกและจะพบว่าขนาดของสนามไฟฟ้ามีค่าคงตัว ไม่ว่าจุดสนามจะอยู่ห่างจากแผ่นตัวนำเท่าใด เส้นสนามไฟฟ้าแต่ละเส้นอยู่ห่างเท่า ๆ กัน สำหรับแผ่นตัวนำที่มีประจุลบ จะพบว่าเส้นสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับแผ่นในทิศชี้เข้าหาแผ่นที่มีประจุลบ  โดยเส้นสนามไฟฟ้าแต่ละเส้นอยู่ห่างเท่า ๆ กัน  สนามไฟฟ้าจากแผ่นตัวนำแต่ละแผ่น เรียกว่า สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

สมบัติของเส้นสนามไฟฟ้าสรุปได้ดังนี้

1. เส้นสนามไฟฟ้ามีจุดเริ่มต้นที่ประจุบวกและจุดสิ้นสุดที่ประจุลบ

2. สนามไฟฟ้าที่จุดใด ๆ จะขนานกับเส้นสนามไฟฟ้าที่จุดนั้น ๆ และมีทิศตามลูกศรของเส้นสนามไฟฟ้า

3. เส้นสนามไฟฟ้าอยู่ชิดกันในบริเวณที่สนามไฟฟ้ามีขนาดมากและอยู่ห่างกันในบริเวณที่สนามไฟฟ้ามีขนาดน้อย

4. จำนวนเส้นสนามไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับขนาดของประจุที่จุดใด ๆ

5. เส้นสนามไฟฟ้าจะไม่ตัดกัน

แหล่งที่มา

พงษ์ศักดิ์ (โต) ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม.4-6. กรุงเทพฯ:วิทยพัฒน์

ศรีนวล วรกิจวัฒนา.  (2558).  เส้นแรงไฟฟ้า.  สืบค้นเมื่อ 10 ธันวาคม 2561, จาก https://sites.google.com/a/htp.ac.th/physics4/neuxha-snam-fifa

การนำความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตไปใช้ประโยชน์

      ไฟฟ้าสถิตสามารถประยุกต์กับเทคโนโลยีและอุปกรณ์ต่าง ๆ ได้เป็นจำนวนมาก ในปัจจุบันมีการผลิตเครื่องใช้ที่อำนวยประโยชน์ด้านต่าง ๆ โดยอาศัยความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิตมาใช้ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

1. เครื่องถ่ายเอกสาร เป็นอุปกรณ์ถ่ายสำเนาสิ่งพิมพ์ ตัวอักษร หรือภาพลายเส้นจากต้นฉบับ หลักการทำงานของเครื่องถ่ายเอกสาร คือ แผ่นฟิล์มที่ฉาบด้วยวัสดุตัวนำที่ขึ้นกับแสง ซึ่งมีสมบัติเป็นตัวนำเมื่อถูกแสง และเป็นฉนวนเมื่อไม่ถูกแสง เมื่อเครื่องเริ่มทำงานแผ่นฟิล์มนี้จะถูกทำให้มีประจุไฟฟ้าบวกตลอดแผ่น จากนั้นแสงจะส่องไปที่ต้นฉบับสะท้อนผ่านเลนส์ไปกระทบแผ่นฟิล์ม บริเวณที่เป็นสีขาวบนต้นฉบับจะให้แสงผ่านออกมากระทบแผ่นฟิล์มทำให้บริเวณที่ถูกแสงกลายเป็นตัวนำและปล่อยประจุไปเป็นผลให้บริเวณนั้นเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนตัวอักษรหรือภาพลายเส้นบนต้นฉบับที่เป็นสีดำจะดูดกลืนแสง จึงไม่ให้แสงผ่านออกมากระทบแผ่นฟิล์มทำให้บริเวณที่ไม่ถูกแสงยังมีประจุไฟฟ้าบวกอยู่ เมื่อผงหมึกที่มีประจุไฟฟ้าลบไปตกกระทบแผ่นฟิล์ม ผงหมึกจะไปเกาะที่บริเวณที่มีประจุไฟฟ้าบวกเท่านั้น ซึ่งจะทำให้เกิดเป็นตัวอักษรหรือภาพลายเส้น สำหรับบริเวณที่ไม่มีประจุไฟฟ้าผงหมึกจะไม่เกาะ เมื่อภาพสำเนาปรากฏบนแผ่นกระดาษ กระดาษนี้จะไปผ่านส่วนอบความร้อนเพื่อให้ผงหมึกติดแน่น ก็จะได้ภาพสำเนาบนแผ่นกระดาษที่ชัดเจนและคงทน

2. เครื่องกำจัดฝุ่นในอากาศ เป็นอุปกรณ์กำจัดอนุภาคจากแก๊สเผาไหม้ หรือจากอากาศร้อนที่มีอนุภาคสกปรกแขวนลอยอยู่ ส่วนประกอบของเครื่องกำจัดฝุ่นในอากาศ หลักการทำงานของเครื่องกำจัดฝุ่น คือ ใช้ความต่างศักย์สูงจากไฟกระแสตรง โดยต่อขั้วลบเข้ากับแกนกลางและต่อขั้วบวกเข้ากับท่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่มีค่าสูงมากพอที่จะทำให้อนุภาคสกปรกที่ผ่านไปในท่อได้รับอิเล็กตรอนจากแกนกลาง จนกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ และถูกดูดเข้าไปติดที่ท่อพร้อม ๆ กับท่อถูกทำให้สั่นเป็นจังหวะ ทำให้อนุภาคสกปรกร่วงหล่นลงส่วนล่างของท่อ อากาศที่ผ่านออกทางตอนบนของท่อจึงเป็นอากาศสะอาด

3. เครื่องพ่นสี เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับพ่นผงหรือละอองสี ซึ่งทำให้สีเกาะติดชิ้นงานได้ดีกว่าการพ่นแบบธรรมดา หลักการทำงานของเครื่องพ่นสี คือ การทำให้ผงหรือละอองสีกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าขณะถูกพ่นออกจากเครื่องพ่น ทำให้ผงหรือละอองสีเกิดการยึดเกาะพื้นผิวชิ้นงานได้ดีขึ้น นอกจากนี้บางชิ้นงานที่เป็นโลหะ อาจมีการต่อกับแหล่งกำเนิดที่มีความต่างศักย์สูง ๆ ทำให้ชิ้นงานที่เป็นโลหะมีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกับผงหรือละอองสี จะช่วยเพิ่มแรงดึงดูดมากยิ่งขึ้น

4. ไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในงานด้านเสียง ไม่ว่าจะเป็นเสียงดนตรี เสียงร้องเพลง เสียงพูด โดยจะให้เสียงที่ชัดเจน หลักการทำงานของไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุ คือ ภายในประกอบด้วยแผ่นโลหะ 2 แผ่น ขนานกัน แผ่นหนึ่งทำหน้าที่เป็นไดอะเฟรมรับคลื่นเสียง ส่วนอีกแผ่นหนึ่งยึดติดกับฐาน โดยแผ่นที่รับคลื่นเสียงจะบางมาก เมื่อมีคลื่นเสียงมากระทบจะสั่นตามความถี่และกำลังของคลื่น ผลจากการสั่นของแผ่นบางนี้ ทำให้ความจุเปลี่ยนแปลง เมื่อต่อไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุนี้แบบอนุกรมกับตัวต้านทาน ความต่างศักย์คร่อมไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนแปลงตามความถี่ของคลื่นเสียง เป็นผลทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้า

5. เครื่องถ่ายลายนิ้วมือ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ถ่ายลายนิ้วมือบนผิววัสดุประเภทกระดาษพลาสติก หลักการทำงานของเครื่องถ่ายลายนิ้วมือ คือใช้ความต่างศักย์สูงต่อกับแผ่นโลหะและชิ้นวัตถุที่ต้องการตรวจ โดยแผ่นโลหะจะเคลือบด้วยผงซิลิคอนคาร์ไบด์ต่อกับขั้วบวก ส่วนชิ้นวัตถุที่ต้องการตรวจสอบต่อเข้ากับขั้วลบ เมื่อเครื่องทำงานผงซิลิคอนคาร์ไบด์จะกลายเป็นประจุบวกถูกผลักจากแผ่นโลหะไปกระทบกับชิ้นงาน อนุภาคของผงซิลิคอนคาร์ไบด์จะยึดเกาะตรงบริเวณลายนิ้วมือ ลายนิ้วมือจึงปรากฏให้เห็นขึ้น ซึ่งเครื่องถ่ายลายนิ้วมือถูกใช้อย่างกว้างขวางในการพิสูจน์อาชญากรรม

6. เครื่องดักฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิต ในโรงงานอุตสาหกรรมและโรงกำเนิดไฟฟ้ามักมีการเผาไหม้เชื้อเพลิง เช่นน้ำมันหรือถ่านหิน ทำให้เกิดควันซึ่งมีเขม่าที่เป็นอนุภาคของแข็งขนาดเล็ก เขม่าก่อให้เกิดมลภาวะทางอากาศจึงมีการประดิษฐ์เครื่องดักฝุ่นเพื่อนำอนุภาคของแข็งในควันออกก่อนที่จะปล่อยสู่อากาศภายนอก การทำงานของเครื่องดักฝุ่นแบบไฟฟ้าสถิต มีขั้นตอนการทำงาน 3 ขั้นตอน ขั้นตอนแรกเป็นการทำให้อนุภาคของแข็งในควันมีประจุ ด้วยการปล่อยควันผ่านตะแกรงโลหะที่มีประจุลบ อนุภาคของแข็งที่ผ่านตะแกรงนี้จะมีประจุลบ จากนั้นในขั้นตอนที่ 2 เมื่อควันลอยผ่านแผ่นโลหะที่มีประจุบวก แรงไฟฟ้าสถิตระหว่างอนุภาคของแข็งที่มีประจุลบกับแผ่นโลหะที่มีประจุบวกจะทำให้อนุภาคของแข็งถูกดูดติดกับแผ่นโลหะในขั้นตอนสุดท้าย แผ่นโลหะจะสั่นเป็นระยะ ๆ เพื่อให้อนุภาคของแข็งที่ติดอยู่หลุดออก และตกลงมายังถาดรองรับซึ่งจะนำออกไปกำจัดต่อไป

7. เครื่องกระตุ้นหัวใจ จังหวะการทำงานของหัวใจจะถูกควบคุมด้วยการปล่อยประจุจากเซลล์กล้ามเนื้อภายในหัวใจในสภาวะที่หัวใจบีบตัวไม่สม่ำเสมอ เซลล์จะปล่อยประจุอย่างไม่เป็นระเบียบ แนวทางแก้ไข คือทำให้เซลล์ทุกเซลล์ปล่อยประจุพร้อมกัน จากนั้นเซลล์จะเริ่มปล่อยประจุใหม่อย่างเป็นระเบียบ โดยเซลล์ทุกเซลล์จะปล่อยประจุพร้อมกันได้จากการแทรกเซลล์ด้วยไฟฟ้า เครื่องกระตุกหัวใจใช้ตัวเก็บประจุสะสมพลังงานไว้ภายใน จากนั้นปล่อยพลังงานที่สะสมไว้ทั้งหมดให้แก่ผู้ป่วยภายในเวลาสั้น ๆ

ภาพ สัญญาณชีพจรของหัวใจ 
ที่มา  https://pixabay.com/th , PublicDomainPictures

แหล่งที่มา

พงษ์ศักดิ์ (โต) ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม.4-6. กรุงเทพฯ:วิทยพัฒน์

MedThai.  (ม.ม.ป.).  การตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (Electrocardiogram : ECG หรือ EKG).  สืบค้นเมื่อ 10 ธันวาคม 2561, จาก https://medthai.com/การตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ/

การทำให้เกิดประจุไฟฟ้า

          เมื่อนำวัตถุต่างชนิดกันที่เหมาะสมมาขัดสีกัน วัตถุทั้งสองต่างเกิดประจุไฟฟ้าบนผิวของวัตถุ และวัตถุทั้งสองต่างแสดงอำนาจไฟฟ้าดูดของเบา ๆ ได้ ในวันที่มีอากาศแห้ง ๆ ทดลองถูหวีพลาสติกด้วยผ้าแพรอย่างแรงหลาย ๆ ครั้ง แล้วนำหวีนั้นไปล่อใกล้ชิ้นกระดาษเล็ก ๆ จะพบว่าหวีดูดชิ้นกระดาษได้แสดงให้เห็นชัดว่า ขณะนี้หวีมีประจุไฟฟ้าขึ้น และแสดงอำนาจไฟฟ้าออกมาได้ จากผลการทดลองเราทราบว่า ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนหวีและบนแพรเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน สำหรับวัตถุต่างชนิดคู่อื่น ๆ ที่เหมาะสมให้ผลเช่นเดียวกัน

ภาพการทำให้เกิดประจุไฟฟ้าโดยการขัดถูกัน

ที่มา: https://www.electric108.com/article/16/ไฟฟ้าคืออะไร

การทำให้วัตถุตัวนำเกิดประจุไฟฟ้าอิสระทำได้ 3 วิธี คือ

1. การนำวัตถุอื่นมาถูตัวนำ

          เมื่อประสงค์จะให้ตัวนำเกิดมีประจุไฟฟ้าอิสระชนิดใด ให้นำวัตถุตัวนำอื่นที่เหมาะสมมาทำการถู ก็จะได้ประจุไฟฟ้าอิสระเกิดขึ้นบนตัวนำนั้น ๆ ตามต้องการ แต่พึงระวังว่า ตัวนำที่เราต้องการจะให้เกิดมีประไฟฟ้าอิสระนั้นต้องมีด้ามจับเป็นฉนวนไฟฟ้า หรือหุ้มปลายข้างหนึ่งด้วยฉนวนไฟฟ้า หรือวางอยู่บนฉนวนไฟฟ้า

2. การสัมผัส

          โดยการนำวัตถุตัวนำอื่นที่มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่แล้วมาสัมผัสกับตัวนำที่เราต้องการ จะให้เกิดมีประจุไฟฟ้าอิสระ การกระทำเช่นนี้จะเกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างตัวนำทั้งสอง และในที่สุดตัวนำทั้งสองต่างจะมีประจุไฟฟ้าอิสระ และต่างจะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน ซึ่งตามทฤษฎีอิเล็กตรอนแล้วการถ่ายเทประจุไฟฟ้าให้กันนั้น เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั่นเอง ซึ่งในการทำให้เกิดประจุไฟฟ้าอิสระด้วยการสัมผัสนั้น อาจสรุปได้ว่า

           (1) ประจุไฟฟ้าอิสระที่ตัวนำได้รับ  จะเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันกับชนิดของประจุไฟฟ้าบนตัวนำที่นำมาสัมผัสเสมอไ

           (2) เมื่อสัมผัสกันแล้ว ตัวนำทั้งสองต่างจะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ

           (3) ประจุไฟฟ้าอิสระที่ตัวนำทั้งสองมี ภายหลังสัมผัสกันแล้วนั้น จะมีจำนวนเท่ากัน หรืออาจไม่เท่ากันก็ได้ ทั้งนี้ย่อมขึ้นอยู่กับความจุไฟฟ้าของตัวนำทั้งสอง

           (4) ประจุไฟฟ้ารวมทั้งหมดบนตัวนำทั้งสองภายหลังที่สัมผัสแล้ว จะมีจำนวนเท่ากับประจุไฟฟ้าทั้งหมดก่อนสัมผัสกัน

1. การเหนี่ยวนำ

            ทำได้โดยนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่แล้วมาทำการเหนี่ยวนำ ซึ่งในการทำให้ตัวนำเกิดประจุไฟฟ้าอิสระ  ด้วยการเหนี่ยวนำนั้น สรุปได้ว่า

            (1) ประจุไฟฟ้าอิสระที่ตัวนำได้รับ จะเป็นประจุไฟฟ้าชนิดตรงข้ามกับชนิดของประจุไฟฟ้าบนวัตถุที่ใช้เหนี่ยวนำ

            (2) วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าที่ใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำ ไม่สูญเสียประจุไฟฟ้าไปเลย

ข้อสังเกต  ในขณะที่เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าอยู่นั้น วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าบวก อาจมีศักย์ไฟฟ้าลบหรือศักย์ไฟฟ้าศูนย์ และวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าลบ อาจมีศักย์ไฟฟ้าบวก หรือศักย์ไฟฟ้าศูนย์ก็ได้

          สำหรับการทำให้เกิดประจุไฟฟ้า อิสระชนิดเดียวกันกับวัตถุที่ใช้เหนี่ยวนำ ก็ย่อมกระทำได้โดยการดัดแปลงวิธีการดังนี้

         สมมติให้วัตถุ A มีประจุไฟฟ้าบวกอิสระซึ่งเราใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำ นำวัตถุตัวนำ B และ C สองชิ้น ต่างวางลงบนฉนวนไฟฟ้า หรือห้อยแขวนจากฉนวนไฟฟ้า ให้ผิวของตัวนำทั้งสองสัมผัสกันในการทำเช่นนี้ ตัวนำ B  และC จะทำหน้าที่เสมือนกับว่าเป็นวัตถุตัวนำก้อนเดียวกัน นำวัตถุตัวนำทั้งสองซึ่งสัมผัสกันอยู่นี้เข้าใกล้ A โดยให้ B อยู่ใกล้ A  มากกว่า C  ประจุไฟฟ้าบวกบนผิวของ A  จะทำการเหนี่ยวนำ B  และ C เป็นผลให้เกิดประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำลบขึ้นบนผิวของ B ทางด้านใกล้สุดกับ A  และเกิดประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำบวกบนผิว C  ด้านไกลสุดจาก A เลื่อน B   และ C  ให้แยกออกจากกัน แล้วยก A  ออกไป ก็จะได้ประจุไฟฟ้าอิสระลบบนผิวตัวนำ B  และได้ประไฟฟ้าอิสระบวกบนตัวนำ C  จะเห็นว่าเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันกับประจุไฟฟ้าบนตัวนำ A  ที่ใช้เหนี่ยวนำ

         วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้วัตถุที่เป็นกลางเกิดอำนาจไฟฟ้าได้ เมื่อนำมาใกล้กัน

         กรณีที่ 1

         A มีประจุไฟฟ้าบวก นำมาใกล้ BC  ซึ่งเป็นกลาง อิเล็กตรอนในวัตถุ BC จะมาออที่ปลาย B เนื่องจากถูก A ดูด ปลาย B จึงเป็นประจุลบ, ปลาย C เกิดประจุบวก เหตุการณ์เหล่านี้เกิดชั่วคราว, ถ้าเอา A ออก อิเล็กตรอนที่ B จะเคลื่อนที่กลับสู่ที่เดิม BC จึงเป็นกลางเหมือนเดิม

         กรณีที่ 2

         A มีประจุไฟฟ้าลบ อิเล็กตรอนทางด้าน B ถูกผลักให้เคลื่อนย้ายไปอยู่ทางด้าน C ทำให้ด้าน B เกิดประจุบวก และ C  เกิดประจุลบ แต่ประจุนี้ยังไม่อิสระเพราะเมื่อเอา A  ออกไป, BC จะเป็นกลางเหมือนเดิม

จะเห็นได้ว่า การเหนี่ยวนำจะเกิดประจุชนิดตรงข้าม ที่ปลายซึ่งอยู่ใกล้กับประจุที่นำมาล่อเสมอ จึงทำให้เกิดแรงดึงดูดมากกว่าแรงผลัก ดังนั้น วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะดึงดูดวัตถุที่เป็นกลางอย่างเดียวเท่านั้น ไม่มีการผลัก

      ตัวอย่างที่ 1 ถ้ามีลูกพิทอยู่ 3 ลูก เมื่อทดลองนำลูกพิทเข้าใกล้กันทีละคู่จนครบ 3 คู่  ปรากฏว่าแรงกระทำระหว่างลูกพิททั้ง  3 คู่ เป็นแรงดึงดูด ข้อสรุปต่อไปนี้ข้อใดถูกต้องที่สุด

1. ลูกพิท 3 ลูก ต่างมีประจุไฟฟ้า

2. ลูกพิทลูกที่หนึ่งมีประจุไฟฟ้า ส่วนอีก 2 ลูก ไม่มีประจุไฟฟ้า

3. ลูกพิท 2 ลูก มีประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน ส่วนลูกที่เหลือไม่มีประไฟฟ้า

4. ลูกพิท 2 ลูก มีประประจุตรงข้ามกัน ส่วนลูกที่เหลือไม่มีประจุ

       เฉลยคำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 4

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5  ม.6. กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม. 4-6. กรุงเทพฯ: วิทยพัฒน์.

electric108. (2560). การทำให้กิดประจุไฟฟ้า. สืบค้นเมื่อ 9 ธันวาคม  2562,  จาก https://www.electric108.com/article/16/ไฟฟ้าคืออะไร

 ชนิดของประจุไฟฟ้าและแรงกระทำ

         ถ้านำผ้าแพร ถูกับแก้วผิวเกลี้ยงสองแท่ง แล้วนำแท่งแก้วทั้งสองขึ้นแขวนใกล้ ๆ กันจะปรากฏว่าแท่งแก้วทั้งสองเบนหนีออกจากกัน แสดงว่าเกิดมีแรงผลักระหว่างแท่งแก้วทั้งสอง นำแท่งแก้วผิวเกลี้ยงชนิดเดียวกันอีกคู่หนึ่งด้วยขนสัตว์ แล้วนำขึ้นแขวนเช่นเดียวกัน จะปรากฏว่าแท่งแก้วคู่นี้ผลักกันจะเบนห่างจากกัน แต่ถ้านำแท่งแก้วที่ถูด้วยผ้าแพร จากคู่แรกมาหนึ่งแท่ง แขวนคู่กับอีกหนึ่งแท่งจากคู่หลังที่ถูด้วยขนสัตว์แล้ว จะปรากฏว่าแท่งแก้วทั้งสองเบนเข้าหากันแสดงว่าแท่งแก้วคู่นี้ดูดกัน เมื่อทำการทดลองซ้ำหลายครั้ง ก็จะปรากฏผลเช่นเดียวกัน

         จากผลการทดลองแสดงว่า ประจุไฟฟ้าที่เกิดบนแท่งแก้วคู่แรกต้องเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน เพราะต่างถูด้วยแพรเหมือนกัน และประจุไฟฟ้าที่เกิดบนแท่งแก้วคู่หลังก็เป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน เพราะต่างถูด้วยขนสัตว์เช่นเดียวกัน โดยที่แท่งแก้วคู่แรกผลักกันและแท่งแก้วคู่หลังผลักกัน แต่แท่งแก้วจากคู่แรกและจากคู่หลังดูดกันย่อมแสดงว่า ประจุไฟฟ้าบนแท่งแก้วคู่แรกและคู่หลังต้องเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน แม้ว่าจะทดลองใช้วัตถุอื่น ๆ ที่เหมาะสมก็จะให้ผลทำนองเดียวกันจึงสรุปผลได้ว่า ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการขัดสีมีต่างกันอยู่สองชนิดเท่านั้น จึงได้กำหนดชนิดประจุไฟฟ้า โดยเรียกประจุไฟฟ้าชนิดหนึ่งว่า ประจุไฟฟ้าบวก (Positive Charge) และเรียกประจุไฟฟ้าอีกชนิดหนึ่งว่า ประจุไฟฟ้าลบ (Negative Charge)

1. ประจุไฟฟ้าลบ คือ ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนแท่งแก้วผิวเกลี้ยง ภายหลังที่นำมาถูด้วยผ้าแพร

2. ประจุไฟฟ้าลบ คือ ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนแท่งอีโบไนต์ (Ebonite) ภายหลังที่นำมาถูด้วยขนสัตว์ หรือสักหลาด แรงกระทำที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้า ย่อมปรากฏเป็นสองชนิด คือ  แรงผลัก และแรงดูด ซึ่งมีกฎดังนี้ คือประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันย่อมผลักกัน แต่ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันย่อมดูดกัน

         แรงกระทำที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้า เป็นแรงกระทำร่วมกัน (Mutual Force) ทำนองเดียวกับแรงแม่เหล็ก กล่าวคือ เมื่อเกิดแรงผลักกันย่อมหมายความว่าต่างฝ่ายต่างผลักกันด้วยแรงเท่า ๆ กันกระทำพร้อมกันในเวลาเดียวกัน สำหรับแรงดูดกันก็จะมีพฤติการณ์ทำนองเดียวกัน

ภาพแรงกระทำที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้า

ที่มา: https://orapanwaipan.wordpress.com/เกี่ยวกับ/ฟิสิกส์-4/ไฟฟ้าสถิต/ประจุไฟฟ้าและแรงระหว่า/

บัญชีสิ่งที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต

         ผลปรากฏจากการนำวัตถุต่างชนิดที่เป็นคู่ที่เหมาะสมมาทำการถูกัน แล้วเกิดประจุไฟฟ้าบนผิวของวัตถุแต่ละคู่นั้น กล่าวคือ เกิดไฟฟ้าสถิตบนผิวของวัตถุ และประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนผิวของวัตถุคู่หนึ่ง ๆ จะเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันเสมอ จึงได้มีการทำบัญชีของวัตถุที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต โดยการขัดสีไว้โดยเรียงตามลำดับของการขัดสีไว้ ดังนี้

1. ขนสัตว์                            11. แก้วผิวขรุขระ

2. ขนแกะหรือผ้าสักหลาด        12. ผิวหนัง

3. ไม้                                  13. โลหะต่าง ๆ

4. เชลแลค (Shellac)              14. ยางอินเดีย (India  Rubber)

5. ยางสน                            15. อำพัน

6. ครั่ง                                16. กำมะถัน           

7. แก้วผิวเกลี้ยง                     17. อิโบไนต์ (Ebonite)

8. ผ้าฝ้าย หรือ สำลี                18. ยาง (Gutta-percha)

9. กระดาษ                          19. ผ้าแพร  (Amalgamated)

10. ผ้าแพร                           20. เซลลูลอยด์  (Celluloid)

         เมื่อนำวัตถุคู่ใดคู่หนึ่งดังปรากฏในบัญชีมาถูกัน วัตถุที่มีเลขลำดับน้อยกว่า จะปรากฏมีประจุไฟฟ้าบวก ส่วนวัตถุที่มีเลขลำดับมากกว่าจะปรากฏมีประจุไฟฟ้าลบเช่น นำขนสัตว์หมายเลข 1 ถูกับแก้วผิวเกลี้ยงหมายเลข 7 แล้ว ปรากฏว่า ผ้าขนสัตว์จะปรากฏมีประจุไฟฟ้าบวกบนผิว บนผิวแก้วจะปรากฏมีประจุไฟฟ้าลบ แต่ถ้านำแก้วผิวเกลี้ยงหมายเลข 7 ไปถูกับผ้าแพร หมายเลข 10 แล้ว บนผิวแก้วจะปรากฏประจุไฟฟ้าบวก ส่วนผ้าแพรจะปรากฏมีประจุไฟฟ้าลบ

         ตัวอย่างที่ 1 ตัวนำทรงกลม A  และ B โดยที่ A  มีประจุไฟฟ้าบวก ส่วน B เป็นกลางทางไฟฟ้า  เมื่อนำมาสัมผัสกันแล้วแยกออก จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้

1. ประจุไฟฟ้าบวกจาก A ถ่ายให้แก่ B ทำให้เป็นลบ

2. ทรงกลม B จะมีประจุไฟฟ้าบวก

3. ทรงกลม A และ B จะต้องมีประจุไฟฟ้าเท่ากัน

4. ทั้ง A และ B เป็นกลางทางไฟฟ้า

5. ทรงกลม A จะเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วน B จะมีประจุไฟฟ้าบวก

ข้อใดกล่าวถูกต้อง

1. b  ข้อเดียว                     2. a, b  และ c

2. b, c, d และ e                 4. a, b, c, d และ e

         เฉลย ทำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 1

         ตัวอย่างที่ 2 เมื่อให้ประจุลบกับทรงกระบอกโลหะตันชนิด A จากนั้นนำทรงกระบอกโลหะ B (ไม่มีประประจุ) ที่สามารถสวมทับกระบอกได้พอดี หลังจากสวม B  ไปบน A  เมื่อนำทรงกระบอก A และ B  ไปตรวจสอบจะพบผลตามข้อใด

1. ประจุบน A เป็นประจุบวก มีขนาดเท่าเดิม

2. ประจุบนผิว A และ B มีชนิดเดียวกันและปริมาณเท่ากัน

3. ประจุบนผิวนอกของ A มีปริมาณลดลงครึ่งหนึ่งจากเดิม

4. ประจุบนผิวนอกของ B เป็นชนิดเดียวกับ A และมีปริมาณประจุเท่ากับ A

        เฉลย คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 4

         ตัวอย่างที่ 3 ถ้าเรานำวัตถุ A ที่มีประจุไฟฟ้าบวก มาเข้าใกล้วัตถุ B และ C ที่สัมผัสกันอยู่และเป็นกลางทางไฟฟ้า วัตถุ A  B  และ C จะมีประจุตามข้อใด ตามลำดับ

1. บวก ลบ  ลบ 

2. บวก ลบ บวก

3. บวก  กลาง  ลบ

4. บวก กลาง  กลาง

      เฉลย คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 2

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5  ม.6. กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม. 4-6. กรุงเทพฯ: วิทยพัฒน์.

อรพรรณ ไวแพน. (มปป). ประจุไฟฟ้าและแรงระหว่างประจุไฟฟ้า. สืบค้นเมื่อ 9 ธันวาคม  2562, จาก https://orapanwaipan.wordpress.com/เกี่ยวกับ/ฟิสิกส์-4/ไฟฟ้าสถิต/ประจุไฟฟ้าและแรงระหว่า/

การตรวจสอบประจุไฟฟ้า

อิเล็กโทรสโคป  (Electroscope)

       อิเล็กโทรสโคป เป็นเครื่องมือสำหรับตรวจไฟฟ้าสถิต ที่เราควรทราบ มี 2 ชนิด คือ

1. อิเล็กโทรสโคปแบบพิทบอล (Pith Ball Electroscope) อิเล็กโทรสโคปแบบนี้เป็นอิเล็กโทรสโคปแบบง่ายที่สุด ประกอบด้วยลูกกลมเล็กทำด้วยเม็ดโฟม หรือไส้หญ้าปล้องซึ่งมีน้ำหนักเบามาก ตัวลูกกลมแขวนด้วยเชือกด้าย หรือไหมเส้นเล็ก ๆ จากปลายเสาที่ตั้งบนแท่นฉนวนไฟฟ้า

            - เมื่อต้องการตรวจวัตถุใดมีประจุไฟฟ้าหรือไม่ ปฏิบัติดังนี้

               ใช้นิ้วคลึงลูกกลมให้ทั่วให้แน่ใจว่าลูกกลมเป็นกลางจริง ๆ จากนั้นนำวัตถุที่ต้องตรวจว่ามีประจุไฟฟ้าหรือไม่เข้ามาใกล้ ๆ ลูกกลมนั้น หากปรากฏว่าลูกกลมเคลื่อนที่โดยถูกดูดเข้าหาวัตถุนั้น และเมื่อลูกกลมถูกดูดเข้าจนสัมผัสกับผิววัตถุนั้นแล้ว ลูกกลมจะเคลื่อนที่ดีดหนีออกห่างจากวัตถุนั้น ซึ่งเมื่อลูกกลมดีดห่างออกแล้ว จะนำวัตถุนั้นมาล่อใกล้เพียงใดลูกกลมจะเคลื่อนหนีห่างโดยตลอด เมื่อปรากฏเช่นนี้ ก็แสดงว่าวัตถุที่นำมาทดลองนั้นมีประจุไฟฟ้า แต่ถ้าปรากฏว่า เมื่อนำวัตถุที่ต้องการตรวจสอบเข้าใกล้ลูกกลมนั้นแล้วลูกกลมไม่เคลื่อนที่เลย ก็แสดงว่าวัตถุนั้นเป็นกลาง (ไม่มีประจุไฟฟ้า)

             - เมื่อต้องการใช้อิเล็กโทรสโคปนี้ตรวจสอบชนิดของประจุไฟฟ้า ให้ปฏิบัติดังนี้

                ขั้นแรก ทำการให้ประจุไฟฟ้าที่ทราบชนิดแล้วแก่ลูกกลมเสียก่อน ขั้นตอนต่อไปจึงนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งต้องการตรวจชนิดประจุนั้นเข้ามาใกล้ลูกกลม หากปรากฏว่า เกิดแรงผลักโดยลูกกลมเคลื่อนที่หนีห่างวัตถุก็แสดงว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นชนิดเดียวกันกับประจุไฟฟ้าบนลูกกลม แต่ถ้าปรากฏว่าเกิดแรงดูด คือลูกกลมเคลื่อนที่เข้าหาวัตถุนั้น ก็แสดงว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นประจุต่างชนิดกันกับประจุไฟฟ้าบนลูกกลม เมื่อเราทราบชนิดประจุไฟฟ้าบนลูกกลมอยู่แล้ว จึงสามารถบอกได้ว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นชนิดใด

2. อิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นทองคำเปลว (Gold Leaf Electroscope) อิเล็กโทรสโคปแบบนี้ประกอบด้วยแผ่นทองคำเปลว หรือแผ่นอะลูมิเนียมบาง ๆ สองแผ่น ติดห้อยประกบกันที่ปลายแท่งโลหะ  ปลายบนของแท่งโลหะนี้เชื่อมติดกับจานโลหะ ตัวแท่งโลหะสอดติดแน่นอยู่ในฉนวนไฟฟ้าท่อนหนึ่ง ตัวท่อนฉนวนเสียบแน่นอยู่กับปลั๊กยาง ซึ่งสอดแนบสนิทกับฝาบนของขวดแก้วหรือขวดพลาสติก เพื่อให้มองเห็นแผ่นทองคำเปลวได้สะดวก

          เนื่องจากตัวกล่องเป็นโลหะ และวางอยู่บนพื้น ก็เท่ากับถูกเอิร์ทอยู่ตลอดเวลา ศักย์ไฟฟ้าของตัวกล่องโลหะจึงเป็นศูนย์เท่ากับ ศักย์ไฟฟ้าของโลกอยู่เสมอ แผ่นทองคำเปลวทั้งสองจะกางออกจากกันได้ เพราะเกิดเมื่อให้ประจุไฟฟ้าแก่จานโลหะจะเป็นประจุชนิดใดก็ได้ การทำเช่นนี้ ประจุไฟฟ้าที่ให้จะกระจายไปทั่วจานโลหะ ก้านโลหะและแผ่นทองคำเปลวทั้งสองมีประจุไฟฟ้าตรงกัน จะมีแรงไฟฟ้าผลักกันระหว่างแผ่นทองคำเปลวทั้งสอง แผ่นทองคำเปลวจะกางออกจากกัน   ถ้าเราให้ประจุไฟฟ้าลบอิสระแก่จานโลหะ  แผ่นทองคำเปลวจึงปรากฏมีประจุไฟฟ้าลบ จึงย่อมมีแรงผลักกันระหว่างแผ่นทองคำเปลวทั้งสอง แผ่นทองคำจึงอ้าออกถ้าภาชนะที่ใส่เป็นขวดแก้ว แผ่นทองคำเปลวก็กางออกได้ เมื่อมีประจุไฟฟ้ามาที่จานบน เพราะแผ่นทองคำเปลวทั้งสองมีประจุตรงกัน จึงผลักกันทำให้กางออก

ภาพที่ 1 การทำงานของอิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นทองคำเปลว
ที่มา : http://www0.tint.or.th/nkc/nkc55/content55/nstkc55-014.html

      การนำอิเล็กโทรสโคปแบบทองคำเปลวไปใช้ประโยชน์

      เราสามารถนำความรู้เรื่องอิเล็กโทรสโคปแบบทองคำเปลวไปใช้ประโยชน์ แสดงความจริงทางไฟฟ้าสถิตได้มากมายหลายประการ ดังนี้

1. ตรวจว่าวัตถุมีประจุไฟฟ้าหรือไม่

2. ตรวจชนิดของประจุไฟฟ้า

3. ตรวจว่าวัตถุหนึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าหรือฉนวนไฟฟ้า

โดยทั้ง 3  ประการนี้ สามารถปฏิบัติได้ดังนี้

1. ตรวจว่าวัตถุมีประจุไฟฟ้าหรือไม่ ทำได้โดยวางอิเล็กโทรสโคปลงบนพื้นโต๊ะ เพื่อให้กล่องโลหะถูกเอิร์ท ใช้นิ้วแตะจานโลหะเพื่อให้จานโลหะ ก้านโลหะและแผ่นทองเป็นกลางจริง ๆ ในการนี้แผ่นทองจะหุบ จากนี้นำวัตถุที่จะตรวจเข้ามาใกล้ ๆ จานโลหะ ถ้าปรากฏแผ่นทองหุบอยู่อย่างเดิมแสดงว่าวัตถุที่นำมาทดลองนั้นเป็นกลางไม่มีประจุไฟฟ้า แต่ถ้าปรากฏว่าแผ่นทองกางอ้าออก ก็แสดงว่า วัตถุนั้นมีประจุไฟฟ้า

2. ตรวจชนิดของประจุไฟฟ้า ทำได้โดยการให้ประจุอิสระที่ทราบชนิดแล้วแก่จานโลหะของอิเล็กโทรสโคปเสียก่อน แผ่นทองย่อมจะกางอ้าออก จากนี้จึงนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าแล้วเข้ามาล่อใกล้จานโลหะ

                 - ถ้าปรากฏว่าแผ่นทองกางอ้าออกมากขึ้น แสดงว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้น เป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันกับประจุไฟฟ้าที่มีอยู่บนจานโลหะของอิเล็กโทรสโคป ในกรณีนี้ ถ้ายิ่งเลื่อนวัตถุเข้าใกล้จานโลหะเข้าไปอีก แผ่นทองจะกางอ้าออกมากขึ้นอีก

                 - ถ้าปรากฏว่าแผ่นทองกลับกางน้อยลงคือเกือบหุบ แสดงว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิด กับประจุไฟฟ้าที่มีบนจานโลหะ สำหรับกรณีนี้ ถ้าหากนำวัตถุนั้นเข้าใกล้จานโลหะเข้าไปอีก  แผ่นทองจะหุบลงอีกจนในที่สุดจะหุบสนิท และเลื่อนวัตถุนั้นเข้าใกล้อีกคราวนี้แผ่นทองจะเริ่มกางออกได้อีก

3. ตรวจว่าวัตถุหนึ่งเป็นตัวนำหรือฉนวนไฟฟ้า ทำได้โดยให้ประจุไฟฟ้าอิสระแก่จานอิเล็กโทรสโคปเสียก่อน จะเป็นประจุไฟฟ้าชนิดใดก็ได้ แผ่นทองจะกางอ้าออก จากนั้นถือวัตถุที่ต้องการจะตรวจมาแตะที่จานโลหะ (ขณะนี้วัตถุเอิร์ทอยู่เพราะเราถือไว้)

                  - ถ้าปรากฏว่าแผ่นทองหุบสนิท แสดงว่าวัตถุนั้นเป็นตัวนำไฟฟ้า เพราะประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ระหว่างแผ่นทองกับผิวโลกโดยผ่านวัตถุตัวนำและมือ จนที่สุดแผ่นทองมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์เท่ากับศักย์ของโลก แผ่นทองจึงหุบสนิท

                  - ถ้าปรากฏว่าแผ่นทองกางอยู่อย่างเดิม ก็แสดงว่าวัตถุที่นำมาทดลองนี้เป็นฉนวนไฟฟ้า การที่แผ่นทองยังคงกางอยู่ได้ก็เพราะว่าไม่มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าระหว่างแผ่นทองกับมือของเรา เนื่องจากประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านฉนวนไฟฟ้าไม่ได้ แผ่นทองจึงยังกางอยู่ได้ เพราะแผ่นทองมีประจุไฟฟ้าจึงผลักกัน

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5  ม.6. กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม. 4-6. กรุงเทพฯ: วิทยพัฒน์.

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข. (2554). อิเล็กโทรสโคป. สืบค้นเมื่อ 9 ธันวาคม  2562, จาก http://www0.tint.or.th/nkc/nkc55/content55/nstkc55-014.html

 ศักย์ไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า

         ศักย์ไฟฟ้า คือ ขนาดของงานที่สูญเสียไปในการเคลื่อนประจุ 1 หน่วยประจุ จากระยะอนันต์ (Infinity) มาจนถึงจุดนั้น จากนิยามของความต่างศักย์ ย่อมได้ว่า

                    V_AB = (V_A – V_B) = W_BA /q      ……(1)

         จากกฎของคูลอมบ์ จะได้ว่า

                   F_A = KQq/r²_A  , KQq/r²_B

         และ F_{เฉลี่ย}   = (F_AF_B)^1/2 ดังนั้น  F_{เฉลี่ย}   = (KQq/r²_{A .} KQq/r²_B)^1/2 = KQq/r_Ar_B

         แต่งาน =  แรงเฉลี่ย x ระยะทาง ดังนั้น W_AB = KQq/r_Ar_B (r_B – r_A)

         จากสมการที่ 1 ย่อมได้ว่า V_AB = (V_A – V_B) = W_BA /q      = KQ (1/r_A – 1/r_B)

                  V_A = W_A/q = KQ/r_A , V_B = W_B/q = KQ/r_B

          ดังนั้น V = KQ/r

ในที่นี้ Q คือ  ประจุต้นเหตุ (หรือประจุเจ้าของสนามไฟฟ้า) มีหน่วยเป็น คูลอมบ์

        q คือ ประจุทดสอบ (หรือประจุที่นำไปวางในสนามไฟฟ้า) มีหน่วยเป็น คูลอมบ์

        k คือ ค่าคงที่ (ในอากาศหรือสุญญากาศ k = 9 x 10⁹ N.m²/C²)

        r_A,r_B  คือ ระยะที่วัดจากศูนย์กลางของประจุต้นเหตุถึงจุด A  และจุด B ตามลำดับ

        W คือ งานที่สูญเสียไปในการเคลื่อนประจุทดสอบในระหว่าง 2 จุดใด ๆ

        V_A ,V_B คือ ศักย์ไฟฟ้าที่จุด A  และ B  ตามลำดับ มีหน่วยเป็น (จูล/คูลอมบ์ หรือ โวลต์)

        V_AB คือ ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด A  และ B  ตามลำดับ มีหน่วยเป็น (จูล/คูลอมบ์ หรือ โวลต์)

ภาพการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า
ที่มา : www.leonics.co.th/html/th/aboutpower/elec_knowledge03.php

ข้อควรทราบเกี่ยวกับศักย์ไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า

1. ถ้าประจุต้นเหตุ Q เป็นประจุชนิดบวก ตำแหน่งที่อยู่ใกล้ Q จะมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าจุดที่อยู่ไกลกว่าเสมอ

2. ถ้าประจุต้นเหตุ Q เป็นประจุชนิดลบ ตำแหน่งที่อยู่ใกล้ Q จะมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าจุดที่อยู่ไกลกว่าเสมอ

3. โดยทั่วไปแล้วความต่างศักย์ระหว่างจุด 2 จุดใด ๆ เป็นบวกเสมอ (คือเอาศักย์สูง ลบศักย์ต่ำ) แต่บางครั้งจะเป็นค่าติดลบก็ได้ (เพราะเอาศักย์ต่ำลบศักย์สูง) ดังนั้น ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าจึงต้องระบุเครื่องหมายว่าเป็น บวก หรือ ลบ ไว้ด้วย)

4. สำหรับศักย์ไฟฟ้าที่จุดใด ๆ นั้น อาจเป็นได้ทั้งศักย์บวกและลบ ทั้งนี้ย่อมขึ้นอยู่กับประจุต้นเหตุ Q เป็นสำคัญ กล่าวคือ ถ้าเป็นบวก +Q ศักย์จะเป็น  บวก และ –Q ศักย์จะเป็นลบ ดังนั้นในการใช้สูตร V =KQ/r นั้น จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใส่เครื่องหมายบวกลบบ่งบอกชนิดของประจุ Q เอาไว้ด้วย

5. ตำแหน่งที่ถือว่ามีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ มี 2 ตำแหน่ง คือ

             5.1 จุดที่อยู่ไกลจากประจุต้นเหตุมาก ๆ (ระยะอนันต์)

             5.2 จุดต่าง ๆ บนพื้นโลก (หรือจุดที่ต่าง ๆ ที่ต่อลงดินนั่นเอง)

6. เส้นที่ลากต่อเชื่อมจุดต่าง ๆ ในสนามไฟฟ้าที่มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน เราเรียกว่า เส้นสมศักย์ (Equipotential Line)

ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด 2 จุด ใด ๆ

         ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด 2 จุดใด ๆ หมายถึง งานต่อหนึ่งหน่วยประจุในการเคลื่อนประจุระหว่างจุดทั้งสอง

                  V_A – V_B = W_AB/q

ถ้า q  เป็นประจุบวก จะพบว่า W เป็นบวก เมื่อศักย์ที่ B  สูงกว่าที่ A  (ได้งาน)

    W เป็นลบ เมื่อศักย์ที่ B  ต่ำกว่าที่ A  (เสียงาน)

    W เป็นศูนย์ เมื่อศักย์ที่ B  เท่ากับศักย์ที่ A  (ไม่มีงาน)

ดังนั้น  V = W/q

          W =qV

    W  เท่ากับ พลังงานในการเคลื่อนที่ประจุ q  มีหน่วยเป็น จูล (Joule)

     q  เท่ากับ ประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (Coulomb)

    V  เท่ากับ ความต่างศักย์ระหว่างจุด 2 จุด  มีหน่วยเป็น จูลต่อคูลอมบ์ หรือ โวลต์

สนามไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำทรงกลม

         กำหนดให้ตัวนำทรงกลมรัศมี R มีประจุ +q จุด A เป็นจุดที่อยู่ในทรงกลม และ B เป็นจุดที่ผิวตัวนำ

ให้ทรงกลมมีสนามไฟฟ้า เท่ากับ E

         ดังนั้น แรง F = qE

             จาก W_AB = q(V_B – V_A)

                       qE = q(V_B – V_A)

                         E = (V_B – V_A)  ………………..(1)

      แต่สนามไฟฟ้าในทรงกลม มีค่าเป็นศูนย์

       จากสมการที่ 1 จะได้ว่า

                        0 = V_B – V_A

                      V_B = V_A

       นั่นคือศักย์ไฟฟ้า ณ จุดใด ๆ ในทรงกลมย่อมมีค่าเท่ากัน และเท่ากับที่ผิวเสมอ ดังนั้นการหาศักย์ไฟฟ้าของจุดในทรงกลมให้ย้ายไปอยู่ที่ผิวเสียก่อน

สิ่งที่ควรจำ

1. ประจุบนทรงกลมใด ๆ ย่อมกระจายกลุ่มอยู่อย่างสม่ำเสมอตลอดผิวของทรงกลมเท่านั้น (ภายในทรงกลมมีประจุเป็นศูนย์)

2. ในทางคำนวณให้คิดเสมือนว่า ประจุทั้งหมดของทรงกลมรวมกันอยู่ที่ตำแหน่งจุดศูนย์กลางของทรงกลมเท่านั้น

3. ภายในทรงกลม สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ทุก ๆ ตำแหน่ง แต่ศักย์ไฟฟ้ามีค่าเท่ากันทุกตำแหน่ง ๆ คือ เท่ากับศักย์ไฟฟ้าที่ผิวของตัวนำทรงกลมนั่นเอง

4. ภายนอกทรงกลม ทั้งสนามไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้าไม่เป็นศูนย์ แต่จะเป็นไปตามสมการดังต่อไปนี้

                   E = kQ/r²

                   V = kQ/r

สรุปการคำนวณ

1. การหาศักย์ไฟฟ้าที่จุดใด ๆ คำนวณจาก

                         V = kQ/r

2. การหางานในการเคลื่อนประจุระหว่างจุด 2 จุดใด ๆ

                        W_{จาก A ไป B} = q(V_B – V_A)

           ถ้างานมีค่าเป็น บวก หมายถึง ต้องใช้งานเข้าไปช่วยให้ประจุเคลื่อนที่

           ถ้างานมีค่าเป็น ลบ หมายถึง ประจุจะคายงานออกมาให้หรือประจุจะวิ่งไปได้เอง

3. การหางานในการลากประจุบวกจากระยะอนันต์มายังจุดใด ๆ

              W_{ที่ระยะอนันต์ไปจุด A} = qV_A

            ศักย์ภายในทรงกลม จะมีค่าเท่ากับศักย์ที่ผิว

              V_{ภายในทรงกลม} = V_{ที่ผิวทรงกลม}  = kQ/r

       ตัวอย่าง ศักย์ไฟฟ้าที่ตำแหน่งใด ๆ รอบจุดประจุขึ้นอยู่กับค่าใดต่อไปนี้    A. ระยะห่าง B. ชนิดของตัวกลาง   C.ชนิดของประจุที่ให้สนามไฟฟ้า  D.ขนาดของประจุที่ให้สนามไฟฟ้า ข้อใดถูกต้อง

1. ข้อ A, D           

2. ข้อ B,C

3. ข้อ A, B, D 

4. ถูกทุกข้อ

       เฉลย คำตอบที่ถูกต้อง คือ ข้อ 4  จากสมการ V = kQ/r

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5  ม.6. กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม. 4-6. กรุงเทพฯ: วิทยพัฒน์.leonics. (มปป). ศักย์ไฟฟ้า. สืบค้นเมื่อ 9 ธันวาคม  2562,  จาก www.leonics.co.th/html/th/aboutpower/elec_knowledge03.php