ประจุไฟฟ้าและแรงระหว่างประจุ

ประจุไฟฟ้า (Electric charge)

ทาลีส นักปราชญ์ชาวกรีก ได้พบว่าถ้านำเอาแท่งอำพันมาถูกับผ้าขนสัตว์แล้ว แท่งอำพันนั้นจะสามารถดูดวัตถุเบาๆ ได้ อำนาจที่เกิดขึ้นนี้ถูกเรียกว่า ไฟฟ้า

แรงดึงดูดนี้ไม่ใช่แรงดึงดูดระหว่างมวลเพราะจะเกิดขึ้นภายหลังที่มีการนำวัตถุดังกล่าวมาถูกันเท่านั้น และเรียกว่าสิ่งที่ทำให้เกิดแรงนี้คือ ประจุไฟฟ้า หรือเรียกสั้นๆ ว่า ประจุ 

รูปที่ 1  แสดงการเกิดประจุไฟฟ้า

ที่มา http://scienceblogs.com/startswithabang/2011/06/29/static-electricity-isnt-what-y/

โดยประจุไฟฟ้าที่เกิดกับวัตถุ 2 ชนิดคือ ประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบ หรือ เรียกสั้นๆว่า ประจุบวก และประจุลบ โดยแรงระหว่างประจุมี 2 ชนิดคือ แรงดูด และ แรงผลัก โดยประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน ส่วนประจุต่างชนิดกันจะดูดกัน อาจเขียนทิศของแรงกระทำระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าได้ดังต่อไปนี้

 

arges-repulsion-attraction

รูปที่่ 2  แรงระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

ต่อมาพบว่า วัตถุทุกชนิด ประกอบด้วยอะตอม โดยอะตอมประกอบด้วย  นิวเคลียส ซึ่งเป็นแกนกลางของอะตอม ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกเรียกว่า โปรตอน และอนุภาคที่มีไม่มีประจุ เรียกว่า นิวตรอน อิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ วิ่งวนอยู่รอบๆ นิวเคลียส ด้วยพลังงานที่คงตัวค่าหนึ่งดังจะเห็นในรูปที่ 3

Atomic Model

รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างของอะตอม

 

 ตารางที่ 1  แสดงลักษณะโครงสร้างของอะตอม

เราสามารถหาขนาดประจุไฟฟ้าบนวัตถุใดๆ  ได้จากสมการ

 

                                 Q = ne

 

เมื่อ     Q  คือ ประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็นคูลอมบ์ (C)

n  คือ จำนวนประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น อนุภาค (ตัว )

e  คือ ขนาดอิเล็กตรอน 1 อนุภาค หรือ โปรตอน 1 อนุภาค เท่ากับ 1.6 x 10    -19 C

 

กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า (Conservation of charge)

วัตถุชิ้นหนึ่งๆ ประกอบด้วย อะตอมจำนวนมาก แต่ละอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวกเรียกว่า โปรตอน และอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เรียกว่า นิวตรอน นอกนิวเคลียสมีอนุภาคที่มีประจุลบ เรียกว่า อิเล็กตรอน เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ด้วย     พลังงานในการเคลื่อนที่ค่าหนึ่ง อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันจะไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่าอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนวัตถุที่มี จำนวนอนุภาคทั้งสองไม่เท่ากันจะอยู่ในสภาพวัตถุมีประจุไฟฟ้าและจะแสดงอำนาจไฟฟ้า โดยจะแสดงว่ามีประจุบวกถ้ามีจำนวนโปรตอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนหรือในทางกลับกันจะแสดงว่ามีประจุลบ ถ้าจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอน

อะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้านั้นผลรวมระหว่างประจุของโปรตอนและประจุของอิเล็กตรอนในอะตอมมีค่าเป็นศูนย์ และเนื่องจากอะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนแสดงว่าประจุของอิเล็กตรอนกับประจุของอิเล็กตรอนต้องมีค่าเท่ากัน

จากความรู้นี้เราจะพิจารณาต่อไปได้ว่า การทีอิเล็กตรอนหลุดหลุดจากอะตอมหนึ่งไปสู่อีกอะตอมหนึ่ง ย่อมทำให้อะตอมที่เสียอิเล็กตรอนไปมีประจุลบลดลง ส่วนอะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนจะมีประจุลบเพิ่มขึ้น นั่นคือสำหรับอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อเสียอิเล็กตรอนไปจะกลายเป็นอะตอมที่มีประจุบวก ส่วนอะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะกลายเป็นอะตอมมีประจุลบ

ดังนั้นในการนำวัตถุมาถูกันแล้วมีผลทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าขึ้นนั้น อธิบายได้ว่าเป็นเพราะงานหรือพลังงานกลเนื่องจากการถูกถ่ายโอนให้กับอิเล็กตรอนของอะตอมบริเวณที่ถูกันทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนสูงขึ้นจนสามารถหลุดเป็นอิสระออกจากอะตอมของวัตถุหนึ่งไปสู่อะตอมของอีกวัตถุหนึ่งกล่าวคืออิเล็กตรอนได้ถูกถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะมีประจุลบส่วนวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนจะมีประจุบวก เราจึงสรุปได้ว่าการทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าไม่ใช่เป็นการสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเดพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งเท่านั้น โดยที่ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณายังคงเท่าเดิม ซึ่งข้อสรุปนี้ก็คือ กฎมูลฐานทางฟิสิกส์ที่มีชื่อว่า  กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า  นั่นเอง

 

ตัวนำและฉนวน  (Conductor and Insulator)

วัตถุใดที่ได้รับการถ่ายเทอิเล็กตรอนแล้วอิเล็กตรอนนั้นยังคงอยู่ ณ บริเวณเดิมต่อไป เรียกว่า ฉนวนไฟฟ้า หรือเรียกสั้นๆว่า ฉนวน นั่นคืออิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายเทให้แก่วัตถุที่เป็นฉนวนจะไม่เคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งในเนื้อวัตถุ กล่าวได้ว่า ในฉนวนประจุไฟฟ้าจะถ่ายเทจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งได้ยาก

วัตถุใดได้รับการถ่ายเทอิเล็กตรอนแล้ว อิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายเทสามารถเคลื่อนที่กระจายไปได้ตลอดเนื้อวัตถุโดยง่าย หรืออาจกล่าวได้ว่าอิเล็กตรอนมีอิสระในการเคลื่อนที่ในวัตถุนั้น เรียกวัตถุที่มีสมบัติเช่นนั้นว่า ตัวนำไฟฟ้า หรือเรียกสั้นๆ ว่า ตัวนำ

การทำวัตถุที่เป็นกลางให้เกิดประจุมี 3 วิธี

  • การขัดสี (ถู)   เป็นการนำเอาวัตถุที่เป็นกลางมาถูกัน (วัตถุที่นำมาถูกันต้องเป็นฉนวน  เช่น ผ้าไหมกับแท่งแก้ว) จะทำให้อิเล็กตรอนในวัตถุได้รับความร้อนจากการถูมีพลังงานเพิ่มขึ้นสามารถเคลื่อนที่จากวัตถุอันหนึ่งไปยังอีกอันหนึ่งได้ ประจุที่เกิดกับวัตถุทั้งสองชนิดเป็นประจุชนิดตรงข้ามกันแต่ปริมาณ   เท่ากัน
  • การสัมผัส  เกิดจากการนำวัตถุ 2 อันมาสัมผัส หรือแตะกันโดยตรง แล้วเกิดการถ่ายเทประจุโดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าลบไปยังศักย์ไฟฟ้าบวก หรือศักย์ไฟฟ้าศูนย์ไปยังศักย์ไฟฟ้าบวก หรือศักย์ไฟฟ้าลบไปยังศักย์ไฟฟ้าศูนย์จะหยุดการถ่ายเทเมื่อวัตถุ 2 อัน มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน
  • การเหนี่ยวนำ (Induction) เป็นการนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าเข้ามาใกล้วัตถุที่เป็นกลาง มีผลให้อิเล็กตรอนเกิดการเปลี่ยนตำแหน่ง แล้วเกิดประจุชนิดตรงข้ามบนผิวที่อยู่ใกล้ และเกิดประจุชนิดเดียวกันกับประจุบนวัตถุที่นำมาจ่อบนผิวที่อยู่ใกล้ และวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะดูดวัตถุที่เป็นกลางเสมอ

เช่น

  1. ลูกพิทซึ่งเป็นกลางแขวนด้วยเส้นด้ายอยู่นิ่งๆ แล้วนำวัตถุที่มีประจุ + (บวก) มาวางใกล้ๆ ประจุบนลูกพิทจะถูกเหนี่ยวนำให้แยกออกจากกัน ทำให้เกิดแรงระหว่างประจุที่วัตถุกับลูกพิทกระทำซึ่งกันและกัน แล้วทำให้ลูกพิทเบนออกจากแนวเดิม ถ้านำเอาแท่งประจุ +ออก  ลูกพิทก็จะเป็นกลาง

 

2.  อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะซึ่งเดิมเป็นกลาง เมื่อนำวัตถุที่มีประจุ + ( บวก ) มาวางใกล้ๆ จานรับวัตถุจะเกิดการเหนี่ยวนำ ดังรูป ถ้านำเอาแท่งประจุ+ออก อิเล็กโทรสโคปแผ่โลหะก็จะเป็นกลาง

 

เราสามารถทำให้ลูกพิท และ อิเล็กโทรสโคป มีประจุ สามารถทำได้โดยการต่อลงดินดังรูป

  1. ลูกพิทซึ่งเป็นกลางแขวนด้วยเส้นด้ายอยู่นิ่งๆ แล้วนำวัตถุที่มีประจุ – ( ลบ ) มาวางใกล้ๆ  ประจุบนลูกพิทจะถูกเหนี่ยวนำให้แยกออกจากกัน  ทำให้เกิดแรงระหว่างประจุที่วัตถุกับลูกพิทกระทำซึ่งกันและกัน แล้วทำให้ลูกพิทเบนออกจากแนวเดิม เมื่อสัมผัสกับลูกพิท ( ต่อลงดิน ) จะมีการถ่ายเทประจุ ถ้านำเอาแท่งประจุลบ – ออก ลูกพิทก็จะมีประจุเป็นบวก  ( +  )

Picture

2.   อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะซึ่งเดิมเป็นกลาง เมื่อนำวัตถุที่มีประจุ ลบ ( – ) มาวางใกล้ๆ จานรับวัตถุจะเกิดการเหนี่ยวนำ ดังรูป เมื่อสัมผัสกับแผ่นโลหะ ( ต่อลงดิน ) จะมีการถ่ายเทประจุ  ถ้านำเอาแท่งประจุ –  ออก อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะก็จะมีประจุเป็นลบ ( – )

ที่มา  http://astarmathsandphysics.com/ib-physics-notes/electricity/ib-physics-notes-charging-a-gold-leaf-electroscope.html

กฎของคูลอมบ์ (Coulomb ,s Law)

“ แรงระหว่างประจุจะเป็นสัดส่วนกับผลคูณของประจุ และแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างประจุยกกำลังสอง “

 

 

Coulombs Law Diagram

 

โดย         k  = 9 x 109 Nm2 /C2  ,     Q = ประจุไฟฟ้า หน่วย  คูลอมบ์   ,  R = ระยะห่างระหว่างจุดประจุ หน่วย เมตร

หมายเหตุ  กรณีเป็นตัวนำทรงกลมที่มีประจุเราจะพิจารณาตั้งแต่จุดศุนย์กลางของตัวนำทรงกลมหนึ่งถึงจุดศูนย์กลางของตัวนำทรงกลมหนึ่ง

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s