บทที่ 15 ไฟฟ้าสถิต
15.1 ปรากฏการณ์ธรรมชาติของไฟฟ้า
เราเคยพบเห็นฟ้าแลบ ฟ้าผ่าและฟ้าร้องกันบ่อยๆโดยเฉพาะในช่วงฤดูฝน ทำให้มนุษย์เกิดความอยากรู้ว่าเพราะเหตุใดจึงเกิดสิ่งเหล่านี้ ในยุคโบราณเชื่อว่าเกิดจากอำนาจของเทพเจ้า ไทยเราคิดว่าเป็นเพราะรามสูรขว้างขวาน ต่อมาเมื่อมนุษย์มีความรู้วิทยาศาสตร์มากขึ้น ทำให้ทราบว่าฟ้าแลบ ฟ้าผ่า เกิดจากการถ่ายโอนของประจุไฟฟ้าในบรรยากาศ
ในฤดูหนาวซึ่งมีอากาศแห้ง เมื่อหวีผมแล้วนำหวีมาใกล้กับกระดาษชิ้นเล็กๆ จะพบว่าหวีสามารถดูดกระดาษได้ สำหรับผู้ที่อยู่ในภูมิภาคที่มีอากาศหนาวเย็นจะพบปรากฏการณ์ทำนองนี้ได้บ่อยครั้ง เพราะแม้แต่เดินแทรกผ่านเข้าไปในแถวเสื้อขนสัตว์ที่แขวนอยู่เรียงราย จะพบว่ามีประกายไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างเสื้อที่เราสวมใส่กับเสื้อขนสัตว์ที่แขวนอยู่
ปรากฏการณ์เช่นนี้ นักปราชญ์ชาวกรีก ชื่อ ทาลีส ได้สังเกตพบมาก่อนแล้วตั้งแต่ประมาณ 60 ปี ก่อนพุทธศักราช โดยพบว่าเมื่อนำแท่งอำพัน (ยางสนที่แข็งตัวจนเกือบกลายเป็นหิน) มาถูกับผ้าขนสัตว์ แท่งอำพันสามารถดูดของเบาๆ เช่น ฟาง ขนนกได้ การที่หวีดูดกระดาษหรือแท่งอำพันดูดขนนก แสดงว่า มีแรงกระทำต่อกระดาษหรือขนนกนั้น
15.2 ประจุไฟฟ้า
เมื่อนำแผ่นพีวีซีมาถูด้วยผ้าสักหลาดแล้วนำแผ่นพีวีซีเข้าใกล้กระดาษชิ้นเล็กๆ พบว่าแผ่นกระดาษถูกแผ่นพีวีซีดึงดูด แสดงว่าแผ่นพีวีซีมีแรงกระทำกับกระดาษและต้นเหตุที่ทำให้เกิดแรงนี้คือ ประจุไฟฟ้า หรือที่เรียกสั้นๆว่า ประจุ เรียกแรงนี้ว่า แรงระหว่างประจุไฟฟ้า
ประจุไฟฟ้ามีสองชนิดคือ ประจุไฟฟ้าบวก และประจุไฟฟ้าลบ หรือเรียกสั้นๆว่า ประจุบวก ประจุลบ โดยใช้เครื่องหมาย + และ – แสดงชนิดของประจุบนวัตถุตามลำดับ
เบนจามินแฟรงคลิน นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันเป็นบุคคลแรกที่จำแนกชนิดประจุไฟฟ้าเป็นประจุบวกและประจุลบ โดยเรียกประจุที่เกิดบนแท่งแก้วเมื่อถูด้วยผ้าไหมเป็นประจุบวก ส่วนประจุที่เกิดบนแท่งอำพันเมื่อถูด้วยผ้าขนสัตว์เป็นประจุลบ จึงสรุปได้ว่า ประจุมี 2 ชนิด ประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน และประจุต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน
15.3 กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
การนำวัตถุมาถูกันทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า สามารถอธิบายได้ว่า เกิดจากการทำงานหรือพลังงานกลเนื่องจากการถูจะโอนความร้อนให้กับอิเล็กตรอนของอะตอมบริเวณที่ถูกัน ทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนสูงขึ้น จนสามารถหลุดเป็นอิสระออกจากอะตอมของวัตถุหนึ่งไปสู่อะตอมของอีกวัตถุหนึ่ง ทำให้อะตอมของวัตถุที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นมีประจุลบ ส่วนอะตอมของวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนไปจะมีประจุบวก จึงสรุปได้ว่า “การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าไม่ใช่เป็นการสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยที่ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณาจะเท่าเดิมเสมอ” นี่คือกฎมูลฐานกฎหนึ่งของฟิสิกส์ที่มีชื่อว่า กฎการอนุรัษ์ประจุไฟฟ้า
15.4 การเหนี่ยวนำไฟฟ้า
การนำวัตถุที่มีประจุเข้าใกล้วัตถุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าจะทำให้เกิดประจุชนิดตรงบนด้านของตัวนำที่ใกล้วัตถุ วิธีทำให้เกิดประจุในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำไฟฟ้า
15.5 แรงระหว่างประจุและกฎของคูลอมบ์
“แรงดูดหรือแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วน โดยตรงกับผลคูณระหว่างประจุและเป็นสัดส่วนโดยผกผันกับกำลังสองของระยะ ทางระหว่างประจุนั้น
F = แรงระหว่างประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตัน
Q1 , Q2 = ประจุไฟฟ้าทั้งสองมีหน่วยเป็น คูลอมบ์
R = ระยะห่างระหว่างประจุ มีหน่วยเป็น เมตร
k = ค่าคงที่ในกฎของคูลอมบ์ = 9x109 Nm2/c2
* หลักการประจุต่างกันจะดูดกันและประจุต่างกันจะผลักกัน
15.6 สนามไฟฟ้า
สนามไฟฟ้าคือ บริเวณรอบ ๆ ประจุไฟฟ้าที่ประจุไฟฟ้าสามารถส่งอำนาจไปถึง ถ้า Q เป็นประจุ + จะได้รับแรงในทิศทางเดียวกับ สนามไฟฟ้า ถ้า Qเป็นประจุ–จะได้รับแรงในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า
E = สนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็นนิวตัน/คูลอมบ์
Q = ประจุไฟฟ้าที่ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า
R = ระยะระหว่างประจุ
k = ค่าคงที่ 9x109 Nm2/c2
*สนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นโลหะคู่ขนานจะมีค่าคงที่ และมีค่าเท่ากับ
จุดสะเทินคือ ตำแหน่งที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ จุดสะเทินจะอยู่ระหว่างประจุทั้งสอง หรือภายนอกของ ประจุทั้งสอง จะขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้าทั้งสองดังนี้
1. ประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน จุดสะเทินจะอยู่ระหว่างประจุทั้งสอง และอยู่ใกล้ประจุไฟฟ้าที่มีแรงทางไฟฟ้าน้อย
15.7 เส้นแรงไฟฟ้า
เส้นต่างๆที่ใช้เขียนเพื่อแสดงทิศทางของสนามไฟฟ้าในบริเวณรอบๆจุประจุ เรียกว่า เส้นแรงไฟฟ้า และใช้เส้นเหล่านี้แสดงทิศของแรงที่กระทำต่อประจุบวกที่วางอยู่ในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า
ความหนาแน่นของเส้นแรงไฟฟ้าน้อยลง ดังนั้นเราอาจพิจารณาสนามไฟฟ้าจากความหนาแน่นของเส้นแรงไฟฟ้าได้ ซึ่งจะสรุปได้ว่า บริเวณที่มีเส้นแรงไฟฟ้าหนาแน่นมาก สนามไฟฟ้าที่บริเวณนั้นมีค่ามาก บริเวณที่มีเส้นแรงไฟฟ้าหนาแน่นน้อย สนามไฟฟ้ามีค่าน้อย
เส้นแรงไฟฟ้าเป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งพิจารณาได้ว่า เส้นแรงไฟฟ้ามีความหนาแน่นสม่ำเสมอ สนามไฟฟ้าในบริเวณดังกล่าวนี้จะมีค่าสม่ำเสมอด้วย
15.8 ศักย์ไฟฟ้า
15.9 ตัวเก็บประจุและความจุ
ในการเก็บประจุเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ มีการใช้ตัวนำทำหน้าที่เก็บประจุเรียกว่า ตัวเก็บประจุ
C = ความจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็นฟารัด (F) หรือคูลอมบ์/โวลต์
15.10 ความเร็วของประจุ
2. ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน จุดสะเทินจะอยู่ภายนอกของประจุทั้ง สอง และอยู่ใกล้ทางประจุไฟฟ้าที่มีแรงไฟฟ้าน้อย Q2 < Q1
เส้นต่างๆที่ใช้เขียนเพื่อแสดงทิศทางของสนามไฟฟ้าในบริเวณรอบๆจุประจุ เรียกว่า เส้นแรงไฟฟ้า และใช้เส้นเหล่านี้แสดงทิศของแรงที่กระทำต่อประจุบวกที่วางอยู่ในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า
ความหนาแน่นของเส้นแรงไฟฟ้าน้อยลง ดังนั้นเราอาจพิจารณาสนามไฟฟ้าจากความหนาแน่นของเส้นแรงไฟฟ้าได้ ซึ่งจะสรุปได้ว่า บริเวณที่มีเส้นแรงไฟฟ้าหนาแน่นมาก สนามไฟฟ้าที่บริเวณนั้นมีค่ามาก บริเวณที่มีเส้นแรงไฟฟ้าหนาแน่นน้อย สนามไฟฟ้ามีค่าน้อย
เส้นแรงไฟฟ้าเป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งพิจารณาได้ว่า เส้นแรงไฟฟ้ามีความหนาแน่นสม่ำเสมอ สนามไฟฟ้าในบริเวณดังกล่าวนี้จะมีค่าสม่ำเสมอด้วย
15.8 ศักย์ไฟฟ้า
ศักย์ไฟฟ้าคือระดับไฟฟ้าที่มีอยู่ในวัตถุนั้น ๆ ประจุลบจะเคลื่อนที่จากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำไปยังศักย์ไฟฟ้าสูงส่วนประจุบวกจะเคลื่อนที่จากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปสู่จุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ
V = ศักย์ไฟฟ้า มีหน่วยเป็น Volt
Q = ประจุไฟฟ้า
R = ระยะจากประจุไฟฟ้า ถึงจุดที่ต้องการหาศักย์ไฟฟ้า
k = ค่าคงที่ = 9x109 Nm2/c2
*ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด 2 จุด คือ ผลต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของ จุด 2 จุดนั้น
ในการเก็บประจุเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ มีการใช้ตัวนำทำหน้าที่เก็บประจุเรียกว่า ตัวเก็บประจุ
ความจุไฟฟ้าหมายถึงความสามารถในการกักเก็บประจุของวัตถุ วัตถุที่สามารถรับประจุได้มากแต่ทำให้ศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นน้อย แสดงว่า วัตถุนั้นมีความจุไฟฟ้ามากความจุไฟฟ้าของวัตถุใด ๆ จะเป็นอัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้ากับศักย์ไฟฟ้าของวัตถุนั้น
Q = ปริมาณประจุไฟฟ้า
V = ศักย์ไฟฟ้า
สัญลักษณ์แทนตัวเก็บประจุ จะเป็นรูปแผ่นขนานด้วยขีด 2 ขีด
15.10 ความเร็วของประจุ
ประจุ +q เคลื่อนที่จากจุด A ไปยังจุด B พลังงานศักย์ไฟฟ้าจะ เปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์
พลังงานศักย์ไฟฟ้าที่ลด = พลังงานจลน์ที่เพิ่มขึ้น
- เครื่องถ่ายเอกสาร
- เครื่องกำจัดฝุ่นในอากาศ
- เครื่องพ่นสี
- ไมโครโฟนแบบตัวเก็บประจุ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น