แรงไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร
1. การเกิดกระแสไฟฟ้า
สสารทุกชนิดในโลกนี้จะประกอบด้วยโมเลกุล ซึ่งโมเลกุลก็จะประกอบด้วยอะตอมหลาย ๆ อะตอม ในหนึ่งอะตอมจะประกอบด้วย 2 ส่วนคือ (1) ส่วนที่อยู่ตรงกลางของอะตอมเรียกว่า นิวเคลียส (Nucleus) ประกอบด้วย โปรตอน และนิวตรอน โปรตอนจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ส่วนนิวตรอนจะมีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง และ (2) อิเล็กตรอน จะวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส ซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ
การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่ง ถ้าเป็นไปในทิศทางสะเปะสะปะจะไม่ก่อให้เกิดผลทางไฟฟ้าเพราะประจุที่เกิดขึ้นจะหักล้างกันแต่ถ้าเราทำให้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่งให้มีทิศทางเดียวกันจะก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นมา
ขดลวดหลอดไฟฟ้า
(ที่มา https://pixabay.com/)
จำนวนชั้นวงโคจรของธาตุต่างๆ จะมีไม่เท่ากันขึ้นอยู่กับจำนวนอะตอมของธาตุนั้น ๆ ว่ามีมากน้อยเท่าใด อิเล็กตรอนในวงในสุดมีโอกาสที่จะหลุดออกจากวงโคจรได้ยากเพราะมีแรงดึงดูดระหว่างประจุบวกของโปรตอนมากส่วนอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุดมีโอกาสหลุดเป็นอิสระได้ง่ายซึ่งอิเล็กตรอนในชั้นนี้เรียกว่า วาเลนซ์อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่มีความสำคัญที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้า เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่งอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่งเป็นอิเล็กตรอนวงนอกสุดหรือวาเลนซ์อิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนวงนี้สามารถหยุดเป็นอิสระได้ง่ายเนื่องจากเมื่อมีแรงหรือพลังงานที่มีขนาดมากพอ พลังงานที่อิเล็กตรอนวงนี้ได้รับก็จะกระจายไปให้กับอิเล็กตรอนทุกตัวที่อยู่ในชั้นนี้ถ้าธาตุใดมีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดน้อย เช่น 1 หรือ 2 ตัว แรงหรือพลังงานที่ได้รับก็จะมากทำให้หลุดเป็นอิสระได้ง่าย แต่ถ้าธาตุใดมีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดมากเมื่อมีแรงหรือพลังงานมากระทำอิเล็กตรอนทุกตัวก็จะเฉลี่ยรับแรงหรือพลังงานทำให้แรงหรือพลังงานลดลงอิเล็กตรอนก็จะไม่หลุดหรือเคลื่อนที่ไปยังอะตอมอื่น ฉะนั้นธาตุใดที่มีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดน้อยจะสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ง่ายซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นตัวนำไฟฟ้าและพวกที่มีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดมากส่วนใหญ่จะเป็นฉนวนไฟฟ้า
ภาพที่ 1 การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ
(ที่มา : https://goo.gl/images/6n7mnU)
แรงระหว่างประจุไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ แรงผลัก และ แรงดูด กล่าวคือ ประจุเหมือนกันจะออกแรงผลักกัน ประจุต่างกันจะออกแรงดึงดูดกัน
2. แรงไฟฟ้าและสนามไฟฟ้า
2.1 การทำให้เกิดประจุไฟฟ้าโดยการขัดสี
เมื่อนำวัตถุต่างชนิดกันที่เหมาะสมมาขัดสีกัน วัตถุทั้งสอง ต่างเกิดประจุไฟฟ้าบนผิวของวัตถุ และวัตถุทั้งสอง ต่างแสดงอำนาจไฟฟ้าดูดของเบา ๆ ได้ ในวันที่มีอากาศแห้ง ๆ ทดลองถูหวีพลาสติก ด้วยผ้าแพรอย่างแรงหลาย ๆ ครั้ง แล้วนำหวีนั้นไปล่อใกล้ชิ้นกระดาษเล็กๆ จะพบว่าหวีดูดชิ้นกระดาษได้ แสดงให้เห็นชัดว่าขณะนี้หวี มีประจุไฟฟ้าขึ้นและแสดงอำนาจไฟฟ้าออกมาได้ จากผลการทดลองเราทราบว่า ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนหวีและบนแพรเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน สำหรับวัตถุต่างชนิดคู่อื่น ๆ ที่เหมาะสม ให้ผลเช่นเดียวกัน
2.2 ชนิดของประจุไฟฟ้า แรงกระทำที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้า
ทดลองนำผ้าแพรถูกับแก้วผิวเกลี้ยงสองแท่ง แล้วนำแท่งแก้วทั้งสองขึ้นแขวนไว้ใกล้ ๆ กัน จะปรากฏว่าแท่งแก้วทั้งสองเบนหนีออกจากกัน แสดงว่าเกิดมีแรงผลักระหว่างแท่งแก้วทั้งสอง นาแท่งแก้วผิวเกลี้ยงชนิดเดียวกันอีกคู่หนึ่งถูด้วยขนสัตว์ แล้วนำขึ้นแขวนเช่นเดียวกัน จะปรากฏว่าแท่งแก้วคู่นี้ผลักกัน และเบนห่างจากกันแต่ถ้านำแท่งแก้วที่ถูด้วยผ้าแพร จากคู่แรกมาหนึ่งแท่ง แขวนคู่กับอีกหนึ่งแท่งจากคู่หลังที่ถูด้วยขนสัตว์แล้ว จะปรากฏว่าแท่งแก้วทั้งสองเบนเข้าหากัน แสดงว่าแท่งแก้วคู่นี้ดูดกัน เมื่อทาการทดลองซ้ำหลายครั้งก็จะปรากฏผลเช่นเดียวกัน
จากผลการทดลองแสดงว่า ประจุไฟฟ้าที่เกิดบนแท่งแก้วคู่แรกต้องเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดี่ยวกันเพราะต่างถูด้วยแพรด้วยกัน และประจุไฟฟ้าที่เกิดบนแท่งแก้วคู่หลังก็เป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันเพราะต่างถูด้วยชนสัตว์เช่นเดียวกัน โดยทีแท่งแก้วคู่แรกผลักกันและแท่งแก้วคู่หลังผลักกัน แต่แท่งแก้วจากคู่แรกและจากคู่หลังดูดกันย่อมแสดงว่า ประจุไฟฟ้าบนแท่งแก้วคู่แรกและคู่หลังต้องเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน แม้ว่าจะทดลองใช้วัตถุคู่อื่นๆที่เหมาะสม ก็จะให้ผลทานองเดียวกัน จึงสรุปผลได้ว่า ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการขัดสีมีต่างกันอยู่สองชนิดเท่านั้นจึงได้กำหนดชนิดประจุไฟฟ้า โดยเรียกประจุไฟฟ้าชนิดหนึ่งว่า ประจุไฟฟ้าบวก (positive charge) และเรียกประจุไฟฟ้าอีกชนิดหนึ่งว่า ประจุไฟฟ้าลบ (negative charge)
(1) ประจุไฟฟ้าบวก คือ ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นแท่งแก้วผิวเกลี้ยง ภายหลังที่นามาถูด้วยผ้าแพร
(2) ประจุไฟฟ้าลบ คือ ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนแท่งอีโบไนต์ (ebonite) ภายหลังที่นามาถูด้วยขนสัตว์ หรือสักหลาด
ภาพที่ 2 การเกิดประจุไฟฟ้าเมื่อนำแท่งอำพันถูบนผ้าขนสัตว์
(ที่มา : https://goo.gl/images/fKi1nK)
ดังนั้น ประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันย่อมผลักกัน แต่ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันย่อมดูดกัน
แหล่งที่มา
นันทนา ดิษสวน.สนุกกับแม่เหล็กและแรงไฟฟ้า. สืบค้นเมื่อวันที่ 23 ตุลาคม 2560. จาก
http://innovation.kpru.ac.th/web18/551121811/innovation/index.php/5
ไพฑูรย์ กุลพันธ์, เดชอุดม.ไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร. สืบค้นเมื่อวันที่ 23 ตุลาคม 2560.จาก
https://www.nectec.or.th/schoolnet/library/create-web/10000/science/10000-4564.html
และ
https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7886-2018-02-27-03-49-23
