กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
กฎของคูลอมน์
นักเรียนรู้ไหมว่าใครเป็นคนวัดค่าคงที่ G คนที่วัดค่าคงที่ G คือ Cavendish
Coulomb ทำการวัดแรงระหว่างประจุในปี ค.ศ. 1785 โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า เครื่องชั่งการบิด ( torsion balance ) ใช้วัดแรงไฟฟ้าระหว่างประจุทั้งสอง
เมื่อประจุ Q1 ถูกดันออกจาก Q2 ทำให้เส้นใยสังเคราะห์บิดไปจนนิ่ง เมื่อแรงผลักถูกชดเชยโดยแรงคืนตัวของเส้นใยสังเคราะห์ที่บิด จากหลักการนี้ Coulomb สามารถวัดแรงเป็นฟังก์ชันของระยะทางระหว่างประจุ Q1 และ Q2 ได้ ในทำนองเดียวกัน Coulomb ยังสามารถวัดแรงดึงดูดได้อีกด้วย
เมื่อประจุ Q1 และ Q2 คงที่, Coulomb ค้นพบว่า ขนาดของแรงไฟฟ้า แปรผันตรงกับ ส่วนกลับ ของระยะทางระหว่างประจุทั้งสองยกกำลังสอง
การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าไม่ใช่เป็นการสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยที่ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณาจะเท่าเดิม
เสมอ นี่คือกฎมูลฐานกฎหนึ่งของฟิสิกส์ที่มีชื่อว่า กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
– ผ้าสักหลาดที่ถูกับแผ่นพีวีซี กับผ้าสักหลาดที่ถูกับแผ่นเปอร์สเปกซ์ จะมีประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกัน
– เมื่อนำแผ่นโลหะที่เป็นกลางทางไฟฟ้าวางบนขวดพลาสติกฝาโค้งให้หมุนได้อย่างอิสระ แล้วนำแผ่นพีวีซีที่ถูด้วยผ้าสักหลาดไปใกล้จนเกิดการแตะ หลังสัมผัสแผ่นโลหะเคลื่อนเข้าหรือออกอย่างไร เพราะเหตุใด จำนวนและชนิดของประจุก่อนและหลังเปลี่ยนแปลงอย่างไร
– เมื่อใช้แผ่นพีวีซีวางแทนแผ่นโลหะ แล้วนำแผ่นพีวีซีที่ถูด้วยผ้าสักหลาดมาเข้าใกล้ผลจะเหมือนหรือต่างกันอย่างไร จำนวนและชนิดของประจุก่อนและหลังเปลี่ยนแปลงอย่างไร
จากกิจกรรมเราอาจสรุปได้ว่า วัตถุที่ได้รับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแล้วอิเล็กตรอนนั้นยังคงอยู่ ณ บริเวณเดิมต่อไป
วัตถุนั้นเป็นฉนวนไฟฟ้า หรือเรียกสั้นๆว่า ฉนวน นั่นคืออิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายโอนให้แก่วัตถุที่เป็นฉนวนจะไม่เคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งในเนื้อวัตถุ หรืออาจกล่าวได้ว่า ในฉนวน ประจุไฟฟ้าจะถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่งได้ยาก แต่วัตถุใดได้รับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแล้ว อิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายโอนสามารถเคลื่อนที่กระจายไปตลอดเนื้อวัตถุได้ง่าย คืออิเล็กตรอนมีอิสระในการเคลื่อนที่ในวัตถุนั้น เรียกวัตถุที่มีสมบัติเช่นนั้นว่า ตัวนำไฟฟ้า หรือเรียกสั้นๆว่า ตัวนำ
ในการทำกิจกรรม 15.1 ถ้าใช้แผ่นอะลูมิเนียมหรือโลหะ แทนแผ่นเปอร์สเปกซ์หรือแผ่นพีวีซี แล้วนำมาถูด้วยผ้าสักหลาด จะพบว่าเนื่องจากแผ่นโลหะเป็นตัวนำ ประจุที่เกิดขึ้นในบริเวณที่ถูกันจะเคลื่อนที่ไปได้ตลอดเนื้อตัวนำ รวมทั้งสามารถถ่ายโอนให้กับวัตถุอื่นได้อย่างรวดเร็ว เช่น ถ่ายโอนให้แก่มือที่มาสัมผัส ดังนั้นแผ่นอะลูมิเนียมหรือตัวนำจะเป็นกลางททางไฟฟ้าตลอดเวลา เพราะเมื่อเกิดประจุบนตัวนำ ประจุนั้นจะถ่ายโอนสู่มือที่จับจนหมด
เมื่อประจุ Q1 และ Q2 คงที่, Coulomb ค้นพบว่า ขนาดของแรงไฟฟ้า แปรผันตรงกับ ส่วนกลับ ของระยะทางระหว่างประจุทั้งสองยกกำลังสอง
(1)
Coulomb ทำการทดลองอีกชุดหนึ่ง พบว่า เมื่อระยะทางระหว่างประจุทั้งสองคงที่แล้ว ขนาดของแรงไฟฟ้า แปรผันตรงกับผลคูณประจุ Q1 ของวัตถุหนึ่งกับประจุ Q2 ของวัตถุอีกอันหนึ่ง
(2)
ให้นักเรียนนำสมการ (1) และ (2) มารวมกันเป็นสมการทั่วไปสำหรับแรงระหว่างประจุทั้งสอง
(3)
โดยที่ และ เป็นค่าประจุทั้งสอง
R เป็นระยะทางระหว่างประจุทั้งสอง
Kc เป็นค่าคงที่ = 8.99 x 109 N-m2/c2
เรียกว่า Coulomb’s law อ่านว่า กฎของคูลอมบ์
ตัวแปร R2 ในตัวส่วนเป็นคำกล่าวของ inverse-square law ( กฎกำลังสองผกผัน )
