ประจุไฟฟ้า (Electric charge)

ประจุไฟฟ้า (Electric charge) ประจุไฟฟ้าคือ ตัวการที่ทาให้เกิดอานาจไฟฟ้า ( แรงดูด )

ทาลิส ( Thales ) นักปราชญ์ชาวกรีกนาแท่งอาพันมาถูกกับผ้าขนสัตว์ แท่งอาพันสามารถดูดวัตถุเบาๆได้ เช่น ขนนก อานาจที่เกิดขึ้นนี้ได้ถูกเรียกว่า อานาจไฟฟ้า

อำนาจไฟฟ้า ( Electricity )

ความสามารถแสดงแรงดึงดูดต่อวัตถุต่าง ๆ ได้ อำนาจทางไฟฟ้าเรียกสั้น ๆ ว่า ไฟฟ้า ตรงกับภาษาอังกฤษว่า Electricity มาจากคาว่า Elektron ในภาษากรีก ซึ่งหมายถึงอาพันอาพัน ( Amber ) คือยางสนที่แข็งตัวจนเกือบกลายเป็นหิน มีลักษณะคล้ายพลาสติกโปร่งแสง มีสีน้าตาลแกมแดง สามารถขัดให้ขึ้นเงาได้ง่าย นิยมทาเป็นเครื่องประดับ มีมากในประเทศเยอรมัน และโปแลนด์ เกิดจากต้นสนทับถมกันจมดินจมทรายมานานนับพันนับหมื่นปี อาพันมีความแข็ง 6 ( เพชรซึ่งแข็งที่สุดมีความแข็ง 10 )

สาเหตุที่ทำให้วัตถุเกิดประจุไฟฟ้าอิสระย่อมทำได้ 3 วิธี

1. การขัดสีกันของวัตถุที่เหมาะสม 2 ชนิด และประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนผิววัตถุคู่หนึ่ง ๆ จะเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันเสมอ ได้มีการทำบัญชีของวัตถุที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตโดยการขัดสี โดยเรียงตามลำดับการขัดสี ดังนี้

1. ขนสัตว์ 11. แก้วผิวขรุขระ

2. ขนแกะ หรือผ้าสักหลาด 12. ผิวหนัง

3. ไม้ 13. โลหะต่าง ๆ

4. เชลแลค 14. ยางอินเดีย

5. ยางสน 15. อำพัน

6. ครั่ง 16. กำมะถัน

7. แก้วผิวเกลี้ยง 17. อิโบไนต์

8. ผ้าฝ้าย หรือสำลี 18. ยาง

9. กระดาษ 19. ผ้าแพร ( Amalgamated )

10. ผ้าแพร 20. เซลล์ลูลอยด์

การขัดสีกันของวัตถุ 2 ชนิด หลังการขัดสี

– วัตถุหมายเลขน้อย มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก

– วัตถุหมายเลขมาก มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ

2. การเหนี่ยวนำ ทำได้โดย นำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่แล้วมาทำการเหนี่ยวนำ ซึ่งทำให้ตัวนำเกิดประจุอิสระด้วยการเหนี่ยวนำ สรุปได้ว่า

ก. ประจุไฟฟ้าอิสระที่ตัวนำได้รับจะเป็นประจุไฟฟ้าชนิดตรงกันข้ามกับชนิดของประจุไฟฟ้าบนวัตถุที่ใช้ เหนี่ยวนำ

ข. วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าที่ใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำไม่สูญเสียประจุไฟฟ้าไปเลย

3. การสัมผัส โดยการนำวัตถุตัวนำอื่นที่มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่แล้วมาสัมผัสกับตัวนำที่เราต้องการ จะให้เกิดประจุอิสระ การกระทำเช่นนี้เกิดการถ่ายเทประจุเท่ากัน ตามทฤษฎีอิเล็กตรอน การถ่ายเทประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน การเกิดประจุไฟฟ้าอิสระด้วยการสัมผัส สรุปได้ดังนี้

ก.ประจุไฟฟ้าอิสระที่ตัวนำได้รับจะเป็นประจุชนิดเดียวกันกับชนิดของประจุไฟฟ้าบนตัวนำที่นำมาสัมผัสเสมอ

ข. เมื่อสัมผัสกันแล้วตัวนำทั้งสองจะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน

ค. ประจุไฟฟ้ารวมทั้งหมดบนตัวนำทั้งสองภายหลังสัมผัสกันแล้วจะมีจำนวนเท่ากับประจุไฟฟ้าทั้งหมดก่อนสัมผัสกัน

ชนิดของประจุไฟฟ้า

1. ประจุไฟฟ้าบวก ( Positive charge ) คือ วัตถุที่ได้สูญเสียอิเล็กตรอนไป

2. ประจุไฟฟ้าลบ ( Negative charge ) คือ วัตถุที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่ม

วัตถุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนเท่ากันจะไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้า เรียกว่า วัตถุที่เป็นกลาง ทางไฟฟ้า

ทฤษฎีที่ใช้ในปัจจุบัน คือทฤษฎีอิเล็กตรอน กล่าวว่า วัตถุทุกชนิดย่อมประกอบอะตอม เป็นจำนวน

มากมาย และแต่ละอะตอมประกอบอนุภาคมูลฐานหลายชนิด เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน เป็น

องค์ประกอบที่สำคัญของอะตอม

ปกติอะตอมของธาตุย่อมเป็นกลาง คือ ไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า อธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าจะอธิบายโดยใช้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นหลัก โปรตอนหลุดจากนิวเคลียสได้ยาก ส่วนอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่หลุดออกจากนิวเคลียสได้ง่ายกว่า เมื่ออิเล็กตรอนที่หลุดจากอะตอมใดที่เป็นกลาง เข้าสู่อะตอมที่เป็นกลาง อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจึงจะแสดงอำนาจไฟฟ้าบวก ส่วนอะตอมอื่นที่เป็นกลางเมื่อได้รับอิเล็กตรอนจะแสดงอำนาจไฟฟ้าลบ

ชนิดของแรงระหว่างประจุไฟฟ้า

1. แรงระหว่างประจุไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ แรงดูดกับแรงผลัก

2. ประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันจะผลักกัน ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันจะดูดกัน

3. วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะดูดวัตถุที่เป็นกลางเสมอ

4. แรงกระทำบนวัตถุ เป็นแรงต่างร่วม คือ แรงที่กระทำซึ่งกันและกัน และมีค่าเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงประจุทั้งสองเท่ากันหรือไม่ก็ตาม

กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า

วัตถุชิ้นหนึ่ง ๆ ประกอบด้วยอะตอมจำนวนมากมาย

อะตอม ประกอบด้วย

1. นิวเคลียส ประกอบด้วย

– โปรตอน ประกอบอนุภาคที่มีประจุบวก

– นิวตรอน ประกอบด้วยอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า

2. อิเล็กตรอน ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสด้วยพลังงานในการ

เคลื่อนที่ค่าหนึ่งและมีมวลน้อย สามารถหลุดออกจากอะตอมหนึ่งไปสู่อะตอมหนึ่งได้

สรุป

การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า ไม่ใช่การสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งเท่านั้น โดยที่ผลรวมของประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณายังคงเท่าเดิม ซึ่งข้อสรุปนี้คือ กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า นั่นเอง

ตัวนำและฉนวน ( Conductor and Insulator )

ตัวนำไฟฟ้า คือ วัตถุที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปได้โดยสะดวก เช่น โลหะต่างๆ สารละลายของกรด เบส และเกลือ เป็นต้น

ฉนวนไฟฟ้า คือ วัตถุที่ไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปโดยสะดวก หรือไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านไป เช่น กระเบื้องเคลือบ ยางอิโบไนต์เป็นต้น

เส้นแรงไฟฟ้า

เส้นแรงไฟฟ้า (Lines of Force) หมายถึง เส้นสมมติที่ใช้แสดงทิศทางของสนามไฟฟ้า โดยในการทดลองจะใช้ผงของด่างทับทิมโรยบนแผ่นกระดาษกรอง ที่วางระหว่างขั้วไฟฟ้าพบว่าผงด่างทับทิมจะเคลื่อนที่เป็นเส้น เส้นที่ปรากฏคือเส้นแรงไฟฟ้า

ภาพที่ 1 การทดลองการหาเส้นแรงไฟฟ้า
ที่มา จากการทดลองในห้องปฏิบัติการ ณัฐวิญญ์ สิรเดชธราทิพย์

ซึ่งมีคุณสมบัติของเส้นแรงไฟฟ้า จะพุ่งออกจากประจุบวก เข้าประจุลบ ในการเขียนเส้นแรงไฟฟ้า ให้ถือเกณฑ์ว่า เส้นแรงไฟฟ้าพุ่งออกจากประจุไฟฟ้าบวก เข้าสู่ประจุไฟฟ้าลบ ให้หัวลูกศร ออกจากประจุไฟฟ้าบวก และ หัวลูกศรเข้าสู่ประจุไฟฟ้าลบ

ภาพที่ 2 แสดงเส้นแรงทางไฟฟ้าของประจุบวกและประจุลบ

จากแผนภาพแสดงจะพบว่าเมื่อใช้ขั้วไฟฟ้าต่างกัน จะเห็นเส้นแรงไฟฟ้า พุ่งออกจากขั้วไฟฟ้าบวก เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ จากภาพถ้าประจุทั้ง 2 มีขนาดเท่ากัน เราจะได้ภาพที่เป็น 2 ข้างสมมาตรกันทิศทางของสนามไฟฟ้ามีทิศเดียวกับแรงซึ่งอยู่ในแนวเส้นรัศมีจากประจุ จากภาพประจุ q เป็นบวกสนามไฟฟ้าจึงมีทิศทางพุงออก เหมือนกับเส้นแรงไฟฟ้า

ภาพที่ 3 แสดงทิศทางของสนามไฟฟ้าบนประจุบวก
ที่มา หนังสือ Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics

ภาพที่ 4 เปรียบเทียบเส้นแรงของสนามไฟฟ้าของประจุต่างชนิดที่มีขนาดเท่ากัน
ที่มา หนังสือ Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics

ภาพที่ 5 เส้นแรงของสนามไฟฟ้าของประจุชนิดชนิดเดียวกันที่มีขนาดเท่ากัน
ที่มา หนังสือ Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics

สนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าคือแนวของเส้นสัมผัสกับเส้นแรงไฟฟ้า ดังนั้น สนามไฟฟ้าจะออกจากประจุบวกและเข้าหาประจุลบเหมือนเส้นแรงไฟฟ้า การหาสนามไฟฟ้ารอบๆ จุดประจุที่ตำแหน่งใด ทำได้โดยนำประจุทดสอบ +q ไปวางไว้ที่ตำแหน่งนั้น นอกจากจะมีแรงจากจุดประจุกระทำต่อประจุทดสอบนั้นแล้ว ยังมีแรงที่ประจุทดสอบกระทำต่อจุดประจุด้วย

ภาพที่ 6 เปลวเทียนในสนามไฟฟ้า
ที่มา ภาพจากการทดลองในห้องปฏิบัติการ ณัฐวิญญ์ สิรเดชธราทิพย์

จากภาพการทดลองเราจะเห็นว่าเปลวเทียนเอียงไปอีกด้านหนึ่ง นั่นเป็นเพราะเส้นแรงสนามไฟฟ้าผ่านบริเวณที่จุดเทียนไว้ เมื่อนำไปวางในบริเวณที่มีเส้นแรงไฟฟ้าทำให้เกิดสนามไฟฟ้าผ่านเปลวเทียน จึงมีผลการทดลองดังในภาพ

เราอาจจะลองตอบคำถามสั้น ๆ 2 ข้อ ดังนี้

สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้ามีทิศทางเป็นอย่างไร
สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้ากับแผ่นคู่ขนานมีทิศทางเหมือนหรือต่างกันอย่างไร

จากความรู้เรื่องเส้นแรงไฟฟ้าเราสามารถตอบได้ว่า สนามไฟฟ้าของจุดประจุไฟฟ้ามีทิศทางตั้งฉากกับผิวตัวนำ มีทั้งที่เข้าสู่จุดประจุและพุ่งออกจากจุดประจุแต่เส้นแรงไฟฟ้าของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับผิวตัวนำเสมอ และเส้นแรงไฟฟ้าออกจากขั้วบวก ซึ่งเป็นทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าดังนั้น สนามไฟฟ้าของจุดประจุไฟฟ้ากับสนามไฟฟ้าบนแผ่นคู่ขนานมีทิศทางเหมือนกันโดยเส้นแรงของสนามไฟฟ้าจะต้องตั้งฉากกับผิวของตัวนำเสมอ ทั้งแผ่นคู่ขนานและประจุทรงกลม ดังแสดงในภาพ

ภาพที่ 7 สนามไฟฟ้าบนแผ่นคู่ขนาน
ที่มา หนังสือ Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics