ไฟฟ้าและแม่เหล็ก

การพัฒนาการของหลักการและแนวคิดทางฟิสิกส์ ได้มีการค้นพบแรงต่าง ๆ มากมาย และได้สรุปเป็นแรงพื้นฐานในธรรมชาติ 4 แรง ซึ่งจะได้ศึกษาในบทต่อไป ดังนี้
1) แรงโน้มถ่วง (gravitational force)
2) แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force)
3) แรงเข้ม (strong force)
4) แรงอ่อน (weak force)

แรงโน้มถ่วง( Gravitational Force)

นิวตันไม่ใช่คนแรกที่ค้นพบแรงโน้มถ่วง เรื่องแรงโน้มถ่วงมีการค้นคว้ามาก่อนสมัยของเขา สิ่งที่เขาค้นพบคือค้นพบว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงสากลที่มีทั่วไปทั้งจักรวาล ไม่ได้มีแต่บนโลกของเราอะลิสโตเติลกล่าวว่าการเคลื่อนที่เป็นวงกลมบนท้องฟ้าเกิดขึ้นบนสวรรค์ คนโบราณเข้าใจว่าการเคลื่อนที่ของดวงดาว ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ เคลื่อนที่เป็นวงกลม อิสระจากแรงใดๆ แต่คนโบราณบอกว่าการเคลื่อนที่แบบวงกลมไม่สามารถอธิบายได้ และมีกฎอยู่ 2 อย่างคือกฎที่ควบคุมโลกและกฎความคุมสวรรค์จนกระทั่งเซอร์ ไอแซค นิวตันค้นพบความจริงที่ว่าแรงที่ดึงดูดให้โลก และดวงดาวต่างๆอยู่ด้วยกันได้เนื่องจากแรงโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงนี้เองที่เป็นแรงที่ทำดึงดูดให้ลูกแอปเปิลตกลงมาสู่พื้น นิวตันสร้างความสัมพันธ์ว่าแรงที่โลกดึงดูดแอปเปิล โลกดึงดูดดวงจันทร์ และกับวัตถุอื่นทั้งจักรวาลคือแรงดึงดูดเดียวกัน ซึ่งเราเรียกว่าแรงโน้มถ่วง ดังนั้นกฎของนิวตันจึงเป็นกฎเดียวที่สามารถอธิบายได้บนโลก และทั้งจักรวาล

กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน

ในปี พ.ศ. 2230 ไอแซก นิวตัน ได้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงดังนี้

F	แทนความโน้มถ่วงระหว่างมวลทั้งสอง
G	แทนค่านิจโน้มถ่วงสากล
m1	แทนมวลของวัตถุแรก
m2	แทนมวลของวัตถุที่สอง
r	แทนระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

นั่นคือความโน้มถ่วงแปรผันตรงกับมวล (มวลมากก็มีความโน้มถ่วงมาก) และแปรผกผันกับระยะห่างกำลังสอง (ระยะห่างมากก็มีความโน้มถ่วงน้อย)

ความโน้มถ่วงของโลก

จากกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำกับมวลใดๆ จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างศูนย์กลางมวลของโลกกับศูนย์กลางมวลวัตถุยกกำลังสอง ดังนั้นแรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณต่างๆ จึงมีค่าไม่เท่ากัน และเนื่องจากโลกมีการหมุนรอบตัวเองมีผลทำให้เกิดแรงหนีศูนย์กลาง แรงหนีศูนย์กลางนี้จะหักล้างกับแรงโน้มถ่วงของโลก แรงหนีศูนย์กลางจะมีค่ามากที่สุดบริเวณเส้นศูนย์สูตรและมีค่าน้อยที่สุดบริเวณขั้วโลก ผลของแรงหนีศูนย์กลางนี้ทำให้แรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณเส้นศูนย์สูตรมีค่าน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงของโลกบริเวณขั้วโลกเหนือ นอกจากนั้น โลกก็มิได้เป็นทรงกลมโดยสมบูรณ์ แต่แป้นตรงกลางเล็กน้อยคล้ายผลส้ม ทำให้ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของโลกถึงพื้นผิวโลกแปรผันไปตามละติจูดสำหรับการคำนวณทางวิศวกรรมโดยทั่วไปความเปลี่ยนแปลงของค่าแรงโน้มถ่วงไม่ถือเป็นนัยสำคัญ จึงสามารถใช้ค่าเฉลี่ยของแรงโน้มถ่วงของโลกได้ โดยกำหนดให้ ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก (g) มีค่าเท่ากับประมาณ 9.81(~10) เมตรต่อวินาทีกำลังสอค่าคงที่โน้มถ่วงสากล G (The Universal Gravitational Constant, G)เมื่อมีกฎแรงโน้มถ่วงค่าคงที่โน้มถ่วงสากล G ในตอนแรกถูกสร้างขึ้นมาโดยนิวตัน แต่ยังไม่ทราบว่ามีค่าเท่าไร ถ้ามวลแต่ละอันมีขนาด 1 kg และห่างกัน 1 mจะได้แรงโน้มถ่วงเป็น 0.0000000000667 N ซึ่งเท่ากับค่าคงที่โน้มถ่วงสากล

การทดลองหาค่าคงที่โน้มถ่วงสากล

         หลังจากนิวตันเสียชีวิตไปแล้ว 70 ปี นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เฮนรี่ คาเวนดีช (Henry Cavendish) สามารถวัดค่า G ได้หลังยุคของนิวตันหลายปี ศัตรวรรษที่ 18 เขาวัดค่าแรงโน้มถ่วงอันน้อยนิดได้ด้วยคานที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปรงมากๆและถ่วงคานทั้งสองข้างด้วยลูกตุ้มหนัก 6 ตัน อุปกรณ์ทั้งหมดอยู่ในครอบแก้วแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสองอันวัดได้โดยให้วัตถุตึงดูดกัน ค่า m1 และ m2 ค่าระยะ R ทำให้หาค่าคงที่โน้มถ่วงสากลไกเมื่อค่า G เป็นแรงที่อ่อนมากๆ เป็นแรงพื้นฐานที่อ่อนที่สุด (แรงอีกสามอย่างที่เหลือคือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน)ถ้าเรายืนอยู่ในเรือ แรงโน้มถ่วงระหว่างเรากับเรือก็มีแต่ยังน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงที่เรามีต่อโลก แรงโน้มถ่วงที่เรามีต่อโลกนี้เราสามารถวัดได้นั่นก็คือน้ำหนักของเรานั่นเองน้ำหนักของเราขึ้นอยู่กับมวลของเรา ถ้ามวลมากน้ำหนักก็มาก แต่ถ้าเราขึ้นยานอวกาศออกห่างจากโลกไปเรื่อยๆน้ำหนักของเราจะลดลง จนกระทั่งออกห่างจากโลกมากๆก็จะกลายเป็นสภาวะไร้น้ำหนักถ้าเรารู้ค่า G ก็สามารถวัดค่าน้ำหนักของโลกได้อย่างง่ายดาย แรงโน้มถ่วงของโลกที่มีต่อมวล 1 kgที่ผิวโลก 9.8 N ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางโลก6.4×106

เมื่อค่าคงที่โน้มถ่วง ให้ m1 คือมวล 1 kg และ m2 คือมวลของโลก

สรุปได้ว่ามวลโลกคือ 6.4×106 ในยุคนั้นการวัดค่า Gได้เป็นครั้งแรงทำให้ผู้คนสนใจมาก หนังสือพิมพ์ทุกๆฉบับพาทหัวข่าวเรื่องการวัดมวลของโลก สมการของนิวตันเป็นสมการที่น่าตื่นเต้น ทำให้เรารู้มวลของภูเขา มหาสมุทร และทุกสิ่งทุกอย่างบนโลกใบนี้

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force)

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าคือ 1 ใน 4 แรงพื้นฐานในธรรมชาติ (fundamental interactions in nature)ซึ่งแรงอีก 3 ชนิด ได้แก่ แรงนิวเคลืออย่างอ่อน (weak interaction) แรงนิวเคลืยร์อย่างเข้ม (strong interaction) และความโน้มถ่วง (gravitation) แรงแม่เหล็กไฟฟ้านี้อธิบายด้วยทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเกิดขึ้นจากอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และอันตรกิริยาของอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก ซึ่งเกิดการเหนี่ยวนำระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ายึดอะตอมและโมเลกุลไว้ด้วยกัน

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force) คือแรงที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอนและโปรตอน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เล็กและเบาที่สุดในอะตอม  อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ โปรตอนมีขนาดใหญ่และหนักกว่าอิเล็กตรอนมาก มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โปรตอนถูกอัดแน่นอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมพร้อมกับนิวตรอนที่เป็นกลาง

อิเล็กตรอนสองตัวจะผลักกันเพราะทั้งคู่มีประจุไฟฟ้าลบเหมือนกัน ในลักษณะเดียวกับที่โปรตอนสองตัวผลักกันเพราะทั้งคู่มีประจุไฟฟ้าบวก ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนและโปรตอนดึงดูดกันเพราะประจุต่างกัน แรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส ทำให้อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมเหมือนกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ วงโคจรของอิเล็กตรอนอาจมีเพียงวงเดียวหรือหลายๆ วงก็ได้ ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมของธาตุต่างๆ

ในอะตอม โปรตอนกับนิวตรอนนั้นอยู่นิ่งไม่เคลื่อนที่ ส่วนอิเล็กตรอนสามารถที่จะเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งได้ โดยทั่วไปสสารเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน อะตอมของสสารใดสูญเสียอิเล็กตรอนจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นบวก อะตอมของสสารใดที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นลบ

การที่อะตอมมีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นหรือลดลง เกิดได้หลายวิธี เช่น การขัดสีระหว่างวัตถุต่างชนิดกัน เมื่อนำลูกโป่งมาถูกับเสื้อขนสัตว์ อิเล็กตรอนจากเสื้อขนสัตว์จะถ่ายเทมายังลูกโป่ง เสื้อขนสัตว์จึงมีประจุบวกและลูกโป่งมีประจุลบ เมื่อนำวัตถุสองชนิดที่มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันเข้ามาใกล้กัน จะทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นระหว่างวัตถุทั้งสอง คุณจะเห็นว่าหลังจากถูลูกโป่งกับเสื้อขนสัตว์ไม่นาน ลูกโป่งจะเกาะติดกับเสื้อขนสัตว์ของคุณ

หากไม่มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อะตอมและโมเลกุลจะไม่ก่อตัวขึ้น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจับอิเล็กตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกันในอะตอม และช่วยให้อะตอมสามารถเกาะติดกันเพื่อสร้างโมเลกุลและสารประกอบ และขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี

โดยทั่วไป อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน เนื่องจากเป็นกลางทางไฟฟ้า อะไรทำให้พวกมันเกาะติดกันเพื่อสร้างโมเลกุลที่เสถียร? นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าส่วนที่มีประจุของอะตอมหนึ่งสามารถโต้ตอบกับส่วนที่มีประจุของอะตอมอื่นได้ นั่นคือ อิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งดึงดูดกับโปรตอนของอะตอมใกล้เคียงเพื่อสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าตกค้าง (residual electromagnetic force) สิ่งนี้ทำให้อะตอมต่างๆ สามารถรวมตัวกันเพื่อสร้างโมเลกุล

จะเห็นได้ว่า แรงแม่เหล็กไฟฟ้ารับผิดชอบต่อความแข็งแกร่งของวัตถุที่เป็นของแข็ง และเป็นสาเหตุที่ทำให้วัตถุไม่สามารถทะลุผ่านกันได้ ทำให้คุณนั่งอยู่บนเก้าอี้ได้โดยไม่ร่วงทะลุผ่านเก้าอี้ ดังนั้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้โลกสามารถอยู่ร่วมกันและสร้างสสารที่คุณมีปฏิสัมพันธ์อยู่ตลอดเวลา น่าอัศจรรย์ใช่มั้ย? โครงสร้างทั้งหมดของโลกมีอยู่เพราะแรงแม่เหล็กไฟฟ้า!

โฟตอน

แรงแต่ละชนิดจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแรง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าผ่านการแลกเปลี่ยนโฟตอน (photon) ซึ่งเป็นอนุภาคของแสง โฟตอนไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลเป็นศูนย์ และมีสปิน 1 โฟตอนที่เป็นตัวนำพาแรงนี้เป็นโฟตอนเสมือน (virtual photon) ที่มีอยู่เพียงชั่วครู่และไม่สามารถตรวจจับได้

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรที่มีพลังงานต่ำกว่า (เข้าใกล้นิวเคลียส) อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานและโฟตอนจริง (real photon) ออกมา เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนไปสู่วงโคจรที่มีพลังงานสูงกว่า (ไกลจากนิวเคลียส) อิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงานและโฟตอนจริง โฟตอนจริงเป็นแสงที่มองเห็นได้และตรวจจับได้

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงพิสัยไกลและมีความแข็งแกร่งมาก

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force) อาจเป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลักก็ได้ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงพิสัยไกล ไม่จำกัดระยะ เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงที่แรงที่สุดเป็นอันดับสองในธรรมชาติ รองจากแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แม้นว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความแข็งแกร่งมากเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง โดยแรงกว่าแรงโน้มถ่วง 10³⁶ เท่า แต่ในระดับมหภาค วัตถุขนาดใหญ่ เช่น โลกและดวงจันทร์ มีประจุบวกและประจุลบจำนวนใกล้เคียงกัน