ไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิต อ.วัฒนะ รัมมะเอ็ด

สังเกตสิ่งเหล่านี้ • ฟ้าแลบ ฟ้าผ่าและฟ้าร้อง

เมื่อเราหวีผมแล้วนำหวีมาใกล้กับกระดาษชิ้น เล็กๆก็จะพบว่าหวีสามารถดูดกระดาษได้

แท่งอำพัน มาถูกับ ผ้าขนสัตว์ • จะสามารถดูดของเบาๆ เช่น ฟาง ขนนก ได้

อำพัน (amber) • คือยางสนที่แข็งตัวจนเกือบกลายเป็นหิน มีความแข็ง 6(เพชรซึ่งแข็งสุดมีความแข็ง 10) มีลักษณะคล้ายพลาสติกโปร่งแสง มีสีน้ำตาลแกมแดง สามารถขัดให้เรียบขึ้นเงาได้ง่ายนิยมทำเป็นเครื่องประดับ

ปรากฏการณ์นี้นักปราชญ์ชาวกรีกชื่อทาลีสได้ สังเกตพบ มาก่อนแล้วตั้งแต่ประมาณ 600 ปี ก่อนคริสต์ศักราช Thales (624 –546ก่อนคริสตศักราช) เป็นนักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักปราชญ์ชาวกรีก ผลงานตั้ง ทฤษฎีเรขาคณิตหลายบท

นอกจากนี้ยังมีผู้ศึกษาเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตนอกจากนี้ยังมีผู้ศึกษาเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิต • ธีโอเฟรตัส ( เมื่อ 321ปีก่อนคริสศักราช ) • ไพลนี ( ในคริสศักราชที่ 70 ) • ดร.กิลเบิร์ต ( Dr.Gilbert ) ประมาณ ค.ศ. 1600

ประจุไฟฟ้า (electric charge) • การที่วัตถุสองชนิด เมื่อถูกันแล้วต่างเกิดมีอำนาจดูดของเบาๆได้นั้นเราเรียกว่าวัตถุทั้งสองต่างเกิดมีประจุไฟฟ้า ขึ้น • การกระทำที่ทำให้วัตถุเกิดมีอำนาจไฟฟ้าขึ้นได้ เรียกว่า การชาร์จ(charge) วัตถุ หรือ electrify วัตถุและเมื่อวัตถุนั้นๆหมดอำนาจไฟฟ้าแล้ว เราเรียกว่าวัตถุนั้นเป็นกลาง (neutral)

ทดลองนำแผ่นพีวีซี มาถูด้วยผ้าสักหลาด แล้วนำแผ่นพีวีซีแผ่นหนึ่ง แขวนด้วยเส้นด้ายที่กึ่งกลางแผ่น • โดยให้แผ่นพีวีซีแผ่นนี้วางตัวอยู่ในแนวราบแล้วนำปลายของพีวีซีแผ่นที่เหลือมาจ่อใกล้ๆปลายแผ่นที่แขวนไว้(โดยใช้ปลายที่ถูกถูด้วยผ้าสักหลาดในตอนแรก) จะปรากฏว่าแผ่นพีวีซีทั้งสองเบนหนีออกจากกัน • แสดงว่า เกิดมีแรงผลักระหว่างแผ่นพีวีซีทั้งสอง

เมื่อเปลี่ยนแผ่นพีวีซีเป็นแผ่นเปอร์สเปกซ์ • แล้วทำการทดลอง เช่นเดียวกับแผ่นพีวีซีจะพบว่าแผ่นเปอร์สเปกซ์ที่มีประจุจะผลักแผ่นเปอร์สเปกซ์ ที่มีประจุอีกแผ่น • แต่ถ้านำแผ่นเปอร์สเปกซ์ที่มีประจุเข้าใกล้แผ่นพีวีซีที่มีประจุซึ่งแขวนอยู่จะปรากฏว่าแผ่นพีวีซีเบนเข้าหาแผ่นเปอร์สเปกซ์ แสดงว่าแผ่นพีวีซีและแผ่นเปอร์สเปกซ์ที่มีประจุ เกิดมีแรงดึงดูดกัน

ประจุไฟฟ้ามีอยู่เพียง 2 ชนิด • ประจุไฟฟ้าบวก (Positive charge) หรือเรียกสั้นๆว่า ประจุบวก (+) เป็นประจุที่เกิดบนแท่งแก้วเมื่อถูกถูด้วยผ้าไหม - ประจุไฟฟ้าลบ (Negative charge) หรือเรียกสั้นๆ ว่า ประจุลบ (- ) เป็นประจุที่เกิดบนแท่งอำพัน เมื่อถูด้วยผ้าด้วยผ้าขนสัตว์

แรงกระทำที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้า แบ่งได้ 2 ชนิด • แรงดึงดูดกัน เป็นแรงกระทำระหว่างประจุต่าง ชนิดกัน • แรงผลักกัน เป็นแรงกระทำระหว่างประจุชนิด เดียวกัน

ประจุเหมือนกันเกิดแรงผลักกันประจุเหมือนกันเกิดแรงผลักกัน ประจุต่างกันเกิดแรงดึงดูดกัน

แผ่นเปอร์สเปกซ์ Perspex • เป็นสารสังเคราะห์ประเภทพลาสติกอีกชนิดหนึ่ง มีลักษณะโปร่งใสแข็งแต่มีน้ำหนักเบา

กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า(Conservation of Charge) การที่แผ่นพีวีซีและแผ่นเปอร์สเปกซ์ ก่อนนำมาถูกับผ้าสักหลาด ไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า แต่หลังจากถูกับผ้าสักหลาดแล้ว แสดงอำนาจไฟฟ้าออกมา คำอธิบายของปรากฏการณ์ที่ว่านี้ต้องอาศัยทฤษฎีเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม

กล่าวคือ วัตถุทุกชนิดย่อมประกอบด้วยอะตอม(atom) จำนวนมากแต่ละอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสเป็นแกนกลาง ภายในนิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวกเรียกว่าโปรตรอน (proton) และอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเรียกว่านิวตรอน(neutron) นอกนิวตรอน มีอนุภาคที่เป็นประจุลบเรียกว่า อิเล็คตรอน(electron)เคลื่อนที่รอบนิวเคลียสด้วยพลังงานในการเคลื่อนที่ค่าหนึ่ง อิเล็กตรอนมีมวลน้อยกว่ามวลของนิวเคลียสมาก สามารถหลุดออกจากอะตอมหนึ่งได้ ถ้าได้รับพลังงานมากพอ ประจุและมวลของอนุภาคทั้งสามในอะตอม คือ

โปรตอน(p) มีประจุ +1.6 x 10-19 C มีมวล 1.67 x 10-27 kg อิเล็คตรอน(e) มีประจุ -1.6 x 10-19 C มีมวล 9.1 x 10-31 kg นิวตรอน(n)เป็นกลาง มีมวล 1.67 x 10-27 kg

โดยปกติอะตอมของธาตุจะเป็นกลางทางไฟฟ้า เพราะว่าในภาวะปกติอะตอมมีจำนวนโปรตอนและจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่ถ้าเมื่อใดที่จำนวนอนุภาคทั้งสองไม่เท่ากัน วัตถุนั้นจะแสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา

โดยจะแสดงความเป็นประจุบวกเมื่อมีจำนวนโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน แต่ถ้าจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนวัตถุจะแสดงอำนาจทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ การแสดงอำนาจความเป็นประจุขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง

จึงสรุปได้ว่า อะตอมใดที่เสียอิเล็กตรอนไปจะมีประจุลบลดลง ทำให้วัตถุนั้นแสดงอำนาจเป็นบวก ส่วนอะตอมใดที่รับอิเล็กตรอน จะมีประจุลบเพิ่มขึ้นอะตอมนั้นวัตถุนั้นจะแสดงอำนาจเป็นประจุลบ

การที่วัตถุมีประจุไฟฟ้าไม่ใช่การสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งเท่านั้น โดย ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณายังคงเท่าเดิมซึ่งเราเรียกว่า กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า

ตัวนำไฟฟ้า (Conductor) คือ วัตถุที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปได้สะดวกตลอดเนื้อวัตถุได้ง่าย เช่น โลหะต่างๆ สารละลายของกรดเบส และเกลือ เป็นต้น

ฉนวนไฟฟ้า (Insulator) คือ วัตถุที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปได้ไม่สะดวกหรือไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านไปได้ เช่น ยาง กระเบื้องเคลือบ แก้ว เป็นต้น

ตาราง 1 แสดงตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้าบางชนิด

การทำให้วัตถุตัวนำเกิดประจุการทำให้วัตถุตัวนำเกิดประจุ 1. การขัดถู 2. การสัมผัส (แตะ) 3. การเหนี่ยวนำไฟฟ้า

การขัดถู คือ การนำวัตถุต่างชนิดมาถูกัน เช่น นำผ้าสักหลาด มาถูกับแผ่นพีวีซี งานของแรงที่ใช้ถูหรืองานของแรงเสียดทานระหว่างวัตถุทั้งสองจะทำให้อิเล็กตรอนในวัตถุทั้งสองมีพลังงานสูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนจากวัตถุหนึ่งหลุดออกไปอยู่บนอีกวัตถุหนึ่ง

วัตถุที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้าไปจะมีประจุลบ • ส่วนวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนไปจะมีประจุบวก • มีการจัดทำบัญชีของวัตถุบางชนิดที่ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าโดยการขัดถูไว้ โดยเรียงลำดับของการขัดถูไว้ดังตาราง2

ตาราง 2 แสดงลำดับรายชื่อ สารที่นำมาถูกัน 1.ขนสัตว์11.แก้วผิวขรุขระ 2.ขนแกะหรือสักหลาด 12.ผิวหนัง 3.ไม้ 13.โลหะต่างๆ 4.เชลแลค (shellac) 14.ยางอินเดีย (India rubber) 5.ยางสน 15.อำพัน 6.ครั่ง 16.กำมะถัน 7.แก้วผิวเกลี้ยง 17.อิโบไนต์ (ebonite) 8.ผ้าฝ้าย หรือสำลี 18.ยาง Gutta-perchta 9.กระดาษ 19.ผ้าแพร Amalgamated 10.ผ้าแพร 20.เซลลูลอยด์ (Celluloid)

จากตาราง 2 เมื่อนำวัตถุที่มีหมายเลขน้อยมาถูกับวัตถุที่มีหมายเลขมากกว่า • วัตถุที่มีหมายเลขลำดับน้อยกว่าจะปรากฏมีประจุไฟฟ้าบวก(+) • ส่วนวัตถุที่มีหมายเลขลำดับมากกว่าจะปรากฏมีประจุไฟฟ้าลบ (- ) • เช่น นำผ้าสักหลาด(หมายเลข 2) ถูกับแก้วผิวเกลี้ยง (หมายเลข 7 ) จะปรากฏว่า ผ้าสักหลาดมีประจุไฟฟ้าบวก (+) ส่วนแก้วผิวเกลี้ยงมีประจุไฟฟ้าลบ (- )

แต่ถ้านำแก้วผิวเกลี้ยง (หมายเลข 7 ) ไปถูกับผ้าฝ้าย (หมายเลข 8 ) แล้ว จะทำให้แก้วผิวเกลี้ยงมีประจุไฟฟ้าบวก (+) ส่วนผ้าฝ้ายจะมีประจุไฟฟ้าลบ (- )

ข้อควรระวัง กรณีที่นำวัตถุตัวนำมาขัดถูเพื่อให้เกิดประจุไฟฟ้านั้นต้องมีด้ามจับเป็นฉนวนไฟฟ้า หรือหุ้มปลายข้างที่ถือด้วยฉนวนไฟฟ้า หรือวางบนฉนวนไฟฟ้า เพื่อป้องกันการถ่ายเทประจุระหว่างวัตถุตัวนำกับร่างกาย

การสัมผัส(แตะ) คือ การนำวัตถุที่มีประจุอิสระอยู่แล้วมาสัมผัสกับวัตถุที่เดิมเป็นกลางจะทำให้วัตถุที่เป็นกลางนี้มีประจุไฟฟ้าอิสระ

การสัมผัสนั้นอาจสรุปได้ว่าการสัมผัสนั้นอาจสรุปได้ว่า 1.ประจุไฟฟ้าอิสระจะเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันกับชนิด ของประจุไฟฟ้าตัวนำที่นำมาสัมผัสเสมอ 2.การถ่ายเทประจุเป็นการถ่ายเทอิเล็กตรอนเท่านั้น และ การถ่ายเทจะสิ้นสุดเมื่อศักย์ไฟฟ้าบนวัตถุที่แตะกันมีค่า เท่ากัน

3. ประจุไฟฟ้าอิสระบนตัวนำทั้งสองที่นำมาแตะกัน ภายหลังการแตะจะมีจำนวนเท่ากันหรืออาจไม่เท่ากันก็ได้ ทั้งนี้จะอยู่กับประจุไฟฟ้าของตัวนำทั้งสอง 4. ประจุไฟฟ้ารวมทั้งหมดบนตัวนำทั้งสองภายหลังการแตะ จะมีจำนวนเท่ากับประจุไฟฟ้าทั้งหมดก่อนแตะกัน

การเหนี่ยวนำไฟฟ้า (Electric induction) • คือ การนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าเข้าใกล้วัตถุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าจะทำให้เกิดประจุชนิดตรงข้ามบนตัวนำด้านที่ใกล้วัตถุ

เมื่อนำวัตถุ A ซึ่งมีประจุบวก มาวางใกล้ตัวนำวัตถุ Bที่เป็นกลางซึ่งถูกผูกแขวนด้วยด้าย ดังรูป 4 แรงจากประจุบวกบนวัตถุ Aจะส่งมากระทำต่ออิเล็กตรอนบนผิววัตถุตัวนำ Bทำให้ผิววัตถุ Bด้านที่อยู่ใกล้วัตถุ Aมีอิเล็กตรอน มากกว่าด้านที่อยู่ไกลวัตถุ Aทำให้ผิววัตถุ Bด้านที่อยู่ใกล้วัตถุ Aมีประจุลบ ส่วนด้านที่อยู่ไกล มีประจุบวก

อิเล็กโทรสโคป (Electroscope) เป็นเครื่องมือสำหรับตรวจสอบประจุไฟฟ้าสถิต ซึ่งในชั้นนี้จะศึกษาเพียง 2 ชนิด คือ 1.อิเล็กโทรสโคปลูกพิท(pith ball electroscope) 2.อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะ ( leaf electroscope)

อิเล็กโทรสโคปลูกพิท (pith ball electroscope) เป็นอิเล็กโทรสโคปแบบง่าย ประกอบด้วยลูกกลมเล็กเล็กๆ ทำด้วยไส้ไม้โสนหรือไส้หญ้าปล้อง หรือโฟมฉาบด้วยโลหะ ซึ่งมีน้ำหนักเบามาก ตัวลูกกลม แขวนด้วยเส้นด้ายหรือไหมเส้นเล็กๆ ไว้ในแนวดิ่งจากปลายเสาที่ตั้งอยู่บน แท่นฉนวนไฟฟ้าดังรูป

ขั้นตอนในการใช้อิเล็กโทรสโคปลูกพิทตรวจสอบวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าหรือไม่ถ้ามีประจุจะเป็นประจุชนิดใดขั้นตอนในการใช้อิเล็กโทรสโคปลูกพิทตรวจสอบวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าหรือไม่ถ้ามีประจุจะเป็นประจุชนิดใด 1. ทำให้ลูกพิทเป็นกลางทางไฟฟ้า โดยการต่อลงดิน หรือใช้มือสัมผัส 2. นำวัตถุที่ต้องการตรวจสอบว่ามีประจุหรือไม่มาวางใกล้ๆลูกพิท แล้วสังเกตการเบี่ยงเบนของลูก พิท

3. วิธีการตรวจสอบชนิดของประจุบนวัตถุ Aโดยให้ประจุที่ทราบชนิดแล้วให้แก่ลูกพิทแล้วนำวัตถุที่ต้องการตรวจสอบมาวางใกล้ๆลูกพิทอีกครั้ง แล้วสังเกตการเบนของลูกพิท

อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะ ( leaf electroscope) อิเล็กโทรสโคปชนิดนี้ประกอบด้วยแท่งโลหะด้านบนเชื่อมติดกับจานโลหะชนิดเดียวกัน ซึ่งมักใช้อะลูมิเนียม ปลายล่างแท่งโลหะมีแผ่นโลหะ (อะลูมิเนียม) บางๆ ติดไว้ โดยแท่งโลหะถูกเสียบและยึดไว้โดยกระบอกพลาสติก หรือขวดแก้ว ดังรูป

ในการใช้อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะนี้จะสังเกตจากการกางของแผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคป คือเมื่อนำวัตถุที่มีประจุมาใกล้จานโลหะของอิเล็กโทรสโคป แผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปจะกางออก

ขั้นตอนในการใช้อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะเพื่อตรวจสอบวัตถุว่ามีประจุไฟฟ้าหรือไม่ถ้ามีประจุจะเป็นประจุชนิดใดขั้นตอนในการใช้อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะเพื่อตรวจสอบวัตถุว่ามีประจุไฟฟ้าหรือไม่ถ้ามีประจุจะเป็นประจุชนิดใด • ทำให้แผ่นโลหะเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยการต่อลงดินหรือใช้มือสัมผัสที่จานโลหะด้านบนเสียก่อนสังเกตแผ่นโลหะจะหุบติดแกน แสดงว่าเป็นกลางแล้ว 2. นำวัตถุที่ต้องการตรวจสอบประจุมาวางใกล้ๆจานโลหะแล้วสังเกตการณ์กางของแผ่น

3. ให้ประจุที่ทราบชนิดแก่จานโลหะด้านบน แล้วนำวัตถุที่ต้องการตรวจสอบชนิดของประจุมาวางใกล้ๆจานโลหะอีกครั้ง แล้วสังเกตการกางหรือหุบของแผ่นโลหะด้านล่าง

6. การกระจายของประจุ คำถาม ถ้าวัตถุหนึ่งมีประจุไฟฟ้า การกระจายของประจุบนวัตถุนั้นจะมีลักษณะอย่างใดขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุนั้นเช่นอย่างไร

วัตถุที่เป็นฉนวน เมื่อทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้น ณ ส่วนใดของวัตถุที่เป็นฉนวนประจุก็จะปรากฏอยู่แต่เฉพาะส่วนนั้น จะไม่กระจายไปสู่ส่วนอื่นๆ ทั้งนี้เพราะสมบัติของฉนวน ประจุจะถ่ายเทได้ไม่สะดวก Charge on Insulators Plastic Ball

ไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิต

Presentation Transcript

ไฟฟ้าสถิต Electrostatics

ไฟฟ้าสถิต