ประจุไฟฟ้า (Charge)

ไฟฟ้าสถิต(Electrostatic)

ไฟฟ้าสถิต (Static electricity หรือ Electrostatic Charges) 

เป็นปรากฏการณ์ที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากัน ปกติจะแสดงในรูปการดึงดูด,การผลักกันและเกิดประกายไฟ

รูปแสดงปรากฏการณ์จากประจุไฟฟ้าสถิต

ประจุไฟฟ้า  (Charge)

กฏการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า ( Law of Conservation of Charge )

ประจุไฟฟ้าเป็นปริมาณทางไฟฟ้าปริมาณหนึ่งที่กำหนดขึ้น  ธรรมชาติของสสารจะประกอบด้วยหน่วยย่อยๆ  ที่มีลักษณะและมีสมบัติเหมือนกันที่เรียกว่า อะตอม(atom)  ภายในอะตอม จะประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิดได้แก่  โปรตอน (proton)  นิวตรอน (neutron) และ อิเล็กตรอน (electron)โดยที่โปรตอนมีประจุไฟฟ้าบวกกับนิวตรอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้ารวมกันอยู่เป็นแกนกลางเรียกว่านิวเคลียส (nucleus)  ส่วนอิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้าลบ จะอยู่รอบๆนิวเคลียส

 

ภาพแสดงอะตอมมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน

ตามปกติวัตถุจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า กล่าวคือจะมีประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบ เท่ากัน เนื่องจากในแต่ละอะตอมจะมีจำนวนอนุภาคโปรตอนและอนุภาคอิเล็กตรอนเท่ากัน  เป็นไปตามกฏการอนุรักษ์ประจุการเกิดไฟฟ้าสถิต

1. วิธีการขัดถูกันของวัตถุ  

 

ภาพแสดงการนำวัสดุมาขัดถูกันทำให้วัตถุมีประจุ ตรวจสอบโดยการต่อเข้ากับหลอดไฟ

การที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากันทำให้เกิดแรงดึงดูดเมื่อวัตถุทั้ง 2 ชิ้นมีประจุต่างชนิดกัน  หรือเกิดแรงผลักกัน เมื่อวัสดุทั้ง 2 ชิ้นมีประจุชนิดเดียวกัน เราสามารถสร้างไฟฟ้าสถิตโดยการนำผิวสัมผัสของวัสดุ 2 ชิ้นมาขัดสีกัน  พลังงานที่เกิดจากการขัดสีกันทำให้ประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุจะเกิดการแลกเปลี่ยนกัน  โดยจะเกิดกับวัสดุประเภทที่ไม่นำไฟฟ้า หรือที่เรียกว่าฉนวน ตัวอย่างเช่น ยาง,พลาสติก และแก้ว   สำหรับวัสดุประเภทที่นำไฟฟ้านั้น โอกาสเกิดปรากฏการณ์ประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุไม่เท่ากันนั้นยาก  แต่ก็สามารถเกิดขึ้นได้

รูปแสดงประจุลบจากผ้าขนสัตว์ติดบนแท่งอำพัน ทำให้แท่งอำพันมีประจุลบ และผ้าขนสัตว์มีประจุบวก

การขัดสีหรือการถู  วัตถุ 2 ชนิดที่มาขัดสี หรือถูกัน จะทำให้มีการถ่ายเทของประจุไฟฟ้า(อิเล็กตรอน)ระหว่างวัตถุทั้งสอง วัตถุใดสูญเสียอิเล็กตรอนไปวัตถุนั้นจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก  ส่วนวัตถุที่ได้รับอิเล็ก ตรอนมา จะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ   ในการขัดสีหรือถู จำนวนประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนวัตถุทั้งสองมีขนาดเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นชนิดตรงข้าม  เช่น วัตถุ A และ B เดิมเป็นกลางทางไฟฟ้า เมื่อนำมาถูกันปรากฏว่าหลังจากถูกัน วัตถุ A มีประจไฟฟ้า +1.6 x 10 ^-19 คูลอมบ์   แสดงว่าวัตถุ B ก็จะมีประจุไฟฟ้า -1.6 x 10^-19 คูลอมบ์  ตัวอย่างของการทำให้เกิดประจุบนวัตถุโดยการขัดถูกันของวัตถุ คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต หรือเรียกว่า Van de graaff generator  หลักการขัดถูกันโดยใช้สายพาน ทำให้ทรงกลมมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก  เมื่อคนไปแตะทรงกลมจะทำให้คนเกิดประจุบวก เมื่อเส้นผมต่างมีประจุเป็นบวกก็จะเกิดแรงผลักกันทางไฟฟ้าสถิต ทำให้เส้นผมชี้ขึ้น (คลิกดูวีดีโอ)

                                                    http://www.youtube.com/watch?v=Vl566O2zdcI&feature=youtu.be

 

                                                                                          หลักการทำงานของเครื่อง แวน เดอร์ กราฟ

2. วิธีการถ่ายเทประจุ

 

การถ่ายเทประจุไฟฟ้า (Electrostatic Discharge)  คือการถ่ายเทประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว  เมื่อประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุ 2  ชนิดไม่เท่ากันตัวอย่างการเกิดไฟฟ้าสถิตและการถ่ายเทประจุไฟฟ้า       เมื่อเราใส่รองเท้าหนังแล้วเดินไปบนพื้นที่ปูด้วยขนสัตว์หรือพรม  เมื่อเดินไปจับลูกบิดประตูจะมีความรู้สึกว่าถูกไฟช๊อต ที่เป็นเช่นนี้สามารถอธิบายได้ว่า  เกิดประจุไฟฟ้าขึ้นจากการขัดสีของวัตถุ 2 ชนิด วัตถุใดสูญเสียอิเล็กตรอนไปจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก  ส่วนวัตถุใดได้รับอิเล็กตรอนมาจะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ   ซึ่งขึ้นอยู่กับวัตถุที่มาขัดสีกัน ร่างกายของคนเราเป็นตัวกลางทางไฟฟ้าที่ดี  เมื่อเราเดินผ่านพื้นที่ปูด้วยขนสัตว์หรือพรม  รองเท้าหนังของเราจะขัดสีกับพื้นขนสัตว์หรือพรม ทำให้อิเล็กตรอนถ่ายเทจากรองเท้าหนังไปยังพื้นพรม เมื่อเราเดินไปเรื่อย ๆ อิเล็คตรอนจะถ่ายเทจากรองเท้าไปยังพื้นมากขึ้น จึงทำให้เรามีประจุไฟฟ้าเป็นบวกกระจายอยู่เต็มตัวเรา เมื่อเราไปจับลูกบิดประตู ซึ่งเป็นโลหะจะทำให้อิเล็กตรอนจากประตูถ่ายเทมายังตัวเรา ทำให้เรารู้สึกว่าคล้าย ๆ ถูกไฟช๊อต  ในลักษณะเดียวกันถ้าเราใส่รองเท้ายาง  รองเท้ายางจะรับอิเล็กตรอนจากผ้าขนสัตว์หรือพรมจะทำให้เรามีประจุไฟฟ้าเป็นลบ  เมื่อเราเข้าไปใกล้และจะจับลูกบิดประตู  จะทำให้อิเล็กตรอนถ่ายเทจากเราไปยังลูกบิดประตู เราจะมีความรู้สึกว่าคล้าย ๆ ถูกไฟช๊อต

 

รูปแสดงการนำแท่งอำพันที่มีประจุลบแตะวัตถุ(a) เกิดการถ่ายเทประจุ ทำให้มีประจุเป็นลบด้วย(b)

โดยการนำวัตถุตัวนำอื่นที่มีประจุไฟฟ้าอิสระอยู่แล้วมาสัมผัสกับตัวนำที่เราต้องการ จะให้เกิดมีประจุไฟฟ้าอิสระ การกระทำเช่นนี้จะเกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างตัวนำทั้งสอง และในที่สุดตัวนำทั้งสองต่างจะมีประจุไฟฟ้าอิสระ และต่างจะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน ซึ่งตามทฤษฎีอิเล็กตรอนแล้ว การถ่ายเทประจุไฟฟ้าให้กันนั้น เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั่นเอง ซึ่งในการทำให้เกิดประจุไฟฟ้าอิสระด้วยการสัมผัสนั้น อาจสรุปได้ว่า
(ก)ประจุฟ้าอิสระที่ตัวนำได้รับ จะเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันกับชนิดของประจุไฟฟ้าบนตัวนำที่นำมาสัมผัสเสมอไป

(ข) เมื่อสัมผัสกันแล้ว ตัวนำทั้งสองต่างจะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน

(ค)ประจุไฟฟ้าอิสระที่ตัวนำทั้งสองมี ภายหลังสัมผัสกันแล้วนั้น จะมีจำนวนเท่ากัน หรือ อาจไม่เท่ากันก็ได้ ทั้งนี้ย่อมขึ้นอยู่กับความจุไฟฟ้าของตัวนำทั้งสอง

(ง)ประจุไฟฟ้ารวมทั้งหมดบนตัวนำทั้งสองภายหลังที่สัมผัสแล้ว จะมีจำนวนเท่ากับประจุไฟฟ้าทั้งหมดก่อนสัมผัสกัน

3. วิธีการเหนี่ยวนำประจุไฟฟ้า

 

 

ภาพแสดงการเหนี่ยวนำประจุไฟฟ้าบนวัตถุตัวนำ(conductor)

การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำ  ทำได้โดยการนำวัตถุซึ่งมีประจุไฟฟ้าเข้าไปใกล้ ๆ วัตถุที่เป็นกลางจะทำให้ เกิดการเนี่ยวนำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในวัตถุที่เป็นกลางเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ เนื่องจากแรงทางคูลอมบ์ เป็นผลทำให้วัตถุที่เป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น โดยประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตรงด้านใกล้กับวัตถุที่มาเหนี่ยวนำจะเป็นชนิดตรงกันข้ามกับประจุที่มาเหนี่ยวนำ และด้านไกลกับวัตถุที่มาเหนี่ยวนำจะเกิดประจุชนิดเดียวกัน    เช่น การทำให้มีประจุไฟฟ้าบวกบนวัตถุตัวนำทรงกลม โดยวิธีการเหนี่ยวนำ  มีวิธีการดังนี้

1. การเหนี่ยวนำ ต่อสายดิน และตัดสายดิน

 

รูปการทำให้วัตถุทรงกลมตัวนำมีประจุไฟฟ้าบวก โดยวิธีการเหนี่นวนำ

• รูป (a) นำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าลบเข้ามา(ใกล้ๆ)วัตถุทรงกลม เหนี่ยวนำทำให้แยกประจุออกเป็น 2 ส่วน
• รูป (b) ต่อสายดิน(หรืออาจใช้มือแตะ)เข้าที่วัตถุตัวนำทรงกลม
• รูป (c) อิเลกตรอนจากวัตถุตัวนำทรงกลม จะถูกผลักลงสู่พื้นดิน  แล้วจึงตัดสายดินออก
• รูป (d) เมื่อนำวัตถุที่มีประจุลบออกไป อิเล็กตรอนจากพื้นดินกลับขึ้นมาบนตัวนำทรงกลมไม่ได้ทำให้วัตถุตัวนำทรงกลมมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก

2. การเหนี่ยวนำบนวัตถุตัวนำหลายอันวางชิดกัน แล้วแยกออกจากกัน

 

• รูป (1)  ทรงกลมตัวนำ 2 อันวางชิดกัน  พื้นฉนวนป้องกันการถ่ายเทประจุกับพื้น
• รูป (2) และ (3)  นำวัตถุมีประจุลบเจ้ามาใกล้ทรงกลมลูกหนึ่ง ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำประจุไฟฟ้า(อิเล็กตรอน จะถูกผลักไปอยู่บนทรงกลมลูกที่อยู่ไกล)
• รูป (4) แยกทรงกลมตัวนำออกจากกัน (ยังไม่เอาวัตถุมีประจุลบออกไป)
• รูป (5) นำวัตถุที่มีประจุลบออกไป  จะได้ทรงกลมตัวนำลูกแรกมีประจุบวก ซึ่งเป็นชนิดตรงกันข้ามกับวัตถุที่เอาเข้ามาใกล้  และทรงกลมลูกไกลจะมีประจุลบชนิดเดียวกับวัตถุนำเข้ามาใกล้

 

ภาพการเหนี่ยวนำทรงกลม เมื่อใช้มือแตะทรงกลมได้ผลเหมือนกับการต่อสายดิน

อิเล็กโทรสโคป ( electroscope)

อิเล็กโทรสโคป เป็นเครื่องมือสำหรับตรวจไฟฟ้าสถิต อิเล็กโทรสโคปที่ควรทราบมี 2 ชนิด

1. อิเล็กโทรสโคปแบบพิธบอล (Pith ball electroscope)

อิเล็กโทรสโคปแบบนี้เป็นอิเล็กโทรสโคปแบบง่ายที่สุด ประกอบด้วยลูกกลมเล็กทำด้วยเม็ดโฟม หรือไส้หญ้าปล้องซึ่งมีน้ำหนักเบามาก ตัวลูกกลมแขวนด้วยเชือกด้าย หรือไหมเส้นเล็กๆ จากปลายเสาที่ตั้งบนแท่นฉนวนไฟฟ้า ดังรูป

(ก) เมื่อต้องการตรวจวัตถุใดมีประจุไฟฟ้าหรือไม่ ปฏิบัติดังนี้ ใช้นิ้วคลึงลูกกลมให้ทั่ว แน่ใจว่า ลูกกลมเป็นกลางจริงๆ จากนี้นำวัตถุที่ต้องการตรวจว่ามีประจุไฟฟ้าหรือไม่ เข้ามาใกล้ๆ ลูกกลมนั้น หากปรากฏว่าลูกกลมเคลื่อนที่โดยดูดเข้าหาวัตถุนั้น เมื่อปรากฏเช่นนี้ ก็แสดงว่า วัตถุที่นำมาทดลองนั้นมีประจุไฟฟ้า แต่ไม่สามารถระบุชนิดของประจุได้   ถ้าปรากฏว่าเมื่อนำวัตถุที่ต้องการตรวจสอบเข้าใกล้ลูกกลมนั้นแล้วลูกกลมไม่เคลื่อนที่เลย ก็แสดงว่าวัตถุนั้นเป็นกลาง (ไม่มีประจุไฟฟ้า)

(ข) เมื่อต้องการใช้อิเล็กโทรสโคปนี้ไปตรวจชนิดของประจุ ให้ปฏิบัติดังนี้ ขั้นแรก ทำการให้ประจุไฟฟ้าที่ทราบชนิดแล้วแก่ลูกกลมเสียก่อน  ขั้นต่อไปจึงนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งต้องการตรวจชนิดประจุนั้นเข้ามาใกล้ลูกกลม หากปรากฏว่าเกิดแรงผลักโดยลูกกลมเคลื่อนที่หนีห่างวัตถุ ก็แสดงว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นชนิดเดียวกันกับประจุไฟฟ้าบนลูกกลม แต่ถ้าปรากฏว่าเกิดแรงดูด คือลูกกลมเคลื่อนที่เข้าหาวัตถุนั้น ก็แสดงว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นประจุต่างชนิดกันกับประจุไฟฟ้าบนลูกกลม สรุปว่าเมื่อเราทราบชนิดประจุไฟฟ้าบนลูกกลมอยู่แล้ว จึงสามารถบอกได้ว่าประจุไฟฟ้าบนวัตถุนั้นเป็นชนิดใด

2. อิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นโลหะบาง( leaf electroscope)

 

อิเล็กโทรสโคปแบบนี้ประกอบแผ่นโลหะบางๆ สองแผ่น ติดห้อยประกบกันที่ปลายแท่งโลหะ AB ปลายบนของแท่งโลหะนี้เชื่อมติดกับจานโลหะ D ตัวแท่งโลหะสอดติดแน่นอยู่ในฉนวนไฟฟ้าท่อนหนึ่ง  (ระบายทึบในรูป) ท่อนฉนวนเสียบแน่นอยู่กับปลั๊กยาง P ซึ่งสอดแนบสนิทกับฝาบนของขวดแก้วหรือขวดพลาสติก เพื่อให้มองเห็นแผ่นโลหะบางได้สะดวก

การตรวจประจุไฟฟ้า โดยสังเกตการกางของแผ่นโลหะบาง ๆ ของอิเล็กโทรสโคป กล่าวคือ เมื่อนำวัตถุที่มีประจุมาใกล้จานโลหะของอิเล็กโทรสโคป จะเกิดการเหนี่ยวนำทำให้ที่จานโลหะจะมีประจุชนิดตรงกันข้ามกับประจุบนวัตถุ จึงทำให้แผ่นขนานข้างล่างเป็นประจุชนิดเดียวกันทั้งสองแผ่น แผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปจะกางออก เพราะผลจากการผลักกันของประจุชนิดเดียวกันของแผ่นโลหะบาง

 

ขอบคุณข้อมูลจาก

http://weerajit14.blogspot.com