ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต

สรุปเนื้อหาเรื่อง ไฟฟ้าสถิต คืออะไร

ไฟฟ้าสถิต หรือ Static electricity เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากความไม่สมดุลของปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบภายในวัสดุหรือบนพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งประจุไฟฟ้าเหล่านั้นจะยังคงอยู่จนกระทั่งเกิดการเคลื่อนที่หรือมีการถ่ายเทประจุ (Electrostatic Discharge)

 

โดยปกติแล้ววัสดุทุกชนิดมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า (มีปริมาณของประจุบวกและประจุลบอย่างละเท่า ๆ กัน) แต่หากมีการขัดถู สัมผัส หรือเสียดสีกันระหว่างวัสดุก็จะทำให้ประจุไฟฟ้าเหล่านี้จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัสดุประเภทที่ไม่นำไฟฟ้าหรือที่เรียกว่า ฉนวน เช่น การนำลูกโป่งมาถูกับเส้นผม หรือการสัมผัสกันระหว่างรองเท้าหนังและพรมเช็ดเท้า สิ่งเหล่านี้จะทำให้เกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้า เป็นผลให้เกิดความไม่สมดุลของจำนวนประจุบวกและประจุลบในวัสดุแต่ละชิ้น ด้วยเหตุนี้วัสดุที่ต่างก็มีความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าจึงมีความพยายามถ่ายเทประจุไฟฟ้ากับวัสดุอื่นๆ เพื่อสร้างความสมดุลให้กับตัวเอง และการแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้านี้เองที่เป็นสาเหตุของความรู้สึกที่คล้ายกับการถูกไฟฟ้าช็อตหรือที่เรียกว่า ไฟฟ้าสถิต

 

ประจุไฟฟ้า

คือ อำนาจทางไฟฟ้า วึ่งมี 2 ชนิด ได้แก่

• ประจุบวก ที่จำนวนโปรตอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอน
• ประจุลบ ที่จำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน

ซึ่งวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า จะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล้กตรอน

 

แรงระหว่างประจุ

มี 2 แบบ ได้แก่ แรงดูดและแรงผลัก ดังรูป

 

กฎการอนุรักษ์ประจุ

การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าด้วยวิธีต่าง ๆ จะเป็นการเคลื่อนย้ายประจุจากที่หนึ่งไปขังอีกที่หนึ่ง ซึ่งจะได้ว่าผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดคงที่เท่าเดิม การทำให้วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเกิดประจุทำได้ 3 วิธี คือ

• การขัดสี คือ การนำวัตถุ 2 ชนิดที่ต่างกันมาขัดสีกัน จะเกิดการแลกเปลี่ยนประจุ
• การแตะสัมผัส คือ การนำวัตถุที่มีประจุมาแตะวัตถุที่เป็นกลางหรือมีประจุก็ได้การหาประจุหลังแตะ
• การเหนี่ยวนำ คือ การนำวัตถุที่มีประจุมาเข้าใกล้วัตถุที่มีประจุหรือวัตถุที่เป็นกลางก็ได้หลังการเหนี่ยวนำแล้วประจุที่เกิดขึ้นจะชนิดตรงข้ามกับที่มาเหนี่ยวนำ

 

การถ่ายเทประจุ

การถ่ายเทประจุไฟฟ้า หรือ Electrostatic Discharge เป็นการที่ประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุ 2 ชนิดไม่เท่ากัน เกิดขึ้นจากความต่างศักดิ์ไฟฟ้า โดยหลังถ่ายประจุแล้ว วัตถุทั้งสองจะต้องมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน โดยประจุไฟฟ้ารวมจะยังคงเท่าเดิม

 

กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)

Charles Coulomb เป็นผู้เสนอกฎของคูลอมบ์ ซึ่งกล่าวถึงแรงกระทำระหว่างประจุ ดังนี้

• แรงระหว่างประจุจะเป็นปฏิภาคโดยตรงกับขนาดของประจุแต่เป็นปฏิภาคผกผันกับระยะทางระหว่างประจุ
• แรงระหว่างประจุจะเป็นแรงดูดถ้าเป็นประจุต่างชนิดกันและเป็นแรงผลักถ้าเป็นประจุนิดเดียวกัน
• ทิศของแรงจะอยู่ในแนวเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างประจุทั้งสอง

สนามไฟฟ้า (Electric Field)

• Faraday เป็นผู้เสนอแนวความคิดของสนามไฟฟ้า โดยกล่าวว่า “จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นรอบๆ วัตถุที่มีประจุซึ่งเรียกว่าประจุ ต้นกำาเนิด (source charge)
• ถ้านำประจุทดสอบ (test charge ) q0 เข้ามาในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าจะเกิดแรงกระทำต่อประจุทดสอบ
• ขนาดของสนามไฟฟ้าจะมีค่าเท่ากับอัตราส่วนของแรงที่สนามนั้นกระทำกับประจุทดสอบต่อหนึ่งหน่วยประจุทดสอบ

เส้นสนามไฟฟ้า (Electric Field Line)

มีคุณสมบัติ ดังนี้

• ประจุบวก : เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งออก
• ประจุลบ : เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งเข้า
• มีทั้งประจุบวกและประจุลบ : เส้นสนามจะพุ่งจากบวกไปลบ
• เส้นสนามไฟฟ้าจะไปหยุดนิ่งที่ผิวของตัวนำทรงกลม ไม่พุ่งเข้าไปข้างใน

จุดสะเทิน คืออะไร

เป็นบริเวณที่ไม่มีสนามไฟฟ้า เนื่องจากทิศทางของสนามไฟฟ้า 2 บริเวณขึ้นไป มีทิศทางตรงกันข้ามกัน และขนาดพอๆกันหรือขนาดพอดีที่ทำให้สนามไฟฟ้าหักล้างกันหมด

 

ตำแหน่งของจุดสะเทิน

แรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในสนาม

สูตรสนามไฟฟ้าแม่เหล็กคู่ขนาน คือ E = V/d

โดย
E คือ สนามไฟฟ้า มีหน่วยเป้น นิวตัน/คูลอมบ์
V คือ ความต่างศักย์ระหว่างแผ่น มีหน่วยเป็น โวลต์
d คือ ระยะห่าง มีหน่วยเป็น เมตร
หมายเหตุ : สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ คิดทิศทางแต่ไม่ต้องแทนค่าเครื่องหมายประจุ

 

ศักย์ไฟฟ้า (Electric Potential)

เมื่อประจุอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุจะมีพลังงานศักย์ (E) เนื่องจากแรงทางไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุ เราเรียก พลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยประจุว่า “ศักย์ไฟฟ้า”

 

ตัวเก็บประจุและความจุไฟฟ้า (Capacitor and Capacitance)

• ตัวเก็บประจุ คือ ตัวนำที่ทำหน้าที่เก็บประจุ
• ความจุไฟฟ้า คือ อัตราส่วนของประจุต่อศักย์ไฟฟ้า

 

ตัวอย่างข้อสอบ เรื่อง ไฟฟ้าสถิต

1. ตัวนําทรงกลม A , B , C , และ D มีขนาดเท่ากันและเป็นกลางทางไฟฟ้าวางติดกันตามลําดับอยู่บนฉนวนไฟฟ้า นําแท่งประจุลบเข้าใกล้ทรงกลม D แล้วแยกให้ออกจากกันทีละลูก โดยเริ่มจาก A ก่อนจนกระทั่งถึง C หลังจากแยกกันแล้ว ประจุที่อยู่บนทรงกลมแต่ละลูกเรียงตามลําดับจะเป็นดังนี้

ก. ลบ กลาง ลบ บวก
ข. ลบ บวก บวก บวก
ค.ลบ กลาง กลาง บวก
ง. ลบ ลบ ลบ บวก

2. จุดประจุ 3 จุดประจุ วางอยู่ที่มุมของสามเหลี่ยมด้านเท่ายาวด้านละ 2 เซนติเมตร ทำให้จุดที่เส้นมัธยฐานทั้งสามตัดกันมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ หากจุดประจุ 2 จุดประจุมีค่า +2 และ +4 ไมโครคูลอมบ์ จงหาค่าจุดประจุตัวที่ 3

ก. -8 ไมโครคูลอมบ์
ข. -6 ไมโครคูลอมบ์
ค. +6 ไมโครคูลอมบ์
ง. +8 ไมโครคูลอมบ์

3. ข้อใดต่อไปนี้ถูกต้องที่สุด

ก. สนามไฟฟ้าที่จุด ๆ หนึ่งคือ แรงต่อหนึ่งหน่วยประจุที่กระทำต่อประจุทดสอบขนาดเล็กที่วางอยู่ที่จุดนั้น และมีหน่วยเป็นโวลต์-เมตร
ข. ศักย์ไฟฟ้าที่จุด ๆ หนึ่งคือ งานที่ต้องทำต้านกับแรงไฟฟ้าในการนำประจุทดสอบจากระยะอนันต์มาสู่จุดนั้น
ค. ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด 2 จุดคือ งานที่ต้องทำในการเคลื่อนประจุตัวหนึ่งจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง
ง. ที่จุด ๆ หนึ่ง ถ้าสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับศูนย์แล้วศักย์ไฟฟ้าที่จุดนั้นไม่จำเป็นต้องมีค่าเป็นศูนย์เสมอไป

4. ถ้ากล่าวถึงประจุไฟฟ้า ส่วนใหญ่จะหมายถึงข้อใด *

ก. นิวเคลียส
ข. โปรตอน
ค. นิวตรอน
ง. อิเล็กตรอน

5. สนามไฟฟ้าที่จุดใด ๆ หมายถึงข้อใด

ก. ศักย์ไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยระยะทางของจุดนั้น
ข. แรงต่อหนึ่งหน่วยประจุลบที่วางไว้ ณ จุดนั้น
ค. แรงต่อหนึ่งหน่วยประจุบวกที่วางไว้ ณ จุดนั้น
ง. จํานวนเส้นที่แสดงทิศของแรงลัพธ์ที่กระทําต่อประจุทดสอบ

 

 

ไฟฟ้าสถิต