บทที่ 13 ไฟฟ้าสถิต

ในศตววรษต่อมาวิทยาศาสตร์ด้านไฟฟ้าเจริญรุดหน้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเห็นความก้าวหน้าของวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างมาก บุคคลสำคัญที่ร่วมกันพัฒนาความรู้เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ นิโคลา เทสลา (Nikola Tesla), โทมัส อัลวา เอดิสัน (Thomas Edison), อ็อตโต บราธี (Otto Blathy), เอินสท์ เวอเทอ ฟอน ซีเมนส์ (Ernst Werner von Siemens), อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ (Aleander Graham Bell) และวิลเลียม ทอมสัน บารอนเคลวินที่ 1 (Lord Kelvin) ไฟฟ้าได้แปลงโฉมหน้าวิถีชีวิตของคนสมัยใหม่ มีความจำเป็นและสมควรกับการเป็นแรงขับเคลื่อนในการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 2

กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า

การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า ไม่ใช่เป็นการสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยที่ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณาจะเท่าเดิม

การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

การทำให้วัตถุเกิดประจุไฟฟ้า

โดยปกติแล้ววัตถุจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า (มีประจุบวกและลบในปริมาณที่เท่ากัน) หากต้องการให้วัตถุนั้นๆ มีสภาพเด่นทางใดทางหนึ่ง (บวกหรือลบ) จะสามารถกระทำได้โดย

• การนำเอาวัตถุมาทำการขัดสีกัน

• การนำเอาวัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามาสัมผัสกัน

• การเหนี่ยวนำ

การเหนี่ยวนำ

โดยการนำวัตถุซึ่งมีประจุไฟฟ้าเข้าไปใกล้ ๆ วัตถุที่เป็นกลาง (แต่ไม่แตะ) จะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในวัตถุที่เป็นกลางเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ เนื่องจากแรงทางไฟฟ้า เป็นผลทำให้วัตถุที่เป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น

การเหนี่ยวนำให้วัตถุตัวนำมีประจุไฟฟ้าบวก

การเหนี่ยวนำให้วัตถุตัวนำมีประจุไฟฟ้าลบ

คุณสมบัติของเส้นสนามไฟฟ้า

1. เส้นสนามไฟฟ้า พุ่งออกจากประจุไฟฟ้าบวก และพุ่งเข้าสู่ประจุไฟฟ้าลบ

2. เส้นสนามไฟฟ้าแต่ละเส้นจะไม่ตัดกันเลย

3. เส้นสนามไฟฟ้าจากประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน ไม่เสริมเป็นแนวเดียวกันแต่จะเบน แยกจากกันเป็นแต่ละแนว ส่วนเส้นสนามไฟฟ้าจากประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน จะเสริมเป็นแนวเดียวกัน

4. เส้นสนามไฟฟ้าที่พุ่งออกจากหรือพุ่งเข้าสู่วัตถุย่อมตั้งได้ฉากกับผิวของวัตถุนั้น ๆ เสมอ

5. เส้นสนามไฟฟ้าจะไม่พุ่งผ่านวัตถุตัวนำเลยเส้นแรงไฟฟ้าจะสิ้นสุดอยู่เพียงบริเวณผิวของวัตถุตัวนำเท่านั้น

จุดสะเทินในสนามไฟฟ้า (Neutral point)

จุดสะเทิน หมายถึง จุดในสนามไฟฟ้าซึ่งมีค่าความเข้มของสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ ทั้งนี้เนื่องมาจาก ณ จุดนั้นอาจปรากฏมีสนามไฟฟ้าอย่างน้อยที่สุดสองสนาม มีความเข้มสนามไฟฟ้าเท่ากัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม อำนาจไฟฟ้าจึงหักล้างกันหมด หรือหาก ณ จุดนั้นมีสนามไฟฟ้ามากกว่าสองสนาม แต่ค่าความเข้มและทิศทางของสนามไฟฟ้าเหล่านั้นอยู่ในลักษณะที่อำนาจไฟฟ้าหักล้างกันหมด จุดนั้นเป็นจุดสะเทินได้

ในกรณีซึ่งมีสนามไฟฟ้าสองสนาม ซึ่งเกิดจากประจุไฟฟ้าสองประจุวางใกล้กัน จุดสะเทินที่เกิดขึ้นจะอยู่ในแนวเส้นตรงที่ลากผ่านประจุไฟฟ้าทั้งสองนั้น มีหลักเกณฑ์ดังนี้

(ก) ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน ตำแหน่งจุดสะเทินจะอยู่ระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าเท่ากัน จุดสะเทินจะอยู่ตรงที่กึ่งกลางระยะ ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าไม่เท่ากัน จุดสะเทินจะอยู่ใกล้กับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้าน้อยกว่า หรืออยู่ไกลกับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้ามากกว่า

(ข) ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน กรณีนี้ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าเท่ากันจะไม่มีจุดสะเทินเกิดขึ้น ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าไม่เท่ากัน จะเกิดจุดสะเทินอยู่นอกระยะระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง และจุดสะเทินจะอยู่ใกล้กับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้าน้อยกว่า หรืออยู่ไกลกับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้ามากกว่า

ศักย์ไฟฟ้า (Electric potential) คือ ระดับของพลังงานศักย์ไฟฟ้า ณ จุดใด ๆ ในสนามไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ

• ศักย์ไฟฟ้าบวก เป็นศักย์ของจุดที่อยู่ในสนามของประจุบวก

• ศักย์ไฟฟ้าลบ เป็นศักย์ของจุดที่อยู่ในสนามของประจุลบ

ศักย์ไฟฟ้าจะมีค่ามากที่สุดที่ประจุต้นกำเนิดสนาม และมีค่าน้อยลง เมื่อห่างออกไป จนกระทั่งเป็นศูนย์ที่ระยะอนันต์ (infinity) ในการวัดศักย์ไฟฟ้า ณ จุดใด ๆ วัดจากพลังงานศักย์ไฟฟ้า ที่เกิดจากการเคลื่อนประจุทดสอบ +1 หน่วย จากระยะอนันต์ ไปยังจุดนั้น ดังนั้น จึงให้นิยามของศักย์ไฟฟ้าได้ว่า

"ศักย์ไฟฟ้า ณ จุดใด ๆ คือ งานที่ต้องใช้ในการเคลื่อนย้ายประจุ +1 คูลอมบ์จากระยะอนันต์มายังจุดนั้น ๆ โดยถือว่าเป็นปริมาณสเกลาร์ ใช้สัญลักษณ์แทนด้วย V"

ความจุไฟฟ้า (Capacitance)

ความจุไฟฟ้า คือ ความสามารถในการเก็บประจุ นอกจากขึ้นกับรูปทรงของตัวนำแล้ว พิจารณาได้จากค่าอัตราส่วนของประจุต่อศักย์ไฟฟ้า จึงมีการกำหนดให้ค่านี้เป็นค่าความจุ เมื่อให้ C เป็นสัญลักษณ์แทนความจุ จะเขียนได้ว่า

C = Q/V

และ จะได้ Q = CV

เมื่อ Q คือประจุซึ่งเก็บไว้ที่ตัวเก็บประจุ และ V คือศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ ในระบบหน่วยเอสไอ ความจุมีหน่วย คูลอมบ์/โวลต์ (C/V) หรือ ฟารัด (F) หน่วยนี้ในทางปฏิบัติเป็นหน่วยใหญ่มาก ตัวเก็บประจุจำนวนมากจะมีความจุน้อยกว่านี้มาก จึงใช้หน่วยเป็นไมโครฟารัด (μF) หรือพิโกฟารัด (pF) ค่าความจุของตัวเก็บประจุรูปทรงหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงตัวเช่นในกรณีตัวนำทรงกลมรัศมี a ที่กล่าวมาแล้ว

เนื่องจาก V = kQ/a

ย้ายสมการจะได้ Q = (a/k) V

และ เนื่องจาก Q = CV

ดังน้น C = a/k

ซึ่งกล่าวได้ว่า ความจุของตัวนำทรงกลมแปรผันตรงกับรัศมีของทรงกลม นั่นคือตัวนำทรงกลมใหญ่จะมีความจุมากกว่าตัวนำทรงกลมเล็ก เมื่อนำสมการนี้มาพิจารณาความจุไฟฟ้าของโลกโดยถือว่าโลกเป็นตัวนำทรงกลมขนาดใหญ่ จะได้ว่า โลกมีความจุมากมหาศาล เมื่อโลกให้รับประจุจากวัตถุอื่น ศักย์ไฟฟ้าของโลกจึงเปลี่ยนแปลงน้อยมากจนถือได้ว่าโลกยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้า นั่นคือมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ การต่อสายดินจึงต่อกับโลกได้

จะได้ว่า งานในการเคลื่อนย้ายประจุ จากตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็น 0 ไปยังตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็น V คือ W=qV แสดงว่างานในการเคลื่อนประจุให้แก่ตัวเก็บประจุ ค่านี้จะเท่ากับพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ สามารถหาได้จากพื้นที่ใต้กราฟระหว่าง V กับ Q ดังนั้น พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ (U) สามารถพิจารณา ได้จากสมการ

2. การต่อแบบขนาน คือ การนำตัวเก็บประจุมาต่อกันโดยให้ต่อแผ่นบวกรวมกันที่จุดหนึ่งและให้แผ่นลบรวมกันที่อีกจุดหนึ่ง ดังรูป b) ผลของการต่อแบบขนานจะได้ว่า

• ความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะเท่ากันและเท่ากับความต่างศักย์ไฟฟ้ารวม

V_รวม = V₁ = V₂ = V₃

• ประจุไฟฟ้ารวมเท่ากับผลรวมของประจุที่ผ่านตัวเก็บประจุไฟฟ้า

Q_รวม = Q₁ + Q₂ + Q₃

• เครื่องถ่ายเอกสารและเครื่องพิมพ์เลเซอร์

• การเคลือบสีฝุ่นด้วยไฟฟ้าสถิต

• เครื่องฟอกอากาศ และเครื่องตกตะกอนไฟฟ้าสถิต

• การอธิบายปรากฏการณ์ฟ้าผ่าและฟ้าแลบ

• การใช้สายรัดข้อมือของช่างอิเล็กทรอนิกส์

• การเติมน้ำมัน

แหล่งที่มา

https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7206-2017-06-11-03-15-48

https://th.wikipedia.org/wiki/

http://119.46.166.126/self_all/selfaccess12/m6/683/page1.php

https://orapanwaipan.wordpress.com/

http://www.rmutphysics.com/CHARUD/scibook/electric4/topweek18.htm