1. อธิบายการทำวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าให้มีประจุไฟฟ้าโดยการขัดสีกัน
2. อธิบายกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
3. อธิบายการเกิดแรงระหว่างประจุไฟฟ้าขึ้นกับชนิดของประจุไฟฟ้า
4. ทดลองและอธิบายการทำวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าให้มีประจุไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำ
5. อธิบายและคำนวณแรงที่กระทำต่อกันระหว่างจุดประจุ ตามกฎของคูลอมบ์
6. อธิบายและคำนวณแรงไฟฟ้าลัพธ์ที่กระทำต่อจุดประจุ
7. อธิบายสนามไฟฟ้าและเส้นสนามไฟฟ้าของจุดประจุ ตัวนำทรงกลม และแผ่นโลหะคู่ขนาน
8. คำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้าของจุดประจุ
9. อธิบายและคำนวณสนามไฟฟ้าลัพธ์ของระบบจุดประจุ
10. อธิบายแรงไฟฟ้าที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุที่อยู่ในสนามไฟฟ้า และคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้อง
11. อธิบายพลังงานศักย์ไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้า และคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้อง
12. อธิบายความต่างศักย์ระหว่างสองตำแหน่งใด ๆ และคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้อง
13. อธิบายส่วนประกอบของตัวเก็บประจุ
14. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้า ความต่างศักย์ และความจุของตัวเก็บประจุ
15. อธิบายพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ และความจุสมมูล
16. คำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้องกับตัวเก็บประจุ และความจุสมมูล
17. ยกตัวอย่างการนำความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิตไปอธิบายหลักการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด
1.ธรรมชาติของไฟฟ้าสถิต
ประจุไฟฟ้าและกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต
2.กฎของคูลอมบ์
3.สนามไฟฟ้า
ความหมายสนามไฟฟ้า
สนามไฟฟ้าของจุดประจุ
สนามไฟฟ้าของระบบประจุ
เส้นสนามไฟฟ้า
แรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้า
4.ศักย์ไฟฟ้าและความต่างศักย์
ความต่างศักย์เนื่องจากสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ
ศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากจุดประจุ
5.ตัวเก็บประจุ
หลักการทำงานของตัวเก็บประจุ
ความจุของตัวเก็บประจุ
พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ
การต่อตัวเก็บประจุ
6.การนำความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตไปใช้ประโยชน์
เครื่องถ่ายเอกสารและเครื่องพิมพ์เลเซอร์
การเคลือบสีฝุ่นด้วยไฟฟ้าสถิต
เครื่องฟอกอากาศ และเครื่องตกตะกอนไฟฟ้าสถิต
การอธิบายปรากฏการณ์ฟ้าผ่าและฟ้าแลบ
การใช้สายรัดข้อมือของช่างอิเล็กทรอนิกส์
การเติมน้ำมัน
ปรากฏการณ์ฟ้าผ่าการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าในบรรยากาศ
ที่มา: http://science009.blogspot.com/2009/06/blog-post.htmlในชีวิตประจำวันเราได้พบเห็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าสถิต เช่น ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า ซึ่งในสมัยโบราณคนไทยเชื่อว่า เกิดจากนางเมขลาล่อแก้ว แล้วรามสูรขว้างขวานใส่ เมื่อขว้างพลาดก็เกิดปรากฏการฟ้าผ่าตามมา ซึ่งในภายหลังเราทราบว่าปรากฏการณ์ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า เกิดจากการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าในบรรยากาศ
นอกจากนี้ในช่วงฤดูหนาว ในวันที่อากาศแห้ง เมื่อเราหวีผมนานๆ จะสังเกตเห็นว่าเส้นผมของเราจะไม่เรียบ แต่เหมือนกับหวีมีแรงดึงดูดเส้นผมของเรา อีกตัวอย่างหนึ่ง คือ ปลาไหลไฟฟ้า ชาวประมงจะคุ้นเคยดี เมื่อสัมผัสโดนตัวปลาไหล เราจะรู้สึกชา เป็นอันตรายต่อผู้สัมผัส ซึ่งชาวอียิบต์โบราณเรียกปลาไฟฟ้าที่พวกเขาพบว่า สายฟ้าแห่งแม่น้ำไนล์ (Thunderer of the Nile)
ปลาไหลไฟฟ้า
ที่มา: https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7206-2017-06-11-03-15-48เธลีส แห่ง มิเลทัส
(Thales of Miletus)
640-546 ปี ก่อนคริสต์ศักราช
ที่มา: http://en.wikipedia.org/การค้นพบไฟฟ้าสถิตเริ่มจาก เธลิส (Thales, 624-546 ปีก่อนคริสต์ศักราช) นักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักปรัชญาชาวกรีก ได้นำแท่งอำพันมาถูกับผ้าขนสัตว์ แล้วพบว่าแท่งอำพันดูดวัตถุเบาๆ ได้ โดยเธลิสเชื่อว่าการขัดถูแท่งอำพันจะทำให้แท่งอำพันแสดงความเป็นแม่เหล็กได้ ในขณะที่มีหินแร่ (minerals) บางชนิดที่แสดงความเป็นแม่เหล็กได้โดยไม่ต้องขัดถู แต่ความเชื่อของเธลิสนั้นผิด เนื่องจากการขัดถูอำพันไม่ได้แสดงความเป็นแม่เหล็กของอำพัน แต่เป็นการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าระหว่างผ้าขนสัตว์กับอำพัน อย่างไรก็ตามในภายหลังนักวิทยาศาสตร์สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีความเชื่อมโยงกันระหว่างความเป็นแม่เหล็กกับความเป็นไฟฟ้า
ปี ค.ศ. 1936 มีการค้นพบแบตเตอรี่แบกแดด (Baghdad Battery) ในตะวันออกกลาง สมัยราชวงศ์ปาร์เธีย (Parthia) โดยใช้ความรู้ทางด้านแผ่นโลหะไฟฟ้า (Electroplating) ซึ่งคล้ายคลึงกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี แต่ยังไม่แน่ชัดว่าเป็นการใช้ไฟฟ้าจากธรรมชาติหรือไม่
หลังจากนั้นความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของไฟฟ้าได้พัฒนาอีกเล็กน้อย จนกระทั่งประมาณปี ค.ศ. 1600 เมื่อ วิลเลี่ยม กิลเบิร์ต (William Gilbert) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ศึกษาแม่เหล็กและไฟฟ้าอย่างละเอียด โดยศึกษาผลกระทบของแท่งเหล็กจากไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการขัดถูของอำพัน เขาบัญญัติศัพท์จากการค้นพบใหม่เป็นภาษาละตินใหม่ว่า "electricus" (แปลว่าอำพันในภาษากรีก) ซึ่งหมายถึงคุณสมบัติของการดึงดูดวัตถุเล็กๆ หลังจากการขัดสี และตรงกับคำในภาษาอังกฤษว่า "electric" และ "electricity" โดยปรากฏขึ้นครั้งแรกในงานเขียนเรื่อง Pseudodoia Epidemica ของโธมัส บราวน์ (Thomas Browne) เมื่อปี ค.ศ. 1646 และมีชิ้นงานที่ให้การสนับสนุนต่อๆ มานำโดยอ็อตโต ฟอน เกียริก (Otto von Guericke), โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle), สตีเฟน เกรย์ (Stephen Gray) และชาร์ล เอฟ. ดู เฟย์ (C. F. du Fay)
เบนจามิน แฟรงคลิน
(Benjamin Franklin)
ในคริตศตวรรษที่ 18 เบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้าอย่างจริงจัง เขาขายทรัพย์สมบัติที่มีเพื่อเป็นทุนวิจัยของเขา ลือกันว่าเขาทำการทดลองในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 1752 โดยติดลูกกุญแจโลหะไว้ที่ด้านล่างของเชือกว่าวที่เปียกน้ำ แล้วปล่อยว่าวลอยขึ้นฟ้าในวันที่ท้องฟ้ามีลมพายุรุนแรง เขาสังเกตเห็นประกายไฟที่ประโดดจากลูกกุญแจโลหะสู่หลังมือของเขา มันมีแสงเหมือนฟ้าแลบ ซึ่งก็คือไฟฟ้าในธรรมชาตินั่นเอง
ลุยจิ กัลวานี
(Luigi Galvani)
ในปี ค.ศ. 1791 ลุยจิ กัลวานี (Luigi Galvani) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ได้ตีพิมพ์การค้นพบไฟฟ้าชีวภาพ พิสูจน์ให้เห็นว่าไฟฟ้าเป็นตัวกลางของการส่งสัญญาณจากเซลล์ประสาทปสู่กล้ามเนื้อ
อเล็กซานโดร โวลต้า
(Alessandro Volta)
อเล็กซานโดร โวลต้า (Alessandro Volta) ได้ประดิษฐ์แบตเตอรี่ที่ทำมาจากแผ่นเซลล์ที่ซ้อนทับกันของสังกะสีและทองแดง นับว่าเป็นความสำเร็จของนักวิทยาศาสตร์ที่สามารถพัฒนาแหล่งจ่ายไฟฟ้า ที่ดีกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Generator) ที่เคยใช้กันมาก่อนหน้านี้
ฮันส์ คริสเตียน เออสเตด
(Hans Christian Orsted)
ประมาณปี ค.ศ. 1819 – 1820 ได้มีการนำเสนอทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นทฤษฎีที่ศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยฮันส์ คริสเตียน เออสเตด (Hans Christian Orsted) และอังเดร มารี แอมแปร์ (Andre-Marie Ampere)
อังเดร มารี แอมแปร์
(Andre-Marie Ampere)
ประมาณปี ค.ศ. 1819 – 1820 ได้มีการนำเสนอทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นทฤษฎีที่ศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยฮันส์ คริสเตียน เออสเตด (Hans Christian Orsted) และอังเดร มารี แอมแปร์ (Andre-Marie Ampere)
ไมเคิล ฟาราเดย์
(Michael Faraday)
ปี ค.ศ. 1821 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ได้ประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้า (ไดนาโม)
จอร์จ ไซมอน โอห์ม
(Georg Simon Ohm)
ปี ค.ศ. 1827 จอร์จ ไซมอน โอห์ม (Georg Simon Ohm) ได้ใช้คณิตศาสตร์วิเคราะห์วงจรไฟฟ้า หรือเป็นที่รู้จักในชื่อ "กฎของโอห์ม (Ohm’s law)"
เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์
(James Clerk Mawell)
ปี ค.ศ. 1861 และ 1862 เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Mawell) ได้นำเสนอทฤฎีแม่เหล็กไฟฟ้า อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ในงานเขียนของเขา ชื่อ “On Physical Lines of Force” และ “Treatise on Electricity and Magnetism”
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
ภาพแสดงขนาดของอนุภาคต่าง ๆ ในอะตอม
ที่มา: https://images.app.goo.gl/DeV3LnkhBxKz5TdW7องค์ประกอบที่สำคัญของอะตอม ประกอบด้วย
นิวเคลียส (Nucleus) : เป็นแกนกลางของอะตอม ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน ดังนี้
โปรตอน (Proton) เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก มีมวลมาก
นิวตรอน (Neutron) เป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้ามีมวลเกือบเท่าโปรตอน
อิเล็กตรอน (Electron) เป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียส มีประจุเท่าโปรตอน แต่เป็นประจุไฟฟ้าลบ มีมวลน้อยกว่าโปรตอนประมาณ 1,836 เท่า
ตารางแสดงสัญลักษณ์
ประจุและมวลของอนุภาคพื้นฐานในอะตอม
คือ การทำให้วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าแสดงอำนาจไฟฟ้าให้เห็น ซึ่งเราสามารถจำแนกประจุไฟฟ้าออกเป็น 2 ชนิด คือ
ประจุไฟฟ้าบวก ( + ) : เกิดจากการที่วัตถุมีสภาวะเด่นบวก หรือ มีประจุบวกเกินมา หรือ มีประจุลบขาดหายไป หรือ จำนวนโปรตอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอน
ประจุไฟฟ้าลบ ( - ) : เกิดจากการที่วัตถุมีสภาวะเด่นลบ หรือ มีประจุลบเกินมา หรือ มีประจุบวกขาดหายไป หรือ จำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอน
การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า ไม่ใช่เป็นการสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยที่ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณาจะเท่าเดิม
การทำให้วัตถุเกิดประจุไฟฟ้า
โดยปกติแล้ววัตถุจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า (มีประจุบวกและลบในปริมาณที่เท่ากัน) หากต้องการให้วัตถุนั้นๆ มีสภาพเด่นทางใดทางหนึ่ง (บวกหรือลบ) จะสามารถกระทำได้โดย
การนำเอาวัตถุมาทำการขัดสีกัน
การนำเอาวัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามาสัมผัสกัน
การเหนี่ยวนำ
ประจุไฟฟ้าที่เกิดจากการขัดสี
การขัดสีหรือการถู เกิดจากการนำวัตถุ 2 ชนิดมาขัดสี หรือถูกัน จะทำให้มีการถ่ายเทของประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) ระหว่างวัตถุทั้งสอง วัตถุใดสูญเสียอิเล็กตรอนไปวัตถุนั้นจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ส่วนวัตถุที่ได้รับอิเล็กตรอนมา จะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ
ในการขัดสีหรือถู จำนวนประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนวัตถุทั้งสองมีขนาดเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นชนิดตรงข้าม
ตารางแสดงการเรียงลำดับ
วัตถุที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตโดยการขัดสี
ที่มา: https://images.app.goo.gl/dGR9rRYJXWkZt1mKAการนำเอาวัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามาสัมผัสกัน
การแตะหรือสัมผัส โดยการนำวัตถุที่มีอำนาจทางไฟฟ้าไปแตะหรือสัมผัสกับวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ทำให้มีการถ่ายเทของอิเล็กตรอน จนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากันจึงหยุดการถ่ายเท
หลังการสัมผัสหรือการแตะจะทำให้วัตถุซึ่งเดิมเป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกับประจุไฟฟ้าของวัตถุที่นำมาแตะ โดยขนาดของประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า(เดิม) จะมีค่าเท่ากับขนาดประจุไฟฟ้าที่ลดลงของวัตถุที่นำมาแตะ
การนำเอาวัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามาสัมผัสกัน
ที่มา: http://119.46.166.126/self_all/selfaccess12/m6/683/page1.phpการเหนี่ยวนำ
โดยการนำวัตถุซึ่งมีประจุไฟฟ้าเข้าไปใกล้ ๆ วัตถุที่เป็นกลาง (แต่ไม่แตะ) จะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในวัตถุที่เป็นกลางเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ เนื่องจากแรงทางไฟฟ้า เป็นผลทำให้วัตถุที่เป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น
การเหนี่ยวนำให้วัตถุตัวนำมีประจุไฟฟ้าบวก
เมื่อเรานำวัตถุที่มีประจุลบมาวางไว้ใกล้ ๆ วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าวัตถุที่มีประจุจะผลักอิเล็กตรอนมาอยู่ด้านไกลและทำให้ด้านใกล้มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โดยในขณะนี้วัตถุที่ถูกเหนี่ยวนำยังมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า
ทำการต่อสายดิน หรือใช้นิ้วของเราแตะที่ผิวของทรงกลมด้านที่มีประจุเป็นลบ อิเล็กตรอนจากวัตถุตัวนำจะเคลื่อนที่ออกจากทรงกลมลงดิน
เอานิ้วมือที่เราแตะออก หรือทำการตัดสายดินออก โดยยังไม่นำเอาวัตถุที่มีประจุที่เรานำมาล่อออก จะทำให้ทรงกลมด้านใกล้วัตถุมีประจุบวก
เมื่อนำวัตถุที่มีประจุลบออกไป อิเล็กตรอนจากพื้นดินกลับขึ้นมาบนตัวนำทรงกลมไม่ได้ทำให้วัตถุตัวนำทรงกลมมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก
การเหนี่ยวนำให้วัตถุตัวนำมีประจุไฟฟ้าลบ
เมื่อเรานำวัตถุที่มีประจุบวกมาวางไว้ใกล้ ๆ วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าวัตถุที่มีประจุจะดูดอิเล็กตรอนมาอยู่ด้านใกล้และทำให้ด้านไกลมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โดยในขณะนี้วัตถุที่ถูกเหนี่ยวนำยังมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า
ทำการต่อสายดิน หรือใช้นิ้วของเราแตะที่ผิวของทรงกลมด้านที่มีประจุเป็นบวก อิเล็กตรอนจากดินจะเคลื่อนที่เข้ามาในทรงกลมเพื่อทำให้ผิวทรงกลมด้านนี้เป็นกลางทางไฟฟ้า
เอานิ้วมือที่เราแตะออก หรือทำการตัดสายดินออก โดยยังไม่นำเอาวัตถุที่มีประจุที่เรานำมาล่อออกจะทำให้ทรงกลมด้านใกล้วัตถุที่มีประจุมีประจุลบ เพราะโดนวัตถุที่มีประจุบวกดูด
เมื่อนำเอาวัตถุที่มีประจุออกไปจะทำให้ประจุลบในทรงกลมผลักซึ่งกันและกันทำให้ประจุลบกระจายทั่วที่ผิวทรงกลมอย่างสม่ำเสมอ
อิเล็กโทรสโคป (Electroscope)
อิเล็กโทรสโคป คือ เครื่องมือใช้ตรวจสอบประจุไฟฟ้า
อิเล็กโทรสโคป มี 2 ชนิด คือ
1) อิเล็กโทรสโคปแบบลูกพิธ เป็นอิเล็กโทรสโคปซึ่งทำจากเม็ดโฟม ฉาบผิวเอาไว้ด้วยอลูมิเนียม เมื่อมีวัตถุที่มีไฟฟ้าสถิตเข้าใกล้จะเกิดการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าทำให้อิเล็กโทรสโคปเอียงเข้าหาวัตถุนั้น
2) อิเล็กโทรสโคปแบบจานโลหะ เมื่อถูกวัตถุที่มีไฟฟ้าสถิตเข้าใกล้จานโลหะด้านบน จะเกิดการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าทำให้แผ่นโลหะบาง ๆ ด้านล่างกางออก
อิเล็กโทรสโคป (a) แบบลูกพิธ (b) แบบจานโลหะ
ที่มา: https://images.app.goo.gl/ABuKQuiBtqHJ9Zqd9วิดีโอการทดลองอิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะ
วิดีโอการทำให้อิเล็กโทรสโคปมีประจุโดยการเหนี่ยวนำ
วิดีโอการทดลองแรงระหว่างประจุ
วิดีโอจำลองการทดลองกฎของคูลอบ์
ชาร์ล คูลอมบ์ (Charles Coulomb, 1736-1806) ศึกษาขนาดของแรงระหว่างประจุไฟฟ้า พบว่า แรงที่เกิดขึ้นระหว่างประจุจะมีทิศตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างประจุนั้น ถ้าประจุเป็นชนิดเดียวกันจะเป็นแรงผลักและประจุต่างชนิดเป็นแรงดูด ขนาดของแรงลดลงตามระยะห่างกำลังสอง และขึ้นกับปริมาณประจุ
สนามไฟฟ้า คือ บริเวณรอบ ๆ ประจุไฟฟ้า Q ที่ประจุไฟฟ้า Q สามารถส่งอำนาจไปถึง ถ้ามีประจุทดสอบ +q มาวางไว้ในสนามไฟฟ้า ประจุนั้นจะได้รับแรงในทิศทางเดียวกับ สนามไฟฟ้า ถ้ามีประจุ -q มาวางไว้ในสนามไฟฟ้า ประจุนั้นจะได้รับแรงในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า
สนามไฟฟ้า ณ ตำแหน่งใด ๆ คือ แรงที่กระทำต่อประจุบวก (+q) ขนาดหนึ่งหน่วยซึ่งวาง ณ ตำแหน่งนั้น
จากความหมายของสนามไฟฟ้า เราสามารถสรุปได้ว่า สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ชนิดหนึ่ง
สนามไฟฟ้าจึงต้องมีทิศทาง โดยที่เราสามารถหาทิศของสนามไฟฟ้าจากหลักการง่าย ๆ ว่า
1. ถ้าประจุต้นกำเนิดเป็นประจุบวก (+) สนามไฟฟ้าจะมีทิศพุ่งออกจากประจุ
2. ถ้าประจุต้นกำเนิดเป็นประจุลบ (-) สนามไฟฟ้าจะมีทิศพุ่งเข้าหาประจุ
วิดีโอการทดลองเส้นสนามไฟฟ้า
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
ในกรณีซึ่งมีสนามไฟฟ้าสองสนาม ซึ่งเกิดจากประจุไฟฟ้าสองประจุวางใกล้กัน จุดสะเทินที่เกิดขึ้นจะอยู่ในแนวเส้นตรงที่ลากผ่านประจุไฟฟ้าทั้งสองนั้น มีหลักเกณฑ์ดังนี้
(ก) ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน ตำแหน่งจุดสะเทินจะอยู่ระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าเท่ากัน จุดสะเทินจะอยู่ตรงที่กึ่งกลางระยะ ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าไม่เท่ากัน จุดสะเทินจะอยู่ใกล้กับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้าน้อยกว่า หรืออยู่ไกลกับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้ามากกว่า
(ข) ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน กรณีนี้ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าเท่ากันจะไม่มีจุดสะเทินเกิดขึ้น ถ้าประจุไฟฟ้าทั้งสองมีปริมาณไฟฟ้าไม่เท่ากัน จะเกิดจุดสะเทินอยู่นอกระยะระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง และจุดสะเทินจะอยู่ใกล้กับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้าน้อยกว่า หรืออยู่ไกลกับประจุไฟฟ้าที่มีปริมาณไฟฟ้ามากกว่า
จุดสะเทินของจุดประจุสองจุด
ที่มา: http://119.46.166.126/self_all/selfaccess12/m6/683/pic/27.jpgศักย์ไฟฟ้า (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"
งานในการเคลื่อนที่จากจุดที่ 1 ไปจุดที่ 2
ศักย์ไฟฟ้าเนื่องจากตัวนำทรงกลม
ข้อควรจำ
1. ประจุบนทรงกลมใดๆ ย่อมกระจายกลุ่มอยู่อย่างสม่ำเสมอตลอดผิวของทรงกลมเท่านั้น (ภายในทรงกลมมีประจุเป็นศูนย์)
2. ภายในทรงกลมทุก ๆ ตำแหน่งสนามไฟฟ้า ( E ) เป็นศูนย์ แต่ศักย์ไฟฟ้ามีค่าเท่ากัน คือ เท่ากับศักย์ไฟฟ้าที่ผิวของตัวนำทรงกลมนั่นเอง
3. ในทางคำนวณ ให้คิดว่าประจุทั้งหมดของทรงกลมรวมกันอยู่ที่ตำแหน่งจุดศูนย์กลาง
ตัวเก็บประจุ หรือ คาปาซิเตอร์ (Capacitor) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างหนึ่ง ทำหน้าที่เก็บพลังงานในสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างคู่ฉนวน โดยมีค่าประจุไฟฟ้าเท่ากัน แต่มีชนิดของประจุตรงข้ามกัน บางครั้งเรียกตัวเก็บประจุนี้ว่า คอนเดนเซอร์ (condenser) เป็นอุปกรณ์พื้นฐานสำคัญในงานอิเล็กทรอนิกส์ และพบได้แทบทุกวงจร
ตัวเก็บประจุชนิดต่าง ๆ
ที่มา: https://images.app.goo.gl/ApwPXVSKr9zxSkWd6ลักษณะทางกายภาพ
ตัวเก็บประจุนั้นประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า (หรือเพลต) 2 ขั้ว แต่ละขั้วจะเก็บประจุชนิดตรงกันข้ามกันทั้งสองขั้วมีสภาพความจุ และมีฉนวนหรือไดอิเล็กตริกเป็นตัวแยกคั่นกลาง ประจุนั้นถูกเก็บไว้ที่ผิวหน้าของเพลต โดยมีไดอิเล็กตริกกั้นเอาไว้ เนื่องจากแต่ละเพลตจะเก็บประจุชนิดตรงกันข้าม แต่มีปริมาณเท่านั้น ดังนั้น ประจุสุทธิในตัวเก็บประจุจึงมีค่าเท่ากับ ศูนย์ เสมอ
โครงสร้างของตัวเก็บประจุ
ที่มา: https://images.app.goo.gl/4czm5aTL2MDuxZgy5สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุที่ใช้ในวงจรไฟฟ้าจะเป็นเส้นตรงสองเส้นขนานกัน ดังรูป
สัญลักษณ์๋ของตัวเก็บประจุ
ที่มา: https://orapanwaipan.wordpress.com/การเก็บประจุของตัวเก็บประจุ ให้พิจารณาตัวนำทรงกลมรัศมี a มีประจุที่ตัวนำนี้เก็บไว้เท่ากับ Q จะได้ว่าศักย์ไฟฟ้า V ที่ผิวและภายในตัวนำนี้มีค่าเป็น V = kQ/a แสดงว่าสำหรับตัวนำทรงกลมหนึ่ง ๆ ศักย์ไฟฟ้าที่ผิวและภายในตัวนำมีค่าแปรผันตรงกับ ค่าประจุ (Q) ที่ตัวนำเก็บไว้ และแปรผกผันกับรัศมีของทรงกลม (ขนาดของทรงกลม)
ถ้าเราพิจารณาทรงกลมที่มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน นั่นคือ
จะเห็นว่าขนาดของประจุภายในตัวนำทรงกลมจะแปรผันตรงกับรัศมีของทรงกลม (ขนาดของทรงกลม)
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
นอกจากตัวนำทรงกลมที่พิจารณาข้างต้น ยังมีตัวนำแบบอื่นๆอีก ซึ่งในการใช้ไฟฟ้าต่างๆจะพบว่าตัวเก็บประจุส่วนมากประกอบด้วยแผ่นตัวนำขนานวางแยกกันมีฉนวนกั้นกลาง ทำหน้าที่เก็บประจุโดยตัวเก็บประจุต่ออยู่กับความต่างศักย์ ทำให้แผ่นตัวนำหนึ่งเก็บประจุบวกอีกแผ่นหนึ่งเก็บประจุลบ ดังรูป
ตัวเก็บประจุต่ออยู่กับความต่างศักย์
ที่มา: https://orapanwaipan.wordpress.com/ค่าประจุที่เก็บแต่ละแผ่นยังคงเท่ากัน ค่านี้ (ไม่คิดเครื่องหมาย) เป็นค่าประจุในตัวเก็บประจุหาได้จาก
Q = CV
เมื่อต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเข้ากับปลายทั้งสองของตัวเก็บประจุ พบว่า ในตอนแรกตัวเก็บประจุยังไม่มีประจุ เมื่อตัวเก็บประจุมีประจุเพิ่มขึ้นจากศูนย์ถึง Q ความต่างศักย์ที่ปลายทั้งสองของตัวเก็บประจุจะมีค่าเพิ่มขึ้นจากศูนย์ถึง V ดังกราฟ
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ประจุ Q กับความต่างศักย์ V
ที่มา: https://orapanwaipan.wordpress.com/จะได้ว่า งานในการเคลื่อนย้ายประจุ จากตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็น 0 ไปยังตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็น V คือ W=qV แสดงว่างานในการเคลื่อนประจุให้แก่ตัวเก็บประจุ ค่านี้จะเท่ากับพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ สามารถหาได้จากพื้นที่ใต้กราฟระหว่าง V กับ Q ดังนั้น พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ (U) สามารถพิจารณา ได้จากสมการ
ในการนำตัวเก็บประจุหลาย ๆ ตัว มาต่อกันเพื่อประโยชน์ในการใช้งาน มี 2 วิธี คือ
1. การต่อแบบอนุกรม คือ การนำแผ่นบวกของตัวเก็บประจุของแผ่นหนึ่งมาต่อกับแผ่นลบของตัวเก็บประจุอีกตัวหนึ่ง เรียงกันเรื่อยๆ ไป ดังรูป a)
a) แสดงการต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรม
b) แสดงการต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน
ที่มา: https://orapanwaipan.wordpress.com/เมื่อต่อตัวเก็บประจุ (C) เข้ากับความต่างศักย์ (V) จะเกิดการไหลของประจุทันที และผลของการต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรมจะได้ว่า
ประจุในตัวเก็บประจุแต่ละตัวเท่ากัน เท่ากับประจุของทั้งวงจร
Qรวม = Q1 = Q2 = Q3
ความต่างศักย์ไฟฟ้ารวมเท่ากับผลรวมของความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุทุกตัว
Vรวม = V1 + V2 + V3
การหาค่าความจุรวมในวงจรแบบอนุกรม เขียนเป็นสมการได้ดังนี้
ถ้ามีตัวเก็บประจุ n ตัว มีความจุตัวละ C เท่ากัน ต่ออนุกรมกัน หา C รวมได้จาก Cรวม = C/n
2. การต่อแบบขนาน คือ การนำตัวเก็บประจุมาต่อกันโดยให้ต่อแผ่นบวกรวมกันที่จุดหนึ่งและให้แผ่นลบรวมกันที่อีกจุดหนึ่ง ดังรูป b) ผลของการต่อแบบขนานจะได้ว่า
ความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะเท่ากันและเท่ากับความต่างศักย์ไฟฟ้ารวม
Vรวม = V1 = V2 = V3
ประจุไฟฟ้ารวมเท่ากับผลรวมของประจุที่ผ่านตัวเก็บประจุไฟฟ้า
Qรวม = Q1 + Q2 + Q3
การต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน สามารถเขียนสมการหาค่าความจุรวมได้ดังนี้
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