แรงระหว่างประจุและกฎของคูลอมบ์

 แรงระหว่างประจุและกฎของคูลอมบ์

    คูลอมบ์ได้ทดลองศึกษาแรงระหว่างประจุโดยใช้อุปกรณ์ดังรูป 15.10 ซึ่งมีส่วนประกอบสำคัญได้แก่ คานเล็กๆ ที่ทำด้วยฉนวนและมีลูกพิทติดที่ปลายคาน A และ B ข้างละลูก โดยแขวนคานกับลวดเงินเส้นเล็กๆ ให้คานวางตัวอยู่ในแนวระดับ ลูกพิทอีกลูกหนึ่งคือ D อยู่ใกล้ A เมื่อทำให้ D และ A มีประจุจะเกิดแรงระหว่างประจุบน D และ A แรงที่เกิดขึ้นนี้ทำให้เกิดโมเมนต์กระทำต่อคาน เป็นผลให้คานเบนจากแนวเดิม โดยมีลวดเงินเป็นแกนในการหมุน ดังนั้นลวดเงินจะถูกบิดตามปริมาณการหมุนของคานและแรงต่อต้านการบิดของลวดเงินจะเพิ่มขึ้นตามมุมบิดที่ใหญ่ขึ้น ดังนั้น สำหรับแรงระหว่างประจุขนาดหนึ่งจะทำให้เกิดมุมบิดค่าหนึ่ง มุมที่คานบิดไปนี้อ่านได้จากสเกล C ที่ติดอยู่กับผนังกล่อง การรู้ค่ามุมบิดจะช่วยในการคำนวณแรงระหว่างประจุได้ต่อไป
    จากการทดลองด้วยเครื่องมือดังกล่าวคูลอมบ์สามารถสรุปได้ว่า แรงระหว่างประจุของ D กับ A แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่าง D กับ A และแปรผันตรงกับผลคูณระหว่างประจุของ D กับ A นั่นคือ ถ้าให้ F เป็นขนาดของแรงระหว่างประจุของ D กับ A และ r เป็นระยะระหว่าง D กับ A และ  เป็นประจุของ D กับ A ตามลำดับจะเขียนได้ว่า 
                                และ  
                                ดังนั้น
             นั่นคือ    แรงระหว่างประจุจึงเขียนได้ในรูปสมการ
                                                 (15.1)

รูป 15.10 เครื่องมือหาแรงระหว่างประจุของคูลอมบ์
  เมื่อ  เป็นค่าคงตัวของการแปรผันในระบบเอสไอ แรง F มีหน่วยเป็นนิวตัน  และ  มีหน่วยเป็นคูลอมบ์ r มีหน่วยเป็นเมตร ดังนั้น K มีหน่วย นิวตัน (เมตร)2 ต่อ (คูลอมบ์)2
    ในการวัดค่า K เมื่อตัวกลางระหว่างประจุทั้งสองเป็นสุญญากาศหรืออากาศ ค่าคงตัว K นี้จะมีค่าเท่ากับ  นิวตัน (เมตร) ต่อ (คูลอมบ์)
    สมการ (15.1) ใช้คำนวณหาขนาดของแรงได้ทั้งในกรณีแรงผลักและแรงดึงดูดระหว่างประจุบนอนุภาค ดังรูป 15.11 ซึ่งเรียกว่า จุดประจุ   ความสัมพันธ์ตามสมการนี้ เรียกว่า กฎของคูลอมบ์  (Coulomb’s Law)

 รูป 15.11 แรงระหว่างประจุไฟฟ้า
   - แรงระหว่างประจุ   คือ แรง  และ    (ในรูป 15.11) เป็นแรงคู่กิริยา ปฏิกิริยาตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตันหรือไม่ จงอธิบาย
 
        ตัวอย่าง 15.1 สมมุตมีลูกพิทสองลูกและแต่ละลูกมีประจุ 1.0 คูลอมบ์ เมื่อศูนย์กลางของลูกพิทอยู่ห่างกัน 1.0 เมตร แรงระหว่างประจุที่เกิดขึ้นจะมีขนาดเท่าใด
           วิธีทำ        จากกฎของคูลอมบ์   
                           ดังนั้น                  
 
 คำตอบ      ขนาดของแรงระหว่างประจุเท่ากับ  นิวตัน   
            
             แรงขนาด  นิวตันนี้ จะมีค่าเท่ากับน้ำหนักของคนประมาณ 15 ล้านคน เมื่อเฉลี่ยแต่ละคนหนัก 600 นิวตัน หรือมีมวล 60 กิโลกรัม จะเห็นได้ว่า แรงดังกล่าวนี้เป็นแรงขนาดมหาศาลที่เราไม่ค่อยจะได้พบเห็นบนโลก เพราะประจุ 1 คูลอมบ์ นี้ทำให้เกิดขึ้นได้ยากและส่วนใหญ่แล้วเราจะพบวัตถุที่มีประจุระดับนาโนคูลอมบ์ถึงไมโครคูลอมบ์
  
 
 
      
  
 
   
 
 
     
 
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Comments