สรุปไฟฟ้าสถิต (Static electricity)

ไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิต หรือ Static electricity เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากความไม่สมดุลของปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบภายในวัสดุหรือบนพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งประจุไฟฟ้าเหล่านั้นจะยังคงอยู่จนกระทั่งเกิดการเคลื่อนที่หรือมีการถ่ายเทประจุ (Electrostatic Discharge)

ประจุไฟฟ้า

คือ อำนาจทางไฟฟ้า ซึ่งมี 2 ชนิด ได้แก่

• ประจุบวก ที่จำนวนโปรตอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอน
• ประจุลบ ที่จำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน

ซึ่งวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า จะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล้กตรอน

แรงระหว่างประจุ

มี 2 แบบ ได้แก่ แรงดูดและแรงผลัก

แรงดูด: วัตถุที่มีประจุต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน

แรงผลัก: วัตถุที่มีประจุเหมือนกันจะผลักกัน

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

แรงระหว่างประจุไฟฟ้าคำนวณได้จาก:

F: แรงระหว่างประจุไฟฟ้า (หน่วย: นิวตัน)

k : (หน่วยของมันคือ นิวตันเมตรสองต่อคูลอมบ์สอง (N·m²/C²).)

q1, q2: ประจุไฟฟ้าของวัตถุสองวัตถุ (หน่วย: คูลอมบ์)

r: ระยะห่างระหว่างประจุ (หน่วย: เมตร)

สนามไฟฟ้า (Electric Field)

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

ทิศทางของสนามไฟฟ้า: ตามทิศทางแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าทดสอบ

หน่วยของสนามไฟฟ้า: โวลต์ต่อเมตร (V/m)

คำนวณสนามไฟฟ้าจากแรงต่อประจุ:

E: สนามไฟฟ้า

F: แรงที่กระทำต่อประจุทดสอบ

q: ประจุของวัตถุทดสอบ.

คำนวณสนามไฟฟ้าต่อประจุถ้ามีระยะห่าง:

E: สนามไฟฟ้า

k: ค่าคงที่ของคูลอมบ์

q: ประจุที่สร้างสนามไฟฟ้า

r: ระยะห่างจากประจุไปยังจุดที่วัด

เส้นสนามไฟฟ้า (Electric Field Line)

สนามไฟฟ้าคือบริเวณรอบๆ ประจุไฟฟ้าที่มีผลกระทำต่อประจุไฟฟ้าอื่น ๆ ที่วางอยู่ในบริเวณนั้น

มีคุณสมบัติ ดังนี้

• ประจุบวก: เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งออก
• ประจุลบ: เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งเข้า
• มีทั้งประจุบวกและประจุลบ: เส้นสนามจะพุ่งจากบวกไปลบ
• เส้นสนามไฟฟ้าจะไปหยุดนิ่งที่ผิวของตัวนำทรงกลม ไม่พุ่งเข้าไปข้างใน
• หน่วยของสนามไฟฟ้า: โวลต์ต่อเมตร (V/m)

จุดสะเทิน คืออะไร

เป็นบริเวณที่ไม่มีสนามไฟฟ้า เนื่องจากทิศทางของสนามไฟฟ้า 2 บริเวณขึ้นไป มีทิศทางตรงกันข้ามกัน และขนาดพอๆกันหรือขนาดพอดีที่ทำให้สนามไฟฟ้าหักล้างกันหมด

แรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในสนาม

สนามไฟฟ้าแม่เหล็กคู่ขนานคำนวณได้จาก:

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”

คำนวณศักย์ไฟฟ้าที่จุดหนึ่งๆ:

V: ศักย์ไฟฟ้าที่จุดนั้น

k: ค่าคงที่ของคูลอมบ์

q: ประจุไฟฟ้า

r: ระยะห่างจากประจุไฟฟ้า

หาความต่างศักย์ไฟฟ้า (ΔV)ได้จาก:

ΔV: ความต่างศักย์ไฟฟ้า

E: ความแรงของสนามไฟฟ้า

d: ระยะทางที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุและความจุไฟฟ้า (Capacitor and Capacitance)

• ตัวเก็บประจุ: ตัวนำที่ทำหน้าที่เก็บประจุ
• ความจุไฟฟ้า: อัตราส่วนของประจุต่อศักย์ไฟฟ้า

ความจุไฟฟ้า (Capacitance)

ความจุไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติของตัวเก็บประจุที่บ่งบอกถึงความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า

ความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้าคำนวณได้จาก:

C: ความจุไฟฟ้า

Q: ประจุไฟฟ้าที่เก็บได้

V: ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุ

พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ (Energy Stored in a Capacitor)

พลังงานที่สะสมในตัวเก็บประจุสามารถคำนวณได้จากสูตร:

W: พลังงานที่สะสม

C: ความจุไฟฟ้า

V: ความต่างศักย์ไฟฟ้า

การต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรม (Series Connection of Capacitors)

เมื่อต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ประจุที่เก็บได้ในแต่ละตัวเก็บประจุเป็นเท่ากัน และความต่างศักย์ไฟฟ้ารวมคือผลรวมของความต่างศักย์ไฟฟ้าของแต่ละตัวเก็บประจุ

ความจุรวมCtotal คำนวณได้จาก:

การต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน (Parallel Connection of Capacitors)

ในการต่อตัวเก็บประจุแบบขนาน ความต่างศักย์ไฟฟ้าของแต่ละตัวเก็บประจุเท่ากัน และประจุไฟฟ้ารวมเป็นผลรวมของประจุไฟฟ้าของแต่ละตัวเก็บประจุ

ความจุรวมCtotal  คำนวณได้จาก:

ผลรวมของCtotal จะตรงข้ามกับ Rtotal

เขียนโดย นางสาวนวพร เมืองแก ม.5/3 เลขที่27