Data Loading...
ไฟฟ้าสถิต (Electrostatic) Flipbook PDF
ไฟฟ้าสถิต (Electrostatic)
216 Views
414 Downloads
FLIP PDF 1.22MB
คํานํา หนังสือเล่มนี้เป็ นหนังสือสรุปความรู้สาํ หรับผู้ท่จี ะศึกษา วิชาเคมีเรื่องไฟฟ้ าสถิต ในรูปแบบ E-BOOKเพื่อศึกษาได้ ง่ายและได้ รวบรวมสูตรที่ เกี่ยวข้ องในบทนี้ไว้ ท้ายบท ทําให้ ผ้ ูท่ตี ้ องการศึกษาด้ วย ตนเองมีความเข้ าใจมากขึ้น
ประจุไฟฟ้า (Electric Charges)
Benjamin Franklin (1706–1790) จําแนกชนิดประจุไฟฟ้ าเป็ น 2 ชนิด คือ ประจุลบ และ ประจุบวก ประจุลบ คือประจุที่ประกอบไปด้วยอิเล็กตรอน ประจุบวก คือประจุที่ประกอบด้วยโปรตอน แรงระหว่างประจุ: ประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน ประจุต่างชนิดกันจะดูดกัน วัตถุที่มีประจุบวกมากกว่าประจุลบจะแสดงอํานาจ ไฟฟ้ าบวก วัตถุที่มีประจุลบมากกว่าประจุบวกจะแสดงอํานาจ ไฟฟ้ าลบ วัตถุที่มีประจุบวกเท่ากับประจุลบจะแสดงอํานาจ ไฟฟ้ าเป็ นกลาง 1
ประจุไฟฟ้า (Electric Charges)
จํานวนประจุไฟฟ้ าของวัตถุใดๆ จะมีค่าเป็ นจํานวน เท่าของประจุ พื้นฐานที่เล็กที่สุด คือ อิเล็กตรอน (e) ค่าประจุ e = 1.6x10-19 คูลอมบ์ สมบัติของอนุภาค โปรตอน นิวตรอน และ อิเล็กตรอน
2
กฎการอนุรักษ์ ประจุไฟฟ้ า
ประจุจะเป็ นปริ มาณที่อนุรักษ์โดยไม่สามารถสร้าง ขึ้นใหม่ได้หรื อสูญหายไปไหนโดยประจุที่เกิดขึ้น ไม่ใช่การสร้างขึ้นใหม่ แต่เป็ นการย้ายประจุจากที่ หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง และผลรวมของจําานวน ประจุท้งั หมดของระบบที่พิจารณาจะต้องเท่าเดิม เสมอ
3
กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)
Charles Coulomb เป็ นผู้เสนอกฎของคู ลอมบ์ ซึ่งกล่าวถึงแรงกระทําาระหว่างประจุดงั นี้ • แรงระหว่างประจุจะเป็ นปฏิภาคโดยตรงกับ ขนาดของประจุแต่เป็ นปฏิภาคผกผันกับระยะทาง ระหว่างประจุ • แรงระหว่างประจุจะเป็ นแรงดูดถ้ าเป็ นประจุต่าง ชนิดกันและเป็ นแรงผลักถ้ าเป็ นประจุนิดเดียวกัน • ทิศของแรงจะอยู่ในแนวเส้ นตรงที่เชื่อมระหว่าง ประจุท้งั สอง
4
กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)
5
กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)
6
กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)
7
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
Faraday เป็ นผู้เสนอแนวความคิดของ สนามไฟฟ้ าโดยกล่าวว่าจะเกิดสนามไฟฟ้ าขึ้นรอบๆ จากขวัตถุท่มี ีประจุซ่งึ เรียกว่าประจุต้นกําเนิด (source charge ) ถ้ านําประจุทดสอบ (test charge ) q0 เข้ า มาในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้ าจะเกิดแรงกระทําต่อ ประจุทดสอบ ขนาดของสนามไฟฟ้ าจะมีค่าเท่ากับอัตราส่วนของ แรงที่สนามนั้นกระทํากับประจุทดสอบต่อหนึ่งหน่วย ประจุทดสอบ
8
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
9
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
10
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
11
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
12
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
13
สนามไฟฟ้า (Electric Field)
14
การเหนี่ยวนําประจุไฟฟ้ า การทําให้ วัตถุมีประจุไฟฟ้ าโดยการเหนี่ยวนํา ทําได้ โดยการนําวัตถุซ่ึงมีประจุไฟฟ้ าเข้ าไปใกล้ ๆ วัตถุท่เี ป็ นกลางจะทําให้ เกิดการเนี่ยวนําให้ ประจุไฟฟ้ าที่อยู่ในวัตถุท่เี ป็ นกลางเกิดการ จัดเรียงตัวใหม่ เนื่องจากแรงทางคูลอมบ์ เป็ น ผลทําให้ วัตถุท่เี ป็ นกลางจะมีประจุไฟฟ้ าเกิดขึ้น โดยประจุไฟฟ้ าที่เกิดขึ้นตรงด้ านใกล้ กบั วัตถุ ที่มาเหนี่ยวนําจะเป็ นชนิดตรงกันข้ ามกับประจุ ที่มาเหนี่ยวนํา และด้ านไกลกับวัตถุท่มี า เหนี่ยวนําจะเกิดประจุชนิดเดียวกัน เช่น การทําให้ มีประจุไฟฟ้ าบวกบนวัตถุ ตัวนําทรงกลม โดยวิธกี ารเหนี่ยวนํา มีวิธกี าร ดังนี้ 15
1. การเหนี่ยวนํา ต่อสายดิน และตัดสายดิน
รูปการทําให้ วัตถุทรงกลมตัวนํามีประจุไฟฟ้ าบวก โดย วิธกี ารเหนี่นวนํา รูป (a) นําวัตถุท่มี ีประจุไฟฟ้ าลบเข้ ามา(ใกล้ ๆ)วัตถุ ทรงกลม เหนี่ยวนําทําให้ แยกประจุออกเป็ น 2 ส่วน รูป (b) ต่อสายดิน(หรืออาจใช้ มือแตะ)เข้ าที่วัตถุ ตัวนําทรงกลม รูป (c) อิเลกตรอนจากวัตถุตัวนําทรงกลม จะถูกผลัก ลงสู่พ้ ืนดิน แล้ วจึงตัดสายดินออก รูป (d) เมื่อนําวัตถุท่มี ีประจุลบออกไป อิเล็กตรอน จากพื้นดินกลับขึ้นมาบนตัวนําทรงกลมไม่ได้ ทาํ ให้ วัตถุ ตัวนําทรงกลมมีประจุไฟฟ้ าเป็ นบวก
16
2. การเหนี่ยวนําบนวัตถุตัวนําหลายอันวางชิด กัน แล้ วแยกออกจากกัน
รูป (1) ทรงกลมตัวนํา 2 อันวางชิดกัน พื้นฉนวน ป้ องกันการถ่ายเทประจุกบั พื้น รูป (2) และ (3) นําวัตถุมีประจุลบเจ้ ามาใกล้ ทรง กลมลูกหนึ่ง ทําให้ เกิดการเหนี่ยวนําประจุไฟฟ้ า (อิเล็กตรอน จะถูกผลักไปอยู่บนทรงกลมลูกที่อยู่ไกล) รูป (4) แยกทรงกลมตัวนําออกจากกัน (ยังไม่เอาวัตถุ มีประจุลบออกไป) รูป (5) นําวัตถุท่มี ีประจุลบออกไป จะได้ ทรงกลม ตัวนําลูกแรกมีประจุบวก ซึ่งเป็ นชนิดตรงกันข้ ามกับ วัตถุท่เี อาเข้ ามาใกล้ และทรงกลมลูกไกลจะมีประจุลบ ชนิดเดียวกับวัตถุนาํ เข้ ามาใกล้
17
ศักย์ไฟฟ้ า หรือ เรียกว่าศักดาไฟฟ้ า คือระดับของ พลังงานศักย์ไฟฟ้ า ณ จุดใดๆ ในสนามไฟฟ้ า จากรูป ศักย์ไฟฟ้ าที่ A สูงกว่าศักย์ไฟฟ้ าที่ B เพราะว่า พลังงานศักย์ไฟฟ้ าที่ A สูงกว่าที่ B
ศักย์ไฟฟ้ ามี 2 ชนิด คือ ศักย์ไฟฟ้ าบวก เป็ นศักย์ของ จุดที่อยู่ในสนามของประจุบวก และศักย์ไฟฟ้ าลบ เป็ น ศักย์ของจุดที่อยู่ในสนามของประจุลบเมื่อประจุต้น กําเนิดเป็ นประจุบวก ศักย์ไฟฟ้ าจะมีค่ามากเมื่อใกล้ ประจุต้นกําเนิด และมีค่าน้ อยลง เมื่อห่างออกไป จนกระทั่งเป็ นศูนย์ท่ี ระยะอนันต์ (infinity)
18
รูป ศักย์ไฟฟ้ าที่ a สูงกว่าศักย์ไฟฟ้ าที่ b เมื่อประจุต้นกําเนิดเป็ นประจุลบ ศักย์ไฟฟ้ าจะมีค่า น้ อยเมื่อใกล้ ประจุต้นกําเนิด และมีค่ามากขึ้น เมื่อ ห่างออกไป จนกระทั่งเป็ นศูนย์ท่ี ระยะอนันต์ (infinity) รูป ศักย์ไฟฟ้ าที่ a ตํ่ากว่าศักย์ไฟฟ้ าที่ b ในการวัดศักย์ไฟฟ้ า ณ จุดใดๆ วัดจากจํานวน พลังงานศักย์ไฟฟ้ า ที่เกิดจากการเคลื่อนประจุ ทดสอบ +1 หน่วย จากระยะอนันต์ไปยังจุดนั้น ดังนั้น จึงให้ นิยามของศักย์ไฟฟ้ าได้ ว่า ” ศักย์ไฟฟ้ า ณ จุดใดๆ ในสนามไฟฟ้ า คือ พลังงาน ที่ส้ นิ เปลืองไปในการเคลื่อนประจุ ทดสอบ +1 หน่วยประจุจาก infinity มายังจุดนั้น หรือจาก จุดนั้นไปยัง infinity ” ศักย์ไฟฟ้ ามีหน่วยเป็ น จูลต่อคูลอมบ์ หรือโวลต์สมการคํานวณหาศักย์ไฟฟ้ า ณ จุดหนึ่ง 19
20
พลังงานศักย์ไฟฟ้ า พลังงานศักย์ไฟฟ้ า คือ พลังงานของประจุขนาด q อยู่ในตําเเหน่งใดๆของสนามไฟฟ้ า หรือมีค่าเท่ากับ งานในการเลื่อนประจุ q จากตําแหน่งที่มีพลังงาน ศักย์ไฟฟ้ าเป็ นศูนย์(ระยะอนันต์) มายังตําแหน่งหนึ่ง ในสนามไฟฟ้ า จากรูป ถ้ าวางประจุไฟฟ้ า q ที่ตาํ แหน่ง x จะมี พลังงานศักย์ไฟฟ้ าของประจุเท่ากับ Ep1 เมื่อวาง ประจุ q ที่ตาํ แหน่ง y จะมีพลังงานศักย์ไฟฟ้ าของ ประจุเท่ากับ Ep2 เมื่อประจุ q เคลื่อนที่ระหว่าง ตําแหน่ง x กับ y จะเกิดงาน (W) เท่ากับผลต่าง ของพลังงานศักย์ไฟฟ้ าระหว่าง x กับ y
21
การหาค่าพลังงานศักย์ไฟฟ้ า
22
หมายเหตุ ศักย์ไฟฟ้ า เป็ นปริมาณสเกลาร์ ซึ่งไม่มี ทิศทาง ในการคํานวณเกี่ยวกับศักย์ไฟฟ้ านั้น ต้ อง ใส่เครื่องหมายของประจุไฟฟ้ าด้ วย เพราะ ศักย์ไฟฟ้ ามีค่าทั้ง บวก และ ลบ ตามชนิดของประจุ ไฟฟ้ า และ เวลาหาผลรวมของศักย์ไฟฟ้ า ให้ ใช้ การ รวมแบบสเกลาร์ 23
24