【ฉบับพิมพ์นักเรียน รุ่นใหม่】ฟิสิกส์ มัธยมปลาย รายวิชาบังคับ ชั้นปีที่ 3: สำรวจโลกเล็กๆ ที่ซ่อนอยู่: ต้นกำเนิดของประจุไฟฟ้าและธรรมชาติเชิงอนุภาคของการที่วัตถุเก็บประจุ

ภายใต้ผิวหน้าที่ดูแข็งแกร่งของสรรพสิ่งในจักรวาลนั้น ซ่อนอยู่โลกแห่งไฟฟ้าที่ไม่หยุดนิ่ง สารที่มีประจุไฟฟ้าไม่ได้ถือกำเนิดขึ้นมาเองโดยไม่มีเหตุผล แต่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสมดุลของอนุภาคในระดับเล็กๆ ภายในวัสดุการรบกวนสมดุลของอนุภาคในระดับเล็กๆ។

1. ตัวพาประจุไฟฟ้าในระดับอนุภาค

อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ในการนำไฟฟ้าของโลหะ อิเล็กตรอนจากชั้นนอกบางส่วนจะหลุดจากแรงยึดเหนี่ยว และกลายเป็นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อิสระภายในวัสดุโลหะ ราวกับเป็นมหาสมุทรอิเล็กตรอนอิสระและอะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะกลายเป็นไอออนที่ถูกตรึงอยู่ที่ตำแหน่งของโครงสร้างผลึกไอออน។

2. ภาพทางกายภาพของการเกิดประจุไฟฟ้า

การเกิดประจุไฟฟ้าโดยการถูความแตกต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนระหว่างวัสดุต่างชนิดกัน เมื่อถู กัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนย้ายจากวัตถุที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่ำไปยังวัตถุที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวสูง ทำให้วัตถุทั้งสองมีประจุต่างชนิดกันเท่ากัน
การเกิดประจุไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำโดยใช้การเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าสถิตเพื่อให้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อิสระในตัวนำไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงการกระจายตัวภายใต้สนามไฟฟ้าภายนอก บริเวณใกล้กับวัตถุที่มีประจุจะเกิดประจุต่างชนิดกัน ส่วนบริเวณไกลออกไปจะเกิดประจุชนิดเดียวกัน

3. การวัดปริมาณประจุไฟฟ้า

เราใช้ปริมาณประจุไฟฟ้า (Electric quantity) เพื่ออธิบายปริมาณประจุไฟฟ้าที่วัตถุเก็บไว้ โดยหน่วยสากลคือคูลอมบ์ (C)โดยใช้เครื่องตรวจจับประจุไฟฟ้า (Electroscope)เราสามารถสังเกตความเข้มข้นของประจุไฟฟ้าได้จากขนาดมุมของแผ่นโลหะ โดยการเปรียบเทียบอย่างไม่ละเอียด จำไว้ว่า ประจุไฟฟ้ามีกฎพื้นฐานเสมอว่า 'เหมือนกันผลักกัน ต่างกันดึงดูด'

คำถามที่ 1

ข้อความใดต่อไปนี้ถูกต้องเกี่ยวกับความเข้มของสนามไฟฟ้า:

ความเข้มของสนามไฟฟ้า $E$ ถูกกำหนดโดยสนามไฟฟ้าเอง ไม่ขึ้นกับประจุทดลอง $q$ ที่วางไว้

ความเข้มของสนามไฟฟ้า $E$ สัมพันธ์โดยตรงกับแรงไฟฟ้า $F$ ที่กระทำต่อประจุทดลอง $q$

หากในจุดหนึ่งของสนามไฟฟ้าไม่มีการวางประจุทดลองไว้ จุดนั้นจะไม่มีความเข้มของสนามไฟฟ้า

ทิศทางของความเข้มของสนามไฟฟ้าจะต้องเหมือนกับทิศทางของแรงไฟฟ้าเสมอ

คำถามที่ 2

ในฤดูอากาศแห้ง ถอดเสื้อผ้าออกแล้วแตะกับราวประตูโลหะ มักจะได้รับประจุไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ประเภทใด?

การเกิดประจุไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำ

การเกิดประจุไฟฟ้าจากการสัมผัส

การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการเกิดประจุไฟฟ้าโดยการถู

ประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยไม่มีเหตุผล

คำถามที่ 3

ตามรูป นำทรงกลมตัวนำที่มีประจุบวก $Q$ ชื่อ $C$ เข้าใกล้ตัวนำรูปหมอนที่ไม่มีประจุ ถ้าแบ่งตัวนำออกเป็นสองส่วน $A$ และ $B$ ตามเส้นแบ่งกลาง ความสัมพันธ์ของปริมาณประจุไฟฟ้าของทั้งสองส่วนเป็นอย่างไร:

$Q_A = Q_B$

$Q_A = -Q_B$

$Q_A > Q_B$

$Q_A < Q_B$

คำถามที่ 4

ข้อความใดต่อไปนี้ถูกต้องเกี่ยวกับประจุพื้นฐาน (เมืองอิเล็กตรอน)

ประจุพื้นฐานหมายถึงอิเล็กตรอนหรือโปรตอนตัวเอง

ปริมาณประจุไฟฟ้าของวัตถุทุกชนิดเป็นจำนวนเต็มที่เป็นผลคูณของประจุพื้นฐาน $e$

ค่าของประจุพื้นฐานมักจะใช้ค่า $1.60 \times 10^{-23} \text{ C}$

ประจุพื้นฐานสามารถแยกได้โดยวิธีการเกิดประจุไฟฟ้าโดยการถู

คำถามที่ 5

แผ่นโลหะของเครื่องตรวจจับประจุไฟฟ้าจะเปิดออก เพราะว่า:

แผ่นโลหะได้รับแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วง

ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน

ประจุต่างชนิดดึงดูดกัน

ลมพัดเปิดแผ่นโลหะ

การวิเคราะห์การทดลองรวม: การถ่ายโอนประจุไฟฟ้าและการคำนวณสมดุล

ใช้แบบจำลองระดับอนุภาคและการสมดุลแรงเพื่อแก้ปัญหาฟิสิกส์ในชีวิตจริง

การทดลองที่ 1: นำตัวนำ $A$ และ $B$ ที่รองรับด้วยฉนวนมาสัมผัสกัน จากนั้นนำทรงกลมที่มีประจุบวก $C$ มาใกล้ $A$ แล้วแยก $A$ และ $B$ ออกจากกัน พบว่า $A$ มีประจุ $-1.0 \times 10^{-8} \text{ C}$ การทดลองที่ 2: ตามรูปที่ 9-3 ใช้เส้นลวดฉนวนยาว $2.0\text{ m}$ ห้อยวัตถุเล็กที่มีประจุไฟฟ้า มวล $4.5 \times 10^{-3}\text{ kg}$ ไว้ในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ เมื่อสมดุล วัตถุเบนจากแนวตั้งฉาก $2.0\text{ cm}$

คำถาม

1. ในทดลองที่ 1 อิเล็กตรอนถ่ายโอนกันอย่างไร? มีจำนวนอิเล็กตรอนกี่ตัวที่ถ่ายโอน?

คำตอบ:
เนื่องจาก $A$ มีประจุลบ แสดงว่าอิเล็กตรอนถ่ายโอนมาจาก $B$ ไปยัง $A$ ตามสูตร $n = \frac{|Q|}{e} = \frac{1.0 \times 10^{-8}}{1.6 \times 10^{-19}} = 6.25 \times 10^{10}$ ตัว ดังนั้น $A$ ได้รับอิเล็กตรอน $6.25 \times 10^{10}$ ตัว และ $B$ สูญเสียอิเล็กตรอนในจำนวนเท่ากัน

คำถาม

2. ในทดลองที่ 2 หากความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ $1.5 \times 10^{5}\text{ N/C}$ วัตถุเล็กจะมีประจุไฟฟ้าเท่าใด?

คำตอบ:
กำหนดมุมเบนของวัตถุเล็กเป็น $\theta$ เนื่องจาก $L=2.0\text{ m}$, $d=0.02\text{ m}$ และ $\theta$ มีค่าน้อยมาก จึงประมาณได้ว่า $\tan\theta \approx \sin\theta = \frac{d}{L} = 0.01$ ตามเงื่อนไขสมดุล $qE = mg \tan\theta$ แทนค่า: $q = \frac{4.5 \times 10^{-3} \times 10 \times 0.01}{1.5 \times 10^5} = 3.0 \times 10^{-9} \text{ C}$ ดังนั้น ประจุไฟฟ้าของวัตถุเล็กคือ $3.0 \times 10^{-9} \text{ C}$