ประจุไฟฟ้าอิสระ

ประจุไฟฟ้าอิสระ

ภาพ หมู่บินธันเดอร์เบิร์ด 
ที่มา ไทยรัฐ

         เมื่อหลายปีก่อนมี หมู่บินผาดแผลงชื่อ "ธันเดอร์เบิร์ด Thunderbirds" หรือ "วิหคสายฟ้า" ซึ่งเป็นฝูงบินสาธิตของกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกามาแสดงที่ประเทศไทย ชื่อของหมู่บินมาจากชื่อของนกยักษ์ในตำนานของอินเดียแดง เชื่อว่า มีปีกกว้างถึง 8 เมตร เวลากระพือปีกจะทำให้เกิดฟ้าร้อง ฟ้าแลบได้ และจะแกะสลักเป็นรูปนกธันเดอร์ที่หัวเสาอินเดียแดง

ภาพ นกธันเดอร์ที่หัวเสาอินเดียแดง
ที่มา https://th.wikipedia.org/wiki/Thunderbird_on_Totem_Pole.jpg

        ซึ่งนกธันเดอร์เบิร์ดถูกนำมาสร้างในภาพยนตร์เรื่อง AVATAR ชื่อ โทรุค มัคโต ซึ่งมีขนาดลำตัวและปีกใกล้เคียงกับ ธันเดอร์เบิร์ด แต่แตกต่างตรงที่ไม่ทำให้เกิดฟ้าแลบเวลากระพือปีก แต่ทำสามารถพ่นไฟได้แทน

        จริงๆ แล้วการเกิดฟ้าแลบ เป็นปรากฏการณ์ที่พบในธรรมชาติ ซึ่งเกิดจากการที่ประจุไฟฟ้าอิสระที่เกิดขึ้นในอากาศเกิดการเคลื่อนที่อากาศ

ประจุไฟฟ้ามาจากไหน

          โดยปกติอะตอมจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า นั่นคือ มีประจุบวกและประจุลบในอะตอมเท่ากันจึงไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้า เมื่อวัตถุได้รับพลังงานจะทำให้อิเล็กตรอนหรือไอออนอิสระเกิดการเคลื่อนที่ ส่งผลให้จำนวนประจุลบและประจุบวกไม่เท่ากัน เรียกว่า วัตถุมีประจุ  (charge  body) วัตถุที่มีประจุจะแสดงอำนาจไฟฟ้าตามชนิดของประจุที่มากกว่า เรียกว่า ประจุอิสระ  (Free charge) โดยประจุอิสระจะเท่ากับผลต่างของจำนวนประจุบวกกับประจุลบที่มีอยู่จริง

การเกิดประจุอิสระทำได้อย่างไร

            การทำให้วัตถุมีประจุสามารถทำได้หลายวิธีแต่ในที่นี้จะนำเสนอเพียง 3 แบบ คือ

1. การเกิดประจุโดยการขัดถู (charging  by  friction)  คือ การนำวัตถุต่างชนิดถูกัน เช่น นำผ้าสักหลาดมาถูกับแผ่นพีวีซี งานของแรงที่ใช้ถู ทำให้อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนไปยังอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้าไปจะมีประจุลบส่วนวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนไปจะมีประจุบวก อาจจะทดลองอย่างง่ายด้วยการนำลูกโป่งมาถูกับศีรษะ  สังเกตเส้นผมจะติดไปกับลูกโป่งดังภาพ  

ภาพ การเกิดประจุโดยการนำลูกโป่งถูกับเส้นผม
ที่มา  https://www.youtube.com/watch?v=zzg4Z2Bwdws

2. การเกิดประจุโดยการสัมผัส  (charging by conduction) คือ การนำวัตถุตัวนำที่มีประจุอิสระอยู่ มาสัมผัสกับตัวนำที่เราต้องการ จะให้เกิดมีประจุอิสระ โดยการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างตัวนำทั้งสอง และในที่สุดตัวนำทั้งสองต่างจะมีประจุอิสระ เราอาจจะทดลองง่ายๆ ด้วยการนำคอนเฟล็กวางบนโต๊ะพยายามกระจายคอนเฟล็กให้ไม่ซ้อนทับกันใช้แผ่นพลาสติกใสวางบนคอนเฟล็กให้ห่างจากคอนเฟล็ก ประมาณ 1 นิ้ว ใช้ผ้าขนสัตว์ถูบนแผ่นพลาสติกใส คอนเฟล็กจะดูดติดขึ้นมาติดกับแผ่นพลาสติก

ภาพการทำให้วัตถุตัวนำเกิดประจุไฟฟ้าอิสระโดยการแตะหรือสัมผัส

ภาพ การเกิดประจุโดยการขัดถูบนแผ่นพลาสติก
ที่มา https://www.youtube.com/watch?v=zzg4Z2Bwdws

3. การเกิดประจุโดยการเหนี่ยวนำ (charge by induction) คือ การนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าชนิดหนึ่งไปใกล้วัตถุที่เป็นกลาง แล้วทำให้เกิดประจุชนิดตรงข้ามบนวัตถุนี้ ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า ประจุเหนี่ยวนำ (induced charge) การทดลองที่เรามักจะพบเห็นคือการนำหวีพลาสติกมาถูกับผ้าสักหลาด แล้วนำไปใกล้กับกระดาษชิ้นเล็กๆ พบว่า กระดาษชิ้นเล็กๆ ดูดติดขึ้นมากับหวี
   

   ภาพ อธิบายการเกิดประจุโดยการเหนี่ยวนำ
   ที่มา หนังสือ Physics for Scientists and Engineers with Modern 

ภาพ อธิบายการทดลองหวีดูดกระดาษชิ้นเล็กๆ
ที่มา หนังสือ Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics

ประจุบวกและประจุลบเกิดขึ้นอย่างไร

         เป็นที่ทราบกันดีอยู่ว่าอะตอมนั้นเป็นกลางทางไฟฟ้า คือ มีประจุบวกและประจุลบเท่ากัน ถ้าอะตอมนั้นสูญเสียประจุลบไปทำให้ประจุบวกเกินมาอะตอมจึงแสดงอำนาจทางไฟฟ้าเป็นบวก ลองคิดย้อนไปถึงวิชาเคมีเมื่อสูญเสียประจุไปก็จะแสดงไอออนบวก ในทำนองเดียวกันถ้าอะตอมรับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นมา ทำให้อะตอมนั้นขาดความเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงแสดงอำนาจทางไฟฟ้าเป็นลบ

         จากการทดลองจับคู่วัตถุมาถูกัน พบว่าวัตถุแต่ละชนิดมีความยากง่ายในการสูญเสียอิเล็กตรอนต่างกันและยังขึ้นอยู่กับคู่ของวัตถุที่นำมาถูกันด้วย จากการทดลองนำวัตถุต่างชนิดที่เป็นคู่ที่เหมาะสมกันมาถูกันแล้วจัดเรียงลำดับตามความยากง่ายในการสูญเสียอิเล็กตรอน ดังตารางโดยวัตถุในลำดับสูงกว่าจะสูญเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเมื่อจับคู่มาถูกัน วัตถุในลำดับสูงกว่าจึงมีประจุไฟฟ้าเป็นประจุบวก ขณะที่วัตถุในลำดับต่ำกว่าจะมีประจุไฟฟ้าเป็นประจุลบ เช่น เมื่อถูแก้วผิวเกลี้ยง (ลำดับ 7) ด้วยขนสัตว์ (ลำดับ1) ผ้าขนสัตว์มีลำดับสูงกว่าแก้วผิวเกลี้ยง ผ้าขนสัตว์จึงมีประจุบวก ส่วนแก้วผิวเกลี้ยงมีประจุลบ นั่นแสดงว่าผ้าขนสัตว์เสียอิเล็กตรอนไปให้กับแก้วผิวเกลี้ยง ประจุบวกจึงเกินมาในผ้าขนสัตว์ ส่วนประจุลบถูกถ่ายเทไปยังแก้วผิเกลี้ยง

        แต่ถ้าถูแก้วผิวเกลี้ยง  (ลำดับ7) ด้วยผ้าแพร (ลำดับ 10) แก้วผิวเกลี้ยงมีลำดับสูงกว่าผ้าแพร แก้วผิวเกลี้ยงจึงมีประจุไฟฟ้าบวกส่วนผ้าแพรจะมีประจุไฟฟ้าลบ เป็นเพราะรับอิเล็กตรอนมาจากแก้วผิวเกลี้ยงนั่นเอง   

         ตารางแสดงการเรียงลำดับวัตถุที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตโดยการถู

        การถ่ายโอนประจุระหว่างคู่วัตถุที่นำมาถูกันเป็นผลจากเปลี่ยนรูปจากงานหรือพลังงานกลจากการ    ถูไปเป็นความร้อนแล้วถ่ายโอนให้กับอิเล็กตรอนของอะตอมบริเวณที่ถูกัน ทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนสูงขึ้นจนหลุดเป็นอิสระจากอะตอมและถ่ายโอนไปยังอีกวัตถุหนึ่ง อะตอมของวัตถุที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจึงมีประจุเป็นลบ ส่วนอะตอมของวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนจะมีประจุบวก การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าจึงไม่ใช่การสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการถ่ายโอนประจุจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง โดยที่ผลรวมของปริมาณประจุทั้งหมดของระบบยังคงเท่าเดิมซึ่งเรียกว่า กฎการอนุรักษ์ของประจุไฟฟ้า (Law of Conservation of Charge)