เรื่องเล่า "ไฟฟ้าสถิต" ตอนการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

เรื่องเล่าไฟฟ้าสถิตตอนแรก ได้พูดถึงปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าสถิต นั่นคือ แท่งอำพันสามารถดูดวัตถุชิ้นเล็กๆ ได้ เอาใกล้ๆ ตัวเราหน่อยเพราะบ้านเราหาแท่งอำพันได้ยาก เราใช้หวีนี่แหละ เอามาหวีผมดูในวันอากาศแห้งๆ หรือไม่ในห้องแอร์ก็ได้ แล้วเอามาดูดกระดาษชิ้นเล็กๆ ที่เราฉีกไว้

ลองตั้งคำถามที่จริงจังขึ้นอีกนิดว่า แล้วมันดูดกันได้อย่างไร ในเมื่อกระดาษชิ้นเล็กๆ มันยังไม่ได้รับการชาร์จให้มีประจุไฟฟ้า หรือเอาไปขัดสีกับอะไรทั้งสิ้น หรือพูดตามภาษาคูลอมบ์ก็คือ ให้ \(Q_{A}\) หมายถึงประจุไฟฟ้าบนหวีที่ขัดสีกับผมจนเกิดประจุไฟฟ้าสุทธิ ซึ่งมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ ส่วน \(Q_{B}\) ให้เป็นประจุไฟฟ้าสุทธิบนชิ้นกระดาษเล็กๆ ซึ่งมีค่าเป็นศูนย์ เพราะไม่ได้ถูกขัดสีหรือให้ประจุมาก่อน ตามกฎแห่งแรงไฟฟ้า แรงนี้ย่อมมีค่าเป็นศูนย์เพราะว่า \(Q_{A} \times Q_{B} = 0 \) ดังนั้นแรงระหว่างหวี(ที่เพิ่งการหวีผมมาใหม่ๆ)กับชิ้นกระดาษไม่ควรเกิดขึ้น แต่จากการสังเกตเราจะเห็นแรงนี้เกิดขึ้น แล้วเราจะอธิบายมันได้อย่างไร

ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจในโมเดลประจุ ที่ครูเลยเล่าไปในตอนแรกเสียก่อน ที่กล่าวว่า "วัตถุต่างก็ประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าสองชนิดในปริมาณที่เท่ากัน ซึ่งปกติ(หากไม่ถูกสิ่งใดรบกวน) มันก็ไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้าของประจุใดประจุหนึ่งออกมา หักลบกลบกันพอดีว่างั้นเถอะ แต่ในกรณีที่มีวัตถุอื่นที่มีอำนาจทางไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้าชนิดใดชนิดหนึ่งมาจ่อไว้ใกล้ๆ (ยังไม่แตะนะ) การจัดเรียงตัวของประจุไฟฟ้าในวัตถุที่เป็นกลางนี้จะมีการเปลี่ยนแปลง ยกตัวอย่างในกรณีที่กล่าวไว้ตอนต้นก็แล้วกัน เช่น ในกรณีของหวีที่ผ่านการหวีหรือแปรงผมมาแล้วสมมติว่ามันมีประจุไฟฟ้าสุทธิเป็นลบ เสร็จแล้วเราเอาหวีที่มีประจุไฟฟ้าลบนี้มาจ่อไว้ใกล้ๆ กับกระดาษ ประจุลบบนกระดาษมันจะไม่ชอบประจุลบบนหวี มันจึงพยายามที่จะเคลื่อนที่ให้ไกลที่สุดจากประจุลบบนหวี เมื่อเป็นเช่นนี้ อีกซีกหนึ่งของกระดาษฝั่งที่ใกล้กับหวีจึงเหลือแต่ประจุบวก ส่วนอีกฝั่งที่ไกลออกจากหวีก็จะมีประจุลบในปริมาณที่เท่ากัน กล่าวคือกระดาษทั้งชิ้นนั้นประจุสุทธิยังคงมีค่าเป็นศูนย์เช่่นเดิม แต่การจัดเรียงตัวเช่นนี้ของประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงขึ้นสองแรง คือแรงดูดจากประจุลบบนหวีกับประจุบวกบนกระดาษซีกที่ใกล้หวี กับแรงผลักจากประจุลบของหวีกับประจุลบบนกระดาษฝั่งที่ไกลจากหวี ซึ่งแรงสองแรงนี้แรงดูดจะมีค่ามากกว่าเพราะผลของความใกล้ชิดกันระหว่าง ลบ(บนหวี)กับบวก(บนกระดาษ) นี่จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้หวีที่มีประจุลบสามารถดูดกระดาษชิ้นเล็กๆ ซึ่งเป็นกลางได้ นอกจากนี้เรายังสามารถอธิบายได้ในรูปของกฎของคูลอมบ์ได้เช่นเดียวกัน เพราะพจน์ของ \(\frac{1}{R_{2}}\) นั่นเอง

การที่เรายังไม่แตะหวีที่มีประจุสุทธิเป็นลบเข้ากับกระดาษ จนทำให้การจัดเรียงตัวของประจุไฟฟ้าบนกระดาษเปลี่ยนแปลงไปนี่แหละ เราเรียกมันว่า "การเหนี่ยวนำ" หรือภาษาอังกฤษเรียกว่า "induce" หรือเรียกเต็มๆ ว่า "การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต" (แต่ในตอนนี้ครูจะเรียกมันสั้นๆ ว่า "การเหนี่ยวนำ" นะครับ ) การเหนี่ยวนำในลักษณะนี้นี่เองที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ได้หลายๆ อย่างเลยทีเดียว ซึ่งจะได้กล่าวถึงต่อไป

อิเล็กโทรสโคป

อิเล็กโตรสโคป คำว่าทับศัพท์มาจากภาษาอังกฤษตรงๆ เลย คือ "electroscope" ซึ่งหมายถึง เครื่องมือที่ใช้ตรวจสอบอำนาจไฟฟ้าสถิต คือตรวจสอบว่าวัตถุใดๆ มีประจุไฟฟ้าสุทธิเป็นศูนย์หรือไม่ แต่ไม่ได้เป็นเครื่องมือตรวจสอบชนิดของประจุไฟฟ้านะครับ ตรวจสอบได้แต่เพียงว่าวัตถุที่ต้องการตรวจสอบนั้น มีอำนาจไฟฟ้าสถิตอยู่หรือไม่เท่านั้น

อิเล็กโทรสโคปโดยหลักการใหญ่ๆ แบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ

• แบบลูกพิธ
• แบบแผ่นโลหะ

ซึ่งทั้งสองแบบนี้ ตรวจสอบประจุได้โดยอาศัยหลักการการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตดังที่กล่าวมาแล้วนั่นเอง เดี๋ยวเราลองมาลงลึกเรื่องอิเล็กโทรสโคปทั้งสองกันอีกสักหน่อย

อิเล็กโทรสโคปแบบลูกพิธ

เครื่องมือตรวจสอบไฟฟ้าสถิตชนิดนี้ ได้รับการบันทึกว่า John Canton เป็นคนแรกที่ประดิษฐ์และนำมาใช้ โดยใช้วัสดุเบาๆ ที่เป็นฉนวนมาทำให้เป็นก้อนกลมเล็กๆ ร้อยด้วยด้ายไนลอนหรือด้ายไหมเบาๆ แล้วห้อยกับเสาในแนวดิ่ง (หรือใครจะแขวนไว้กับราวอะไรก็ได้) 

ที่มา : https://en.wikipedia.org/wiki/Electroscope

คำอธิบายการทำงานของอิเล็กโตรสโคปแบบนี้ ก็เหมือนกับการที่เรากล่าวถึงการดูดกันของหวีกับกระดาษตอนต้นบทความนี้นี่เอง และก่อนนำอิเล็กโตรสโคปไปใช้งานเพื่อการตรวจสอบอำนาจไฟฟ้าของวัตถุ เราต้องทำให้ลูกพิธเป็นกลางทางไฟฟ้าก่อนเสมอ (ซึ่งทำได้โดยการต่อสายดิน หรือใช้มือเราสัมผัสลูกพิธก่อนก็พอได้) 

เมื่อพร้อมแล้ว ก็นำวัสดุที่ต้องการตรวจสอบมาจ่อใกล้ๆ ลูกพิธหากลูกพิธเอนเข้าหาวัสดุนั้นก็แสดงว่า วัสดุนั้นมีอำนาจทางไฟฟ้า นั่นคือ ต้องมีประจุไฟฟ้าชนิดใด ชนิดหนึ่ง ที่มีมากกว่าอีกชนิดหนึ่งอยู่ในวัสดุนั้นแน่  แต่หากลูกพิธอยู่เฉยๆ ไม่กระดุกกระดิกอะไรทั้งสิ้น ก็แสดงว่าวัสดุที่นำมาทดสอบนั้นไม่มีอำนาจไฟฟ้า

เทคนิคการตรวจสอบอาจจะทำกลับกันก็ได้แล้วแต่สะดวกคือจับที่ฐานของของเสาแล้วให้ลูกพิธไปห้อยใกล้ๆ วัสดุที่จะตรวจสอบ แต่มือจะต้องนิ่งมากๆ 

อิเล็กโตรสโคปแบบแผ่นโลหะ

แบบนี้ซับซ้อนขึ้นมาอีกหน่อย แต่ก็มีข้อดีที่อิทธิพลของลมไม่มีผลมากเหมือนอิเล็กโตรสโคปแบบแรก ที่ควบคุมได้น้อยกว่า รูปร่างของอิเล็กโตรสโคปแบบนี้ เป็นดังรูปด้านล่างนี้

ที่มา : http://qsl.net/f3wm/sciences/e_scope00.png

โครงสร้างหลักๆ ก็คือ ก้านโลหะที่ต่อกับบอลโลหะด้านบน ส่วนด้านล่างซึ่งอยู่ภายในขวดนั้นเป็นแผ่นโลหะบางๆ ตัวยึดก้านโลหะเข้ากับขวดก็เป็นฉนวนไฟฟ้าเช่นยางหรือพลาสติกหรือแก้วก็ได้ อิเล็กโตรสโคปแบบนี้ ได้รับการบันทึกว่าประดิษฐ์และใช้งานครั้งแรกโดย Abraham Bennet โดยแผ่นโลหะที่เขาใช้คือ แผ่นทองคำเปลว แต่ถ้าใครเรียนหนังสือระดับมัธยมต้น หรือปลายก็ตาม จะเห็นแต่อลูมิเนียมเป็นส่วนใหญ่ เพราะถูกกว่าทองคำเปลวเยอะ แต่ก็หนากว่าทองคำเปลวเยอะ ทำให้ความไวในการวัดก็ลดลงไป

ก่อนการใช้งานก็ต้องมั่นใจก่อนว่า อิเล็กโตรสโคปเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยการต่อสายดินหรือไม่ก็เอาร่างกายเราไปสัมผัสก็พอได้ หลังจากนั้นค่อยนำมาทดสอบ โดยนำวัสดุที่ต้องการตรวจสอบมาจ่อไว้ใกล้ๆ กับบอลโลหะด้านบน(ดูรูป) หากแผ่นโลหะที่อยู่ภายในขวดแก้วกางออกจากกัน ก็แสดงว่าวัสดุชิ้นนั้นมีอำนาจไฟฟ้าสถิต แต่ถ้าแผ่นโลหะอยู่นิ่งๆ เหมือนเดิมก็แปลว่า วัสดุที่นำมาทดสอบนั้นเป็นกลางทางไฟฟ้า

การนำอิเล็กโตรสโคปมาแสดงในบทความนี้ เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้หลักการการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าสถิต นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์ทางไฟฟ้าชนิดอื่นๆ อีกเป็นจำนวนมากที่ประยุกต์ใช้หลักการเช่นนี้ เช่น ตัวเก็บประจุไฟฟ้า เป็นต้น ซึ่งจะได้เขียนเล่าให้อ่านให้โอกาสต่อไป