อาร์ดุยโน : ฮาร์ดแวร์

จากตอนที่แล้ว จากคนที่ไม่รู้จักมาก่อนเลยว่า "อาร์ดุยโน" มันคืออะไร มาในครั้งนี้ ครูก็จะพาสำรวจว่ามันมีอะไรบ้าง จะเรียกว่าพาเล่นก็ได้ แต่เป็นการเล่นแบบลูบๆ คลำๆ ส่วนที่สัมผัสได้กันก่อน ใครที่มีความรู้มาแล้วใจเย็นๆ ก่อนนะครับ พามือใหม่หัดขับ ค่อยๆ ทัวร์ไปเรื่อยๆ

เริ่มจากการอ้างตำรามาตรฐาน เขาบอกว่า ระบบคอมพิวเตอร์ ประกอบไปด้วย 3 ส่วน คือ ฮาร์ดแวร์ ซอฟท์แวร์ และข้อมูล (บางตำราก็รวมเอา "คน" เข้าไปด้วย) อาร์ดุยโนของเราก็เป็นเช่นนั้นเหมือนกัน มันจะสมบูรณ์ได้มันก็ต้องมีทั้งสามส่วนนี้เช่นเดียวกัน ซึ่งเราจะเริ่มเรียนรู้ในส่วนที่เป็นฮาร์ดแวร์กันก่อน

ส่วนที่เป็นฮาร์ดแวร์ของอาร์ดุยโน ก็คือ แผงวงจร หรือแผ่นวงจร หรือบอร์ด ของมันนั่นเอง ซึ่งรูปร่างหน้าตาของมันก็แตกต่างไปตามชนิดหรือรุ่นที่มีอยู่อย่างหลากหลาย ซึ่งที่ครูฟิสิกส์จะนำมาใช้ในครั้งนี้ก็คือ Arduino Uno R3 ดังรูป (บอร์ดที่เห็นในภาพนี้เป็นบอร์ดที่ผลิตในประเทศจีนนะครับ บางคนเรียกมันว่า อาร์ดุยโนปลอม แต่จะอย่างไรก็ตาม มันทำงานได้เหมือนกัน แล้วที่สำคัญราคาถูก )

อาร์ดุยโนรุ่นนี้จะใช้ตัวชิปที่ชื่อว่า ATMega328P ซึ่งในภาพอาจจะมองเห็นป้ายชื่อมันไม่ชัดนัก แต่ครูได้ลากเส้นชี้ให้เห็นแล้ว รุ่นนี้มีช่องเสียบสาย USB เพื่อเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ หรือพีซีด้วย  มีช่องเสียบอะแดปเตอร์สำหรับการใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้าแยกจาก USB (ซึ่งอะแดปเตอร์ตัวนี้เราต้องหาซื้อเอง ไม่ได้มีมาพร้อมบอร์ด)

การเชื่อมต่อกับอุปกรณ์รอบๆ ตัวมัน จะใช้ลวดโลหะเสียบเข้าไปตามช่องเสียบที่เรียงอยู่เป็นแถวด้านข้าง ช่องเสียบเพื่อการเชื่อมต่อ โดยแบ่งออกเป็นช่องเสียบสำหรับอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับข้อมูลเข้าหรือตัวส่งข้อมูลออกภาคดิจิทัล  14 ขา (ต่อไปครูจะใช้คำทับศัพท์ว่า "อินพุท" สำหรับตัวรับข้อมูลเข้าและ "เอาท์พุท" สำหรับตัวส่งข้อมูลออกเลยนะครับ) และอินพุท สำหรับแอนะล็อก 6 ขา แล้วก็มีช่องเสียบพิเศษซึ่งมีหน้าที่เฉพาะอย่างอีกจำนวนหนึ่ง ช่องเสียบทั้งหมดนี้มีไว้ก็เพื่อเป็นจุดที่ใช้รับ-ส่งข้อมูลกับอุปกรณ์ต่างๆ รอบๆ อาร์ดุยโน

เข้าใจสเปคของ ATMega328P

ลองป้อนข้อมูล ATMega328P ไปที่ช่องของกูเกิ้ล เราจะพบข้อมูลคล้ายๆ อย่างนี้ ซึ่งจะบอกค่าเฉพาะบางอย่างของมัน



นี่คือเรื่องแรกที่เราควรเรียนรู้ครับ คือ อ่านสเปคให้ออก ซึ่งครูจะแนะนำเฉพาะตัวสำคัญๆ เท่านั้นนะครับ

ในคอลัมน์ซ้ายมือ คำว่า Parameter เป็นการอ้างถึงขนาดหรือค่าต่างๆ ของหน่วยย่อยที่อยู่ภายในชิป ส่วน Value หมายถึง ตัวเลขที่บอกค่าในหน่วยย่อยนั้น

Flash (kBytes): 32 kBytes 

Flash หรือ Flash Memory หมายถึง หน่วยความจำแบบแฟลช ซึ่งเป็นหน่วยความจำชนิดหนึ่งที่สามารถเขียนและอ่านได้ ในขณะที่ไม่มีไฟฟ้าเลี้ยงวงจรมันก็สามารถเก็บข้อมูลไว้ได้ ถ้าจะว่าไปแล้วมันก็เหมือนกัน sd-card หรือแผ่นเก็บข้อมูลที่เราใช้ในโทรศัพท์มือถือรุ่นใหม่ๆ ที่เราใช้เก็บรูปภาพนั่นเอง ค่า 32 kBytes หมายถึงขนาดของความจุข้อมูลของมัน 32x1024=32,768 bytes นั่นเอง (น้อยมากๆ เลยใช่ไหมครับ เทียบไม่ได้เลยกับหน่วยเก็บข้อมูลที่มีอยู่ในโทรศัพท์มือถือเราที่เราใช้ ซึ่งเก็บได้หลายจิ๊กกะไบท์)

Pin Count : 32

หมายถึง จำนวนช่องเสียบหรือขาที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์รอบๆ ตัว ซึ่งมี 32 ช่อง

Max. Operating Freq. (MHz): 20  

หมายถึง ความถี่สัญญาณนาฬิกา หรือบางทีก็เรียกสั้นๆ ว่า คล็อก (clock) ค่านี้ยิ่งมีค่ามากแปลว่ามันยิ่งมีความเร็วในการประมวลผลมากตามไปด้วย ในที่นี้เราจะเห็นค่า 20 เมกะเฮิร์ตซ์ ซึ่งเป็นค่ามากที่สุดที่ชิปประมวลผลรุ่นนี้จะสามารถรับได้ ในทางปฏิบัติผู้ออกแบบเขาจะให้ใช้งานที่ 16 MHz คือ ใช้ไม่เต็มกำลังนัก เป็นไปได้ว่าผู้ออกแบบไม่ต้องการให้ชิปร้อนเร็วและมากเกินไปขณะทำงาน ซึ่งจะมีผลต่ออายุการใช้งานของตัวชิปด้วย

CPU : 8 bit-AVR

เป็นคำย่อของหน่วยประมวลผล ตัวเลข 8 bit หมายถึง จำนวนบิทหรือสายสัญญาณที่ CPU จะประมวลผล หรือจะพูดอีกอย่างหนึ่งว่า มันจะประมวลผลข้อมูลครั้งละ 8 บิทในแต่ละรอบการทำงานก็ได้ ส่วน AVR มาจากคำว่า Advanced Virtual RISC เป็นคำที่อธิบายไปแล้วอาจจะยากไปสำหรับระดับที่เรากำลังคลานเตาะแตะแบบนี้ เอาเป็นว่ามันเป็นรูปแบบของการออกแบบตัวประมวลผลแบบหนึ่งก็แล้วกัน ว่ากันว่ามันง่ายต่อการเข้าถึงและพัฒนา แล้วก็เหมาะกับมือใหม่อย่างเราๆ

เอาแค่นี้ก่อน ทีนี้ถ้าคลิกตรงคำว่า + more ก็จะเจอสเปคอีกหลายสิบบรรทัด เอาเฉพาะที่สำคัญๆ ก็แล้วกันนะครับ

SRAM (kBytes): 2

หมายถึง หน่วยความจำแบบชั่วคราว อ่าน/เขียน ได้ และเก็บข้อมูลได้ขณะที่มีไฟฟ้าเลี้ยงวงจรอยู่เท่านั้น ถ้าต้องการให้ข้อมูลนี้คงอยู่แม้ไม่ได้มีไฟฟ้าเลี้ยงวงจรก็ต้องสำเนามันไปไว้ที่หน่วยความจำแฟลช ในชิปตัวนี้ มันมีความจุ 2 kBytes หรือ 2048 ไบท์

EEPROM (Bytes): 1024

หมายถึง ส่วนความจำแบบถาวร ที่อ่านได้เพียงอย่างเดียวเท่านั้นในขณะที่บอร์ดทำงาน แต่มันก็สามารถลบและเขียนใหม่ได้ ด้วยวิธีการที่คู่มือระบุมา

คงหมดแล้วล่ะ ที่สำคัญๆ ที่เราควรรู้จัก สำหรับตัวชิป ATMega328P

สิ่งที่ควรรู้จักเพิ่มเติมเกี่ยวกับบอร์ดอาร์ดุยโนตัวนี้

CH340G

เป็นชิปที่ทำหน้าที่ในการติดต่อสื่อสารกับเครื่องคอมพิวเตอร์ผ่านพอร์ท USB ตัวนี้แหละที่ทำให้บางคนบอกว่า บอร์ดนี้เป็นอาร์ดุยโนปลอม เพราะว่าตัวบอร์ด Made in Italy นั้นจะใช้ชิป FTDI หรือ ATMega8U2 หรือ ATMega16U2 แล้วแต่รุ่นเป็นตัวติดต่อกับพอร์ท USB ของคอมพิวเตอร์  แต่ตัวที่ว่าปลอมนี้ใช้ CH340G ซึ่งทำให้ราคาถูกลงมาก แต่ถ้ามันทำงานได้เหมือนกัน ครูฟิสิกส์ว่า จะไปสนใจมันทำไม (แรงมั๊ย! ) บางคนอาจเป็นกังวลใจว่า เฮ้ย!  แล้วมันไปละเมิดลิขสิทธิ์เขาหรือเปล่า คำตอบ คือ เปล่าเลย โปรเจคต์ของ อาร์ดุยโน เป็นโอเพ่นซอร์ส ทั้งฮาร์ดแวร์/ซอฟท์แวร์ ใครจะเอาไปต่อยอดไปพัฒนาต่อก็ได้ ขอให้อยู่ในเงื่อนไขคือ ต้องเป็นโอเพ่นซอร์สต่อไป เพราะฉะนั้นนี่ไม่ใช่ของปลอมหรอกครับ ถ้าจะเรียกให้เหมาะ ครูว่าน่าจะเรียกว่า บอร์ดที่เลียนแบบอาร์ดุยโน น่าจะถูกต้องกว่า (ประเภทของบอร์ด ครูจะได้พูดถึงอีกที เพราะสับสนกันพอสมควร)

ถ้าอยากเห็นตัวชิปนี้ ก็ดูรูปข้างบน ตัวที่อยู่เหนือขึ้นไปจาก ATMega328P วางในแนวขวาง ถัดลงมาด้านล่างจากพอร์ท USB

ในส่วนของฮาร์ดแวร์ สำหรับมือใหม่คลานเตาะแตะ ครูจะแนะนำเพียงเท่าที่จำเป็นก่อน เข้าใจบ้าง ไม่เข้าใจบ้าง ตอนนี้อย่าเพิ่งเครียด เอาให้คุ้นๆ ชื่อก่อนก็ยังดี เพราะตอนต่อๆ เผื่อมีกล่าวถึง ก็จะได้คุ้นๆ  ว่าเคยเจอกันมาแล้ว เนื้อหาจะได้ปะติดปะต่อ

ขอจบเนื้อหาในส่วนฮาร์ดแวร์เพียงเท่านี้ก่อน คราวหน้าครูจะแนะนำในส่วนที่เรียกว่า ซอฟท์แวร์ ที่ใช้ในอาร์ดุยโน อย่าลืมติดตามนะครับ

"แก้ปัญหา" โจทย์ฟิสิกส์

โดยทั่วไปคำว่า "การแก้ปัญหา" เป็นคำกว้างๆ ที่เราใช้กันโดยทั่วไป ในทุกแขนงอาชีพ ทุกสาขาวิชา คนที่แก้ปัญหาได้เก่ง หรือมีทักษะการแก้ปัญหา คนๆ นั้นมักจะเป็นที่ต้องการเสมอๆ ในทุกๆ วงการ

ทักษะการแก้ปัญหาจึงเป็นเป็นทักษะที่ต้องฝึกกันตั้งแต่ในโรงเรียน แล้วก็เป็นเรื่องปกติที่เรื่องนี้ คนมักจะมองมาที่วิชาคณิตศาสตร์ กับฟิสิกส์เป็นหลัก อันที่จริงไม่ได้มีแค่วิชาคณิตศาสตร์หรือฟิสิกส์เท่านั้นที่รับผิดชอบในการฝึกทักษะการแก้ปัญหา แต่มันควรเป็นความรับผิดชอบในทุกๆ วิชาแหละนะครูว่า

แต่ก่อนจะไปพูดถึงการแก้ปัญหา ครูอยากทำความเข้าใจก่อนว่าอะไรคือ "ปัญหา" สิ่งที่เป็นแบบฝึกหัดท้ายบท หรือการบ้านที่ครูมอบหมายให้  ทุกข้อถือเป็น "ปัญหา" ใช่หรือไม่?  คำตอบก็คือ ไม่แน่ ..... แล้วเราจะดูยังไง

ก่อนอื่นเรามาทำนิยามคำว่า "ปัญหา" กันก่อน ครูชอบการให้นิยามของ Paul Zeitz ในหนังสือ The Art of Problem Solving (คลิก เพื่อดาวน์โหลด e-book หรือถ้าฉบับภาษาไทย "ศิลปะการแก้ปัญหาคณิตศาสตร์" ก็หาซื้อตามร้านหนังสือแบรนด์ดังๆ ได้) ซึ่งเขาได้อธิบายความแตกต่างระหว่าง "ปัญหา" กับ "แบบฝึกหัด" ไว้ดังนี้

" An exercise is a question that you know how to resolve immediately. Whether you get it right or not depends on how expertly you apply specific techniques, but you don't need to puzzle out what techniques to use. In contrast, a problem demands much thought and resourcefulness before the right approach is found. "

แปลความง่ายๆ ก็คือ ถ้าสถานการณ์ใดๆ เรารู้วิธีการหาคำตอบนั้น หรือมีวิธีการให้อยู่แล้ว นั่นไม่ใช่ "ปัญหา" มันจะเป็นปัญหาก็ต่อเมื่อสถานการณ์ที่ให้มานั้นเราต้องใช้ประสบการณ์ที่เรามีอยู่คิดหาหนทาง ก่อนที่จะได้แนวทางที่จะนำไปสู่คำตอบที่ต้องการ

เห็นนิยามอย่างนี้แล้ว แต่ก็ยังคงยากที่จะบอกว่าโจทย์ในหนังสือนั้นเป็น "ปัญหา" หรือเป็น "แบบฝึกหัด"

ครูตั้งใจจะแนะนำกลยุทธ์การแก้ปัญหาโจทย์ฟิสิกส์ แต่ก็อดไม่ได้ที่พูดถึงความแตกต่างระหว่าง ปัญหากับแบบฝึกหัดเสียก่อน ซึ่งจะว่ากันตามจริงมันก็มีเส้นแบ่งบางๆ ที่ยากต่อกันแบ่งเหมือนกันในเรื่องนี้ เอาเป็นว่า จะเป็น "ปัญหา" หรือไม่ใช่ ครูแนะนำกลยุทธ์เดียวกัน ดังต่อไปนี้ครับ

• "สังเกต" การแก้ปัญหาของคนที่มีความเชี่ยวชาญในการแก้ปัญหา เช่น อาจขอให้เพื่อนที่เก่งๆ แก้โจทย์ให้ดู ให้ครูช่วยทำให้ดู เป็นต้น แล้วพยายามจดจำเอาไว้
• "พัฒนา" ทักษะการแก้ปัญหา โดยทำทีละขั้น ตามที่ได้เรียนรู้หรือจำมาในขั้นแรก ช้าหน่อยไม่เป็นไร แต่ต้องพยายามทำจนเสร็จสมบูรณ์
• "เปลี่ยน" รูปแบบของการทำแบบฝึกหัด โดยทำข้อเดิมนะแหละซ้ำๆ จนกระทั่งลำดับขั้นของการแก้ปัญหากลืนเป็นเนื้อเดียวกัน หรือแต่ละลำดับขั้นมันเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติโดยไม่ต้องนึก
• "ทำเยอะๆ" ในเรื่องที่เราได้ฝึกมาแล้วตั้งแต่ต้น เช่น ฝึกทำโจทย์ไฟฟ้าสถิตมาแล้ว ก็หาโจทย์ปัญหาเสริมเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตมาทำ อย่างนี้เป็นต้น
• "หาโค้ช" ที่ช่วยเหลือทั้งเทคนิคและกระตุ้นให้เรายังคงความกระตือรือร้นในการแก้ปัญหา อาจเป็นเพื่อน พี่ ครู หรือใครก็ตามที่ช่วยเราให้มีกำลังใจที่จะก้าวเดินด้วยตัวเองได้ต่อไป คงไม่ต้องถึงจ้างโค้ชมั้ง แต่ถ้า "รวย" แบบว่าฉันจ่ายได้ ก็คงไม่น่าเกลียดอะไร แต่เลือกโค้ชเก่งๆ หน่อยก็แล้วกัน
• "ทำมัน" ด้วยตนเอง พยายามพึ่งพาผู้อื่นให้น้อยที่สุด ถ้าไม่ไหวจริงๆ ค่อยพึ่งพาโค้ช
• "อย่าหยุด" ที่จะเรียนรู้การแก้ปัญหา พยายามหาปัญหาที่เริ่มมีระดับความยากมากขึ้น จากโจทย์ปัญหาในชั้นเรียน เริ่มเป็นโจทย์ปัญหาที่ใช้ในการสอบต่างๆ จนกระทั่งถึงโจทย์ปัญหาในโลกทางกายภาพจริงๆ ที่นำไปสู่กระบวนการวิจัยได้ ซึ่งในปัจจุบันเริ่มจะเห็นโจทย์ในลักษณะนี้มากขึ้นแล้ว เช่น ในการเวทีการแข่งขัน IYPT ซึ่งจะเป็นโจทย์ฟิสิกส์ปลายเปิดซึ่งมีความท้าทายมาก รวมไปถึงการตั้งโจทย์จากความอยากรู้อยากเห็นของเราเอง ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของโครงงานวิทยาศาสตร์ได้เป็นอย่างดี 

ทักษะการแก้ปัญหา เป็นทักษะที่ฝึกได้ และคุ้มค่าต่อการฝึกอย่างยิ่ง สิ่งที่ครูได้แนะนำมาข้างต้นนี้ ผู้ที่อยากจะพัฒนาตนเองคงจะได้เห็นแนวทางในการไปปรับใช้กับตัวเองบ้าง สุดท้ายก่อนจะจบในบทความนี้ ครูขอแนะนำ ขั้นตอนการแก้ปัญหาที่ได้รับความนิยมจากครูผู้สอนหลายๆ คน ที่นำได้นำไปสอนลูกศิษย์ของตน(รวมทั้งครูฟิสิกส์ด้วย) ขั้นตอนที่จะแนะนำนี้เสนอโดยโพลยา(1945) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ชาวฮังการี ซึ่งมี 4 ขั้น ดังนี้ครับ

• ทำความเข้าใจกับปัญหา
  มันเกิดอะไรขึ้นในโจทย์ แล้วต้องการให้เราทำอะไร
• วางแผนการแก้ปัญหา
  เราจะไปถึงเป้าหมายได้อย่างไร
• ปฏิบัติการแก้ปัญหา
  ใช้เครื่องมือที่มีอยู่จัดการมัน
• ตรวจสอบผล

วันนี้เกริ่นนำก่อน วันต่อๆไป โอกาสดีๆ ครูจะมาขยายความพร้อมทั้งยกตัวอย่างการแก้ปัญหาโจทย์ฟิสิกส์ให้ดูอีกทีนะครับ 

รู้จัก Arduino

Arduino คืออะไร

Arduino ซึ่งครูจะออกเสียงว่า "อา-ดุย-โน่" เขียนภาษาไทยว่า "อาร์ดุยโน" เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง มีขนาดเล็กๆ  คิดเป็นพื้นที่ก็ประมาณบัตรประชาชนของเรานี่แหละ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กๆ นี้แท้จริงแล้วก็คือคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งนั่นเอง เพียงแต่พลังการประมวลผลของมันและขนาดหน่วยความจำมีไม่มากเหมือนคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะที่เราใช้กันโดยทั่วไป  รวมไปถึงอุปกรณ์ที่รับข้อมูลเข้ากับบอร์ดอุปกรณ์ภาคแสดงผลนั้นผู้นำมันมาใช้จะออกแบบและสร้างขึ้นมาเอง

จุดประสงค์ของการออกแบบ Arduino นั้นก็เพื่อทำให้มันง่ายต่อการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์และราคาไม่แพง ดังนั้นมันจึงเหมาะสำหรับนักเรียน นักศึกษา หรือแม้แต่บุคคลทั่วไปที่สนใจศึกษาการทำงานของมัน ซึ่งเริ่มตั้งแต่อิเล็กทรอนิกส์ง่ายๆ จนไปถึงระบบการควบคุมอัตโนมัติที่เริ่มมีความซับซ้อน คนที่สนใจความเป็นมาของมันสามารถศึกษารายละเอียดได้ที่ https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction#

หาซื้อได้ที่ไหน

เยอะแยะครับเดี๋ยวนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตามเว็บไซต์ที่หลายๆ แห่งส่งสินค้าได้เร็วมาก ลองค้นผ่านกูเกิ้ลดู ราคาประมาณ 300 บาท ในรุ่นพื้นฐานซึ่งก็ถือว่าเพียงพอกับการเรียนรู้ เล่นๆ ไป เดี๋ยวก็หานั่นหานี่ มาเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ แต่เริ่มต้นก็ที่บอร์ดพื้นฐานของมันก่อน

แล้วครูฟิสิกส์เอามาทำอะไร

เอามาเล่นครับ เพราะเหตุที่ Arduino ถูกมาก และมีความง่ายในการเรียนรู้ ดังนั้นการเล่นจึงไม่เปลือง สตังค์มากนัก และไม่ต้องเสียเวลาในการเรียนรู้นานมากเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งคนที่ต้องการนำมันไปประยุกต์ใช้ควบคุมง่ายๆ Arduino นี่หล่ะ ใช่เลย

นอกจากเรียนรู้การทำงานซึ่งเป็นส่วนสำคัญในวิชาอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นแล้ว ยังสามารถเรียนรู้การเขียนโปรแกรมควบคุมอีกด้วย ซึ่งสามารถประยุกต์เอาไปใช้งานต่างๆ ได้อีกมากมายตั้งแต่ง่ายๆ จนไปถึงที่ซับซ้อน นี่เรียกได้ว่าเข้ายุคเข้าสมัย เพราะเราสามารถเชื่อมอุปกรณ์ที่ว่านี้เข้ากับระบบเครือข่ายอินเทอร์เนตได้ เข้าใกล้สิ่งที่เรียกว่า "อะไรๆ ก็อินเทอร์เน็ต" หรือ IoT: Internet Of Thing) ไปกับเขาด้วย   แต่.... จุดเน้นที่ครูเอามาเล่นเป็นหลักในบล็อกของครูฟิสิกส์นี้ ก็คือ การประยุกต์ที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ครับ เชื่อว่าหากผู้ติดตามบทความเป็นนักเรียนแล้ว อาจได้แนวคิดมากมายในการนำไปสร้างเป็นโครงงาน รวมถึงเล่นอะไรสนุกๆ แบบงานอดิเรกได้เลยล่ะ

สิ่งที่ต้องมี

ถ้าใครจะเล่นตามครู ก็ต้องจัดหาของเล่นกันก่อนครับ  อันดับแรกก็ต้องมีบอร์ดอาร์ดุยโน ซึ่งจะมีได้ก็ต้องสั่งซื้อตามเว็บไซต์ต่างๆ ซึ่งมีขายอยู่อย่างมากมายครับ ซึ่งเริ่มต้นอาจจะสั่งเฉพาะบอร์ดก่อนก็ได้ อุปกรณ์อื่นๆ ค่อยสั่งซื้อเอาทีหลังหรือบางชิ้นก็หาซื้อได้ตามร้านขายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป หลักๆ ต้องเป็นบอร์ดก่อน ส่วนรุ่นผมขอแนะนำรุ่นเบสิคที่หาซื้อกันง่ายๆ ก่อนครับ นั่นก็คือรุ่น UNO R3

อันดับต่อมาคือการดาวน์โหลดชุดโปรแกรมสำหรับการเขียนโปรแกรมการติดต่อสื่อสารและควบคุมบอร์ด หรือที่เรียกว่า IDE (Integrated Development Environment) ซึ่งก็มีอีกหลายตัวอีก  ครูแนะนำเอาโครงการของอาร์ดุยโนเองก่อน โดยดาวน์โหลดได้ที่ https://www.arduino.cc/en/Main/Software  ซึ่งเป็นโอเพ่นซอร์สซอฟท์แวร์ ที่เราเอามาใช้งานได้ฟรีๆ เมื่อได้มาแล้วก็ติดตั้งลงในคอมพิวเตอร์ของเราเตรียมไว้

หลังจากนั้นก็ติดตามบทความของครูฟิสิกส์ที่จะพาเล่น ซึ่งอย่างที่บอกในตอนต้นๆ ว่า ส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับการทดลองทางฟิสิกส์นั่นเอง หรือหากใครอยากจะทดลองเล่นแบบอื่นๆ ที่หลากหลายก็สามารถศึกษาได้จากเว็บไซต์หรือตามโซเชียลมีเดียก็มีอย่างมากมายครับ

เรื่องเล่า "ไฟฟ้าสถิต" ตอน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต

ต้องยอมรับว่า พวกฝรั่งต่างชาติเนี่ยเป็นคนช่างเขียน ช่างบันทึกมากกว่าคนแถบบ้านเรานะครับ ยิ่งคนเป็นอาชีพครูอย่างครูฟิสิกส์เนี่ย บอกได้เลยว่านักเรียนไม่ค่อยบันทึกเรื่องราวที่ครูเล่าให้ฟังแม้แต่น้อย บางคนแสดงอาการเบื่อๆ เซ็งๆ ด้วยซ้ำไป หากจะบันทึกก็ต้องสั่งด้วยเสียงอันดังว่า "จด" นั่นล่ะเธอจึงได้ขยับตัวหยิบปากกาขึ้นมาเขียนตามที่ครูบอก ไอ้การจะบันทึกเอง เขียนเอง ตามความคิดความเข้าใจของตัวเองเนี่ยมีน้อยคนจริงๆ ที่ทำกัน

เรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษา มีเนื้อหาให้เรียนเรื่องไฟฟ้าสถิตอยู่บทนึง ตอนสอนบางช่วงบางตอนครูได้เอาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบต่างๆ มาสาธิตให้นักเรียนดู ให้นักเรียนเล่น บางทีถ้ามีเวลาก็ถือโอกาสเล่าประวัติความเป็นมาให้ฟังด้วย แต่บางทีก็ไม่มีเวลาก็ไม่ได้เล่าให้ฟังในห้อง แล้วเท่าที่สอนนักเรียนมาก็ไม่เคยมีใครเดินมาถามถึงความเป็นมาของมันสักที แต่ไม่เป็นไร ใครสนใจ ไม่สนใจก็ช่าง ครูฟิสิกส์ จะสืบค้นเรื่องราวเหล่านี้ และบันทึกไว้

หากจะนับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตเครื่องแรก ก็ต้องนับตั้งแต่ก้อนอำพันกับผ้าขนสัตว์โน่นแหละครับ แต่ที่ไม่มีใครนับเป็นเครื่องเพราะไม่ได้มีการประดิษฐ์อุปกรณ์อะไรเลยที่จะเพิ่มเติมเข้าไปพอที่จะเรียกว่าเครื่องนั่นเครื่องนี่ได้นั่นเอง ที่พอจะเรียกว่าเครื่องได้ ก็เริ่มตั้งแต่สิ่งที่เรียกกันต่อไปนี้

• บอลกำมะถัน (Sulphur Ball)
  
  Otto von Guericke นักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์แห่งคริสตศตวรรษที่ 17 (ประมาณพุทธศตวรรษที่ 22)  เป็นผู้สร้างมันขึ้น มันสามารถแสดงปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าสถิตได้หลายอย่าง (อันที่จริงแล้วไม่เฉพาะกำมะถันอย่างเดียว ที่จะเกิดปรากฏการณ์เช่นนี้ วัสดุชนิดอื่นๆ บางชนิดก็ให้ผลเช่นเดียวกัน)
• หลอดเรืองแสงบาร็อค (Baroque Gas Discharging Lamp)
  
  
  สิ่งประดิษฐ์นี้มีการนำอำพันมาปั่นกับผ้าและส่งผ่านอำนาจไฟฟ้าสถิตด้วยแท่งโลหะ เครื่องมือนี้แสดงให้เห็นว่า แสงสามารถเกิดขึ้นได้จากไฟฟ้าสถิต เจ้าของผลงานสิ่งประดิษฐ์นี้ คือ Francis Hauksbee
• เครื่องสร้างประจุแบบแก้วเบียร์ (Beer Glass Generator)
  
  มีบันทึกกล่าวไว้ว่าเครื่องมือสร้างหรือสะสมประจุนี้ มีการนำไปใช้โชว์เล่นในงานวัด หรือสวนสนุกด้วย ว่ากันว่าประสบการณ์เกี่ยวกับการโดนไฟฟ้าสถิตคายประจุเข้าใส่เป็นสิ่งที่ใครๆ ก็อยากลอง นอกจากนี้ยังมีเรื่องราวแปลกๆ เกี่ยวกับการรักษาคนไข้ด้วยไฟฟ้าสถิตด้วย ซึ่งครูฟิสิกส์ก็ไม่รู้รายละเอียดเหมือนกันว่าเขาทำกันยังไง

อุปกรณ์ที่กล่าวมาแล้วข้างต้น พวกช่างเล่นเขาประดิษฐ์ไว้เล่น ไว้โชว์ หรือสาธิตให้เห็นหลักการอะไรบางอย่างแล้วแต่เขาจะอธิบาย ส่วนอีกกลุ่มหนึ่งที่เริ่มเป็นจริงเป็นจังหน่อย แล้วเอาไปประยุกต์ใช้ได้ ก็มีดังต่อไปนี้

• ขวดเก็บประจุลีเดน (Leyden Jar)
  
  ประมาณปี ค.ศ.1745 (พ.ศ.2288) Ewald Jürgen von Kleist ก็ได้ประดิษฐ์อุปกรณ์นี้ขึ้น ทั้งนี้ก็เพื่อเก็บสะสมประจุไว้ปริมาณมาก ๆ ก่อนที่จะนำมาดิสชาร์จหรือคายประจุเล่นซักทีนึง เราจึงอาจเรียกอุปกรณ์นี้อีกอย่างหนึ่งว่า ขวดเก็บประจุเคลสท์ และนี่คือตัวเก็บประจุชนิดแรกๆ ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้น ปัจจุบันนี้เรายังสามารถเห็นสิ่งประดิษฐ์ที่ว่านี้ปรากฏอยู่ในเครื่องมือการทดลอง เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบวิมเชิร์ต ก็นิยมใช้ตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบนี้เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องด้วย
  
  

  

  การนำขวดเก็บประจุลีเดนมาต่อกันให้มีพลังงานมากๆ ที่เรียกว่า แบตเตอรี่แบบลีเดน

• จานหมุน
  
  เครื่องมือชิ้นนี้เป็นความพยายามที่จะให้มีการสร้างประจุไฟฟ้าให้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยการหมุนแผ่นแก้ววงกลม ซึ่งปรากฎว่าได้ผลดีมากขึ้นกว่าการใช้การถูแบบธรรมดามาก โดยการหุ้มแผ่นหนังเข้าไปประมาณเศษหนึ่งส่วนสี่ของแผ่นแก้ว
  
  
  
  ต่อมามีการปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพขึ้นไปอีก โดยการใช้แผ่นโลหะเป็นชิ้นๆ แปะเข้าไปที่แผ่นวงกลม เครื่องมือผลิตไฟฟ้าสถิตที่ปรับปรุงขึ้นมาใหม่นี้ เรียกว่า influence machine
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตวิมเชิร์ต (Wimshurt's Machine)
  ในที่สุดการพัฒนาอย่างยาวนานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตก็มาจบที่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบวิมเชิร์ตนี่เอง เครื่องมือแบบนี้นักเรียนทั่วไปคงเคยเห็นมาบ้างจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ ในระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย หรือแม้แต่พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ก็นิยมเอามาตั้งให้ผู้เข้าชมได้ลองเล่นกัน แต่คงไม่เหมือนรูปด้านนี้ ที่ครูเอามาให้ดู เพราะนี่มันรุ่นโบราณ
  
  
  
  ตัวอย่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบวิมเชิร์ต รุ่นใหม่ๆ ซึ่งสามารถสร้างศักย์ไฟฟ้าได้สูงในหลักหมื่นโวลท์
  
  
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตวานเดอกราฟฟ์
  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบวานเดอกราฟฟ์นี่ก็เป็นอีกเครื่องหนึ่ง ที่นักเรียนชั้นมัธยมศึกษาตอนปลายอาจเคยเห็น การแสดงกลวิทยาศาสตร์หลายๆ ครั้ง ก็ใช้เครื่องมือแบบนี้ หลักการก็คือมีการสัมผัสหรือถูของสายพานกับวัสดุอื่นๆ เพื่อให้เกิดประจุไฟฟ้าบนสายพาน จากนั้นก็ถ่ายประจุนี้ไปเก็บไว้บนพื้นผิวโลหะขนาดใหญ่ๆ เพื่อให้เก็บประจุไฟฟ้าได้เป็นปริมาณมากๆ
  
  
  
  เครื่องผลิตไฟฟ้าสถิตแบบวานเดอกราฟฟ์นี้ สามารถผลิตศักย์ไฟฟ้าได้สูงในระดับล้านโวลท์เลยทีเดียว
• แบบไอน้ำ
  
  
  ว่ากันตามประวัติศาสตร์การสร้าง นี่เป็นอีกหนึ่งเครื่อง ที่สามารถผลิตไฟฟ้าสถิตได้ แต่ไม่ได้รับความนิยมนัก ตามพิพิธภัณฑ์ต่างๆ ก็อาจหายาก ประสิทธิภาพการทำงานนี่ครูไม่รู้จริงๆ ว่ามันเป็นยังไง แต่ดูจากภาพวาดแล้วคงสร้างให้มีขนาดเล็กมากไม่ได้ ที่สำคัญพื้นที่ในการจัดวางต้องสูงและกว้างขวางพอสมควรเพราะต้องระบายความร้อนได้ดี จึงทำให้การดูแลรักษายากกว่า และแพงกว่าแบบอื่นๆ  ครูพยายามหารูปตัวจริงของเครื่องผลิตไฟฟ้าสถิตแบบนี้ ก็ยังหาไม่พบ คงต้องติดเอาไว้ก่อน เผื่อว่าเจอรูปตัวจริง อาจนำมาเขียนเล่าให้ฟังอีกทีหนึ่ง 

เนื้อหาที่นำมาบันทึก นำมาเล่าในตอนนี้ เป็นการพรรณนาถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบต่างๆ ว่ามีอะไรบ้าง ที่มีมาอย่างไร ใครประดิษฐ์ไว้ ส่วนหลักการทำงานของมันยังไม่ได้มีการกล่าวถึงโดยละเอียด ซึ่งครูขอติดเอาไว้ก่อน ในโอกาสหน้า มีเวลาว่างพอจะเขียนบันทึก ก็จะนำให้ได้อ่านได้ศึกษากัน ขอจบบทความนี้ไว้แต่เพียงเท่านี้  

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

เรื่องเล่า "ไฟฟ้าสถิต" ตอนกฎของแรงไฟฟ้า

กฎของแรงไฟฟ้า ก็คือ กฎที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่าง "แรง" "ปริมาณของประจุไฟฟ้า" และ "ระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้า" ว่ามีลักษณะอย่างไร

ความพยายามในการอธิบาย "กฎของแรง" ได้บันทึกไว้ในปี พ.ศ.2318 โดยเบนจามิน แฟรงคลิน ที่นำจุกไม้ก๊อกแขวนด้วยเชือกเล็กๆ ไว้ด้านนอกของกระป๋องโลหะที่ถูกทำให้มีอำนาจไฟฟ้าแล้ว ผลที่ได้คือมีแรงกระทำต่อจุกไม้ก๊อกอย่างเห็นได้ชัด แต่เมื่อนำจุกไม้ก๊อกหย่อนไปตรงกลาง ดูเหมือนไม่มีแรงใดๆ กระทำต่อจุกไม้ก๊อกเลย แฟรงคลินไม่เข้าใจว่ามันเกิดอะไรขึ้น จึงได้ขอให้เพื่อนชื่อ พรีสท์ลีย์ ทดสอบดู ซึ่งผลก็เป็นเช่นเดียวกันกับผลที่แฟรงคลินสังเกตเห็น ทั้งคู่จึงได้ทำการสรุปร่วมกันโดยอาศัยหลักการของแรงของนิวตันมาประยุกต์ใช้  ที่ว่า ถ้าสมมติว่ามีวัตถุที่อยู่กึ่งกลางของกลุ่มดาวเคราะห์ที่มีการกระจายตัวสม่ำเสมอในลักษณะเป็นวงตรงกลางว่าง(hallow planet) จะมีแรงลัพธ์เป็นศูนย์กระทำต่อวัตถุนั้น ออกแรงดูดด้วยปริมาณที่เท่าๆ กัน ด้วยเหตุที่มีระยะห่างเท่าๆกัน ระหว่างวัตถุตรงกลางกับเนื้อดาวเคราะห์โดยรอบ โดยกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันกล่าวถึงแรงดึงดูดระหว่างมวลนี้ว่า แปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง

พรีสท์ลีย์ จึงสรุปเอาดื้อๆ ว่า แรงทางไฟฟ้านี้ก็มีลักษณะที่อุปมาได้เช่นดังแรงโน้มถ่วงแบบนิวตันนั่นเอง ด้วยการให้เหตุผลเช่นนี้โดยปราศจากการสาธิต หรือทดลองให้เห็นอย่างชัดเจนนั้น ในทางวิทยาศาสตร์ยังไม่ถือเป็นสิ่งที่ควรที่จะยอมรับเป็นทฤษฎี แต่มันก็ได้รับการสนับสนุนเป็นจำนวนมาก จากนักฟิสิกส์ทั้งหลาย และกระตุ้นให้มีการนำเอาสมมติฐานหรือแนวคิดนี้ไปทดสอบอย่างจริงจังในเวลาต่อมา

การทดลองของคูลอมบ์

Charles Augustin Coulomb นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการทดลองเพื่อที่จะพิสูจน์กฎผกผันกำลังสอง ที่เสนอโดยพรีสท์ลีย์ โดยการใช้อุปกรณ์ Torsion Balance ที่เขาประดิษฐ์ขึ้นมาเอง ดังแผนภาพ

ที่มา : http://faculty.uml.edu/cbaird/95.657(OLD)/coulombfirstmemoir.html

จากแผนภาพแสดงให้เห็นถึง ก้านฉนวนถูกแขวนแนวราบ (fig 3) โดยลวดเงินเล็กๆ เมื่อลวดถูกทำให้บิดด้วยแรง มุมที่ถูกบิดจะวัดออกมาในรูปของแรงได้ คูลอมบ์ทำการยึดวัตถุที่ถูกชาร์จด้วยประจุ a  ที่ปลายด้านหนึ่งของก้านฉนวน พร้อมๆ กับชาร์จประจุให้วัตถุ b ที่อยู่ติดกัน แรงที่กระทำระหว่าง a กับ b ทำให้ลวดบิด ทำให้คูลอมบ์วัดแรงนี้ได้ จากการทำการทดลองอย่างระมัดระวังหลายๆ ครั้ง ทำให้คูลอมบ์ได้ ข้อสรุปว่า ขนาดของแรงทางไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ  \(R^2\)  โดย  \(R\) ก็คือ ระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง (a กับ b) หรือเขียนเป็นสมการได้ว่า

\[F_{el} \alpha \frac{1}{R^2}\]

โดย \(F_{el}\) ก็คือ แรงที่กระทำระหว่างประจุ 

และนี่ก็เป็นสิ่งที่ยืนยันถึงความถูกต้องของการคาดการณ์ของพรีสท์ลีย์ ซึ่งกระทำการทดลองโดย คูลอมบ์ 

นอกจากนี้คูลอมบ์ ยังได้ทำการทดลองและแสดงให้เห็นว่า ขนาดของประจุไฟฟ้าก็มีผลต่อแรงด้วย ถึงแม้ขณะนั้นยังไม่มีสิ่งใดที่จะระบุขนาดของประจุไฟฟ้าได้ก็ตาม  สิ่งที่คูลอมบ์กระทำก็คือ นำเอาบอลโลหะ(เล็กๆ)ลูกหนึ่งมาชาร์จประจุไฟฟ้าเข้าไป แล้วไปแตะกับบอลโลหะอีกลูกหนึ่งที่เหมือนกันทุกประการแต่ยังไม่มีอำนาจทางไฟฟ้า(เป็นกลางทางไฟฟ้า) ผลก็คือบอลโลหะที่เป็นกลางนี้จะได้รับการชาร์จประจุโดยบอลโลหะลูกแรก คูลอมบ์สามารถแสดงให้เห็นว่า บอลโลหะทั้งสองจะมีขนาดของประจุไฟฟ้าเท่ากัน (โดยนำบอลโลหะคู่ที่สัมผัสกันนี้ไปทดสอบแรงกับวัตถุที่ได้รับการชาร์จชิ้นที่สาม ซึ่งแรงจากบอลโลหะที่กระทำต่อวัตถุชิ้นที่สามมีค่าเท่ากัน) ดังนั้นสมมติว่าตอนแรกมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ \(Q\) ในตอนแรก คูลอมบ์แบ่งประจุนี้ออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กันบนบอลโลหะลูกแรกและบอลโลหะอีกลูกหนึ่ง ดังงนั้นแต่ละลูกจะมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ \(\frac{Q}{2}\)  ด้วยเทคนิคแบบเดียวกันนี้ คูลอมบ์สามารถสร้างให้บอลโลหะมีประจุไฟฟ้าเป็น \(\frac{Q}{4}\) , \(\frac{Q}{8}\) ได้ไปเรื่อยๆ อีก 

ด้วยเหตุนี้คูลอมบ์จึงทำการทดลองวัดขนาดของแรงจากบอลโลหะ โดยใช้ประจุไฟฟ้าที่มีอยู่บนบอลโลหะต่างๆ กัน  \(\frac{Q}{2}\) กับ \(\frac{Q}{2}\) บ้าง \(\frac{Q}{2}\) กับ \(\frac{Q}{4}\) บ้าง ไปเรื่อยๆ ผลจากการทดลองอย่างระมัดระวังขอคูลอมบ์ ทำให้คูลอมบ์สรุปได้ว่า แรงระหว่างประจุนี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ ผลคูณของประจุที่อยู่บนบอลโลหะทั้งสอง เช่น ถ้าให้ \(Q_{A}\) เป็นประจุไฟฟ้าบนบอลโลหะ A \(Q_{B}\) เป็นประจุไฟฟ้าบนบอลโลหะ B แล้ว

\[F_{el}  \alpha  Q_{A}Q_{B}\]

เมื่อนำข้อสรุปแรก คือ แรงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับส่วนกลับของระยะห่างระหว่างประจุกำลังสอง กับแรงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุทั้งสอง จะได้ว่า 

\[F_{el}  =  k\frac{Q_{A}Q_{B}}{R^{2}}\]

ค่า \(k\) คือ ค่าคงตัว ซึ่งค่านี้จะขึ้นอยู่กับชนิดหรือหน่วยของ ประจุไฟฟ้า กับ ระยะทาง 

และนี่คือกฎที่สมบูรณ์ของแรงไฟฟ้า หรือที่เราเรียกว่า "กฎของคูลอมบ์" ซึ่งถ้าจะพิจารณาเปรียบเทียบกับ "กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน" แล้ว จะเห็นได้ว่าแทบจะเป็นกฎอันเดียวกัน ทั้งๆ ที่ธรรมชาติของแรงมีความแตกต่างกันอย่างมาก แต่ไฉนลักษณะของกฎจึงมีความคล้ายคลึงกันอย่างมาก

การนิยามหน่วยของประจุไฟฟ้า

การจะกำหนดหน่วยของประจุไฟฟ้า อาจจะกำหนดจากสมการที่แสดงถึงกฎของแรงไฟฟ้า ก็ได้ เช่น ถ้ากำหนดให้ค่า \(k=1\)  การนิยามประจุไฟฟ้าก็จะได้จากแรงที่กระทำระหว่างประจุคู่นั้นกับระยะทาง(ซึ่งมีหน่วยเป็นเมตร) ยกกำลังสอง แต่อย่างไรก็ตาม ในระบบ MKSA (metre-kilogram-second-ampere) ซึ่งนิยมใช้กันอยู่แล้วในขณะนั้น โดยหน่วย "แอมแปร์" เป็นหน่วยที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้า หรือการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในตัวนำ จึงสะดวกกว่าที่จะนิยามหน่วยของประจุไฟฟ้าโดยอิงระบบ MKSA นี้ โดนิยามว่า กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ หมายถึง ปริมาณประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์เคลื่อนที่ในทิศเดียวกันผ่านบริเวณหนึ่งในเวลา 1 วินาที  (นี่เป็นเหตุผลของฝรั่งที่เขากำหนดกฎเกณฑ์วิชานี้ขึ้นมาครับ เราก็เรียนรู้ไปตามเขา)

แอมแปร์ หรือ แอมป์ หรือตัวย่อคือ A คือสิ่งที่เราได้ยินบ่อยเวลาพูดถึงกระแสไฟฟ้า ลองยกตัวอย่างง่ายๆ ที่อาจเชื่อมโยงความรู้ของเราให้เห็นชัดขึ้น เช่น หลอดไฟเบรกท้ายรถยนต์มีขนาด 24 วัตต์ ขณะที่เราแตะเบรกแล้วไฟท้ายรถหนึ่งหลอดติด จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 2 A หรือมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านหลอดไฟ 2 คูลอมบ์ต่อวินาที ฟังดูแล้ว หน่วยของคูลอมบ์เล็กนิดเดียว แต่นี่เป็นเรื่องของกระแสไฟฟ้า หากเป็นไฟฟ้าสถิต(ประจุไฟฟ้าอิสระที่อยู่นิ่ง) แล้วเป็นคนละเรื่องไปเลย เพราะประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์นี้ ทำให้กำหนดค่าคงตัวในกฎของคูลอมบ์ ประมาณได้ คือ \(k = 9\times10^{9} N.m^{2}/C^{2}\) หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าเรามีจุดประจุ 1 คูลอมบ์ 2 จุด วางห่างกัน 1 เมตรในที่ว่าง(สุญญากาศ) จะมีแรงกระทำระหว่างจุดประจุทั้งคู่นี้ ประมาณ \(9\times10^{9} N\)((เก้าพันล้านนิวตัน) หรือเทียบแรงที่ใช้ดึงมวล 9 แสนตันเอาไว้นั่นเอง ในมุมมองของไฟฟ้าสถิตแล้วจะเห็นได้ว่า "คูลอมบ์" ไม่ใช่หน่วยที่เล็กๆ แต่อย่างใดเลย และจากความรู้ ณ ปัจจุบัน เราทราบแล้วว่า ประจุไฟฟ้าสูทธิของอนุภาคอิเลกตรอน มีค่าเท่ากับ \(1.6\times10^{-19} C \)  

ในทางปฏิบัติเราคงไม่สามารถรวบรวมประจุไฟฟ้าให้อยู่นิ่งๆ ได้ขนาดนั้นได้ เพราะเราไม่สามารถต้านทานแรงที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ก่อนที่เรากำลังสะสมประจุไฟฟ้าเพื่อให้ได้ 1 คูลอมบ์ หรือหากต้านทานได้มันก็จะรั่วไหลหรือดิสชาร์จอย่างรวดเร็วจนเป็นเกิดประกายไฟ ซึ่งเกิดได้ง่ายในช่วงฤดูหนาวที่อากาศค่อนข้างแห้ง หรืออาจสังเกตจากปรากฏการณ์ฟ้าแลบบนท้องฟ้าก็ได้  ซึ่งเกิดจากการสะสมประจุไฟฟ้าบนเมฆในระดับของร้อยคูลอมบ์ ซึ่งถือว่ามีขนาดใหญ่มากๆ แล้ว

ที่มาของกฎของแรงทางไฟฟ้า จะขอจบเพียงเท่านี้ ส่วนการประยุกต์ใช้กฎนี้ในการแก้ปัญหาทางฟิสิกส์ จะได้กล่าวถึงในโอกาสต่อๆ ไป

เรื่องเล่า "ไฟฟ้าสถิต" ตอนแรก

ในอดีตกาลมนุษย์เรารู้ว่าถ้าเอาก้อนอำพันมาถูกับผ้า ก้อนอำพันจะมีพลังลึกลับที่ดึงดูดวัตถุเล็กๆ เช่น เศษฟาง ให้มาติดกับตัวมันได้ หลักฐานเกี่ยวกับเรื่องนี้ ย้อนหลังได้ถึงสมัยกรีกโบราณโน่นแน่ะ  อำพัน เป็นก้อนของแข็งสีเหมือนสีของเหล้าแม่โขงนั่นแหละ (ดูรูปประกอบก็แล้วกัน) ซึ่งจริงๆ แล้วมันก็คือยางไม้ที่ไหลมารวมกันแล้วก็กระบวนการตามธรรมชาติ ผ่านกาลเวลาอย่างยาวนานจนกระทั่งมันแข็งเหมือนหิน และมีสีสันที่สวยงาม

By Brocken Inaglory - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11215746

คำอธิบายเกี่ยวกับปรากฎการณ์แรงดูดลึกลับระหว่างก้อนอำพัน(หลังจากที่ถูกับผ้า)กับเศษวัตถุชิ้นเล็กๆ ยังไม่มีอย่างเป็นชิ้นเป็นอันนานเป็นพันปี กระทั่ง William Gilbert (พ.ศ. 2087-พ.ศ.2146) ได้เผยแพร่หนังสือ De Magnete เพื่ออธิบายเกี่ยวกับเรื่องนี้ และนั่นคือปฐมบทของ "ไฟฟ้าสถิต" อย่างแท้จริง

รายละเอียดภายในหนังสือ De Magnete ไม่ได้มีเพียงแค่เรื่องราวของ "ไฟฟ้าสถิต" เท่านั้น แต่ยังกล่าวถึง "แม่เหล็ก" ซึ่งเป็นแรงลึกลับอีกแรงหนึ่งในสมัยนั้นด้วย โดยกระบวนการที่กิลเบิร์ตใช้นั้นเป็นการทดลองทางวิทยาศาสตร์แนวใหม่ ซึ่งได้ขยายพรมแดนความรู้ทั้งเรื่องไฟฟ้าสถิตและแม่เหล็กให้กว้างขวางออกไป ซึ่งเรื่องเล่าที่ครูจะกล่าวถึงตอนนี้จะยังไม่กล่าวถึง "แม่เหล็ก" แต่จะเล่าถึงเพียงเฉพาะเรื่องราวของไฟฟ้าสถิตก่อนเท่านั้น  ในหนังสือกิลเบิร์ตนั้น กิลเบิร์ตไม่ได้ทำการทดลองเฉพาะก้อนอำพันกับที่ถูกับผ้าเท่านั้นที่ทำให้เกิดแรงดูด แต่มีวัสดุคู่อื่นๆ อีกที่สามารถมีผลเช่นเดียวกัน เช่น แก้วกับขนสัตว์ แท่งยางแข็งๆ กับไหม เป็นต้น โดยเขาได้ให้นิยามคำ ELECTRIC ว่า bodies that attract in the same way as amber แปลเป็นไทยก็จะในทำนองที่ว่า ไฟฟ้า คือ การที่วัตถุดูดกันคล้ายๆ กับการดูดของก้อนอำพัน

การดูดของแท่งอำพันกับเศษวัสดุเล็กๆ หรือการผลักกันเองของแท่งอำพันกับแท่งอำพัน (ภายหลังจากถูกด้วยผ้า) สามารถมองเห็นและสังเกตได้จากการทดลอง คำถามก็คือ มันเกิดอะไรเกิดขึ้นระหว่างที่เราถูวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน กลไกภายในเนื้ออำพันเป็นอย่างไร และนั่นเป็นเหตุผลที่นักฟิสิกส์ ณ ขณะนั้นต้องสร้างโมเดลขึ้นมาอธิบาย ในที่สุดโมเดล "ประจุ" ก็เกิดขึ้นเพื่อนำมาอธิบายปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้น

โมเดลประจุเป็นสิ่งที่ไม่อาจสังเกตได้ด้วยสายตา แต่เราสมมติขึ้นมา โดยโมเดลนี้มีกฎเกณฑ์ ดังนี้

1. มีประจุไฟฟ้าอยู่สองชนิด 
2. ประจุไฟฟ้าที่เหมือนกันจะผลักกัน
3. ประจุไฟฟ้าที่ต่างกันจะดูดกัน

Benjamin Franklin เป็นผู้หนึ่งที่นำเอาโมเดลนี้มาอธิบาย โดยกล่าวว่า วัตถุต่างๆ ทุกชนิดจะประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าสองชนิดนี้ในปริมาณที่เท่าๆ กันในยามปกติ มันจึงไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา (เพราะอิทธิพลของประจุทั้งคู่กลบกันหมดพอดี) แต่เมื่อนำเอาวัสดุคู่หนึ่งมาถูกัน ทำให้ประจุไฟฟ้าทั้งสองแยกออกจากกันโดยประจุชนิดหนึ่งจะชอบไปอยู่กับวัสดุอีกชนิดหนึ่งได้ดี ทำให้เกิดสมดุลของประจุไฟฟ้าของวัสดุนั้นเสียไป อิทธิพลของอำนาจของประจุไฟฟ้าที่มีมากกว่าจึงแสดงอำนาจออกมา (โดยการดูดวัตถุชิ้นเล็กๆ ได้) โดยธรรมชาติของประจุไฟฟ้าถูกมองเหมือน "ของไหล" ชนิดหนึ่ง แฟรงคลิน เรียกประจุไฟฟ้าทั้งคู่นี้ว่า "ประจุบวก" พวกหนึ่ง และ "ประจุลบ" อีกพวกหนึ่ง

คำถามคือ แล้วอะไรไหลกันแน่ระหว่าง "บวก" หรือ "ลบ" ซึ่งในภายหลังเราก็พบว่าทั้งสองชนิดของประจุสามารถไหลได้ทั้งคู่ (แต่ด้วยความรู้ใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นภายหลังเราทราบว่า ประจุลบจะไหลได้ง่ายกว่า โดยที่เราทราบว่าอนุภาคอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ จะเป็นอิสระได้ง่ายจากอะตอม และมีอยู่เป็นจำนวนมากที่เคลื่อนที่ไปมาในโลหะ)

โมเดลง่ายๆ นี้ (โมเดลประจุไฟฟ้าบวก กับประจุไฟฟ้าลบ) เป็นโมเดลที่ยอดเยี่ยมทีเดียว เพราะมันสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้เป็นจำนวนมาก โดยอาศัยแค่ "บวก" กับ "ลบ" ไม่จำเป็นต้องมี "คูณ" หรือ "หาร" เข้ามาเกี่ยวข้อง  แม้แต่วัตถุที่ยังไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา ก็สามารถอธิบายได้ว่า ประจุไฟฟ้าชนิดบวก กับประจุไฟฟ้าชนิดลบ มีปริมาณเท่าๆ กัน ผลรวมทางคณิตศาสตร์ของมันจึงมีค่าเป็นศูนย์และสิ่งที่แสดงออกมาคือไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า แต่ถ้ามันเกิดการไหลของตัวใดตัวหนึ่งเข้าแล้วผลรวมทางคณิตศาสตร์ของมันไม่เป็นศูนย์ มันก็จะแสดงอำนาจทางไฟฟ้าออกมา การเรียกชนิดของประจุไฟฟ้าเป็นบวก กับลบ จึงเป็นข้อดีอีกแบบหนึ่งของโมเดลการอธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้านี้

แต่อย่างไรก็ตาม โมเดลประจุไฟฟ้านี้ ยังเป็นเพียงคำอธิบาย หรือบรรยายปรากฏการณ์ ELECTRIC เท่านั้น ยังไม่ได้พูดถึง "ขนาดของแรง" ว่ามีความสัมพันธ์อย่างไรกับ "ขนาดของประจุไฟฟ้า" หรือจำนวนของประจุบวก หรือประจุลบ ระยะห่างมีผลอย่างไรต่อขนาดของแรง ซึ่งต้องแสดงออกมาในเชิงปริมาณ ซึ่งเรื่องนี้จะได้พูดถึงในตอนต่อไป ซึ่งจะกล่าวถึงความสำเร็จของนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ที่ได้สร้าง "กฏแห่งแรง" (Law of Force) ทางไฟฟ้าขึ้นมา ตอนนี้ขอจบบันทึกไว้เพียงเท่านี้ก่อน