เกรด 10 · ไฟฟ้าสถิต
ประจุและสนามไฟฟ้า
การอนุรักษ์ประจุ กฎของคูลอมบ์ ความเข้มสนามไฟฟ้า และการซ้อนทับ
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
วางประจุทดสอบบวกและลบทีละตัวที่จุดเดียวกัน ต้นกำเนิดยังเหมือนเดิม แต่แรงชี้สวนทางกัน เราจะอธิบายผลรอบต้นกำเนิดโดยแยกออกจากสมบัติของวัตถุทดสอบได้อย่างไร?
การถ่ายโอนอิเล็กตรอน
เมื่อทำให้วัตถุสองชิ้นมีประจุ ชิ้นหนึ่งอาจมีอิเล็กตรอนเกิน ส่วนอีกชิ้นขาดอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนมีประจุลบ วัตถุที่รับอิเล็กตรอนจึงเป็นลบ ส่วนที่เสียอิเล็กตรอนเป็นบวก ประจุไฟฟ้า q วัดเป็นคูลอมบ์ C และต้องคิดเครื่องหมายด้วย การทำให้มีประจุทั่วไปเป็นการกระจายประจุใหม่ การถูไม่ได้สร้างประจุขึ้นจากความว่างเปล่า ความเป็นกลางหมายถึงประจุบวกและลบหักล้างกัน ไม่ใช่ไม่มีอนุภาคมีประจุ
การอนุรักษ์ประจุ
ล้อมระบบที่แยกทางไฟฟ้าด้วยขอบเขตสมมติ หากไม่มีประจุผ่านขอบเขต q_1+q_2+\ldots+q_n=\text{const} นี่คือกฎการอนุรักษ์ประจุ ดัชนีแทนวัตถุต่างกันและผลรวมเป็นผลรวมเชิงพีชคณิต การถ่ายโอนอิเล็กตรอนอาจเปลี่ยนแต่ละพจน์อย่างมากแต่ผลรวมคงเดิม เช่น ประจุบวกและลบขนาดเท่ากันยังให้ผลรวมศูนย์ การต่อลงดินเปิดทางให้ประจุแลกเปลี่ยนได้ จึงต้องตรวจสอบขอบเขตที่เลือก
แรงดึงดูดและแรงผลัก
ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน ต่างชนิดกันดึงดูดกัน สำหรับประจุจุดที่อยู่นิ่ง แรงอยู่ตามเส้นที่เชื่อมทั้งสอง เพราะไม่มีแนวอื่นที่เด่นเฉพาะสำหรับประจุคู่นี้ แบบจำลองประจุจุดใช้ได้เมื่อขนาดวัตถุเล็กจนละเลยได้เทียบกับระยะห่าง ขนาดแรงขึ้นกับประจุทั้งสอง ระยะทาง และตัวกลาง ควรวาดทิศแรงก่อนคำนวณ เพื่อใช้ลักษณะการดึงดูดหรือผลักเป็นการตรวจสอบอีกทาง
คำนึงถึงตัวกลาง
ประจุที่วางในสารทำให้ประจุภายในสารจัดเรียงใหม่ ตัวกลางจึงเปลี่ยนอันตรกิริยารวม ให้ r เป็นระยะห่างระหว่างต้นกำเนิดในหน่วยเมตร และ \varepsilon เป็นสภาพยอมสัมพัทธ์ของตัวกลางซึ่งไร้มิติ ในสุญญากาศ \varepsilon=1 สูตรอย่างง่ายต่อไปนี้สมมติว่าตัวกลางสม่ำเสมอทั่วบริเวณที่พิจารณา จะใช้ตัวเลขเดียวแทนขอบเขตระหว่างวัสดุใด ๆ โดยไม่วิเคราะห์ไม่ได้
กฎของคูลอมบ์
กฎของคูลอมบ์ให้ขนาดแรง: F=k|q_1q_2|/(\varepsilon r^2) โดย k\approx9\cdot10^9\,\text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{Кл}^2 ประจุหน่วย C และระยะทางหน่วย m ให้แรงหน่วย N เพิ่มประจุตัวหนึ่งเป็นสองเท่าทำให้ F เป็นสองเท่า เพิ่มระยะทางเป็นสองเท่าทำให้แรงเหลือหนึ่งในสี่ ขนาดแรงไม่เป็นลบ ต้องใช้เครื่องหมายประจุหาทิศแยกต่างหาก ขีดจำกัด r → 0 เตือนถึงข้อจำกัดของแบบจำลองจุดสำหรับวัตถุจริงที่มีขนาด
สภาพยอมของสุญญากาศ
อีกค่าคงตัวที่ใช้สะดวกคือสภาพยอมของสุญญากาศ \varepsilon_0\approx8{,}85\cdot10^{-12}\,\text{Ф/м} โดย k=1/(4\pi\varepsilon_0) นี่คือการเขียนสัมประสิทธิ์อันตรกิริยาเดิมในอีกรูป ไม่ใช่ผลเพิ่มเติมจากตัวกลาง ฟารัดเป็นหน่วยความจุไฟฟ้าซึ่งจะเรียนในหัวข้อถัดไป ตอนนี้ให้แยก \varepsilon_0 ที่มีหน่วย F/m ออกจาก \varepsilon สัมพัทธ์ที่เป็นตัวประกอบไร้มิติ
ข้อจำกัดของแบบจำลอง
เมื่อใดจึงหารแรงในสุญญากาศด้วย ε ได้ตรง ๆ? ไดอิเล็กทริกต้องสม่ำเสมอ มีสมบัติเท่ากันทุกทิศทางหรือไอโซทรอปิก และเป็นเชิงเส้น คือโพลาไรเซชันแปรผันตรงกับสนาม บริเวณรอยต่อวัสดุหรือใกล้ตัวนำ ประจุเหนี่ยวนำมีการกระจายต่างออกไป ลองวางผนังโลหะใกล้ประจุคู่เดิม ผนังเปลี่ยนทั้งสนามและทิศของสนาม แม้ระยะห่างประจุเดิมไม่เปลี่ยน การแทนค่า ε เพียงตัวเดียวจึงไม่พอ
สนาม ณ จุดที่เลือก
วางประจุทดสอบขนาดเล็ก ณ จุดที่เลือกแล้ววัดแรง เมื่อเพิ่มประจุทดสอบเป็นสองเท่า แรงก็เป็นสองเท่า อัตราส่วนจึงยังเป็นสมบัติของต้นกำเนิด เรียกว่าความเข้มสนามไฟฟ้า: \vec E=\vec F/q หน่วย N/C ทิศ E กำหนดตามทิศแรงต่อประจุทดสอบบวก ประจุทดสอบต้องเล็กพอที่จะรบกวนตำแหน่งต้นกำเนิดหรือการกระจายประจุเพียงเล็กน้อย มิฉะนั้นเราจะกำลังวัดสนามที่เปลี่ยนไปแล้ว
สนามกับแรงต่างกัน
จากนิยามได้ \vec F=q\vec E ค่า q บวกคงทิศเวกเตอร์ ส่วน q ลบกลับทิศ อิเล็กตรอนจึงรับแรงสวน E แม้สนามไม่ได้ ‘หันกลับ’ เมื่อมีอิเล็กตรอนเข้ามา เมื่อต้นกำเนิดคงเดิม เพิ่มประจุทดสอบเป็นสองเท่าจะเพิ่มแรงเป็นสองเท่า แต่ E คงเดิม หากเอาประจุทดสอบออก แรงที่กระทำต่อวัตถุนั้นย่อมหายไปพร้อมวัตถุ แต่สนามจากต้นกำเนิดยังอยู่ จึงแยกสมบัติสนามออกจากอันตรกิริยาต่อวัตถุทดสอบเฉพาะตัวได้
สนามจากประจุจุดต้นกำเนิด
ให้ประจุต้นกำเนิดเป็น Q เพื่อแยกจากประจุทดสอบ q หารแรงคูลอมบ์ด้วยขนาดประจุทดสอบจะได้ E=k|Q|/(\varepsilon r^2) ตัว q ตัดกัน ซึ่งควรเป็นเช่นนั้นเพราะสนามเป็นสมบัติของต้นกำเนิด สนามชี้ออกจาก Q บวกและเข้าหา Q ลบ ที่ระยะสองเท่า ขนาดเหลือหนึ่งในสี่ เมื่อ |Q| เป็นสองเท่า ขนาดสนามก็เป็นสองเท่า เงื่อนไขต้นกำเนิดแบบจุดและตัวกลางเชิงเส้นสม่ำเสมอยังคงเหมือนกรณีแรง
อีกหน่วยของความเข้มสนามไฟฟ้า
ความเข้มสนามไฟฟ้ามีหน่วย V/m ได้ด้วย: 1\,\text{Н/Кл}=1\,\text{В/м} เป็นปริมาณเดียวกันที่เขียนได้สองแบบ N/C สะดวกเมื่อทราบแรงต่อประจุทดสอบ ส่วน V/m สะดวกเมื่อทราบความต่างศักย์และระยะตามสนามสม่ำเสมอ หน่วยใหม่ไม่ได้เพิ่มกฎใหม่ ในบทถัดไป โวลต์ซึ่งเท่ากับจูลต่อคูลอมบ์จะเชื่อมคำอธิบายด้านพลังงานกับด้านแรง
โพลาไรเซชันของไดอิเล็กทริก
ทำไมไดอิเล็กทริกจึงเปลี่ยนสนาม? ประจุบวกและลบภายในเลื่อนเล็กน้อยเทียบกัน หรือคู่ประจุที่ยึดเหนี่ยวกันจัดแนวใหม่ นี่คือโพลาไรเซชัน ซึ่งไม่ต้องมีประจุไหลอย่างอิสระทั่วตัวอย่างเหมือนในโลหะ สารที่เกิดโพลาไรเซชันสร้างสนามของตนเองซึ่งรวมกับสนามเดิม ให้ E₀ เป็นสนามเมื่อไม่มีไดอิเล็กทริก และ E เป็นสนามหลังเติมไดอิเล็กทริกเต็มบริเวณ การเปรียบเทียบต้องกำหนดต้นกำเนิดให้เหมือนกัน
เมื่อใดสนามจึงอ่อนลง
เมื่อประจุอิสระและรูปทรงคงเดิม การเติมไดอิเล็กทริกเชิงเส้นไอโซทรอปิกอย่างสม่ำเสมอเต็มบริเวณให้ \varepsilon=E_0/E เมื่อ ε เป็นสองเท่า E จะเหลือครึ่งหนึ่งภายใต้เงื่อนไขนี้ แต่แหล่งจ่ายที่รักษาความต่างศักย์คงตัวอาจเปลี่ยนประจุอิสระ ทำให้เงื่อนไขเปรียบเทียบเดิมใช้ไม่ได้ สูตรนี้ไม่ใช่สูตรสากลสำหรับการจุ่มวัตถุใด ๆ ในไดอิเล็กทริก ต้องตรวจสอบก่อนว่าอะไรคงเดิมและรอยต่อวัสดุอยู่ที่ใด
การซ้อนทับของสนาม
หาสนามจากหลายต้นกำเนิดอย่างไร? ที่จุดเดียวกัน วาด \vec E_1,\vec E_2,\ldots แยกกัน แล้วใช้หลักการซ้อนทับ: \vec E=\vec E_1+\vec E_2+\ldots สิ่งที่บวกคือเวกเตอร์ สนามสองส่วนที่ไม่เป็นศูนย์จึงอาจรวมเป็นศูนย์ได้ การบวกขนาดบวกใช้ได้เฉพาะเมื่อทิศตรงกัน สนามสวนทางหักล้างกันบางส่วน หากทิศทำมุมกัน ให้ใช้แผนภาพเวกเตอร์หรือองค์ประกอบ แทนการเดาเครื่องหมายจากตัวเลข
ตรวจสอบด้วยสมมาตร
วางประจุบวกเท่ากันสองตัวอย่างสมมาตรคนละด้านของจุดหนึ่ง ที่กึ่งกลาง สนามมีขนาดเท่ากันและทิศสวนกัน จึงได้ E = 0 ไม่อาจเลือกทิศใดโดยไม่ทำลายสมมาตร คราวนี้แทนต้นกำเนิดตัวหนึ่งด้วยประจุลบ ระหว่างประจุ สนามทั้งสองชี้จากบวกไปลบ ขนาดจึงบวกกัน การเปลี่ยนเครื่องหมายเดียวเปลี่ยนจากหักล้างเป็นเสริมกัน แม้ระยะทางและขนาดประจุคงเดิม
หาสนามจากแรงต่อประจุทดสอบ
ประจุทดสอบบวก 2 nC รับแรง 6 μN ไปทางขวา จงหาความเข้มสนามไฟฟ้า
ลองดูตัวอย่าง · 1
ประจุเป็นบวก E จึงมีทิศเดียวกับแรง คือไปทางขวา
ลองดูตัวอย่าง · 2
แปลงหน่วย: q=2·10⁻⁹ C, F=6·10⁻⁶ N
ลองดูตัวอย่าง · 3
จากนิยาม E=F/q=3000 N/C
ลองดูตัวอย่าง · 4
ตรวจสอบ: ประจุสองเท่าจะรับแรงสองเท่า แต่ F/q คงเดิม
ตรวจสอบผลลัพธ์
E=3000 N/C ไปทางขวา
ประเด็นสำคัญ · 1
ประจุรวมของระบบโดดเดี่ยวคงเดิม แม้วัตถุแต่ละชิ้นจะแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกันได้
ประเด็นสำคัญ · 2
E อธิบายสนามจากต้นกำเนิด ส่วน F = qE คิดเครื่องหมายและขนาดของประจุทดสอบด้วย
ประเด็นสำคัญ · 3
กฎของคูลอมบ์และการลดสนามด้วย ε ต้องใช้แบบจำลองตัวกลางที่กำหนด สนามจากหลายต้นกำเนิดรวมกันแบบเวกเตอร์
เรียนอะไรต่อ
ต่อไปจะศึกษาว่าสนามถ่ายเทพลังงานอย่างไรเมื่อประจุเคลื่อนที่
แนวคิดพื้นฐาน
กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
ผลรวมเชิงพีชคณิตของประจุของระบบแยกทางไฟฟ้ายังคงที่
ประจุสามารถถ่ายโอนระหว่างวัตถุและแจกจ่ายต่อได้ แต่จะไม่เปลี่ยนประจุรวมของระบบที่แยกเดี่ยว
กฎของคูลอมบ์
กฎอันตรกิริยาของประจุไฟฟ้าจุดที่นิ่ง
แรงอยู่ตามเส้นที่เชื่อมประจุ เครื่องหมายประจุกำหนดการดึงดูดหรือผลัก และขนาดแรงลดลงแบบผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง
สนามไฟฟ้า
สนามทางกายภาพที่ทำให้ประจุไฟฟ้ามีอันตรกิริยากัน ในคำศัพท์รัสเซียที่ใช้ที่นี่ สนามนับรวมในแนวคิดสสารอย่างกว้าง
สนามนี้มีอยู่รอบๆ ประจุ และในแต่ละจุดจะกำหนดว่าแรงใดที่จะกระทำต่อประจุทดสอบบวกหนึ่งหน่วย
หลักการซ้อนทับของสนาม
สนามจากหลายต้นกำเนิดเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของสนามจากแต่ละต้นกำเนิด
คำนวณสนามจากแต่ละต้นกำเนิดแยกกัน แล้วรวมเวกเตอร์สนามไฟฟ้าโดยคำนึงถึงทิศทาง
ปริมาณทางฟิสิกส์
ประจุไฟฟ้า
qปริมาณที่กำหนดอันตรกิริยาทางไฟฟ้าของวัตถุ
หน่วย: คูลอมบ์ · \mathrm{Кл}
ประจุไฟฟ้าตัวแรก
q_1ประจุของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์ตัวแรก
หน่วย: คูลอมบ์ · \mathrm{Кл}
ประจุไฟฟ้าที่สอง
q_2ประจุของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์ที่สอง
หน่วย: คูลอมบ์ · \mathrm{Кл}
ค่าคงที่คูลอมบ์
kสัมประสิทธิ์ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าในสุญญากาศ
หน่วย: นิวตันตารางเมตรต่อคูลอมบ์ยกกำลังสอง · \frac{\mathrm{Н}\cdot\mathrm{м}^2}{\mathrm{Кл}^2}
สภาพยอมสัมพัทธ์
\varepsilonสมบัติไร้มิติของไดอิเล็กทริก อัตราส่วน E₀/E ใช้ได้เมื่อประจุอิสระและรูปทรงคงเดิม และเติมไดอิเล็กทริกเชิงเส้นไอโซทรอปิกอย่างสม่ำเสมอเต็มบริเวณ
หน่วย: ปริมาณไร้มิติ
สภาพยอมของสุญญากาศ
\varepsilon_0ค่าคงที่พื้นฐานที่แสดงลักษณะของสนามไฟฟ้าในสุญญากาศ
หน่วย: ฟารัดต่อเมตร · \frac{\mathrm{Ф}}{\mathrm{м}}
ความเข้มสนามไฟฟ้า
Eแรงที่กระทำต่อประจุทดสอบบวกหนึ่งหน่วย
หน่วย: นิวตันต่อคูลอมบ์ · \frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{Кл}}
ความเข้มสนามไฟฟ้าในสุญญากาศ
E_0ความเข้มสนามไฟฟ้าเมื่อไม่มีตัวกลางไดอิเล็กทริก
หน่วย: นิวตันต่อคูลอมบ์ · \frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{Кл}}
สูตรบทเรียน
กฎการอนุรักษ์ประจุ
q_1+q_2+\ldots+q_n=\mathrm{const}ผลรวมเชิงพีชคณิตของประจุของระบบแยกเดี่ยวมีค่าคงที่
กฎของคูลอมบ์
F=k\frac{\lvert q_1q_2\rvert}{\varepsilon r^2}แรงระหว่างประจุขึ้นกับประจุ ระยะห่าง และสมบัติของตัวกลาง
เงื่อนไข: ประจุจุดที่อยู่นิ่งในสุญญากาศหรือตัวกลางเชิงเส้นไอโซทรอปิกสม่ำเสมอ โดยไม่มีผลจากขอบเขต เครื่องหมายประจุกำหนดทิศ ส่วนสูตรให้ขนาด
นิยามความเข้มสนามไฟฟ้า
\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q}ความเข้มสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงต่อประจุทดสอบหารด้วยประจุทดสอบ โดยคิดเครื่องหมายประจุด้วย
หน่วยความเข้มสนามไฟฟ้า
1\,\frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{Кл}}=1\,\frac{\mathrm{В}}{\mathrm{м}}นิวตันต่อคูลอมบ์เท่ากับโวลต์ต่อเมตร
สนามของประจุจุด
E=k\frac{\lvert q\rvert}{\varepsilon r^2}ความเข้มสนามของประจุจุดลดลงแบบผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง
เงื่อนไข: ต้นกำเนิดแบบจุดในสุญญากาศหรือตัวกลางเชิงเส้นไอโซทรอปิกสม่ำเสมอ โดยไม่มีผลจากขอบเขต สูตรให้ขนาดสนาม
สภาพยอมสัมพัทธ์จากความเข้มสนาม
\varepsilon=\frac{E_0}{E}ภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ สภาพยอมสัมพัทธ์เท่ากับความเข้มสนามในสุญญากาศหารด้วยความเข้มสนามหลังเติมไดอิเล็กทริก
เงื่อนไข: ประจุอิสระและรูปทรงคงเดิม เติมไดอิเล็กทริกเชิงเส้นไอโซทรอปิกอย่างสม่ำเสมอเต็มบริเวณ หากตรึงความต่างศักย์ของตัวเก็บประจุแผ่นขนาน สนามยังคงเป็น U/d
การซ้อนทับของเวกเตอร์สนามไฟฟ้า
\vec{E}=\vec{E_1}+\vec{E_2}+\ldotsสนามไฟฟ้าจากหลายต้นกำเนิดเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของสนามแต่ละต้นกำเนิด
ค่าคงที่คูลอมบ์
k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9\,\frac{\mathrm{Н}\cdot\mathrm{м}^2}{\mathrm{Кл}^2}ค่าคงที่คูลอมบ์ระบุความแรงของปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในสุญญากาศ
สภาพยอมของสุญญากาศ
\varepsilon_0=8{,}85\cdot10^{-12}\,\frac{\mathrm{Ф}}{\mathrm{м}}ค่าคงที่ไฟฟ้าจะแสดงลักษณะของสนามไฟฟ้าในสุญญากาศ
ทดลองความสัมพันธ์
คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น
สนามและประจุทดสอบ
E = kQ/r²; F = qE; k = 9·10⁹ Н·м²/Кл²
ประจุจุดอยู่นิ่งในสุญญากาศ Q ถูกตรึงไว้และประจุทดสอบไม่เปลี่ยนแหล่งกำเนิด แกนชี้จาก Q ไปยังจุดสังเกตทางขวา
เมื่อ Q และ r คงเดิม ถ้าเพิ่มประจุทดสอบจาก 1 เป็น 2 μC ขนาดของ E จะเปลี่ยนอย่างไร?
ค่าเริ่มต้น
ลูกศร E และ F แสดงทิศทาง ห้ามเปรียบเทียบความยาวกันเพราะใช้หน่วยต่างกัน
ผลการคำนวณ
- E
- 72 кН/Кл
- F
- 0.072 Н
อธิบายผล
E ขึ้นกับประจุต้นกำเนิดและระยะห่าง ส่วน F ขึ้นกับประจุทดสอบด้วย q ติดลบทำให้แรงกลับทิศ แต่ไม่เปลี่ยนทิศสนาม
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ