การทำให้มีประจุ ตัวนำ และไดอิเล็กทริก

ลูกโป่งที่ถูแล้วดึงดูดกระดาษที่ไม่ได้ถู แปลว่ากระดาษต้องมีประจุตรงข้ามเพิ่มขึ้นหรือไม่? เริ่มจากพิจารณาว่าสิ่งใดภายในวัสดุเปลี่ยนได้

แขวนวัตถุเล็กที่มีประจุสองชิ้นแล้วเปรียบเทียบผล บางคู่ผลักกัน บางคู่ดึงดูดกัน จึงใช้ประจุไฟฟ้าสองเครื่องหมาย คือบวกและลบ เพื่ออธิบาย ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน ต่างชนิดกันดึงดูดกัน ประจุใช้สัญลักษณ์ q และวัดเป็นคูลอมบ์ Кл ประจุบอกลักษณะอันตรกิริยาไฟฟ้า แต่ไม่ใช่แรง เพราะแรงยังขึ้นอยู่กับระยะห่างและตัวกลางโดยรอบ

การถูไม่ได้เพิ่มสสารชนิดใหม่ให้วัสดุ เพราะวัสดุมีอนุภาคประจุบวกและลบอยู่แล้ว เมื่อวัสดุสัมผัสแล้วแยกจากกัน อิเล็กตรอนบางส่วนอาจย้ายระหว่างวัตถุ การถูช่วยให้ผิวหลายบริเวณสัมผัสกัน อิเล็กตรอนมีประจุลบ วัตถุที่เริ่มเป็นกลางและได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มจึงมีประจุลบ การถ่ายโอนหรือกระจายประจุใหม่เช่นนี้เรียกว่าการทำให้มีประจุ

อีกวัตถุหนึ่งมีอิเล็กตรอนน้อยลง แต่ส่วนที่มีประจุบวกยังอยู่ วัตถุเป็นกลางที่สูญเสียอิเล็กตรอนจึงมีประจุบวก ต้องติดตามวัตถุทั้งคู่ในฐานะระบบโดดเดี่ยว ประจุลบที่ชิ้นหนึ่งได้รับเท่ากับที่อีกชิ้นเสียไป หากทั้งคู่เริ่มเป็นกลาง ประจุสุดท้ายมีขนาดเท่ากัน เครื่องหมายตรงข้าม และผลรวมศูนย์ การแลกเปลี่ยนกับมือหรืออากาศจะทำให้ไม่เป็นไปตามเงื่อนไขโดดเดี่ยวนี้

เหตุใดแท่งโลหะจึงมีประจุที่ปลายไกลจากจุดสัมผัสได้ แต่พลาสติกต่างออกไป? โลหะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ทั่ววัตถุ วัสดุเช่นนี้เป็นตัวนำไฟฟ้า เมื่อส่วนต่าง ๆ เชื่อมกัน ประจุจะกระจายใหม่อย่างรวดเร็ว มืออาจเป็นทางให้ประจุออกไปได้ด้วย ด้ามฉนวนขัดขวางการแลกเปลี่ยนนี้ ทำให้ศึกษาประจุบนแท่งได้ แทนที่จะส่งประจุให้สิ่งแวดล้อมทันที

ในสภาวะปกติ ไดอิเล็กทริกแทบไม่มีพาหะประจุที่เคลื่อนอิสระผ่านทั้งวัตถุได้ แต่ไม่ได้แปลว่าไม่มีอนุภาคมีประจุ ประจุใกล้เคียงทำให้ส่วนบวกและลบเลื่อนสัมพัทธ์กันเล็กน้อยได้ การแยกเช่นนี้คือโพลาไรเซชัน ไดอิเล็กทริกจึงเป็นฉนวนไฟฟ้าที่เกิดโพลาไรเซชันได้ ผลรวมประจุอาจยังเป็นศูนย์แม้ตำแหน่งเปลี่ยน ดังนั้นเป็นกลางไม่ได้แปลว่าไม่มีอันตรกิริยาไฟฟ้า

กระดาษใกล้ลูกโป่งมีประจุเกิดโพลาไรเซชัน ด้านประจุตรงข้ามอยู่ใกล้กว่าเล็กน้อย ส่วนด้านประจุชนิดเดียวกันอยู่ไกลกว่า อันตรกิริยาไฟฟ้าอ่อนลงตามระยะ แรงดึงดูดด้านใกล้จึงอาจมากกว่าแรงผลักด้านไกล กระดาษจึงถูกดึงดูดได้โดยประจุรวมไม่เปลี่ยน หากสมมติให้สนามกระทำต่อทั้งสองด้านเหมือนกันทุกประการ ความต่างนี้จะหายไป สิ่งสำคัญคือผลของสนามที่ต่างกันตามตำแหน่ง

แผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปเชื่อมกับก้านด้านบน เมื่อส่งประจุเข้า ประจุกระจายและแผ่นที่มีประจุชนิดเดียวกันผลักจนกางออก แต่การกางเพียงอย่างเดียวไม่บอกเครื่องหมายหากไม่เทียบกับประจุที่ทราบ อีกทั้งวัตถุมีประจุที่อยู่ใกล้สามารถทำให้ประจุกระจายใหม่โดยไม่สัมผัส แผ่นจึงกางได้ทั้งที่อิเล็กโทรสโคปโดยรวมยังเป็นกลาง เครื่องมือแสดงผลไฟฟ้าต่อแผ่น แต่การสรุปต้องทราบเงื่อนไข

นำแท่งโลหะเป็นกลางที่มีด้ามฉนวนแตะทรงกลมมีประจุ เหตุใดแท่งจึงมีประจุด้วย?

เมื่อสัมผัส ทรงกลมกับแท่งโลหะรวมเป็นตัวนำเดียว อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้สามารถผ่านจุดสัมผัส

ประจุกระจายใหม่จนถึงสมดุลไฟฟ้า ด้ามฉนวนขัดขวางประจุออกผ่านมือ ประจุจึงยังอยู่ในระบบนี้

ประจุแต่ละชิ้นไม่จำเป็นต้องเท่ากัน การกระจายที่สมดุลขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดตัวนำ การสัมผัสเพียงอย่างเดียวไม่ได้แปลว่าประจุแบ่งครึ่ง

อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ทำให้ประจุกระจายบนตัวนำทั้งสอง ประจุบางส่วนจึงอยู่บนแท่ง

การทำให้มีประจุเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนหรือจัดเรียงประจุที่มีอยู่แล้ว

ในตัวนำ พาหะเคลื่อนผ่านวัตถุได้ ส่วนในไดอิเล็กทริก ประจุที่ถูกยึดเหนี่ยวเลื่อนสัมพัทธ์กันเล็กน้อยได้

กระดาษเป็นกลางถูกดึงดูดเพราะโพลาไรเซชันและแรงที่ไม่เท่ากันบนด้านใกล้กับด้านไกล

เพื่ออธิบายเครื่องหมายประจุให้ชัดขึ้น ต่อไปจะศึกษานิวเคลียส อิเล็กตรอน และการเกิดไอออน