fizikzauglom

เกรด 8 · ประจุและสนามไฟฟ้า

การทำให้มีประจุ ตัวนำ และไดอิเล็กทริก

ประจุสองชนิด อิเล็กโทรสโคป และการกระจายประจุใหม่

20 นาที4 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ลูกโป่งที่ถูแล้วดึงดูดกระดาษที่ไม่ได้ถู แปลว่ากระดาษต้องมีประจุตรงข้ามเพิ่มขึ้นหรือไม่? เริ่มจากพิจารณาว่าสิ่งใดภายในวัสดุเปลี่ยนได้

ลูกโป่งที่ถูดึงดูดกระดาษกระดาษเป็นกลางกระดาษเป็นกลางก็ดึงดูดได้
ลูกโป่งที่ถูแล้วดึงดูดชิ้นกระดาษเป็นกลาง ตัวอย่างนี้เลือกให้ลูกโป่งมีประจุลบ ลูกศรเขียวเริ่มที่กระดาษและแสดงการเคลื่อนเข้าหาลูกโป่ง ประจุรวมศูนย์ไม่ได้หมายความว่ากระดาษไม่มีอนุภาคมีประจุภายใน

ประจุสองเครื่องหมาย

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

+++−การผลักการดึงดูด
ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน ต่างชนิดกันดึงดูดกัน ลูกศรแสดงแรงที่กระทำต่อคนละวัตถุ

ประจุมาจากไหน?

การถูไม่ได้เพิ่มสสารชนิดใหม่ให้วัสดุ เพราะวัสดุมีอนุภาคประจุบวกและลบอยู่แล้ว เมื่อวัสดุสัมผัสแล้วแยกจากกัน อิเล็กตรอนบางส่วนอาจย้ายระหว่างวัตถุ การถูช่วยให้ผิวหลายบริเวณสัมผัสกัน อิเล็กตรอนมีประจุลบ วัตถุที่เริ่มเป็นกลางและได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มจึงมีประจุลบ การถ่ายโอนหรือกระจายประจุใหม่เช่นนี้เรียกว่าการทำให้มีประจุ

อิเล็กตรอนหนึ่งตัวย้ายเมื่อสัมผัสe⁻+−เสียอิเล็กตรอนรับอิเล็กตรอนประจุรวมของคู่ยังเป็นศูนย์
วัตถุทั้งสองเริ่มเป็นกลางและไม่แลกเปลี่ยนประจุกับสิ่งแวดล้อม ขณะสัมผัส อิเล็กตรอนหนึ่งตัวย้ายจากซ้ายไปขวา ภาพแสดงหลังแยก โดยซ้ายมีประจุสุทธิบวก ขวามีประจุลบขนาดเท่ากัน เครื่องหมายภายในบอกประจุสุดท้ายของวัตถุ ส่วน e⁻ แทนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ

การถูไม่ได้สร้างประจุ

อีกวัตถุหนึ่งมีอิเล็กตรอนน้อยลง แต่ส่วนที่มีประจุบวกยังอยู่ วัตถุเป็นกลางที่สูญเสียอิเล็กตรอนจึงมีประจุบวก ต้องติดตามวัตถุทั้งคู่ในฐานะระบบโดดเดี่ยว ประจุลบที่ชิ้นหนึ่งได้รับเท่ากับที่อีกชิ้นเสียไป หากทั้งคู่เริ่มเป็นกลาง ประจุสุดท้ายมีขนาดเท่ากัน เครื่องหมายตรงข้าม และผลรวมศูนย์ การแลกเปลี่ยนกับมือหรืออากาศจะทำให้ไม่เป็นไปตามเงื่อนไขโดดเดี่ยวนี้

ก่อนสัมผัสหลังแยกq = 0q = 0+q−qอิเล็กตรอนย้ายจากชิ้นแรกไปชิ้นที่สองประจุรวมของคู่: 0 → 0
ภาพแผนแสดงประจุบวกสี่และลบสี่ของวัตถุคู่นี้ ก่อนสัมผัส แต่ละชิ้นมีบวกสองและลบสอง อิเล็กตรอนหนึ่งตัวย้ายจากชิ้นแรกไปชิ้นที่สอง ประจุบวกอยู่ที่เดิม ส่วนลบกลายเป็นหนึ่งและสาม จำนวนรวมคงเดิม และประจุสุทธิของคู่เป็นศูนย์

ประจุเคลื่อนที่ได้ในตัวนำ

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

การเคลื่อนที่ของประจุต่างกัน++++++ตัวนำไดอิเล็กทริกประจุเคลื่อนที่ได้และประจุยึดเหนี่ยว
ในส่วนโลหะแบบแผน ส่วนบวกของสารอยู่ที่เดิม แต่อิเล็กตรอนเคลื่อนระหว่างส่วนเหล่านั้นได้ ในไดอิเล็กทริกแสดงกลุ่มประจุยึดเหนี่ยวที่เป็นกลางเฉพาะบริเวณ แต่ละส่วนมีจำนวนบวกและลบเท่ากัน ขนาดและระยะเป็นภาพแผน วงกลมขวาแทนกลุ่มอนุภาค

ไดอิเล็กทริกมีพฤติกรรมต่างออกไป

ในสภาวะปกติ ไดอิเล็กทริกแทบไม่มีพาหะประจุที่เคลื่อนอิสระผ่านทั้งวัตถุได้ แต่ไม่ได้แปลว่าไม่มีอนุภาคมีประจุ ประจุใกล้เคียงทำให้ส่วนบวกและลบเลื่อนสัมพัทธ์กันเล็กน้อยได้ การแยกเช่นนี้คือโพลาไรเซชัน ไดอิเล็กทริกจึงเป็นฉนวนไฟฟ้าที่เกิดโพลาไรเซชันได้ ผลรวมประจุอาจยังเป็นศูนย์แม้ตำแหน่งเปลี่ยน ดังนั้นเป็นกลางไม่ได้แปลว่าไม่มีอันตรกิริยาไฟฟ้า

ไม่มีประจุภายนอกใกล้ «−»ศูนย์กลางตรงกันเมฆเลื่อนประจุรวมไดอิเล็กทริกคงเดิม
ในแบบจำลองแผนนี้ ศูนย์กลางบวกและศูนย์กลางเมฆอิเล็กตรอนลบเริ่มตรงกัน ด้านขวา วัตถุลบภายนอกทำให้เมฆเลื่อนไปทางขวาจากศูนย์กลางบวก ขยายการเลื่อนเพื่อให้เห็นชัด แต่ละกลุ่มยังเป็นกลางและเมฆยังจำกัดอยู่กับอนุภาคของตน

เหตุใดกระดาษจึงถูกดึงดูด

กระดาษใกล้ลูกโป่งมีประจุเกิดโพลาไรเซชัน ด้านประจุตรงข้ามอยู่ใกล้กว่าเล็กน้อย ส่วนด้านประจุชนิดเดียวกันอยู่ไกลกว่า อันตรกิริยาไฟฟ้าอ่อนลงตามระยะ แรงดึงดูดด้านใกล้จึงอาจมากกว่าแรงผลักด้านไกล กระดาษจึงถูกดึงดูดได้โดยประจุรวมไม่เปลี่ยน หากสมมติให้สนามกระทำต่อทั้งสองด้านเหมือนกันทุกประการ ความต่างนี้จะหายไป สิ่งสำคัญคือผลของสนามที่ต่างกันตามตำแหน่ง

แรงไม่เท่ากันให้ผลดึงดูดแรงมากกว่าแรงน้อยกว่ากระดาษ: q = 0ด้านใกล้ถูกดึงดูดแรงกว่า
ลูกโป่งลบทำให้กระดาษเกิดโพลาไรเซชัน บวกและลบแทนประจุยึดเหนี่ยวด้านใกล้และด้านไกลอย่างง่าย โดยขยายการเลื่อนมาก แรงดึงดูดด้านใกล้มากกว่าแรงผลักด้านไกล แรงลัพธ์จึงชี้เข้าหาลูกโป่ง ประจุรวมกระดาษยังเป็นศูนย์

อิเล็กโทรสโคปช่วยอย่างไร

แผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปเชื่อมกับก้านด้านบน เมื่อส่งประจุเข้า ประจุกระจายและแผ่นที่มีประจุชนิดเดียวกันผลักจนกางออก แต่การกางเพียงอย่างเดียวไม่บอกเครื่องหมายหากไม่เทียบกับประจุที่ทราบ อีกทั้งวัตถุมีประจุที่อยู่ใกล้สามารถทำให้ประจุกระจายใหม่โดยไม่สัมผัส แผ่นจึงกางได้ทั้งที่อิเล็กโทรสโคปโดยรวมยังเป็นกลาง เครื่องมือแสดงผลไฟฟ้าต่อแผ่น แต่การสรุปต้องทราบเงื่อนไข

ไม่มีประจุสุทธิตัวอย่าง: ประจุ «−»แผ่นชิดกันแผ่นกางออกเมื่อเป็น «+» แผ่นก็กางออก
แสดงเครื่องมือเดียวกันก่อนมีประจุและหลังรับประจุลบ ลูกบอล ก้าน และแผ่นเชื่อมด้วยโลหะ ก้านผ่านจุกฉนวน เครื่องหมายประจุอยู่บนส่วนโลหะเอง แผ่นประจุบวกก็ผลักกันเช่นกัน การกางอย่างเดียวจึงบอกเครื่องหมายประจุไม่ได้

วัตถุโลหะสองชิ้น

นำแท่งโลหะเป็นกลางที่มีด้ามฉนวนแตะทรงกลมมีประจุ เหตุใดแท่งจึงมีประจุด้วย?

ก่อนแตะฉนวนq₀ ≠ 0แท่ง: q = 0ทรงกลมเหตุใดแท่งจึงมีประจุด้วย?
ภาพก่อนสัมผัส ทรงกลมมีประจุ q₀ ไม่เป็นศูนย์ แท่งโลหะเป็นกลางและมีด้ามฉนวน ลูกศรแสดงแท่งเคลื่อนเข้าใกล้ ไม่ได้กำหนดเครื่องหมายหรือขนาด q₀ ในขั้นถัดไปแท่งเดิมสัมผัสทรงกลม

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1

เมื่อสัมผัส ทรงกลมกับแท่งโลหะรวมเป็นตัวนำเดียว อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้สามารถผ่านจุดสัมผัส

โลหะสัมผัสโลหะฉนวนโลหะโลหะจุดสัมผัสตัวนำเดียวอิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านจุดสัมผัส
แท่งเดิมเลื่อนจนสัมผัสทรงกลม ส่วนโลหะรวมเป็นตัวนำเดียว อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ผ่านจุดสัมผัสได้ เนื่องจากไม่กำหนดเครื่องหมายประจุเริ่มต้น จึงไม่เลือกทิศการถ่ายโอนสุทธิในภาพนี้

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2

ประจุกระจายใหม่จนถึงสมดุลไฟฟ้า ด้ามฉนวนขัดขวางประจุออกผ่านมือ ประจุจึงยังอยู่ในระบบนี้

ถึงสมดุลฉนวนq₁q₂ด้ามขัดขวางประจุรั่วq₁ + q₂ = q₀การถ่ายโอนมีทิศทางหยุดแล้ว
คงทรงกลม แท่ง และด้ามไว้ หลังประจุกระจายใหม่จนสมดุล การถ่ายประจุอย่างมีทิศทางหยุด แต่อิเล็กตรอนยังเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อน q₁ และ q₂ แทนประจุแต่ละส่วน ฉนวนขัดขวางการรั่ว หากละเลยการแลกเปลี่ยนกับภายนอก จะได้ q₁ + q₂ = q₀

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 3

ประจุแต่ละชิ้นไม่จำเป็นต้องเท่ากัน การกระจายที่สมดุลขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดตัวนำ การสัมผัสเพียงอย่างเดียวไม่ได้แปลว่าประจุแบ่งครึ่ง

การกระจายขึ้นกับเรขาคณิตฉนวนq₁q₂ไม่จำเป็นต้องเท่ากันq₁ + q₂ = q₀รูปร่างและขนาดแต่ละส่วนสำคัญ
โลหะที่เชื่อมกันยังอยู่ในสมดุลเดิมและมีด้ามฉนวน หากไม่มีการรั่ว ผลรวม q₁ + q₂ คงเดิม แต่เงื่อนไขไม่ได้บอกว่าแบ่งเท่ากัน ไม่ได้กำหนดเครื่องหมายเริ่มต้นหรือสัดส่วนเฉพาะบนทรงกลมกับแท่ง เพราะการกระจายขึ้นอยู่กับเรขาคณิต

ตรวจสอบผลลัพธ์

อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ทำให้ประจุกระจายบนตัวนำทั้งสอง ประจุบางส่วนจึงอยู่บนแท่ง

ใจความสำคัญ · 1

การทำให้มีประจุเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนหรือจัดเรียงประจุที่มีอยู่แล้ว

ใจความสำคัญ · 2

ในตัวนำ พาหะเคลื่อนผ่านวัตถุได้ ส่วนในไดอิเล็กทริก ประจุที่ถูกยึดเหนี่ยวเลื่อนสัมพัทธ์กันเล็กน้อยได้

ใจความสำคัญ · 3

กระดาษเป็นกลางถูกดึงดูดเพราะโพลาไรเซชันและแรงที่ไม่เท่ากันบนด้านใกล้กับด้านไกล

บทเรียนถัดไป

เพื่ออธิบายเครื่องหมายประจุให้ชัดขึ้น ต่อไปจะศึกษานิวเคลียส อิเล็กตรอน และการเกิดไอออน

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

การทำให้มีประจุ

กระบวนการที่วัตถุได้รับประจุหรือประจุกระจายใหม่จากการสัมผัส การถู หรือการเหนี่ยวนำ

อิเล็กตรอนย้ายระหว่างวัสดุได้เมื่อสัมผัสแล้วแยกจากกัน วัตถุเป็นกลางที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มมีประจุลบ ส่วนวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนมีประจุบวก วัตถุที่เริ่มเป็นกลางสองชิ้นมีประจุสุดท้ายขนาดเท่ากันและเครื่องหมายตรงข้าม หากทั้งคู่ไม่แลกเปลี่ยนประจุกับสิ่งแวดล้อม

ประจุสองชนิด

ประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันผลักกัน และต่างชนิดกันดึงดูดกัน

เครื่องหมายบวกและลบเป็นข้อตกลง แต่ช่วยอธิบายอันตรกิริยาและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้อย่างชัดเจน

ตัวนำและไดอิเล็กทริก

ตัวนำมีพาหะประจุที่เคลื่อนที่ได้ทั่ววัตถุ ส่วนไดอิเล็กทริกมีประจุส่วนใหญ่ถูกยึดเหนี่ยว และเลื่อนได้เล็กน้อยภายในอนุภาคของสาร

ในโลหะ พาหะที่เคลื่อนที่ได้คืออิเล็กตรอน แท่งโลหะจึงกระจายประจุใหม่อย่างรวดเร็ว ไดอิเล็กทริกเกิดโพลาไรเซชันได้โดยประจุรวมไม่เปลี่ยน ด้ามฉนวนขัดขวางการถ่ายประจุผ่านมือ

ปริมาณทางฟิสิกส์

1 คุณค่า

ประจุไฟฟ้า

q

ปริมาณทางฟิสิกส์ที่บอกลักษณะอันตรกิริยาไฟฟ้าของวัตถุ

หน่วย: คูลอมบ์ · \mathrm{Кл}

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ