ประจุไฟฟ้า

คำว่า “ไฟฟ้า” มีชื่อเรียกเป็นภาษาอังกฤษคือ electricity ซึ่งมีที่มาจากคำภาษากรีกอีกต่อหนึ่งคือคำว่า elektron ที่หมายถึง “อำพัน (amber)” เป็นวัสดุที่เกิดจากการแข็งตัวของยางสนจนมีลักษณะคล้ายแท่งพลาสติกโปร่งแสงสีเหลือง ซึ่งในสมัยโบราณเป็นที่รู้กันว่าเมื่อนำแท่งอำพันไปถูกับผ้าขนสัตว์ แท่งอำพันจะเกิดปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิต (Static Electricity) คือจะสามารถดึงดูดเศษใบไม้แห้งหรือฝุ่นได้

ในรูปด้านซ้ายมือ วัสดุที่วางพาดทำมาจากโลหะ เช่น เหล็ก มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้า (conductor) คือมีความสามารถในการอนุญาตให้ประจุไฟฟ้าผ่านได้

ในขณะที่วัสดุ เช่น ไม้ หรือ ยาง ในรูปด้านขวามีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า (insulator) คือมีไม่มีความสามารถในการให้ประจุไฟฟ้าผ่านได้หรืออีกนัยหนึ่งคือมีความสามารถในการกันประจุไฟฟ้าไม่ให้ผ่าน

หากพิจารณาลึกลงไปในระดับอะตอมโดยใช้แนวคิดอย่างง่ายจากหัวข้อที่ผ่านมา พบว่า 

• ในวัสดุที่เป็นฉนวน (insulator) อิเล็กตรอนเกือบทั้งหมดถูกตรึงแน่นอยู่กับนิวเคลียสของแต่ละอะตอม

• ในทางกลับกัน สำหรับวัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีนั้น อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งถูกตรึงอยู่กับนิวเคลียสของแต่ละอะตอมอย่างหลวมๆ และสามารถเคลื่อนที่ได้ค่อนข้างอิสระภายในวัสดุ จึงเรียกอิเล็กตรอนกลุ่มดังกล่าวว่าเป็นอิเล็กตรอนอิสระ (free electron)

กฎของคูลอมบ์

“แรงที่กระทำระหว่างประจุ กับ มีค่าแปรผันตรงกับปริมาณประจุทั้งสอง และมีค่าแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุ” ทำให้สามารถสรุปออกมาเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า 

เมื่อ  และ คือปริมาณประจุในลูกพิทลูกที่ 1 และ 2
                         ตามลำดับ ซึ่งต่อไปเพื่อความสะดวก
                         เราจะเรียกเป็นประจุ และประจุ
                         ตามลำดับ
       คือระยะห่างระหว่างลูกพิททั้งสอง 
      คือค่าคงที่การแปรผันที่มีค่าเท่ากับ
             N m² /C²

• ในกรณีที่ประจุ กับ เป็นประจุชนิดเดียวกัน (อาจเป็น บวก-บวก หรือ ลบ-ลบ) ซึ่งทำให้เกิดแรงผลัก (repulsive force)
  • ทิศทางของแรง จากประจุ ที่กระทำต่อประจุ จะมีทิศพุ่งออกจาก
  • และทิศทางของแรง จากประจุ ที่กระทำต่อประจุ จะมีทิศพุ่งออกจาก
• ส่วนในกรณีที่ประจุ  กับ  เป็นประจุต่างชนิดกัน (อาจเป็น บวก-ลบ หรือ ลบ-บวก) ซึ่งทำให้เกิดแรงดูด (repulsive force)
  • ทิศทางของแรง จากประจุ  ที่กระทำต่อประจุ  จะมีทิศพุ่งเข้าหา 
  • และทิศทางของแรง  จากประจุ  ที่กระทำต่อประจุ  จะมีทิศพุ่งเข้าหา 

ในทั้งสองกรณีพบว่าขนาดของแรง และ มีค่าเท่ากัน แต่มีทิศทางเป็นตรงข้าม ซึ่งสามารถมองว่าแรงที่กระทำระหว่างประจุ กับ มีลักษณะเป็นคู่ของแรงกิริยา-แรงปฏิกิริยาตามกฎข้อที่สามของนิวตัน