ไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิต (Static electricity) เป็นปรากฏการณ์ที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากัน ปกติจะแสดงในรูปการดึงดูด, การผลักกัน และเกิดประกายไฟ

การเกิดไฟฟ้าสถิต
การที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากันทำให้เกิดแรงดึงดูดเมื่อวัตถุทั้ง 2 ชิ้นมีประจุต่างชนิดกัน หรือเกิดแรงผลักกันเมื่อวัสดุทั้ง 2 ชิ้นมีประจุชนิดเดียวกัน เราสามารถสร้างไฟฟ้าสถิตโดยการนำผิวสัมผัสของวัสดุ 2 ชิ้นมาขัดสีกัน พลังงานที่เกิดจากการขัดสีกันทำให้ประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุจะเกิดการแลกเปลี่ยนกัน โดยจะเกิดกับวัสดุประเภทที่ไม่นำไฟฟ้า หรือที่เรียกว่า ฉนวน ตัวอย่างเช่น ยาง, พลาสติก และแก้ว สำหรับวัสดุประเภทที่นำไฟฟ้านั้นโอกาสเกิดปรากฏการณ์ประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุไม่เท่ากันนั้นยากแต่ก็สามารถเกิดขึ้นได้ เช่น กรณีที่ผิวโลหะถูกกระแทกด้วยของแข็งหรือของเหลวที่ไม่เป็นตัวนำ ประจุที่เกิดการเคลื่อนย้ายระหว่างการสัมผัสจะถูกเก็บบนผิวของวัสดุทั้ง 2 ชิ้น

ไฟฟ้าสถิตเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่คุ้นเคยสำหรับประเทศที่มีอากาศหนาว ในฤดูหนาวสำหรับประเทศเหล่านี้ความชื้นในอากาศจะต่ำมาก การเกิดไฟฟ้าสถิตบนผิวหนังจะเกิดขึ้นง่ายมาก ดังนั้นเมื่อเกิดการสัมผัสกับวัสดุประเภทตัวนำจะทำให้เกิดการถ่ายเทประจุไปยังตัวนำอย่างรวดเร็วทำให้เกิดอาการสะดุ้งได้ และนอกจากนั้นยังสามารถทำความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกด้วย

ชนิดของประจุไฟฟ้า
ประจุไฟฟ้า มี 2 ชนิด คือ ประจุไฟฟ้าบวก แทนด้วยเครื่องหมาย + และประจุไฟฟ้าลบ แทนด้วยเครื่องหมาย -

ประจุบวกที่มีขนาดเล็กที่สุดคือ โปรตอน มีประจุ +1.6 x 10-19 C มีมวล 1.67 x 10-27 kg
ประจุลบที่มีขนาดเล็กที่สุดคือ อิเล็คตรอน มีประจุ -1.6 x 10-19 C มีมวล 9.1 x 10-31 kg
ในสภาวะปกติอะตอมจะเป็นกลางทางไฟฟ้า คือมีจำนวนประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับจำนวนประจุไฟฟ้าลบ

วัตถุทางไฟฟ้าโดยทั่วไป แบ่งได้ 3 ชนิด คือ

• ตัวนำ หมายถึงวัตถุที่สามารถนำไฟฟ้าได้ ยินยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านวัตถุนี้ได้
• ฉนวน หมายถึงวัตถุที่ไม่ยินยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้ ถ้าเราให้ประจุแก่ฉนวนประจุนั้นจะอยู่นิ่งกับที่ไม่เคลื่อนที่ไปไหน
• สารกึ่งตัวนำ หมายถึงวัตถุที่ยินยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้เมื่อภาวะเหมาะสมหรืออุณหภูมิสูงขึ้น

การทำให้วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้ามีอำนาจทางไฟฟ้า ทำได้ 3 วิธี ดังนี้

1. การขัดสีหรือการถู เกิดจากการนำวัตถุ 2 ชนิดมาขัดสี หรือถูกัน จะทำให้มีการถ่ายเทของประจุไฟฟ้า(อิเล็คตรอน)ระหว่างวัตถุทั้งสอง วัตถุใดสูญเสีอิเล็คตรอนไปวัตถุนั้นจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ส่วนวัตถุที่ได้รับอิเล็คตรอนมา จะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ในการขัดสีหรือถู จำนวนประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนวัตถุทั้งสองมีขนาดเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นชนิดตรงข้าม
    
2. การแตะหรือสัมผัส โดยการนำวัตถุที่มีอำนาจทางไฟฟ้าไปแตะหรือสัมผัสกับวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ทำให้มีการถ่ายเทของอิเล็คตรอน จนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีศักดิ์ไฟฟ้าเท่ากันจึงหยุดการถ่ายเท หลังการสัมผัสหรือการแตะจะทำให้วัตถุซึ่งเดิมเป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกับประจุไฟฟ้าของวัตถุที่นำมาแตะ โดยขนาดของประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า(เดิม)จะมีค่าเท่ากับขนาดประจุไฟฟ้าที่ลดลงของวัตถุที่นำมาแตะ
    
3. โดยการเหนี่ยวนำ โดยการนำวัตถุซึ่งมีประจุไฟฟ้าเข้าไปใกล้ ๆ วัตถุที่เป็นกลาง(แต่ไม่แตะ)จะทำให้ เกิดการเหนี่ยวนำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในวัตถุที่เป็นกลางเกิดการจัดเรียงตัวใหม่ เนื่องจากแรงทางคูลอมบ์ เป็นผลทำให้วัตถุที่เป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น

กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า( Conservation of charge )
ทฤษฎีอะตอม กล่าวว่าวัตถุชิ้นหนึ่งๆ ประกอบด้วย อะตอมจำนวนมาก แต่ละอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวกเรียกว่า โปรตอน และอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เรียกว่า นิวตรอน นอกนิวเคลียสมีอนุภาคที่มีประจุลบ เรียกว่า อิเล็กตรอน เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ด้วย พลังงานในการเคลื่อนที่ค่าหนึ่ง อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันจะไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่าอยู่ในสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนวัตถุที่มี จำนวนอนุภาคทั้งสองไม่เท่ากันจะอยู่ในสภาพวัตถุมีประจุไฟฟ้าและจะแสดงอำนาจไฟฟ้า โดยจะแสดงว่ามีประจุบวกถ้ามีจำนวนโปรตอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนหรือในทางกลับกันจะแสดงว่ามีประจุลบ ถ้าจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าจำนวนโปรตอน

อะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้านั้นผลรวมระหว่างประจุของโปรตอนและประจุของอิเล็กตรอนในอะตอมมีค่าเป็นศูนย์ และเนื่องจากอะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนแสดงว่าประจุของอิเล็กตรอนกับประจุของอิเล็กตรอนต้องมีค่าเท่ากัน

จากความรู้นี้เราจะพิจารณาต่อไปได้ว่า การที่อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมหนึ่งไปสู่อีกอะตอมหนึ่ง ย่อมทำให้อะตอมที่เสียอิเล็กตรอนไปมีประจุลบลดลง ส่วนอะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนจะมีประจุลบเพิ่มขึ้น นั่นคือสำหรับอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อเสียอิเล็กตรอนไปจะกลายเป็นอะตอมที่มีประจุบวก ส่วนอะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะกลายเป็นอะตอมมีประจุลบ

ดังนั้นในการนำวัตถุมาถูกันแล้วมีผลทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าขึ้นนั้น อธิบายได้ว่าเป็นเพราะงานหรือพลังงานกลเนื่องจากการถูกถ่ายโอนให้กับอิเล็กตรอนของอะตอมบริเวณที่ถูกัน ทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนสูงขึ้นจนสามารถหลุดเป็นอิสระออกจากอะตอมของวัตถุหนึ่งไปสู่อะตอมของอีกวัตถุหนึ่งกล่าวคืออิเล็กตรอนได้ถูกถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะมีประจุลบส่วนวัตถุที่เสียอิเล็กตรอนจะมีประจุบวก เราจึงสรุปได้ว่าการทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าไม่ใช่เป็นการสร้างประจุขึ้นใหม่ แต่เป็นเพียงการย้ายประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งเท่านั้น โดยที่ผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดของระบบที่พิจารณายังคงเท่าเดิม ซึ่งข้อสรุปนี้ก็คือ กฎมูลฐานทางฟิสิกส์ที่มีชื่อว่า กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า นั่นเอง

กฎของคูลอมบ์
"แรงดูดหรือแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณระหว่างประจุและเป็นสัดส่วนโดยผกผันกับกำลังสองของระยะ ทางระหว่างประจุนั้น"

F = แรงระหว่างประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตัน
Q1 , Q2 = ประจุไฟฟ้าทั้งสอง มีหน่วยเป็น คูลอมบ์
R = ระยะห่างระหว่างประจุ มีหน่วยเป็น เมตร
k = ค่าคงที่ในกฎของคูลอมบ์ = 9x109 Nm2/c2
หลักการ ประจุต่างกันจะดูดกันและประจุต่างกันจะผลักกัน