ประโยชน์ของสนามโน้มถ่วง สนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก

สนามของแรง from krukhunnaphat

จากการพัฒนาทฤษฎีในปัจจุบัน และการค้นพบควาร์ก ซึ่งถือได้ว่าเป็นยุคของควาร์ก (quark epoch) ได้มีการรวมแรงพื้นฐานเข้าด้วยกัน 2 ชนิด ได้แก่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน เรียกว่า แรงอิเล็กโทรวีค (electroweak force)แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกี่ยวข้องกับสมบัติของสสารในชีวิตประจำวันที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลในสสาร เมื่อพิจารณาในระดับอะตอมเราพบว่า อิเล็กตรอนแสดงสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีวงโคจรรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม ทำให้สามารถสร้างเป็นโมเลกุลชนิดต่างๆ ได้ ซึ่งพันธะเคมีระหว่างอะตอมของสารสามารถอธิบายได้โดยอ้างถึงอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนเกี่ยวกับสมบัติความเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และโมเมนตัมของอิเล็กตรอน (the momentum of the electrons)

แบบจำลองอะตอม
//fatscientist.wordpress.com/chemistry

ทฤษฎีที่อธิบายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในเชิงคณิตศาสตร์ที่สำคัญในกลศาสตร์แผนเก่า กล่าวว่า สนามไฟฟ้า (electric fields) คือความสัมพันธ์ระหว่าง ศักย์ไฟฟ้า (electric potential) และกระแสไฟฟ้า (electric current) ตามกฎของโอห์ม (Ohm's law) สนามแม่เหล็ก (magnetic fields) เกิดจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก ซึ่ง สมการแม็กเวลล์ (Maxwell's equations) สามารถอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งเกิดจากการเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาทฤษฎีในการอธิบายสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นลักษณะของอนุภาคที่มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง โดยเป็นการกระจายผ่านตัวกลางชนิดต่าง โดยทฤษฎีนี้เรียกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (special relativity) นำเสนอโดย ไอน์สไตน์(Albert Einstein)ในปี ค.ศ. 1905

ประโยชน์ของแม่เหล็กไฟฟ้า (Applications of electromagnets)

แม่เหล็กไฟฟ้ามีประโยชน์มากมาย ใช้หลักการที่แม่เหล็กดูดแผ่นโลหะเมื่อว่างวงจรปิดซึ่งเป็นการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่นพลังงานเสียง

ออดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียงจากกระแสตรง แผ่นโลหะจะถูกดูดโดยแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้จุดสัมผัสแยกออก มีผลให้กระแสที่เข้ามายังแม่เหล็กไฟฟ้าหยุดไหล ดังนั้นแผ่นโลหะจึงดีดกลับ เกิดขึ้นเช่นนี้เรื่อยๆ มีผลให้แผ่นโลหะสั่นเกิดเสียงออตขึ้น ในกระดิ่งไฟฟ้ามีค้อนติดกับแผ่นโลหะใกล้กับกระดิ่งเมื่อแผ่นโลหะสั่นค้อนก็จะเคาะกระดิ่ง
//www.plazathai.com/show-105627.html

ปั้นจั่นเป็นการประยุกต์ใช้หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าไปใช้เป็นเครื่องมือสำหรับยกของจำพวกโลหะ ใช้สำหรับดูดเศษเหล็กจากเศษโลหะอื่นๆ เมื่อต้องการใช้ก็เปิดสวิทช์ ทำให้เหล็กที่เป็นแกนของขดลวดเป็นแม่เหล็กดูดเศษเหล็กได้ และเมื่อใช้เสร็จก็ปิดสวิทช์ แกนเหล็กก็จะไม่เป็นแม่เหล็ก ปล่อยเศษเหล็กให้หลุดลงมา

หูฟังเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนสัญญานไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง ใช้แม่เหล็กถาวรดูดแผ่นไดอะแฟรม ความแรงของแรงดึงดูดเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า แผ่นไดอะแฟรมจะสั่นทำให้เกิดเสียง

//www.l3nr.org/posts/479906

รถไฟความเร็วสูงเป็นรถไฟที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าติดอยู่ข้างใต้ซึ่งเคลื่อนที่ ไปบนรางที่มีแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กผลักซึ่งกันและกันทำให้รถไฟลอยเหนือราง เป็นการลดแรงเสียดทานระหว่างรถไฟและราง ทำให้เคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

แนวการเรียงตัวของผงเหล็กรอบแท่งแม่เหล็ก  เรียกว่า  เส้นสนามแม่เหล็ก ( magnetic  field  line)   ซึ่งใช้เป็นประจักษ์พยานพบว่ามีสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น  แม้จะมองด้วยตาไม่เห็นบริเวณใดมีความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็กน้อย  สนามแม่เหล็กในบริเวณนั้นมีความเข้มน้อย  ส่วนบริเวณใดมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นมาก  บริเวณนั้นสนามแม่เหล็กทีวคามเข้มสูง  ซึ่งได้แก่  บริเวณขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก

เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ  ในบริเวณรอบๆแท่งแม่เหล็ก  จะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศว่าอยู่แนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน  ดังภาพ  2.2  เมื่อกำหนดให้ทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกันกับทิศท่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป  จะได้ว่าเส้นสนามแม่เหล็กมีทิศจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก

กิจกรรม 2.1  ทำให้รู้ว่าสนามแม่เหล็กในบริเวณต่างๆ  รอบแท่งแม่เหล็กมีค่าไม่เท่ากัน

                              ภาพ 2.2  การวางตัวของเข็มทิศในแนวเส้นสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กที่มีค่าคงตัวมีหรือไม่
กิจกรรม 2.2  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ
1.  วางเข็มทิศขนาดเล็กให้เรียงกันเป็นสามแถวชิดกันแถวละ  3  อัน  สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ
2.  วางแม่เหล็กสองอันขนานกัน  และให้ขั้วต่างชนิดใกล้กัน  โดยให้เข็มทิศทุกอันอยู่ระหว่างแม่เหล็กทั้งสอง  สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ

                                                   ภาพการจัดอุปกรณ์

–  เขียนแผนภาพแสดงเส้นสนามแม่เหล็กตามแนวเข็มทิศชี้
–  การวางตัวของเข็มทิศครั้งหลัง  เหมือนหรือแตกต่างจากครั้งแรกอย่างไร
–  อธิบายผลการทดลองนี้ได้ว่าอย่างไร

สนามแม่เหล็กที่สังเกตได้จากกิจกรรม  2.2  นี้เป็นสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ  มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน  ซึ่งประมาณว่ามีทิสทางเดียวกัน  และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่งสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ  มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน  ซึ่งประมาณว่ามีทิศทางเดียวกัน  และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่ง  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอนำไปใช้ประโยชน์หลายอย่าง  เช่น  การสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า  และเครื่องวัดทางไฟฟ้าต่างๆ  เป็นต้น

                                       ภาพ 2.3  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

สนามแม่เหล็กมีผลต่ออะไร  จะได้ศึกษาต่อไป

2.1.1  ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า
สนามแม่เหล็กสามารถดูดและผลักวัสดุขนาดใหญ่ได้  ถ้าเป็นกรณีอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม  เช่น อิล็กตรอน  จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่

กิจกรรมสาธิต  2.1   ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอน
ต่อขั้วทั้งสองของหลอดรังสีแคโทดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟโวลต์สูง  (ประมาณ  12,000 – 15,000  โวลต์)  เปิดสวิตซ์ของแหล่งจ่ายไฟตรงโวลต์สูง  สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น  นำขั้วเหนือของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอด  จากนั้นสลับขั้วให้ขั้วใต้ของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอดบ้าง  สังเกตการเปลี่ยนแปลง
                              

ภาพหลอดรังสีแคโทด
–  การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตเห็นคืออะไรและเกิดขึ้นจากอะไร

ข้อควรระวัง  ต้องไม่ให้ส่วนใดของร่างกายและโลหะเข้าใกล้ขั้วหลอดรังสีแคโทด  เพราะจะเป็นอันตราย  เนื่องจากไฟฟ้าโวลต์สูง

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะถูกแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก  หรือแรงแม่เหล็ก  (magnetic  force)  กระทำ  ทำให้แนวการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป  ดังภาพ  2.4

                     ภาพ 2.4  แรงแม่เหล็กและแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก

ความรู้เรื่องการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กมีประโยชน์อะไรบ้าง

                                                  ภาพ 2.5  จอคอมพิวเตอร์

                                                      ภาพ 2.6 จอโทรทัศน์

โทรทัศน์เป็นอุปกรณืไฟฟ้าที่ใช้แพร่หลาย  ทั่วทุกบ้านและทั่วโลก  มีส่วนประกอบสำคัญคือหลอดภาพ  ซึ่งทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กหลอดภาพมีส่วนประกอบ  3  ส่วนดังนี้  ส่วนแรกคือ  ขั้วแคโทด  ส่วนที่สองคือ จอเรืองแสง   ซึ่งฉาบสารเรื่องแสงไว้  เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบจอจะทำให้เกิดจุดสว่าง  และส่วนสุดท้ายคือ  ขดลวดเบี่ยงเบน  ทำหน้าที่ผลิตสนามแม่เหล็กเพื่อเบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอน  และควบคุมให้ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่กวาดไปมาบนจอภาพในแนวระดับด้วยความเร็วสูงมาก  ทำให้เกิดภาพขึ้น  อย่างไรก็ตามการที่ลำอิเล็กตรอนกระทบกับจอภาพจะมีรังสีเกิดขึ้นด้วย  จึงไม่ควรดุโทรทัศน์ใกล้จอมากเกินไป
                   

ภาพ 2.7  หลอดภาพของโทรทัศน์ขาวดำ

2.1.2  ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำตัวที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน
            นักเรียนคงเคยทราบแล้วว่า  กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน  และในหัวข้อที่ได้ศึกษามาแล้ว  จะเห็นว่าเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปในสนามแม่เหล็กจะมีการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้นหรือไม่  และจะนำความรู้ที่ได้ไปใช้ประโยชน์อย่างไร

กิจกรรม  2.3  ผลของสนามแม่เหล็กที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน

                                                           ภาพการจัดอุปกรณ์
1.  นำแถบอะลูมิเนียมฟอยล์ที่ต่ออยู่กับแบตเตอรี่และสวิตซ์  ไปวางระหว่างแม่เหล็กสองอันที่หันขั้วต่างชนิดเข้าหากัน  โดยจัดให้ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก  กดสวิตซ์ให้กระแสไฟฟ้าผ่านแถบอะลูมิเนียมฟอยล์  สังเกตการเปลี่ยนแปลง  แล้วตัดวงจรทันที
2.  ทำการทดลองซ้ำ  โดยกลับทิศของกระแสไฟฟ้าหรือทิศของสนามแม่เหล็ก  สังเกตผลที่เกิดขึ้น  เปรียบเทียบกับการทดลองในตอนแรก
3.  ทำการทดลองซ้ำ  โดยให้กระแสไฟฟ้ามีทิศเดียวกับสนามแม่เหล็ก  สังเกตและบันทึกผล
–  อธิบายและสรุปผลของสนามแม่เหล็กในการทดลองนี้

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำซึ่งวางตัดกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำ  มีผลให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่  ทิศทางของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก  หลักการนี้นำไปใช้ประโยชน์ในการสร้างมอนิเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องวัดไฟฟ้าต่างๆ
เมื่อต่อขดลวดกัลแบตเตอรี่  ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด  ดังภาพที่ 2.8  จะเกิดแรงกระทำบนขดลวดด้าน  ab  และ  cd  ในทิศตรงข้าม  แรงที่เกิดขึ้นนี้ทำให้ขดลวดหมุนได้

ภาพ 2.8   แรงที่กระทำต่อขดลวดในสนามแม่เหล็ก  ทำให้ขดลวดหมุน  ซึ่งเป็นหลักการของมอเตอร์ไฟฟ้า
                          
ภาพ 2.9  มอเตอร์ไฟฟ้า

กิจกรรมเพิ่มเติม
            ออกแบบสร้างมอเตอร์อย่างง่าย  เพื่อนำไปใช้งานตามที่ร่วมกันกำหนดไว้

ความสามารถในการหมุนของขดลวดขณะอยู่ในสนามแม่เหล็กดังกล่าวนี้  นำไปใช้สร้างมอเตอร์ไฟฟ้า  ซึ่งเป็นอุปกรณที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า  เป็นพลังงานกลในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายอย่างได้  เช่น  พัดลม  เครื่องดูดฝุ่น  เครื่องผสมอาหาร  และสว่านไฟฟ้า  เป็นต้น
                         

ภาพ 2.10  อุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า

จากที่ศึกษามาจะเห็นว่า  การนำขดลวดที่ต่อกับแบตเตอรี่ไปวางในสนามแม่เหล็ก  จะทำให้เกิดแรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน  ขดลวดจึงหมุนได้  ในทางกลับกัน  ถ้ายกแบตเตอรี่ออกจากวงจร  แล้วหมุนขดลวดในสนามแม่เหล็ก  ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในขดลวดได้เช่นกันกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้  เรียกว่า  กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ  (induced  current)  ซึ่งพบโดยไมเคิล  ฟาราเดย์  (Michael  Faraday)  ในปี  ค.ศ.  1831  หลักการดังกล่าวนี้  ได้นำไปสู่การสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
-พลังงานที่นำไปใช้ในการหมุนขดลวดตัดสนามแม่เหล็ก  เพื่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  มาจากแหล่งพลังงานใดบ้าง

                                     ภาพ 2.11  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า

2.1.3  สนามแม่เหล็กโลก
นักเรียนได้ศึกษาสนามแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กและบริเวณที่สนามแม่เหล็กแผ่ขยายไปถึงมาแล้ว  ทราบหรือไม่ว่า  โลกก็มีสนามแม่เหล็กโดยรอบเช่นกัน

                                                             โรงไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กโลกมีลักษณะอย่างไร

กิจกรรม 2.4  สนามแม่เหล็กโลก
แขวนแท่งแม่เหล็กที่บริเวณต่างๆ  ในห้องเรียน  โดยเลือก  2 – 3  ตำแหน่งที่ห่างกันพอสมควร  ให้อท่งแม่เหล็กวางตัวอยู่ในแนวระดับและสามารถหมุนได้คล่อง  เมื่อทำให้แท่งแม่เหล็ก  หยุดนิ่ง  สังเกตการวางตัวของแท่งแม่เหล็ก
–  ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็กชี้ไปทางทิศใด

                                                 ภาพการจัดอุปกรณ์

จากกิจกรรม  2.4  แสดงว่าโลกมีสมบัติเสมือนมีแม่เหล็กขนาดใกญ่ฝังอยู่ใต้โลก  โดยวางตัวในแนวเหนือใต้และแผ่สนามแม่เหล็กปกคลุมทั้งโลก  เรียกว่า  สนามแม่เหล็กโลก (Earth’s  magnetic  field)  ดังภาพ  2.12  ซึ่งมีประจักษ์พยานคือการที่แท่งแม่เหล็กพยายามวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ

มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์ของสนามแม่เหล็กโลกหลังจากที่ได้พบว่า  เมื่อวางแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กบนวัตถุปลายแหลม  เพื่อให้หมุนในแนวราบอย่างอิสระ  แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ  จึงนำความรู้นี้มาใช้ในการสร้างเข็มทิศ  เพื่อบอกทิศทาง  เข็มทิศเป็นเครื่องมือสำคัญของนักเดินทาง  และนักสำรวจในหลายศตวรรษที่ผ่านมา

                                             2.12  แสดงลักษณะสนามแม่เหล็กโลก

                                                    2.13  เข็มทิศแบบต่างๆ

สนามแม่เหล็กโลกมีวคามสำคัญต่อโลกอย่างไรอีกบ้าง
                      

                                                   ภาพ 2.14  สนามแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลกมีประโยชน์สำคัญอีกประการหนึ่งคือเป็นโล่ป้องกันอันตรายจาก  ลมสุริยะ  (solar  wind)  ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ  ส่วนใหญ่เป็นโปรตรอนและอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมาจากดวงอาทิตย์  โดยสนามแม่เหล็กโลกจะป้องกันไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นทำลายชั้นบรรยากาศ  ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลก

นอกจากสนามแม่เหล็กซึ่งมีประโยชน์มหาศาลแล้วยังมีสนามของแรงอะไรอีกบ้าง

สนามไฟฟ้า
นักเรียนอาจเคยพบว่า  ในวันที่อากาศแห้ง  เวลานำหวีมาถูกับผมแห้ง  แล้วนำไปวางใกล้เศษกระดาษชิ้นเล็กๆ  จะพบว่าหวีสามารถดูดเศษกระดาษได้  แรงดูดนี้เป็น  แรงไฟฟ้า (electric  force)  และหวีที่ทำให้เกิดแรงดูดนี้มี  ประจุไฟฟ้า  (electric  charge)  เรียกสั้นๆว่า  ประจุ  ซึ่งมีทั้งประจุบวกและประจุลบ

ประจุไฟฟ้าจะมี สนามไฟฟ้า (electric  field)  แผ่กระจายโดยรอบ  สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้ามีลักษณะดังภาพ  2.15

                                              ภาพ 2.15  สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้า

–  สนามไฟฟ้าของประจุบวกและประจุลบมีลักษณะแตกต่างกันอย่างไร
–  เราจะตรวจสอบสนามไฟฟ้าได้อย่างไร

เมื่อขั้วต่อไฟฟ้าซึ่งเป็นโลหะกับเครื่องจ่ายไฟตรงโวลต์สูง  แล้วนำขั้วไฟฟ้าทั้งสองแตะบนกระดาษกรองเปียกน้ำหมาดๆ  ที่วางบนแผ่นกระจก  โดยให้ขั้วทั้งสองห่างกันประมาณ  4  เซนติเมตร  โรยผงด่งทับทิมบดละเอียดลงบนกระดาษกรอง  โดยกระจายผงให้สม่ำเสมอในบริเวณระหว่างขั้วและรอบขั้ว  เมื่อเปิดเครื่องจ่ายไฟตรงโวลต์สูงให้ทำงาน  ผงด่างทับทิมจะแผ่กระจายตามแนวต่างๆ  ปรากฏเป็นเส้นให้เห็นอย่างชัดเจน  ซึ่งเรียกว่า  เส้นสนามไฟฟ้า   (electric  field  line)  ตัวอย่างเส้นสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าโลหะปลายแหลมสองปลายที่มีประจุต่างชนิดกันและแผ่นโลหะขนานสองแผ่นที่มีประจุต่างชนิดกัน  มีลักษณะดังภาพ 2.16

     ภาพ 2.16  เส้นสนามไฟฟ้าของวัตถุรูปทรงต่างๆ  ที่มีประจุ  หัวลูกศรแสดงทิศของสนามไฟฟ้า

จากภาพบริเวณใดที่มีเส้นสนามไฟฟ้าหนาแน่นมากบริเวณนั้นมีสนามไฟฟ้าที่มีค่ามากและบริเวณใดที่มีเส้นสนามไฟฟ้าหนาแน่นน้อย  บริเวณนั้นสนามไฟฟ้ามีค่าน้อยและบริเวณที่มีเสน้สนามไฟฟ้าขนานกัน  บริเวณนั้นมีสนามไฟฟ้าขนาดสม่ำเสมอ

ในการศึกษาอนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้าพบว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า  จะถูกแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าหรือแรงไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคนั้น  ให้เคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า  ส่วนอนุภาคที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า  ดังภาพ  2.17  และ  2.18
                                 

ภาพ 2.17  แรงกระทำต่อประจุ  ในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ
                                     
ภาพ 2.18  การเคลื่อนที่ของประจุในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

จากหลักการดังกล่าวข้างต้น  อธิบายการแพร่กระจายของผงด่างทับทิมได้ดังนี้  เมื่อผงด่างทับทิมถูกน้ำ  จะแตกตัวเป็นไอออนบวกและไอออนลบ  หากไอออนเหล่านี้อยู่ในสนามไฟฟ้าที่เกิดระหว่างขั้วโลหะทั้งสอง  โดยขั้วหนึ่งมีประจุบวก  (ขั้วบวก)  และอีกขั้วหนึ่งมีประจุลบ  (ขั้วลบ)  ไอออนทั้งสองชนิดจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำ  โดยไอออนลบจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่ไปตามเส้นสนามไฟฟ้า   จากขั้วลบไปขั้วบวก  ส่วนไอออนบวกจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่ในทิสตรงข้าม  ทำให้เห็นเป็นแนวการแผ่กระจายดังภาพ  2.16

หลักการนี้สามารถนำไปใช้ในการกำจัดฝุ่น  เพื่อลดมลภาวะของอากาศโดยเมื่อให้อากาศที่มีฝุ่นละอองผ่านเครื่องกำจัดฝุ่น   ฝุ่นเล็กๆจะรับประจุไฟฟ้าลบจากขั้วลบของเครื่อง  และถูกดูดติดแน่นโดยแผ่นขั้วบวก  เครื่องกำจัดฝุ่นนี้มักใช้ดักจับฝุ่นจากปล่องควันของบ้านเรื่อนหรือโรงงานอุตสาหกรรม  ก่อนที่จะปล่อยออกสู่บรรยากาศ

ถ้าให้อิเล็กตรอน  เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ  แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร
ในการทำให้ลำอิเล็กตรอนเบนไปจากแนวเดิม  นอกจากสามารถใช้สนามแม่เหล็กแล้ว  ก็ยังใช้สนามไฟฟ้าได้ด้วย  กล่าวคือเมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ  พบว่าแรงไฟฟ้าที่กระทำต่ออิเล็กตรอน  จะทำให้แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเบนจากแนวการเคลื่อนที่เม  ดังภาพ 2.19
                          

ภาพ  2.19 การเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

ความรู้เกี่ยวกับการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าและหลอดรังสีแคโทด  นำไปสู่การสร้างจอแสดงผลของเครื่องมือและอุปกรณ?ทางอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด  เช่น  จอเรดาร์  และออสซิลโลสโคป  เป็นต้น

                                        ภาพ 2.20  โครงสร้างของหลอดรังสีแคโทด

                      ภาพ  2.21  อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้หลอดรังสีแคโทดเพื่อแสดงผล

สนามโน้มถ่วง
                                  

                                             ภาพ 2.22  สนามโน้มถ่วงของโลก
            เมื่อปล่อยวัตถุ  วัตถุจะตกสู่พื้นโลก  เนื่องจากโลกมี  สนามโน้มถ่วง   (gravitational  field)  อยู่รอบโลก  สนามโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงดึงดูดกระทำต่อมวลของวัตถุทั้งหลายแรงดึงดูดนี้เรียกว่า  แรงโน้มถ่วง   (gravitational  force)

สนามโน้มถ่วงเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์  g  และสนามมีทิศพุ่งสู่ศูนย์กลางของโลก  สนามโน้มถ่วง  ณ  ตำแหน่งต่างๆบนผิวโลก  มีค่าประมาณ  9.8  นิวตันต่อกิโลกรัม

สนามโน้มถ่วงที่ตำแหน่งสูงจากผิวโลก  มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่  อย่างไร  สามารถศึกษาได้จากตัวอย่างในตารางต่อไปนี้

–  นักเรียนจะอธิบายข้อมูลในตารางนี้อย่างไร

ดาวฤกษ์  โลก  ดวงจันทร์  ดาวเคราะห์อื่นๆ  และบิรวารของดาวเคราะห์ในระบสุริยะ  รวมทั้งสรรพวัตถุทั้งหลาย  ก็มีสนามโน้มถ่วงรอบตัวเองเช่นกัน  โดยสนามโน้มถ่วงเหล่านี้มีค่าต่างกันไป

2.3.1  การเคลื่อนที่ของวัถุในสนามโน้มถ่วง
วัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะถูกแรงดึงดูดดังนั้นเมื่อปล่อยวัตถุให้ตกบริเวณใกล้ผิวโลก  แรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น  นั่นคือวัตถุมีความเร่ง

วัตถุใดๆ  ที่เคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะมีความเร่งเท่ากันหรือไม่

กิจกรรม 2.5  การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วงของโลก
ปล่อยถุงทราย 1 ถุง 2 ถุง  และ  3  ถุง ลงในแนวดิ่ง  โดยให้ถุงทรายผูกติดกับแถบกระดาษที่สอดผ่านเครื่องเคาะสัญญาณเวลานำแถบกระดาษทั้งสามแถบ  มาเปรียบเทียบลักษณะการเคลื่อนที่
–  จากจุดที่ปรากฏบนแถบกระดาษทั้งสามแถบ  ถุงทรายในแต่ละกรณีเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันหรือไม่
–  อธิบายและสรุปการเคลื่อนที่จากผลที่ได้ในกิจกรรมนี้

                                                 ภาพการจัดอุปกรณ์

การตกของวัตุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว  เรียกว่า  ความเร่งโน้มถ่วง    (gravitational  acceleration)  มีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลกมีค่าต่างกันตามตำแหน่งทางภูมิศาสตร์

ในการตกของวัตถุ  วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วง  9.8  เมตรต่อวินาที2   ซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุจะเพิ่มขึ้นวินาทีละ  9.8  เมตรต่อวินาที

ถ้าโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง  วัตถุในสนามโน้มถ่วงจะเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่งโน้มถ่วง  g  โดยมีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางโลกทำให้วัตถุซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นมีความเร็วลดลง  วินาทีละ  9.8  เมตรต่อวินาที  จนกระทั่งความเร็วสุดท้ายเป็นศูนย์  จากนั้นแรงดึงดูดโลกจะดึงวัตถุให้ตกกลับสู่โลกด้วยความเร่งเท่าเดิม

การเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของวัตถุที่บริเวณใกล้ผิวโลกถ้าคำนึงถึงแรงโน้มถ่วงเพียงแรกเดียว   โดยไม่คิดถึงแรงอื่นเช่น  แรงต้านอากาศ  หรือแรงลอยตัวของวัตถุในอากาศแล้ว  วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วง  ที่มีค่าคงตัวเท่ากับ  9.8  เมตรต่อวินาที2   ในทิศลง  เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า การตกแบบเสรี (free  fall)
–  การเคลื่อนที่ของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์เป็นการตกแบบเสรีหรือไม่เพราะเหตุใด
–  การโดร่มของนักดิ่งพสุธาเป็นการตกแบบเสรีหรือไม่เพราะเหตุใด

                                              ภาพ  2.23  การตกของนักดิ่งพสุธา

แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุ  ก็คือน้ำหนัก   (weight)  ของวัตถุบนโลก  หาได้จากสมการ
W  =  mg
เมื่อ  m  เป็นมวลของวัตถุมีหน่วยเป็นกิโลกรัม  (kg)
g  เป็นแรงโน้มถ่วง  ณ  ตำแหน่งที่วัตถุวางอยู่  มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2  (m/s2)
และ  W  เป็นน้ำหนักของวัตถุมีหน่วยเป็นนิวตัน   (N)
–  นักเรียนมีมวลและน้ำหนักเท่าใด
–  วัตถุที่กำลังตกแบบเสรีมีน้ำหนักหรือไม่เพราะเหตุใด
–  นักบินอวกาศที่กำลังลอยตัวในยานอวกาศหรือกำลังปฏิบัติภารกิจนอกยานอวกาศมีน้ำหนักหรือไม่  เพราะเหตุใด
–  วัตถุที่อยู่บนโลกและบนดวงจันทร์  มีน้ำหนักเท่ากันหริอไม่เพราะเหตุใด

โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีอยู่หลายแห่งในประเทศไทย  ก็ใช้หลักการที่สนามโน้มถ่วงของโลกกระทำกับน้ำที่เก็บไว้ในที่สูงบนเขื่อนให้ไหลลงสู่ที่ต่ำกว่า  ซึ่งเป็นบริเวณที่มีกังหันที่ต่อแกนเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ทำให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

การเรียนรู้เกี่ยวกับสนามของแรง  ช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์  ในธรรมชาติ  และเห็นความสำคัญของการนำความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์เพื่อประดิษฐ์สิ่งของเครื่องใช้ที่เป็นประโยชน์ต่อสังคมมนุษย์  อย่างไรก็ตามยังต้องมีการศึกษาค้นคว้าต่อไปเพื่อทำวคามเข้าใจเกี่ยวกับสนามของแรงอย่างถ่องแท้และลึกซึ้งเพื่อสามารถนำความรู้ที่ได้มาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางและปลอดภัย