แรง สนามไฟฟ้า

เนื้อหา แรงและสนามไฟฟ้า

ในบทนี้จะพูดถึงเนื้อหาของ สนามไฟฟ้า ซึ่งเป็นหัวข้อที่สำคัญในการศึกษาเรื่องไฟฟ้าในปัจจุบัน เพราะการใช้สนามไฟฟ้าในปัจจุบันถูกใช้อย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่มากยิ่งขึ้นนอกจากเรื่อง สนามไฟฟ้า เรายังศึกษาแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าซึ่งทำให้เรานำไปประยุกต์กับกฎของนิวตันได้ต่อไปอีก เพราะฉะนั้นตั้งใจทำความเข้าใจดีๆ

แรงทางไฟฟ้า

แรงทางไฟฟ้าเป็นปรากฎการณ์ทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ซึ่งมีการประยุกต์ใช้ในทางวิศวกรรมต่างๆมากมาย ความรู้ที่นำมาเรียนในส่วนนี้เป็นแรงทางไฟฟ้าแบบพื้นฐานที่ทำให้สามารถเข้าใจธรรมชาติของแรงทางไฟฟ้าได้ ถ้าอยากเรียนรู้โดยละเอียดสามารถเรียนในสาขาที่เฉพาะทางกว่านี้ได้

แรงทางไฟฟ้า (ปริมาณเวกเตอร์ )

คือผลที่เกิดจากแรงระหว่างประจุสองปรจุ หน่วยเป็น N

หมายเหตุ

แรงทางไฟฟ้าคือแรงที่เกิดจากประจุ 2 ประจุ ถ้าเกิดมีประจุมากกว่า 2 ต้องคิดทีละคู่
ทิศทางของแรงจะขึ้นอยู่กับชนิดของประจุว่าทำให้เกิดแรงดูด หรือแรงผลัก

ในกรณีที่ไม่ได้อยู่ในสภาพสุญญากาศ

ตัวอย่างที่ 1 มีประจุไฟฟ้า ขนาด -1 x 10^-6 คูลอมบ์ และ +4 x 10^-6 อยู่ห่างเป็นระยะ 2 เมตร จงหาแรงกระทำที่กระทำต่อ ประจุ -1 x 10^-6 คูว่ามีขนาดเท่าไหร่และทิศทางใด

จากโจทย์ ประจุทั้งสองมีชนิดของประจุต่างชนิดกันเพราะฉะนั้น จะเกิดแรงผลัก

ประจุที่เราสนใจคือประจุ -1 x 10^-6 หาขนาดของแรง

หาทิศทางของแรง เนื่องจากประจุเป็นประจุต่างชนิดกัน จะเกิดเป็นแรงผลัก เพราะฉะนั้นแรงที่ทำกับประจุ จะมีทิศไปทางซ้าย

สนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้า ( เป็นปริมาณเวกเตอร์ ) คือบริเวณที่ประจุไฟฟ้าส่งอำนาจไปถึง โดยในการคำนวณอาศัยแรงทางไฟฟ้าโดยเปรียบเสมือนให้จุดที่ต้องการทราบมีประจุไฟฟ้า เท่ากับ +1 C

ตัวอย่างที่ 1 ตำแหน่งที่ห่างจากจุดประจุเป็นระยะ 3 เมตร มีขนาดของสนามไฟฟ้าเป็น 1×10^5 N/C จงหาขนาดของสนามไฟฟ้าที่ห่างจากประจุนี้ 1 เมตร

จากโจทย์ เราต้องการหาค่าสนามไฟฟ้าที่ระยะห่าง 1 เมตร

เราทราบค่า k และ R = 1 m แต่เราไม่ทราบค่า Q เพราะฉะนั้นต้องหาค่า Q ก่อน

หาค่า โจทย์กำหนด ขนาดของสนามไฟฟ้า ( E) ที่ระยะทาง 3 m มีค่าเท่ากับ 1 x 10^5 N/C เราจะสามารถหาค่า Q ได้

เมื่อเราได้ตัวแปรครบแล้วจะสามารถหา E ที่ระยะทางห่าง 1 เมตรได้

ตัวอย่างที่ 2 จุดประจุ -6×10^-6 คูลอมบ์ และ +10×10^-6 คูลอมบ์ วางอยู่ห่างกัน 4 เซนติเมตร ที่ตำแหน่ง A และ B ตามลำดับ สนามไฟฟ้าที่จุด C จะมีขนาดเท่าไหร่

จากโจทย์ จะมีประจุทั้งหมด 2 ประจุ เพราะฉะนั้นจะเกิดแรงจากสนามไฟฟ้า จากประจุ 2 ประจุด้วยกัน เวลาคิดให้คิดแยกกัน

คิดสนามไฟฟ้าจากประจุ +10×10^-6 C

คิดสนามไฟฟ้าจากประจุ -6×10^-6 C

เมื่อเราได้ สนามไฟฟ้าจากประจุทั้ง 2 แล้ว เนื่องจากว่าสนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ เราไม่สามารถบวกกันได้เลยเพราะฉะนั้นเราต้องทำการรวมกันแบบเวกเตอร์ โดยใช้สูตร

ถ้าน้อง ๆ ไม่แม่นยำเรื่องการรวมเวกเตอร์ แนะนำให้ไปทบทวนการรวมแบบเวกเตอร์ก่อนนะครับ

เส้นสนามไฟฟ้า

เส้นสนามไฟฟ้า คือ แนวเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าอิสระในสนามไฟฟ้า

สมบัติของสนามไฟฟ้า

พุ่งออกจากประจุบก และพุ่งเข้าหาประจุลบ
เส้นสนามไฟฟ้าจะไม่ทับกันเด็ดขาด
เส้นสนามไฟฟ้าจะพุ่งออกหรือเข้าในทิศตั้งฉากกับผิววัตถุเสมอ
ภายในประจุ จะไม่มีสนามไฟฟ้า

ตัวอย่างเส้นสนามไฟฟ้าที่ควรทราบ

เส้นสนามไฟฟ้าของประจุอิสระเหมือนกัน

เส้นสนามไฟฟ้าของประจุอิสระต่างกัน

เส้นสนามไฟฟ้าของแผ่นตัวนำ

จุดสะเทินในสนามไฟฟ้า

เป็นจุดในสนามไฟฟ้าที่มีค่าความเข้มของสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ หรือพูดง่ายๆคือ จุดที่สนามไฟฟ้าหักล้างกันนหมดนั่นเอง

บริเวณที่เกิดจุดสะเทิน

ประจุชนิดเดียวกัน อยู่ระหว่างประจุทั้งสอง

ประจุต่างชนิดกัน อยู่นอกระยะระหว่างประจุทั้งสอง

ตัวอย่างที่ 1 จุดประจุ +4×10^-8 คูลอมบ์ และ+9×10^-8 คูลอมบ์ อยู่ห่างกัน 0.5 เมตร จงหาตำแหน่งตามแนวเส้ตรงระหว่างจุดทั้งสองที่มีสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์

จากนิยามของจุดสะเทิน คือจุดที่มีสนามไฟฟ้าเท่ากับ 0 หรือมีแรงทั้งสองหักล้างกันพอดี

เพราะฉะนั้นจุดสะเทินจะอยู่ห่างจากประจุ 9 x 10^-6 อยู่ 0.2 m

ตัวอย่างที่ 2 ทรงกลมตัวนำขนาดเล็ก A,B มีประจุ +4×10^-6 คูลอมบ์ และ -1×10^-6 คูลอมบ์ ตามลำดับ และอยู่ห่างกัน 1 เมตร ในอากาศจงหาตำแหน่งซึ่งมีค่าสนามไฟฟ้ารวมเป็นศูนย์ อยู่ห่างจากตัวนำ A เท่าใด