ประจุไฟฟ้า

วัสดุประจุไฟฟ้า

โปรดสังเกตสิ่งของรอบตัวคุณสักอย่าง หากคุณทำลายสิ่งของชิ้นหนึ่ง เช่น ก้อนหิน ก้อนหินจะแตกออกเป็นชิ้นเล็กๆ หลายชิ้น หากก้อนหินถูกบดอีกครั้ง ก้อนหินก็จะกลายเป็นชิ้นเล็กลงไปอีก แล้วถ้าบดชิ้นส่วนของก้อนหินเหล่านั้นอีกครั้งล่ะ? แน่นอนว่าชิ้นส่วนของก้อนหินก็จะถูกบดและกลายเป็นชิ้นเล็กลงไปอีก ก้อนหินสามารถถูกแบ่งออกเป็นชิ้นเล็กลงไปได้อีกเรื่อยๆ จนกระทั่งเป็นอนันต์หรือไม่? ข้อเท็จจริงแสดงให้เห็นว่า วัตถุใดๆ ก็ตาม หากถูกแบ่งออกเป็นชิ้นเล็กๆ จะไปถึงจุดที่ส่วนที่เล็กที่สุดของวัตถุนั้นไม่สามารถถูกแบ่งออกเป็นชิ้นเล็กลงไปได้อีก ส่วนที่เล็กที่สุดของวัตถุที่ไม่สามารถถูกแบ่งออกไปได้อีกเรียกว่า อะตอม ดังนั้น อะตอมจึงเป็นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารทุกชนิดในจักรวาล

ประจุไฟฟ้าในอะตอม

อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งมีขนาดประมาณ 10⁻¹⁵ ^เมตรอิเล็กตรอนอยู่ด้านนอกนิวเคลียสและโคจรรอบนิวเคลียสเหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ สมมติว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมมีขนาดหลายกิโลเมตร นิวเคลียสจะมีขนาดประมาณลูกบิลเลียด โดยมีอิเล็กตรอนอยู่ภายในนิวเคลียสและมีระยะห่างประมาณ 10⁻¹⁰ ^เมตรระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเป็นพื้นที่ว่างเปล่า

อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะอยู่บริเวณขอบของอะตอม และโปรตอนที่มีประจุบวกจะอยู่ภายในนิวเคลียส เพื่อไม่ให้อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสและหลุดออกไปจากอะตอม นิวเคลียสที่มีประจุบวกจะต้องออกแรงดึงดูดต่ออิเล็กตรอน แรงนี้ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสและป้องกันไม่ให้หลุดออกไป เรียกว่า แรงไฟฟ้า

ในทางกลับกัน ภายในนิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอนที่มีประจุบวก ดังนั้นพวกมันจึงผลักกันเองตามธรรมชาติเพราะมีประจุเดียวกัน เพื่อไม่ให้โปรตอนแยกตัวออกจากอะตอมและยึดพวกมันไว้ด้วยกัน จำเป็นต้องมีแรงยึดเหนี่ยว แรงที่ยึดโปรตอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่า แรงนิวเคลียร์

มวลของโปรตอนเกือบเท่ากับมวลของนิวตรอน ประมาณ 99,9% ของมวลของอะตอมจะกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ในขณะที่อิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก มวลของอิเล็กตรอน (m _e ) = 9,1093897 x 10 ^-31กิโลกรัม มวลของนิวตรอน (m _n ) = 1,6749286 x 10 ^-27กิโลกรัม และมวลของโปรตอน (m _p ) = 1,6726231 x 10 ^-27กิโลกรัม

ปริมาณประจุไฟฟ้า

อิเล็กตรอนมีประจุลบ โปรตอนมีประจุบวก และนิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า โปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอมนั้นประกอบด้วยควาร์ก ซึ่งมีประจุประมาณ 1/3 และประมาณ 2/3 เท่าของอิเล็กตรอน ควาร์กเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดในอะตอม แต่จนถึงปัจจุบันยังไม่พบว่าควาร์กมีอยู่เพียงลำพังในรูปของอนุภาคเดี่ยว

ขนาดของประจุอิเล็กตรอนหรือประจุโปรตอนเป็นหน่วยพื้นฐานของประจุ ขนาดของประจุไฟฟ้าของวัตถุเป็นผลคูณของประจุอิเล็กตรอนหรือประจุโปรตอน นี่เรียกว่า ประจุ ควอนตัมตัวอย่างเช่น ถ้าหน่วยเงินที่เล็กที่สุดที่เราใช้คือ 100 รูเปียห์ จำนวนเงินที่คนๆ หนึ่งมีจะแสดงเป็นผลคูณของหน่วยเงินที่เล็กที่สุด นั่นคือ 100 รูเปียห์ ตัวอย่างเช่น จำนวนเงินของฉันคือ 100.000 และ 100.000 นี้สามารถหารด้วย 100 ได้ มันจะแปลกถ้าจำนวนเงินของฉันคือ 100.002 เพราะไม่มีหน่วยเงิน 2 รูเปียห์ ในทำนองเดียวกัน ปริมาณประจุของวัตถุ ปริมาณประจุของอิเล็กตรอนคือ -e และปริมาณประจุของโปรตอนคือ +e ปริมาณประจุของวัตถุเป็นพหุคูณของ e หรือ 1,60 x 10⁻¹⁹ ^คูลอมบ์ และสามารถแสดงได้ด้วยสูตร Q = ±Ne โดยที่ Q คือปริมาณประจุ, ± แทนชนิดของประจุ, N คือจำนวนเต็ม, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ ^คูลอมบ์

ประจุไฟฟ้าในวัตถุ

ถ้าอะตอมมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน ประจุไฟฟ้ารวมในอะตอมจะเป็นศูนย์ และอะตอมนั้นจะเป็นกลาง หมายความว่าไม่มีประจุไฟฟ้า จำนวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลางเรียกว่าเลขอะตอม (Z)ถ้ามีอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน อะตอมนั้นจะมีประจุลบ ในทางกลับกัน ถ้ามีอิเล็กตรอนน้อยกว่าโปรตอน อะตอมนั้นจะมีประจุบวก อะตอมที่มีประจุลบเรียกว่าไอออนลบในขณะที่อะตอมที่มีประจุบวกเรียกว่าไอออนบวกกระบวนการดูดซับหรือปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอมเรียกว่าการแตกตัวเป็นไอออนเมื่อเรากล่าวว่าอะตอมมีประจุ เราหมายถึงประจุรวมหรือประจุสุทธิ ตัวอย่างเช่น อะตอมมีอิเล็กตรอน 10 ตัวและโปรตอน 7 ตัว อะตอมนี้มีประจุลบเพราะมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเกินมา 3 ตัว ดังนั้นประจุสุทธิของอะตอมนี้คือ 3 และชนิดของประจุอะตอมคือลบ ตัวเลข 3, 7, 10 เป็นเพียงตัวอย่างเพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น ในความเป็นจริง ปริมาณประจุไฟฟ้าของวัตถุจะเป็นผลคูณของประจุอิเล็กตรอนหรือประจุโปรตอน

ถ้าวัตถุมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน วัตถุนั้นจะเป็นกลางหรือไม่มีประจุไฟฟ้า แต่ถ้าวัตถุมีอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน วัตถุนั้นจะมีประจุลบ ในทางกลับกัน ถ้าวัตถุมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าโปรตอน วัตถุนั้นจะมีประจุบวก วัตถุที่เดิมเป็นกลางสามารถทำให้มีประจุลบได้โดยการเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไป ในขณะที่วัตถุสามารถมีประจุบวกได้โดยการลดจำนวนอิเล็กตรอนในวัตถุนั้น