ในบทความเกี่ยวกับ ประจุไฟฟ้า แดน ประเภทของประจุไฟฟ้า มีการอธิบายว่าประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันจะผลักกัน ในขณะที่ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ วัตถุที่มีประจุบวกจะดึงดูดวัตถุที่มีประจุลบ วัตถุที่มีประจุบวกจะผลักวัตถุที่มีประจุบวก และวัตถุที่มีประจุลบจะผลักวัตถุที่มีประจุลบ ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อวัตถุที่มีประจุบวกและวัตถุที่มีประจุลบ ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อขนาดของแรงไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า?
ชาร์ลส์ คูลอมบ์ (ค.ศ. 1736–1806) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการทดลองหลายชุดในช่วงทศวรรษ 1780 เพื่อตรวจสอบปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อขนาดของแรงไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า อุปกรณ์ที่คูลอมบ์ใช้คล้ายกับอุปกรณ์ที่คาเวนดิชใช้ในการตรวจสอบค่าคงที่ของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเรียกว่าเครื่องชั่งแบบบิด (torsion balance) คูลอมบ์ตรวจสอบแรงไฟฟ้า ดังนั้นเขาจึงใช้ลูกบอลโลหะที่มีประจุไฟฟ้าสองลูก ในขณะที่คาเวนดิชตรวจสอบแรงโน้มถ่วง ดังนั้นเขาจึงใช้ลูกบอลมวลที่ไม่มีประจุไฟฟ้าสองลูก
วิธีการทำงานของมาตรวัดแรงบิด
วิธีการทำงานของมาตรวัดแรงบิดนั้นเกี่ยวข้องกับเนื้อหาที่กล่าวถึง แรงบิดหรือโมเมนต์ของแรง ในบท พลศาสตร์การหมุน.
พื้นที่ภายในเครื่องชั่งแรงบิดเป็นสุญญากาศเพื่อป้องกันไม่ให้ประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งถ่ายเทไปยังอากาศ การหาปริมาณประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งทำได้โดยใช้วิธีต่อไปนี้ เริ่มแรก ลูกบอลแข็ง A จะถูกทำให้มีประจุไฟฟ้าโดยการนำไฟฟ้าหรือแรงเสียดทาน ลูกบอลแข็ง A ที่มีประจุไฟฟ้าแล้วจะถูกเชื่อมต่อกับลูกบอลแข็ง B ซึ่งยังคงเป็นกลางโดยใช้ตัวนำไฟฟ้าจนกระทั่งประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง A ถูกแบ่งอย่างเท่าๆ กันกับลูกบอลแข็ง B ถ้าปริมาณประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง A เป็น ½ ปริมาณประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง B ก็จะเป็น ½ เช่นกัน ต่อไป ลูกบอลแข็ง B และลูกบอลแข็ง C จะถูกเชื่อมต่อด้วยตัวนำไฟฟ้าจนกระทั่งประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง B ถูกแบ่งอย่างเท่าๆ กันกับลูกบอลแข็ง C ถ้าปริมาณประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง B เป็น ¼ ปริมาณประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง C ก็จะเป็น ¼ ด้วยวิธีนี้ จะได้ปริมาณประจุไฟฟ้าและชนิดของประจุไฟฟ้าของลูกบอลแข็ง 1 และลูกบอลแข็ง 2
ทรงกลมตันที่ 1 และทรงกลมตันที่ 2 มีประจุไฟฟ้า โดยที่ทรงกลมทั้งสองจะผลักกันหากประจุไฟฟ้าของทรงกลมทั้งสองเหมือนกัน หรือจะดึงดูดกันหากประจุไฟฟ้าของทรงกลมทั้งสองต่างกัน การมีอยู่ของแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างทรงกลมตันที่มีประจุไฟฟ้าทั้งสองทำให้ทรงกลมตันที่ 2 หมุน มุมการหมุนของทรงกลมตันที่ 2 ถูกวัดเพื่อหาแรงทางไฟฟ้าที่กระทำต่อทรงกลมตันทั้งสอง
ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อแรงไฟฟ้า
จากผลการทดลองโดยใช้เครื่องชั่งแรงบิด คูลอมบ์ได้ค้นพบหลายสิ่งหลายอย่าง
– ในการทดลองนี้ ระยะห่างระหว่างลูกบอลแข็งทั้งสองลูกจะเท่ากันเสมอ เมื่อปริมาณประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งลูกที่ 1 เท่ากับ 1 และปริมาณประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งลูกที่ 2 เท่ากับ 1 แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อลูกบอลแข็งทั้งสองลูกจะมีค่าเท่ากับ 1 เมื่อปริมาณประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งลูกที่ 1 เท่ากับ 2 และปริมาณประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งลูกที่ 2 เท่ากับ 2 แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อลูกบอลแข็งทั้งสองลูกจะมีค่าเท่ากับ 4 คูลอมบ์สรุปว่า ขนาดของแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อลูกบอลแข็งทั้งสองลูกเป็นสัดส่วนกับผลคูณของปริมาณประจุไฟฟ้าบนลูกบอลแข็งทั้งสองลูก (F ≈ q)1 q2).
– ในการทดลองนี้ ปริมาณประจุบนลูกบอลแข็งทั้งสองลูกจะเท่ากันเสมอ ถ้าระยะห่างระหว่างลูกบอลแข็งทั้งสองลูกเป็น 1 แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อลูกบอลแข็งทั้งสองลูกจะเป็น 1 ถ้าระยะห่างระหว่างลูกบอลแข็งทั้งสองลูกเป็น 2 แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อลูกบอลแข็งทั้งสองลูกจะเป็น ¼ คูลอมบ์สรุปว่าขนาดของแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อลูกบอลแข็งทั้งสองลูกแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง (F ≈ 1 / r²)2)
กฎของคูลอมบ์
กฎของคูลอมบ์เป็นกฎทางฟิสิกส์ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า และระยะห่างระหว่างประจุ กฎนี้ถูกกำหนดขึ้นจากผลการทดลองของคูลอมบ์ ดังที่ได้อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้านี้
กฎของคูลอมบ์ ทฤษฎีบทนี้กล่าวว่า ขนาดของแรงที่อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอีกอนุภาคหนึ่งนั้น แปรผันตรงกับผลคูณของผลรวมประจุของอนุภาคทั้งสอง และแปรผันผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าทั้งสอง แรงนี้กระทำตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมต่ออนุภาคทั้งสอง แรงไฟฟ้าจะเป็นแรงผลักหากประจุไฟฟ้าของอนุภาคทั้งสองเหมือนกัน และจะเป็นแรงดึงดูดหากประจุไฟฟ้าของอนุภาคทั้งสองไม่เหมือนกัน
กฎของคูลอมบ์สามารถแสดงได้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ดังนี้:
คำอธิบายสูตร:
F12 = แรงทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคที่ 1 และอนุภาคที่ 2
q1 = จำนวนประจุของอนุภาค 1
q2 = จำนวนประจุไฟฟ้าของอนุภาคที่ 2
r12 = ระยะห่างระหว่างอนุภาคที่ 1 และอนุภาคที่ 2
(อ่านว่า: เอปซิลอนศูนย์) = 8,854 x 10-12 C2/Nm2
k = (ค่าคงที่ของคูลอมบ์) = 9 x 109 นิวตันเมตร2/C2
F21 คือแรงที่เกิดจากประจุ q2 ที่ชาร์จ q1ในขณะที่ F12 คือแรงที่เกิดจากประจุ q1 ที่ชาร์จ q2. F21 และเอฟ12 อนุภาคจะผลักกันเมื่อประจุเป็น q1 และ q2 อนุภาคที่คล้ายคลึงกันจะดึงดูดกันเมื่อประจุเป็น q1 และ q2 ไม่ใช่ประเภทเดียวกัน
F21 และเอฟ12 แรงทั้งสองมีค่าเท่ากัน ทิศทางตรงข้าม และกระทำต่อวัตถุต่างกัน ดังนั้น แรงทั้งสองนี้จึงเป็นคู่แรงปฏิกิริยา
