สนามไฟฟ้า

ศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการอภิปรายคำถามเกี่ยวกับสนามไฟฟ้าและตัวอย่างคำถามเกี่ยวกับสนามไฟฟ้า ด้วย

เพื่อช่วยให้เข้าใจถึงแรงไฟฟ้าที่สามารถกระทำได้ในระยะไกล จึงมีการนำแนวคิดเรื่องสนามไฟฟ้ามาใช้ แนวคิดเรื่องสนามไฟฟ้าได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ไมเคิล ฟาราเดย์ (ค.ศ. 1791–1867)

คำนิยาม

สมมติว่าแท่งแก้วนั้นเป็นกลางทางไฟฟ้าในตอนแรก หลังจากถูกถูด้วยผ้า แท่งแก้วก็จะกลายเป็นมีประจุไฟฟ้า เมื่อแท่งแก้วมีประจุไฟฟ้าสนามไฟฟ้าก็จะปรากฏขึ้นรอบๆ แท่งแก้วพร้อมกัน หากแท่งแก้วเป็นกลาง สนามไฟฟ้าก็จะหายไปจากบริเวณนั้นพร้อมกัน ดังนั้นการมีอยู่ของสนามไฟฟ้าจึงแยกไม่ออกจากการมีประจุไฟฟ้า สนามไฟฟ้าไม่ใช่ชนิดของสารเช่นอากาศ และไม่ใช่ชนิดของคลื่นเช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เป็นสิ่งที่เกิดจากประจุไฟฟ้าและส่งผลกระทบต่อพื้นที่รอบๆ ประจุไฟฟ้า โดยอิทธิพลของมันจะส่งผลต่อประจุไฟฟ้าอื่นๆ เท่านั้น

ในการทดสอบว่ามีสนามไฟฟ้าอยู่ในพื้นที่ใดหรือไม่นั้น จะต้องสมมติว่ามีประจุทดสอบอยู่ในพื้นที่นั้น ประจุทดสอบ (Q) มีขนาดเล็กมากจนทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขนาดเล็กมากและสามารถละเลยได้ อย่างไรก็ตาม ประจุทดสอบสามารถรับรู้ถึงอิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้าอื่นๆ ได้ ประจุทดสอบมีอยู่เพื่อตรวจสอบว่ามีสนามไฟฟ้าอยู่หรือไม่ ถ้ามี ประจุทดสอบจะได้รับอิทธิพลในรูปของแรงไฟฟ้าในทางกลับกัน ถ้าไม่มี ประจุทดสอบจะไม่ได้รับแรงไฟฟ้าใดๆ

ดูรูปด้านข้างสิ
ในรูปที่ 1 ประจุ +q₁ และประจุ +q₂ ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าในพื้นที่โดยรอบ เมื่อวางประจุทดสอบ +q ลงไป_o ณ จุดหนึ่งในอวกาศ ประจุทดสอบ +q_o กำลังประสบกับแรงไฟฟ้า F₁ คือแรงทางไฟฟ้าที่เกิดจากประจุ +q₁ ที่ประจุทดสอบ +q_o และเอฟ₂ คือแรงทางไฟฟ้าที่เกิดจากประจุ +q₂ ที่ประจุทดสอบ +q_oในรูปที่ 2 เมื่อนำประจุทดสอบออก สนามยังคงอยู่และไม่หายไปจากจุดนั้น E₁ คือสนามที่เกิดจากประจุไฟฟ้า +q₁ และอี₂ คือสนามที่เกิดจากประจุไฟฟ้า +q₂.

ความแรงของสนาม

สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่มีทั้งขนาดและทิศทาง ความแรงของสนามไฟฟ้า ณ จุดใดจุดหนึ่งถูกกำหนดให้เป็นแรงไฟฟ้าที่ประจุไฟฟ้ากระทำต่อประจุทดสอบบวกที่วางอยู่ ณ จุดนั้น หารด้วยขนาดของประจุทดสอบ
ข้อสังเกต:
E = ความแรงของสนาม
F = แรงไฟฟ้า
q = ขนาดของประจุทดสอบ
ข้อสังเกต:
Q = ประจุไฟฟ้า
r = ระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้าและประจุทดสอบ
(อ่านว่า: เอปซิลอนศูนย์) = ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของสุญญากาศ = 8,854 x 10⁻⁶^-12 C²/Nm²
k = ค่าคงที่คูลอมบ์ = 9 x 10⁹ นิวตันเมตร²/C²

หน่วยของแรงทางไฟฟ้าคือ นิวตัน และหน่วยของประจุไฟฟ้าคือ คูลอมบ์ ดังนั้นหน่วยของสนามไฟฟ้าจึงเป็น นิวตัน/คูลอมบ์ ซึ่งย่อว่า N/C

พระอรหันต์

 
ดูรูปด้านข้างสิ
ป๊า รูปที่ 1กประจุไฟฟ้าบวก (+Q) จะออกแรงทางไฟฟ้าต่อประจุทดสอบบวก (+q) โดยทิศทางของแรงทางไฟฟ้า (F) จะพุ่งออกจากประจุ +Q
ป๊า รูปที่ 1bเมื่อนำประจุทดสอบออก ณ จุดนั้นจะมีสนามไฟฟ้า (E) ที่มีทิศทางพุ่งออกจากประจุไฟฟ้า Q
ป๊า รูปที่ 2กประจุไฟฟ้าลบ (-Q) ออกแรงทางไฟฟ้าต่อประจุทดสอบบวก (+q) โดยทิศทางของแรงทางไฟฟ้า (F) จะเข้าใกล้ประจุ -Q
ป๊า รูปที่ 2bเมื่อนำประจุทดสอบออก ณ จุดนั้นจะมีสนามไฟฟ้า (E) ซึ่งมีทิศทางใกล้เคียงกับประจุไฟฟ้า -Q
จากภาพและคำอธิบายข้างต้น สามารถสรุปได้ว่าทิศทางของสนามไฟฟ้าจะพุ่งออกจากประจุไฟฟ้าบวกและพุ่งเข้าหาประจุไฟฟ้าลบ

ตัวอย่างคำถาม

1. จุด A ตั้งอยู่ในสนามไฟฟ้า ความเข้มสนามไฟฟ้าที่จุด A คือ 0,4 นิวตัน/คูลอมบ์ ถ้าวางวัตถุที่มีประจุ 0,2 คูลอมบ์ไว้ที่จุด A จะเกิดแรงคูลอมบ์ขนาด...
ก. 0,2 เอ็น
บี. 0,4 เอ็น
ซี. 0,6 เอ็น
ง. 0,7 เอ็น
ตะวันออก 0,8 เหนือ
การอภิปราย :
เป็นที่รู้จัก :
E = 0,4 นิวตัน/องศาเซลเซียส
q = 0,2 C
ถาม :
แรงไฟฟ้า?
จาวาบ :
F = q E = (0,2 C)(4 N/C) = 0,8 N
คำตอบที่ถูกต้องคือ E.

2. จุดที่มีประจุ q ประจุ (+) อยู่ที่จุด A ในสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุ (+) ทำให้ได้รับแรง 0,1 N ในทิศทางเข้าหาประจุ q ถ้าความแรงของสนามไฟฟ้าที่จุด A คือ 0,02 N/C แล้วขนาดและชนิดของประจุ q คือ...
A. 5,0 C, บวก
B. 5,0 C, ลบ
C. 4,0 C, บวก
ง. 2,5 องศาเซลเซียส, ค่าลบ
E. 2,5 C, บวก
การอภิปราย :
เป็นที่รู้จัก :
F = 0,1 น
E = 0,02 นิวตัน/องศาเซลเซียส
ถาม :
ขนาดและทิศทางของประจุ q คืออะไร?
จาวาบ :
ขนาดของประจุ q:
F = q E
q = F / E = 0,1 นิวตัน : 0,02 นิวตัน/ซี = 5C
ประเภทของค่าธรรมเนียม q:
ทิศทางของแรงคูลอมบ์จะพุ่งเข้าหาประจุ q ดังนั้นประจุ q จะต้องมีค่าเป็นบวก