บทความเกี่ยวกับสนามไฟฟ้า
ในเรื่องของประจุไฟฟ้า เราได้เรียนรู้ว่าประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน ในขณะที่ประจุต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน หากนำวัตถุที่มีประจุบวกเข้าใกล้กับวัตถุที่มีประจุลบ วัตถุทั้งสองจะดึงดูดกันและเคลื่อนที่เข้าหากัน ในทางกลับกัน หากนำวัตถุที่มีประจุบวกเข้าใกล้กับวัตถุที่มีประจุบวกอีกชิ้นหนึ่ง วัตถุทั้งสองจะผลักกันและเคลื่อนที่ออกจากกัน จากการศึกษาในเรื่องกฎของคูลอมบ์ วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสามารถเร่งความเร็ววัตถุที่มีประจุไฟฟ้าอื่นได้ เนื่องจากมีแรงไฟฟ้ากระทำระหว่างวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านั้น แรงไฟฟ้าที่วัตถุที่มีประจุไฟฟ้ากระทำต่อวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าอื่นเป็นตัวอย่างหนึ่งของแรงที่สามารถกระทำได้โดยไม่ต้องสัมผัส อีกตัวอย่างหนึ่งของแรงที่สามารถกระทำได้ในระยะไกลคือแรงโน้มถ่วงแรงโน้มถ่วงเกิดจากวัตถุที่มีมวลกระทำต่อวัตถุที่มีมวลอื่น
แรงเสียดทานแรงผลัก และแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก เป็นตัวอย่างของแรงที่เข้าใจได้ง่าย เพราะแรงเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อมีการสัมผัส ในทางตรงกันข้าม แรงไฟฟ้าเป็นตัวอย่างของแรงที่เข้าใจได้ยาก เพราะแรงนี้สามารถกระทำได้จากระยะไกลโดยไม่ต้องสัมผัส เพื่อให้เข้าใจแรงไฟฟ้าที่สามารถกระทำได้จากระยะไกล จึงต้องอาศัยแนวคิดเรื่องสนามไฟฟ้า แนวคิดเรื่องสนามไฟฟ้าได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ไมเคิล ฟาราเดย์ (ค.ศ. 1791-1867)
นิยามของสนามไฟฟ้า (E)
สมมติว่าแก้วนั้นเดิมทีเป็นกลางทางไฟฟ้า หลังจากถูกถูด้วยผ้า แท่งแก้วก็จะกลายเป็นมีประจุไฟฟ้า เมื่อแท่งแก้วมีประจุไฟฟ้า ในขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้าก็จะปรากฏขึ้นรอบๆ แก้ว หากแก้วกลับสู่สภาพเป็นกลาง สนามไฟฟ้าก็จะหายไป ดังนั้น การมีอยู่ของสนามไฟฟ้า (E) จึงไม่สามารถแยกออกจากการมีอยู่ของประจุไฟฟ้าได้ สนามไฟฟ้า (E) ไม่ใช่ชนิดของสารเช่นอากาศ และไม่ใช่ชนิดของคลื่นเช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้า (E) เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นจากประจุไฟฟ้าและส่งผลกระทบต่อพื้นที่รอบๆ ประจุไฟฟ้า ซึ่งประจุไฟฟ้าอื่นๆ จะรู้สึกถึงอิทธิพลของสนามไฟฟ้า (E) เท่านั้น
ในการทดสอบว่ามีสนามไฟฟ้า (E) อยู่ในห้องหรือไม่นั้น จะสมมติว่ามีประจุทดสอบอยู่ในพื้นที่นั้น ประจุทดสอบเป็นประจุขนาดเล็กมาก(Q)จนทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขนาดเล็กมากจนสามารถละเลยได้ อย่างไรก็ตาม ประจุทดสอบสามารถรับรู้ถึงอิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้าอื่นๆ ได้ ประจุทดสอบนี้มีไว้เพื่อตรวจสอบว่ามีสนามไฟฟ้า (E) อยู่หรือไม่เท่านั้น ถ้ามีสนามไฟฟ้า (E) อยู่ในพื้นที่นั้น...
ประจุทดสอบจะต้องได้รับแรงทางไฟฟ้า ในขณะที่หากไม่มีกระแสไฟฟ้า ประจุทดสอบจะไม่ได้รับแรงทางไฟฟ้า
ดูรูปที่อยู่ด้านข้างสิ
ในรูปที่ 1 ประจุ +q 1และประจุ +q 2 ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้า E ในพื้นที่โดยรอบ เมื่อวางประจุทดสอบ +q oไว้ที่จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศ ประจุทดสอบ +q o จะได้รับแรงทางไฟฟ้า F 1 คือแรงทางไฟฟ้าที่ประจุ +q 1 กระทำ ต่อประจุทดสอบ +q o และ F 2 คือแรงทางไฟฟ้าที่ประจุ +q 2 กระทำ ต่อประจุทดสอบ +q oในรูปที่ 2 เมื่อนำประจุทดสอบออก สนามไฟฟ้า E ยังคงอยู่และไม่หายไปจากจุดนั้น E 1 คือสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุไฟฟ้า +q 1 และ E 2 คือสนาม ไฟฟ้าE ที่เกิดจากประจุไฟฟ้า +q 2
ขนาดของสนามไฟฟ้า
E เป็นปริมาณเวกเตอร์ โดยที่สนามไฟฟ้ามีทั้งขนาดและทิศทาง ขนาดของ E มักเรียกว่าความแรงของ E ความแรงของ E ณ จุดใดจุดหนึ่งถูกกำหนดให้เป็นแรงไฟฟ้าที่ประจุไฟฟ้ากระทำต่อประจุทดสอบบวกที่วางไว้ ณ จุดนั้น หารด้วยขนาดของประจุทดสอบ
E = ความแรงของสนามไฟฟ้า
F = แรงไฟฟ้า
q = ประจุทดสอบ
หน่วยของแรงทางไฟฟ้าคือ นิวตัน และหน่วยของประจุไฟฟ้าคือ คูลอมบ์ ดังนั้นหน่วยของ E จึงเป็น นิวตัน/คูลอมบ์ ซึ่งย่อว่า N/C
ทิศทางของสนามไฟฟ้า
ในรูปที่ 1a ประจุไฟฟ้าบวก (+Q) ออกแรงทางไฟฟ้าต่อประจุทดสอบบวก (+q) โดยทิศทางของแรงทางไฟฟ้า (F) จะพุ่งออกจากประจุ +Q
ในรูปที่ 1b เมื่อนำประจุทดสอบออก ณ จุดนี้จะมีสนามไฟฟ้า (E) ที่มีทิศทางพุ่งออกจากประจุไฟฟ้า Q
ในรูปที่ 2a ประจุไฟฟ้าลบ (-Q) ออกแรงทางไฟฟ้าต่อประจุทดสอบบวก (+q) โดยทิศทางของแรงทางไฟฟ้า (F) เข้าใกล้ประจุ -Q
ในรูปที่ 2b เมื่อนำประจุทดสอบออก ณ จุดนี้จะมีสนามไฟฟ้า (E) ซึ่งมีทิศทางใกล้เคียงกับประจุไฟฟ้า -Q
จากรูปภาพและคำอธิบายข้างต้น สามารถสรุปได้ว่าทิศทางของสนามไฟฟ้าจะพุ่งออกจากประจุไฟฟ้าบวกและพุ่งเข้าหาประจุไฟฟ้าลบ
เส้นสนามไฟฟ้า
สนามไฟฟ้า E เกิดจากประจุไฟฟ้า หนึ่งตัว และส่งผลกระทบต่อพื้นที่รอบๆ ประจุไฟฟ้านั้นโดยอิทธิพลของสนามไฟฟ้า E จะส่งผลต่อประจุไฟฟ้าอื่นๆ ในบริเวณนั้นเมื่อมีประจุไฟฟ้าอีกตัวอยู่ในบริเวณสนามไฟฟ้า E ที่เกิดจากประจุไฟฟ้าอีกตัว ประจุไฟฟ้าอีกตัวก็จะรับรู้ถึงอิทธิพลของแรงไฟฟ้าดังกล่าว
การทำความเข้าใจสนามไฟฟ้าข้างต้น ดังที่ได้อธิบายไว้ในบทความเกี่ยวกับ E นั้น สามารถรับรู้ได้ด้วยจิตใจ แต่สามารถจินตนาการได้เท่านั้น เพื่อให้เห็นภาพ E จึงมีการแสดงเส้นสนามไฟฟ้า เส้นสนามไฟฟ้าคือชุดเส้นที่ลากรอบประจุไฟฟ้าเพื่อแสดงถึงการมีอยู่ของสนามไฟฟ้า เนื่องจากมีจุดประสงค์เพื่อแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของ E จึงมีความเชื่อมโยงระหว่างเส้นเหล่านี้กับ E กล่าวอีกนัยหนึ่ง ขนาดและทิศทางของ E สามารถอธิบายได้โดยการวาดเส้นสนามไฟฟ้า
ต่อไปนี้คือความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางและความแรงของสนามไฟฟ้ากับเส้นสนามไฟฟ้า:
ประการแรก ทิศทางของสนามไฟฟ้า E จะเคลื่อนออกจากประจุบวกและเข้าใกล้ประจุลบ ดังนั้น ทิศทางของเส้นแรงสนามไฟฟ้าจึงเคลื่อนออกจากประจุบวกและเข้าใกล้ประจุลบเช่นกัน
ถ้าประจุบวกอยู่ติดกับประจุลบ เส้นแรงไฟฟ้าจะลากออกจากประจุบวกไปยังประจุลบ ในทางกลับกัน ถ้าประจุบวกอยู่ติดกับประจุบวกอีกประจุหนึ่ง เส้นแรงไฟฟ้าจะลากออกจากประจุบวกแต่ละตัวและห่างจากกัน
ประการที่สอง ความแรงของสนามไฟฟ้าแสดงด้วยระยะห่างระหว่างเส้นแรงสนามไฟฟ้า ยิ่งระยะห่างระหว่างเส้นแรงสนามไฟฟ้าใกล้กันมากเท่าใด ความแรงของสนามไฟฟ้าก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น และยิ่งระยะห่างระหว่างเส้นแรงสนามไฟฟ้าไกลกันมากเท่าใด ความแรงของสนามไฟฟ้าก็ยิ่งน้อยลงเท่านั้น
ทำไมยิ่งระยะห่างระหว่างเส้นแรงยิ่งน้อย ความแรงของสนามไฟฟ้าจึงยิ่งสูงขึ้น? เพื่อให้เข้าใจเรื่องนี้ ลองดูคำอธิบายต่อไปนี้ สมมติว่ามีประจุบวกอยู่ที่ศูนย์กลางของทรงกลม และเส้นแรงไฟฟ้าแผ่กระจายออกไปในทิศทางต่างๆ ผ่านพื้นผิวของทรงกลม ถ้าจำนวนเส้นแรงไฟฟ้าคือ N และพื้นที่ผิวของทรงกลมคือ 4πr² แล้วจำนวนเส้นต่อหน่วยพื้นที่หรือความหนาแน่นของเส้นคือ N/4πr² จากสูตรนี้ สำหรับค่า N เท่ากัน ถ้า r มีค่าน้อยลง ระยะห่างระหว่างเส้นแรงจะยิ่งน้อยลง และถ้า r มีค่ามากขึ้น ระยะห่างระหว่างเส้นแรงจะยิ่งมากขึ้น
สูตรความแรงสนามไฟฟ้า E = kq / r² แสดงให้เห็นว่าความแรงสนามไฟฟ้าแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง ถ้า r มีค่าน้อยลง ความแรงสนามไฟฟ้าก็จะมากขึ้น และถ้า r มีค่ามากขึ้น ความแรงสนามไฟฟ้าก็จะลดลง
จากบทวิเคราะห์ข้างต้น สรุปได้ว่า ถ้าค่า r เล็กลง (เข้าใกล้ประจุมากขึ้น) ความแรงของสนามไฟฟ้าจะมากขึ้น และระยะห่างระหว่างเส้นแรงก็จะน้อยลง ในทางกลับกัน ถ้าค่า r มากขึ้น (อยู่ห่างจากประจุมากขึ้น) ความแรงของสนามไฟฟ้าจะน้อยลง และระยะห่างระหว่างเส้นแรงก็จะมากขึ้น
ประการที่สาม จำนวนเส้นสนามไฟฟ้าแปรผันตรงกับความแรงของสนามไฟฟ้า ยิ่งมีเส้นสนามไฟฟ้ามากเท่าไร ความแรงของสนามไฟฟ้าก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น และยิ่งมีเส้นสนามไฟฟ้าน้อยเท่าไร ความแรงของสนามไฟฟ้าก็ยิ่งน้อยลงเท่านั้น
