ไฟฟ้าสถิตย์: ความหมาย, วิธีการทำงาน, ข้อเท็จจริง (พร้อมตัวอย่าง)

ประจุไฟฟ้าอยู่รอบตัวคุณ แต่คุณจะสังเกตเห็นได้เฉพาะในบางครั้งเท่านั้น เช่น เวลาที่ผมของคุณค้าง คุณถอดหมวกหรือเมื่อคุณได้รับแรงปะทะเมื่อคุณเอื้อมมือไปสัมผัสบางสิ่งบางอย่างหลังจากถูเท้าไปตาม พรม.

ปรากฏการณ์ทั้งสองนี้เป็นตัวอย่างของไฟฟ้าสถิตสิ่งที่คุณอาจได้เรียนรู้เมื่อตอนยังเป็นเด็ก แต่ประจุไฟฟ้าสถิตทำให้ผมของคุณอยู่ตรงปลายได้อย่างไร และทำไมมันถึงทำให้คุณเกิดไฟฟ้าสถิตได้?

เกิดอะไรขึ้นในระดับอะตอมที่สร้างประสบการณ์สากลเหล่านี้ การเรียนรู้รายละเอียดเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตจะช่วยให้คุณมีข้อมูลเชิงลึกมากขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติที่น่าสนใจของสสารนี้

ประจุไฟฟ้าเป็นสมบัติพื้นฐานของสสาร มันถูกแยกออกเป็นประจุบวกและประจุลบ และแม้ว่าอนุภาคบางตัวจะ เป็นกลางทางไฟฟ้า เช่น นิวตรอน ซึ่งจริงๆ แล้วสิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยพื้นฐานที่มากกว่า อนุภาคซึ่งทำพกพาประจุไฟฟ้า

อนุภาคประจุไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดสองอนุภาคที่ควรรู้เมื่อคุณเรียนรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตคือองค์ประกอบหลักสองอย่างของอะตอม: โปรตอนและอิเล็กตรอน

โปรตอนมีประจุบวก โดยมีประจุเป็น +อีในขณะที่อิเล็กตรอนมีประจุลบที่ –อีที่ไหนอี​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ ค. C ในที่นี้ย่อมาจาก

กฎพื้นฐานสำหรับการทำงานของประจุไฟฟ้าคือประจุตรงข้ามดึงดูดและประจุเหมือนขับไล่ ดังนั้น หากคุณนำอิเล็กตรอนเข้าใกล้อิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่ง พวกมันจะผลักตัวเองออกจากกัน ในขณะที่หากคุณนำอิเล็กตรอนเข้าใกล้โปรตอน อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดเข้าไป

ในระดับพื้นฐานที่สุด ไฟฟ้าสถิตย์หมายถึงประจุที่ไม่เคลื่อนที่ อย่างไรก็ตาม มันมีอะไรมากกว่านั้นอีกมาก! สิ่งสำคัญเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย์คือ เกิดขึ้นเมื่อประจุไฟฟ้าไม่สมดุล และเกิดความไม่สมดุลขึ้นศักย์ไฟฟ้าหมายความว่ามีความเป็นไปได้ที่กระแสไฟฟ้าจะไหล (เพื่อปรับสมดุลประจุ) เนื่องจากตำแหน่งของอนุภาคที่นำประจุ

ในอะตอมและโดยการขยายวัตถุในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่จะมีความสมดุลระหว่างค่าบวกและค่าลบ ประจุ (เช่น ระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอน) ดังนั้นจึงมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อพิจารณาทั้งหมด ด้วยกัน.

ดังนั้น ถ้าคุณเอาอะตอมหนึ่งมาใกล้อีกอะตอมหนึ่ง ก็จะไม่มีแรงไฟฟ้าระหว่างพวกมันเพราะทั้งหมด ของประจุบวกจะถูกทำให้สมดุลด้วยประจุลบ ดังนั้นจึงไม่มีประจุสุทธิในการสร้าง a บังคับ.

แม้ว่ามันจะซับซ้อนกว่านี้เล็กน้อย (เพราะอิเล็กตรอนมักจะเคลื่อนที่ ดังนั้นพวกมันจึงไม่เสมอปิดกั้นประจุบวกจากโปรตอน) สถานการณ์ที่เป็นกลางนี้สร้างความแตกต่างอย่างชัดเจนกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อมีประจุไฟฟ้าสถิตสะสม

โดยพื้นฐานแล้วเมื่อวัตถุ (เช่นผมของคุณหลังจากถูบอลลูนบนมัน) ได้รับประจุมากเกินไปหรือขาดดุล (มากขึ้น หรืออิเล็กตรอนน้อยกว่าในสภาวะปกติ) จึงไม่เป็นกลางอีกต่อไปและสามารถสร้างสิ่งที่คุณเรียกว่าไฟฟ้าสถิตได้ ไฟฟ้า. ในทางตรงกันข้าม ไฟฟ้าธรรมดาคือ aการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องของประจุ (ในรูปของอิเล็กตรอนในกระแสไฟฟ้า) ในขณะที่ไฟฟ้าสถิตย์ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวจนกระทั่งค่าใช้จ่ายจะปรับสมดุลซึ่งกันและกัน - และอาจจะทำให้คุณได้รับความเสียหายอย่างมากในกระบวนการนี้!

โดยพื้นฐานแล้วไฟฟ้าสถิตขึ้นอยู่กับความไม่สมดุลระหว่างประจุบวกและประจุลบ แต่แท้จริงแล้ว มีเพียงอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เคลื่อนที่เพื่อสร้างความไม่สมดุลนี้

ในอะตอม โปรตอนจะถูกจับอย่างแน่นหนาในนิวเคลียส (พร้อมกับนิวตรอน) และทั้งสองอย่างนี้ หนักกว่าอิเลคตรอนที่มีประจุลบซึ่งอยู่ใน "ก้อนเมฆ" รอบด้านนอกของ. มาก นิวเคลียส.

เนื่องจากอนุภาคที่เบากว่าเหล่านี้อยู่ภายนอก เมื่อวัตถุหนึ่งสัมผัสกับอีกวัตถุหนึ่ง จึงเป็น อิเล็กตรอนที่สามารถถ่ายโอนระหว่างพวกมันและถูเข้าด้วยกันจะเพิ่มอัตราการประจุ สะสม ดังนั้น ถ้าวัตถุหยิบอิเล็กตรอนส่วนเกิน อิเล็กตรอนก็จะกลายเป็นประจุลบ ในขณะที่ถ้าสูญเสียอิเล็กตรอน ก็จะมีประจุบวก

วัสดุฉนวนเก็บประจุไฟฟ้าสถิตได้ดี ในขณะที่ตัวนำที่ดีจะคงประจุไฟฟ้าสถิตไว้เฉพาะในบางสถานการณ์เท่านั้น ตัวนำที่ให้อิเล็กตรอนพิเศษไม่มีประจุไฟฟ้าสถิตเพราะอิเล็กตรอนสามารถไหลได้อย่างอิสระทั่วทั้งวัสดุ (ซึ่งเป็นคำจำกัดความของตัวนำที่ดี)

ดังนั้น การสะสมของประจุใดๆ ก็ตามจะกระจายไปเร็วเกินไปจนทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตที่สังเกตได้ และสามารถถ่ายโอนไปยังวัตถุอื่นๆ ได้ เว้นแต่จะหุ้มฉนวนจากส่วนอื่นๆ ของสิ่งแวดล้อมโดยสมบูรณ์ เนื่องจากกระแสไม่สามารถไหลในฉนวนได้ การสะสมของไฟฟ้าสถิตจะสร้างความไม่สมดุลของประจุที่โดดเด่นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงสร้างไฟฟ้าสถิตย์

เพราะเหมือนประจุขับไล่ และประจุตรงข้ามดึงดูด เมื่อบางสิ่งมีประจุคงที่ มันจะเกาะติดกับสิ่งของที่มีประจุตรงข้าม และบางครั้งยังสามารถโพลาไรซ์อะตอมในวัตถุที่เป็นกลางและยึดติดกับมันเช่นกัน - วิธีที่บอลลูนเกาะติดกับผนังหลังจากที่คุณถูหัวของคุณ

หากประจุสะสมมีขนาดใหญ่พอและเกิดแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูงระหว่างพื้นผิวหรือวัตถุทั้งสอง ประจุสามารถกระโดดจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งได้ นี่คือเหตุผลที่คุณสามารถรับแรงกระแทกจากไฟฟ้าสถิตได้ หากคุณถูเท้าของคุณบนพื้นแล้วแตะลูกบิดประตู

มีตัวอย่างมากมายของไฟฟ้าสถิตย์ที่คุณจะพบในชีวิตประจำวัน แม้ว่าคุณจะไม่ได้นึกถึงบทบาทของประจุไฟฟ้าสถิตในการทำงานก็ตาม

ตัวอย่างหนึ่งที่พบบ่อยโดยเฉพาะคือการเกาะติดกับเสื้อผ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากใช้เครื่องอบผ้า ซึ่งช่วยรักษาสภาพที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ ไฟฟ้าสถิตย์ที่จะพัฒนา และยังเกี่ยวข้องกับเสื้อผ้าที่ถูกันและอาจหยิบอิเล็กตรอนพิเศษขึ้นมาบน ทาง. ไฟฟ้าสถิตที่ช็อตจากเสื้อผ้าที่ชาร์จด้วยวิธีนี้มีแนวโน้มที่จะค่อนข้างเล็ก แต่คุณยังคงสังเกตเห็นได้อย่างแน่นอนเมื่อคุณได้รับ!

เครื่องถ่ายเอกสารเป็นตัวอย่างที่ดีของการนำไฟฟ้าสถิตไปใช้ให้เกิดประโยชน์ แสงจ้าที่สแกนเอกสารจะสร้าง "เงา" ทางไฟฟ้าของภาพบนโฟโตคอนดักเตอร์ (เช่น ไวต่อแสง) และในขณะที่สายพานหมุน จะดึงอนุภาคผงหมึกที่มีประจุลบเนื่องจากไฟฟ้าสถิต ค่าใช้จ่าย

ข้างใต้นี้ แถบอีกเส้นหนึ่งนำกระดาษมาหนึ่งแผ่น ทำให้มีประจุไฟฟ้าสถิตที่เป็นบวกอย่างแรงในกระบวนการ เมื่อประจุลบจากผงหมึกพบกับประจุบวกบนกระดาษ ผงหมึกก็จะพิมพ์ออกมา ลงบนแผ่นกระดาษ ในรูปแบบเดียวกับเงาที่โฟโตคอนดักเตอร์หยิบขึ้นมา เข็มขัด.

อีกตัวอย่างหนึ่งควรนำคุณกลับไปที่ชั้นเรียนฟิสิกส์ที่โรงเรียน: เครื่องปั่นไฟ Van de Graaff และการสาธิตแบบคลาสสิกที่มีผู้สัมผัสทรงกลมมีผมที่ปลาย เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าสถิต โดยสายพานเคลื่อนที่จะวิ่งตามความยาวของอุปกรณ์และ "หวี" ที่เป็นโลหะสองอันเพื่อควบคุมประจุไฟฟ้าสถิต

หวีที่มีประจุบวกที่ด้านล่าง (เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ) ดึงอิเล็กตรอนออกจากสายพานทิ้งไว้ ด้วยประจุบวกสุทธิ และประจุนี้จะถูกหวีที่ด้านบนซึ่งแผ่ออกไปที่โดมขนาดใหญ่ที่ ด้านบน หากคุณสัมผัสโดมระหว่างการชาร์จ เส้นผมแต่ละเส้นของคุณจะรับประจุที่ตรงกันและผลักกัน ทำให้ผมทั้งสองข้างยืนขึ้น!

สายฟ้าเป็นการสาธิตที่น่าทึ่งมากเกี่ยวกับพลังของไฟฟ้าสถิต และเบนจามิน แฟรงคลินได้พิสูจน์สิ่งนี้ใน หนึ่งในการสาธิตทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดตลอดกาลโดยผูกกุญแจกับสายว่าวเปียกระหว่างพายุฝนฟ้าคะนอง

ในขณะที่มันเป็นตำนานที่จริงแล้วว่าวถูกสายฟ้าฟาด (ซึ่งน่าจะฆ่าแฟรงคลิน) สนามไฟฟ้าจาก พายุถูกเชือกดึงขึ้นมา ซึ่งเหมือนกับการสาธิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff แบบคลาสสิก ทำให้เกลียวของเกลียวยืน จบ. ในที่สุด แฟรงคลินก็สัมผัสกุญแจและสัมผัสได้ถึงแรงสั่นสะเทือน แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้ากับฟ้าผ่า

แน่นอน นักวิทยาศาสตร์ได้กรอกรายละเอียดเพิ่มเติมมากมายเกี่ยวกับกระบวนการตั้งแต่สมัยของเบนจามิน แฟรงคลิน เหมือนกับเสื้อผ้าที่ถูกันในเครื่องอบผ้าหรือลูกโป่งที่ถูกับผมของคุณ ประจุไฟฟ้าสถิต ที่สร้างฟ้าผ่ามาจากการเสียดสี และจากผลึกน้ำแข็งในอากาศเย็นกระทบกับละอองน้ำจากอากาศอุ่น มวล.

ประจุจะสะสมในที่ต่างๆ ในระบบคลาวด์ และเมื่อมีความแตกต่างใน. ​​สูงพอสมควร ศักย์ไฟฟ้าระหว่างสถานที่เหล่านี้ (เช่น ไฟฟ้าแรงสูงเพียงพอ) จะถูกปล่อยออกมาในรูปของ a สายฟ้า. มักจะเกิดขึ้นภายในเมฆหรือระหว่างเมฆสองก้อน แต่บางครั้งสายฟ้าก็จะกระทบพื้น

การสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากแรงเสียดทานและการเสียดสีเรียกว่า ผลกระทบไทรโบอิเล็กทริก และจากบทความนี้ คุณรู้อยู่แล้วว่ารายละเอียดว่าอะไรทำให้เกิดสิ่งนี้และ มันทำงานอย่างไร. วัตถุที่สัมผัสกันจะทำให้หนึ่งในนั้นรับอิเล็กตรอนส่วนเกิน (ทั้งหมด ที่มีประจุลบ) และอีกส่วนหนึ่งทำให้เกิดการขาดดุลของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงเป็นตาข่ายบวก ค่าใช้จ่าย

อย่างไรก็ตาม ระดับที่วัสดุต่าง ๆ รับประจุลบหรือสูญเสียอิเล็กตรอนและได้รับประจุบวกนั้นแตกต่างกันไปตามลักษณะของวัสดุ ในขณะที่ลูกถ้วยไฟฟ้าโดยทั่วไปจะเก็บประจุไฟฟ้าสถิตได้ดีกว่า แต่ลูกถ้วยไฟฟ้าที่ต่างกันจะเก็บได้ในอัตราที่ต่างกัน

ตัวอย่างเช่น ยางส่วนใหญ่ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเทฟลอน จะรับอิเล็กตรอนได้ง่ายมาก เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสาธิตและชิ้นส่วนของเทคโนโลยีที่ต้องอาศัยไฟฟ้าสถิต วัสดุแตกต่างกันไปตาม "อิเล็กโตรเนกาติวีตี้" ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนหรือแนวโน้มที่จะหยิบมันขึ้นมาจากวัตถุอื่น

ซีรีย์ไทรโบอิเล็กทริกจัดเรียงวัสดุที่แตกต่างกันตามความสามารถในการรับประจุไฟฟ้าสถิตที่เป็นบวกหรือลบ รายการที่วางอยู่ด้านบนของซีรีส์ไทรโบอิเล็กทริกมีแนวโน้มที่จะเก็บประจุบวก ในขณะที่ที่อยู่ด้านล่างมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอนและรับประจุลบเป็นa ผลลัพธ์. ยิ่งมีการแยกระหว่างสองรายการในซีรีย์ไทรโบอิเล็กทริกมากเท่าใด การถูพวกมันเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสถิตในทั้งสองรายการ

ในขณะที่การสาธิตไฟฟ้าสถิตส่วนใหญ่เป็นการแสดงที่สนุกสนานหรือความอยากรู้อยากเห็นเล็กน้อยที่คุณ ในชีวิตประจำวัน สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าไฟฟ้าสถิตที่ไม่ต้องการอาจมีอันตรายได้ ผลที่ตามมา

ตัวอย่างเช่น ประกายไฟเพียงจุดเดียวจากไฟฟ้าสถิตสามารถจุดไฟให้กับของเหลวหรือก๊าซที่ติดไฟได้ และอาจส่งผลให้เกิดการระเบิดได้ การสะสมของไฟฟ้าสถิตจากการเลื่อนบนเบาะรถของคุณอาจทำให้เกิดปัญหาได้เมื่อ when มาเติมน้ำมันแล้วจึงควรสัมผัสส่วนโลหะของรถก่อนเติม ขึ้น

แน่นอน,มากที่สุดในปัจจุบันไฟฟ้าสถิตเป็นเพียงปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ แต่การทำความเข้าใจวิธีการทำงานสามารถช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงภัยพิบัติในบางสถานการณ์ได้