ไฟฟ้าสถิต
การสำรวจทางไฟฟ้าสถิต
แปลและเรียบเรียงจากเรื่อง Electrostatic Exploration ของ Gay Stewart and Ditta Gallai จาก Science Scope February 1998 p.p.10-13 โดย ไพรัตน์ วรภักดี
พวกเราทุกคนมีความอยากรู้อยากเห็นตามธรรมชาติ โดยเฉพาะเด็กๆ อยากรู้จักโลกของเรา ปรากฎการณ์ของธรรมชาติทำให้เด็กเฝ้าติดตามและ ก่อให้เกิดความสนใจในธรรมชาติ และแรงจูงใจที่จะเรียนรู้วิชา วิทยาศาสตร์กายภาพ เราสามารถจะใช้วัสดุธรรมดาๆบางอย่าง สร้าง ปรากฎการณ์มากมายขึ้นในห้องเรียน เพื่อให้นักเรียนได้ศึกษา ครูควรอธิบายเชิงทฤษฎีให้นักเรียนหลังจากนักเรียนได้มีโอกาสค้นพบ กฎทางฟิสิกส์ด้วยตัวนักเรียนเอง นักเรียนควรได้รับการกระตุ้นให้ มีความคิดอย่างสร้างสรรค์ที่จะสนใจต่อวิชาวิทยาศาตร์กายภาพตลอดชีวิต ต่อไปนี้เป็นชุดการทดลองไฟฟ้าสถิตในรูปแบบของคู่มือกิจกรรมและใบงาน ปรากฎการณ์ทั้งหมดที่สังเกตได้เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันและประสบการณ์ ของนักเรียน จากการสังเกตของนักเรียน นักเรียนสามารถค้นพบกฎพื้นฐาน ของไฟฟ้าสถิต รวมทั้งชนิดของประจุไฟฟ้า กฎของคูลอมบ์ การแยกประจุไฟฟ้า เหนี่ยวนำ และการต่อสายดิน นักเรียนสามารถสำรวจว่า ทำไมเสื้อสเวทเตอร์ ของพวกเขาจึงทำให้เส้นผมของพวกเขาลุกชัน ทำไมเศษกระดาษชิ้นเล็กๆจึง ถูกแท่งพลาสติกดูดขึ้นมาได้และอื่นๆ อีกมากมาย

 

คำชี้แนะและคำอธิบาย
ระหว่างทำกิจกรรมไฟฟ้าสถิต นักเรียนจะใช้ผ้าทำให้แท่งพลาสติกมีประจุไฟฟ้า นักเรียนต้องปฏิบัติตามคำแนะนำในใบงานอย่างระมัดระวัง และให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดว่า ใช้ผ้าชิ้นใดทำให้แท่งพลาสติกแท่งใดมีประจุไฟฟ้า แท่งแก้ว (หรือในกรณีนี้ คือ แท่งพลาสติกที่ไม่แตก) ถูกับผ้าไหมหรือผ้าฝ้าย จะมีประจุบวกบนแท่งแก้วเสมอ หากถูกับผ้าสักหลาดหรือผ้าขนสัตว์จะมีประจุลบบนแท่งแก้ว ดังนั้น ถ้านักเรียนใช้ผ้าผิดในการถูแท่งแก้วอาจทำให้เกิดประจุบวก และอาจทำให้เกิดการค้นพบกฎฟิสิกส์ใหม่ๆ
การถูให้เกิดประจุไฟฟ้า ใช้ผ้าหุ้มแท่งวัตถุ แล้วจับผ้าให้แน่น ขยับผ้าหรือวัตถุให้เคลื่อนที่ วัตถุกับผ้าจะเสียดสีกันทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบนแท่งวัตถุได้
ให้นักเรียนตระหนักว่า วัตถุตรงส่วนที่ถูกับผ้าเท่านั้นที่จะมีประจุไฟ้ฟ้า ถ้ามือแตะวัตถุบริเวณที่มีประจุไฟฟ้า จะมีการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างแท่งวัตถุกับมือ ผลที่เกิดตามมาคือ แท่งวัตถุจะเป็นกลางทางไฟฟ้า
ถ้าผ้าที่ใช้ถูมีความชื้น ประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะถ่ายเทกับมือที่จับผ้า ทำให้ไม่มีประจุไฟฟ้าบนแท่งวัตถุ
ถ้าต้องการให้ประจุไฟฟ้าบนแท่งวัตถุหมดไป ให้ใช้มือแตะบริเวณที่มีประจุไฟฟ้า
แท่งวัตถุที่ใช้จะต้องสะอาด ถ้าสกปรก จะต้องนำไปทำความสะอาดก่อน เช่น ล้างน้ำด้วยผงซักฟอก แล้วเช็ดให้แห้ง แท่งวัตถุที่สะอาดจะเกิดประจุไฟฟ้าได้ดี
ความชื้นเป็นปัญหาในการทดลอง วัตถุจะสูญเสียประจุไฟฟ้าได้รวดเร็วขณะอากาศมีความชื้น ในช่วงเวลาที่อากาศมีความชื้นสูง ใช้เครื่องเป่าผมหรือเครื่องทำความร้อนเป่าแท่งวัตถุ เพื่อไม่ให้แท่งวัตถุชื้นเมื่อทำการทดลอง

 

แท่งพลาสติกวิเศษ
คำนำ
นักเรียนคงมีประสบการณ์สนุกๆเกี่ยวกับผมของนักเรียนขณะที่ถอดเสื้อกันหนาวผมอาจถูกดูดติดกับเสื้อกันหนาว หรือตั้งชัน เราจะมาสำรวจความวิเศษนี้ และลองอธิบายว่าอะไรเกิดขึ้น นักเรียนจะเห็นสิ่งมหัศจรรย์ต่างๆ มากมาย ซึ่งเกี่ยวข้องกับปรากฎการณ์นี้ ถ้าถูวัตถุบางสิ่งด้วยกัน วัตถุเหล่านั้นจะปรากฎสมบัติพิเศษขึ้น

วัสดุ (สำหรับหนึ่งกลุ่มประกอบด้วยนักเรียน 3 คน)
ลูกโป่งเป่าลมให้พองใหญ่พอเหมาะ แล้วรัดปากลูกโป่งด้วยหนังยาง
แท่งพลาสติกสีขาว 2 แท่ง หรือแท่งพีวีซี (PVC) 2 แท่ง ยาวประมาณ 40 เซนติเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1.25 เซนติเมตร
แท่งแก้ว 2 แท่ง หรือแท่งพลาสติกใส 2 แท่ง (ขนาดเดียวกับแท่งพลาสติกสีขาว)
ถุงพลาสติก
ผ้าสักหลาด (หรือผ้าขนสัตว์) รูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 30cm x30cm จำนวน 2 ผืน
ผ้าฝ้าย (หรือผ้าไหม) รูปสี่เหลี่ยมจตุรัสขนาด 30cm x 30cm จำนวน 2 ผืน
กระป๋องน้ำอัดลม
ขาตั้ง
เศษกระดาษชิ้นเล็กๆ 10 ชิ้น

 

วิธีทำกิจกรรม
1. ถูลูกโป่งด้วยถุงพลาสติก โดยถูที่ผิวบริเวณเดิมทุกครั้ง ให้ผิวลูกโป่งที่ถูกถูเข้าใกล้ผมของเพื่อน สังเกตว่าเกิดอะไรขึ้น
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

2. วางเศษกระดาษลงบนโต๊ะ ให้ผิวลูกโป่งที่ถูกถูเข้าใกล้เศษกระดาษเกิดอะไรขึ้น
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

3. ถูปลายหนึ่งของแท่งพลาสติกสีขาวกับผ้าสักหลาดใช้เชือกเส้นเล็กๆ ผูกกลางแท่งแล้วนำไปแขวน ไว้กับขาตั้ง ถูแท่งพลาสติกสีขาวอีกแท่งหนึ่งกับผ้าสักหลาด นำปลายที่ถูเข้าใกล้ปลายที่ถูกถูเช่น กันของแท่งพลาสติกสีขาวอีกแท่งหนึ่งที่แขวนอยู่กับขาตั้ง
ก. สังเกตเห็นอะไรบ้าง
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

ข. ผลที่เกิดขึ้นแตกต่างกันหรือไม่ ถ้านำแท่งพลาสติกสีขาวออกห่างจากแท่งพลาสติกสีขาว แท่งที่แขวนไว้
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

4. ทำการทดลองซ้ำแต่เปลี่ยนเป็นแท่งพลาสติกใส 2 แท่งกับผ้าฝ้าย สังเกตเห็นอะไร
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

5. ถูแท่งพลาสติกสีขาวกับผ้าสักหลาด แล้วแขวนกับขาตั้ง จากนั้นถูแท่งพลาสติกใสกับผ้าฝ้ายนำ ปลายแท่งพลาสติกที่ถูกถูทั้งสองแท่งมาใกล้กัน ผลที่เกิดขึ้นต่างจากการทดลองข้อ 3 และ 4 หรือไม่
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

เมื่อนักเรียนถูแท่งพลาสติกสีขาวหรือแท่งพลาสติกใสกับผ้าสักหลาดหรือผ้าฝ้าย จะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่แท่งพลาสติกทั้งสองชนิด กล่าวได้ว่ามีประจุไฟฟ้าบนแท่งพลาสติก ประจุไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ ประจุบวก และประจุลบ แท่งพลาสติกสีขาว และแท่งพลาสติกใสจะมีประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันแท่งพลาสติกสีขาวจะมีประจุลบ และแท่งพลาสติกใสจะมีประจุบวก

6. ถ้าเราย้อนกลับไปพิจารณาผลของการทดลอง นักเรียนจะบอกอะไรได้บ้าง ซึ่งเกี่ยวข้องกับประจุ ให้วงรอบคำตอบที่ถูกต้อง
ก. ประจุเหมือนกัน ดูด หรือ ผลัก กัน
ข. ประจุต่างกัน ดูด หรือ ผลัก กัน

7. พิจารณาชนิดของประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนลูกโป่ง
ก. ถูปลายหนึ่งของแท่งพลาสติกสีขาวด้วยผ้าสักหลาด แล้วนำไปแขวนกับขาตั้ง ถูลูกโป่งกับถุงพลาสติก แล้วนำลูกโป่งไปใกล้ปลายแท่งพลาสติกสีขาวที่ถูด้วยผ้าสักหลาด เกิดอะไรขึ้น

แท่งพลาสติกสีขาวจะดูด หรือ ผลัก กับลูกโป่ง

ข. ถูปลายแท่งพลาสติกใสกับผ้าฝ้ายแล้วแขวนกับขาตั้ง นำถุงพลาสติกด้านที่มีประจุไฟฟ้าเข้าใกล้ปลายแท่งพลาสติก ผลที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร

แท่งพลาสติกใส ดูด หรือ ผลัก กับลูกโป่ง

ค. ลูกโป่งมีประจุไฟฟ้าชนิดใด

8. ถูปลายแท่งพลาสติกสีขาวกับผ้าสักหลาด แล้วแขวนกับขาตั้ง ถูลูกโป่งกับถุงพลาสติก นำถุง พลาสติกด้านที่ถูกับลูกโป่งเข้าใกล้ปลายแท่งพลาสติกสีขาว เกิดอะไรขึ้น
ก. แรงกระทำระหว่างแท่งพลาสติกสีขาวกับถุงพลาสติกเป็น แรงดูด หรือ แรงผลัก
ข. ถุงพลาสติกมีประจุไฟฟ้าบวก หรือ ลบ

ขณะถูลูกโป่งกับถุงพลาสติก จะเกิดประจุไฟฟ้า 2 ชนิด แยกจากกันประจุชนิดหนึ่งจะอยู่ที่ผิวลูกโป่ง อีกชนิดหนึ่งจะอยู่ที่ผิวถุงพลาสติก ถ้ามีประจุ 2 ชนิด จำนวนเท่ากันอยู่บนวัตถุ จะไม่เกิดปรากฎการณ์ที่สังเกตเห็นจากการทดลอง เรากล่าวว่าวัตถุที่มีประจุ 2 ชนิด จำนวนเท่ากันเป็น กลาง ทางไฟฟ้า ประจุทุกชนิดสามารถมีอยู่บนวัตถุทุกก้อน แต่ประจุบวกและลบเมื่ออยู่ด้วยกันวัตถุจะไม่แสดงปรากฎการณ์ดังกล่าว เพราะวัตถุจะเป็นกลาง เมื่อเราทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า เราไม่ได้สร้างประจุไฟฟ้าขึ้นมาใหม่ เราเพียงแต่เคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้าจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง เช่น จากแท่งพลาสติกไปยังผ้า
9. วางกระป๋องน้ำอัดลมบนด้านหนึ่งของโต๊ะ ถูปลายแท่งพลาสติกสีขาวกับผ้าสักหลาด ปลายแท่ง พลาสติกสีขาวจะเกิดประจุไฟฟ้าลบ นำปลายแท่งพลาสติกขาวเข้าใกล้กระป๋องน้ำอัดลม นักเรียนสามารถกลิ้งกระป๋องน้ำอัดลมไปอีกด้านหนึ่งของโต๊ะโดยไม่แตะต้องกระป๋องได้หรือไม่ บันทึกผลที่สังเกตได้
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

แรงระหว่างกระป๋องน้ำอัดลม และแท่งพลาสติกสีขาวเป็นแรงดูดหรือแรงผลัก กระป๋องน้ำอัดลมทำด้วยโลหะ ซึ่งมีสมบัติทางไฟฟ้าต่างกับแท่งพลาสติก แม้ว่ากระป๋องมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า (มีประจุบวก และประจุลบเท่ากัน) แต่ประจุไฟฟ้าบนพลาสติก ซึ่งอยู่ใกล้กระป๋องน้ำอัดลมจะมีผลกระทบต่อกระป๋องน้ำอัดลม ประจุไฟฟ้ามีอิสระที่จะเคลื่อนที่ในวัตถุที่เป็นโลหะ นักเรียนสามารถคาดคะเนได้หรือไม่ว่าเกิดอะไรขึ้นในกระป๋องน้ำอัดลมจงอธิบาย
      .............................................................................................................................................................................
      .............................................................................................................................................................................

ประจุไฟฟ้าลบบนแท่งพลาสติกสีขาวจะผลักประจุไฟฟ้าลบบนกระป๋องน้ำอัดลมให้เคลื่อนที่ไกลออกไปอีกด้านหนึ่งของกระป๋อง ประจุไฟฟ้าบวกบนกระป๋องน้ำอัดลมจะอยู่ใกล้ประจุบลบบนแท่งพลาสติกสีขาว เพราะมีแรงดึงดูดระหว่างประจุบวกและประจุลบ แรงระหว่างประจุไฟฟ้าจะมีค่าน้อยลง ถ้าระยะห่างระหว่างประจุเพิ่มขึ้น ดังนั้นแรงดึงดูดระหว่างประจุที่ต่างชนิดกันจึงมีค่ามากกว่า แรงผลักระหว่างประจุชนิดเดียวกัน ดังนั้นกระป๋องโซดาจึงถูกดึงดูดโดยแท่งพลาสติกสีขาว

10. ถึงเวลาที่จะหาคำตอบว่า ทำไมลูกโป่งจึงดูดผมและกระดาษชิ้นเล็กๆ แขวนแท่งพลาสติกสีขาวที่ ไม่มีประจุไฟฟ้า (หรือแท่งพลาสติกใส) กับขาตั้ง นำแท่งพลาสติกสีขาวอีกแท่งหนึ่งถูกับผ้า สักหลาด แล้วนำปลายที่ถูเข้าใกล้ปลายของแท่งพลาสติกสีขาวที่แขวน นักเรียนสังเกตเห็นอะไร

ก. แท่งพลาสติกทั้งสองดูด หรือ ผลัก กัน นำแท่งพลาสติกใสมาถูกับผ้าฝ้าย แล้วนำปลายที่ถูเข้าใกล้ปลายของแท่งพลาสติกสีขาวที่ไม่มีประจุไฟฟ้าซึ่งแขวนอยู่ สังเกตเห็นอะไร

ข. แท่งพลาสติกทั้งสองดูด หรือ ผลักกัน ไม่ว่านักเรียนจะใช้แท่งพลาสติกชนิดใด ผลที่เกิดขึ้นจะเหมือนกัน วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะดูดวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

โมเลกุลของวัตถุในสภาพปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่โมเลกุลของแท่งวัตถุจะไม่เป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อมีวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าอยู่ใกล้ ในกรณีลูกโป่งดูดเส้นผม ถ้าประจุไฟฟ้าบนลูกโป่งเป็นประจุลบ ขณะอยู่ใกล้เส้นผมจะทำให้โมเลกุลของเส้นผมไม่เป็นกลางทางไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าลบจะหลุดจากโมเลกุล เป็นเหตุให้ผิวของเส้นผมที่อยู่ใกล้ลูกโป่งมีประจุไฟฟ้าบวก ส่วนประจุลบไปอยู่ทางผิวเส้นผมที่ไกลออกไป จากความรู้เรื่องแรงระหว่างประจุไฟฟ้า แรงระหว่างประจุไฟฟ้าขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้า ดังนั้นแรงดึงดูดระหว่างประจุลบกับประจุบวกจะมีค่ามากกว่าแรงผลักระหว่างประจุลบกับประจุลบ เส้นผมจึงถูกลูกโป่งดูดขึ้นมาได้
ถ้าประจุไฟฟ้าบนลูกโป่งเป็นบวก เมื่อนำมาใกล้เส้นผม ประจุลบบนเส้นผมจะอยู่ใกล้ลูกโป่ง ส่วนประจุบวกบนเส้นผมจะอยู่ไกลออกไป ทำให้แรงดูดระหว่างประจุไฟฟ้ามีค่ามากกว่าแรงผลัก เส้นผมจึงถูกดูดติดลูกโป่ง
มันไม่ใช่สิ่งลึกลับมันคือ ฟิสิกส์
ที่มา.  http://www.ipst.ac.th/article/science-m/science-m20.htmlิ