ไฟฟ้าสถิต - pccchon
TRANSCRIPT
เมอน าวตถ 2 ชนด มาถกน แลวน าไปใกลเศษกระดาษชนเลกๆ พบวา วตถนนสามารถดดเศษกระดาษขนมาได แสดงวามแรงกระท าตอเศษกระดาษเหลานน
ตวการทท าใหเกดแรงคอ ประจไฟฟา แรงทเกดขนนเรยกวา แรงระหวางประจไฟฟา
เมอวตถนนหมดอ านาจไฟฟาแลวเรยกวตถนนวา เปนกลางทางไฟฟา
ประจไฟฟา (Electric Charge)
2
เบนจามน แฟรงคลน นกวทยาศาสตรชาวอเมรกนพบวาประจไฟฟาทเกดขนม 2 ชนด เทานน เรยกวา
ประจไฟฟา (+) และ ประจไฟฟาลบ (-)
ประจไฟฟา (Electric Charge)
3
แรงทเกดขนระหวางประจไฟฟาจะม 2 ชนด คอ แรงดด และ แรงผลก ซงมกฎวา1. ประจไฟฟาชนดเดยวกนจะผลกกน2. ประจไฟฟาตางชนดกนจะดดกน3. แรงผลกและแรงดดนจะเปนแรงค กรยา – ปฏกรยากน4. วตถทมประจไฟฟาจะดดวตถทเปนกลางเสมอ
แรงทางไฟฟาประจไฟฟา (Electric Charge)
5
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)
6
• Charles Augustin de Columb (1736-1806) ศกษาพฤตกรรมของประจ พบวา
ส าหรบจดประจ ขนาดของแรงระหวางจดประจ 2 ประจ เปนสดสวนโดยตรงกบผลคณของประจทงสอง และเปนสดสวนผกผนกบก าลงสองของระยะระหวางประจทงสอง
7
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)
𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 =1
4𝜋𝜀0= 8.987551787× 109 𝑁.𝑚2/𝐶2
≅ 8.988 × 109 𝑁.𝑚2/𝐶2
𝜀0 เรยกวา สภาพยอมทางสญญากาศ (permittivity of free space) มคาเทากบ 8.85 × 10−12𝐶2/𝑁.𝑚2
𝐹 =𝑘 𝑞1𝑞2
𝑟2
𝐹 ∝ 𝑞1𝑞2
𝐹 ∝1
𝑟2
สนใจเฉพาะขนาดขนอยกบชนดของตวกลาง
8
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)แรงไฟฟาในรปเวกเตอร
𝑟12 คอ เวกเตอรหนงหนวยชจาก𝑞1 ไป 𝑞2
ถามหลายประจ (ใชหลกการซอนทบ : Superposition )เชน มประจ 𝑞1, 𝑞2, 𝑞3, … , 𝑞𝑛
ดงนน 𝐹1 = 𝐹12+ 𝐹13+...+ 𝐹𝑛
𝐹1 = ?
บวกแบบเวกเตอร
𝐹1 =
𝑖=2
𝑛
𝐹1𝑖
𝐹12 =𝑘𝑞1𝑞2
𝑟122 𝑟12
𝐹12 คอ แรงทประจ 𝑞1กระท าตอประจ 𝑞2
9
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)อะตอมของไฮโดรเจนประกอบดวยอเลกตรอน 1 ตว ทมมวล 9.1094 × 10−31𝑘𝑔 เคลอนทรอบนวเคลยสทมโปรตอนเพยง 1 ตว ซงมมวล 1.6726 × 10−27𝑘𝑔 โดยอยหางกนเปนระยะทางเฉลย 0.53 × 10−10𝑚 จงค านวณอตราสวนของแรงไฟฟา 𝐹𝐸
ตอแรงโนมถวง 𝐹𝐺 ทกระท าตออนภาคทงสอง
Example 1
12
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)ประจ 2 ตววางบนแกน 𝑥 ประจ 𝑞1 = 1.0 𝑛𝐶 ท 𝑥 = 2.0 𝑐𝑚
และประจ 𝑞2 = −3.0 𝑛𝐶 ท 𝑥 = 4.0 𝑐𝑚 แรงทกระท าตอประจ 𝑞3 = 5.0 𝑛𝐶 ท origin เปนเทาใด
Example 2
14
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)ประจ 2 ตวขนาดเทากน 𝑞1 = 𝑞2 = 2.0 µC วางทพกด x = 0, y = 0.30 m และ x = 0, y = -0.30 m ตามล าดบแรงทกระท าตอประจ Q = 4.0 µC ท x = 0.4 cm, y = 0
เปนเทาใด
Example 3
15
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)เฉลย
แรงเนองจากประจ 𝑞1 ท ามม 𝛼 ใตแกน 𝑥
แรงเนองจากประจ 𝑞1 มขนาดเทากนแตท ามม 𝛼 เหนอแกน 𝑥 ดงนน แรงทงหมดทกระท าตอ Q
16
สนามไฟฟา (Electric Field)พจารณาแรงทางไฟฟาทกระท ากบประจทดสอบ 𝑞0
ประจไฟฟาท A ท าใหเกดสนามไฟฟา เปน
นยาม : แรงตอประจทดสอบ
17
สนามไฟฟา (Electric Field)สนามไฟฟาเนองจากประจ 𝑄 ท าใหเกดแรงไฟฟา เมอน าประจทดสอบ 𝑞0 มาวางในสนามไฟฟา
19
สนามไฟฟา (Electric Field)• เมอวางประจทดสอบ 𝑞0 ในสนามไฟฟาของจดประจ แรงไฟฟาทเกดขน
จะมทศทางในแนวเสนตรงทเชอมระหวางจดประจและประจทดสอบ
; 𝐸 =𝑘𝑞
𝑟2
20
สนามไฟฟา (Electric Field)- ในพกด 3 มต ทศทางของเวกเตอรหนงหนวย คอ เสนทพงออกจากจากจดศนยกลางทมจดประจนน - สนามไฟฟามทศพงออกจากจดประจบวก และ มทศพงเขาหาจดประจลบ
Electric Field Line : เสนแรงไฟฟา
ทศของลกศร : บอกทศของ 𝐸 , ความหนาแนนของจ านวนเสน : บอกขนาดของ 𝐸
21
Example 4
สนามไฟฟา (Electric Field)จงหาสนามไฟฟาเนองจากจดประจ 𝑞= 4.0 𝑛𝐶 ทระยะ 2.0 𝑚
เราอาจทดสอบโดยน าประจ 𝑞0 มาวางหางประจ 𝑞 ทระยะ 2.0 m
22
Example 5
สนามไฟฟา (Electric Field)
จงหาสนามไฟฟาเนองจากจดประจซงวาง ท origin 𝑞 = −8.0 𝑛𝐶 ทต าแหนง 𝑥 = 1.2 𝑚 และ 𝑦 = −1.6 𝑚
24
สนามไฟฟา (Electric Field) ในกรณทบรเวณทเราสนใจมประจอยหลายตว เราสามารถค านวณสนามไฟฟาและแรงไฟฟา
ไดจากจดประจแตละตว ปรมาณสนามไฟฟาและแรงไฟฟาสทธ คอ ผลรวมทางเวกเตอรของสนามไฟฟาและแรงไฟฟา
ทงหมด
𝐸 = 𝐸1 + 𝐸2 + 𝐸3 + ⋯+ 𝐸𝑛
25
Example 6
สนามไฟฟา (Electric Field)จากรป 𝑞1 = +12 𝑛𝐶 และ 𝑞2 = −12 𝑛𝐶 จงหาสนามไฟฟา ทต าแหนง a , b และ c โดยท c อยระหวางกลางของ 𝑞1 และ 𝑞2
28
สนามไฟฟา (Electric Field)เฉลย ทต าแหนง c : 𝐸1 , 𝐸2 ทศทางตามรป และขนาดของ 𝐸1 และ 𝐸2 เทากน
ในทศทางทางแกน y : 𝐸1 , 𝐸2 สมมาตรกน ท าใหผลรวมเปนศนย
29
สนามไฟฟา (Electric Field)
กรณตนก าเนดสนามเปนกอนประจ
∆𝐸 =𝑘∆𝑞
𝑟2 𝑟
𝐸 =
𝑖
∆𝐸
𝐸 = 𝑘
𝑖
∆𝑞
𝑟𝑖2 𝑟𝑖
𝐸 = 𝑘 lim∆𝑞𝑖→0
𝑖
∆𝑞
𝑟𝑖2 𝑟𝑖
𝐸 = 𝑘 𝑑𝑞
𝑟2 𝑟
30
สนามไฟฟา (Electric Field)
@ ถาประจกระจายตวอยางสม าเสมอเปนเสนตรงยาว 𝑙
ความหนาแนนประจเชงเสน λ คอ λ=𝑞
𝑙(𝑐/𝑚)
@ ถาประจกระจายตวอยางสม าเสมอบนพนผว 𝐴
ความหนาแนนประจเชงผว 𝜎 คอ σ =𝑞
𝐴(𝑐/𝑚2)
@ ถาประจกระจายตวอยางสม าเสมอในปรมาตร 𝑉
ความหนาแนนประจเชงผว 𝜌 คอ 𝜌 =𝑞
𝑉(𝑐/𝑚3)
ในการอนทเกรต ตลอดทวทงบรเวณทมประจกระจายอย โดยใชสมการขางตนจ าเปนตองพจารณารปแบบการกระจายตวใหเหมาะสม
31
Example 7
สนามไฟฟา (Electric Field)หวงโลหะ รศม a มประจ Q กระจายสม าเสมอ จงหา สนามไฟฟา ทต าแหนง P ซงวางบนแกนทตงฉากกบระนาบหวงโลหะ
32
สนามไฟฟา (Electric Field)เฉลย
วางหวงโลหะใหต าแหนง P วางบนแกน xสนามไฟฟาทเกดจากจดประจเลกๆ dQ คอ
สนามไฟฟาทเกดจากจดประจเลกๆ dQ จะมจดหนงทท าใหสนามไฟฟาดาน y รวมกนเปนศนย ท าใหเหลอเฉพาะสนามไฟฟาดาน x
สนามไฟฟาทงหมด คอ สนามไฟฟารวมทเกดประจ dQ ทงหมดรวมกน
33
พฒนาขนโดยนกฟสกสและคณตศาสตรชาวเยอรมนชอ Carl Friedrich Gauss, ค.ศ. 1777-1855
กฎนเปนความสมพนธระหวางสนามไฟฟากบประจตนก าเนดสนาม ซงท าใหบางปญหาโดยเฉพาะทสนามไฟฟามสมมาตร สามารถหาสนามไฟฟาไดงายขนกวาการใชกฎของคลอมบ
กฎของเกาสเกดขนจากการพจารณาเสนสนามไฟฟาทผานผวใดๆ ท าใหเกด ปรมาณใหมทเรยกวา ฟลกซไฟฟา (electric flux)
โดยเนนไปทฟลกซไฟฟาทผานผวปดซงคลมประจตนก าเนดสนาม
สนามไฟฟา (Electric Field)
37
นยาม Electric Flux คอ ปรมาณเสนแรงไฟฟาทพงผานพนทในแนวตงฉาก
∅𝐸 = 𝐸 ∙ 𝐴
𝐴 = 𝐴 𝑛
สนามไฟฟา (Electric Field)
38
ฟลกซไฟฟาบนผวทมรปรางใดๆ
∆∅𝐸 = 𝐸𝑖∆𝐴𝑖 𝑐𝑜𝑠 𝜃 = 𝐸𝑖 ∙ ∆ 𝐴𝑖
∅𝐸 = 𝐸𝑖 ∙ ∆ 𝐴𝑖
∅𝐸 = 𝑙𝑖𝑚∆ 𝐴𝑖→0
𝐸𝑖 ∙ ∆ 𝐴𝑖 = 𝐸 ∙ 𝑑 𝐴
สนามไฟฟา (Electric Field)
39
ฟลกซไฟฟาบนผวปด
∅𝐸 = 𝐸 ∙ 𝑑 𝐴
ฟลกซ ไฟฟาสทธทผานผวปดสามารถพจารณาไดจากจ านวนเสนสนามไฟฟาสทธทผานเขาและออกจากผวนน
สนามไฟฟา (Electric Field)
40
ส าหรบสนามไฟฟาเนองจากจดประจ q ทรศม R รอบจดประจ
ฟลกซไฟฟาสทธทผานผวปดรปทรงกลมขนอยกบประจภายในผวปดเทานน โดยไมขนอยกบรศม r
สนามไฟฟา (Electric Field)
47
งานทแรงไฟฟากระท าในการเคลอนทประจ +Q จาก A ไป B ภายใตสนามไฟฟาของจดประจ +q
𝐹 = 𝑄𝐸
𝐸 =𝑘𝑞
𝑟2 . 𝑟
𝑑 𝑠
𝑊𝐴→𝐵 = −𝑄 𝐴
𝐵 𝑘𝑞
𝑟2. 𝑟. 𝑑 𝑠
ดงออกไมไดเนองจาก 𝑟 เปลยนไปเรอยๆตามต าแหนงทเปลยนไปของ Q
𝑊𝐴→𝐵 = −𝑘𝑄𝑞 𝐴
𝐵 𝑟
𝑟2. 𝑑 𝑠
𝑊𝐴→𝐵 = −𝑘𝑄𝑞 𝐴
𝐵 1
𝑟2 . 𝑑𝑟
𝑑 𝑠𝑑𝑟
𝑑𝑟𝑄
𝑐𝑜𝑠𝜃 =𝑑𝑟
𝑑𝑠
𝑟. 𝑑 𝑠 = 𝑑𝑠𝑐𝑜𝑠𝜃
= 𝑑𝑟
𝜃
𝑊𝐴→𝐵 = − 𝐴
𝐵
𝑄𝐸. 𝑑 𝑠
𝑊𝐴→𝐵 = 𝐴
𝐵
− 𝐹𝑒𝑥𝑡. 𝑑 𝑠
48
𝑊𝐴→𝐵 = −𝑘𝑄𝑞1
−𝑟 𝐴
𝐵
; 𝑢𝑛𝑑𝑢 =𝑢𝑛+1
𝑛 + 1
𝑊𝐴→𝐵 = −𝑘𝑄𝑞1
−𝑟𝐵−
1
−𝑟𝐴
𝑊𝐴→𝐵 = −𝑘𝑄𝑞 −1
𝑟𝐵+
1
𝑟𝐴
𝑊𝐴→𝐵 =𝑘𝑄𝑞
𝑟𝐵−
𝑘𝑄𝑞
𝑟𝐴
จะเหนวางานทท าเพอเคลอนประจ Q จาก A ไป B ไมขนกบแนวทางการเคลอนท แตจะขนกบต าแหนงของจด A และ B เทานน ดงนนแรงไฟฟาจงเปนแรงอนรกษ
𝐸𝑃 = พลงงานศกยไฟฟา
𝑊𝑒𝑥𝑡,𝐴→𝐵 = (𝐸𝑃)𝐵 − (𝐸𝑃)𝐴
𝑊𝑒𝑥𝑡,𝐴→𝐵 = ∆𝐸𝑃
50
พลงงานศกยไฟฟาของระบบประจ หาไดจากงานทงหมดทท าในการน าประจทงหมดใหมาอยใกลกน เปนระบบประจไฟฟา ตามรป 13.16 (ข) คอ
𝐸𝑃 =𝑘𝑞1𝑞2
𝑟12+
𝑘𝑞1𝑞3
𝑟13+
𝑘𝑞2𝑞3
𝑟23
𝐸𝑃 = 𝑘𝑞𝑖𝑞𝑗
𝑟𝑖𝑗ทกค
53
𝑊𝐴→𝐵 = − 𝐴
𝐵
𝑄𝐸. 𝑑 𝑠
นยาม งานในการเคลอนทประจทดสอบ +1𝐶 (𝑞) ภายใตสนามไฟฟา 𝐸ในระยะทางใดๆ (งานตอหนงหนวยประจทดสอบ)
จาก
ศกยไฟฟา (Electric Potential : V)
𝑊𝐴→𝐵 =𝑘𝑄𝑞
𝑟𝐵−
𝑘𝑄𝑞
𝑟𝐴
𝑊𝐴→𝐵 = 𝑄𝑘𝑞
𝑟𝐵−
𝑘𝑞
𝑟𝐴
จะไดวา 𝑊𝐴→𝐵
𝑄=
𝑘𝑞
𝑟𝐵−
𝑘𝑞
𝑟𝐴= −
𝐴
𝐵
𝐸. 𝑑 𝑠 𝐽/𝐶 หรอ 𝑉𝑜𝑙𝑡 ∶ 𝑉
𝑉𝐵 − 𝑉𝐴 = ∆𝑉
𝑉𝐵
54
𝑉𝐴 𝑉𝐵
Potential∆𝑉 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐴
;𝑊𝐴→𝐵 =𝑘𝑄𝑞
𝑟𝐵V =
𝑊𝐴→𝐵
𝑄=
𝑘𝑞𝑟
เทยบกบ ground เรยกวา ศกยไฟฟาเนองจากจดประจ
58
Example 11
ศกยไฟฟา (Electric Potential)วงแหวนกลมรศม a มประจสทธ Q กระจายตวอยางสม าเสมอ ศกยไฟฟาทจด P ซงหางจากจดศนยกลางในแนวตงฉากกบระนาบของวงกลมเปนระยะ x มขนาดเทาไร
59
เฉลยศกยไฟฟา (Electric Potential)
วงแหวนกลมรศม a มประจสทธ Q กระจายตวอยางสม าเสมอ ศกยไฟฟาทจด P ซงหางจากจดศนยกลางในแนวตงฉากกบระนาบของวงกลมเปนระยะ x มขนาดเทาไร
𝑉 = 𝑑𝑉 = 𝑘𝑑𝑞
𝑟
𝑉 =𝑘
𝑟 𝑑𝑞
𝑉 =𝑘𝑄
𝑟
𝑉 =𝑘𝑄
𝑥2 + 𝑎2
62
Example 13
ศกยไฟฟา (Electric Potential)จงค านวณศกยไฟฟา ณ จดหนงบนแกนของแผนจานวงกลมมประจไฟฟาสม าเสมอและความหนาแนนประจตามผว คอ 𝜎ดงรป
65
ตวเกบประจ (Capacitor)ตวเกบประจหรอคาปาซเตอร Capacitor ; C เปนอปกรณทางอเลกทรอนกส
ชนดหนง ซงสามารถเกบสะสมประจไฟฟาและพลงงานศกยไฟฟาไวภายในตวในรปของสนามไฟฟา และสามารถปลดปลอยประจออกมาในรปของกระแสไฟฟาได
ภาพท 1 โครงสรางและสญลกษณของตวเกบประจทมา : httP://www.pattayatech.ac.th
68
ตวเกบประจ (Capacitor)
คาความจของตวเกบประจ
คาความจ (Capacitance) ของตวเกบประจ คอ อตราสวนระหวางขนาดของประจทงหมดบนตวน ากบความตางศกยระหวางตวน าทงสองนน
𝐶 =𝑄
𝑉มหนวยเปน 𝐶/𝑉 หรอ ฟารด 𝐹
69
Ex. ทรงกลมกลวงบางมาก 2 อนซอนกน ดงรป จงหาคาความจของตวเกบประจน
𝐶 =𝑄
∆𝑉
สญญากาศ
จาก
∆𝑉 = 𝑉𝑏 − 𝑉𝑎 = − 𝑎
𝑏𝐸. 𝑑 𝑟
∆𝑉 = − 𝑎
𝑏 𝑘𝑄
𝑟2𝑑𝑟 = −𝑘𝑄
𝑎
𝑏 1
𝑟2𝑑𝑟
= −𝑘𝑄 −1
𝑟 𝑎
𝑏
= 𝑘𝑄1
𝑏−
1
𝑎
∆𝑉 = 𝑘𝑄𝑎 − 𝑏
𝑎𝑏
70
∴ 𝐶 =𝑄
𝑘𝑄𝑎 − 𝑏𝑎𝑏
=1
𝑘
𝑎𝑏
𝑎 − 𝑏
=1
𝑘
𝑎𝑏
𝑏 − 𝑎
หากตวน าทรงกลมรศม 𝑏 มคาใหญมากๆ หรอ 𝑏 → ∞
𝐶 = lim𝑏→∞
1
𝑘
𝑎𝑏
𝑏 − 𝑎=
𝑎
𝑘= 4𝜋𝜀0𝑎
Capacitance ของตวน าทรงกลมรศม a
71
Ex. ตวเกบประจแบบแผนโลหะคขนาน
𝐶 =𝑄
∆𝑉จาก
∆𝑉 = 𝐸 𝑑สนามไฟฟาจากตวน าแผนเดยว
𝐸 =𝜎
2𝜀0
สนามไฟฟาจากตวน าแผนคขนาน
𝐸 =𝜎
𝜀0
∆𝑉 =𝜎𝑑
𝜀0
=𝑄𝑑
𝐴𝜀0
∴ 𝐶 =𝑄
∆𝑉= Q
𝐴𝜀0𝑄𝑑
=𝜀0𝐴
𝑑
(สญญากาศ)8.8542 × 10−12 𝐶2/𝑁.𝑚2
73
ตวเกบประจทมสารไดอเลกตรก (dielectric)สารไดอเลกตรก คอ สารทเปนฉนวนไมน าไฟฟา (เชน ยาง แกว พลาสตก น า...) เมอน ามาวางแทนทชองวางระหวางตวเกบประจสามารถท าใหคาความจไฟฟาเพมขน สารนไมมประจอสระทสามารถเคลอนทในเนอสารเพอเพอท าใหเกดกระแสเหนยวน า ซงเมอมการสงแรงจากสนามไฟฟาภายนอกไปกระท ากบประจ ทยดเหนยวกนทางอะตอมและโมเลกล จะท าใหเกดการเคลอนต าแหนงของประจเพยงเลกนอย โดยประจทยดเหนยวกนนเราเรยกวา bound charge
โดยทวไปประจทอยในเนอสารไดอเลกตรกจะมความเปนไดโพล หรอทเรยกวาเกดคณสมบตการแยกออกเปนสองขวหรอโพลาไรเซชน
75
ตวเกบประจทมสารไดอเลกตรก (dielectric)
ในกรณทม dielectric อยในตวเกบประจ :- สนามไฟฟาจะลดลง สงผลใหความตางศกยลดลงดวย (∆𝑉 = 𝐸𝑑)- หากสนามไฟฟาลดลงดวย factor ความตางศกยกจะลดลงดวย factorเชนกน
กอนใส dielectric ; C =𝑄𝑉
จะได
เมอใส dielectric ; C′ =𝑄𝑉′ =
𝑄=
𝑄
𝑉
C เดม
= 𝐶
∴ 𝐶 =𝜀𝐴
𝑑
เรยกวา dielectric constant ซงบอกถงคาสมพทธของสภาพยอม (relative permitivity : 𝜀 ) ,𝜀 = 𝜀0
76
ตวเกบประจทมสารไดอเลกตรกหลายตว (dielectric)ในกรณทไดอเลกตรกในตวเกบประจอนกรมกน ดงรป
𝐶1 =1𝜀0𝐴
𝑑
𝐶2 =2𝜀0𝐴
𝑑
𝐶𝑇 =1𝜀0 2𝐴
( 2𝑑1 + 1𝑑2)
77
ตวเกบประจทมสารไดอเลกตรกหลายตว (dielectric)
ในกรณทไดอเลกตรกในตวเกบประจขนานกน ดงรป
𝐶1 =1𝜀0𝐴1
𝑑
𝐶2 =2𝜀0𝐴2
𝑑
𝐶𝑇 =𝜀0𝑑
( 1𝐴1 + 2𝐴2)
ในกรณทไดอเลกตรกในตวเกบประจขนานกน ดงรป