ประจุไฟฟ้า

admin's picture

1. ประจุไฟฟ้า

สมบัติทางไฟฟ้าของสสารเกิดจากองค์ประกอบที่ประกอบขึ้นมาเป็นสสาร สสารชนิดหนึ่งประกอบขึ้นจากอะตอมของธาตุต่างๆ และตัวอะตอมของธาตุประกอบขึ้นจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (electric charges) ภายในนิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน (proton) และนิวตรอน (neutron) อนุภาคโปรตอน 1 ตัวมีมวลเท่ากับ $ m_\textrm{p} = 1.673\times 10^{-27}\, \textrm{kg} $ ขณะที่นิวตรอนมีมวลมากกว่าเล็กน้อยคือ $ m_\textrm{n} = 1.675\times 10^{-27}\, \textrm{kg} $ โปรตอนถูกกำหนดให้มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ส่วนนิวตรอนเป็นกลางทางไฟฟ้า บริเวณรอบๆ นิวเคลียสของอะตอมมีอนุภาค อิเล็กตรอน (electron) มีมวลเท่ากับ $ m_\textrm{e} = 9.11\times 10^{-31}\, \textrm{kg} $ ถูกกำหนดให้มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ในธรรมชาติอะตอมของธาตุต่างๆ จะเป็นกลางทางไฟฟ้าเนื่องจากมันมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน ดังนั้นประจุไฟฟ้าของโปรตอนและอิเล็กตรอนจึงมีค่าเท่ากัน จากการทดลองเราพบว่าค่าดังกล่าวคือ

\[ e = 1.60\times 10^{-19}\,\textrm{C(coulomb)}\]

โดยที่อนุภาคโปรตอน 1 ตัวมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ $ +e $ และอิเล็กตรอน 1 ตัวมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ $ -e $ หน่วยที่ใช้วัดปริมาณประจุไฟฟ้าในระบบ SI คือ คูลอมบ์ (coulomb; $ \textrm{C} $) เนื่องจากเราไม่สามารถแบ่งโปรตอนหรืออิเล็กตรอนออกเป็นโปรตอนครึ่งตัวหรืออิเล็กตรอนครึ่งตัวได้ ดังนั้นประจุไฟฟ้าในสารหนึ่งๆ จึงมีค่าเป็นจำนวนเท่าของจำนวนโปรตอนหรือจำนวนอิเล็กตรอน ดังนั้นถ้าให้ $ q $ เป็นขนาดของประจุไฟฟ้า จะได้

\[q = Ne\]

เมื่อ $ N $ คือจำนวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอนและต้องเป็นเลขจำนวนเต็ม เนื่องจากคุณสมบัติที่ $ q $ ต้องมีค่าเป็นจำนวนเท่าของ $ e $ เราเรียกว่า ``ประจุมีคุณสมบัติเป็นค่าที่ quantized (เป็นค่าไม่ต่อเนื่อง)''


ตัวอย่าง 1. จำนวนประจุ
ประจุ $ 1\,\textrm{C} $ มีจำนวนอิเล็กตรอนกี่ตัว
วิธีทำ

จาก $ q=Ne $ ดังนั้น

\[  N=\frac{q}{e}=\frac{1\,\textrm{C}}{1.60\times 10^{-19}\,\textrm{C}}=6.25\times 10^{18}\]

เป็นจำนวนอิเล็กตรอน