บน 19/06/2024 294

กระแสไฟฟ้าคงที่

กระแสไฟฟ้าคงที่ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณสำหรับผลกระทบที่น่าสนใจของการดึงดูดและการขับไล่หลังจากวัตถุถูกถูด้วยกันการทดลองในช่วงต้นด้วยวัสดุเช่นแก้วผ้าไหมแว็กซ์พาราฟินและผ้าขนสัตว์ช่วยสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตการมีส่วนร่วมที่สำคัญจากตัวเลขทางประวัติศาสตร์เช่น Charles Dufay และ Benjamin Franklin ช่วยพัฒนาทฤษฎีเกี่ยวกับกองกำลังที่มองไม่เห็นในการเล่นในที่สุดก็ระบุประจุไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนการค้นพบ Leyden Jar ในปี 1745 และความก้าวหน้าโดยนักประดิษฐ์เช่น Otto von Guericke เปิดใช้งานการสร้างค่าคงที่ขนาดใหญ่ขึ้นงานของ Charles Coulomb เกี่ยวกับแรงระหว่างอนุภาคที่มีประจุทำให้เข้าใจปรากฏการณ์เหล่านี้ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นบทความนี้นำเสนอในประวัติศาสตร์ทฤษฎีและการใช้งานจริงของกระแสไฟฟ้าคงที่เน้นผลกระทบต่อความคิดทางวิทยาศาสตร์และนวัตกรรมทางเทคโนโลยี

แคตตาล็อก

รูปที่ 1: ไฟฟ้าคงที่

การค้นพบทางประวัติศาสตร์

ศตวรรษที่ผ่านมามีการสังเกตว่าวัสดุบางอย่างเช่นแก้วและผ้าไหมจะดึงดูดซึ่งกันและกันหลังจากถูกลูบเข้าด้วยกันเหตุการณ์ที่น่าสนใจนี้ไม่ได้ จำกัด อยู่ที่แก้วและผ้าไหมชุดค่าผสมอื่น ๆ เช่นขี้ผึ้งพาราฟินและขนสัตว์แสดงพฤติกรรมที่คล้ายกันผู้ทดลองเห็นว่าในขณะที่การถูวัสดุประเภทต่าง ๆ ดึงดูดซึ่งกันและกันวัสดุเดียวกันผลักกันออกไป

การตรวจสอบเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าวัสดุใด ๆ ที่แสดงให้เห็นถึงแรงดึงดูดหรือการขับไล่หลังจากถูกถูอาจถูกวางลงในหนึ่งในสองกลุ่ม: ดึงดูดแก้วและขับไล่โดยขี้ผึ้งหรือขับไล่โดยแก้วและดึงดูดขี้ผึ้งการจัดกลุ่มนี้ชี้ให้เห็นว่าวัสดุแบ่งออกเป็นสองประเภทที่ชัดเจนตามคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพวกเขา

รูปที่ 2: การดึงดูดผ้าแว็กซ์และผ้าขนสัตว์

ทฤษฎีและการทดลองในช่วงต้น

การเปลี่ยนแปลงที่มองไม่เห็นทำให้เกิดแรงดึงดูดหรือการขับไล่ทำให้ผู้ทดลองยุคแรกคิดเกี่ยวกับการถ่ายโอน "ของเหลว" ที่มองไม่เห็นในระหว่างการถูCharles Dufay แสดงให้เห็นว่าการถูวัตถุบางคู่สร้างการเปลี่ยนแปลงสองประเภทที่แตกต่างกันซึ่งนำไปสู่การดึงดูดหรือการขับไล่ระหว่างวัสดุการค้นพบของ Dufay แสดงให้เห็นว่าวัสดุสามารถจัดกลุ่มตามพฤติกรรมของพวกเขาหลังจากการถู: วัสดุบางอย่างดึงดูดซึ่งกันและกันในขณะที่คนอื่นขับไล่ซึ่งกันและกัน

จากการสังเกตเหล่านี้เบนจามินแฟรงคลินเสนอทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับของเหลวชนิดเดียวจากข้อมูลของแฟรงคลินการถูวัตถุเข้าด้วยกันไม่ได้เกี่ยวข้องกับของเหลวสองชนิดที่แตกต่างกัน แต่ก่อให้เกิดความไม่สมดุลของของเหลวเดียวซึ่งเขาเรียกว่าประจุไฟฟ้าวัตถุอาจมีมากเกินไป (+) หรือน้อยเกินไป (-) ของของเหลวนี้เงื่อนไขของแฟรงคลินสำหรับเรื่องนี้คือ "ค่าใช้จ่ายเชิงบวก" (+) สำหรับการมีมากเกินไปและ "ค่าใช้จ่ายเชิงลบ" (-) ที่มีน้อยเกินไป

สมมติฐานของแฟรงคลินเป็นวิธีที่ง่ายกว่าในการทำความเข้าใจกระแสไฟฟ้าคงที่เขาแนะนำว่าแรงดึงดูดและแรงผลักดันที่สังเกตระหว่างวัสดุนั้นเกิดจากความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าเดียวนี้ความคิดนี้วางรากฐานสำหรับการศึกษาเพิ่มเติมและการระบุประจุไฟฟ้าในที่สุดเป็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ผลงานของแฟรงคลิน

เบนจามินแฟรงคลินทำการทดลองด้วยวัสดุเช่นขี้ผึ้งและขนแกะเพื่อทำความเข้าใจไฟฟ้าคงที่เขาคิดว่าการถูวัสดุเหล่านี้เข้าด้วยกันย้ายของเหลวที่มองไม่เห็นระหว่างพวกเขาเขาเชื่อว่าขนแกะเอาของเหลวนี้ออกจากขี้ผึ้งสร้างความไม่สมดุลที่ทำให้วัสดุทั้งสองดึงดูดซึ่งกันและกัน

แฟรงคลินเรียกค่าใช้จ่ายในแว็กซ์ "ลบ" เพราะเขาคิดว่ามันมีของเหลวนี้น้อยกว่าเขาเรียกค่าใช้จ่ายบนขนสัตว์ว่า "บวก" เพราะเขาคิดว่ามันมีของเหลวมากกว่าแม้ว่าตอนนี้เรารู้ว่า "ของเหลว" นี้เป็นจริงการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอน แต่คำว่า "บวก" และ "เชิงลบ" ของแฟรงคลินยังคงใช้อยู่คำศัพท์นี้ยังคงอยู่เพราะมันอธิบายทิศทางของการไหลของอิเล็กตรอนได้อย่างแม่นยำ: จากวัสดุที่มีอิเล็กตรอนมากขึ้น (-) ไปยังหนึ่งที่มีอิเล็กตรอนน้อยลง (+)

ปริมาณไฟฟ้า

ในยุค 1780 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Charles Coulomb วัดค่าไฟฟ้าโดยใช้ความสมดุลของแรงบิดการทดลองของเขานำไปสู่คำจำกัดความของ Coulomb ซึ่งเป็นหน่วยของประจุไฟฟ้างานของคูลอมบ์แสดงให้เห็นว่าแรงระหว่างค่าใช้จ่ายสองจุดเป็นสัดส่วนกับผลผลิตของค่าใช้จ่ายและสัดส่วนผกผันกับสี่เหลี่ยมของระยะห่างระหว่างพวกเขาหนึ่งคูลอมบ์เท่ากับค่าใช้จ่ายประมาณ 6.25 × 10^18 อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมีค่าใช้จ่ายประมาณ 0.000000000000000016 Coulombs

องค์ประกอบของอะตอม

รูปที่ 3: องค์ประกอบของอะตอม

การทดลองเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าสสารทั้งหมดทำจากอะตอมซึ่งประกอบด้วยสามอนุภาคหลัก: โปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนโปรตอนมีประจุบวก (+) อิเล็กตรอนมีประจุลบ (-) และนิวตรอนไม่มีประจุ

โครงสร้างของอะตอมรวมถึงนิวเคลียสและเปลือกอิเล็กตรอนนิวเคลียสตั้งอยู่ที่กึ่งกลางของอะตอมมีโปรตอนและนิวตรอนซึ่งถูกมัดไว้ด้วยกันอย่างแน่นหนาการผูกพันที่แน่นหนานี้ทำให้นิวเคลียสมีความเสถียรและกำหนดเอกลักษณ์องค์ประกอบของอะตอมการเปลี่ยนจำนวนโปรตอนจะเปลี่ยนอะตอมเป็นองค์ประกอบที่แตกต่างกัน

อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสในภูมิภาคที่เรียกว่าเปลือกอิเล็กตรอนซึ่งแตกต่างจากโปรตอนและนิวตรอนอิเล็กตรอนจะไม่ถูกผูกไว้กับนิวเคลียสอย่างแน่นหนาพวกเขาสามารถเคลื่อนย้ายได้อย่างง่ายดายโดยกองกำลังต่าง ๆ นำไปสู่ความไม่สมดุลทางไฟฟ้าเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมสิ่งนี้จะสร้างประจุไฟฟ้า

ความสามารถของอิเล็กตรอนในการเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมากขึ้นเมื่อเทียบกับโปรตอนและนิวตรอนเป็นกุญแจสำคัญในปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าคงที่เมื่อวัสดุบางอย่างถูกถูเข้าด้วยกันอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งทำให้วัตถุหนึ่งมีประจุบวก (ขาดอิเล็กตรอน) และอีกชิ้นหนึ่งจะกลายเป็นประจุลบ (มีอิเล็กตรอนพิเศษ)การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้เป็นพื้นฐานของกระแสไฟฟ้าคงที่

กระแสไฟฟ้าคงที่อธิบาย

ไฟฟ้าคงที่เกิดขึ้นเนื่องจากมีความไม่สมดุลของอิเล็กตรอนระหว่างวัตถุเมื่อวัสดุบางชนิดถูกถูเข้าด้วยกันอิเล็กตรอน - อนุภาคที่มีประจุอย่างไม่น่าเชื่อ - ย้ายจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งการถ่ายโอนนี้ทำให้วัตถุหนึ่งตัวได้รับอิเล็กตรอนกลายเป็นประจุลบและอีกสิ่งหนึ่งที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นประจุบวกการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้สร้างความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าโดยมีวัสดุหนึ่งที่มีอิเล็กตรอนมากขึ้น (ประจุลบ) และอื่น ๆ ที่มีอิเล็กตรอนน้อยลง (ประจุบวก)

วัตถุที่มีค่าใช้จ่ายตรงข้ามดึงดูดซึ่งกันและกันในขณะที่วัตถุที่มีประจุเท่ากันขับไล่ซึ่งกันและกันนี่คือเหตุผลที่บอลลูนถูผมติดกับผนังบอลลูนซึ่งตอนนี้มีค่าใช้จ่ายในทางลบจากการได้รับอิเล็กตรอนจากเส้นผมถูกดึงดูดไปยังผนังที่เป็นกลางหรือมีประจุบวก

ตัวอย่างไฟฟ้าคงที่ในชีวิตประจำวันรวมถึงสถานการณ์บอลลูนและผมและเสื้อผ้าในเครื่องเป่าในกรณีของบอลลูนถูบนเส้นผมอิเล็กตรอนทำให้บอลลูนประจุลบและทำให้มันติดกับผนังที่เป็นกลางในทำนองเดียวกันในเครื่องเป่าเสื้อผ้าแรงเสียดทานระหว่างเสื้อผ้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนทำให้เกิดการยึดติดกับเสื้อผ้าที่ติดกันเนื่องจากค่าใช้จ่ายตรงข้าม

ผลกระทบของ Triboelectric

รูปที่ 4: ผลของ Triboelectric

ผลกระทบของ Triboelectric เกิดขึ้นเมื่อวัสดุที่แตกต่างกันสองชนิดถูกถูเข้าด้วยกันทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งการเคลื่อนไหวนี้ทำให้วัสดุหนึ่งที่มีประจุบวก (เพราะมันสูญเสียอิเล็กตรอน) และอื่น ๆ ที่มีประจุลบ (เพราะมันได้รับอิเล็กตรอน)

เอฟเฟกต์นี้อธิบายถึงประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของกระแสไฟฟ้าคงที่ตัวอย่างเช่นเมื่อคุณถูบอลลูนบนเส้นผมอิเล็กตรอนจะย้ายจากผมไปยังบอลลูนเป็นผลให้ผมของคุณมีค่าใช้จ่ายในเชิงบวกและบอลลูนจะถูกเรียกเก็บเงินในเชิงลบค่าใช้จ่ายตรงข้ามดึงดูดซึ่งกันและกันทำให้ผมของคุณติดกับบอลลูน

ผลกระทบของ Triboelectric ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุที่เกี่ยวข้องวัสดุบางชนิดให้อิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดายในขณะที่บางตัวดึงดูดและยึดติดไว้แนวโน้มนี้อธิบายโดยซีรี่ส์ Triboelectric ซึ่งจัดอันดับวัสดุตามความเป็นไปได้ที่พวกเขาจะได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน

เมื่อวัสดุสองชนิดจากปลายตรงข้ามของซีรีส์ Triboelectric ถูกถูเข้าด้วยกันการถ่ายโอนอิเล็กตรอนมีความสำคัญมากกว่าซึ่งนำไปสู่ประจุคงที่ที่แข็งแกร่งขึ้นตัวอย่างเช่นแก้วถู (ซึ่งมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอน) ด้วยผ้าไหม (ซึ่งมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอน) ส่งผลให้เกิดประจุไฟฟ้าที่เห็นได้ชัดเจน

แอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริง

แม้ว่ามันมักจะถูกมองว่าน่ารำคาญ แต่ไฟฟ้าคงที่มีประโยชน์มากมาย:

การพิมพ์ xerographic

รูปที่ 5: การพิมพ์ xerographic

การพิมพ์ Xerographic ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าคงที่ในการทำงานเทคโนโลยีนี้ใช้ในเครื่องถ่ายเอกสารและเครื่องพิมพ์เลเซอร์นี่คือรายละเอียดที่ดูว่ามันทำงานอย่างไร:

กลอง photoconductive ภายในเครื่องถ่ายเอกสารหรือเครื่องพิมพ์จะได้รับการชาร์จแบบคงที่กลองนี้สามารถเก็บประจุไฟฟ้าและตอบสนองต่อแสงเมื่อภาพของเอกสารที่จะคัดลอกจะถูกฉายลงบนกลองแสงจะทำให้ประจุคงที่หายไปในพื้นที่ที่สัมผัสกับมันในขณะที่ประจุอยู่ในพื้นที่มืดที่ไม่มีแสง

ถัดไปโทนเนอร์ซึ่งเป็นผงละเอียดที่มีประจุบวกจะถูกโรยลงบนกลองผงหมึกที่มีประจุบวกติดอยู่กับพื้นที่ที่มีประจุลบของกลองซึ่งประจุไม่ได้ถูกทำให้เป็นกลางโดยแสงสิ่งนี้สร้างภาพแป้งของเอกสารบนกลอง

จากนั้นกลองม้วนลงบนกระดาษหนึ่งแผ่นถ่ายภาพผงหมึกลงบนกระดาษในที่สุดกระดาษผ่านลูกกลิ้งอุ่นคู่หนึ่งที่เรียกว่า Fuserความร้อนและความดันจากฟิวเซอร์ละลายอนุภาคผงหมึกทำให้ติดกับกระดาษอย่างถาวร

กระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพช่วยให้สามารถผลิตสำเนาและภาพพิมพ์ที่มีคุณภาพสูงได้อย่างรวดเร็วการใช้กระแสไฟฟ้าแบบคงที่ในการพิมพ์ xerographic เป็นการประยุกต์ใช้หลักการทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่ยอดเยี่ยมทำให้พวกเขากลายเป็นเทคโนโลยีที่ใช้งานได้จริงที่เราใช้ทุกวัน

ตัวกรองอากาศไฟฟ้าสถิต

รูปที่ 6: ตัวกรองอากาศไฟฟ้าสถิต

ตัวกรองอากาศไฟฟ้าสถิตใช้ไฟฟ้าคงที่เพื่อทำความสะอาดอากาศโดยการกำจัดอนุภาคเช่นฝุ่นละอองละอองเกสรและสารปนเปื้อนอื่น ๆนี่คือวิธีการทำงานในรายละเอียดเพิ่มเติม:

อันดับแรกตัวกรองจะถูกชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้าคงที่สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้สองสามวิธีวิธีการทั่วไปอย่างหนึ่งคือการใช้สนามไฟฟ้าเพื่อชาร์จวัสดุตัวกรองอีกวิธีหนึ่งคือการผ่านอากาศผ่านสายไฟของสายไฟที่ชาร์จอนุภาคในอากาศเมื่อผ่าน

เมื่อตัวกรองถูกเรียกเก็บเงินมันจะดึงดูดและจับอนุภาคจากอากาศตัวกรองที่มีประจุทำงานเหมือนแม่เหล็กสำหรับฝุ่นและอนุภาคขนาดเล็กอื่น ๆเมื่ออนุภาคเหล่านี้เข้ามาใกล้กับตัวกรองประจุไฟฟ้าไฟฟ้าจะดึงเข้ามาทำให้พวกเขาติดอยู่กับตัวกรองสิ่งนี้ทำให้อากาศผ่านการทำความสะอาดมากขึ้น

ตัวกรองอากาศไฟฟ้าสถิตมีประสิทธิภาพมากเพราะสามารถจับอนุภาคขนาดเล็กมากซึ่งตัวกรองประเภทอื่นอาจพลาดซึ่งรวมถึงไม่เพียง แต่ฝุ่นและละอองเกสรเท่านั้น แต่ยังมีควันแบคทีเรียและแม้แต่ไวรัสบางชนิดเนื่องจากประสิทธิภาพสูงนี้พวกเขามักจะใช้ในสถานที่ที่คุณภาพอากาศมีความสำคัญมากเช่นในบ้านที่มีผู้ป่วยโรคภูมิแพ้หรือในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่จำเป็นต้องมีอากาศสะอาดสำหรับสุขภาพและคุณภาพของผลิตภัณฑ์

หนึ่งในประโยชน์หลักของตัวกรองอากาศไฟฟ้าสถิตคือพวกเขาสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้แทนที่จะเปลี่ยนตัวกรองทุกครั้งที่สกปรกคุณสามารถทำความสะอาดและนำกลับมาสิ่งนี้ทำให้พวกเขาเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นและคุ้มค่าเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไรก็ตามจำเป็นต้องทำความสะอาดตัวกรองเป็นประจำเพื่อให้ทำงานได้ดีหากตัวกรองสกปรกเกินไปมันไม่สามารถเก็บอนุภาคได้อีกต่อไปและคุณภาพอากาศจะได้รับผลกระทบ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff

รูปที่ 7: เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff

เครื่องกำเนิด Van de Graaff ที่สร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ Robert J. Van de Graaff ในช่วงทศวรรษที่ 1930 เป็นเครื่องจักรที่สร้างแรงดันไฟฟ้าสูงโดยใช้ไฟฟ้าคงที่อุปกรณ์นี้ทำงานได้โดยการย้ายประจุไฟฟ้าไปยังทรงกลมโลหะผ่านสายพานเมื่อเข็มขัดเคลื่อนที่มันจะถือประจุไปยังทรงกลมที่สร้างขึ้นกระบวนการนี้สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าถึงหลายล้านโวลต์ทำให้เครื่องกำเนิด Van de Graaff มีประโยชน์มากสำหรับการทดลองทางวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฟิสิกส์อนุภาคที่ใช้ในการเร่งความเร็วอนุภาค

การทดลองของ Michael Faraday ในปี 1832 แสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าคงที่เหมือนกับไฟฟ้าที่ผลิตโดยแบตเตอรี่และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าฟาราเดย์แสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าทั้งสองประเภทอาจทำให้เกิดผลกระทบทางเคมีและทางกายภาพเช่นเดียวกับการทำลายสารเคมีและการสร้างสนามแม่เหล็กงานของเขาแสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าทุกประเภทมาจากปรากฏการณ์พื้นฐานเดียวกัน: การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอเกรฟฟ์และการค้นพบของฟาราเดย์มีอิทธิพลอย่างมากต่อความเข้าใจไฟฟ้าของเราเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff ที่มีความสามารถในการผลิตแรงดันไฟฟ้าสูงมีประโยชน์อย่างมากในการพัฒนาด้านฟิสิกส์ของอนุภาคช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูงทำให้สามารถศึกษาส่วนพื้นฐานของสสารและแรง

ในทางกลับกันงานของฟาราเดย์วางรากฐานสำหรับความเข้าใจไฟฟ้าของเราเป็นปรากฏการณ์เดียวโดยการพิสูจน์ว่าไฟฟ้าคงที่และกระแสไฟฟ้านั้นเหมือนกันเขาเชื่อมต่อปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าประเภทต่าง ๆความเข้าใจนี้มีประโยชน์อย่างมากในการพัฒนาเทคโนโลยีไฟฟ้าและแอพพลิเคชั่นต่างๆ

การพัฒนาเหล่านี้ร่วมกันแสดงให้เห็นว่าการค้นพบทางวิทยาศาสตร์เชื่อมโยงกับการใช้งานจริงอย่างไรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอเกรฟฟ์และการทดลองของฟาราเดย์ไม่เพียง แต่ทำให้ความรู้เชิงทฤษฎีของเราลึกซึ้งยิ่งขึ้น แต่ยังนำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญ

Electrostatics ในขนาดใหญ่

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1600 นักประดิษฐ์เริ่มทำเครื่องจักรไฟฟ้าสถิตที่สามารถสร้างค่าใช้จ่ายที่ใหญ่กว่าที่ทำโดยการถูอย่างง่ายเครื่องเหล่านี้ใช้งานได้โดยใช้ล้อหมุนหรือกระบอกสูบที่ทำจากวัสดุฉนวนเช่นแก้วหรือกำมะถันแรงเสียดทานคงที่ด้วยวัสดุเช่นผ้าหรือขนไฟฟ้าวัสดุเหล่านี้ทำให้สามารถผลิตประกายไฟไฟฟ้าและประจุไฟฟ้าได้อย่างมีนัยสำคัญ

หนึ่งในเครื่องจักรไฟฟ้าสถิตที่รู้จักกันดีที่สุดถูกสร้างขึ้นในปี 1660 โดย Otto von Guericke ใน Magdeburg ประเทศเยอรมนีเครื่องของ Guericke ใช้ลูกบอลกำมะถันหมุนซึ่งเมื่อถูสามารถผลิตประจุคงที่ที่แข็งแกร่งสิ่งประดิษฐ์นี้เป็นความก้าวหน้าที่สำคัญในการศึกษาไฟฟ้าสถิต

การประดิษฐ์ของ Leyden Jar ในปี 1745 โดย Pieter Van Musschenbroch ใน Leyden, Holland เปลี่ยนสนามต่อไปขวด Leyden นั้นเป็นขวดแก้วที่เคลือบบางส่วนภายในและภายนอกด้วยฟอยล์โลหะทำให้สามารถเก็บประจุไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้โดยการเชื่อมต่อสองขวดเลย์เดนเข้ากับเครื่องจักรไฟฟ้าสถิต - หนึ่งเพื่อเก็บประจุลบและอื่น ๆ ที่มีประจุบวก - มันเป็นไปได้ที่จะสะสมกระแสไฟฟ้าคงที่จำนวนมาก

ความก้าวหน้าเหล่านี้อนุญาตให้สร้างประกายไฟที่ใหญ่กว่าและอันตรายมากขึ้นตัวอย่างเช่นในการทดลองทางฟิสิกส์ของโรงเรียนมัธยมเครื่องจักรไฟฟ้าสถิตที่มีเหยือก Leyden สามารถผลิตความยาว 15 เซนติเมตรทำให้เกิดอัมพาตชั่วคราวหากถูกปล่อยออกมาผ่านมือมนุษย์โดยไม่ตั้งใจ

การแสวงหาการสร้างค่าไฟฟ้าสถิตที่ใหญ่กว่าเดิมกลายเป็นแนวโน้มทางวิทยาศาสตร์ในช่วงกลางศตวรรษที่ 18ในอเมริกาเบนจามินแฟรงคลินใช้เครื่องจักรไฟฟ้าสถิตกับไก่งวงไฟฟ้าสำหรับโต๊ะอาหารค่ำของเขาในปี ค.ศ. 1750 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Abbe Nollet ได้ทำการสาธิตอย่างมากโดยมีพระสงฆ์ Carthusian กว่าพันคนจับมือกันเป็นวงกลมในขณะที่เขาปล่อยขวด Leyden ขนาดใหญ่การกระโดดพร้อมกันของพระทั้งหมดแสดงความเร็วในการคายประจุไฟฟ้าทันที

ความคล้ายคลึงกันระหว่างประกายไฟที่เกิดจากเครื่องจักรไฟฟ้าสถิตและสายฟ้าไม่ได้สังเกตในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 1752 เบนจามินแฟรงคลินทำการทดลองว่าวที่มีชื่อเสียงของเขาเพื่อทดสอบว่าสายฟ้าเป็นประกายไฟฟ้าขนาดยักษ์หรือไม่ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองแฟรงคลินและลูกชายของเขาใช้ว่าวเพื่อถ่ายโอนประจุไฟฟ้าจากเมฆพายุไปยังขวดเลย์เดนโดยสรุปว่าฟ้าผ่าเป็นปรากฏการณ์ไฟฟ้าการทดลองนี้นำไปสู่การประดิษฐ์ของสายฟ้าผ่าซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ปกป้องอาคารโดยการโจมตีสายฟ้าอย่างปลอดภัย

การมีส่วนร่วมทางทฤษฎีของแฟรงคลินก็มีความหมายเช่นกันเขาแนะนำคำศัพท์ "บวก" และ "ลบ" สำหรับค่าไฟฟ้าและแสดงให้เห็นผ่านการทดลองว่าปริมาณของประจุลบบนวัตถุถูนั้นเท่ากับประจุบวกของวัตถุที่ทำถูนี่เป็นก้าวสำคัญสู่แนวคิดการอนุรักษ์ประจุซึ่งบอกว่าค่าไฟฟ้าทั้งหมดในระบบที่แยกได้นั้นยังคงเหมือนเดิม

ฟ้าผ่าและไฟฟ้า

รูปที่ 8: ฟ้าผ่าและอิเล็กโทรด

ในปี ค.ศ. 1752 เบนจามินแฟรงคลินได้ทำการทดลองว่าวที่รู้จักกันดีของเขาเพื่อแสดงให้เห็นว่าสายฟ้าเป็นการปล่อยไฟฟ้าในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองแฟรงคลินบินว่าวที่มีคีย์โลหะติดอยู่กับสายเมื่อฟ้าผ่าเข้ามาในวว่าวกุญแจก็กลายเป็นสิ่งที่มีกระแสไฟฟ้าพิสูจน์ความคิดของเขาถูกต้องการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าฟ้าผ่าเป็นรูปแบบของการปล่อยไฟฟ้าเช่นประกายไฟที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าคงที่

หลังจากการค้นพบครั้งใหญ่นี้แฟรงคลินคิดค้นสายฟ้าฟาดLightning Rod เป็นเครื่องมือที่เรียบง่าย แต่มีประสิทธิภาพในการป้องกันอาคารจากการโจมตีด้วยฟ้าผ่ามันมีก้านโลหะแหลมวางไว้ที่จุดสูงสุดของอาคารเชื่อมต่อกับพื้นด้วยลวดนำไฟฟ้าเมื่อฟ้าผ่าเกิดขึ้นอย่างปลอดภัยก้านจะนำประจุไฟฟ้าลงมาอย่างปลอดภัยและเข้าสู่โลกหยุดความเสียหายต่ออาคาร

Lightning Rod ของแฟรงคลินทำงานได้เพราะจุดที่คมชัดของก้านทำให้อากาศรอบตัวมันเป็นไอออนสร้างเส้นทางที่ง่ายสำหรับการปล่อยไฟฟ้าเส้นทางนี้นำพลังงานของสายฟ้าออกไปจากอาคารลดความเสี่ยงของการเกิดไฟไหม้และความเสียหายของโครงสร้างการประดิษฐ์ของแฟรงคลินเป็นก้าวสำคัญในการทำความเข้าใจและการจัดการเหตุการณ์ไฟฟ้าตามธรรมชาติของเราซึ่งเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นประโยชน์สำหรับปัญหาที่อาจเป็นอันตรายมาก

กฎของคูลอมบ์

รูปที่ 9: กฎของคูลอมบ์

การทดลองของ Charles Coulomb นั้นมีประโยชน์มากในการทำความเข้าใจแรงไฟฟ้าสถิตเขาค้นพบว่าแรงระหว่างค่าไฟฟ้าสองค่าลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างระหว่างพวกเขาเพิ่มขึ้นโดยพื้นฐานแล้วเมื่อคุณย้ายค่าใช้จ่ายออกจากกันแรงระหว่างพวกเขาจะอ่อนแอลงมากความคิดนี้คล้ายกับกฎของแรงโน้มถ่วงของนิวตันซึ่งบอกว่าแรงโน้มถ่วงระหว่างสองมวลก็ลดลงเช่นกันเมื่อระยะห่างระหว่างพวกเขาเพิ่มขึ้น

ในกฎหมายของคูลอมบ์ความคิดหลักคือแรงระหว่างค่าใช้จ่ายจะอ่อนแอลงหากคุณเพิ่มระยะทางและแข็งแกร่งขึ้นหากคุณลดระยะห่างพฤติกรรมนี้เหมือนกับว่าแรงโน้มถ่วงทำงานได้อย่างไร แต่แทนที่จะจัดการกับมวลชนและแรงโน้มถ่วงกฎหมายของคูลอมบ์เกี่ยวข้องกับค่าไฟฟ้า

ความรู้นี้มีประโยชน์มากสำหรับการอธิบายสิ่งไฟฟ้ามากมายตัวอย่างเช่นหากคุณเพิ่มระยะห่างระหว่างวัตถุที่มีประจุสองตัวเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าแรงดึงหรือผลักมันเข้าด้วยกันจะอ่อนแอลงมากในทางกลับกันการนำวัตถุเข้ามาใกล้กันทำให้แรงแข็งแกร่งขึ้น

กฎหมายของคูลอมบ์มีประโยชน์มากมายในด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมช่วยในการออกแบบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เช่นตัวเก็บประจุทำความเข้าใจว่าอะตอมเข้าด้วยกันอย่างไรและทำนายว่ากระแสไฟฟ้าคงที่ทำงานอย่างไรในสถานการณ์ที่แตกต่างกันงานของคูลอมบ์วางรากฐานสำหรับแนวคิดที่ทันสมัยของแม่เหล็กไฟฟ้าและยังคงมีความสำคัญมากในการศึกษาฟิสิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าและแอมแปร์

กระแสไฟฟ้าคือการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำการไหลนี้มีคุณสมบัติหลักสองประการคือแรงดันไฟฟ้าและแอมแปร์แรงดันไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าศักย์ไฟฟ้าเป็นแรงที่ผลักอิเล็กตรอนผ่านวงจรคล้ายกับแรงดันน้ำในท่อแอมแปร์หรือการไหลของกระแสคือจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านวงจรเช่นปริมาณน้ำไหลผ่านท่อ

ในระบบไฟฟ้าในครัวเรือนทุกวันแรงดันไฟฟ้ามาตรฐานมักจะอยู่ที่ประมาณ 120 โวลต์เครื่องใช้ไฟฟ้าที่แตกต่างกันใช้จำนวนแอมแปร์ที่แตกต่างกันตามความต้องการพลังงานของพวกเขาตัวอย่างเช่นหลอดไฟใช้กระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยในขณะที่เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่เช่นเตาอบหรือเครื่องซักผ้าใช้มากขึ้น

พลังงานไฟฟ้าซึ่งเป็นอัตราที่ใช้หรือผลิตพลังงานไฟฟ้าคำนวณโดยการคูณแรงดันไฟฟ้าและแอมแปร์ (P = V × I)ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ที่ทำงานที่ 120 โวลต์และใช้ 10 แอมแปร์ของกระแสไฟฟ้าใช้พลังงาน 1,200 วัตต์

ในทางกลับกันไฟฟ้าคงที่สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก แต่มักจะเกี่ยวข้องกับแอมแปร์ต่ำมากนี่คือเหตุผลที่แรงกระแทกที่เราได้รับจากกระแสไฟฟ้าคงที่อาจน่าแปลกใจ แต่โดยทั่วไปไม่เป็นอันตรายแรงดันไฟฟ้าสูงสามารถผลักอิเล็กตรอนผ่านอากาศได้อย่างง่ายดายทำให้เกิดประกายไฟ แต่แอมแปร์ต่ำหมายความว่าพลังงานทั้งหมดที่เกี่ยวข้องมีขนาดเล็กมาก

Electrostatics ในชีวิตประจำวัน

ไฟฟ้าคงที่เป็นสิ่งที่เรามักจะพบในชีวิตประจำวันเมื่อคุณเดินข้ามพรมหรือถอดหมวกคุณอาจตกใจเมื่อคุณสัมผัสวัตถุโลหะสิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะร่างกายของคุณเก็บประจุไฟฟ้า

การชาร์จนี้จะเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากสิ่งหนึ่งไปอีกสิ่งหนึ่งตัวอย่างเช่นเมื่อคุณเดินบนพรมอิเล็กตรอนจะย้ายจากพรมไปยังรองเท้าของคุณทำให้ร่างกายของคุณมีค่าใช้จ่ายในเชิงลบเมื่อคุณสัมผัสวัตถุโลหะซึ่งช่วยให้ไฟฟ้าไหลได้ง่ายอิเล็กตรอนพิเศษในร่างกายของคุณจะย้ายไปที่โลหะอย่างรวดเร็วทำให้เกิดไฟฟ้าช็อตเล็ก ๆ

เอฟเฟกต์นี้แข็งแกร่งขึ้นเมื่อคุณถูกแยกออกจากพื้นดินด้วยวัสดุที่ไม่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ง่ายเช่นรองเท้าที่ทำจากยางวัสดุเหล่านี้หยุดอิเล็กตรอนจากการหลบหนีลงไปที่พื้นได้อย่างง่ายดายทำให้ประจุก่อตัวขึ้นบนร่างกายของคุณดังนั้นความตกใจที่คุณรู้สึกคือการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วของอิเล็กตรอนจากร่างกายของคุณไปยังสิ่งที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้

บทสรุป

การสำรวจกระแสไฟฟ้าแบบคงที่ตั้งแต่การสังเกตในช่วงต้นไปจนถึงการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญแสดงให้เห็นว่าเราเข้าใจปรากฏการณ์ไฟฟ้าของเราได้อย่างไรความอยากรู้เกี่ยวกับสาเหตุที่วัสดุดึงดูดและขับไล่ซึ่งกันและกันนำไปสู่ทฤษฎีที่ก้าวล้ำโดยผู้บุกเบิกเช่น Charles Dufay และ Benjamin Franklinพวกเขาค้นพบว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นพื้นฐานสำหรับการชาร์จไฟฟ้าการสร้างเครื่องจักรไฟฟ้าสถิตและขวด Leyden ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างและศึกษาค่าคงที่ขนาดใหญ่งานนี้จบลงด้วยการสาธิตของแฟรงคลินว่าฟ้าผ่าเป็นการปล่อยไฟฟ้าCharles Coulomb ได้สร้างหลักการของกระแสไฟฟ้าแบบคงที่โดยการกำหนดกฎหมายของแรงไฟฟ้าการค้นพบเหล่านี้ไม่เพียง แต่มีความรู้เชิงทฤษฎีขั้นสูง แต่ยังนำไปสู่การใช้งานจริงเช่นการพิมพ์ xerographic ตัวกรองอากาศไฟฟ้าสถิตและเครื่องกำเนิด Van de Graaffการทำความเข้าใจกระแสไฟฟ้าคงที่มีบทบาทสำคัญในประสบการณ์ในชีวิตประจำวันและความพยายามทางวิทยาศาสตร์โดยเน้นบทบาทในฟิสิกส์และเทคโนโลยี

คำถามที่พบบ่อย [คำถามที่พบบ่อย]

1. ฉันจะหยุดตกใจกับทุกสิ่งที่ฉันสัมผัสได้อย่างไร?

หากต้องการหยุดตกใจกับทุกสิ่งที่คุณสัมผัสเพิ่มความชื้นในสภาพแวดล้อมของคุณโดยใช้เครื่องเพิ่มความชื้นการสวมรองเท้าที่มีพื้นรองเท้าหนังแทนยางสามารถช่วยได้เนื่องจากหนังไม่ได้สร้างกระแสไฟฟ้าคงที่มากนักนอกจากนี้ก่อนที่จะสัมผัสสิ่งอื่นใดลองสัมผัสวัตถุโลหะเพื่อปลดปล่อยการสะสมแบบคงที่ออกจากร่างกายของคุณ

2. วิธีการบดบังตัวเองเพื่อหลีกเลี่ยงการช็อกแบบคงที่?

เพื่อป้องกันการกระแทกแบบคงที่บ่อยครั้งสัมผัสวัตถุโลหะที่มีสายดินการใช้สายรัดข้อมือป้องกันสแตติกหรือเสื่อดินสามารถช่วยกำจัดกระแสไฟฟ้าคงที่ออกจากร่างกายของคุณลดโอกาสที่จะตกใจ

3. อะไรที่ก่อให้เกิดความคงตัว?

ไฟฟ้าคงที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุถูกันการกระทำที่เรียบง่ายเช่นการเดินบนพรมพร้อมถุงเท้าถอดเสื้อผ้าผ้าสังเคราะห์หรือแม้แต่นั่งบนเฟอร์นิเจอร์บางประเภทอาจทำให้อิเล็กตรอนย้ายจากวัสดุหนึ่งไปอีกวัสดุหนึ่งการเคลื่อนไหวนี้สร้างความไม่สมดุลซึ่งส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าคงที่

4. ทำไมฉันถึงได้รับไฟฟ้าช็อตเมื่อฉันสัมผัสอะไรบางอย่าง?

คุณจะได้รับแรงกระแทกไฟฟ้าเมื่อคุณสัมผัสบางสิ่งบางอย่างเพราะร่างกายของคุณสร้างประจุคงที่เมื่อคุณสัมผัสวัตถุนำไฟฟ้าเช่นโลหะหรือบุคคลอื่นประจุที่สร้างขึ้นจะไหลออกจากร่างกายอย่างรวดเร็วส่งผลให้เกิดความตกใจ

5. วิธีหลีกเลี่ยงกระแสไฟฟ้าคงที่บนพีซี?

เพื่อหลีกเลี่ยงกระแสไฟฟ้าคงที่บนพีซีของคุณให้ใช้สายรัดข้อมือป้องกันสแตติกขณะทำงานภายในคอมพิวเตอร์ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพีซีของคุณวางอยู่บนพื้นผิวที่มีสายดินและหลีกเลี่ยงการทำงานในสภาพแวดล้อมที่แห้งนอกจากนี้คุณยังสามารถใช้เสื่อป้องกันสัดหรือสเปรย์เพื่อลดการสะสมแบบคงที่รอบ ๆ พื้นที่ทำงานของคุณ