ข้อ 6.
วัตถุเบาสองก้อน A และ B แขวนไว้ด้วยเชือกเบาและถูกกั้นด้วยแผ่นฉนวนไฟฟ้า ดังรูป 1 นำแท่งแก้วไปขัดถูกับผ้าไหมแล้วมาแตะวัตถุ B ดังรูป 2 ทำให้วัตถุ A และวัตถุ B แยกออกจากกัน ดังรูป 3
ข้อใดสรุปถูกต้อง
1. ก่อนแตะ วัตถุ A และ B ไม่มีประจุไฟฟ้า
2. ก่อนแตะ วัตถุ A และ B มีประจุเหมือนกัน
3. แท่งแก้วหลังขัดถูกับผ้าไหมแต่ยังไม่ไปแตะวัตถุ B มีประจุชนิดเดียวกับวัตถุ B ในรูป 3
4. แท่งแก้วหลังขัดถูกับผ้าไหมแต่ยังไม่ไปแตะวัตถุ B มีประจุชนิดตรงข้ามกับวัตถุ A ในรูป 3
…………………………………..
สำหรับข้อสอบข้อนี้นั้น ผู้น้อยคนนี้ใคร่ขออธิบายความรู้ที่เกี่ยวข้องเล็กๆน้อยซักนิดนึงก่อนนะครับ โดยหวังใจไว้ว่าเมื่ออ่านความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเรื่องนี้แล้ว น้องๆก็จะสามารถทำข้อสอบทำนองนี้ได้ทั้งหมดเลย (นั่น…ว่าไปนั่น)
ความรู้ข้อที่ 1 : ไฟฟ้าสถิต
ไฟฟ้ามี 2 ประเภทนะครับก็คือไฟฟ้ากระแสกับไฟฟ้าสถิต ซึ่งไฟฟ้ากระแสคือการไหลของอิเล็กตรอนภายในตัวนำไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยสำหรับข้อนี้ขอข้ามการอธิบายเรื่องของไฟฟ้ากระแสไปก่อนนะครับ ไม่งั้นคงเฉลยไม่จบตามเวลาที่ควรจะเป็นโดยเด็ดขาด
ส่วนไฟฟ้าสถิตนั้น เรามาเริ่มกันอย่างนี้ก่อนนะครับ…
ตามปกติแล้ววัตถุทุกชนิดมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าครับ ซึ่งก็คือจะมีปริมาณของประจุบวกและประจุลบอย่างละเท่า ๆ กัน แต่ประจุไฟฟ้าตามที่ว่านี้จะมีการเพิ่มหรือลดได้เนื่องจากการขัดถู หรือสัมผัสกันระหว่างวัตถุครับ
โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัตถุที่ไม่นำไฟฟ้าที่เรียกกันว่า “ฉนวน” ถ้ามีการขัดถูหรือสัมผัสกัน จะทำให้เกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าเป็นผลให้เกิดความไม่สมดุลของจำนวนประจุบวกและประจุลบในวัตถุนั้นๆ
ความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้านี่แหละครับคือ “ไฟฟ้าสถิต” ครับ โดยถ้ามีจำนวนประจุบวกมากกว่าลบ วัตถุนั้นก็จะแสดงอำนาจทางไฟฟ้าเป็นบวก แต่ถ้ามีประจุลบมากกว่า วัตถุนั้นก็จะแสดงอำนาจทางไฟฟ้าเป้นลบครับ
ความรู้ข้อที่ 2 : ไฟฟ้าสถิตทำให้วัตถุดูดหรือผลักกัน
ประจุไฟฟ้าที่เหมือนกันจะผลักกัน และประจุไฟฟ้าที่ต่างกันจะดูดกันครับ ดังนั้นถ้าในวัตถุ A ที่มีประจุลบจำนวนมาก ก็จะดูดกับวัตถุ B ถ้าวัตถุ B นั้นมีประจุบวกเป็นจำนวนมาก และในทางตรงข้ามถ้ามีการผลักกันก็แสดงว่าวัตถุ B นั้นต้องมีประจุเหมือนกับวัตถุ A ซึ่งในที่นี้ B ก็จะเป็นวัตถุที่มีประจุลบเป็นจำนวนมากนั่นเอง ซึ่งหากอ่านแล้วงงๆ ก็ลองดูรูปประกอบไปด้วยนะครับ
จากรูปที่ 1 ทรงกลม 2 ลูก ต่างก็มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่ดูดและไม่ผลักกัน
รูปที่ 2 ทรงกลมต่างก็มีประจุเป็นลบทั้งคู่ อย่างงี้ก็จะผลักกัน
รูปที่ 3 ทรงกลมต่างก็มีประจุบวกทั้งคู่ อย่างนี้ก็จะผลักกันเช่นเดียวกันครับ
รูปที่ 4 ทรงกลมมีประจุที่ตรงกันข้ามกัน อย่างงี้ก็จะดูดกันอย่างแน่นอนเลยใช่ไหมครับ
รูปที่ 5 ทรงกลมนึงมีประจุลบ อีกทรงกลมนึงเป็นกลาง อย่างนี้ก็จะดูดกันนะครับ
รูปที่ 6 ทรงกลมนึงมีประจุบวก อีกทรงกลมนึงเป็นกลาง อย่างนี้ก็จะดูดกันเช่นเดียวกันนะครับ
ความรู้ข้อที่ 3 : ประจุไฟฟ้าสามารถถ่ายเทไปมาได้
เมื่อวัตถุต่างๆมาสัมผัสกัน ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในวัตถุนั้นก็จะมีการถ่ายเทกันไปมาทั้งนี้เพื่อพยายามให้เกิดความสมดุลทางไฟฟ้าอีกครั้งหนึ่ง โดยเฉพาะถ้าเป็นการสัมผัสกับวัตถุที่เป็นตัวนำทางไฟฟ้าก็ยิ่งจะมีการถ่ายเทง่ายขึ้นด้วย
การถ่ายเทของประจุนี้ ถ้ามีจำนวนมากๆ อาจก่อให้เกิดประกายไฟขึ้นมาได้เลยนะครับ หรือถ้ามีจำนวนไม่มากนักก็อาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรามักจะเจออยู่ทุกบ่อยก็คือการรู้สึกเหมือนถูกไฟช็อตขณะจับโลหะเช่นการจับลูกบิดประตูนั่นไงครับ
เหตุการณ์อย่างนี้ มักจะเกิดในหน้าหนาวหรือในห้องแอร์นะครับ ซึ่งอาจอธิบายได้ว่าในหน้าหนาวหรือในห้องแอร์นั้นความชื้น(หรือไอน้ำ)ในอากาศจะต่ำ ไอน้ำในอากาศจึงไม่ได้ทำหน้าที่เป็นตัวกลางให้ไฟฟ้าไหลออกไปจากตัวเราได้ จึงทำให้ไฟฟ้าสถิตที่อยู่ที่ตัวเราไม่สามารถถ่ายเทออกไฟได้ ไฟฟ้าสถิตจึงสะสมอยู่ที่ตัวเรามากขึ้นมากขึ้น จนเมื่อเราเอื้อมมือไปจับลูกบิดประตู ประจุไฟฟ้าก็จะเกิดการถ่ายเทอย่างรวดเร็วจนเรารู้สึกว่าถูกไฟดูดจนสะดุ้งนั่นไงครับ
ทีนี้เรามาดูโจทย์ข้อนี้กันนะครับ
โจทย์บอกว่า “วัตถุเบาสองก้อน A และ B แขวนไว้ด้วยเชือกเบาและถูกกั้นด้วยแผ่นฉนวนไฟฟ้า ดังรูป 1”
จากรูปที่ 1 วัตถุเบาแขวนไว้ด้วยเชือกที่ออกมาจากจุดเดียวกัน ซึ่งการแขวนออกมาจากจุดเดียวกันอย่างนี้ วัตถุเบา A และ B อาจแปะอยู่ติดกันได้หลายกรณี ดังนี้นะครับ
รูปที่ 1 แปะะติดกันด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกโดยที่ทั้งคู่อาจไม่มีอำนาจทางไฟฟ้าสถิตเลย (เป็นกลาง)
รูปที่ 2 และ 3 คือก็อาจแปะติดกันด้วยแรงทางไฟฟ้าสถิตก็ได้ โดยแต่ละลูกมีอำนาจทางไฟฟ้าสถิตที่ตรงข้ามกัน เช่น A เป็นบวก B เป็นลบ หรือ A เป็นลบ และ B เป็นบวกก็ได้
รูปที่ 4, 5, 6 และ 7 คือก็อาจแปะติดกันด้วยแรงทางไฟฟ้าสถิตก็ได้ โดยมีอยู่ลูกหนึ่งที่มีอำนาจทางไฟฟ้าสถิต ส่วนอีกลูกที่เหลือเป็นกลาง อย่างนี้ก็จะดูดกันได้เช่นเดียวกัน
เป็นไงครับ การแปะติดกันเกิดขึ้นด้วยหลายกรณีมากเลยนะครับ
และโจทย์ยังบอกอีกว่า ระหว่างวัตถุเบานั้นคั่นด้วยฉนวน เป็นการบอกเอาไว้ก่อนว่าถ้าวัตถุ A กับ B มีประจุ ก็จะไม่มีการถ่ายเทประจูระหว่างกันเพราะมีแผ่นฉนวนนี้กั้นอยู่
ทีนี้โจทย์ก็บอกว่า “นำแท่งแก้วไปขัดถูกับผ้าไหม”
การนำแท่งแก้วไปถูกับผ้าไหมเป็นการก่อให้เกิดไฟฟ้าสถิตขึ้นใช่ไหมครับ ดังนั้นถึงแม้เราจะไม่ทราบว่าแท่งแก้วเมื่อขัดถูกับผ้าไหมแล้ว ใครจะมีประจุบวก ใครจะมีประจุลบก็ไม่เป็นไร อย่างน้อยเราก็ได้รู้แน่ๆแล้วว่าตอนนี้แท่งแก้วมีประจุอย่างใดอย่างหนึ่งอย่างแน่นอนครับ
ส่วนหากมีความสงสัยว่าเอาอะไรไปขัดถูกับอะไรจะได้ประจุแบบไหนบ้าง อาจสามารถหาอ่านได้ในหนังสือวิทยาศาสตร์ทั่วไปได้เลยนะครับ
พอเราเอาแท่งแก้วที่มีประจุมาสัมผัสกับวัตถุทรงกลม ประจุจากแท่งแก้วก็จะถ่ายเทไปยังทรงกลม ถึงตอนนี้ทรงกลมที่ถูกแตะก็จะมีประจุแบบเดียวกับแท่งแก้วแล้วนะครับ
ดังนั้น เมื่ออ่านมาถึงตรงนี้ พ่อแม่พี่น้องบางท่านก็อาจจะกระซิบกันดังๆว่า ถ้างั้น ก็ไม่ต้องไปคิดอะไรให้มากความ เรามาตอบกันไปเลยดีกว่าว่าคำตอบที่ถูกต้องก็ต้องเป็นคำตอบข้อ 3. ที่พูดว่า “แท่งแก้วหลังขัดถูกับผ้าไหมแต่ยังไม่ไปแตะวัตถุ B มีประจุชนิดเดียวกับวัตถุ B ในรูป 3” อย่างแน่นอน
ครับพี่ ถ้าจะสรุปว่างั้นก็คงได้ แต่ผู้น้อยคนนี้ใคร่ขอเฉลยจนจบต่อก่อนนะครับ…
ในเบื้องต้นนั้น B ในรูปที่ 3 ที่จะผลักกับ A ได้ ก็ต่อเมื่อ B ในรูปที่ 3 ต้องมีประจุเหมือนกับ A
ดังนั้น เหตุการณ์ที่ B จะกางออกแบบ ในรูปที่ 3 และแปะติดกับ A แบบในรูปที่ 1 จะมีอยู่ 4 สถานะการณ์ตามรูปข้างบนนี้ โดยพระเอกที่จะทำให้ B มีประจุแบบไหนก็คือแท่งแก้วที่ขัดถูกับผ้าไหมมาแล้ว ซึ่งถ้าแท่งแก้วเป็นบวกเมื่อสัมผัสกับ B ก็จะทำให้ B เป็นบวกด้วย หรือถ้าแท่งแก้วเป็นลบ(*)เมื่อสัมผัสกับ B ก็จะทำให้ B เป็นลบด้วย
หมายเหตุ (*) : สมมติว่าเราไม่ทราบว่าแท่งแก้วจะเป็นประจุบวกหรือลบนะครับ
ทีนี้เราก็ไปดูคำตอบในแต่ละตัวเลือกกันนะครับ
คำตอบข้อที่ 1. ก่อนแตะ วัตถุ A และ B ไม่มีประจุไฟฟ้า
เป็นคำตอบที่ผิดนะครับ เพราะถ้า A ไม่มีประจุ (หรือเรียกว่าเป็นกลาง) ก็ไม่มีทางที่จะผลักกับ B แบบรูปที่ 3 ได้
คำตอบข้อที่ 2. ก่อนแตะ วัตถุ A และ B มีประจุเหมือนกัน
เป็นคำตอบที่ผิดนะครับ เพราะถ้าประจุเหมือนกัน A กับ B ในรูปที่ 1 จะต้องผลักกันกางออกมาไม่ใช่แปะติดกันอย่างในรูป
คำตอบข้อที่ 3. แท่งแก้วหลังขัดถูกับผ้าไหมแต่ยังไม่ไปแตะวัตถุ B มีประจุชนิดเดียวกับวัตถุ B ในรูป 3
เป็นคำตอบที่ถูกครับ เพราะแท่งแก้วเมื่อสัมผัสกับ B ประจุจากแท่งแก้วก็จะถ่ายให้ B ทำให้ B ในรูปที่ 3 มีประจุเช่นเดียวกับแท่งแก้ว
คำตอบข้อที่ 4. แท่งแก้วหลังขัดถูกับผ้าไหมแต่ยังไม่ไปแตะวัตถุ B มีประจุชนิดตรงข้ามกับวัตถุ A ในรูป 3
เป็นคำตอบที่ผิดครับ เพราะถ้าแท่งแก้วมีประจุตรงข้ามกับ A ก็จะทำให้ B ในรูปที่ 3 มีประจุตรงข้ามกับ A ด้วย ซึ่งถ้า A กับ B มีประจุตรงข้ามกัน ก็จะดูดแปะติดกัน ไม่ใช่กางออกแบบรูปที่ 3 ครับ
ดังนั้น เราก็สรุปว่า คำตอบข้อที่ 3 เป็นคำตอบที่ถูกต้องที่สุดนะครับ