Lab 54 — อิเล็กโทรสโคปและการทำให้วัตถุมีประจุ (3D)

วัตถุประสงค์

• ทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าโดยการขัดสี และบอกชนิดของประจุจากลำดับการเกิดประจุ (triboelectric series)
• ใช้อิเล็กโทรสโคปตรวจสอบว่าวัตถุมีประจุหรือไม่ และทดสอบชนิดของประจุ
• เปรียบเทียบการทำให้อิเล็กโทรสโคปมีประจุโดยการสัมผัส กับการเหนี่ยวนำ และอธิบายด้วยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
• สังเกตความสัมพันธ์ระหว่างมุมกางของแผ่นโลหะบางกับระยะของวัตถุที่มีประจุ

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

• อิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะบาง: จานโลหะ → แกนโลหะ → แผ่นโลหะบาง 2 แผ่น อยู่ในกล่องโลหะมีกระจกหน้า-หลัง (กล่องต่อลงดิน) · มีจุกฉนวนกั้นแกนกับกล่อง · มีสเกลมุมติดด้านหลัง
• แท่ง PVC + ผ้าขนสัตว์ · แท่งแก้ว + ผ้าไหม · แท่งปริศนา X + ผ้าสักหลาด (ไม่รู้ชนิดประจุ)
• ไม้บรรทัดวางใต้แท่ง ขีด 0 ตรงขอบจาน · นิ้วมือ (ร่างกายต่อลงดิน)

การใช้งาน Simulation

• ภาพ 3D: ลากแท่งเข้า-ออก · แตะที่จาน = วางนิ้ว/ยกนิ้ว · ลากที่ว่าง = หมุนมุมมอง · ล้อเมาส์ = ซูม · ปุ่ม 🔍 มองตรงที่แผ่นโลหะ ช่วยอ่านสเกลมุมโดยไม่มีพาราแลกซ์
• แผนภาพ 2D: ด้านซ้ายเป็นภาพด้านหน้าอิเล็กโทรสโคป + แว่นขยายสเกลมุม (อ่านที่แผ่นขวา) · ด้านขวาเป็นไม้บรรทัด + แว่นขยายที่ปลายแท่ง (ลากแท่งได้)
• โหมดวัดเอง: ไม่แสดงประจุและตัวเลข — สังเกตแผ่นโลหะแล้วอธิบายเอง · โหมดอัตโนมัติ: แสดงเครื่องหมาย + / − การไหลของอิเล็กตรอน (e⁻) ประจุ และศักย์ไฟฟ้า (แท่งปริศนาถูกซ่อนจนกว่าจะบันทึกตาราง B)
• ↺ รีเซตค่า คายประจุแท่งทุกแท่งและอิเล็กโทรสโคป ยกนิ้วออก แท่งกลับไปที่ 30 cm (ตารางและชนิดประจุของแท่งปริศนายังอยู่)

ตอนที่ A — ประจุจากการขัดสี และการเหนี่ยวนำ (ไม่แตะ)

1. รีเซต ให้อิเล็กโทรสโคปไม่มีประจุ (แผ่นโลหะหุบ) · เลือกแท่ง PVC แล้วนำเข้าใกล้จาน สังเกตว่าแผ่นโลหะกางหรือไม่
2. ถอยแท่งออก ถู 5 ครั้ง แล้วนำเข้าใกล้อีกครั้ง · สังเกตมุมกางเมื่อแท่งเข้าใกล้และเมื่อถอยออก
3. วางแท่งที่ d = 30, 25, 20, 15, 10, 7, 5, 3, 2, 1 cm · อ่าน d จากไม้บรรทัดและ θ จากสเกล บันทึกตาราง A · เขียนกราฟ θ – d
4. ทำซ้ำกับแท่งแก้วที่ถูกับผ้าไหม · มุมกางเปลี่ยนตามระยะเหมือนกันหรือไม่? ดูจากมุมกางอย่างเดียวบอกชนิดประจุได้หรือไม่?

ตอนที่ B — ทำให้อิเล็กโทรสโคปมีประจุโดยการสัมผัส

1. รีเซต · ถูแท่ง PVC 5 ครั้ง · แตะปลายแท่งที่จาน (d = 0) ค้างไว้ครู่หนึ่ง แล้วถอยแท่งออกไกล
2. สังเกตว่าแผ่นโลหะยังกางอยู่หรือไม่ · แตะซ้ำอีกหลายครั้ง (ถูแท่งใหม่ทุกครั้ง) มุมกางเปลี่ยนอย่างไร
3. แตะนิ้วที่จาน สังเกตแผ่นโลหะ แล้วอธิบาย

ตอนที่ C — ทำให้อิเล็กโทรสโคปมีประจุโดยการเหนี่ยวนำ

1. รีเซต · ถูแท่ง PVC 5 ครั้ง · นำแท่งเข้าใกล้จาน (d ≈ 3 cm ห้ามแตะ)
2. แตะนิ้วที่จาน → ยกนิ้วออก (แท่งยังอยู่ที่เดิม) → ถอยแท่งออกไกล · สังเกตแผ่นโลหะทุกขั้น
3. ลองสลับลำดับ: ถอยแท่งออกก่อนแล้วค่อยยกนิ้ว ผลเป็นอย่างไร เพราะอะไร?

ตอนที่ D — ทดสอบชนิดประจุของแท่งปริศนา X

1. ทำให้อิเล็กโทรสโคปมีประจุที่รู้ชนิด (เช่น สัมผัสด้วยแท่ง PVC ที่ถูกับผ้าขนสัตว์) · ถอยแท่ง PVC ออก
2. เลือกแท่งปริศนา X ถูกับผ้า แล้วค่อย ๆ นำเข้าใกล้จาน (อย่าแตะ) สังเกตว่าแผ่นโลหะกางมากขึ้นหรือหุบลง
3. กรอกตาราง B แล้วกดบันทึก — เฉลยจะแสดงหลังบันทึก · ทดสอบซ้ำด้วยแท่งแก้ว และทดสอบกับอิเล็กโทรสโคปที่มีประจุชนิดตรงข้าม

วิธีบันทึกผล

คำถามท้ายการทดลอง

1. ทำไมแผ่นโลหะกางออกเมื่อนำแท่งที่มีประจุเข้าใกล้ ทั้งที่อิเล็กโทรสโคปไม่มีประจุสุทธิ?
2. ประจุบนอิเล็กโทรสโคปที่ได้จากการสัมผัสกับจากการเหนี่ยวนำ มีชนิดเหมือนหรือต่างจากประจุบนแท่ง?
3. ในการเหนี่ยวนำ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านนิ้วไปทางใด เมื่อใช้แท่ง PVC (−) และเมื่อใช้แท่งแก้ว (+)?
4. ทำไมการทดสอบชนิดประจุต้องดูว่า "กางมากขึ้น" ไม่ใช่ดูว่า "หุบลง" จึงจะสรุปได้แน่นอน? (ลองนำแท่งที่มีประจุมากเข้าใกล้มาก ๆ)
5. ในวันที่อากาศชื้น การทดลองไฟฟ้าสถิตมักไม่ได้ผล เพราะอะไร?

1. ประจุไฟฟ้าและการขัดสี

วัตถุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมที่มีโปรตอน (+) และอิเล็กตรอน (−) เท่ากัน จึงเป็นกลาง · เมื่อขัดสีวัตถุต่างชนิดกัน อิเล็กตรอนย้ายจากวัตถุหนึ่งไปอีกวัตถุหนึ่ง (โปรตอนไม่ย้าย) · วัตถุที่ได้อิเล็กตรอนมีประจุลบ วัตถุที่เสียอิเล็กตรอนมีประจุบวก ขนาดเท่ากัน — ประจุไฟฟ้าอนุรักษ์ · ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน ต่างชนิดดูดกัน

ลำดับการเกิดประจุ (triboelectric series): วัตถุที่อยู่ทางซ้ายเมื่อถูกับวัตถุทางขวาจะมีประจุบวก · แท่งแก้วถูกับผ้าไหม → แก้ว (+) ผ้าไหม (−) · แท่ง PVC ถูกับผ้าขนสัตว์ → PVC (−) ผ้าขนสัตว์ (+) · ลำดับจริงเปลี่ยนได้ตามความชื้นและสภาพผิว

2. ตัวนำ ฉนวน และอิเล็กโทรสโคป

ในโลหะ (ตัวนำ) มีอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ได้ทั่วชิ้น · ในฉนวน (พลาสติก แก้ว) ประจุอยู่กับที่ ประจุจากการขัดสีจึงอยู่เฉพาะบริเวณที่ถู · อิเล็กโทรสโคปคือตัวนำชิ้นเดียว (จาน–แกน–แผ่นโลหะบาง) หุ้มด้วยฉนวนจากกล่อง · เมื่อแผ่นโลหะทั้งสองมีประจุชนิดเดียวกันจะผลักกันจนกางออก · มุมกางขึ้นกับศักย์ไฟฟ้าของแผ่นโลหะเทียบกับกล่อง (ยิ่งมีประจุมาก ยิ่งกางมาก แต่ไม่เป็นสัดส่วนกันตรง ๆ)

3. การเหนี่ยวนำ (ไม่แตะ)

① นำแท่ง (−) เข้าใกล้จาน อิเล็กตรอนอิสระในอิเล็กโทรสโคปถูกผลักลงไปที่แผ่นโลหะ จานเหลือประจุ (+) แผ่นโลหะมีประจุ (−) จึงกาง — ประจุสุทธิยังเป็นศูนย์ ถอยแท่งออกแผ่นโลหะหุบ · ② แตะนิ้ว อิเล็กตรอนที่ถูกผลักไหลลงดิน แผ่นโลหะหุบ · ③ ยกนิ้วออกขณะแท่งยังอยู่ · ④ ถอยแท่งออก ประจุ (+) ที่ค้างอยู่กระจายทั่วตัวนำ แผ่นโลหะกาง — ประจุที่ได้จากการเหนี่ยวนำตรงข้ามกับประจุบนแท่ง

4. การสัมผัส

เมื่อแตะแท่ง (−) ที่จาน อิเล็กตรอนส่วนเกินบริเวณที่สัมผัสย้ายเข้าสู่อิเล็กโทรสโคป แล้วกระจายทั่วตัวนำ · ถอยแท่งออก อิเล็กโทรสโคปยังมีประจุ (−) — ประจุที่ได้จากการสัมผัสชนิดเดียวกับประจุบนแท่ง · แท่งเป็นฉนวน จึงถ่ายเทประจุได้เพียงบางส่วนต่อการแตะหนึ่งครั้ง

5. ทดสอบชนิดประจุด้วยอิเล็กโทรสโคปที่มีประจุ

6. แบบจำลองใน simulation

ประจุบนแท่ง q ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าที่จาน φ = kq(1/r − 1/R) (R ≈ 45 cm แทนผลกำบังของสิ่งแวดล้อมที่ต่อลงดิน เช่น โต๊ะ ผนัง ตัวผู้ทดลอง) · แผ่นโลหะอยู่ในกล่องโลหะที่ต่อลงดินจึงถูกกำบังจากแท่ง · ตัวนำทั้งชิ้นมีศักย์เท่ากันทุกจุด (V) → Q_จาน = C_จาน(V − φ) · Q_แผ่น = C_แผ่นV · ประจุสุทธิ Q = Q_จาน + Q_แผ่น