บทที่1  ทฤษฎีอิเล็กตรอนและไฟฟ้าสถิต

ทฤษฎีอิเล็กตรอน Electron Theory

            จากการวิจัยสมัยใหม่ ทำให้ทราบว่าสารต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซ ต่างก็ประกอบขึ้นจากส่วนที่เล็กๆ ที่เรียกว่า “โมเลกุล” (Molecules) ซึ่งในแต่ละโมเลกุลของมันประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ที่เรียกว่า “อะตอม” (Atom) สารที่โมเลกุลของมันประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันเรียกว่า “ธาตุ” (Element) และสารที่โมเลกุลของมันประกอบด้วยอะตอมต่างชนิดกันเรียกว่า ”สารประกอบ” (Compounds) ธาตุต่างๆ ที่ได้ค้นพบมีอยู่ประมาณ 100 กว่าธาตุ ซึ่งธาตุเหล่านี้สามารถจัดไว้เป็นตารางตามลำดับน้ำหนักที่มากขึ้น และแบ่งเป็นกลุ่มตามสกุลของวัตถุที่มีคุณสมบัติคล้ายกัน ตารางแบ่งธาตุแท้เช่นนี้เรียกว่า “ Periodic Table of The Elements”

            นักฟิสิกส์ได้ค้นพบว่า  ภายในอะตอมนั้นประกอบด้วยส่วนที่สำคัญสองส่วน คือ ส่วนที่เป็นแกนกลางเรียกว่า “นิวเคลียส” (Neutron)  ภายในนิวเคลียสนี้ยังประกอบด้วย “โปรตอน” (Proton) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็น ประจุไฟฟ้าบวก (Positive charge) และ “Neutral charge)    อีกส่วนหนึ่งนั้นจะเป็นอนุภาคเล็กๆ โคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียส ด้วยความเร็วสูงและวงโคจรของมันอาจจะมีเพียงวงเดียวหรือหลายวงก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมของธาตุดังแสดงให้เห็นในรูป 1.1 ส่วนที่โคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียสนี้เรียกว่า “อิเล็กตรอน” (Electron) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็น ประจุไฟฟ้าลบ (Negative Charge) โครงสร้างของอะตอมของธาตุต่างๆ จะมีลักษณะคล้ายกับระบบสุริกยะจักรวาล ที่มีดวงอาทิตย์เป็นแกนกลางและมะดาวนพเคราะห์โคจรอยู่รอบๆ

            ในอะตอมของธาตุหนึ่งๆ นั้น ตามสภาพปรกติแล้วจำนวนโปรตอนจะเท่าอิเล็กตรอนเสมอ ในสภาพที่สมดุลย์เช่นนี้อะตอมของธาตุจะไม่แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าออกมาหรือเรียกว่ามีคุณสมบัติเป็นกลาง คือไม่มีอำนาจไฟฟ้าเป็นบวกหรือลบ จำนวนโปรตอนและจำนวนอิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุนี้เองจะเป็นตัวบอกให้ทราบถึงชนิดธาตุต่างๆ ในรูป 1.1

รูป 1.1 โครงสร้างของอะตอมของธาตุต่างๆ

 ได้แสดงให้เห็นถึงโครงสร้างของอะตอมของธาตุต่างๆ ที่ได้อาศัยวงจรโคจรของระบบสุริยะจักรวาลเป็นพื้นฐาน ในการแสดงวงโคจรของอิเล็กตรอนรอบๆ นิวเคลียส เช่น อะตอมของไฮโดรเยน (Hydrogen) นั้น ที่นิวเคลียสจะประกอบด้วยโปรตอนเพียง 1 ตัว และอิเล็กตรอนที่โคจรรอบๆ อีก 1 ตัว ส่วนอะตอมของฮีเลียม (Helium) นิวเคลียสจะประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว และอิเล็กตรอนโคจรรอบๆ 2 ตัว และอะตอมของฟลูออรีนนั้นนิวเคลียสจะประกอบด้วยโปรตอน 9 ตัว นิวตรอน 10 ตัว และอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบๆ อีก 9 ตัว

            ตารางแบ่งธาตุแท้ (The Periodic Table of the elements) คือ การจัดลำดับของธาตุต่างๆ ตาม อะตอมมิคนัมเบอร์ (Atomic Number)          ซึ่งหมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในวงโคจรและอะตอมมิคเวท (Atomic Weight)            ซึ่งหมายถึงจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ในนิวเคลียส อะตอมชนิดต่างๆ จะมีมวลหรือน้ำหนักแตกต่างกันไปเมื่อเทียบกับธาตุอื่น อะตอมมิคเวทของ        ออกซิเจนจะมีค่าเป็น 16 เท่า อะตอมมิคเวทของฮีเลี่ยมมีค่าประมาณ 4 เท่า ลิเที่ยม 7 เท่า ฟลูออรีน 19 เท่า และนิออน 20 เท่า ดังแสดงในรูป 1.1 ชั้นและระดับพลังงานของอิเล็กตรอน (Electron energy levels and shells)

            เนื่องจากว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่รอบๆ นิวเคลียส ดังนั้นจึงทำให้เกิดพลังงานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่หรือ พลังงานจลน์ (Kinetic energy) และเล็กน้อยนี้เรียกว่า ตัวนำที่เลวหรือฉนวน ในงานที่เกี่ยวกับไฟฟ้า จะใช้ตัวนำที่ดีเป็นสายตัวนำกระแสไฟฟ้า และใช้ฉนวนเป็รเครื่องป้องกันการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าไม่ให้ออกไปจากสายตัวนำ

            รายการ้างล่างนี้เป็นเพียงบางส่วนของตัวนำและฉนวนที่ดี ซึ่งได้จัดเรียบเรียงตามลำดับความสามมารถในการเป็นตัวนำและการเป็นฉนวน

            ตัวนำ                                      ฉนวน

            เงิน                                          อากาศบริสุทธิ์

            ทองแดง                                  แก้ว

            อลูมินัม                                   ไมก้า

            สังกะสี                                    ยาง

            ทองเหลือง                              แอสเบสตอส (Asbertos)

            เหล็ก                                       เบคไลท์ (Bakelite)

ไฟฟ้าสถิต (Static Electricity)

            ตามที่ได้กล่าวไว้ในตอนแรกแล้วว่า อะตอมของสารต่างๆ นั้น ในสภาพปรกติจำนวนของอิเล็กตรอนจะเท่ากับจำนวนของโปรตอนเสมอ จึงไม่แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าหรือมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นกลาง นั่นก็คืออะตอมของสาร จะมีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์จึงไม่มีแรงไฟฟ้าเกิดขึ้น และเมื่อนำสารที่เป็นกลางสองชนิดมาแตะกัน ก็จะไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเข้าหรือออกภายในสารทั้งสองนี้  อย่างไรก็ตามถ้าหากสารอันหนึ่งถูกทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกไปหรือหลุดออกไปจากอะตอมของสารนั้น จะทำให้สารนั้นมีจำนวนโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอน จึงทำให้สารนั้นกลายสภาพมาเป็นประจุไฟฟ้าบวก เมื่อนำสารที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบก็จะทำให้มีอิเล็กตรอนไหหลระหว่างสารทั้งสองโดดยที่อิเล็กตรอนจะไหลออกจากสารที่เป็นประจุไฟฟ้าลบ เข้าไปในสารที่เป็นประจุไฟฟ้าบวกซึ่งการไหลของอิเล็กตรอนจะมีต่อเนื่องกันไปจนกว่าประจุไฟฟ้าทั้งสองของสารเท่ากัน

            เมื่อนำวัตถุสองชนิดที่มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันเข้ามาใกล้กัน จะทำให้เกิดแรงไฟฟ้าขึ้นระหว่างวัตถุทั้งสอง แต่เนื่องจากวัตถุทั้งสองไม่แตะกันจึงไม่สามารถทำให้ประจุไฟฟ้าเท่ากันได้ แรงไฟฟ้าที่เกิดขึ้นแต่ไม่ทำให้อิเล็กตรอนหรือกระแสไฟฟ้าไหลไปได้เช่นนี้ เรียกว่า “ไฟฟ้าสถิต” Static Electricity คำว่า “สถิต” Static นั้นหมายถึงไม่มีการเคลื่อนที่ซึ่งก็หมายถึง แรงไฟฟ้าสถิต Static Force นั่นเอง

            การที่จะทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตขึ้นนั้น มีวิธีง่ายๆ คืออาศัยการถู การถูนี้จะต้องนำวัตถุที่ต่างชนิดกันมาถูกัน ผลจากการถูจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวัตถุที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะเป็นประจุไฟฟ้าลบถ้าหากนำวัตถุที่เป็นตัวนำมาถูกัน ก็เป็นการยากที่จะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้น ทั้งนี้ก็เพราะว่าตัวนำยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้สะดวก ดังนั้นเมื่อทำให้เกิดประจุไฟฟ้าขึ้นแล้วมันก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหหลระหว่างตัวนำทั้งสอง ดังนั้นในขณะที่ถูจึงทำให้ตัวนำทั้งสองมีประจุไฟฟ้าเท่ากันตลอดเวลา ไฟฟ้าสถิตทำให้เกิดขึ้นได้ง่ายจาการเอาฉนวนที่แข็งถูกับฉนวนที่อ่อนหรือเป็นปุย การทำเช่นนี้จะทำให้อิเล็กตรอนจากวัตถุหนึ่งหลุดเข้าไปในวัตถุหนึ่งดังรูป 1.2 ซึ่งใช้แท่งยางแข็งถูกับขนสัตว์

รูป 1.2 ไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นจากการถู

            ผลจากการนำแท่งยางแข็งถูกับขนสัตว์ ก็ปรากฏว่าแท่งยางแข็งได้รับอิเล็กตรอนจากขนสัตว์ และเนื่องจากวัตถุทั้งสองนี้เป็นฉนวน การไหลของอิเล็กตรอนระหว่างวัตถุทั้งสองในขณะทำการถูจึงมีน้อยมาก ดังนั้นจึงทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตขึ้นโดยแท่งยางแข็งเป็นประจุไฟฟ้าลบและขนสัตว์เป็นประจุไฟฟ้าบวก  ทั้งนี้เพราะมันสูญเสียอิเล็กตรอนไป ถ้าหากปรุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุทั้งสองมีมากพอ ก็จะทำให้เกิดแรงไฟฟ้าสถิตได้มากพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนไหหลผ่านวัตถุทั้งสองได้ ซึ่งถ้าหากวางอยู่ในที่มืดก็สามารถมองเห็นประกายไฟฟ้าและได้ยินเสียงเกิดขึ้น

 

อิเล็กตรอนและไฟฟ้า

ไฟฟ้าเป็นกำลังทางธรรมชาติอย่างหนึ่ง

ฟ้าผ่า      ในสมัยแรกๆ ของประวัติศาสตร์นั้น มนุษย์ได้รู้ว่า ไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ตามธรรมชาติ จากฟ้าผ่า มาจนกระทั่งในสมัยต่อมามนุษย์ก็ยังไม่สามารถให้คำอธิบายความเป็นไปที่แท้จริงของไฟที่ดูเหมือนว่าวิ่งลงมาจากฟากฟ้าได้ ในเวลาฟ้าผ่ามนุษย์ก็ได้แต่มองดูด้วยความหวาดกลัวและความตกใจ ที่เห็นสายฟ้าพังทลายของทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่ขวางทางของมันได้

รูป 1.3 ฟ้าผ่า

ฟ้าผ่าและการนับถือเทพเจ้า     การนับถือเทพเจ้าของคนในสมัยก่อนๆ มาเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ตามธรรมชาตินี้ และการที่พวกเขาถือว่า เมื่อมีไฟลงมาจากสวรรค์นั่นก็คือการลงโทษมนุษย์โลกของพระผู้เป็นเจ้า จึงไม่เป็นที่น่าประหลาดเลย สำหรับเราก็เป็นเช่นเดียวกันมิใช่หรือ ที่ในเวลาที่ฟ้าแลบแปลบปลาบ และเสียงฟ้าร้องครืนๆ  ก็อาจจะทำให้เราเกิดตกใจกลัวและเส้นประสาทเสียได้ พวกติวตันถือว่าพลังจากธรรมชาตินี้เกิดจากเทพเจ้าแห่งฟ้าผ่าชื่อ ธอร์ ซึ่งเป็นโอรสของเทพเจ้าแห่งท้องฟ้าชื่อ โอดิน และเทพธิดาแห่งดินชื่อ เยอร์ด พระเนตรของเทพเจ้าองค์นี้ ส่งแสงออกมาเป็นฟ้าแลบและฆ้องเม์จอลล์เนียร์ของพระองค์จะทำให้เกิดเสียงครืนๆ

ทางเดินของสายฟ้า     ความเชื่อที่ว่าท้องฟ้าและแผ่นดินเป็นพ่อและแม่ของฟ้าผ่านั้น เป็นความเชื่อที่มีเหตุผลใช้ได้ ตามสัญชาติญาณทำให้เราคิดได้ถูกทาง ความจริงฟ้าผ่าไม่ได้ผ่าลงมาจากเมฆแต่อย่างเดียว แต่จากผลการทดลองปรากฏว่า สายฟ้าวิ่งจากพื้นดินขึ้นไปข้างบนในเวลาเดียวกันกับที่วิ่งจากเมฆลงมาข้างล่าง ทั้งข้างบนและข้างล่างต่างก็มีส่วนร่วมในการถ่ายเทประจุนับเป็นระยะเวลานานจากพลังธรรมชาติของฟ้าผ่าที่น่ากลัวและมีอำนาจในการทำลาย จนกว่าจะมาถึงการค้นคว้าและนำไฟฟ้ามาใช้งานได้

ที่มาของคำว่า “ไฟฟ้า”

อำพัน ในสมัยโลหะบรอนซ์ ประมาณ 3000 ปีก่อนคริตส์กาล ธนพวกติวตันที่อาศัยอยู่แถบชายฝั่งแซมแลนด์ของทะเลบอลติค ในปรัสเซียตะวันออก ได้พบหินสีเหลืองชนิดหนึ่งซึ่งเมื่อต้องแสงอาทิตย์ก็จะมีประกายคล้ายทองคำ “ทองคำจากทิศเหนือ” มีคุณสมบัติพิเศษในตัวของมันเองเมื่อโยนลงในกองไฟมันก็จะลุกสว่าง มันคือหินซึ่งติดไฟได้ (เยอรมัน : Brennstein) ภายหลังต่อมาอีกหลายศตวรรษ คำนี้จึงได้ค่อยๆ กลายมาเป็น Bernstein หรือในภาษาไทยเรียกว่า อำพัน

แท่งอำพันเป็นไฟฟ้า อำพันได้ถูกนำมาทำเป็นเครื่องประดับและหวี และได้มาที่ถนนอำพันซึ่งเป็นทางค้าขายที่สำคัญจากทางภาคเหนือมาจนถึงประเทศกรีกด้วย เราได้พบว่าเมื่อเราถูหินชนิดนี้ด้วยผ้าขนสัตว์จะเกิดประกายไฟแตกเปรียะๆ ขึ้นได้ เมื่อผู้หญิงหวีผมด้วยหวีที่ทำจากอำพันก็จะมีเสียงดังอย่างลึกลับ และหวีก็จะดูดผมเส้นละเอียดเข้าหาตัว ดูเหมือนว่าภายในหินจะมีแรงลึกลับอย่างหนึ่งซ่อนตัวอยู่

อิเล็กตรอน       ดูเหมือนว่าแรงนี้จะเกิดจากสิ่งศักดิ์สิทธ์และคอยป้องกันความชั่วร้ายต่างๆ ได้ ดังนั้นอำพันจึงเป็นของที่ทุกคนต้องการจะมี และชาวกรีกผู้ดีต่างก็ใช้เป็นเครื่องประดับ พวกเขาพากันเรียกหินนี้ว่าอิเล็กตรอนราว ค.ศ. 1600 นักฟิสิกซ์ชาวอังกฤษชื่อ กิลเบอร์ท ได้นำชื่อนี้มาใช้อีก และจากความจริงที่ว่า มนุษย์เราได้รู้เป็นครั้งแรกว่าแรงลึกลับของไฟฟ้ามาจากหินชนิดนี้ เขาได้ใช้คำในภาษากรีก elextron (อิเล็กตรอน)  มาใช้เรียกแรงที่เขาทำการทดลอง คำๆ นี้จึงเป็นที่มาของคำว่าไฟฟ้า สำหรับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น จากแรงธรรมชาติทั้งหมด