Coulomb Law

นักเรียนรู้จักสนามไฟฟ้าไหม ถ้านักเรียนจะหาแรงระหว่างประจุ นักเรียนต้องรู้ขนาดของประจุ, แต่ถ้านักเรียนมีแถวของประจุหนึ่งแถว เช่น แล้วเกิดอะไรขึ้นถ้ามีใครคนหนึ่งนำเอาประจุ Q3 มาใส่ในแถว มีใครรู้บ้าง ? นี่คือเหตุผลที่ว่า ทำไมนักฟิสิกส์จึงจำเป็นต้องสร้างแนวคิดที่เกี่ยวกับสนามไฟฟ้าขึ้นมา เราจะอธิบายกันว่า แถวของประจุจะจัดการกับประจุแปลกปลอมอย่างไร ? เพื่อนของนักเรียนจะจัดการกับแถวของประจุโดยคูณสนามไฟฟ้าที่จุดใด ๆ ของประจุที่เขามี, ให้สนามไฟฟ้าใช้สัญลักษณ์เป็น โดย สนามไฟฟ้ามีหน่วยเป็น นิวตันต่อคูลอมบ์ ยกตัวอย่างเช่น ถ้านักเรียนกำลังเดินเล่นกับสัตว์เลี้ยง เช่น ลิงที่มีประจุ 1.0 Coulomb ในวันที่มีแสงแดดจ้า และในทันทีทันใด ถ้านักเรียนและลิงพบว่าอยู่ในสนามไฟฟ้า 5.0 ในทิศที่กำลังชี้จากทิศที่นักเรียนและลิงกำลังเดินเข้ามา เกิดอะไรขึ้น ? ลิงของนักเรียนที่มีประจุ 1.0 C จะรับรู้ทันทีทันใดว่ามีแรงตรงกันข้ามกับทิศที่นักเรียนกำลังเดิน ดังรูป (click) สนามไฟฟ้า ณ จุดใด ๆ เป็นเวกเตอร์ ( หมายความว่ามันมีทั้งทิศทางและขนาด ) นักเรียนสามารถหาเวกเตอร์ได้จากการรวมเวกเตอร์ ดังรูป (click) คราวนี้นักเรียนเกิดคำถามว่า สนามไฟฟ้าจากจุดประจุมองเหมือนอะไร ? จริง ๆ แล้วคำว่าจุดประจุ ( point charge ) คือ ประจุขนาดเล็ก, นักเรียนรู้ว่า ถ้านักเรียนมีจุดประจุ Q มันจะสร้างสนามไฟฟ้า จากสมการสนามไฟฟ้า, ถ้านักเรียนมีประจุทดสอบ ( test charge ) ขนาด q และนักเรียนวัดแรงจากประจุ Q ณ ที่ตำแหน่งต่ำแหน่ง ต่าง ๆ ให้นักเรียนใช้ โดยที่ และ เป็นค่าประจุทั้งสอง R เป็นระยะทางระหว่างประจุทั้งสอง เรียกว่า Coulomb Law อ่านว่า กฎคูลอมบ์ ถามว่า สนามไฟฟ้าเป็นอะไร ? (1) สมการ (1) จะบอกนักเรียนว่า ขนาดของสนามไฟฟ้าจากจุดประจุ มีค่าเป็น , สนามไฟฟ้าเป็นเวกเตอร์ เกิดคำถามว่า แล้วแล้วทิศทางสนามไฟฟ้าชี้ไปทิศทางไหน ? ทิศทางของสนามไฟฟ้าให้นักเรียนกลับไปพิจารณาประจุทดสอบ q ( อย่าลืมว่า q เป็นประจุบวก จากนิยามสนามไฟฟ้า คือ แรงต่อคูลอมบ์บนประจุบวก ) จำไว้ว่า ที่ใด ๆ ในสนามไฟฟ้า แรงบนประจุ q จากประจุ Q เป็นไปตามเส้นที่เชื่อมจุดศูนย์กลางของประจุทั้งสอง เมื่อประจุ Q เป็นบวก แรงบนประจุทดสอบ q จะมีทิศออกจากประจุ Q ดังนั้น สนามไฟฟ้า ณ จุดใดๆ จะมีทิศออกจากประจุ Q ดังรูป ( click ) รูปที่ 3 สนามไฟฟ้าจะพุ่งออกจากจุดประจุเสมอเสมอ รูปที่ 3 นี้ เป็นแนวคิดของ Michael Farady สิ่งที่น่าสังเกต สนามไฟฟ้าชี้ออกจากประจุบวก และชี้เข้าหาประจุลบ คำถาม เมื่อเส้นแรงสนามไฟฟ้าที่จุด A ชิดกันมากกว่า สนามไฟฟ้าที่จุด B นั่นคือกำลังสนามไฟฟ้าจะมากที่จุด A ! สรุป เส้นแรงสนามไฟฟ้า เริ่มออกจากประจุบวกและดำเนินต่อไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งสิ้นสุดที่ประจุลบ โดยที่สนามไฟฟ้าจะไม่เริ่มหรือหยุดในอวกาศที่ว่างเปล่าเลย ! ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ ถามว่า ขนาดของสนามไฟฟ้าที่ระยะทาง 3 เมตร จากประจุไฟฟ้า 2 μC (อ่านว่า 2 ไมโครคูลอมบ์ )มีค่าเท่าไร ? เฉลย (click)