ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
7
2.ปริมาณทางไฟฟ้ าสถิต
ปริมาณทางไฟฟ้าสถิต แบ่งเป็น
1. ปริมาณเวกเตอร์ ได้แก่ แรงระหว่างประจุ, สนามไฟฟ้า และแรงบนประจุในสนามไฟฟ้า
2. ปริมาณสเกลาร์ ได้แก่ ศักย์ไฟฟ้า และงานในการย้ายประจุ
2.1 แรงระหว่างประจุ และกฎของคูลอมบ์
แรงที่เกิดระหว่างประจุไฟฟ้า มีทั้งแรงดูดและแรงผลัก และเป็น แรงต่างร่วม คือ ทั้งสองประจุจะออก
แรงกระทาซึ่งกันและกันด้วยแรงเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม (ACTION = REACTION) โดยถ้าประจุไฟฟ้าทั้ง
สองเป็นประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน จะเกิดแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง ถ้าประจุไฟฟ้าสองประจุ มีประจุ
ไฟฟ้าต่างชนิดกันจะเกิดแรงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง
คูลอมบ์ได้คิดค้น กฎของคูลอมบ์(Coulomb’s Law) ขึ้นมา โดยมีใจความว่า แรงระหว่างประจุ
ไฟฟ้าคู่หนึ่ง จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของประจุ แต่เป็นสัดส่วนผกผันกับกาลังสองของระยะทาง
ระหว่างประจุคู่นั้น
จาก 1 2F Q Q และ 2
1
F
R
จะได้ 1 2
2
Q Q
F
R
ดังนั้น สูตรสาหรับคานวนแรงระหว่างประจุ คือ 1 2
2
KQ Q
F
R
โดยที่
F คือ แรงระหว่างประจุ มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)
K คือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
1Q และ 2Q คือ ประจุทั้งสองที่เกิดแรงกระทาต่อกัน มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C) (ไม่ต้องแทนค่า +,-)
R คือ ระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของ 2 ประจุ มีหน่วยเป็น เมตร (m)
เนื่องจากแรงระหว่างประจุเป็นปริมาณเวคเตอร์ การหาแรงลัพธ์ ต้องอาศัยหลักการรวมเวคเตอร์
การหาแรงลัพธ์ระหว่างแรง 2 แรง
2 2 2
1 2 1 2( F) F F 2FF cos
ทิศทาง Fทามุม กับแนวระดับ
+ + - - + -
F F F F F F
แรงดูดแรงผลักแรงผลัก
1Q 2Q
R
F2F
1F
8.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
8
2
12
F sin
tan
F F cos
การหาเวคเตอร์ลัพธ์ของแรง 2 แรง หรือมากกว่า 2 แรง
1. อนุภาคถูกแรงกระทา 3 แรงคือ 1F , 2F และ 3F
2. ลากแกน x, y ให้ผ่านแรงมากที่สุด
3. แตกแรงที่ไม่ได้อยู่ในแนว x และ y
4. รวมแรงในแนวแกน x, y
5. รวมเวคเตอร์โดยใช้ทฤษฎีพิธากอรัส
ตัวอย่าง ประจุไฟฟ้า 6
3.0 10 คูลอมบ์ และ 6
1.5 10 คูลอมบ์ วางห่างกันเป็นระยะ 12 ซม.
จงคานวณหาขนาดและทิศทางของแรงระหว่างประจุว่ามีค่ากี่นิวตัน
ตัวอย่าง ก้อนทองแดง 2 ก้อน วางห่างกัน 3 เมตร แต่ละก้อนมีอิเล็กตรอนอิสระอยู่ 14
5 10 ตัว จง
หาขนาดของแรงผลักที่เกิดขึ้นว่ามีค่ากี่นิวตัน กาหนดให้อิเล็กตรอน 1 ตัว มีประจุ 19
1.6 10 คูลอมบ์
ตัวอย่าง ABCD เป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ 3 เมตร มีประจุขนาด +1, +1, -1, 2 2 คูลอมบ์
วางไว้ที่ตาแหน่ง A, B, C และ D ตามลาดับ จงหาแรงที่กระทาต่อประจุที่จุด B ว่ามีค่ากี่นิวตัน
3F
1F
1F sin
1F cos
2F
X
Y
ข้อควรรู้
9.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
9
โควต้ามข.34 ทรงกลมตัวนาที่มีสมบัติเหมือนกันทั้งสองลูก แต่ละลูกมีประจุ 6
2.0 10 C วางห่างกันด้วย
ระยะทางขนาดหนึ่ง ปรากฏว่าวัดแรงผลักระหว่างทรงกลมทั้งสองได้ 360 N ต่อมานาทรงกลมอีกลูกหนึ่งที่มี
สมบัติเหมือนสองลูกแรก แต่เป็นกลางทางไฟฟ้าและมีด้ามถือเป็นฉนวนไฟฟ้า ไปแตะทรงกลมลูกแรก แล้วแตะ
ทรงกลมลูกที่สอง จงหาแรงกระทาระหว่างทรงกลมทั้งสอง หลังจากนาทรงกลมลูกที่สามออกไปแล้ว
ตัวอย่าง แขวนทรงกลม 2 ลูก จากจุดร่วมเดียวกันด้วยเส้นไหมยาวเส้นละ 10 ซม. แต่ละลูกมีมวล 0.1
กรัม และประจุไฟฟ้าชนิดลบเท่ากัน จนมุมเส้นไหมกางออกเป็นมุมฉาก จงหาค่าประจุบนทรงกลมแต่ละอัน
ตัวอย่าง วัตถุตัวนาทรงกลม A และ B มีประจุ 0.1 และ 0.2 ไมโครคูลอมบ์( C ) ตามลาดับ วางห่าง
กัน 5 ซม. บนพื้นระนาบผิวเกลี้ยงที่เป็นฉนวน เมื่อปล่อยทรงกลมทั้งสองออกพร้อมๆกันให้เคลื่อนที่โดยอิสระ
จงหาความเร่งของทรงกลม B ขณะที่ทรงกลมทั้งสองอยู่ห่างกัน 30 ซม. กาหนดมวล B มีค่าเท่ากับ 0.4 กรัม
ตัวอย่าง ลูกพิธ 2 ลูก A และ B มีมวลเท่ากัน ลูกพิธ A มีประจุ +0.5 ไมโครคูลอมบ์ ถูกแขวนด้วย
เส้นด้ายไนลอน ลูกพิธ B มีประจุเป็นครึ่งหนึ่งของลูกพิธ A สามารถลอยอยู่นิ่งอยู่ใต้ลูกพิธ A โดยมีระยะห่าง
15 ซม. จงหามวลของลูกพิธ และ แรงตึงในเส้นด้ายไนลอน
10.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
10
ENT33ลูกพิธมวล 0.72 กรัม มีประจุ 6
25 10 คูลอมบ์ วางอยู่เหนือประจุ 2 จุด ที่มีขนาดประจุ
เท่ากับ Q และผูกติดกันห่างกัน 6 เซนติเมตร จะต้องใช้ประจุ Q กี่คูลอมบ์ จึงทาให้ลูกพิธลอยอยู่เหนือจุด
กึ่งกลางระหว่างประจุทั้งสองเป็นระยะทาง 4 เซนติเมตร
2.2 สนามไฟฟ้า (Electric Field)
สนามไฟฟ้า (E) คือบริเวณโดยรอบประจุไฟฟ้า ที่ประจุไฟฟ้าส่งอานาจไปถึง ซึ่งประจุไฟฟ้าที่ว่านี้ จะ
ถือเป็น ประจุไฟฟ้าที่เป็นเจ้าของสนามไฟฟ้า
การทดสอบว่าจุดที่สงสัยอยู่ในสนามไฟฟ้าหรือไม่ ให้นาประจุไฟฟ้าทดสอบQ เข้าไปวางที่จุดนั้น ถ้า
ประจุทดสอบQ ได้รับแรงกระทา แสดงว่าอยู่ในสนามไฟฟ้า ถ้าไม่ได้รับแรงกระทาแสดงว่าอยู่นอกสนามไฟฟ้า
การหาค่าความเข้มของสนามไฟฟ้า (Intensity of Electric Field) E
ความเข้มของสนามไฟฟ้า ณ จุดใดๆ หมายถึง ขนาดของแรงที่เกิดขึ้นกับประจุทดสอบขนาด +1 C ที่
นามาไว้ที่จุดนั้น
หาขนาดความเข้มสนามไฟฟ้าที่จุด B
ให้นาประจุทดสอบ q วางไว้ที่จุด B จากนั้นประจุ q จะได้รับแรง F จากประจุ Q ที่อยู่จุด A
จากนิยามความเข้มสนามไฟฟ้า
ความเข้ม(E) =
แรงทั้งหมด(F)
ประจ(ุq)
จะได้
F
E
q
................. (1)
แต่ 1 2
2
KQ Q
F
R
ดังนั้น จาก (1) จะได้ 2 2
KQq KQ
E
R q R
ดังนั้นสูตรคานวณค่าความเข้มของสนามไฟฟ้า คือ 2
KQ
E
R
โดยที่
E คือ ความเข้มสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตันต่อคูลอมบ์ (
N
C
)
Q
A
R
F B
q
11.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
11
Kคือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
Q คือ ประจุไฟฟ้าที่ทาให้เกิดสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
q คือ ประจุทดสอบที่นาไปวางตรงจุดที่ต้องการหาสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
R คือ ระยะห่างระหว่าง ศูนย์กลางประจุ Q และจุดที่ต้องการหา E มีหน่วยเป็น เมตร (m)
การหาทิศของความเข้มสนามไฟฟ้า
การหาทิศของความเข้มสนามไฟฟ้า ที่จุดใดๆ ให้นาประจุทดสอบ +1 C ไปวางที่จุดนั้นแล้วดูว่า ประจุ
+1 C ได้รับแรงจากประจุที่เป็นเจ้าของสนามในทิศใด นั่นก็คือทิศของสนามไฟฟ้า และถ้าจุดหนึ่งๆ ได้รับความ
เข้มจากสนามไฟฟ้าหลายสนาม ต้องรวมสนามเหล่านั้นแบบเวคเตอร์ (เพราะสนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวคเตอร์)
จุดสะเทินในสนามไฟฟ้า (X)
จุดสะเทินในสนามไฟฟ้า คือ จุดในสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มสนามไฟฟ้ารวมเท่ากับศูนย์ ( E 0)
หรือ จุดในสนามไฟฟ้าที่ความเข้มของสนามไฟฟ้าหักล้างกันหมด (ใช้ประจุ +1 C ทดสอบ)
จุดสะเทินจากประจุเจ้าของสนามไฟฟ้า 2 ประจุ ( 1 2E E )
1. ประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกัน ตาแหน่งจุดสะเทินจะอยู่ระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง ใกล้กับประจุที่มี
ขนาดน้อยกว่า (ถ้า Q > q แล้ว Q qR R และ X อยู่ด้านใน) ดังรูป
2. ประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน ตาแหน่งจุดสะเทินจะอยู่นอกรอยต่อระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง ใกล้กับ
ประจุที่มีขนาดน้อยกว่า (ถ้า Q > q แล้ว Q qR R และ X อยู่ด้านนอกฝั่ง q) ดังรูป
E+Q +1 C -Q +1 CE
ข้อควรรู้
+Q +q+1 C
X
Eq EQ
RQ Rq
-Q -q+1 C
X
EQ Eq
RQ Rq
12.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
12
QqE E 2
Q
KQ
R
= 2
q
Kq
R
2
Q
Q
R
= 2
q
q
R
จุดสะเทินจากประจุเจ้าของสนามไฟฟ้ามากกว่า 2 ประจุ
ให้นาประจุทดสอบ +1 C มาวางเพื่อเช็คทิศและความเข้มของสนามไฟฟ้าแต่ละสนาม จากนั้นใช้
หลักการรวมเวคเตอร์ และหาจุดที่ E 0 (แตกเวคเตอร์เข้าแกน x, y จะได้ x
E 0, y
E 0)
ตัวอย่าง วัตถุเล็กๆ ชิ้นหนึ่งมีประจุ 9
5 10 C ถูกนาไปวางที่จุดๆหนึ่งในสนามไฟฟ้า ปรากฏว่ามี
แรงกระทา 9
2.0 10 N บนวัตุนั้น สนามไฟฟ้าที่จุดนั้นมีค่าเท่าใด และทิศทางใด
ตัวอย่าง ให้ ABC เป็นสามเหลี่ยมที่มี A เป็นมุมฉาก และมีด้านประกอบมุมฉากยาว 1 เมตร นาประจุ
ขนาด +2, +1, +1 คูลอมบ์ มาวางไว้ที่จุด A, B, C ตามลาดับ ถ้า P คือจุดกึ่งกลางด้าน BC จงหาทิศทางและ
ค่าสนามไฟฟ้ารวมที่จุด P
ENT 47 ประจุ 8
4 10 Cและ 8
9 10 Cวางห่างกัน 0.5 เมตร จุด P เป็นจุดที่สนามไฟฟ้าเป็น
ศูนย์ จงหาระยะจากจุด P ถึง ประจุ 8
4 10 C
A-net 50 ทรงกลมโลหะรัศมี 5 มิลลิเมตร สามารถรับประจุในอากาศได้ปริมาณสูงสุดเท่าใด ถ้าอากาศ
แตกตัวเป็นไอออนเมื่อสนามไฟฟ้าในอากาศมีขนาดสูงถึง 6
3 10 โวลต์ต่อเมตร
RQ
Rq
-q+Q +1 C
X
Eq EQ
13.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
13
2.3แรงบนประจุในสนามไฟฟ้า
จากเรื่องที่แล้ว เราสามารถหาความเข้มของสนามไฟฟ้าได้ ถ้าเรารู้ขนาดของแรงที่กระทาต่อประจุ ซึ่ง
ในทางกลับกันหากเรารู้ค่าความเข้มสนามไฟฟ้า เราก็สามารถหาแรงจากสนามไฟฟ้าที่กระทาต่อประจุได้
จาก
F
E
q
จะได้ว่า F qE
ดังนั้นสูตรคานวณค่าแรงบนประจุในสนามไฟฟ้า คือ F qE
EF คือ แรงที่กระทาต่อประจุในสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)
E คือ ค่าความเข้มของสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตันต่อคูลอมบ์ (
N
C
)
q คือ ประจุที่อยู่ในสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
ความสัมพันธ์ระหว่างทิศของแรงจากสนามไฟฟ้า ( EF ) และทิศของสนามไฟฟ้า (E)
1. ถ้าประจุทดสอบเป็นบวก (+)
ทิศของแรงจากสนามไฟฟ้า( EF ) มีทิศเดียวกันกับทิศของสนามไฟฟ้า (E)
2. ถ้าประจุทดสอบเป็นลบ (-)
ทิศของแรงจากสนามไฟฟ้า( EF ) มีทิศตรงข้ามกับทิศของสนามไฟฟ้า (E)
ตัวอย่าง หยดน้ามันหยดหนึ่งมวล 0.02 กรัม ประจุ +q อยู่ในสนามไฟฟ้าความเข้ม 10
N
C
ปรากฏว่า
หยดน้ามันหยุดนิ่ง โดยสมดุลกับแรงโน้มถ่วง จงหาค่า q ว่ามีค่ากี่คูลอมบ์ และ สนามไฟฟ้ามีทิศใด
ตัวอย่าง ตัวนาทรงกลมเล็กๆ มวล 0.6 กรัม มีประจุขนาด 8 ไมโครคูลอมบ์ ถูกแขวนด้วยเชือกเส้น
เล็กๆ อยู่ในสนามไฟฟ้าทิศลงความเข้ม 300 นิวตันต่อคูลอมบ์ จงหาแรงตึงเชือกเมื่อประจุนั้นเป็นบวกและลบ
+
+
+
+
-
-
-
-
FE+
FE
-
E
ข้อควรรู้
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
15
2.ศักย์บวก หรือศักย์สูง ถ้าอิเล็กตรอน (e ) เคลื่อนที่ขึ้นจากดินมายังวัตถุ นั่นคือก่อนต่อลงดิน วัตถุ
นั้นมีศักย์บวกหรือศักย์สูง แสดงว่า วัตถุนั้นมีประจุบวก มีศักย์สูง
3. ศักย์ศูนย์ หรือศักย์ที่เป็นกลาง หากวัตถุเป็นกลาง คือ บวกและลบเท่ากัน จะพบว่าไม่มีการไหลของ
อิเล็กตรอน เรียกว่า วัตถุมีศักย์ศูนย์ หรือศักย์ที่เป็นกลาง แสดงว่าวัตถุที่เป็นกลาง มีศักย์เป็นศูนย์
จากกรณีที่ 1 และ 2 แสดงให้เห็นว่า อิเล็กตรอน เคลื่อนที่จากจุดที่มีศักย์ต่า ไปยังจุดที่มีศักย์สูง
ศักย์ไฟฟ้าที่จุดใดๆ
ศักย์ไฟฟ้าที่จุดA คือ งานในการนาประจุ +1C จากระยะอนันต์ มาวางไว้ที่จุดA หรือ A
A
W
V
q
แต่เนื่องจาก AW มีค่าเท่ากับ
A A
KQq KQq KQq
R R
(จะพูดถึงในเรื่องต่อไป) ดังนั้น A
A A
KQq KQ
V
R q R
ดังนั้นสูตรในการคานวนศักย์ไฟฟ้าที่จุดใดๆ คือ
KQ
V
R
โดยที่
V = ศักย์ไฟฟ้า มีหน่วยเป็น จูลต่อคูลอมบ์ (
J
C
) หรือ โวลต์ (V)
K คือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
Q = ประจุที่ทาให้เกิดสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C) (แทนเครื่องหมาย +, - ด้วย!!)
R = ระยะจากศูนย์กลางประจุที่ทาให้เกิดสนามไฟฟ้า ถึงจุดที่จะหาศักย์ไฟฟ้า มีหน่วยเป็น เมตร (m)
ถ้าหากจุดที่จะหาศักย์ไฟฟ้า อยู่ในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าหลายสนาม สามารถคานวณโดยการบวกกัน
แบบสเกลาร์ได้เลย
n
A 1 2 3 n i
i 1
V V V V V V
Q
+
+
+
+
+
+
+
+
+
RA
+qA
AW
+ + + +e-
16.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
16
ความต่างศักย์ไฟฟ้า(Electric Potential Difference) V
ความต่างศักย์ไฟฟ้า หมายถึง ค่าความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองสุดในสนามไฟฟ้า
โดยที่ V = ABV = A BV V มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
AB BAV V
ตัวอย่าง ประจุไฟฟ้า 8
4 10 คูลอมบ์ อยู่ห่างจากจุด A และ B เป็นระยะทาง 5 และ 20 ซม. จงหา
ค่าศักย์ไฟฟ้าที่จุด A และ จุด B ว่ามีค่ากี่โวลต์
ENT 27 ABC เป็นสามเหลี่ยมที่มีมุม A เป็นมุมฉาก วางประจุขนาด -6 และ +10 ไมโครคูลอมบ์ ไว้ที่
จุด A และ จุด B ซึ่งอยู่ห่างกัน 4 เซนติเมตร ถ้าจุด C มีศักดาไฟฟ้ารวมเป็นศูนย์ แล้ว AC ยาวเท่าใด
ข้อควรรู้
17.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
17
ENT48 ประจุ Q วางที่ตาแหน่ง A, B, C และ D ของวงกลมที่มีรัศมี R ดังรูป ศักย์ไฟฟ้าที่จุด
ศูนย์กลางวงกลมนี้เป็นตามข้อใด
A-net 49 ทรงกลมตัวนารัศมี 10 เซนติเมตร มีประจุ 1 ไมโครคูลอมบ์ ศักย์ไฟฟ้าที่ระยะ 5 เซนติเมตร
จากจุดศูนย์กลางภายในทรงกลมมีค่าเท่าใด
2.5 งานในการย้ายประจุ
งานในการย้ายประจุ จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง แบ่งเป็น 2 ประเภท
1. งานที่เกิดจากแรงภายใน หมายถึง งานที่สนามไฟฟ้าทาได้ ในการเคลื่อนที่ประจุ
2. งานที่เกิดจากแรงภายนอก หมายถึง งานที่เราใส่แก่ประจุ เพื่อให้ประจุเคลื่อนที่
โดย งานที่เกิดจากแรงภายใน = - งานที่เกิดจากแรงภายนอก
งานที่เกิดกับประจุในสนามไฟฟ้า(งานที่เกิดจากแรงภายใน) แยกพิจารณาได้เป็น 2 แบบ คือ
1. งานที่เกิดกับประจุในสนามไฟฟ้าสม่าเสมอ
กาหนดให้ สนามไฟฟ้าสม่าเสมอ E มีทิศไปทางขวาดังรูป ต้องการหางานที่เกิดกับประจุ เนื่องจาก
สนามไฟฟ้า ในการเคลื่อนที่จาก A ไป B ซึ่งห่างกัน S
จากสูตรของงาน W FScos
F = qE
แทนค่า W = qES โดยที่
W คือ งานเนื่องจากสนามไฟฟ้าในการพาประจุจาก A ไป B มีหน่วยเป็น จูล (J)
E คือ ความเข้มของสนามไฟฟ้าสม่าเสมอ มีหน่วยเป็น นิวตันต่อคูลอมบ์ (
N
C
)
q คือ ประจุทดสอบเคลื่อนที่จาก A ไป B มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
S คือ ระยะจาก A ไป B มีหน่วยเป็น เมตร (m)
F = Eq
E
+q
A BS
A
B
C
D
+Q
+Q
+Q
+Q
O
R
18.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
18
2.งานที่เกิดกับประจุในสนามไฟฟ้าไม่สม่าเสมอ
กาหนดให้ประจุ +q อยู่ในสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากประจุ +Q ต้องการหางานที่เกิดกับ +q เนื่องจาก
สนามไฟฟ้า ในการเคลื่อนที่จาก A ไป B ซึ่งอยู่ห่างจากประจุ +Q เป็นระยะ 1R และ 2R ตามลาดับ
C C
B C 2
B B
KQ
W FdR q( )dR
R
B C
C B B C
KQ KQ KQ KQ
W q( ) q( )
R R R R
B C B CW q(V V )
งานในการพาประจุทดสอบ q จากจุด 2 จุด เนื่องจากสนามไฟฟ้า โดยจุด 2 จุดมีศักย์ไฟฟ้าไม่เท่ากัน
ใช้สูตรดังนี้ A B A BW q(V V ) หรือ A B ABW qV โดยที่
A BW คือ งานเนื่องจากสนามไฟฟ้าในการพาประจุจาก A ไป B มีหน่วยเป็น จูล (J)
q คือ ประจุทดสอบเคลื่อนที่จาก A ไป B มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
ABV คือ ความต่างศักย์ระหว่าง A และ B มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
A BV ,V คือ ศักย์ไฟฟ้าที่ A, B มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
พลังงานศักย์ไฟฟ้า (Electric Potential Energy) PE
พลังงานศักย์ไฟฟ้า คือ พลังงานของประจุ q ขณะอยู่ ณ ตาแหน่งใดๆของสนามไฟฟ้า
สูตรหาค่าพลังงานศักย์ไฟฟ้าที่จุด A คือ P A A
A
KQq
(E ) qV
R
โดยที่
P A(E ) คือ พลังงานศักย์ไฟฟ้าของประจุที่วางอยู่ที่จุด A มีหน่วยเป็น จูล (J)
AV คือ ศักย์ไฟฟ้าที่จุด A มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
q คือ ประจุทดสอบที่มีศูนย์กลางอยู่ที่จุด A มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
Q คือ ประจุที่ทาให้เกิดสนามไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
K คือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
R คือ ระยะจากศูนย์กลางประจุที่ทาให้เกิดสนามไฟฟ้าถึงจุด A มีหน่วยเป็น เมตร (m)
งานจากแรงภายนอกที่เคลื่อนประจุจาก A ไป B
งานจากแรงภายนอกที่เคลื่อนประจุจาก A ไป B คือ งานที่เราใส่ให้แก่ประจุ หรือ ก็คืองานที่เราใช้ใน
การเคลื่อนประจุจากจุด A ไปยัง จุด B และเนื่องจาก งานจากแรงภายใน = - งานจากแรงภายนอก ดังนั้น
1. งานที่ใช้ในการเคลื่อนประจุในสนามไฟฟ้าสม่าเสมอ สูตรคือ W = -EqS
2. งานที่ใช้ในการเคลื่อนประจุในสนามไฟฟ้าไม่สม่าเสมอ
R2
FAB
A BR1
+q+Q +q
C
FAC
19.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
19
สูตรคือA B B A BAW q(V V ) qV q V หรือ A B P B P A PW (E ) (E ) E
โดยทั่วไป โจทย์จะถามหางานที่ใช้ในการเลื่อนประจุ ซึ่งหมายถึงงานภายนอกที่ใส่ให้แก่ประจุ
ตัวอย่าง ในการเคลื่อนที่ประจุ 18
6.4 10 C จากจุด B ไปยังจุด A สิ้นเปลืองงานไป 14
1.6 10 J
จงหาความต่างศักย์ระหว่าง A กับ B และถ้าศักย์ไฟฟ้าที่ B มีค่าเท่ากับ -800 V จงหาค่าศักย์ไฟฟ้าที่ A
ตัวอย่าง ประจุ 6
1 10 คูลอมบ์ จุด A และ B อยู่ห่างจากจุดประจุเป็นระยะ 1 และ 2 เมตร จงหา
ค่างานในการเคลื่อนที่ประจุ 3
2 10 คูลอมบ์ จาก A ไปยัง B ว่ามีค่ากี่จูล
ENT 46 แผ่นตัวนาขนานมีขนาดใหญ่ และมีประจุกระจายอยู่สม่าเสมอดังรูป ประจุ –Q ที่จุด A มีแรง
ไฟฟ้ากระทาเท่ากับ 2.5 N ถ้าต้องการเคลื่อนประจุนี้จาก A ไปไว้ที่ C ตามเส้นทาง ABC จะต้องทางานเท่าไร
ข้อควรรู้
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
-Q
0.4 m BA
C
0.3 m
20.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
20
ตัวอย่างอนุภาคโปรตอนเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าสม่าเสมอขนาด 50,000 นิวตันต่อคูลอมบ์ จาก A ไป
B ถ้าการเคลื่อนที่ในลักษณะนี้ ทาให้อนุภาคโปรตอน มีพลังงานจลน์เปลี่ยนไป 15
2 10 จูล จงหาระยะAB
ENT 36 จุดประจุ 9
10 คูลอมบ์ วางไว้ที่จุด X โดยจุด A และ B อยู่ห่างจากจุด X เป็นระยะ 20 และ
50 เซนติเมตรตามลาดับ จงหางานในการเลื่อนอนุภาคโปรตอน จาก B ไป A ว่ามีค่ากี่จูล
ENT 32 ถ้าต้องการเร่งอนุภาคมวล 12
4 10 กิโลกรัม ที่มีประจุ 9
8 10 คูลอมบ์ จากสภาพหยุด
นิ่ง ให้มีอัตรเร็ว 100 เมตรต่อวินาที จะต้องใช้ความต่างศักย์กี่โวลต์
ENT 47 จุดประจุ +Q สี่ประจุ อยู่ที่มุมทั้งสี่ของสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ a จงหาค่าของงานที่ต้องทา
ในการนาจุดประจุ +q จากอนันต์มาไว้ที่จุดศูนย์กลางรูปจัตุรัสนี้
21.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
21
3.ความต่างศักย์ กับสนามไฟฟ้ า
ความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าสม่าเสมอ และ ความต่างศักย์
แรงกระทาต่อประจุทดสอบ = Eq
งานในการพาประจุ q จากแผ่นบวก (A) ไปแผ่นลบ (B) =Ep d
จากสูตร A B ABW qV จะได้ ABEqd qV
ดังนั้นสนามไฟฟ้า บนความต่างศักย์ ที่ระยะห่าง d คือ ABV
E
d
โดยที่ E คือ ความเข้มสนามไฟฟ้าที่คงที่ระหว่างแผ่นบวกและแผ่นลบ มีหน่วยเป็น นิวตันต่อคูลอมบ์ (
N
C
)
ABV คือ ความต่างศักย์ระหว่าง A และ B มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
d คือระยะห่างระหว่างแผ่นบวก และแผ่นลบ มีหน่วยเป็น เมตร (m)
โควต้ามช. 30 แผ่นโลหะ 2 แผ่นวางขนานกันห่างกัน 2 เซนติเมตร ถ้าแผ่นแรกต่อกับขั้วบวกแบตเตอรี่ ถ้า
แผ่นแรกต่อกับขั้วบวกแบตเตอรี่ และอีกแผ่นต่อเข้ากับขั้วลบแบตเตอรี่ ถ้าความต่างศักย์ขั้วแบตเตอรี่เป็น 12
โวลต์ จงหาขนาดของสนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นขนาน ว่ามีค่ากี่นิวตันต่อคูลอมบ์
ตัวอย่าง จากรูปแผ่นขนาน AB ห่างกัน 25 ซม. มีความต่างศักย์ 6 V จงหาความต่างศักย์ระหว่าง PQ
ENT 42 แผ่นโลหะขนานสองแผ่น วางห่างกันสม่าเสมอเป็นระยะ d เมตร แต่ละแผ่นมีประจุไฟฟ้า
ชนิดตรงข้ามกัน เป็น +Q และ –Q ถ้าอนุภาคมวล m กิโลกรัม มีประจุไฟฟ้า –2q คูลอมบ์ หลุดออกจากแผ่น
ลบและวิ่งด้วยความเร่ง 3g ไปยังแผ่นบวก แผ่นโลหะทั้งสองมีความต่างศักย์เท่าใด (ตอบในรูป d, q, m, g)
-
-
-
-
+
+
+
+
E
+q EF Eq
S=d
ABV
A B
5 cm
-
-
-
-
+
+
+
+
15 cm
A B
P
Q
22.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
22
ENT29 ลูกพิธมวล m กิโลกรัม มีประจุ +q คูลอมบ์ เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า E นิวตัวต่อคูลอมบ์ ซึ่ง
ตั้งฉากกับผิวโลก ปรากฎว่าลูกพิธลอยขึ้นโดยขนานกับสนามไฟฟ้าจากจุด A ไปยังจุด B ด้วยความเร่ง a เมตร
ต่อวินาทีกาลังสอง ถ้าจุด B อยู่สูงกว่าจุด A เป็นระยะ d เมตร และค่าความเร่งเนี่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก
เป็น g เมตรต่อวินาทีกาลังสอง ความต่างศักย์ระหว่างจุด B กับ A มีค่าเท่าไร และ สนามไฟฟ้ามีทิศใด
ตัวอย่าง ทรงกลมเล็กๆมวล 0.2 g ผูกไว้ด้วยเชือกเล็ก อยู่ระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่นวางห่างกัน 5 cm
ถ้าทรงกลมมีประจุ 9
6 10 C จงหาความต่างศักย์ระหว่งแผ่นโลหะ ที่ทาให้เชือกเอียงทามุม30 กับแนวดิ่ง
ENT 39 มวล 12
6.4 10 g มีประจุไฟฟ้า 19
3.2 10 Cลอยนิ่งอยู่ได้ระหว่างแผ่นโลหะขนาน ซึ่ง
วางห่างกัน 1 cm แผ่นโลหะขนานอยู่ในแนวระดับ ถ้าแผ่นล่างมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ จงหาศักย์ไฟฟ้าแผ่นบน
4. ความจุไฟฟ้ า และตัวเก็บประจุ
4.1 สมการความจุไฟฟ้า
ตัวเก็บประจุ (Capacitor หรือ Condenser) คือ ตัวนาที่ทาหน้าที่ในการเก็บประจุในวงจรไฟฟ้า เวลา
ต่อตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้าขาด้าน(+) ต่อกับศักย์ไฟฟ้าสูง ส่วนขาด้าน(-) ต่อกับศักย์ไฟฟ้าต่า ความสามารถ
ในการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ เรียกว่า ความจุไฟฟ้า (Capacitance)
ความจุของตัวนาใด คือ ปริมาณประจุไฟฟ้า ที่ทาให้ตัวนามีค่าศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1 หน่วย
ตัวนาใดมีความจุไฟฟ้ามาก แสดงว่าจะต้องใช้ประจุไฟฟ้าจานวนมาก จึงทาให้ศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแต่ตัวนาใดมี
ความจุไฟฟ้าน้อยเมื่อได้รับประจุไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ศักย์ไฟฟ้าก็จะเพิ่มขึ้นจากเดิมมาก
ดังนั้นสูตรสาหรับคานวณค่าความจุไฟฟ้าของตัวนา คือ
Q
C
V
โดยที่
23.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
23
Cคือ ค่าความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
Q คือ จานวนประจุไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
V คือ ความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวนา มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
ตัวอย่าง ตัวเก็บประจุตัวหนึ่งทาจากแผ่นโลหะขนานที่มีความต่างศักย์ 2 โวลต์ ถ้าตัวเก็บประจุตัวนี้
สามารถเก็บประจุได้ 6
5 10 Cจงหาค่าความจุของตัวเก็บประจุนี้
ตัวอย่าง ตัวเก็บประจุตัวหนึ่งมีความจุ 24 ไมโครฟารัด ถ้าตัวเก็บประจุตัวนี้สามารถเก็บประจุได้ 12
ไมโครคูลอมบ์ จงหาค่าความจุของตัวเก็บประจุนี้
4.2 ความจุไฟฟ้าในกรณีต่างๆ
ความจุไฟฟ้าของตัวนาทรงกลมลูกเดียว
เมื่อตัวนาทรงกลมรัศมี R มีประจุไฟฟ้า Q บนผิวตัวนา จะเกิดศักย์ไฟฟ้าที่ผิวทรงกลมมีค่า V จาก
นิยามความจุไฟฟ้า (C)
Q
C
V
และ
KQ
V
R
จะได้ว่า
QR
C
KQ
ดังนั้นสูตรสาหรับคานวณค่าความจุไฟฟ้าของตัวนาทรงกลม คือ
R
C
K
โดยที่
C คือ ค่าความจุไฟฟ้าของตัวนาทรงกลม มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
R คือ รัศมีของตัวนาทรงกลม มีหน่วยเป็น เมตร (m)
K คือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
ตัวอย่าง ทรงกลมตัวนาหนึ่ง รัศมี 10 เซนติเมตร จะมีค่าความจุไฟฟ้าเท่าใด
24.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
24
ตัวอย่างถ้าตัวนาทรงกลมที่ผิวมีศักย์ไฟฟ้า 20 โวลต์ มีความจุไฟฟ้า 0.1 ไมโครฟารัด จะมีประจุไฟฟ้า
บนผิวทรงกลมเท่าใด
ตัวอย่าง ตัวเก็บประจุหนึ่งมีอักษรเขียนไว้0.05 c ,400Vจะสามารถเก็บประจุไว้ได้สูงสุดเท่าใด ถ้า
เอาไปใช้งานที่ต้องการเก็บประจุ15 C ต้องต่อกับความต่างศักย์เท่าใด
ตัวอย่าง แผ่นโลหะขนานห่างกัน 2 เซนติเมตร ใช้ทาเป็นตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุ 50 พิโคฟารัด ถ้า
สนามไฟฟ้าระหว่างแผ่นโลหะมีค่า 600 นิวตันต่อคูลอมบ์ อยากทราบว่าตัวเก็บประจุนี้มีประจุเท่าใด
ความจุไฟฟ้าของตัวนาทรงกลมซ้อนกันและลูกนอกต่อลงดิน
พิจารณาทรงกลมสองลูก A และ B มีรัศมี r, R ตามลาดับ เมื่อวางทรงกลม A ลงในทรงกลม B โดยให้
จุดศูนย์กลางร่วมกัน แล้วให้ประจุ +Q แก่ทรงกลม A ซึ่งทาให้เกิดประจุเหนี่ยวนา –Q ที่ผิวในของทรงกลม B
และประจุ +Q ที่ผิวนอกของทรงกลม B จากนั้นต่อสายดินกับผิวนอกของทรงกลม B ประจุที่ผิวนอกจะหมด
ไป เหมือแต่ประจุ –Q ที่ผิวในของทรงกลม B ดังรูป
สามารถหาศักย์ไฟฟ้าของทรงกลมลูกในได้จาก
V =
KQ KQ
( )
r R
=
1 1
KQ( )
r R
=
KQ(R r)
Rr
และสามารถหาค่าความจุของทรงกลมลูกในได้จาก
C =
Q
V
=
Q(Rr)
KQ(R r)
=
Rr
K(R r)
ดังนั้นสูตรสาหรับคานวณค่าความจุของตัวนาทรงกลมซ้อนกัน คือ
Rr
C
K(R r)
โดยที่
C คือ ค่าความจุไฟฟ้าของตัวนาทรงกลมซ้อนกัน มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
R คือ ระยะจากศูนย์กลางถึงผิวในของทรงกลมลูกนอก มีหน่วยเป็น เมตร (m)
r คือ ระยะจากศูนย์กลางถึงผิวนอกของทรงกลมลูกใน มีหน่วยเป็น เมตร (m)
K คือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
+ +
+
++
+
- -
-
-
-
-
-
r
R
B
A
+
25.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
25
ตัวอย่างลูกกลมโลหะกลวง A และ B มีจุดศูนย์กลางร่วมกัน A อยู่ภายใน B โดย A มีรัศมี 5 ซม. ส่วน
B มีรัศมี 6 ซม. ถ้าต่อด้านนอกของ B ลงดิน ความจุรวมจะมีค่าเท่าใด
ความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบแผ่นโลหะขนาน
จากความรู้ของทรงกลมโลหะสองลูกซ้อนกัน หาความจุได้จากสูตร
Rr
C
K(R r)
ถ้าพิจารณาทรง
กลมทั้งสองมีขนาดใหญ่มากๆ ถือว่า R r คือผิวนอกของลูกในใกล้ชิดกับผิวในของลูกนอกมาก แล้วระยะ
(R r)ก็คือ ระยะห่างระหว่างผิวทรงกลมทั้งสอง ในที่นี้สมมติให้ R r d ดังนั้นสามารถหาความจุของตัว
เก็บประจุแบบแผ่นโลหะขนานได้จาก
เมื่อR r 2
Rr r และ R r d
ดังนั้น พื้นที่ผิวทรงกลม 2
4 r มีความจุ
2
r
Kd
ถ้า พื้นที่ผิวทรงกลม A จะมีความจุ
2
2
r A A
Kd 4 r 4 Kd
ดังนั้น สูตรสาหรับหาค่าความจุของตัวเก็บประจุแบบแผ่นโลหะขนาน คือ
A
C
4 Kd
โดยที่
C คือ ค่าความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบแผ่นโลหะขนาน มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
A คือ พื้นที่บนแผ่นโลหะแผ่นหนึ่ง หรือเป็นพื้นที่ส่วนที่ซ้อนกัน มีหน่วยเป็น ตารางเมตร ( 2
m )
d คือ ระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะทั้งสอง มีหน่วยเป็น เมตร (m)
K คือ ค่านิจของคูลอมบ์ มีค่าเท่ากับ 9
9 10
2
2
Nm
C
(
0
1
K
4
ซึ่ง
2
12
0 2
C
8.85 10
Nm
)
ตัวอย่าง ตัวเก็บประจุแบบแผ่นโลหะขนาน โดยมีอากาศคั่นระหว่างแผ่นโลหะทั้งสอง มีความจุ 14 พิ
โคฟารัด และระยะห่างระหว่างแผ่นเป็น 1 มิลลิเมตร จงหาพื้นที่ของแผ่นโลหะขนานแต่ละแผ่น
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
26.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
26
ตัวอย่างตัวเก็บประจุแบบแผ่นโลหะขนาน โดยมีอากาศคั่นระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองและมีระยะห่าง
กัน 2 มิลลิเมตร มีพื้นที่แต่ละแผ่น 1 ตารางเซนติเมตร จงหาความจุของตัวเก็บประจุ
การต่อตัวเก็บประจุ
ในการนาตัวเก็บประจุหลายๆ ตัว มาต่อกันเพื่อใช้งาน มี 2 วิธีด้วยกันคือ แบบอนุกรม และแบบขนาน
สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุ คือ หรือ
1. การต่อแบบอนุกรม คือการนาแผ่นบวกของตัวเก็บประจุตัวหนึ่ง มาต่อกับแผ่นลบของตัวเก็บประจุ
อีกตัวหนึ่ง เรียงกันเรื่อยๆ เมื่อต่อตัวเก็บประจุ เข้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้า จะเกิดการไหลของประจุทันที และ
ผลของการต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรมจะได้ว่า
- ประจุในตัวเก็บประจุแต่ละตัวเท่ากัน และเท่ากับประจุของทั้งวงจร นั่นคือ
รวม 1 2 3Q Q Q Q
- ความต่างศักย์ไฟฟ้ารวมเท่ากับ ผลรวมของความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุทุกตัว นั่นคือ
รวม 1 2 3V V V V
จาก
Q
C
V
จะได้
Q
V
C
ดังนั้น รวม 1 2 3
รวม
รวม 1 2 3
Q Q Q Q
V
C C C C
จะได้ว่า
รวม 1 2 3
1 1 1 1
C C C C
2. การต่อแบบขนาน คือ การนาตัวเก็บประจุมาต่อกันโดยให้ต่อแผ่นบวกรวมกันที่จุดหนึ่ง และให้แผ่น
ลบรวมกันที่อีกจุดหนึ่ง ผลของการต่อแบบขนานจะได้ว่า
- ความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะเท่ากัน และเท่ากับความต่างศักย์ไฟฟ้ารวม นั่นคือ
รวม 1 2 3V V V V
- ประจุไฟฟ้ารวมเท่ากับผลรวมของประจุที่ผ่านตัวเก็บประจุไฟฟ้านั่นคือ
รวม 1 2 3Q Q Q Q
จาก
Q
C
V
จะได้ Q CV
ดังนั้น รวม รวม รวม 1 1 2 2 3 3Q C V C V C V C V
จะได้ว่า รวม 11 2 3C C C C
C1 C2 C3
+ - + - + -
V
Q
Q1
+ -
Q2 Q3
Q
V
Q + -
Q
C1
C2
C3
+ -
+ -
+ -
Q1
Q2
Q3
A B
+ - + -
27.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
27
ตัวอย่างเมื่อนาตัวเก็บประจุขนาด 5 ไมโครฟารัด และ 20 ไมโครฟารัด ไปต่อเข้ากับความต่างศักย์
200 โวลต์ จะเกิดประจุและความต่างศักย์บนตัวเก็บประจุตัวละเท่าใด ถ้าตัวเก็บประจุทั้งสองนั้นต่อกันแบบ
ก. อนุกรม ข. ขนาน
A-net 50 หลังสับสวิตซ์ S ลงแล้ว ความต่างศักย์ระหว่างจุด A กับ B มีค่าเท่าใด
ตัวอย่าง จากวงจรตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่กาหนดให้
ก. จงหาความจุระหว่าง A, B
ข. ถ้าตัวเก็บประจุที่มีความจุ 5 F มีประจุ 120 C จงหาความต่างศักย์ระหว่าง A, B
เทคนิคการจา
3 F
4 F
3 F
4 F
4 F
5 F
2 F
A B
+q0
-q0
C 2C
S
B
A
28.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
28
ตัวอย่างตัวเก็บประจุ 2 ตัว เมื่อนามาต่อกันแบบอนุกรมแล้วนาไปต่อกับความต่างศักย์ 24 V ปรากฏ
ว่าตัวเก็บประจุแต่ละตัวจะมีประจุตัวละ 48 C แต่ถ้านาตัวเก็บประจุทั้งสองมาต่อขนานกัน แล้วนาไปต่อกับ
ความต่างศักย์ 24 V จะมีประจุผ่านตัวเก็บประจุทั้งหมด 216 C จงหาความจุของตัวเก็บประจุทั้งสอง
ตัวอย่าง จากรูป เริ่มแรกตัวเก็บประจุ 1C มีความต่างศักย์ 1,000 V และ 2C ไม่มีประจุอยู่เลย เมื่อสับ
สวิตซ์ S ลง ความต่างศักย์ของตัวเก็บประจุ 1C จะลดลงเหลือ 800 V ถ้าตัวเก็บประจุ 1C มีความจุ 3
6 10 F
แล้วตัวเก็บประจุ 2C จะมีความจุเท่าใด
ENT 43 ต่อตัวเก็บประจุ 1,000 F เข้ากับแบตเตอรี่ 12 V แล้วปลดออก จากนั้นจึงนาตัวเก็บประจุ
ตัวนั้นไปต่อขนานกับตัวเก็บประจุ 2,000 F อีกตัวหนึ่ง จงหาความต่างศักย์ระหว่างขั้วของตัวเก็บประจุเดิม
ENT 46 ในการทดลองสร้างตัวเก็บประจุแผ่นโลหะขนานด้วยแผ่นอะลูมิเนียมและพลาสติกวางซ้อนๆ
กัน เมื่อใช้แผ่นอะลูมิเนียม 2 แผ่น ให้ความจุ 300 พิโคฟารัด ถ้าใช้แผ่นอะลูมิเนียม 5 แผ่น และต่อวงจรไฟฟ้า
ดังรูป ความจุระหว่าง AB เป็นกี่พิโคฟารัด
C1 C2
S
A B
แผ่นพลาสติก แผ่นอะลูมิเนียม
29.
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
29
4.3พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ
เมื่อต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเข้ากับปลายทั้งสองของตัวเก็บประจุ พบว่าในตอนแรกตัวเก็บประจุยังไม่มี
ประจุ เมื่อตัวเก็บประจุมีประจุเพิ่มขึ้นจาก 0 ถึง Q ความต่างศักย์ที่ปลายทั้งสองของตัวเก็บประจุจะมีค่า
เพิ่มขึ้นจาก 0 ถึง V ด้วย
งานในการเคลื่อนประจุผ่านจุด 2 จุดที่มีความต่างศักย์ V ให้แก่ตัวเก็บประจุ(W) หาได้จากพื้นที่ใต้
กราฟระหว่าง V และ Q โดยที่งานที่ให้แก่ตัวเก็บประจุ(W) นี้ จะเท่ากับพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ(U) ด้วย
จาก W = พื้นที่ใต้กราฟ =
1
QV
2
และ U = W ดังนั้นสูตรสาหรับหาค่าพลังงานที่สะสมในตัวเก็บประจุ
คือ
1
U QV
2
หรือ 21
U CV
2
(จาก Q = CV)
หรือ
2
1 Q
U
2 C
(จาก
Q
V
C
)
โดยที่ U คือ พลังงานที่สะสมในตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น จูล (J)
Q คือ จานวนประจุไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C)
V คือ ความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)
C คือ ความจุของตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น ฟารัด (F)
ตัวอย่าง ตัวเก็บประจุ 2 ตัว มีความจุ 3 และ 6 ไมโครฟารัด นามาต่อกัน และนาไปต่อกับความต่าง
ศักย์ 180 โวลต์ จงหาประจุและพลังงานสะสมทั้งหมดในตัวเก็บประจุ เมื่อต่อตัวเก็บประจุแบบ
ก. อนุกรม ข. ขนาน
PAT2 ก.ค.52 จงหาพลังงานในตัวเก็บประจุ 0C และ 2C ตามลาดับ กาหนด 2 0C 2C
V
Q0 ประจุไฟฟ้า
ความต่างศักย์ไฟฟ้า
0C 2C
V
ฟิสิกส์ ไฟฟ้าสถิต www.clipvidva.com
31
4.4การนาตัวนาที่มีประจุมาแตะกัน
เมื่อมีทรงกลมตัวนา 2 อัน มีประจุ 1Q และ 2Q มีรัศมี 1R และ 2R ตามลาดับ เมื่อนาทรงกลมทั้งสองมา
สัมผัสกัน หรือเชื่อมต่อกัน จะเกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างทรงกลมทั้งสอง
หากเป็นการสัมผัสกันภายใน
ประจุหลังสัมผัสจะหนีมาอยู่ที่ผิวนอกของลูกใหญ่กว่า
หากเป็นการสัมผัสกันภายนอก
จะมีหลักการถ่ายเทประจุดังนี้
1. ประจุ (Q): ผลรวมของประจุก่อนถ่ายเท จะเท่ากับผลรวมของประจุหลังถ่ายเท
ก่อน หลังQ Q
1 2 1 2Q Q Q Q (Q คือ ปริมาณประจุไฟฟ้าหลังสัมผัส)
2. ความจุ (C): ความจุรวมขณะสัมผัส จะเท่ากับผลรวมความจุของตัวนาทั้งสอง
1 2C C C
1 2 RR R
C
K K K
(จาก
R
C
K
)
3. ศักย์ไฟฟ้า (V): ประจุจะหยุดถ่ายเทเมื่อศักย์ไฟฟ้าที่ผิวทรงกลมทั้งสองเท่ากัน
รวม 1 2V V V (V คือ ศักย์ไฟฟ้าหลังสัมผัส)
รวม 1 2
รวม 1 2
Q Q Q
C C C
(จาก
Q
V
C
)
1 2
1 2
Q Q Q
C C C
จะได้ว่า 1
1
C Q
Q
C
หรือ 1
1
R Q
Q
R
และ 2
2
C Q
Q
C
หรือ 2
2
R Q
Q
R
+
++
+
+
+
+
+
R1 R2
Q1 Q2