ไฟฟ้าสถิต & น้ำในยานอวกาศ ฟ้าผ่าจิ๋ว Franklin Bells ไจโรสโคป

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมได้เห็นไฟฟ้าสถิตดูดน้ำชัดๆ และได้ดูคลิปไฟฟ้าสถิตดูดหยดน้ำในยานอวกาศในสภาพไร้น้ำหนัก ได้รู้หลักการทำงานของไม้ช็อตยุงและทำไมมันถึงเป็นฟ้าผ่าแบบจิ๋วๆที่ทำงานด้วยหลักการเดียวกับฟ้าผ่าจริงๆในท้องฟ้า ได้ดูของเล่นจากไฟฟ้าสถิตที่เรียกว่า Franklin Bells หรือป๋องแป๋งไฟฟ้า เด็กประถมปลายได้ดูวิธีประมาณโวลท์ของไม้ช็อตยุงด้วยการดูว่าประกายไฟข้ามอากาศได้กว้างแค่ไหน เด็กอนุบาลสามได้คุยกันเรื่องธรรมชาติและปริมาณการหมุน และได้เล่นลูกข่างไจโรสโคปครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ คราวที่แล้วเรื่อง “ไฟฟ้าสถิต & น้ำ & ไม้ช็อตยุง สร้าง Electroscope ระเบิดเบกกิ้งโซดา” ครับ)

สำหรับเด็กประถม ผมพาไปดูไฟฟ้าสถิตดูดสายน้ำให้ชัดๆครับ ไปที่ก๊อกน้ำเปิดน้ำให้ไหลเป็นเส้นเล็กๆ เอาหลอดพลาสติกถูกกับกระดาษ แล้วเอาหลอดไปใกล้ๆสายน้ำ สายน้ำจะวิ่งเข้าหาหลอดพลาสติกครับ:

ไฟฟ้าสถิตบนหลอดพลาสติกดูดสายน้ำเข้าหาหลอดครับ
ไฟฟ้าสถิตบนหลอดพลาสติกดูดสายน้ำเข้าหาหลอดครับ

สาเหตุที่ไฟฟ้าสถิตดูดน้ำก็เพราะว่าโมเลกุลน้ำ H2O บางส่วนสามารถแตกตัวเป็น H+ ซึ่งมีประจุบวกและ OH ซึ่งมีประจุลบได้ รวมถึงอาจมีไอออนอื่นๆที่มีประจุละลายอยู่ เมื่อเอาไฟฟ้าสถิตไปใกล้ๆ ส่วนประกอบในน้ำที่มีประจุตรงข้ามกับประจุไฟฟ้าสถิ­ตจะถูกดูดเข้าหาแหล่งที่มี ไฟฟ้าสถิต ส่วนประจุที่เหมือนกับไฟฟ้าสถิตจะอยู่ด้านที่ห่างออกไปในสายน้ำ

จากนั้นผมก็ให้เด็กๆดูคลิปการทดลองในสถานีอวกาศครับ เอาเข็มถักไหมพรมที่เป็นพลาสติกไนลอน ถูกับกระดาษ แล้วปล่อยหยดน้ำเข้าไปใกล้ๆ ก่อนจะดู ผมถามเด็กๆว่าคิดว่าหยดน้ำจะเป็นอย่างไร มันจะลอยอยู่เฉยๆ หรือวิ่งหนีหรือวิ่งเข้าหาแหล่งไฟฟ้าสถิต เด็กๆก็เดากันไปต่างๆนาๆครับ แล้วเราก็ดูคลิปกัน:

ถ้าเราอยู่บนโลก หยดน้ำจะตกลงสู่พื้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก แต่ในสถานีอวกาศ หยดน้ำและสถานีอวกาศโคจรไปรอบๆโลกพร้อมๆกัน หยดน้ำจึงไม่ตกลงสู่พื้นเพราะมันอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก (คล้ายๆกับเรารู้สึกตัวเบาเมื่ออยู่ในลิฟท์และลิฟท์วิ่งลงเร็วๆ หรือตอนนั่งรถไฟเหาะที่กำลังดิ่งลงมา เราจะรู้สึกตัวลอยๆ น้ำหนักหายไป เพราะตัวเราไม่ค่อยกดกับลิฟท์หรือรถไฟเหาะ) สภาพไร้น้ำหนักนี้ไม่ใช่เพราะไม่มีแรงโน้มถ่วงนะครับ แรงโน้มถ่วงยังมีเยอะเลย เพียงแต่ทุกอย่างในสถานีอวกาศเคลื่อนที่รอบๆโลกเหมือนๆกันมันเลยไม่มีการผลักกันหรือกดกัน เลยลอยๆไร้น้ำหนัก

ถ้าเราไม่เอาไฟฟ้าสถิตไปดูดหยดน้ำ หยดน้ำที่อยู่นิ่งๆก็จะอยู่นิ่งๆต่อไปเรื่อยๆ หยดน้ำที่วิ่งเป็นเส้นตรงก็จะวิ่งเป็นเส้นตรงต่อไป แต่พอมีไฟฟ้าสถิตมาดูด หยดน้ำเลยวิ่งโค้งเข้าหาแท่งพลาสติก ถ้าวิ่งช้าไปก็จะโค้งเข้าชน ถ้าวิ่งเร็วไปก็จะวิ่งโค้งๆเข้าหาแท่งพลาสติกแล้ววิ่งเลยไปไม่กลับมา ถ้าความเร็วพอเหมาะไม่ช้าไม่เร็วเกินไป หยดน้ำก็จะโคจรรอบแท่งพลาสติกโดยมีแรงดึงดูดจากไฟฟ้าสถิตเป็นแรงดึงสู่ศูนย์กลางการโคจร

ต่อไปผมก็เอาไม้ช็อตยุงมาอวดเด็กๆครับ ให้เด็กๆสังเกตว่ามันมีตะแกรงโลหะสามชั้น ชั้นในตรงกลางจะต่อกับขั้วไฟฟ้าอันหนึ่ง ชั้นนอกทั้งสองด้านจะต่อกับอีกขั้วหนึ่ง พอกดสวิทช์ ตะแกรงด้านนอกกับด้านในจะมีแรงดันไฟฟ้าต่างกันเป็นพันเป็นหมื่นโวลท์ ถ้ายุงเข้าไประหว่างตะแกรงก็จะโดนไฟฟ้าช็อตตายได้ครับ ผมอธิบายประมาณแบบนี้ที่อัดคลิปไว้ที่ช่องเด็กจิ๋ว & ดร.โก้ครับ:

หลักการทำงานของมันก็คือมันจะใช้แบตเตอรี่ภายในของมันส่งไฟฟ้าไปที่ตะแกรงลวดด้านนอกและด้านในโดยให้มีประจุตรงกันข้ามระหว่างตะแกรงลวดด้านนอกและด้าน ใน ทำให้มีความต่างศักย์กันประมาณหลายพันโวลท์ ถ้ายุงไปพาดตะแกรงไฟฟ้าก็จะไหลผ่านตัวยุงทำให้มันสลบหรือตาย นอกจากนั้นถ้ายุงโดนตะแกรงแค่ด้านเดียว (แต่ถ้าเข้าไปอยู่ระหว่างตะแกรงนอกกับใน) ระยะห่างของตัวยุงกับตะแกรงจะน้อยพอที่จะทำให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านตัวยุง และผ่านอากาศเข้าไปในตะแกรงอีกด้านได้ เพราะเมื่อยุงไปพาดตะแกรงอันหนึ่งจะทำให้ระยะห่างระหว่างยุงกับตะแกรงอีกอันน้อยลง จนทำให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านอากาศได้ (ปกติถ้าความต่างศักย์ประมาณ 3,000 โวลท์จะทำให้กระแสไฟข้ามอากาศได้ประมาณ 1 มิลลิเมตร)

ภาพวาดแสดงว่ายุงเข้าไปอยู่ระหว่างตะแกรงด้านใน (ใส่เครืองหมาย + เอาไว้) และตะแกรงด้านนอก (ใส่เครื่องหมายลบเอาไว้)
ภาพวาดแสดงว่ายุงเข้าไปอยู่ระหว่างตะแกรงด้านใน (ใส่เครืองหมาย + เอาไว้) และตะแกรงด้านนอก (ใส่เครื่องหมายลบเอาไว้)

การที่สิ่งมีชีวิตอย่างเราโดนไฟฟ้าแล้วตายเกิดจากสองสาเหตุหลักคือ ถ้ากระแสไฟฟ้ามีปริมาณมากๆไหลผ่านเรา จะเกิดความร้อนสูงและเราก็ไหม้ตาย อีกสาเหตุก็คือกระแสไฟฟ้าไม่มากจนร้อนไหม้ แต่มากพอที่ไปรบกวนการเต้นของหัวใจทำให้หัวใจหยุดเต้นครับ ปกติยุงที่โดนไฟฟ้าจากไม้แปะยุงแล้วตายจะมีกลิ่นไหม้ๆด้วย นอกจากบางตัวโชคดีแค่สลบเพราะไฟในไม้แปะยุงอ่อนแล้ว

หลักการการทำงานของไม้แปะยุงนี้เป็นหลักการเดียวกับปรากฎการณ์ฟ้าแลบ/ฟ้าร้อง/ฟ้าผ่า คือเมฆที่ก่อตัวจากการเคลื่อนไหวของอากาศเยอะๆทำให้เหมือนมีการขัดถูกัน ระหว่างน้ำและเกล็ดน้ำแข็ง ทำให้เมฆแต่ละส่วนหรือพื้นดินมีประจุเครื่องหมายต่างกันคล้ายๆตะแกรงด้านนอก กับด้านในของไม้แปะยุง เมื่อประจุต่างกันมากพอ กระแสไฟฟ้าก็จะสามารถไหลผ่านอากาศได้ ทำให้อากาศร้อนขยายตัวอย่างรวดเร็วทำให้มีแสงสว่าง (จากความร้อน) และเสียงดัง (จากการขยายตัวอย่างรวดเร็ว) ทำให้เราเห็นฟ้าแลบ และได้ยินฟ้าร้อง นอกจากบางทีที่เราอยู่ไกลเกินไปเลยไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องครับ

จากนั้นเด็กๆได้ดูภาพสโลโมชั่นของสายฟ้ากันครับ:

เราจะเห็นแสงวิ่งลงมาจากเมฆข้างบนลงสู่พื้นโดยแตกแยกเป็นกิ่งก้านสาขา เหมือนกิ่งหรือรากไม้ จนกระทั้งกิ่งเล็กๆกิ่งหนึ่งเข้าใกล้แผ่นดินพอ ก็จะเกิดแสงจ้าวิ่งจากพื้นดินขึ้นสู่ก้อนเมฆ

แสงที่เราเห็นเกิดจากกระแสไฟฟ้าวิ่งผ่าอากาศ ทำให้อากาศร้อน (เป็นพันๆองศาเซลเซียส) จนเปล่งแสงออกมา เรามีกระแสไฟฟ้าได้เพราะตอนที่ไอน้ำและหยดน้ำลอยขึ้นไปเป็นเมฆฝนจะเกิดการชน หรือเสียดสีกับอากาศทำให้มีประจุไฟฟ้าคล้ายกับการที่เราเอาลูกโป่งมาถูกับ หัวเราให้เกิดไฟฟ้าสถิต เมฆฝนที่ทำให้มีฟ้าฝ่าก็มีไฟฟ้าสถิตมากมายจากการชนและเสียดสีเหมือนกัน

ประจุไฟฟ้าสะสมอยู่ห่างๆกันทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในที่ต่างๆในบริเวณนั้น ถ้าสนามไฟฟ้าแรงพอ (ประมาณ 30,000โวลท์ต่อเซ็นติเมตร) อากาศบริเวณนั้นจะเริ่มนำไฟฟ้ายอมให้กระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านได้ ถ้ามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมากพอ อากาศแถวนั้นก็จะร้อนและเรืองแสง

ในวิดีโอที่เราเห็นแสงวิ่งเป็นกิ่งก้านลงมากจากก้อนเมฆนั่นเป็นเพราะ กระแสไฟฟ้าวิ่งในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มต่างๆกัน เมื่อกิ่งก้านไหนมาแตะกับพื้นหรือของที่ติดกับพื้น กระแสไฟฟ้าจำนวนมากก็สามารถถ่ายเทผ่านกิ่งก้านนั้นทำให้เกิดแสงจ้ามากๆดัง ที่เราเห็น

ฟ้าร้องคือเสียงที่อากาศขยายตัวอย่างรวดเร็วจากความร้อนมหาศาลที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าวิ่งผ่านอากาศนั่นเอง

สายล่อฟ้าคือแท่งโลหะที่นำไฟฟ้าได้ดีๆ (มักจะเป็นทองแดงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2-5 เซ็นติเมตร) ที่ไปใว้ในที่สูงๆ และเชื่อมต่อกับพื้นดินด้วยเส้นลวดทองแดงหรืออลูมิเนียมใหญ่ๆ ทำหน้าที่เป็นทางเดินให้ไฟฟ้าไหลลงจากเมฆลงไปที่พื้นดีๆ ไม่ไปไหลผ่านของอื่นๆที่อาจระเบิดหรือไหม้ไฟได้

จากนั้นผมก็พยายามประมาณว่าไม้ช็อตยุงมีแรงดันไฟฟ้ากี่โวลท์ครับ เอาสายไฟเส้นหนึ่งต่อกับตะแกรงด้านในแล้วลากออกมาติดไว้กับเข็มหมุด เอาสายไฟอีกเส้นต่อกับตะแกรงด้านนอกแล้วติดกับเข็มหมุดอีกเล่ม เข็มหมุดทั้งสองทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าครับ แล้วเราก็ประมาณแรงดันไฟฟ้าโดยดูว่าระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าต้องห่างแค่ไหนถึงจะทำให้อากาศตรงกลางนำ ไฟฟ้าได้ (ตอนนั้นจะมีไฟแลบ เหมือนฟ้าแลบจิ๋ว) ถ้าเราชาร์จไฟไม้ช็อตยุงให้เต็มๆ จะได้ระยะห่างประมาณ 3.5 มิลลิเมตร แสดงว่าแรงดันไฟฟ้าของไม้ช็อตยุงจะอยู่ที่ประมาณ 10,000 โวลท์ เนื่องอากาศจะเริ่มนำไฟฟ้าได้เมื่อมีสนามไฟฟ้าประมาณ 3,000 โวลท์/มิลลิเมตร (10,000 โวลท์ ~ 3.5 มิลลิเมตร x 3,000 โวลท์/มิลลิเมตร)

วัดระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าว่าไกลที่สุดแค่ไหนที่จะมีไฟแลบครับ
วัดระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าว่าไกลที่สุดแค่ไหนที่จะมีไฟแลบครับ

หลังจากประมาณแรงดันไฟฟ้าเสร็จผมก็ให้เด็กๆดูป๋องแป๋งไฟฟ้า (Franklin Bells) อีกแบบหนึ่งครับ คราวนี้ใช้กระป๋องอลูมิเนียมสามอัน:

ดูวิธีทำที่ https://www.youtube.com/watch?v=gVUpmnEppqY นะครับ แต่แบบนี้ตรงกลางเป็นกระป๋องอลูมิเนียมแทนจะเป็นก้อนฟอยล์อลูมิเนียม จริงๆตรงกลางเป็นตัวนำไฟฟ้าเบาๆอะไรก็ได้ที่แขวนไว้กับฉนวนไฟฟ้าครับ

ของเล่นชนิดนี้ทำจากกระป๋องอลูมิเนียมสองกระป๋อง ต่อกระป๋องอันหนึ่งกับตะแกรงด้านในของไม้แปะยุง และต่ออีกกระป๋องกับตะแกรงด้านนอก เมื่อกดปุ่มสวิทช์ไม้แปะยุง กระป๋องทั้งสองก็จะมีประจุต่างชนิดกันไปกองอยู่ ถ้าเราเอาก้อนโลหะเบาๆเช่นลูกบอลที่ทำจากฟอยล์อลูมิเนียมหรือกระป๋องอลูมิเนียมเปล่าอีกใบไปแขวนระหว่างกระป๋องทั้งสองข้าง ลูกบอลหรือกระป๋องตรงกลางก็จะถูกดูดเข้าโดนกระป๋องอันที่ใกล้กว่า แล้วก็จะรับประจุจากกระป๋องนั้นเข้าลูกบอล ลูกบอลจะกระเด้งไปหาอีกกระป๋องหนึ่งจากแรงไฟฟ้าสถิต แล้วก็จะถ่ายประจุที่รับมาไปให้กระป๋องที่มันวิ่งไปชน แล้วมันก็จะกระเด้งกลับไปหากระป๋องแรกอีก รับประจุ กระเด้ง ชนอีกกระป๋อง ถ่ายเทประจุให้กระป๋องที่มันชน แล้วก็วนกลับไปกระป๋องแรกใหม่ จนกระทั้งประจุถูกถ่ายเทจนสองกระป๋องมีประจุคล้ายๆกันในที่สุด

สำหรับเด็กๆอนุบาลสาม ผมให้เล่นลูกข่างไจโรครับ มันคือลูกข่างที่หมุนอยู่ในกรอบที่เราจับยกไปมาได้ครับ เด็กๆได้เห็นว่าเวลาลูกข่างหมุนมันจะทรงตัวได้ แต่เวลาไม่หมุนมันจะล้ม หลักการก็คือธรรมชาติที่ว่าสิ่งที่กำลังหมุนอยู่ มันจะหมุนเหมือนเดิมไปเรื่อยๆทั้งความเร็วในการหมุนและทิศทางของแกนหมุนครับ ถ้าจะเปลี่ยนการหมุน ก็ต้องมีแรงอะไรบางอย่างมาบิดมันให้เปลี่ยนแปลง เด็กๆได้เลี้ยงลูกข่างบนโต๊ะ ได้เอาลูกข่างหมุนๆใส่กล่องแล้วเห็นกล่องตั้งอยู่ได้ ได้เอาลูกข่างหมุนๆวางบนเส้นเชือก และเอาเส้นเชือกคล้องลูกข่างให้ลอยอยู๋ในอากาศครับ วิธีเล่นผมเคยอัดเป็นคลิปแบบนี้ไว้ครับ:

คลิปตัวอย่างการเล่นของเด็กๆครับ:

One thought on “ไฟฟ้าสถิต & น้ำในยานอวกาศ ฟ้าผ่าจิ๋ว Franklin Bells ไจโรสโคป”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *