ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมปฐมธรรมครับ วันนี้เป็นกิจกรรมวิทย์ครั้งสุดท้ายของปีการศึกษานี้ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้เล่นมอเตอร์ไฟฟ้าสถิตที่เรียกว่าโคโรนามอเตอร์ เล่นไม้กายสิทธิ์ที่ใช้ไฟฟ้าสถิตทำให้ฟอยล์บางๆลอย เด็กประถมปลายได้เห็นการทำงานของเครื่องจักรสเตอร์ลิ่งด้วยครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลนี้ครับ ดูเฉพาะตอนแรกที่เป็นกล ยังไม่ดูส่วนเฉลยตอนหลัง แล้วดูเฉลยหลังจากได้พยายามคิดพยายามอธิบายว่ากลแต่ละกลทำอย่างไรกันก่อน วันนี้คือเสกรถให้หายไปครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็นครับ

จากนั้นผมก็เอาของเล่นมอเตอร์ไฟฟ้าสถิตหรือโคโรนามอเตอร์มาให้เด็กๆดูและลองเล่น วิธีประดิษฐ์และวิธีเล่นเป็นดังในคลิปนี้ครับ:

วิธีทำคือเอาถ้วยพลาสติกติดแถบฟอยล์อลูมิเนียมหลายๆแถบที่ไม่เชื่อมต่อกันไปวางให้สมดุลบนปลายดินสอ แล้วเอาเข็มหมุดแหลมต่อกับแหล่งไฟฟ้าแรงดันสูง (หลายพันหรือหมื่นโวลท์) ไปวางข้างๆถ้วยพลาสติก แรงดันไฟฟ้าที่มากพอจะทำให้อากาศระหว่างฟอยล์อลูมิเนียมและปลายเข็มนำไฟฟ้าได้ มีการถ่ายเทประจุจากปลายเข็มไปที่ฟอยล์ ประจุที่เหมือนกันจึงผลักกัน ทำให้แก้วหมุน เมื่อฟอยล์หมุนไปใกล้ๆปลายเข็มอีกขั้ว ฟอยล์ก็จะถ่ายเทประจุที่รับมาให้ขั้วนั้นไปทำให้ตัวฟอยล์เป็นกลางใหม่ เป็นวงจรอย่างนี้ไปเรื่อยๆ ถ้วยพลาสติกจึงหมุนไปได้เรื่อยๆ

ของเล่นชิ้นต่อไปคือไม้กายสิทธิ์ ที่ใช้โบกไปมาให้วัตถุเบาๆเคลื่อนไหวหรือลอยได้ ผมอธิบายหลักการทำงานของมันคือข้างในมีมอเตอร์หมุนให้มีการเสียดสีสร้างไฟฟ้าสถิต คือแทนที่เราจะใช้มือถูลูกโป่งยางกับผ้า เราก็ใช้มอเตอร์และสายพานทำการเสียดสีให้ ประจุไฟฟ้าสถิตจะถูกปล่อยออกมาติดกับวัตถุเบาๆ วัตถุมีประจุไฟฟ้าแบบเดียวกับปลายไม้กายสิทธิ์จึงผลักกัน แล้วเคลื่อนไหวลอยไปลอยมาได้

ของเล่นอันนี้เป็นตัวอย่างของสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่า Van de Graaff generator ที่สามารถสร้างประจุไฟฟ้าสถิตที่แรงดันไฟฟ้าสูงๆเป็นพันๆถึงหลายล้านโวลท์ได้ มีตัวอย่างวิธีประดิษฐ์ไม้กายสิทธิ์ที่ DIY Lightning Wand — a Handheld Van De Graaff Generator ครับสำหรับผู้สนใจ สำหรับ Van de Graaff generator อื่นๆลองดูที่นี่นะครับ: Van de Graaff Generator: Hints, Demos, & Activities

พออธิบายการทำงานและสอนว่าเล่นอย่างไร เด็กๆก็ผลัดกันเล่นครับ:

สำหรับเด็กๆประถมปลาย ผมเอาของเล่นที่เป็นเครื่องจักรสเตอร์ลิ่งขนาดเล็กๆมาให้เด็กๆดู  มันเป็นอุปกรณ์ที่อาศัยหลักการที่ว่าก๊าซขยายตัวเมื่อร้อนและหดตัวเมื่อเย็น ถ้าทำให้ก๊าซขยายตัวและหดตัวเป็นจังหวะต่อเนื่องกันไป ก็สามารถเอามาทำให้ลูกสูบขยับและใช้งานได้ เครื่องจักรตระกูลนี้ถูกประดิษฐ์เมื่อประมาณปีค.ศ. 1816 โดย Robert Stirling ครับ

เครื่องจักรประเภทนี้จะต้องมีส่วนหนึ่งที่ร้อนกว่าอีกส่วนหนึ่งเพื่อให้ก๊าซได้รับความร้อนจากส่วนที่ร้อนแล้วขยายตัว แล้วไปคายความร้อนที่ส่วนที่เย็นกว่า แล้วก๊าซจะได้หดตัว แล้วก๊าซก็ต้องไปรับความร้อนจากส่วนที่ร้อนใหม่ เป็นวงจรอย่างนี้ไปเรื่อยๆครับ

ดูคลิปอธิบายการทำงานครับ:

เมื่อก่อนตอนยังไม่มีมอเตอร์ไฟฟ้า เจ้าพวกนี้จะเป็นเครื่องจักรทำงานให้คนเช่นเป็นเครื่องสูบน้ำครับ ในปัจจุบันก็มีใช้อยู่เช่นในเรือดำน้ำบางชนิดเพื่อปั่นไฟเข้าแบตเตอรี่สำหรับขับเคลื่อน หรือบางที่ก็ใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์มาป้อนเข้าเจ้าเครื่องนี้ ให้มันหมุนปั่นไฟให้

คลิปการใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์มาป้อนให้จักรกลสเตอร์ลิ่งครับ:

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล เราคุยทบทวนเรื่องฟ้าแลบฟ้าร้องฟ้าผ่า จากนั้นเราเล่นอุปกรณ์สร้างไฟฟ้าแรงดันสูง (High voltage generator) มาสร้างฟ้าผ่าขนาดเล็กๆในห้อง ดูฟ้าผ่าผ่านกระดาษ โฟม ปลายดินสอ และอื่นๆกัน เด็กโตได้ดูคลิป Lichtenburg figure ซื่งเป็นลวดลายฟ้าผ่าผ่านตัวกลางต่างๆครับ เด็กเล็กได้ดู corona motor ซึ่งใช้ไฟฟ้าสถิตทำให้เกิดการหมุนครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆประถมได้ดูมายากลนี้ครับ ดูเฉพาะตอนแรกที่เป็นกล ยังไม่ดูส่วนเฉลยตอนหลัง แล้วดูเฉลยหลังจากได้พยายามคิดพยายามอธิบายว่ากลแต่ละกลทำอย่างไรกันก่อน วันนี้คือเสกคนออกมาจากฉากสามบานครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็นครับ

จากนั้นผมก็ทบทวนกับเด็กๆว่าฟ้าแลบฟ้าร้องฟ้าผ่านเกิดได้อย่างไร อย่างที่เราเคยคุยกันในอดีต

สรุปประมาณนี้ครับ ปรากฎการณ์ฟ้าแลบ/ฟ้าร้อง/ฟ้าผ่า คือเมฆที่ก่อตัวจากการเคลื่อนไหวของอากาศเยอะๆทำให้เหมือนมีการขัดถูกัน ระหว่างน้ำและเกล็ดน้ำแข็ง ทำให้เมฆแต่ละส่วนหรือพื้นดินมีประจุเครื่องหมายต่างกัน เมื่อประจุต่างกันมากพอทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าสูงๆมากๆ กระแสไฟฟ้าก็จะสามารถไหลผ่านอากาศไกลๆได้ ทำให้อากาศร้อนขยายตัวอย่างรวดเร็วทำให้มีแสงสว่าง (จากความร้อน) และเสียงดัง (จากการขยายตัวอย่างรวดเร็ว) ทำให้เราเห็นฟ้าแลบ และได้ยินฟ้าร้อง นอกจากบางทีที่เราอยู่ไกลเกินไปเลยไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องครับ

แนะนำให้เด็กๆดูคลิปสโลโมชันของฟ้าผ่าสองคลิปนี้ครับ:

https://youtu.be/dukkO7c2eUE

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

ถ้าเด็กๆสนใจอยากรู้เรื่องราวเพิ่มเติมหรือต้องการฝึกภาษาอังกฤษ แนะนำคลิปเหล่านี้นะครับ (วิดีโอจะมีเนื้อหามากขึ้นตามลำดับ คลิปสุดท้ายมีภาพแปลกๆน่าสนใจครับ):

จากนั้นเราก็เล่นฟ้าผ่าเล็กๆในห้องกัน ผมเอาอุปกรณ์เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่รับไฟฟ้ากระแสตรงที่มีแรงดัน 3-6 โวลท์เข้าไป แล้วมันจะสะสมแรงดันเพิ่มเป็นหลายพันเท่า ทำให้แรงดันขาออกสูงเป็นหมื่นโวลท์ได้ ถ้าเอาสองขั้วสายไฟขาออกมาอยู่ใกล้ๆกัน (ประมาณ 1-2 เซ็นติเมตร) ไฟฟ้าจะวิ่งผ่านอากาศระหว่างขั้วได้ มีแสงสว่างจ้าและเสียงดัง เป็นปรากฎการณ์ทำนองเดียวกับฟ้าผ่านั่นเอง

เด็กๆทดลองเอาแผ่นโฟมบางๆ กระดาษ ปลายดินสอ หน้ากาก และกาวดินน้ำมัน วางขวางขั้วทั้งสองให้ฟ้าผ่าผ่านวัสดุต่างๆ พบว่าโฟม กระดาษและหน้ากากมีรู ปลายดินสอมีกลิ่นไหม้ แต่กาวดินน้ำมันกันไม่ให้ไฟฟ้าวิ่งผ่าน

ผมถามเด็กๆให้ไปคิดต่อว่าทำไมรูที่โฟมถึงใหญ่กว่ารูที่กระดาษด้วยครับ

สำหรับเด็กประถมต้น ผมเอาของเล่นโคโรนามอเตอร์ที่ทำงานด้วยไฟฟ้าแรงดันสูง (หลายพันโวลท์) และการผลักกันของไฟฟ้าสถิตมาให้เด็กๆดูครับ ยังไม่ได้อธิบายหลักการอะไร แค่ให้ดูของประหลาดเฉยๆ:

ส่วนเด็กประถมปลาย ผมให้เด็กๆดูลวดลาย “ฟ้าผ่า” ในก้อนพลาสติกครับ:

มันคือก้อนพลาสติกที่เรายิงประจุไฟฟ้าความเร็วสูงๆเข้าไปเยอะๆให้ประจุอยู่ข้างในก้อนลึกๆหน่อย ประจุพวกนี้ไหลออกมาไม่ได้เพราะพลาสติกเป็นฉนวนไฟฟ้าค่อนข้างดี พอเราเอาค้อนไปตอกตะปูข้างบน แถวนั้นก็เลยกลายเป็นทางออกให้ประจุไฟฟ้าวิ่งออกมา ประจุทั้งหลายที่อยู่ทั่วก้อนพลาสติกก็รวมตัวกันเข้ามาที่จุดที่ตะปูตอกเข้าไป ประจุไฟฟ้าที่วิ่งทำให้พลาสติกร้อน เปล่งแสงและเป็นละลายเป็นลายถาวรในเนื้อพลาสติกครับ เจ้าลวดลายประเภทนี้มีชื่อเรียกว่าลวดลายลิกเต็นเบิร์ก (Lichtenberg Figure)  เป็นลวดลายประเภทเดียวกับฟ้าแลบฟ้าผ่าครับ