วิทย์ม.ต้น: ประจุไฟฟ้า, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า, Lichtenberg figure

วันนี้ในกิจกรรมวิทย์ม.ต้นเราคุยกันเรื่องต่างๆเหล่านี้ครับ:

1. ช่วงก่อนเวลาเรียนเราดูคลิปหุ่นยนต์ตัวนิ่มๆและหุ่นยนต์ของบริษัท Boston Dynamics กัน:

หุ่นยนต์รุ่นแรกๆเมื่อสิบปีที่แล้ว:

อันนี้เป็นรุ่นใหม่ๆปี 2019:

อันนี้เป็นหุ่นยนต์สี่ขา มีแขนจับของ:

อันสุดท้ายเป็นหุ่นยนต์เต้นระบำกันครับ:

2. ผมสอนเรื่องประจุไฟฟ้า (electrical charge) โดยเล่าให้เด็กๆฟังว่าของต่างๆมีส่วนประกอบเล็กๆที่เรียกว่าอะตอม ในอะตอมจะมีประจุไฟฟ้าบวกจากโปรตอน และประจุไฟฟ้าลบจากอิเล็คตรอน ประจุที่เป็นบวกจะดึงดูดประจุลบ แต่ประจุบวกจะผลักประจุบวกอันอื่น ประจุลบก็ผลักประจุลบอันอื่น (คือ + + หรือ – – จะผลักกัน แต่ +- จะดูดกัน) 

ของที่ประจุวิ่งผ่านไปมาได้ไม่ยากเรียกว่าตัวนำไฟฟ้า ตัวอย่างของตัวนำไฟฟ้าก็เช่นโลหะต่างๆ น้ำเกลือ น้ำกรด น้ำด่าง ของที่ประจุวิ่งผ่านไปมายากๆเรียกว่าฉนวนไฟฟ้า เช่นพลาสติก ยาง กระดาษ ไม้แห้ง อากาศ 

วัตถุต่างๆโดยปกติจะมีจำนวนประจุบวกและประจุลบเท่าๆกัน ทำให้มีลักษณะเป็นกลางทางไฟฟ้า ไม่มีประจุลบหรือบวกเกิน 

เวลาเราเอาวัตถุต่างชนิดมาแตะกันหรือถูกัน บางทีประจุจะถ่ายเทกันระหว่างวัตถุ พอแยกวัตถุออกจากัน วัตถุแต่ละชิ้นก็จะมีประจุบวกหรือประจุลบเกิน เรียกว่าเกิดไฟฟ้าสถิต 

เราสามารถประดิษฐ์เครื่องมือง่ายๆเพื่อตรวจจับและเปรียบเทียบไฟฟ้าสถิตได้ เครื่องมีอนี้เรียกว่าอิเล็กโทรสโคป (Electroscope) หน้าตาและวิธีประดิษฐ์เป็นดังในคลิปครับ:

จากนั้นเด็กๆก็ประดิษฐ์เองและสร้างไฟฟ้าสถิตด้วยการเอาวัสดุต่างชนิดมาเสียดสีกัน (Triboelectric effect):

กิจกรรมวิทย์ม.ต้น เรียนรู้เรื่องไฟฟ้าสถิตและอุปกรณ์ตรวจจับไฟฟ้าสถิตที่เรียกว่าอิเล็คโทรสโคป

Posted by Pongskorn Saipetch on Tuesday, March 2, 2021

ถ้าประจุไฟฟ้าอยู่เฉยๆ แรงดูดแรงผลักของมันจะลดลงแบบ (1/ระยะทางกำลังสอง) เช่นถ้าระยะทางเพิ่มเป็น 2 เท่า แรงจะลดลงเป็น 1/4 เท่า (=1/2 x 1/2) ถ้าระยะทางเพิ่มเป็น 10 เท่า แรงจะลดลงเป็น 1/100 เท่า (=1/10 x 1/10)

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าเมื่อประจุไฟฟ้าสั่น มันจะทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคลื่อนที่จากจุดกำเนิดเร็วมาก ถ้าอยู่สุญญากาศจะวิ่งเร็วประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ขนาดของคลื่นลดลงขึ้นกับระยะทาง แต่ลดลงแบบ (1/ระยะทาง) เมื่อคลื่นไปโดนประจุตัวอื่นๆ ประจุเหล่านั้นก็จะสั่นตามคลื่นและสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารวมเข้าไปอีกด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเครื่องมือที่เราใช้สื่อสารระยะไกล หรือแม้แต่สังเกตเหตุการณ์ไกลๆในจักรวาลได้

แสงที่เรามองเห็นเป็นส่วนเล็กๆของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ในจักรวาล คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสือินฟราเรด รังสือัลตร้าไวโอเลต รังสีเอ็กซ์เรย์ และรังสีแกมมาต่างก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยกันทุกตัว

ผมให้เด็กๆดูรูปนี้จาก Wikipedia ครับ:

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดมีความเร็วเท่ากันในสูญญากาศ ประมาณสามแสนกิโลเมตรต่อวินาที สิ่งที่เราใช้แบ่งแยกประเภทของมันคือความถี่ในการสั่น (หรือแบ่งตามความยาวคลื่น เพราะความยาวคลื่น = ความเร็วคลื่นหารด้วยความถี่คลื่น)

ยกตัวอย่างความถี่และความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆที่คุ้นเคยในชีวิตประจำวันครับ:

คลื่นวิทยุจะมีความยาวคลื่นเป็นหลายเมตรจนถึงกิโลเมตร เช่นคลื่น  FM 100 MHz ก็คือคลื่นที่สั่น 100 ล้านครั้งต่อวินาที ความยาวคลื่นของมันก็คือความเร็ว (300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) หารด้วยความถี่ (100,000,000 ครั้งต่อวินาที) เท่ากับ 3 เมตร

คลื่นไมโครเวฟที่เราใช้ในเตา มีความถี่การสั่นประมาณ 2,450 ล้านครั้งต่อวินาที (2.45 GHz ซึ่งใกล้เคียงกับคลื่นไมโครเวฟ 2.4 GHz ที่ใช้สำหรับเสาอากาศ wi-fi) ความยาวคลื่นไมโครเวฟในเตาไมโครเวฟก็จะยาวประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที / 2,450,000,000 ครั้งต่อวินาที = 12.2 เซ็นติเมตร

แสงสีแดงมีความถี่การสั่นประมาณ 450 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที (450 THz) มันจึงมีความยาวคลื่น = 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที / 450 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที = 667 ส่วนพันล้านเมตร หรือ 667 นาโนเมตร

แสงสีม่วงมีความถี่การสั่นประมาณ 700 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที (450 THz) มันจึงมีความยาวคลื่น = 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที / 700 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที = 428 ส่วนพันล้านเมตร หรือ 428 นาโนเมตร

คลื่นอื่นๆเช่นอัลตร้าไวโอเลต เอ็กซ์เรย์ แกมม่าเรย์ ลองดูในตารางนี้นะครับ หรือที่ผมเคยเขียนไว้ที่นี่ด้วยครับ: https://witpoko.com/?p=49

สิ่งของต่างๆที่มีอุณหภูมิ จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ของร้อนจะปล่อยคลื่นออกมามาก ของเย็นก็จะปล่อยออกมาน้อย ของต่างๆบนโลกที่ไม่ร้อนมากจะปล่อยคลื่นที่ส่วนใหญ่เป็นรังสีอินฟราเรดซึ่งตาเรามองไม่เห็น ถ้าร้อนมากขึ้นมาอีกเช่นเหล็กร้อนก็จะเริ่มมีสีที่ตาเรามองเห็นเช่นสีแดง ถ้าร้อนมากขึ้นเป็นหลายพันองศาเหมือนดวงอาทิตย์จะมีสีที่เราเห็นได้หลากสีออกมารวมกันให้เราเห็นเป็นสีขาว

ปริมาณพลังงานที่มากับรังสีต่อวินาทีจะขึ้นกับอุณหภูมิของสิ่งของนั้นๆยกกำลังสี่ ด้วยหลักการนี้เองจึงมีสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่าเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด ที่รับรังสีอินฟราเรดเข้าไปแล้วคำนวณว่าของที่ปล่อยรังสีออกมามีอุณหภูมิเท่าไร เราคุ้นเคยกันดีกับเครื่องสแกนอุณหภูมิแบบนี้ในสถานการณ์โควิด-19

เวลาที่เหลือเราดูภาพจากประจุไฟฟ้าวิ่งผ่านพลาสติกหรือไม้เป็นลวดลายสวยงามครับ เช่นคลิปเหล่านี้:

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

นอกจากนี้ยังมีการใช้ไฟฟ้าแรงสูงวางบนไม้เปียกๆที่ทาน้ำเกลือให้นำไฟฟ้าด้วยครับ ไฟฟ้าพยายามวิ่งจากขั้วหนึ่งไปอีกขั้ว เกิดความร้อนเผาไหม้ไม้เป็นลายสวยงาม (อย่าทำตามนะครับ มีคนตายเพราะพยายามทำแล้วพลาดหลายรายแล้ว)

One thought on “วิทย์ม.ต้น: ประจุไฟฟ้า, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า, Lichtenberg figure”

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.