407-11-15 css15541n ปีการศึกษา 2/2555 บทที่ 9...
TRANSCRIPT
11/12/55
1
เอกสารประกอบการสอน407-11-15 หลกฟสกส (Principles of Physics)กลมเรยน CSS15541Nปการศกษา 2/2555
บทท 9 ไฟฟาสถต
อาจารยผสอน: ดร. พนดา หลอวงศตระกล
ตดตอทาง email: [email protected]
หองทางาน: อาคาร 17 ชน 3
โทร: 081-645-3095
เอกสารอางอง
• R.A.Serway,Jewett, Physics for scientist and engineers, 6th Ed., Brook/Cole, Singapore, 2004.
• เวปไซตตางๆ เชน
http://www.rmutphysics.com/
http://science.sut.ac.th/physics/
11/12/55
2
ประจไฟฟา (Electric Charges)Benjamin Franklin (1706–1790) จาแนกชนดประจไฟฟาเปน 2 ชนด คอ ประจลบ และ ประจบวก
ไ ประจลบ คอประจทประกอบไปดวยอเลกตรอน
ประจบวก คอประจทประกอบดวยโปรตอน
แรงระหวางประจ: ประจชนดเดยวกนจะผลกกน
ประจตางชนดกนจะดดกน
วตถทมประจบวกมากกวาประจลบจะแสดงอานาจไฟฟาบวก
วตถทมประจลบมากกวาประจบวกจะแสดงอานาจไฟฟาลบ
วตถทมประจบวกเทากบประจลบจะแสดงอานาจไฟฟาเปนกลาง
ประจไฟฟา (Electric Charges)
จานวนประจไฟฟาของวตถใดๆ จะมคาเปนจานวนเทาของประจพนฐานทเลกทสด คอ อเลกตรอน (e) พนฐานทเลกทสด คอ อเลกตรอน (e)
คาประจ e = 1.6x10-19 คลอมบ
สมบตของอนภาค โปรตอน นวตรอน และอเลกตรอน
11/12/55
3
กฎการอนรกษประจไฟฟา
ประจจะเปนปรมาณทอนรกษโดยไมสามารถสรางขนใหมไดหรอสญหายไปไหนหรอสญหายไปไหน
โดยประจทเกดขนไมใชการสรางขนใหม แตเปนการยายประจจากทหนงไปอกทหนง และผลรวมของจานวนประจทงหมดผลรวมของจานวนประจทงหมดของระบบทพจารณาจะตองเทาเดมเสมอ
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)
Charles Coulomb เปนผเสนอกฎของคลอมบ ซงกลาวถงแรงกระทาระหวางประจดงนกร ทาร หวางปร จดงน
• แรงระหวางประจจะเปนปฏภาคโดยตรงกบขนาดของประจแตเปนปฏภาคผกผนกบระยะทางระหวางประจ
• แรงระหวางประจจะเปนแรงดดถาเปนประจตางชนดกนและเปนแรงผลกถาเปนประจนดเดยวกน
• ทศของแรงจะอยในแนวเสนตรงทเชอมระหวางประจทงสอง
11/12/55
4
กฎของคลอมบ (Coulomb’s Law)สมการของแรงระหวางประจ ตามกฎของคลอมบ คอ
221
12r
qqkF
k เปนคาคงทขนกบตวกลางและระบบทใชวด
229 C/N10987581
k
หนวย N
229
o
C/mN10x9875.84
k
2212o Nm/C10x854.8
o คาสภาพยอมของสญญากาศ หรอคาคงทไดอเลกทรกของสญญากาศ
ต.ย. ประจทรงกลมสองลก แตละลกมประจ 1 คลอมบ เมอศนยกลางของประจอยหางกน 1 เมตร แรงระหวางประจทเกดขนมขนาดเทาใด
11/12/55
5
ต.ย. จงหาแรงระหวางประจภายในอะตอมของไฮโดรเจน เมอระยะระหวางโปรตอนและอเลกตรอนภายในอะตอมมคาเทากบ 5.3 x 10-11 m
สนามไฟฟา (Electric Field)
• Faraday เปนผเสนอแนวความคดของสนามไฟฟาโดยกลาววาจะเกดสนามไฟฟาขนรอบๆ วตถทมประจซงเรยกวาประจจ เกดสนามไฟฟาขนรอบๆ วตถทมปร จซงเรยกวาปร จตนกาาเนด (source charge )
• ถานาประจทดสอบ (test charge ) q0 เขามาในบรเวณทมสนามไฟฟาจะเกดแรงกระทาตอประจทดสอบ
• ขนาดของสนามไฟฟาจะมคาเทากบอตราสวนของแรงทสนามนนกระทากบประจทดสอบตอหนงหนวยประจทดสอบ
11/12/55
6
สนามไฟฟา (Electric Field)
สมการ สนามไฟฟา (E)
F
หรอ จากกฎของคลอมบ จะได oq
FE หนวย N/C
2
kqE หนวย N/C
ในกรณมจดประจมากกวาหนง สนามไฟฟาจะเปนผลรวมเวกเตอรของสนามไฟฟาทเกดจากแตละจดประจ
2r
สนามไฟฟา (Electric Field)ในกรณมจดประจมากกวาหนง สนามไฟฟาจะเปนผลรวมเวกเตอรของสนามไฟฟาทเกดจากแตละจดประจ
21 EEE
กรณสนามไฟฟาจากจดประจ q1 และ q2
ณ จด C
กรณสนามไฟฟาจากจดประจ n จด
n
1iiEE
11/12/55
7
ต.ย. โปรตอนตวหนงวางอยในสนามไฟฟา 2.0 x 104 N/C มทศในแนวแกน +x จงแรงไฟฟาทเกดขนบนโปรตอนน
ต.ย. ประจ q1 = 7C วางอยทจดกาเนดและประจ q2 = -5 C วางอยบนแกน x หางจากจดกาเนด 0.3 m จงหาสนามไฟฟาทจด P ซงอยทตาแหนง (0,0,40) m
11/12/55
8
ต.ย. จากรปแสดงประจ Q มหนวยเปนคลอมบ ระยะทาง a มหนวยเปนเมตร จงหาสนามทจด P
ต.ย. จากรปแสดงประจ Q มหนวยเปนคลอมบ ระยะทาง a มหนวยเปนเมตร จงหาสนามทจด P
11/12/55
9
เสนสนามไฟฟาเสนสนามไฟฟาจะออกจากประจบวกและเขาสประจลบ ดงรป
กฎการเขยนเสนสนามโดยทวๆ ไปเสนจะเรมตนจากประจบวกไปสนสดทประจลบจานวนเสนทออกจากประจบวกหรอเสนทไปสนสดทประจลบจะแปรผนตามขนาดของประจเสนสนามจะไมตดผานกน
เสนสนามไฟฟา
ประจตางชนดกน ประจเหมอนกน ขนาดประจไมเทากน
11/12/55
10
ศกยไฟฟา (Electric Potential)
เมอประจอยในสนามไฟฟา ประจจะมพลงงานศกย (Ep) เนองจากแรงทางไฟฟาทกระทาตอประจแรงทางไฟฟาทกร ทาตอปร จ
เราเรยก พลงงานศกยไฟฟาตอหนงหนวยประจวา “ศกยไฟฟา”
ศกยไฟฟา (V) หนวย โวลต (V) Epq
ความตางศกยไฟฟา
พจารณาสนามไฟฟาทมทศพงในแนว –y ดงรป จด A และ จด B อยหางกนเปนระยะ d อยหางกนเปนร ย d
ความตางศกยทจด B เมอเทยบกบจด A
หาไดจาก VB-VA = V = - Ed
เครองหมายลบแสดงวาจด B อยตากวาจด ไฟฟ ไปใA หรอ VB VA สนามไฟฟาจะชไปในแนว
ทคาความตางศกยมคานอยเสมอ
11/12/55
11
ความตางศกยไฟฟา
พลงงานศกยไฟฟาทเปลยนไป (U)
ถา qo เปนประจลบ คา U จะมคาเปนบวก นนคอประจลบทเคลอนทในทศทางเดยวกบทศของสนามไฟฟาจะไดรบ
EdqVqU oo
ลบทเคลอนทในทศทางเดยวกบทศของสนามไฟฟาจะไดรบพลงงานศกยเพมขน ถาประจลบนเคลอนทอยางอสระจากจดหยดนง ประจจะมความเรงในทศตรงขามกบทศทางของสนามไฟฟา
ต.ย. แบตเตอรขนาด 12 V ตอกบแผนตวนาทวางขนานกน ระยะหาง 0.3 cm ใหถอวาสนามไฟฟาทเกดขนทระหวางแผนขนานมความสมาเสมอ จงคานวนคาสนามไฟฟาระหวางแผนขนานน
11/12/55
12
ศกยไฟฟาของจดประจ
เมอพจารณางานเนองจากการเคลอนประจ +1 จากจด A ไปจด B จะมคาเทากบความตางศกยไฟฟาของจด B เทยบกบจด A นนเอง
)RR(
RR
kqV AB2
AB
AB R
kq
R
kq
ถา RA อยหางเปนระยะอนนต () ศกยไฟฟาทจด A มคาเทากบ 0
จะได BR
kqV
BR
หรอเขยนในรปทวไป คอ โดย r คอระยะหางจากจดกาเนดสนามไฟฟาr
kqV
กรณมแหลงกาเนดสนามมากกวาหนง จะสามารถหาศกยไฟฟาไดจากการรวมศกยไฟฟาเนองจากจดประจดทกๆจดรวมกน
n
1iiVV
ต.ย. ประจ q1, q2, q3 และ q4 วางอยทมมทง 4 ของสเหลยมจตรส ดานแตละดานยาว d จงหา ศกยไฟฟาทจด P ซงเปนจดกงกลางของประจน ให q1=+12 nC, q2 =-24 nC,q3=+31 nC และ q4 =+17 nC, d=1.3 m
11/12/55
13
ความจไฟฟา
เมอนาตวนาไฟฟารปทรงใดๆ 2 ชนวางอยในสญญากาศหรอตวกลางทเปนฉนวน ใสประจลงบน
ตวนาทงสอง โดยใหตวนาแตละชนมประจตางชนดกน ขนาดเทากน โดยจะทาใหประจสทธมคาเปนศนย เราเรยกตวนาทงสองวา “ตวเกบประจ (Capacitor)”
ขนาดของสนามไฟฟา และความตางศกยไฟฟาระหวางตวนาทงสองขนอยกบขนาดประจทสะสมบนตวนาทสะสมบนตวนา
VQ VCQ
เมอ C คอความจไฟฟาของตวนา หนวย คลอมบ/โวลต หรอ ฟารด (F)
ในวงจรไฟฟา ใชสญลกษณ แทนตวเกบประจทมคาคงท แทนตวเกบประจทปรบคาได
การตอตวเกบประจ
การตอตวเกบประจเขาดวยกนม 2 แบบ คอ
การตอแบบขนาน การตอแบบขนาน
การตอแบบอนกรม
ประโยชนของการตอตวเกบประจคอ สามารถไดตวเกบประจตามทตองการ เนองจากตวเกบประจทมขายในทองตลาดมเพยง
บางคาเทานน
11/12/55
14
การตอตวเกบประจการตอแบบขนาน: การตอแบบนจะทาใหความตางศกยไฟฟาทขวตวเกบประจแตละตวมคาเทากน คอ V
ให q1 เปนประจบนตวเกบประจ C1, q1 = C1Vให q2 เปนประจบนตวเกบประจ C2, q2 = C2Vให Q เปนประจทงหมดบนตวเกบประจทงสองตว Q = q1 + q2
Q = CeqV= V (C1 + C2)
จะได Ceq = C1 + C2
การตอตวเกบประจการตอแบบอนกรม: การตอแบบนจะทาใหประจบนตวเกบประจแตละตวมคาเทากน
Q = q1 = q2
q1 = C1V1q2 = C2V2
V1 และ V2 เปนศกยไฟฟาทตกครอมตวเกบประจแตละตว V = V1 + V2
2
2
1
1
eq C
q
C
q
C
Q
21eq C
1
C
1
C
1จะได
