ฟิสิกส์สำหรับวิศวกร2: กุมภาพันธ์ 2014

ฟิสิกส์สำหรับวิศวกร 2

คำอธิบายรายวิชา

ไฟฟ้าสถิต ประจุไฟฟ้า กฏของคูลอมบ์ สนามไฟฟ้า ฟลักซ์ไฟฟ้า กฏของเกาส์ พลังงานศักย์ไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า ตัวเก็บประจุ ความจุไฟฟ้า ไดอิเลกตริก สนามไฟฟ้า E และสนาม D

ไฟฟ้ากระแส ไฟฟ้ากระแสตรง ตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้า วงจรไฟฟ้ากระแสตรง วงจร RC กระแสตรง สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่านเส้นลวด แรงแม่เหล็ก การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า วัสดุแม่เหล็ก สนาม B และ H

ฮีสเทเรซีสวงจร R-L วงจร L-C และวงจร R-L-C กระแสตรง แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ วงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่ประกอบด้วย R-L และ C หม้อแปลงไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สารกึ่งตัวนำ ไดโอดและทรานซิสเตอร์

คลื่นกล เสียง ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต ทัศนศาสตร์เชิงกายภาพและทัศนอุปกรณ์ ฟิสิกส์ยุคใหม่โดยการสอนมุ่งไปที่การสร้างหลักการที่สำคัญทางฟิสิกส์รวมถึงการสร้างทักษะในการวิเคราะห์และคำนวณ

ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย 2

เนื้อหาที่ใช้สอบกลางภาคเรียน ควรเรียนตามลำดับดังนี้ เพราะเนื้อหาจะสัมพันธ์ต่อเนื่องเป็นลำดับ

เนื้อหาที่ใช้สอบปลายภาคเรียน

ไฟฟ้าสถิต (Static electricity)

ไฟฟ้าสถิต (Static electricity) เป็นปรากฏการณ์ที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากันปกติจะแสดงในรูปการดึงดูด, การผลักกัน และเกิดประกายไฟ

ประจุไฟฟ้า

วัตถุ บางชนิด เช่น พลาสติก เมื่อนำมาขัดถูกับผ้าสักหลาด แล้วสามารถดึงดูดวัตถุเบาๆ เช่น กระดาษเล็กๆ ได้ แรงดึงดูดนี้ไม่ใช่แรงดึงดูดระหว่างมวล เพราะเกิดขึ้นภายหลังจากที่นำวัตถุมาถูกันแล้ว แรงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า แรงระหว่างประจุไฟฟ้า แรงระหว่างประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันจะเป็นแรงผลักและแรง ระหว่างประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันจะเป็นแรงดูด
กฎของคูลอมบ์

กล่าวไว้ว่าแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณระหว่างประจุและเป็นสัดส่วนโดยผกผันกับกำลังสองของระยะ ทางระหว่างประจุนั้นมีสูตรคือ

F = kQ1Q2

R^2

โดยมีเงื่อนไขคือ

                F = แรงระหว่างประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น นิวตัน
            Q1 , Q2 = ประจุไฟฟ้าทั้งสอง มีหน่วยเป็น คูลอมบ์
            R = ระยะห่างระหว่างประจุ มีหน่วยเป็น เมตร
            k = ค่าคงที่ในกฎของคูลอมบ์ = 9x

Nm2/c2

สนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้า (electric field) คือปริมาณซึ่งใช้บรรยายการที่ประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงกระทำกับอนุภาคมีประจุภายในบริเวณโดยรอบ หน่วยของสนามไฟฟ้าคือ นิวตันต่อคูลอมบ์ หรือโวลต์ต่อเมตร (มีค่าเท่ากัน) สนามไฟฟ้านั้นประกอบขึ้นจากโฟตอนและมีพลังงานไฟฟ้าเก็บอยู่ ซึ่งขนาดของความหนาแน่นของพลังงานขึ้นกับกำลังสองของความหนานแน่นของสนาม ในกรณีของไฟฟ้าสถิต สนามไฟฟ้าประกอบขึ้นจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนระหว่างอนุภาคมีประจุ ส่วนในกรณีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้น สนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับสนามแม่เหล็ก โดยมีการไหลของพลังงานจริง และประกอบขึ้นจากโฟตอนจริง

นิยามทางคณิตศาสตร์ของสนามไฟฟ้ากำหนดไว้ดังนี้ กฎของคูลอมบ์ (Coulomb's law) กล่าวว่าแรงกระทำระหว่างอนุภาคมีประจุสองอนุภาค มีค่าเท่ากับ

${\mathbf {F}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}{\mathbf {{\hat r}}}(1)$

เมื่อ

$\epsilon _{0}$ (อ่านว่า เอปสิลอน-นอท) คือ สภาพยอมของสุญญากาศ ซึ่งเป็นค่าคงตัวทางฟิสิกส์ตัวหนึ่ง;
$q_{1}$ และ $q_{2}$ คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาคแต่ละตัว;
คือ ระยะทางระหว่างอนุภาคทั้งสอง;
${\hat r}$ คือ เวกเตอร์หนึ่งหน่วย ซึ่งชี้จากอนุภาคตัวหนึ่งไปอีกตัว

ในระบบหน่วยเอสไอ หน่วยของแรงคือ นิวตัน, หน่วยของประจุคือคูลอมบ์, หน่วยของระยะทางคือเมตร ดังนั้น $\epsilon _{0}$ มีหน่วยเป็น C2/ (N·m2). ค่านี้ได้หาได้จากการทดลองโดยไม่มีทฤษฎีกำหนด

สมมุติว่าอนุภาคตัวหนึ่งอยู่นิ่ง และอนุภาคอีกตัวเป็น "ประจุทดสอบ" จากสมการด้านบนจะเห็นว่าแรงกระทำที่เกิดขึ้นบนประจุทดสอบนั้นแปรผันตรงกับ ขนาดของประจุทดสอบ นิยามของสนามไฟฟ้าคืออัตราส่วนคงที่ระหว่างขนาดของประจุและขนาดของแรงที่ เกิดขึ้น คือ

${\mathbf {F}}=q{\mathbf {E}}$

${\mathbf {E}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Q}{r^{2}}}{\mathbf {{\hat r}}}$

สมการนี้เป็นจริงเฉพาะในกรณีไฟฟ้าสถิต (คือกรณีที่ประจุไม่มีการเคลื่อนที่) เท่านั้น ถ้าพิจารณากรณีทั่วไปซึ่งประจุมีการเคลื่อนที่ด้วย สมการด้านบนจะต้องกลายเป็นสมการของลอเรนซ์

กฎของเกาส์

กฎของเกาส์เป็นกฎที่กล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างฟลักซ์ไฟฟ้าบนผิวปิดใดๆ กับประจุสุทธิที่อยู่ในผิวปิดนั้น พื้นผิวดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า ผิวเกาส์เซียน (Gaussian surface)

ถ้ามีประจุ q ณ จุดศูนย์กลางของทรงกลมรัศมี r สนามไฟฟ้า ณ ทุกจุดบนผิวทรงกลมจะมีค่าเป็น

E=k_eq/r²

จำนวนเส้นสนามไฟฟ้าของสนาม E จะมีทิศชี้ออกและตั้งฉากกับผิวทรงกลม ณ ทุกๆ จุดและมีค่าเป็น

q_inคือประจุสุทธิภายในผิวปิดและ E คือสนามไฟฟ้า ณ จุดต่างๆ บนผิวปิด

ในทางทฤษฎีแล้วกฎของเกาส์สามารถใช้ได้กับทุกชนิดของการกระจายของประจุ แต่ความเป็นจริงจะใช้ได้เฉพาะกรณีที่มีความสมมาตร

ฟิสิกส์สำหรับวิศวกร2

วันพฤหัสบดีที่ 27 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2557

คำอธิบายรายวิชาฟิสิกส์สำหรับวิศวกร 2

วันพุธที่ 26 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2557

ไฟฟ้าสถิต (Static electricity)

คลังบทความของบล็อก