ซีรีส์ภาคปกติของ "นิโคล่า เทสลา" : ตอนที่ 2 ทฤษฎีเล็กๆบนเส้นทางที่ยาวไกล (1/3)
"กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรหนึ่งจะแปรผันโดยตรงกับแรงดัน e.m.f. แต่แปรผกผันกับความต้านทาน"
จอร์ช ซิมอน โอห์ม 1827
"The current through a circuit is proportional to the applied e.m.f. and inversely proportional to the resistance"
Georg Simon Ohm, 1827
ความเข้าใจคณิตศาสตร์ของเทสลานั้นล้ำลึกจนไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 เทียบเท่า ความคิดของเขาไปไกลมากจนไม่มีใครในช่วงชีวิตเขาเข้าใจได้ แม้กระทั่งในปัจจุบันที่มีการเรียนการสอนในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า ที่มีรูปแบบการเรียนการสอนและห้องทดลองที่ทันสมัยยังยอมรับว่าทฤษฎีของเทสลาล้ำลึกมากจนปัจจุบันยังไม่สามารถเข้าใจได้ทั้งหมด แต่เกือบทุกอย่างที่เขาคาดการณ์ไว้เป็นจริงเสมอ
สองสิ่งสำคัญที่วิศวกรไฟฟ้าหนุ่มรุ่นใหม่ทุกคนจะต้องรู้คือ สมการพื้นฐาน V=IR หรือกฎของโอห์ม และทำอย่างไรจึงจะรอดจากการถูกไฟฟ้าช็อตจนถึงแก่ความตายในขณะที่ปฏิบัติการให้ห้องแล็บวิศวกรรมไฟฟ้า
ต้องมีอย่างน้อยหนึ่งครั้งที่นักศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้าต้องถูกสอนคือให้เก็บมือข้างหนึ่งไว้ในกระเป๋าขณะที่อยู่ใกล้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีความเสี่ยงต่อการถูกช็อต เหตุผลง่ายๆ ก็คือ ถ้าไม่เก็บมือข้างใดข้างหนึ่งไว้ในกระเป๋า ถ้าเผลอไปสัมผัสเข้ากับเทอมินัลไฟฟ้า ไฟฟ้าจะไหลจากมือข้างหนึ่งสู่มืออีกข้างหนึ่งโดยผ่านหัวใจ ทำให้หัวใจหยุดเต้นและถึงแก่ความตายได้ แต่ถ้ามีการป้องกันดังที่แนะนำไฟฟ้าจะไหลจากบนลงล่าง ซึ่งจะทำให้มีอาการกระตุกแรงๆ เท่านั้น
กฎของโอห์มไม่ได้มีคุณค่าอะไรในช่วงที่โอห์มยังมีชีวิตอยู่ เขาใช้เวลาหลายปีทำการทดลองจนกระทั่งค้นพบว่าไฟฟ้าทำงานอย่างไร เขาทำการทดลองวัดค่าครั้งแล้วครั้งเล่าจนพบกฎที่สำคัญที่เป็นพื้นฐานทางไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ในสมัยของเขาไม่ได้คาดคิดมาก่อนว่ากฎดังกล่าวจะเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ และโอห์มก็ไม่ได้รับการยกย่องใดๆ จากการค้นพบนี้
เขามีชีวิตอยู่อย่างยากจนตลอดชีวิต และเพียงสองปีก่อนที่เขาจะเสียชีวิต เขาเพิ่งจะได้รับแต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยมิวนิค แต่นิโคล่า เทสลาเป็นวิศวกรไฟฟ้าคนแรกที่นำกฎของโอห์มมาใช้เพื่อก่อให้เกิดประโยชน์ทางด้านไฟฟ้าต่อมนุษยชาติ
ohm's law
กฎของโอห์มจริงๆ แล้วมันก็คือเครื่องมือสำคัญในการออกแบบวงจรไฟฟ้าที่จะบอกให้เราทราบสิ่งต่างๆ ก่อนล่วงหน้า สำหรับวิศวกรไฟฟ้าแล้วถือว่าเป็นสิ่งที่มีคุณค่ามหัศจรรย์ ซึ่งช่วยให้สามารถทำนายการทำงานของวงจรไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำก่อนสร้างจริง กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปตามความยาวของเส้นลวดตัวนำและแรงดันไฟฟ้าก็เป็นตัวผลักดันให้เกิดการไหล ขณะที่เกิดการไหลนั้นก็มีการเปลี่ยนแปลงความดันและกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง
ถ้าจะให้วงจรทำงานตามที่ต้องการผู้ออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงความดันเกิดขึ้นได้อย่างไร และทำไมจึงต้องเกิดขึ้น ในช่วงต้นยุคไฟฟ้า วิศวกรทุกคนไม่เข้าใจว่าทำไมความดันและกระแสไฟฟ้าจึงเปลี่ยนแปลง กฎของโอห์มอธิบายเพียงแค่ไฟฟ้ามีพฤติกรรมอย่างไรขณะที่มันมีการไหลเป็นกระแส แต่นักวิทยาศาสตร์ในยุคเก่าๆ ทั้งหมดให้ความสนใจศึกษาไฟฟ้าสถิต ดังนั้นพวกเขาจึงเห็นประโยชน์น้อยมากจากกฎของโอห์ม
William Gilbert
ไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นในลักษณะที่เป็นมายากลที่พวกเด็กๆ ชอบเล่นกัน เช่น ตอนที่เขาถูลูกโป่งกับผ้าขนสัตว์เพื่อที่จะทำให้ลูกโป่งติดกับกำแพง มายากลเหล่านี้เป็นผลมาจากไฟฟ้าสถิตซึ่งเป็นที่รู้จักในช่วงเวลาของควีนอลิซาเบธที่ 1 แห่งราชวงศ์อังกฤษ ผู้ที่ตั้งข้อสังเกตและศึกษาปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิตคนแรกคือ ดร. วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) นักฟิสิกส์ในสังกัดของพระราชินี เขาได้ใช้เวลาว่างในการศึกษาความลับที่ซ่อนอยู่ในธรรมชาติ วิทยาศาสตร์ และศึกษาการเคลื่อนไหวของวัตถุที่มีน้ำหนักเบาเช่น เศษกระดาษ ขนนก หรือฝุ่นละอองต่างๆ
กิลเบิร์ต พบว่าถ้าถูแท่งอำพัน (amber) ด้วยขนสัตว์ แท่งอำพันจะสามารถดูดวัตถุขนาดเล็กได้ เด็กๆ ที่โรงเรียนทุกคนได้ทำการทดลองนี้ซ้ำแล้วซ้ำอีก ซึ่งการทดลองและการเล่นสนุกของเด็กๆ เป็นการสาธิตให้เห็นถึงการมีตัวตนของไฟฟ้าสถิต พวกเขาฉีกกระดาษออกเป็นชิ้นเล็กๆ วางไว้บนโต๊ะ จากนั้นนำปากกาลูกลื่นที่ทำจากพลาสติกมาถูกับแขนเสื้อ แล้วนำปากกาไปวางไว้เหนือกระดาษชิ้นเล็กๆ ที่ถูกฉีกไว้ ปากกาจะดูดกระดาษติดขึ้นมา
ดร. กิลเบิร์ต ไม่มีปากกาลูกลื่น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเขาจึงใช้แท่งอำพัน ในตอนแรกที่เขาทำการทดลอง แรงประหลาดที่ดึงวัตถุเบาๆ นี้ยังไม่มีชื่อเรียก ดังนั้น ดร.กิลเบิร์ต จึงตั้งชื่อมันว่า อิเล็คทริค (Electric) ซึ่งเป็นภาษากรีกที่ใช้เรียกแท่งอำพัน ดร.กิลเบิร์ต เรียนที่วิทยาลัย เซนต์ จอห์น แคมบริด (St. John College Cambridge) ก่อนที่จะมาเป็นนักฟิสิกส์ในสังกัดของสมเด็จพระราชินีอาลิซาเบธ และเขาเป็นที่รู้จักในฐานะที่เป็นวิศวกรไฟฟ้าคนแรกของโลก เพราะเขาเป็นคนตั้งชื่อให้กับมัน
กิลเบิร์ต ศึกษาทั้งไฟฟ้าและแม่เหล็ก เป็นผู้ค้นพบว่าโลกของเราเปรียบเสมือนแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ และเป็นคนแรกที่อธิบายได้ว่าทำไมเข็มทิศจึงชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ เขาเขียนเผยแพร่การค้นพบของเขาในนิตยสารทางวิทยาศาสตร์ฉบับแรกของอังกฤษที่มีชื่อว่า Entitle Of Magnet, Magnetic Bodies และ the Great Magnet of the Earth และเพื่อเป็นเกียรติต่อการค้นพบของเขา หน่วยวัดทางวิศวกรรมที่ในการวัดความเข้มของสนามแม่เหล็ก (strength of magnet) ปัจจุบันมีชื่อเรียกว่า กิลเบิร์ต (Gilbert)
แม้ว่ากิลเบิร์ตจะเขียนหนังสือเกี่ยวกับไฟฟ้าไว้เป็นเวลาหลายปี แต่ไม่มีใครรู้ว่าจะใช้พลังงานลึกลับนี้อย่างไร สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้นไม่รู้ก็คือ ไฟฟ้าสถิตเกิดจากอนุภาคมีประจุขนาดเล็กที่มีชื่อว่า อิเล็กตรอน เราสามารถเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปหรือดึงออกมาจากวัสดุที่เรียกว่าฉนวนได้ (ฉนวนคือ วัตถุบางชนิดที่สามารถหยุดไม่ให้ไฟฟ้าไหลผ่านมันได้ เช่น แก้ว พลาสติก ยาง หรือผ้า) อิเล็กตรอนที่เปลี่ยนตำแหน่งเราเรียกว่า ประจุ (charge) การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในตัวนำทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า (ตัวนำคือ วัตถุบางชนิดที่ยอมให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านมันไปได้ เช่น ทองแดง ทองคำ เงิน) การเคลื่อนที่ของประจุทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า
เมื่อพลาสติกที่ใช้ทำปากกาถูกับแขนเสื้อหรือผ้าขนสัตว์ อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากพลาสติกสู่ผ้า นั่นหมายความว่าปากกาสูญเสียอิเล็กตรอน ขณะที่วัตถุใดที่ได้รับอิเล็กตรอนไปจะมีอิเล็กตรอนเกิน เมื่อนำปากกาที่เสียอิเล็กตรอนไปวางไว้เหนือเศษกระดาษที่ถูกฉีกไว้เป็นชิ้นเล็ก เศษกระดาษที่มีอิเล็กตรอนเกินจะถูกดูดขึ้นติดกับปากกา เนื่องจากอิเล็กตรอนเกินในกระดาษจะพยายามวิ่งเข้าปากกาที่ขาดอิเล็กตรอน แล้วมันจะพาเศษกระดาษนั้นมาด้วย
Chales Dufay
มีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนศึกษาแรงดึงดูดมหัศจรรย์นี้ ชายชาวฝรั่งเศสชื่อ ชาร์เลส ดูเฟย์ (Chales Dufay) ค้นพบไฟฟ้าสถิตอีกชนิดหนึ่งที่แตกต่างกันออกไป เขาพบว่าถ้านำแท่งอำพันสองแท่งมาถูกัน จากนั้นนำมาวางใกล้ๆ กัน พบว่าแท่งอำพันทั้งสองแท่งจะผลักกัน ดังนั้นเขาจึงสรุปว่าถ้าแท่งอำพันทั้งสองแท่งที่ขาดอิเล็กตรอนทั้งคู่ นำมาวางไว้ใกล้ๆ กันมันจะผลักกัน ในลักษณะเดียวกัน ถ้านำแท่งอำพันสองแท่งที่มีอิเล็กตรอนเกินทั้งคู่มาวางไว้ใกล้ๆ กันมันก็จะผลักกันอีกเช่นกัน กรณีวัตถุที่มีอิเล็กตรอนเกินมาวางไว้ใกล้กับวัตถุที่มีอิเล็กตรอนขาดเท่านั้นจึงจะเกิดการดูดกัน
Benjamin Franklin
เบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) นักวิทยาศาสตร์และนักการเมืองชาวอเมริกัน ได้แบ่งไฟฟ้าออกเป็นสองชนิดคือไฟฟ้าบวกกับลบ และได้เขียนออกมาเป็นกฎว่าไฟฟ้าที่เหมือนกันจะผลักกัน ส่วนไฟฟ้าที่ต่างกันจะดูดกัน ปัจจุบันเราทราบว่าวัตถุใดที่มีอิเล็กตรอนเกิน วัตถุนั้นจะมีประจุลบ ส่วนวัตถุใดที่มีอิเล็กตรอนขาด วัตถุนั้นจะมีประจุบวก การเอาผ้ามาถูฉนวนอย่างแรงเพื่อให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาเรียกว่า การชาร์จ และเมื่อวัตถุถูกชาร์จ (โดยการเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปหรือดึงออก) มันจะสามารถรักษาสภาพการถูกชาร์จนั้นไว้ได้ เนื่องจากว่าอิเล็กตรอนบนวัตถุนั้นไม่ได้เคลื่อนที่ไปไหน ทำให้มันไม่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น จึงถูกเรียกว่าไฟฟ้าสถิต
อิเล็กตรอนที่ถูกทำให้จับรวมกันเป็นกลุ่ม พวกมันพยายามที่จะเคลื่อนที่ ไม่ว่าที่ใดก็ตามอาจมีวัตถุที่สะสมอิเล็กตรอนอยู่ ดังนั้นถ้ามีตัวนำเพื่อให้ประจุที่ถูกสะสมไว้เคลื่อนที่ มันก็จะไหลไปตามตัวนำ และกฎของโอห์มก็จะถูกใช้อธิบายพฤติกรรมการไหลของกระแสไฟฟ้า
เกือบทุกคนบนโลกใบนี้ต้องเคยผ่านประสบการณ์การถูกไฟฟ้าสถิตช็อต (การถูกอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านอย่างทันทีทันใด) ใครก็ตามที่ใส่เสื้อผ้าไนลอน หากไปเสียดสีหรือสัมผัสกับพรมหรือที่นั่งโซฟา แล้วไปสัมผัสกับโลหะอาจทำให้เกิดการสปาร์คขึ้น การเสียดสีของเสื้อผ้าไนลอนจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไป หลังจากนั้นเมื่อสัมผัสกับตัวนำ อิเล็กตรอนจากตัวนำจะไหลผ่านเข้าสู่เสื้อผ้านั้นทันทีทำให้มีการสปาร์กเกิดขึ้น
- 2
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
