-เขตการศึกษา- ที่เก็บงานรร.หามีอันใดไม่

ลำดับตอนที่ #6 : โครงงานวิทย์ บทที่2

บทที่ 2

เอกสารและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

1. ทฤษฎีไฟฟ้า

        ทฤษฎีไฟฟ้าที่ใช้ในปัจจุบัน  คือ  ทฤษฎีอิเล็กตรอน (Electron  theory)
   ทฤษฎีอิเล็กตรอนเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของอะตอม กล่าวคือวัตถุทุกชนิดย่อมประกอบด้วยอะตอม(atom) เป็นจำนวนมาก แต่ละอะตอมจะประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานหลายชนิด เช่น อิเล็กตรอน โปรตอนนิวตรอน 
เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของอะตอม โดยปกติอะตอมของธาตุย่อมเป็นกลาง(neutron) เสมอ ไม่แสดงอำนาจไฟฟ้า โดยภาวะปกติโปรตอนที่นิวเคลียสของอะตอมย่อมมีจำนวนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียสเสมอ โปรตอนมีปริมาณไฟฟ้าเท่ากับอิเล็กตรอนและเป็นชนิดตรงกันข้าม เป็นสาเหตุให้อะตอมของธาตุเป็นกลางอยู่ได้และไม่แสดงอำนาจไฟฟ้าออกมา การอธิบายปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าจึงอธิบายโดยใช้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นหลักเนื่องจากโปรตอนหลุดออกจากนิวเคลียสได้ยาก ส่วนอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่หลุดออกจากนิวเคลียสได้ง่ายกว่า กล่าวคือ เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่หลุดออกจากอะตอมใดที่เป็นกลางเข้าไปสู่อะตอมอื่นที่เป็นกลางอะตอมซึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนไปจะแสดงอำนาจไฟฟ้าบวกคือ  ปรากฏเป็นประจุไฟฟ้าบวกขึ้นทันทีซึ่งเป็นอำนาจไฟฟ้าของโปรตอนที่นิวเคลียสของอะตอม  ส่วนอะตอมอื่นที่เป็นกลางเมื่อได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นก็จะแสดงอำนาจไฟฟ้าลบ  คือ ปรากฏเป็นประจุไฟฟ้าลบขึ้นทันที
เป็นอำนาจไฟฟ้าของอิเล็กตรอนที่ได้รับเพิ่มมา

          ตามทฤษฎีจะเห็นได้ว่า ประจุไฟฟ้าที่ปรากฏขึ้นบนวัตถุใด เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ถ่ายเทอิเล็กตรอน เมื่อประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุ 2  ชนิดไม่เท่ากัน

2. ทฤษฎีการเหนี่ยวนำไฟฟ้า(Electrical  induction)

        วัตถุใดๆเมื่อปรากฏประจุไฟฟ้าขึ้นแล้ว ประจุไฟฟ้าที่มีปรากฏอยู่นั้นจะส่งอำนาจไฟฟ้าออกไปเป็นบริเวณโดยรอบ เรียกว่า "สนามไฟฟ้า"  ถ้านำวัตถุอื่นซึ่งเป็นกลางเข้ามาในสนามไฟฟ้านี้ วัตถุที่นำเข้ามาจะแสดงอำนาจไฟฟ้าได้ และจะปรากฏมีประจุไฟฟ้าบวกและลบเกิดขึ้นพร้อมกันบนผิวของวัตถุนั้นโดยแรงทางคูลอมบ์ เป็นผลทำให้วัตถุที่เป็นกลางจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น จะเรียกว่า  การเหนี่ยวนำไฟฟ้า และเรียกประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้น
โดยวิธีการนี้ว่า ประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced  charge)  ซึ่งจะเกิดขึ้นพร้อมกันทั้งชนิดบวกและชนิดลบจะมีจำนวนเท่ากัน ประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดใกล้กับประจุไฟฟ้าที่นำมาล่อ จะเป็นประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันกับประจุไฟฟ้าที่นำมาล่อเสมอวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้วัตถุที่เป็นกลางเกิดอำนาจไฟฟ้าได้  เมื่อนำมาใกล้กัน เช่น    

A  มีประจุไฟฟ้าบวก  นำมาใกล้ BC ซึ่งเป็นกลาง  อิเล็กตรอนในวัตถุ  BC  จะมาออที่ปลาย  B  เนื่องจากถูกA  ดูด  ปลาย B จึงเป็นประจุลบ  ปลาย C เกิดประจุบวก  เหตุการณ์เหล่านี้เกิดชั่วคราว  ถ้าเอา A ออกอิเล็กตรอนที่  B  จะเคลื่อนที่กลับสู่ที่เดิม BC จึงเป็นกลางเหมือนเดิม

    A  มีประจุไฟฟ้าลบ  อิเล็กตรอนทางด้าน B ถูกผลักให้เคลื่อนย้ายไปอยู่ทางด้าน C ทำให้ด้าน B เกิดประจุบวกและ C เกิดประจุลบ  แต่ประจุนี้ไม่อิสระเพราะเมื่อเอา  A  ออกไป  BC  จะเป็นกลางเหมือนเดิม

เห็นว่า  การเหนี่ยวนำจะเกิดประจุชนิดตรงข้าม  ที่ปลายซึ่งอยู่ใกล้กับประจุที่นำมาล่อเสมอจึงทำให้เกิดเเรงดึงดูดวัตถุที่เป็นกลางอย่างเดียวเท่านั้น  ไม่มีการผลัก

3. ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

        คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่มีความถี่ต่อเนื่องกันเป็นช่วงกว้าง เรียกช่วงความถี่เหล่านี้ว่า "สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า"  ในสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีชื่อต่างกัน เรียงลำดับจากความถี่ต่ำสุดไปยังความถี่สูงสุด  ดังนี้

1)  คลื่นวิทยุ

– ผลิตจากอุปกรณ์อิเลคโทรนิคส์โดยวงจรออสซิลเลเดอร์
– ใช้ในการสื่อสาร ส่งกระจายเสียงโดยใช้คลื่นฟ้าและคลื่นดิน
– สามารถเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นได้
– โลหะมีสมบัติในการสะท้อนและดูดกลืนคลื่นแเหล็กไฟฟ้าได้ดี ดังนั้นคลื่นวิทยุจังผ่านไม่ได้
– การกระจายเสียงออกอากาศมีทั้งระบบ F.M. และ A.M.

2)  คลื่นไมโครเวฟ  

– ไม่สะท้อนกับบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์จึงส่งเป็นเส้นตรงแล้วใช้สถานีถ่ายทอดเป็นระยะหรือใช้คลื่นไมโครเวฟนำสัญญาณโทรทัศน์ไปยังดาวเทียม
– คลื่นโทรทัศน์มีความยาวคลื่นสั้นจึงเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวางใหญ่ๆ เช่น รถยนต์ หรือเครื่องบินไม่ได้
ดังนั้นจะเกิดการสะท้อนกับเครื่องบิน กลับมาแทรกสอดกับคลื่นเดิม ทำให้เกิดคลื่นรบกวนได้
– ไมโครเวฟสะท้อนโลหะได้ดี จึงใช้ทำเรดาห์

3)  รังสีอินฟราเรด 

–  ตรวจรับได้ด้วยประสาทสัมผัสทางผิวหนัง หรือ ฟิล์มถ่ายรูปชนิดพิเศษ
– สิ่งมีชีวิตแผ่ออกมาตลอดเวลาเพราะเป็นคลื่นความร้อน
– ใช้ในการสื่อสาร เช่น ถ่ายภาพพื้นโลกจากดาวเทียม, ใช้เป็นรีโมทคอนโทรลของเครื่องวิทยุและโทรทัศน์ และใช้ควบคุมจรวดนำวิถี
– ใช้เป็นพาหะนำสัญญาณในเส้นใยนำแสง (optical fiber)

4)  แสง

– มักเกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง , และถ้าวัตถุยิ่งมีอุณหภูมิสูงจะยิ่งมีพลังงานแสงยิ่งมาก

– อาจเกิดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิไม่สูงก็ได้ เช่น แสงจากหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์, หิ่งห้อย, เห็ดเรืองแสง

– เลเซอร์ เป็นแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ที่ให้แสงโดยไม่อาศัยความร้อน มีความถี่และเฟสคงที่

(ถ้าเป็นแสงที่เกิดจากความร้อนจะมีหลายความถี่และเฟสไม่คงที่) จนสามารถใช้เลเซอร์ในการสื่อสารได้,

ถ้าใช้เลนส์รวมแสงให้ความเข้มข้นสูงๆ จะใช้เลเซอร์ในการผ่าตัดได้

– บริเวณที่แสงเลเซอร์ตก จะเกิดความร้อน

5)  รังสีอัลตราไวโอเลต 

–  รังสีนี้ในธรรมชาติ ส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์
– เป็นรังสีที่ทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์
– เป็นอันตรายต่อเซลผิวหนัง, ตา และใช้ฆ่าเชื้อโรคได้
– สามารถสร้างขึ้นได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในหลอดที่บรรจุไอปรอท
– ผ่านแก้วได้บ้างเล็กน้อยแต่ผ่านควอตซ์ได้ดี
– การเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้าจะทำให้เกิดรังสีนี้ได้

6)  รังสีเอ็กซ์ 

– ทะลุผ่านสิ่งกีดขวางหนาๆ ได้ แต่ถูกกั้นได้ด้วยอะตอมของธาตุหนัก จึงใช้ตรวจสอบรอยร้าวในชิ้นโลหะขนาดใหญ่,ใช้ตรวจหาอาวุธปืนในกระเป๋าเดินทาง

– ความยาวคลื่นประมาณ 10 -10 เมตร ซึ่งใกล้เคียงกับขนาดอะตอมและช่องว่างระหว่างอะตอมของผลึกจึงใช้วิเคราะห์โครงสร้างผลึกได้

7)      รังสีแกมมา

– รังสีแกมม่าที่พบในธรรมชาติ เช่น รังสีแกมม่าที่เกิดจากการแผ่สลายของสารกัมมันตรังสี, รังสีคอสมิคที่มาจากอวกาศก็มีรังสีแกมม่าได้
– รังสีแกมม่าอาจทำให้เกิดขึ้นได้ เช่นการแผ่รังสีของอนุภาคไฟฟ้าในเครื่องเร่งอนุภาค

ไฮน์ริช  รูดอล์ฟ แฮทซ์ ความถี่ในหน่วยเอสไอ คือ “เฮิรตซ์” ซึ่งเป็นการค้นพบคลื่นวิทยุ

    แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงที่กระทำระหว่างโมเลกุลต่อโมเลกุลในสสาร อิเล็คตรอนถูกดึงดูดอยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมด้วยกลไกของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อะตอมหลายอะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็คตรอนของอะตอมหลายอะตอมที่อยู่ใกล้กัน มีผลทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอน  แต่เดิม ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกคิดว่าเป็นสองแรงแยกออกจากกัน ความคิดนี้เปลี่ยนไป เมื่อหนังสือของ เจมส์ เคลิค แมกซ์เวลล์ พิมพ์ขึ้นในปี ค.ศ.1873 บ่งว่า ปฏิสัมพันธ์ของประจุบวกและประจุลบถูกควบคุมโดยแรงเดียว 

4.ทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

       สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Electric and Magnetic Field: EMFs) คือ เส้นสมมุติที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงอาณาเขตและความเข้มของเส้นแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า (เรียกว่า สนามไฟฟ้า) และที่เกิดขึ้นโดยรอบวัตถุที่มีกระแสไฟฟ้าไหล (เรียกว่า สนามแม่เหล็ก) ในกรณีทั้ง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันมักจะเรียกรวมว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือในทางกลศาสตร์ควอนตัมนั้น การสปิน(การหมุนรอบตัวเอง) ของอนุภาคต่างๆ ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเช่นกัน ซึ่งสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการ สปิน เป็นที่มาของสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรต่างๆ สนามแม่เหล็กคือปริมาณที่บ่งบอกแรงกระทำบนประจุที่กำลังเคลื่อนที่ การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า (เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์พื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้า) ในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้รวมสนามไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กเข้าด้วยกันด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ เพียงสี่สมการ ที่เรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้ 2 ลักษณะคือ
        1) เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ได้แก่ สนามแม่เหล็กโลก คลื่นรังสีจากแสงอาทิตย์ คลื่นฟ้าผ่า คลื่นรังสีแกมมา 
        2) เกิดขึ้นจากการสร้างของมนุษย์

5.ทฤษฎีการเดินทางของเสียง

       เสียง เป็นคลื่นกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง ถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้ เมื่อการสั่นสะเทือนนั้นมาถึงหู จะถูกแปลงเป็นพัลส์ประสาท ซึ่งจะถูกส่งไปยังสมอง ทำให้เรารับรู้และจำแนกเสียงต่างๆ

   คุณลักษณะเฉพาะของเสียง ได้แก่ ความถี่ ความยาวช่วงคลื่น แอมปลิจูด และความเร็ว เสียงมีความแตกต่างกัน เสียงสูง-เสียงต่ำ, เสียงดัง-เสียงเบา หรือคุณภาพของเสียงต่างๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดเสียง และจำนวนรอบต่อวินาทีของการสั่นสะเทือน

   ระดับเสียง (pitch) คือ เสียงสูง-ต่ำ สิ่งที่ทำให้เสียงสูงขต่ำแตกต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือนของวัตถุ วัตถุที่สั่นเร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สั่นช้า โดยจะมีหน่วยวัดความถี่ของการสั่นสะเทือนต่อวินาที และนอกจาก วัตถุที่มีความถี่ในการสั่นสะเทือนมากกว่าจะมีเสียงที่สูงกว่าแล้ว หากความถี่มากขึ้นเท่าตัว ก็จะมีระดับเสียงสูงขึ้นเท่ากับ 1 ออกเตฟ (octave) ภาษาไทยเรียกว่า 1 ช่วงคู่แปด

   ความยาวช่วงคลื่น (w avelength) คือ ระยะทางระหว่างยอดคลื่นสองยอดที่ติดกันซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการอัดตัวของคลื่นเสียง (คล้ายคลึงกับยอดคลื่นในทะเล) ยิ่งความยาวช่วงคลื่นมีมาก ความถี่ของเสียง(ระดับเสียง) ยิ่งต่ำลง

   แอมปลิจูด (a mplitude) คือ ความสูงระหว่างยอดคลื่นและท้องคลื่นของคลื่นเสียง ที่แสดงถึงความเข้มของเสียง (Intensity) หรือความดังของเสียง (Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความเข้มหรือความดังของเสียงยิ่งเพิ่มขึ้น