ฟิสิกส์อะตอม

เรื่อง ฟิสิกส์อะตอม

ฟิสิกส์อะตอมเป็นเรื่องที่ศึกษาโครงสร้างและส่วนประกอบของอะตอม เริ่มต้นจากปี พ.ศ. 2398 ไกสเลอร์ ได้ประดิษฐ์หลอดสุญญากาศความดันต่ำ ปลายทั้งสองของหลอดต่อเข้าความต่างสูง พบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น และเกิดการเรืองแสงสีเขียวจางๆ ขึ้นบริเวณผนังหลอด ต่อมาได้ถูกนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ดัดแปลง จนนำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอนในที่สุด โดยเรียงลำดับการค้นพบ จากการทดลองของ ครูกส์ (William Crookes) ซึ่งมีผลการทดลองว่า การเรืองแสงสีเขียวจะเกิดมากที่สุดบริเวณผนังหลอดด้านในที่อยู่ตรงกันข้ามกับขั้วแคโทด จึงเรียกรังสีนี้ว่า "รังสีแคโทด (Cathode Ray) " รังสีนี้จะเบี่ยงเบนในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson)

การทดลองของทอมสัน (Joseph J. Thomson) เขาทดลองเพิ่มเติมจากแนวความคิดของครูกส์ พบว่า รังสีแคโทดเป็นลำอนุภาคที่มีประจุลบ หรือเรียกว่า อนุภาครังสีแคโทด (Cathode Ray Particle) ต่อมาเรียกใหม่ว่า "อิเล็กตรอน (Electron) " และถือว่า "ทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ค้นพบอิเล็กตรอน" ทอมสันสามารถค้นพบค่าประจุต่อมวล q/m มีค่าเท่ากับ 1.76x 1011 คูลอมบ์ต่อกิโลก

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (J.J Thomson) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้สนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด จึงทำการทดลองเกียวกับการนำไฟฟ้าของแก๊สขึ้นในปี พ.ศ. 2440 (ค.ศ. 1897) และได้สรุปสมบัติของรังสีไว้หลายประการ ดังนี้
1. รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรงจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด เนื่องจากรังสีแคโทดทำให้เกิดเงาดำของวัตถุได้ ถ้านำวัตถุไปขวางทางเดินของรังสี 2. รังสีแคโทดเป็นอนุภาคที่มีมวล เนื่องจากรังสีทำให้ใบพัดที่ขวางทางเดินของรังสีหมุนได้เหมือนถูกลมพัด
3. รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ เนื่องจากเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า
จากผลการทดลองนี้ ทอมสันอธิบายได้ว่า อะตอมของโลหะที่ขั้วแคโทดเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอม อิเล็กตรอนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ภายในหลอด ถ้าเคลื่อนที่ชนอะตอมของแก๊สจะทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมของแก๊สหลุดออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดและจากแก๊สซึ่งเป็นประจุลบจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแอโนด ขณะเคลื่อนที่ถ้ากระทบฉากที่ฉาบสารเรืองแสง เช่น ZnS ทำให้ฉากเกิดการเรืองแสง ซึ่งทอมสันสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่า “อิเล็กตรอน” และยังได้หาค่าอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอิเล็กตรอนโดยใช้สยามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าช่วยในการหา ซึ่งได้ค่าประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.76 x 108 C/g ค่าอัตราส่วน e/m นี้จะมีค่าคงที่ ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่เป็นขั้วแคโทด และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สที่บรรจุอยู่ในหลอดรังสีแคโทด แสดงว่าในรังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุลบเหมือนกันหมดคือ อิเล็กตรอน นั่นเอง ทอมสันจึงสรุปว่า

การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน (Robert A.Millikan)

การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน (Robert A.Millikan) เป็นการทดลองเพื่อต่อยอดความรู้ของทอมสัน ทำให้มิลลิแกนสรุปได้ว่า "ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวมีขนาดเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ " และนิยมใช้สัญลักษณ์ "e" แทนค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน และยังสามารถค่า "มวลของอิเล็กตรอนได้เท่ากับ 9.1 x 10-31 กิโลกรัม" หลังจากที่มีการค้นพบอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอม ทำให้ขัดแย้งกับทฤษฎีอะตอมในอดีตที่เข้าใจว่า อะตอมแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมขึ้นมาเรียงตามความเชื่อถือ ดังต่อไปนี้

จากการทำลองของทอมสัน ทำให้เราทราบอัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้าต่อมวล (q/m) ของอิเล็กตรอน แต่ยังไม่ทราบประจุไฟฟ้าและขนาดมวลของอิเล็กตรอน จนกระทั่งนักฟิสิกส์ชื่อ มิลลิแกน (Robert A. Millikan) โดยใช้เครื่องมือทดลองวัดค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ โดยการวัดประจุบนหยดน้ำมันในกล่องที่ปิดมิดชิดดังรูป

ส่วนบนของกล่องมีท่อฉีดน้ำมันเล็กๆ ฉีดน้ำมันให้เป็นหยดเล็กมาก(ฝอยน้ำมัน) และลอดช่อง A ลงไปลอยอยู่ระหว่าง AB เราสามารถมองเห็นหยดน้ำมันเหล่านี้ โดยการมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ ตอนแรกหยดน้ำมันมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่เมื่อมันเคลื่อนที่เสียดสีกับอากาศหรือเกิดการเสียดสีกันเอง หรืออาจฉายด้วยรังสีเอกซ์จะทำให้หยดน้ำมันบางตัว เสียอิเล็กตรอน ทำให้ตัวเองมีสภาพเป็นบวกน้อยๆ แต่บางตัวจะได้รับอิเล็กตรอนจากหยดน้ำมันอื่นทำให้มีสภาพเป็นลบน้อยๆ เหมือนกันถ้าหยดน้ำมันรับไอออนบวก แล้วจะมีประจุไฟฟ้าบวก ถ้าหยดน้ำมันรับอิเล็กตรอน แล้วจะมีประจุไฟฟ้าลบ ถ้าต่อ AB เข้ากับความต่างศักย์ค่าหนึ่ง จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นระหว่างแผ่นทั้งสอง โดยที่แผ่นบวกต่อกับขั้วบวก ส่วนแผ่นล่างต่อกับขั้วลบ และปรับความต่างศักย์ไฟฟ้า (สนามไฟฟ้า) ให้มีค่าอย่างพอเหมาะแล้วจะมีหยดน้ำมันบางหยดลอยนิ่งๆ อยู่กับที่หรืออยู่ในสภาพสมดุล ดังรูป จากรูป จากสูตรสมดุล
แรงขึ้น = แรงลง
qE = mg
ดังนั้น q = mg/E
เมื่อ m แทนมวลของหยดน้ำมันซึ่งสามารถวัดได้
และ E แทนขนาดสนามไฟฟ้าซึ่งหาได้จาก E= V/d
จากการพิจารณาหยดน้ำมันหลายๆ หยด แล้วแทนค่าตัวแปรต่างๆ ในสูตร q = mg/E ของมิลลิแกน พบว่าประจุไฟฟ้า q ที่ได้มีค่าเป็นจำนวนเต็มเท่าของค่าคงตัวค่าหนึ่ง คือ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ และใช้สัญลักษณ์ "e" แทนประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน
มิลลิแกนสามารถคำนวณหามวลของอิเล็กตรอนได้ ดังนี้
จากการทดลองของทอมสัน e/m = 1.76 x 1011 C/kg
C/kg

m = 9.1x 10-31 kg
ดังนั้นมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.1 x 10-31 กิโลกรัม

ตัวอย่าง ในการทดลองเรื่องหยดน้ำมันของมิลลิแกน ถ้าหยดน้ำมันมีมวล 6.4 x 10-15 กิโลกรัม และได้รับอิเล็กตรอนเพิ่ม 5 ตัว เคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่ง 5 เมตร/วินาที2 ถ้าระยะระหว่างแผ่นโลหะเท่ากับ 1 เซนติเมตร ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองมีค่ากี่โวลต์ กำหนดให้ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์
วิธีทำ

จะได้ V=1,200 โวลต์

ดังนั้น ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองมีค่า 1,200 โวลต์

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน อะตอมเป็นรูปทรงกลมประกอบด้วยเนื้ออะตอมที่มีประจุบวก และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบกระจายกันอยู่ เหมือนเม็ดแตงโม แต่ไม่สามารถอธิบายการทดลองได้ จึงทำให้ล้มเหลวในที่สุด

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบไปด้วยประจุไฟฟ้าบวกที่รวมกันอยู่จุดศูนย์กลางเรียกว่า "นิวเคลียส" ซึ่งถือว่าเป็นที่รวมมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆ นิวเคลียสที่ระยะห่างจากนิวเคลียสมาก และเขาคำนวณพบว่า นิวเคลียสมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-15 ถึง 10-14 เมตร ในขณะที่อะตอมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10-10 เมตร แสดงว่า ขนาดอะตอมจึงใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียสประมาณหนึ่งแสนเท่า แต่ก็มีข้อบกพร่องเพราะไม่สามารถอธิบายได้ว่า ทำไมประจุบวกจึงรวมกันอยู่ในนิวเคลียส และทำไมอิเล็กตรอนจึงสามารถโคจรรอบนิวเคลียสได้ทั้งที่สูญเสียพลังงานจลน์ ตามทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกเวลล์

แบบจำลองอะตอมของโบร์ (Niels Bohr) โบร์ได้ปรับปรุงแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด โดยการตั้งสมมติฐานขึ้น 2 ข้อ สมมติฐานข้อที่ 1 อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบนิวเคลียสจะมีวงโคจรพิเศษที่อิเล็กตรอนไม่แผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา โดยที่ในวงโคจรพิเศษนี้อิเล็กตรอนจะมีโมเมนตัมเชิงมุม L คงตัว โมเมนตัมเชิงมุมนี้มีค่าเป็นจำนวนเท่าของค่าคงตัวมูลฐาน ( เมื่อ h แทนค่าคงตัวของพลังค์ (Planck Constant) = 6.63x10-34 Js) สมมติฐานข้อที่ 2 อิเล็กตรอนจะรับหรือปล่อยพลังงานในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนวงโคจร****

การทดลองของฟรังก์และเฮิรตซ์ ฟรังก์ (James Franck) และเฮิรตซ์ (Fustav L. Hertz) ได้ทำการทดลองเพื่อสนับสนุนทฤษฎีอะตอมของโบร์ และแสดงว่าโครงสร้างอะตอมมีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง (มีลักษณะเป็นชั้นๆ) โดยการเร่งอิเล็กตรอนวิ่งเข้าไปชนกับอะตอมของปรอทที่อยู่ในสภาพเป็นไอ และพบว่าอะตอมของปรอทที่อยู่ในสภาพไอสามารถดูดกลืนพลังงาน ได้เพียงบางค่าเท่านั้น เช่น 4.9 eV , 6.7 eV และ 10.4 eV นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์ที่เกิดจากการทดลองเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ สนับสนุนพลังงานไม่ต่อเนื่อง รังสีเอกซ์ (X-rays) คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง (1016 - 1022 Hz) หรือ ความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 10-8 - 10-13 เมตร ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก สเปกตรัมของรังสีเอ็กซ์มี 2 แบบ คือ สเปกตรัมแบบต่อเนื่อง และ สเปกตรัมแบบเส้น (ซึ่งเแบบเส้นจะสนับสนุนพลังงานไม่ต่อเนื่อง) ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฏีอะตอมของโบร์ มีข้อบกพร่อง เพราะอธิบายได้ดีเฉพาะอะตอมขนาดเล็ก เช่น ไฮโดรเจน เท่านั้น ส่วนอะตอมอื่นๆ ไม่สามารถอธิบายได้ นั่นเป็นเพราะว่า
1) โบร์ได้ผสมความคิดของฟิสิกส์แผนเดิมกับความคิดเรื่องควอนตัมของพลังงานพลังก์ ซึ่งเป็นความคิดของฟิสิกส์แผนใหม่ จึงทำให้มีขอบเขตจำกัด

2) ไม่สามารถอธิบายได้ว่า อะตอมที่อยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะให้สเปกตรัมที่ผิดไปจากเดิมคือ สเปกตรัมเส้นหนึ่งๆ แยกออกเป็นหลายเส้น ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค คือ การที่คลื่นสามารถแสดงสมบัติของอนุภาคได้และในทางกลับกันอนุภาคก็สามารถแสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน โดยมีปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้ สนับสนุนแนวคิดทวิภาพของคลื่นและอนุภาค

1) ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoectric Effect) คือ ปรากฏการณ์ที่ฉายแสงซึ่งมีความยาวคลื่นสั้น หรือมีความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ แล้วทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโลหะได้ และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาว่า "โฟโตอิเล็กตรอน (Photoelectron)" และอธิบายได้จากความรู้เรื่อง การแผ่รังสีของวัตถุดำ โดยพลังก์นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ตั้งสมมติฐานซึ่งมีใจความว่า "พลังงานที่วัตถุดำรับเข้าไป หรือปล่อยออกมานั้นมีค่าได้เฉพาะบางค่า" ซึ่งจะเป็นจำนวนเท่าของ hf โดยเรียกว่า "ควอนตัมของพลังงาน"

2) ปรากฏการณ์คอมป็ตัน (Compton Effect) อธิบายโดยคอมป์ตัม (Arthur H. Compton) และดีบาย (Perter Debye) ได้ทดลองฉายรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นค่าหนึ่งไปกระทบอิเล็กตรอนในแท่งแกรไฟต์ ปรากฏว่ามีอิเล็กตรอนและรังสีเอกซ์กระเจิงออกมา พบว่า รังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมามีทั้งความยาวคลื่นเท่าเดิมและความยาวคลื่นมากกว่าเดิม

3) สมมติฐานของเดอบรอยล์ (De Broglie's Hypothesis) กล่าวได้ว่า "ถ้าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงสมบัติของอนุภาคได้ แล้วอนุภาคก็แสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นเดียวกัน" หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก กล่าวไว้ว่า "เราไม่สามารถรู้ถึงตำแหน่งและความเร็ว ของอนุภาคในเวลาเดียวกันได้อย่างแม่นยำ" ตามหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กที่เกี่ยวกับความไม่แน่นอนทางตำแหน่งและความไม่แน่นอนทางโมเมนตัม มีความสัมพันธ์กันดังต่อไปนี้

ไฟฟ้ากระแสสลับ

ไฟฟ้ากระแสสลับ

ทฤษฎีอิเลคตรอน

ปรากฏการณ์ไฟฟ้าทุกชนิด อธิบายและคาดการณ์ไว้ล่วงหน้าได้ โดยตั้งข้อสมมุติไว้ว่ามีสิ่งเล็กๆ สิ่งหนึ่งเคลื่อนที่อยู่ สิ่งนั้นคือ “อิเลคตรอน” ทฤษฏีอิเลคตรอนนี้ได้ช่วยทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดและค้นหาสิ่งใหม่ๆ ได้เป็นผลสำเร็จผิดกับในสมัยก่อนรู้จักทฤษฏีอิเลคตรอน ซึ่งดูเหมือนจะไม่มีทางคิดค้นสิ่งใหม่ๆ เหล่านั้นได้เลย ทฤษฏีอิเลคตรอนนี้ไม่เพียงแต่ใช้เป็นหลักในการออกแบบสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเลคโทรนิคส์ต่างๆ แล้ว ยังใช้อธิบายปฏิกิริยาเคมีได้อีกด้วย ผลก็คือทำให้นักเคมีพบสารเคมีใหม่ๆ ได้สำเร็จ เช่น ยาใหม่ๆ ดีๆ เป็นต้น ตั้งแต่ทฤษฏีอิเลคตรอนนี้เกิดขึ้นมา ได้มีผู้ค้นพบสิ่งใหม่ๆ มากขึ้นโดยเฉพาะในแขนงวิชาไฟฟ้า อิเลคโทรนิคส์ เคมี และฟิสิกซ์อะตอม จึงทำให้เราเชื่อได้ว่าอิเลคตรอนนี้มีจริง และวิชาไฟฟ้าที่ท่านกำลังจะศึกษาอยู่นี้ ก็อธิบายด้วยทฤษฏีอิเลคตรอนทั้งสิ้น ตามทฤษฎีกล่าวว่าปรากฏการณ์ไฟฟ้ามีกำเนิดขึ้นได้เพราะอิเลคตรอนเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปสู่อีกตำแหน่งหนึ่ง หรือเป็นเพราะบางตำแหน่งมีอิเลคตรอนเกินมา และบางตำแหน่งมีอิเลคตรอนน้อยไปก็ได้*

ดังกล่าวมาแล้วไฟฟ้าเกิดจากอิเลคตรอน วิ่งจากจุดหนึ่งถึงจุดหนึ่ง หรือเกิดจากการที่วัสดุงานมีอิเลคตรอนเกินมา หรือขาดอิเลคตรอนไป ฉะนั้นก่อนที่ท่านจะเรียนปฏิบัติงานไฟฟ้า จึงควรจะต้องทราบว่าอิเลคตรอน คืออะไรและเคลื่อนที่อย่างไรเสียก่อน การที่จะทำให้อิเลคตรอนเคลื่อนที่ได้นั้น จะต้องมีพลังงานรูปอื่นเปลี่ยนรูปมาเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานรูปอื่นที่เป็นตัวกระทำดังกล่าวหรือต้นพลังงานไฟฟ้านั้นมีอยู่ทั้งหมด 6 รูปด้วยกัน แต่ก่อนที่เราจะพูดถึงวิธีการที่พลังงานเปลี่ยนรูป ควรจะทราบเสียก่อนว่าอิเลคตรอนคืออะไร และมีโครงสร้างอย่างไร เสียก่อนดังนี้*

ในอนุภาคชิ้นเล็กที่สุดของสสาร ซึ่งยังสามารถแสดงคุณสมบัติเดิมให้รู้ว่าเป็นสารอะไรนั้นเรียกว่า Atom ใน Atom ของสารแต่ละชนิดจะประกอบด้วยอิเลคตรอน โปรตอน และนิวตรอน โดยมีโปรตอนรวมอยู่กับนิวตรอนเป็นแกนกลาง (Neucleus) และมีอิเลคตรอนวิ่งอยู่รอบๆ แกนกลางนั้น อิเลคตรอนก็ คือ อนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ (-) โปรตอนก็คืออนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+) ส่วนนิวตรอนนั้นเป็นอนุภาคไฟฟ้าที่มีอิเลคตรอนที่มีอำนาจไฟฟ้า เป็นกลางคือ ไม่แสดงอำนาจเป็นบวกหรือลบ ซึ่งในขณะที่อิเลคตรอนวิ่งรอบๆ โปรตอนและนิวตรอนนั้น คล้ายๆ กับดาวเคราะห์ที่กำลังเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะนั้นเอง*

การจะทำให้มีประจุไฟฟ้า หรืออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าได้นั้น จะต้องทำให้อิเลคตรอนหลุดออกมาจากอะตอม โดยใช้พลังงานภายนอกเข้าไปกระทำกับอะตอมซึ่งจะทำให้อิเลคตรอนบางตัวหลุดออกมาเป็นอิเลคตรอนอิสระอิเลคตรอนที่จะหลุดได้ง่าย คือ อิเลคตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุด (Valence electron) อิเลคตรอนที่หลุดออกมา หรืออิเลคตรอนอิสระนี้จะเป็นประจุไฟฟ้าลบ ( - ) และอะตอมที่ขาดอิเลคตรอนหรือมีอิเลคตรอนน้อยกว่าโปรตอนจะแสดงอำนาจไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าบวก (+ ) ตามธรรมชาติของสสาร พบว่าสารที่เป็นโลหะ เช่น ทองแดง อลูมิเนียม เงิน ทองคำ ฯลฯ จะให้อิเลคตรอนวงนอกสุดหลุดออกเป็นอิเลคตรอนอิสระได้ง่ายกว่าสารประเภทอื่นที่ไม่ใช้โลหะเมื่อพิจารณาในภาพที่ 1.3 แล้ว จะเห็นว่าโปรตอนนั้นอยู่ในนิวเคลียสประกอบกับโปรตอนมีมวลมากกว่าอิเลคตรอน จึงทำให้โปรตอนเคลื่อนที่ได้ยากกว่าอิเลคตรอน ดังนั้นการกล่าวถึงประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่โดยทั่วไปก็หมายถึงอิเลคตรอนนั้นเอง *

การกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

ค่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะเกิดขึ้นมากหรือน้อยนั้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของขดลวดตัวนำขณะหมุนตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กนั้น ถ้าทิศทางการเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำตั้งฉากกับเส้นแรงแม่เหล็ก แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะมีค่าสูงสุดและจะมีค่าน้อยลง เมื่อทิศทางการเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กในมุมน้อยกว่า 90๐ และจะมีค่าเป็นศูนย์เมื่อขดลวดตัวนำวางขนานกับเส้นแรงแม่เหล็ก*

จะเห็นว่าใน 1 วัฎจักรของการหมุนขดลวดตัวนำ คือ หมุนไป 360๐ ทางกลน้ำจะเกิดรูปคลื่นไซน์ 1 ลูกคลื่น หรือ 1 วัฎจักร ถ้าขดลวดตัวนำนี้หมุนด้วยความเร็วคงที่และสภาพของเส้นแรงแม่เหล็กมีความหนาแน่นเท่ากันตลอด รอบพื้นที่ของการตัดแรงดันไฟฟ้าสลับรูปคลื่นไซน์ที่จะมีค่าคงที่และถ้ามีการหมุนของขดลวดต่อเนื่องตลอดไป จะทำให้เกิดจำนวนรอบของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อเนื่องกันไป นั่นคือการเกิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ *

ความถี่และคาบเวลาของไฟฟ้ากระแสสลับ

ความถี่ของกระแสสลับ (Frequency ตัวย่อ f) หมายถึง จำนวนวัฏจักรของการเกิดรูปคลื่นไซน์ต่อเวลา 1 วินาที

ถ้าเกิดรูปคลื่นไซน์ 2 วัฏจักรต่อเวลา 1 วินาที ก็แสดงว่าไฟฟ้ากระแสสลับที่เกิดขึ้นมีความถี่ 2 วัฏจักรต่อเวลา 1 วินาที หรือเรียกแทนในหน่วยเฮิรตซ์ (Hz) หรือความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ 50 เฮิรตซ์ ก็คือการเกิดรูปคลื่นไซน์จำนวน 50 วัฏจักรต่อเวลา 1 วินาที และจากรูป 4.2 รูปคลื่นไซน์นี้มีความถี่เท่ากับ 1 เฮิรตซ์ เป็นต้น*

ความถี่และคาบเวลาของไฟฟ้ากระแสสลับ

ค่าต่างๆ ที่สำคัญของรูปคลื่นไซน์ นอกจากความถี่และคาบเวลานั้นมีอีก 4 ค่า คือ ค่าสูงสุด(Maximum) ค่ายอดถึงยอด(Peak-to-Peak) ค่าเฉลี่ย(Average) และค่าใช้งาน(Effective)ค่ายอดถึงยอด วัตถุจากจุดยอดของรูปคลื่นไซน์ด้านบวกจนถึงจุดยอดของรูปคลื่นไซน์ด้านลบ นั่นคือ ค่ายอดถึงยอดเท่ากับ 2 เท่าของค่าสูงสุด ค่าเฉลี่ย ค่าเฉลี่ยของรูปคลื่นไซน์นั้นเราพิจารณาเฉพาะด้านใดด้านหนึ่ง คือด้านบวกหรือด้านลบเพียงด้านเดียว เพราะถ้าพิจารณาทั้งวัฏจักรจะได้ค่าเฉลี่ยเท่ากับศูนย์ ดังนั้นค่าเฉลี่ยจึงเป็นปริมาณทางไฟตรง พิจารณาตั้งแต่ 0 องศา ถึง 180 องศา*

ค่าแรงดันใช้งาน (Effective Voltage) ปกติเมื่อนำมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น AC.Voltmeter หรือ RMS. Voltmeter ไปวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่เต้ารับในบ้านจะอ่านค่าได้ 220 V เมื่อนำเครื่องมือวัดรูปร่างของรูปคลื่นไฟสลับ (ไซน์) ดังกล่าว เช่น นำออสซิลโลสโคปไปวัดจะได้รูปคลื่นไซน์ *

แม่เหล็กไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Electric and Magnetic Field: EMFs) จะหมายถึงเส้นสมมุติที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงอาณาเขตและความเข้มของเส้นแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า (เรียกว่า สนามไฟฟ้า) และที่เกิดขึ้นโดยรอบวัตถุที่มีกระแสไฟฟ้าไหล (เรียกว่า สนามแม่เหล็ก) ในกรณีกล่าวถึงทั้ง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันมักจะเรียกรวมว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้ 2 ลักษณะคือ *

1) เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ได้แก่ สนามแม่เหล็กโลกคลื่นรังสีจากแสงอาทิตย์ คลื่นฟ้าผ่า คลื่นรังสีแกมมา เป็นต้น
2) เกิดขึ้นจากการสร้างของมนุษย์ แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือสนามแม่เหล็กโลกและปรากฏการณ์ฟ้าผ่าจากสนามไฟฟ้า
- แบบจงใจ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่จงใจสร้างให้เกิดขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์โดยตรงจากคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นนี้ เช่น ให้สามารถส่งไปได้ในระยะไกลๆ ด้วยการส่งสัญญาณของระบบสื่อสารสัญญาณเรดาร์ คลื่นโทรศัพท์ คลื่นโทรทัศน์และ คลื่นวิทยุ และการใช้คลื่นไมโครเวฟในการให้ความร้อน เป็นต้น
- แบบไม่จงใจ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้งานอุปกรณ์ โดยไม่ได้มีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์โดยตรงจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเช่น ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (สายส่งไฟฟ้า)รวมถึงอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น *

สนามแม่เหล็กไฟฟ้ายังสามารถแบ่งออกเป็น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสถิตที่ไม่มีการเปลี่ยนตามเวลา (Static Field หรือDC Field) ตัวอย่างเช่น สนามไฟฟ้าระหว่างก้อนเมฆกับพื้นโลก สนามแม่เหล็กจาก แม่เหล็กถาวร สนามแม่เหล็กโลก เป็นต้น*

ส่วนอีกประเภทคือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนตามเวลา (Dynamic Field หรือAC Field) ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสสลับ(50 Hz) และ ระบบสื่อสาร เป็นต้น*

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของแถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(Electromagnetic Spectrum) ซึ่งแถบคลื่นความถี่นี้จะเป็นตัวบอกถึงระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Energy หรือ Photon Energy) โดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงจะมีระดับของพลังงานสูง และ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่ำก็จะมีระดับของพลังงานที่ต่ำ
แถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียงลำดับความถี่จากสูงไปสู่ต่ำ เป็นดังนี้ รังสีคอสมิก รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์แสงอาทิตย์ คลื่นความร้อน คลื่นไมโครเวฟ คลื่นวิทยุ และ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า ดังแสดงในรูป
อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนหนึ่งของแถบความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความแตกต่างกันอย่างมากเมื่อเทียบกับรังสีแกมมาซึ่งมีความถี่อยู่ในย่านการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไอออน (Ionization Radiation)

[1] และสามารถทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้ นั่นหมายความว่ารังสีแกมมาและการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดไอออนสามารถทำลายส่วนต่างๆ ของดีเอ็นเอ (DNA) และการได้รับรังสีชนิดนี้สามารถนำไปสู่โรคมะเร็งได้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีแถบคลื่นความถี่ที่ต่ำลงมา ระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะมีค่าลดลง ตัวอย่างเช่น คลื่นไมโครเวฟ ซึ่งมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้ อย่างไรก็ตามการได้รับการแผ่รังสีของคลื่นไมโครเวฟที่มีค่าสูงโดยตรงสามารถทำให้เกิดความร้อนได้เช่นเดียวกับการทำให้อาหารสุกโดยใช้ เตาไมโครเวฟ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า มีความถี่อยู่บนแถบคลื่นความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่ต่ำมาก

[2] สนามแม่เหล็กจากเครื่องใช้ไฟฟ้าและสายส่งไฟฟ้านั้น มีระดับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยมากๆ ซึ่งไม่เพียงพอที่จะทำลายการยึดเหนี่ยวของโมเลกุลได้ แต่อย่างไรก็ดี เซลล์ร่างกายคนเราสามารถตอบสนองกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานต่ำด้วย ในกรณีที่ขนาดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีค่าสูง ซึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้จะเป็นปฏิกิริยาทางอ้อม (ผลกระทบทางกายภาพ) โดยยังไม่มีหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่า ผลกระทบทางอ้อมนี้จะก่อให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับสุขภาพ