ไฟฟ้าสถิตดึงเศษกระดาษได้อย่างไรทั้งที่ไม่ใช่แม่เหล็ก

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

ถูไม้บรรทัดพลาสติกกับผมไม่กี่ครั้ง แล้วเอาไปจ่อเศษกระดาษเล็ก ๆ บนโต๊ะ เศษกระดาษกลับกระโดดเข้าหาเหมือนมีแรงล่องหนคอยดึงอยู่ ทั้งที่ไม้บรรทัดไม่ใช่แม่เหล็ก และกระดาษก็ไม่ได้เป็นโลหะ เรื่องนี้คือการทำงานของ ไฟฟ้าสถิต ซึ่งเกิดจากประจุไฟฟ้าที่ค้างอยู่บนวัตถุชั่วคราว

คำว่า “ไฟฟ้าสถิต” ฟังเหมือนไฟฟ้าที่อยู่นิ่ง ๆ แต่แรงของมันไม่ได้อยู่นิ่งตามชื่อเลย มันสามารถดึงเส้นผม ทำให้เสื้อผ้าติดกัน หรือทำให้เราสะดุ้งเบา ๆ ตอนจับลูกบิดประตูได้

เริ่มจากการย้ายของอิเล็กตรอน

ทุกสิ่งรอบตัวสร้างจากอะตอม ภายในอะตอมมีโปรตอนที่มีประจุบวก และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ปกติวัตถุหนึ่งชิ้นมีจำนวนประจุบวกและลบใกล้เคียงกัน จึงดูเหมือนไม่มีประจุไฟฟ้าให้รู้สึก

แต่เมื่อวัสดุสองชนิดสัมผัสและเสียดสีกัน เช่น พลาสติกกับเส้นผม อิเล็กตรอนบางส่วนอาจย้ายจากผิววัสดุหนึ่งไปอยู่อีกวัสดุหนึ่งได้ พลาสติกมักรับอิเล็กตรอนเพิ่ม จึงมีประจุลบมากขึ้น ส่วนเส้นผมที่เสียอิเล็กตรอนไปจะมีประจุบวกมากขึ้น

นี่จึงเป็นเหตุผลที่ผมตั้งฟูเมื่อเอาลูกโป่งที่ถูผมแล้ววางเหนือศีรษะ เส้นผมหลายเส้นมีประจุชนิดเดียวกัน จึงผลักกันเองเหมือนคนที่ไม่อยากยืนเบียดกัน แต่ขณะเดียวกันก็ถูกลูกโป่งที่มีประจุต่างกันดึงขึ้นไป

แล้วกระดาษที่เดิมเป็นกลางถูกดึงได้อย่างไร

จุดที่น่าสนใจคือ เศษกระดาษไม่ได้จำเป็นต้องมีประจุตรงข้ามอยู่ก่อน ไม้บรรทัดที่มีประจุลบเข้าใกล้กระดาษซึ่งเป็นกลาง จะผลักอิเล็กตรอนภายในกระดาษให้ถอยไปด้านไกล ทำให้ด้านที่อยู่ใกล้ไม้บรรทัดเหลือความเป็นบวกมากกว่าเล็กน้อย

การที่ประจุในวัตถุถูกจัดตำแหน่งใหม่ชั่วคราวแบบนี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำของประจุ แม้กระดาษทั้งแผ่นจะยังมีประจุรวมเป็นศูนย์ แต่ด้านบวกอยู่ใกล้ไม้บรรทัดลบกว่า จึงถูกดึงแรงกว่าที่ด้านลบจะถูกผลัก ผลลัพธ์คือเศษกระดาษพุ่งเข้าหาไม้บรรทัด

หลักเดียวกันช่วยอธิบายการทดลองที่เอาหวีพลาสติกไปจ่อสายน้ำเล็ก ๆ แล้วน้ำโค้งเข้าหาหวี โมเลกุลของน้ำมีการกระจายประจุไม่เท่ากันอยู่แล้ว พอเจอวัตถุมีประจุ มันจึงหันตัวและถูกแรงดึงได้ง่ายกว่าวัตถุแห้งแข็งบางชนิด

ทำไมบางวันเกิดง่าย บางวันทำเท่าไรก็ไม่ติด

ความชื้นคือผู้ทำลายความขลังของไฟฟ้าสถิต น้ำในอากาศเกาะบนผิววัตถุและช่วยให้ประจุค่อย ๆ รั่วไหลออกไป ในวันที่อากาศแห้ง เช่น อยู่ในห้องแอร์นาน ๆ ประจุจึงสะสมได้ดี เราเลยพบเสื้อผ้าดูดกัน ผมชี้ฟู หรือโดนช็อตจากลูกบิดบ่อยขึ้น

ส่วนในวันที่อากาศชื้นมาก ประจุระบายออกเร็ว การถูไม้บรรทัดกับผมจึงอาจไม่ค่อยเห็นผล นี่ไม่ใช่เพราะการทดลองพัง แต่เป็นเพราะเงื่อนไขรอบตัวเปลี่ยนไป

แรงดึงเล็ก ๆ ที่มีผลตั้งแต่บ้านถึงโรงงาน

ในบ้าน ไฟฟ้าสถิตมักเป็นแค่เรื่องกวนใจ แต่ในโรงงานที่มีผงละเอียด ไอระเหยไวไฟ หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ประจุสะสมอาจสร้างปัญหาได้มากกว่านั้น จึงมีการต่อลงดิน ควบคุมความชื้น และใช้อุปกรณ์ลดไฟฟ้าสถิตเพื่อไม่ให้เกิดประกายไฟหรือทำลายวงจร

เวลาจับลูกบิดแล้วรู้สึกจี๊ด ไม่ได้แปลว่าลูกบิด “ปล่อยไฟ” ใส่เราเสมอไป แต่มักเป็นประจุที่สะสมบนร่างกายเราจากการเดินบนพรมหรือเสียดสีกับเสื้อผ้า แล้วถ่ายเทอย่างรวดเร็วเมื่อเจอโลหะ

ดังนั้นไฟฟ้าสถิตจึงดึงได้ เพราะมันไม่ได้ต้องรอให้วัตถุอีกฝ่ายเป็นแม่เหล็ก หรือมีประจุตรงข้ามพร้อมอยู่แล้ว แค่ทำให้ประจุภายในวัตถุขยับแยกฝั่งชั่วคราว แรงดึงก็เกิดขึ้นได้ เศษกระดาษที่กระโดดหาไม้บรรทัดจึงเป็นหลักฐานชิ้นเล็ก ๆ ว่าโลกในระดับอะตอมไม่เคยอยู่นิ่งจริงเลย