สนามของแรง

ในชีวิตประจำวัน  นักเรียนคงเคยเห็นผลไม้สุก  ดอกไม้และใบไม้แก่  ร่วงหล่นจากต้นสุ่พื้น  การที่ผลไม้  ดอกไม้หรือวัสดุต่างๆตกสู่พื้น  แสดงว่ามีแรงกระทำต่อผลไม้  ดอกไม้และใบไม้  ในทำนองเดียวกัน  นักเรียนรู้แล้วว่า  ถ้านำแม่เหล็กเข้ามกล้เหล็ก  เหล็กจะถูกดูดด้วยแรงชนิดหนึ่ง  เข้าหาแม่เหล็ก  แรงธรรมชาติเหล่านี้มีลักษณะอย่างไร

นักวิทยาศาสตร์กำหนดว่า  บริเวณใดที่มีแรงกระทำต่อวัตถุ  บริเวณนั้นมีสนาม  (field)  ตาเราไม่สามารถมองเห็นสนามได้  แต่ก็สามารถรู้ว่าบริเวณใดมีสนาม  จากการดูผลของแรงที่กระทำ
             สนามและแรงเกี่ยวข้องกันอย่างไร  และมีความสำคัญต่อมนุษย์อย่างไรบ้าง

2.1  สนามแม่เหล็ก
            เมื่อนำวัสดุที่ทำด้วยเหล็ก  เช่นลวดหนีบกระดาษหรือเข็มหมุด  ไปวางใกล้แม่เหล็ก  แม่เหล็กจะดูดวัสดุเหล่านั้น  หรือเมื่อนำเข็มทิศมาวาง  ก็จะมีแรงมากระทำให้เข็มทิศเบนไปนอกจากวัสดุที่ทำด้วยเหล็ก  แม่เหล็กยังดูดนิกเกิล  และโคบอลต์ด้วย  บริเวณที่มีแรงแม่เหล็กกระทำเรียกว่า สนามแม่เหล็ก  (magnetic  field)  ลักษณะของสนามแม่เหล็กเป็นอย่างไร  นักเรียนจะได้ศึกษาจากกิจกรรมต่อไปนี้

                                                  ภาพ 2.1  แม่เหล็กดูดเหล็ก

กิจกรรม 2.1  เส้นสนามแม่เหล็ก
1.  โรยผงเหล็กบนกระดาษขาว  ใช้นิ้วเคาะแผ่นกระดาษเบาๆ  สังเกตการเรียงตัวของผลเหล็ก  จากนั้นโรยผลเหล็กบนกระดาษขาวอีกแผ่นหนึ่งซึ่งวางอยู่บนแท่งแม่เหล็ก  เคาะกระดาษเบาๆ  สังเกตและเขียนแผนภาพบันทึกการเรียงตัวของผงเหล็กเปรียบเทียบกัน
2.  สังเกตและเขียนแผนภาพบันทึกลักษณะเส้นสนามแม่เหล็ก  ของแท่งแม่เหล็กสองแท่งที่วางในลักษณะต่างๆดังนี้
–  หันขั้วชนิดเดียวกันเข้าหากัน
–  หันขั้วต่างชนิดเข้าหากัน
–  วางขนานและหันขั้วชนิดเดียวกันไปทางเดียวกัน
–  วางขนานและหันขั้วต่างชนิดไปทางเดียวกัน
3.  ถ้าต้องการหาเส้นสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กโดยใช้เข็มทิศ  จะทำอย่างไร  และได้ผลเหมือนกรณีใช้ผงแม่เหล็กหรือไม่
4.  เปรียบเทียบการเรียงตัวของผลเหล็กในแต่ละกรณี

แนวการเรียงตัวของผงเหล็กรอบแท่งแม่เหล็ก  เรียกว่า  เส้นสนามแม่เหล็ก ( magnetic  field  line)   ซึ่งใช้เป็นประจักษ์พยานพบว่ามีสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น  แม้จะมองด้วยตาไม่เห็นบริเวณใดมีความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็กน้อย  สนามแม่เหล็กในบริเวณนั้นมีความเข้มน้อย  ส่วนบริเวณใดมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นมาก  บริเวณนั้นสนามแม่เหล็กทีวคามเข้มสูง  ซึ่งได้แก่  บริเวณขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก

เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ  ในบริเวณรอบๆแท่งแม่เหล็ก  จะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศว่าอยู่แนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน  ดังภาพ  2.2  เมื่อกำหนดให้ทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกันกับทิศท่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป  จะได้ว่าเส้นสนามแม่เหล็กมีทิศจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก

กิจกรรม 2.1  ทำให้รู้ว่าสนามแม่เหล็กในบริเวณต่างๆ  รอบแท่งแม่เหล็กมีค่าไม่เท่ากัน

                              ภาพ 2.2  การวางตัวของเข็มทิศในแนวเส้นสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กที่มีค่าคงตัวมีหรือไม่
กิจกรรม 2.2  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ
1.  วางเข็มทิศขนาดเล็กให้เรียงกันเป็นสามแถวชิดกันแถวละ  3  อัน  สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ
2.  วางแม่เหล็กสองอันขนานกัน  และให้ขั้วต่างชนิดใกล้กัน  โดยให้เข็มทิศทุกอันอยู่ระหว่างแม่เหล็กทั้งสอง  สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ

                                                   ภาพการจัดอุปกรณ์

–  เขียนแผนภาพแสดงเส้นสนามแม่เหล็กตามแนวเข็มทิศชี้
–  การวางตัวของเข็มทิศครั้งหลัง  เหมือนหรือแตกต่างจากครั้งแรกอย่างไร
–  อธิบายผลการทดลองนี้ได้ว่าอย่างไร

สนามแม่เหล็กที่สังเกตได้จากกิจกรรม  2.2  นี้เป็นสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ  มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน  ซึ่งประมาณว่ามีทิสทางเดียวกัน  และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่งสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ  มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน  ซึ่งประมาณว่ามีทิศทางเดียวกัน  และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่ง  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอนำไปใช้ประโยชน์หลายอย่าง  เช่น  การสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า  และเครื่องวัดทางไฟฟ้าต่างๆ  เป็นต้น

                                       ภาพ 2.3  สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

สนามแม่เหล็กมีผลต่ออะไร  จะได้ศึกษาต่อไป

2.1.1  ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า
สนามแม่เหล็กสามารถดูดและผลักวัสดุขนาดใหญ่ได้  ถ้าเป็นกรณีอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม  เช่น อิล็กตรอน  จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่

กิจกรรมสาธิต  2.1   ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอน
ต่อขั้วทั้งสองของหลอดรังสีแคโทดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟโวลต์สูง  (ประมาณ  12,000 – 15,000  โวลต์)  เปิดสวิตซ์ของแหล่งจ่ายไฟตรงโวลต์สูง  สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น  นำขั้วเหนือของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอด  จากนั้นสลับขั้วให้ขั้วใต้ของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอดบ้าง  สังเกตการเปลี่ยนแปลง
                              
ภาพหลอดรังสีแคโทด

–  การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตเห็นคืออะไรและเกิดขึ้นจากอะไร

ข้อควรระวัง  ต้องไม่ให้ส่วนใดของร่างกายและโลหะเข้าใกล้ขั้วหลอดรังสีแคโทด  เพราะจะเป็นอันตราย  เนื่องจากไฟฟ้าโวลต์สูง

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะถูกแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก  หรือแรงแม่เหล็ก  (magnetic  force)  กระทำ  ทำให้แนวการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป  ดังภาพ  2.4

                     ภาพ 2.4  แรงแม่เหล็กและแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก

ความรู้เรื่องการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กมีประโยชน์อะไรบ้าง

                                                  ภาพ 2.5  จอคอมพิวเตอร์

                                                      ภาพ 2.6 จอโทรทัศน์

โทรทัศน์เป็นอุปกรณืไฟฟ้าที่ใช้แพร่หลาย  ทั่วทุกบ้านและทั่วโลก  มีส่วนประกอบสำคัญคือหลอดภาพ  ซึ่งทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กหลอดภาพมีส่วนประกอบ  3  ส่วนดังนี้  ส่วนแรกคือ  ขั้วแคโทด  ส่วนที่สองคือ จอเรืองแสง   ซึ่งฉาบสารเรื่องแสงไว้  เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบจอจะทำให้เกิดจุดสว่าง  และส่วนสุดท้ายคือ  ขดลวดเบี่ยงเบน  ทำหน้าที่ผลิตสนามแม่เหล็กเพื่อเบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอน  และควบคุมให้ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่กวาดไปมาบนจอภาพในแนวระดับด้วยความเร็วสูงมาก  ทำให้เกิดภาพขึ้น  อย่างไรก็ตามการที่ลำอิเล็กตรอนกระทบกับจอภาพจะมีรังสีเกิดขึ้นด้วย  จึงไม่ควรดุโทรทัศน์ใกล้จอมากเกินไป
                   
ภาพ 2.7  หลอดภาพของโทรทัศน์ขาวดำ

2.1.2  ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำตัวที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน
            นักเรียนคงเคยทราบแล้วว่า  กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน  และในหัวข้อที่ได้ศึกษามาแล้ว  จะเห็นว่าเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปในสนามแม่เหล็กจะมีการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้นหรือไม่  และจะนำความรู้ที่ได้ไปใช้ประโยชน์อย่างไร

กิจกรรม  2.3  ผลของสนามแม่เหล็กที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน

                                                           ภาพการจัดอุปกรณ์
1.  นำแถบอะลูมิเนียมฟอยล์ที่ต่ออยู่กับแบตเตอรี่และสวิตซ์  ไปวางระหว่างแม่เหล็กสองอันที่หันขั้วต่างชนิดเข้าหากัน  โดยจัดให้ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก  กดสวิตซ์ให้กระแสไฟฟ้าผ่านแถบอะลูมิเนียมฟอยล์  สังเกตการเปลี่ยนแปลง  แล้วตัดวงจรทันที
2.  ทำการทดลองซ้ำ  โดยกลับทิศของกระแสไฟฟ้าหรือทิศของสนามแม่เหล็ก  สังเกตผลที่เกิดขึ้น  เปรียบเทียบกับการทดลองในตอนแรก
3.  ทำการทดลองซ้ำ  โดยให้กระแสไฟฟ้ามีทิศเดียวกับสนามแม่เหล็ก  สังเกตและบันทึกผล
–  อธิบายและสรุปผลของสนามแม่เหล็กในการทดลองนี้

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำซึ่งวางตัดกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำ  มีผลให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่  ทิศทางของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก  หลักการนี้นำไปใช้ประโยชน์ในการสร้างมอนิเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องวัดไฟฟ้าต่างๆ
เมื่อต่อขดลวดกัลแบตเตอรี่  ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด  ดังภาพที่ 2.8  จะเกิดแรงกระทำบนขดลวดด้าน  ab  และ  cd  ในทิศตรงข้าม  แรงที่เกิดขึ้นนี้ทำให้ขดลวดหมุนได้

ภาพ 2.8   แรงที่กระทำต่อขดลวดในสนามแม่เหล็ก  ทำให้ขดลวดหมุน  ซึ่งเป็นหลักการของมอเตอร์ไฟฟ้า
                          
ภาพ 2.9  มอเตอร์ไฟฟ้า

กิจกรรมเพิ่มเติม
            ออกแบบสร้างมอเตอร์อย่างง่าย  เพื่อนำไปใช้งานตามที่ร่วมกันกำหนดไว้

ความสามารถในการหมุนของขดลวดขณะอยู่ในสนามแม่เหล็กดังกล่าวนี้  นำไปใช้สร้างมอเตอร์ไฟฟ้า  ซึ่งเป็นอุปกรณที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า  เป็นพลังงานกลในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายอย่างได้  เช่น  พัดลม  เครื่องดูดฝุ่น  เครื่องผสมอาหาร  และสว่านไฟฟ้า  เป็นต้น
                         
ภาพ 2.10  อุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า

จากที่ศึกษามาจะเห็นว่า  การนำขดลวดที่ต่อกับแบตเตอรี่ไปวางในสนามแม่เหล็ก  จะทำให้เกิดแรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน  ขดลวดจึงหมุนได้  ในทางกลับกัน  ถ้ายกแบตเตอรี่ออกจากวงจร  แล้วหมุนขดลวดในสนามแม่เหล็ก  ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในขดลวดได้เช่นกันกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้  เรียกว่า  กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ  (induced  current)  ซึ่งพบโดยไมเคิล  ฟาราเดย์  (Michael  Faraday)  ในปี  ค.ศ.  1831  หลักการดังกล่าวนี้  ได้นำไปสู่การสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
-พลังงานที่นำไปใช้ในการหมุนขดลวดตัดสนามแม่เหล็ก  เพื่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  มาจากแหล่งพลังงานใดบ้าง

                                     ภาพ 2.11  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า

2.1.3  สนามแม่เหล็กโลก
นักเรียนได้ศึกษาสนามแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กและบริเวณที่สนามแม่เหล็กแผ่ขยายไปถึงมาแล้ว  ทราบหรือไม่ว่า  โลกก็มีสนามแม่เหล็กโดยรอบเช่นกัน

                                                             โรงไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กโลกมีลักษณะอย่างไร

กิจกรรม 2.4  สนามแม่เหล็กโลก

แขวนแท่งแม่เหล็กที่บริเวณต่างๆ  ในห้องเรียน  โดยเลือก  2 – 3  ตำแหน่งที่ห่างกันพอสมควร  ให้อท่งแม่เหล็กวางตัวอยู่ในแนวระดับและสามารถหมุนได้คล่อง  เมื่อทำให้แท่งแม่เหล็ก  หยุดนิ่ง  สังเกตการวางตัวของแท่งแม่เหล็ก
–  ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็กชี้ไปทางทิศใด

                                                 ภาพการจัดอุปกรณ์

จากกิจกรรม  2.4  แสดงว่าโลกมีสมบัติเสมือนมีแม่เหล็กขนาดใกญ่ฝังอยู่ใต้โลก  โดยวางตัวในแนวเหนือใต้และแผ่สนามแม่เหล็กปกคลุมทั้งโลก  เรียกว่า  สนามแม่เหล็กโลก (Earth’s  magnetic  field)  ดังภาพ  2.12  ซึ่งมีประจักษ์พยานคือการที่แท่งแม่เหล็กพยายามวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ

มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์ของสนามแม่เหล็กโลกหลังจากที่ได้พบว่า  เมื่อวางแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กบนวัตถุปลายแหลม  เพื่อให้หมุนในแนวราบอย่างอิสระ  แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ  จึงนำความรู้นี้มาใช้ในการสร้างเข็มทิศ  เพื่อบอกทิศทาง  เข็มทิศเป็นเครื่องมือสำคัญของนักเดินทาง  และนักสำรวจในหลายศตวรรษที่ผ่านมา

                                             2.12  แสดงลักษณะสนามแม่เหล็กโลก

                                                    2.13  เข็มทิศแบบต่างๆ

สนามแม่เหล็กโลกมีวคามสำคัญต่อโลกอย่างไรอีกบ้าง
                      
                                                   ภาพ 2.14  สนามแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลกมีประโยชน์สำคัญอีกประการหนึ่งคือเป็นโล่ป้องกันอันตรายจาก  ลมสุริยะ  (solar  wind)  ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ  ส่วนใหญ่เป็นโปรตรอนและอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมาจากดวงอาทิตย์  โดยสนามแม่เหล็กโลกจะป้องกันไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นทำลายชั้นบรรยากาศ  ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลก

นอกจากสนามแม่เหล็กซึ่งมีประโยชน์มหาศาลแล้วยังมีสนามของแรงอะไรอีกบ้าง

สนามไฟฟ้า
นักเรียนอาจเคยพบว่า  ในวันที่อากาศแห้ง  เวลานำหวีมาถูกับผมแห้ง  แล้วนำไปวางใกล้เศษกระดาษชิ้นเล็กๆ  จะพบว่าหวีสามารถดูดเศษกระดาษได้  แรงดูดนี้เป็น  แรงไฟฟ้า (electric  force)  และหวีที่ทำให้เกิดแรงดูดนี้มี  ประจุไฟฟ้า  (electric  charge)  เรียกสั้นๆว่า  ประจุ  ซึ่งมีทั้งประจุบวกและประจุลบ

ประจุไฟฟ้าจะมี สนามไฟฟ้า (electric  field)  แผ่กระจายโดยรอบ  สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้ามีลักษณะดังภาพ  2.15

                                              ภาพ 2.15  สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้า

–  สนามไฟฟ้าของประจุบวกและประจุลบมีลักษณะแตกต่างกันอย่างไร
–  เราจะตรวจสอบสนามไฟฟ้าได้อย่างไร

เมื่อขั้วต่อไฟฟ้าซึ่งเป็นโลหะกับเครื่องจ่ายไฟตรงโวลต์สูง  แล้วนำขั้วไฟฟ้าทั้งสองแตะบนกระดาษกรองเปียกน้ำหมาดๆ  ที่วางบนแผ่นกระจก  โดยให้ขั้วทั้งสองห่างกันประมาณ  4  เซนติเมตร  โรยผงด่งทับทิมบดละเอียดลงบนกระดาษกรอง  โดยกระจายผงให้สม่ำเสมอในบริเวณระหว่างขั้วและรอบขั้ว  เมื่อเปิดเครื่องจ่ายไฟตรงโวลต์สูงให้ทำงาน  ผงด่างทับทิมจะแผ่กระจายตามแนวต่างๆ  ปรากฏเป็นเส้นให้เห็นอย่างชัดเจน  ซึ่งเรียกว่า  เส้นสนามไฟฟ้า   (electric  field  line)  ตัวอย่างเส้นสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าโลหะปลายแหลมสองปลายที่มีประจุต่างชนิดกันและแผ่นโลหะขนานสองแผ่นที่มีประจุต่างชนิดกัน  มีลักษณะดังภาพ 2.16

     ภาพ 2.16  เส้นสนามไฟฟ้าของวัตถุรูปทรงต่างๆ  ที่มีประจุ  หัวลูกศรแสดงทิศของสนามไฟฟ้า

จากภาพบริเวณใดที่มีเส้นสนามไฟฟ้าหนาแน่นมากบริเวณนั้นมีสนามไฟฟ้าที่มีค่ามากและบริเวณใดที่มีเส้นสนามไฟฟ้าหนาแน่นน้อย  บริเวณนั้นสนามไฟฟ้ามีค่าน้อยและบริเวณที่มีเสน้สนามไฟฟ้าขนานกัน  บริเวณนั้นมีสนามไฟฟ้าขนาดสม่ำเสมอ

ในการศึกษาอนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้าพบว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า  จะถูกแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าหรือแรงไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคนั้น  ให้เคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า  ส่วนอนุภาคที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า  ดังภาพ  2.17  และ  2.18
                                 
ภาพ 2.17  แรงกระทำต่อประจุ  ในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ
                                     
ภาพ 2.18  การเคลื่อนที่ของประจุในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

จากหลักการดังกล่าวข้างต้น  อธิบายการแพร่กระจายของผงด่างทับทิมได้ดังนี้  เมื่อผงด่างทับทิมถูกน้ำ  จะแตกตัวเป็นไอออนบวกและไอออนลบ  หากไอออนเหล่านี้อยู่ในสนามไฟฟ้าที่เกิดระหว่างขั้วโลหะทั้งสอง  โดยขั้วหนึ่งมีประจุบวก  (ขั้วบวก)  และอีกขั้วหนึ่งมีประจุลบ  (ขั้วลบ)  ไอออนทั้งสองชนิดจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำ  โดยไอออนลบจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่ไปตามเส้นสนามไฟฟ้า   จากขั้วลบไปขั้วบวก  ส่วนไอออนบวกจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่ในทิสตรงข้าม  ทำให้เห็นเป็นแนวการแผ่กระจายดังภาพ  2.16

หลักการนี้สามารถนำไปใช้ในการกำจัดฝุ่น  เพื่อลดมลภาวะของอากาศโดยเมื่อให้อากาศที่มีฝุ่นละอองผ่านเครื่องกำจัดฝุ่น   ฝุ่นเล็กๆจะรับประจุไฟฟ้าลบจากขั้วลบของเครื่อง  และถูกดูดติดแน่นโดยแผ่นขั้วบวก  เครื่องกำจัดฝุ่นนี้มักใช้ดักจับฝุ่นจากปล่องควันของบ้านเรื่อนหรือโรงงานอุตสาหกรรม  ก่อนที่จะปล่อยออกสู่บรรยากาศ

ถ้าให้อิเล็กตรอน  เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ  แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร
ในการทำให้ลำอิเล็กตรอนเบนไปจากแนวเดิม  นอกจากสามารถใช้สนามแม่เหล็กแล้ว  ก็ยังใช้สนามไฟฟ้าได้ด้วย  กล่าวคือเมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ  พบว่าแรงไฟฟ้าที่กระทำต่ออิเล็กตรอน  จะทำให้แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเบนจากแนวการเคลื่อนที่เม  ดังภาพ 2.19
                          
ภาพ  2.19 การเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

ความรู้เกี่ยวกับการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าและหลอดรังสีแคโทด  นำไปสู่การสร้างจอแสดงผลของเครื่องมือและอุปกรณ?ทางอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด  เช่น  จอเรดาร์  และออสซิลโลสโคป  เป็นต้น

                                        ภาพ 2.20  โครงสร้างของหลอดรังสีแคโทด

                      ภาพ  2.21  อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้หลอดรังสีแคโทดเพื่อแสดงผล

สนามโน้มถ่วง
                                  
                                             ภาพ 2.22  สนามโน้มถ่วงของโลก
            เมื่อปล่อยวัตถุ  วัตถุจะตกสู่พื้นโลก  เนื่องจากโลกมี  สนามโน้มถ่วง   (gravitational  field)  อยู่รอบโลก  สนามโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงดึงดูดกระทำต่อมวลของวัตถุทั้งหลายแรงดึงดูดนี้เรียกว่า  แรงโน้มถ่วง   (gravitational  force)

สนามโน้มถ่วงเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์  g  และสนามมีทิศพุ่งสู่ศูนย์กลางของโลก  สนามโน้มถ่วง  ณ  ตำแหน่งต่างๆบนผิวโลก  มีค่าประมาณ  9.8  นิวตันต่อกิโลกรัม

สนามโน้มถ่วงที่ตำแหน่งสูงจากผิวโลก  มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่  อย่างไร  สามารถศึกษาได้จากตัวอย่างในตารางต่อไปนี้

–  นักเรียนจะอธิบายข้อมูลในตารางนี้อย่างไร

ดาวฤกษ์  โลก  ดวงจันทร์  ดาวเคราะห์อื่นๆ  และบิรวารของดาวเคราะห์ในระบสุริยะ  รวมทั้งสรรพวัตถุทั้งหลาย  ก็มีสนามโน้มถ่วงรอบตัวเองเช่นกัน  โดยสนามโน้มถ่วงเหล่านี้มีค่าต่างกันไป

2.3.1  การเคลื่อนที่ของวัถุในสนามโน้มถ่วง
วัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะถูกแรงดึงดูดดังนั้นเมื่อปล่อยวัตถุให้ตกบริเวณใกล้ผิวโลก  แรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น  นั่นคือวัตถุมีความเร่ง

วัตถุใดๆ  ที่เคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะมีความเร่งเท่ากันหรือไม่

กิจกรรม 2.5  การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วงของโลก
ปล่อยถุงทราย 1 ถุง 2 ถุง  และ  3  ถุง ลงในแนวดิ่ง  โดยให้ถุงทรายผูกติดกับแถบกระดาษที่สอดผ่านเครื่องเคาะสัญญาณเวลานำแถบกระดาษทั้งสามแถบ  มาเปรียบเทียบลักษณะการเคลื่อนที่
–  จากจุดที่ปรากฏบนแถบกระดาษทั้งสามแถบ  ถุงทรายในแต่ละกรณีเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันหรือไม่
–  อธิบายและสรุปการเคลื่อนที่จากผลที่ได้ในกิจกรรมนี้

                                                 ภาพการจัดอุปกรณ์

การตกของวัตุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว  เรียกว่า  ความเร่งโน้มถ่วง    (gravitational  acceleration)  มีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลกมีค่าต่างกันตามตำแหน่งทางภูมิศาสตร์

ในการตกของวัตถุ  วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วง  9.8  เมตรต่อวินาที2   ซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุจะเพิ่มขึ้นวินาทีละ  9.8  เมตรต่อวินาที

ถ้าโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง  วัตถุในสนามโน้มถ่วงจะเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่งโน้มถ่วง  g  โดยมีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางโลกทำให้วัตถุซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นมีความเร็วลดลง  วินาทีละ  9.8  เมตรต่อวินาที  จนกระทั่งความเร็วสุดท้ายเป็นศูนย์  จากนั้นแรงดึงดูดโลกจะดึงวัตถุให้ตกกลับสู่โลกด้วยความเร่งเท่าเดิม

การเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของวัตถุที่บริเวณใกล้ผิวโลกถ้าคำนึงถึงแรงโน้มถ่วงเพียงแรกเดียว   โดยไม่คิดถึงแรงอื่นเช่น  แรงต้านอากาศ  หรือแรงลอยตัวของวัตถุในอากาศแล้ว  วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วง  ที่มีค่าคงตัวเท่ากับ  9.8  เมตรต่อวินาที2   ในทิศลง  เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า การตกแบบเสรี (free  fall)
–  การเคลื่อนที่ของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์เป็นการตกแบบเสรีหรือไม่เพราะเหตุใด
–  การโดร่มของนักดิ่งพสุธาเป็นการตกแบบเสรีหรือไม่เพราะเหตุใด

                                              ภาพ  2.23  การตกของนักดิ่งพสุธา

แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุ  ก็คือน้ำหนัก   (weight)  ของวัตถุบนโลก  หาได้จากสมการ
W  =  mg
เมื่อ  m  เป็นมวลของวัตถุมีหน่วยเป็นกิโลกรัม  (kg)
g  เป็นแรงโน้มถ่วง  ณ  ตำแหน่งที่วัตถุวางอยู่  มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2  (m/s2)
และ  W  เป็นน้ำหนักของวัตถุมีหน่วยเป็นนิวตัน   (N)
–  นักเรียนมีมวลและน้ำหนักเท่าใด
–  วัตถุที่กำลังตกแบบเสรีมีน้ำหนักหรือไม่เพราะเหตุใด
–  นักบินอวกาศที่กำลังลอยตัวในยานอวกาศหรือกำลังปฏิบัติภารกิจนอกยานอวกาศมีน้ำหนักหรือไม่  เพราะเหตุใด
–  วัตถุที่อยู่บนโลกและบนดวงจันทร์  มีน้ำหนักเท่ากันหริอไม่เพราะเหตุใด

โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีอยู่หลายแห่งในประเทศไทย  ก็ใช้หลักการที่สนามโน้มถ่วงของโลกกระทำกับน้ำที่เก็บไว้ในที่สูงบนเขื่อนให้ไหลลงสู่ที่ต่ำกว่า  ซึ่งเป็นบริเวณที่มีกังหันที่ต่อแกนเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ทำให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

การเรียนรู้เกี่ยวกับสนามของแรง  ช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์  ในธรรมชาติ  และเห็นความสำคัญของการนำความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์เพื่อประดิษฐ์สิ่งของเครื่องใช้ที่เป็นประโยชน์ต่อสังคมมนุษย์  อย่างไรก็ตามยังต้องมีการศึกษาค้นคว้าต่อไปเพื่อทำวคามเข้าใจเกี่ยวกับสนามของแรงอย่างถ่องแท้และลึกซึ้งเพื่อสามารถนำความรู้ที่ได้มาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางและปลอดภัย