ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#34 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : แรงพื้นฐานทั้งสี่ – Electromagnetic Force

หมวดหมู่ถัดไปคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอนและควาร์ก แต่ไม่ทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่ไม่มีประจุ เช่น กราวิตอน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าแข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วงมาก: แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนสองตัว มีค่าใหญ่กว่าแรงโน้มถ่วง หนึ่งล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้าน (1 กับศูนย์สี่สิบสองตัว) เท่า

อย่างไรก็ตาม ประจุไฟฟ้ามี 2 แบบ คือ ประจุบวกและประจุลบ หากประจุสองประจุตรงกัน เช่น ประจุบวกกับประจุบวก หรือ ประจุลบกับประจุลบ ประจุทั้งสองจะผลักกัน ในขณะที่ประจุที่ตรงข้ามกันจะดึงดูดกัน

วัตถุขนาดใหญ่ เช่น โลกหรือดวงอาทิตย์ มีประจุบวกและประจุลบเกือบเท่ากัน ดังนั้นแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างอนุภาคแต่ละตัวเกือบจะหักล้างกันหมด ทำให้มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้าสุทธิน้อยมาก อย่างไรก็ตาม ในระดับอะตอมและโมเลกุล แรงแม่เหล็กไฟฟ้าครอบงำกิจกรรมทั้งหมด แรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส ทำให้อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม เช่นเดียวกับแรงดึงดูดของโลกทำให้โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

แรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเกิดจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือน (virtual photon) ซึ่งเป็นอนุภาคไร้มวลที่มีสปิน 1 อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรไปยังวงโคจรที่เข้าใกล้นิวเคลียส พลังงานและโฟตอนจริง (real photon) จะถูกปล่อยออกมา โฟตอนจริงเป็นแสงที่มองเห็นได้ซึ่งสามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์และสามารถบันทึกเป็นภาพถ่ายได้ ในทำนองเดียวกัน เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนวงโคจรไปยังวงโคจรที่อยู่ไกลจากนิวเคลียส อิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงานของโฟตอน

Rico Nasty – Buss

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force) เป็น 1 ใน 4 แรงพื้นฐานในธรรมชาติ ซึ่งแรงอีก 3 ชนิด ได้แก่ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force หรือ weak force) แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force หรือ strong force) และแรงโน้มถ่วง (gravitational force)

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าคือแรงที่กระทำระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอนและโปรตอน เกิดจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคนำพาแรง (force-carrying particle) ที่เรียกว่า “โฟตอน (photon)” แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นทั้งแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างอนุภาค และยิ่งมีประจุมากเท่าใด แรงก็จะยิ่งมากขึ้น และเหมือนกับแรงโน้มถ่วง แรงนี้มีความสามารถในการกระทำในระยะทางไกลเป็นอนันต์

นอกเหนือจากแรงโน้มถ่วงแล้ว แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงที่มนุษย์พบเจอมากที่สุดในชีวิตประจำวัน และอธิบายปรากฏการณ์ส่วนใหญ่ที่ผู้คนคุ้นเคย ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าครอบคลุมปรากฏการณ์ทางกายภาพทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก แสง และอะตอม

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ารับผิดชอบต่อปรากฏการณ์แทบทั้งหมดที่พบในชีวิตประจำวัน

ตัวอย่างของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ 

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจับอิเล็กตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกันในอะตอม และช่วยให้อะตอมสามารถเกาะติดกันเพื่อสร้างโมเลกุลและสารประกอบ ทำให้เก้าอี้มีความมั่นคง ป้องกันไม่ให้คุณทะลุเก้าอี้ลงไปที่พื้น 

นอกจากแรงโน้มถ่วงแล้ว แรงแม่เหล็กไฟฟ้ายังรับผิดชอบต่อแรงทั้งหมดที่เราสัมผัสโดยตรง ได้แก่ แรงเสียดทาน การเสียดสี การลาก แรงตึง แรงดึงดูด แรงผลัก และแรงประเภทอื่นๆ ตัวอย่างเช่น หากคุณแปรงผมหลายๆ ครั้ง ผมของคุณอาจตั้งขึ้นและถูกดึงดูดไปที่แปรง เพราะอะไร? นั่นเพราะการเคลื่อนที่ของแปรงทำให้เกิดประจุไฟฟ้ากับผมแต่ละเส้น หรือ หากคุณวางแม่เหล็กสองแท่งใกล้กัน โดยให้ขั้วเหมือนกันหันเข้าหากัน พวกมันจะผลักกัน แต่หากหันแม่เหล็กขั้วตรงข้ามเข้าหากัน พวกมันจะดึงดูดกัน นี่เป็นตัวอย่างที่คุ้นเคยของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

ฟ้าแลบ ฟ้าร้อง ฟ้าผ่า เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติซึ่งเกิดจากการถ่ายเทประจุไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งอย่างรวดเร็ว อาจภายในก้อนเมฆ หรือระหว่างก้อนเมฆกับก้อนเมฆ หรือเกิดขึ้นระหว่างก้อนเมฆกับพื้นดิน การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้เรียกว่าแม่เหล็กไฟฟ้า

ตัวอย่างของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการสร้างโดยมนุษย์ 

ชีวิตสมัยใหม่ทุกวันเต็มไปด้วยปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ได้มาจากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า โดยวิธีการใช้ลวดตัวนำไฟฟ้าตัดผ่านสนามแม่เหล็ก หรือการนำสนามแม่เหล็กวิ่งตัดผ่านลวดตัวนำอย่างใดอย่างหนึ่ง ทั้งสองวิธีนี้จะทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลในตัวนำนั้น กระแสที่ผลิตได้มีทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ 

แม่เหล็กไฟฟ้าถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่ และทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพื้นฐานของวิศวกรรมพลังงานไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์รวมถึงเทคโนโลยีดิจิตอล ดังเช่น

นาฬิกาไฟฟ้าและการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ง่ายๆ ประเภทนี้เข้ากับระบบที่ซับซ้อน เช่น สัญญาณไฟจราจรที่ตั้งเวลาและซิงโครไนซ์กับความเร็วของการไหลของยานพาหนะ 

ในการสตาร์ทรถยนต์ กระแสไฟฟ้าในมอเตอร์สตาร์ทไฟฟ้า สร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนเพลามอเตอร์และขับเคลื่อนลูกสูบของเครื่องยนต์ 

แม่เหล็กไฟฟ้ายังมีหน้าที่ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับหน้าจอและอุปกรณ์ที่คุณกำลังอ่านอยู่ ด้วยการไหลของอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนไปตามเส้นสนามไฟฟ้าที่ให้พลังงาน 

เมื่อหลอดไฟเปิดอยู่ กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านไส้หลอดบางๆ ในหลอดไฟ และกระแสไฟจะทำให้ไส้หลอดร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงมากจนเรืองแสงได้และทำให้สภาพแวดล้อมโดยรอบสว่างขึ้น

Florida Georgia Line – Simple

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้า

ตามชื่อบ่งบอก แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force) คือการรวมกันของแรงไฟฟ้า (electric force) ซึ่งเป็นแรงระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าสองอนุภาค และแรงแม่เหล็ก (magnetic force) ซึ่งเป็นแรงระหว่างแม่เหล็กสองอัน ในตอนแรก นักฟิสิกส์อธิบายว่าแรงสองแรงนี้แยกจากกัน แต่นักฟิสิกส์ตระหนักในภายหลังว่าแรงทั้งสองมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด ซึ่งเป็นการสำแดงที่แตกต่างกันของแรงเดียวกัน

เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ในทางกลับกัน สนามแม่เหล็กส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วทั้งสองสิ่งจึงเป็นสิ่งเดียวกัน

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่ศตวรรษที่ 18 โดยมีสาระสำคัญหลายประการ

ในปี 1785 ชาร์ล คูลอมบ์ (Charles Coulomb) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสผู้โด่งดัง ได้บรรยายถึงแรงของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าว่าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุ และเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุ เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง 

กฎของคูลอมบ์แสดงเป็นสมการต่อไปนี้

ในปี 1819 แฮนส์ เครสแจน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวเดนมาร์ก ค้นพบว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กัน ทำให้เขาประกาศว่ากระแสไฟฟ้าสร้างแรงแม่เหล็ก เออร์สเตดทำการทดลองโดยวางลวดตัวนำขนานกับเข็มทิศ และผ่านกระแสไฟฟ้าไปในลวดตัวนำ กลับพบว่าเข็มทิศกระดิกและเริ่มเบน การค้นพบนี้ทำให้เออร์สเตดเป็นบุคคลแรกที่ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับแม่เหล็ก

ในปี 1839 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เขาแสดงให้เห็นว่าวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าและแม่เหล็กสามารถมีอิทธิพลต่อกันและกันในระยะไกล ตัวอย่างเช่น กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดอาจทำให้เข็มทิศเบี่ยงเบนและทำให้เกิดกระแสในขดลวดอีกอันที่อยู่ใกล้เคียง เขายังแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าในเส้นลวดได้ สิ่งนี้ทำให้เกิดความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กกับการมีอยู่ของสนามซึ่งแตกต่างกันไปตามระยะทางโดยรอบวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าหรือแม่เหล็ก

ในสมัยก่อนนักวิทยาศาสตร์คิดว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นสองแรงแยกออกจากกัน ต่อมา เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวสก็อต ได้ตั้งทฤษฎีการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Maxwell’s theory of electromagnetic radiation) ในปี 1865 โดยใช้สมการคณิตศาสตร์มาอธิบายความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดระหว่างปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและทางแม่เหล็ก ตามทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ สนามแม่เหล็ก (magnetic field) ที่มีการเปลี่ยนแปลงสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า (electric field) และสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงสามารถทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ ดังนั้นทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นสิ่งเดียวกัน จึงเขียนรวมกันเป็นคำว่า “แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic)” 

นอกจากนี้สมการของแมกซ์เวลล์ยังแสดงให้เห็นว่า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดไปในสูญญากาศหรืออวกาศด้วยอัตราเร็วเท่ากับแสง ดังนั้นแสงจึงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีความถี่และความยาวคลื่นอยู่ในช่วงหนึ่ง”

Kylie Minogue – Get Outta My Way

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ายึดอะตอมและโมเลกุลไว้ด้วยกัน

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force) คือแรงที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอนและโปรตอน อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เล็กและเบาที่สุดในอะตอม  อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ โปรตอนมีขนาดใหญ่และหนักกว่าอิเล็กตรอนมาก มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โปรตอนถูกอัดแน่นอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมพร้อมกับนิวตรอนที่เป็นกลาง

อิเล็กตรอนสองตัวจะผลักกันเพราะทั้งคู่มีประจุไฟฟ้าลบเหมือนกัน ในลักษณะเดียวกับที่โปรตอนสองตัวผลักกันเพราะทั้งคู่มีประจุไฟฟ้าบวก ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนและโปรตอนดึงดูดกันเพราะประจุต่างกัน แรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส ทำให้อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมเหมือนกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ วงโคจรของอิเล็กตรอนอาจมีเพียงวงเดียวหรือหลายๆ วงก็ได้ ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมของธาตุต่างๆ 

ในอะตอม โปรตอนกับนิวตรอนนั้นอยู่นิ่งไม่เคลื่อนที่ ส่วนอิเล็กตรอนสามารถที่จะเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งได้ โดยทั่วไปสสารเป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน อะตอมของสสารใดสูญเสียอิเล็กตรอนจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นบวก อะตอมของสสารใดที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นลบ

การที่อะตอมมีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นหรือลดลง เกิดได้หลายวิธี เช่น การขัดสีระหว่างวัตถุต่างชนิดกัน เมื่อนำลูกโป่งมาถูกับเสื้อขนสัตว์ อิเล็กตรอนจากเสื้อขนสัตว์จะถ่ายเทมายังลูกโป่ง เสื้อขนสัตว์จึงมีประจุบวกและลูกโป่งมีประจุลบ เมื่อนำวัตถุสองชนิดที่มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันเข้ามาใกล้กัน จะทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นระหว่างวัตถุทั้งสอง คุณจะเห็นว่าหลังจากถูลูกโป่งกับเสื้อขนสัตว์ไม่นาน ลูกโป่งจะเกาะติดกับเสื้อขนสัตว์ของคุณ

หากไม่มีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อะตอมและโมเลกุลจะไม่ก่อตัวขึ้น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจับอิเล็กตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกันในอะตอม และช่วยให้อะตอมสามารถเกาะติดกันเพื่อสร้างโมเลกุลและสารประกอบ และขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี

โดยทั่วไป อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน เนื่องจากเป็นกลางทางไฟฟ้า อะไรทำให้พวกมันเกาะติดกันเพื่อสร้างโมเลกุลที่เสถียร? นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าส่วนที่มีประจุของอะตอมหนึ่งสามารถโต้ตอบกับส่วนที่มีประจุของอะตอมอื่นได้ นั่นคือ อิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งดึงดูดกับโปรตอนของอะตอมใกล้เคียงเพื่อสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าตกค้าง (residual electromagnetic force) สิ่งนี้ทำให้อะตอมต่างๆ สามารถรวมตัวกันเพื่อสร้างโมเลกุล

จะเห็นได้ว่า แรงแม่เหล็กไฟฟ้ารับผิดชอบต่อความแข็งแกร่งของวัตถุที่เป็นของแข็ง และเป็นสาเหตุที่ทำให้วัตถุไม่สามารถทะลุผ่านกันได้ ทำให้คุณนั่งอยู่บนเก้าอี้ได้โดยไม่ร่วงทะลุผ่านเก้าอี้ ดังนั้นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้โลกสามารถอยู่ร่วมกันและสร้างสสารที่คุณมีปฏิสัมพันธ์อยู่ตลอดเวลา น่าอัศจรรย์ใช่มั้ย? โครงสร้างทั้งหมดของโลกมีอยู่เพราะแรงแม่เหล็กไฟฟ้า!

โฟตอน

แรงแต่ละชนิดจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแรง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าผ่านการแลกเปลี่ยนโฟตอน (photon) ซึ่งเป็นอนุภาคของแสง โฟตอนไม่มีประจุไฟฟ้า มีมวลเป็นศูนย์ และมีสปิน 1 โฟตอนที่เป็นตัวนำพาแรงนี้เป็นโฟตอนเสมือน (virtual photon) ที่มีอยู่เพียงชั่วครู่และไม่สามารถตรวจจับได้

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรที่มีพลังงานต่ำกว่า (เข้าใกล้นิวเคลียส) อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานและโฟตอนจริง (real photon) ออกมา เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนไปสู่วงโคจรที่มีพลังงานสูงกว่า (ไกลจากนิวเคลียส) อิเล็กตรอนจะดูดซับพลังงานและโฟตอนจริง โฟตอนจริงเป็นแสงที่มองเห็นได้และตรวจจับได้

Komodo – Run To You ft. Isak Heim

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงพิสัยไกลและมีความแข็งแกร่งมาก

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic force) อาจเป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลักก็ได้ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงพิสัยไกล ไม่จำกัดระยะ เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงที่แรงที่สุดเป็นอันดับสองในธรรมชาติ รองจากแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แม้นว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความแข็งแกร่งมากเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง โดยแรงกว่าแรงโน้มถ่วง 10³⁶ เท่า แต่ในระดับมหภาค วัตถุขนาดใหญ่ เช่น โลกและดวงจันทร์ มีประจุบวกและประจุลบจำนวนใกล้เคียงกัน ดังนั้นแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างอนุภาคแต่ละตัวจึงหักล้างกันเกือบหมด ดังนั้นจึงมีแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ในกรณีนี้ แรงโน้มถ่วงจะครอบงำโลกและดวงจันทร์ แต่ในระดับอะตอมและโมเลกุล แรงแม่เหล็กไฟฟ้าครอบงำกิจกรรมทั้งหมด แรงโน้มถ่วงไม่ทำปฏิกิริยากับอนุภาคย่อยของอะตอม เช่น โปรตอนและอิเล็กตรอน เนื่องจากแรงนี้อ่อนมาก

• Facebook
• Twitter
• Line