ทฤษฎีอิเล็กตรอน

ไฟฟ้าเป็นพลังงานชนิดหนึ่งที่เป็นส่วนประกอบในวัตถุธาตุทุกชนิดตามข้อพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ย่อมเป็นที่ทราบกัน แล้ว ว่าวัตถุธาตุชนิดต่าง ๆ ที่มีอยู่ในโลกประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ เรียกว่าอะตอม ในแต่ละอะตอมนั้นยังประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน อยู่มากมายสำหรับโปรตอนกับนิวตรอนนั้นอยู่นิ่งไม่เคลื่อนที่ ส่วนอิเล็กตรอนสามารถที่จะเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งได้ การเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งของอิเล็กตรอนนี้เองคือสิ่งที่เราเรียกว่า กระแสไฟฟ้า

โครงสร้างของอะตอม

ทุกสิ่งทุกอย่างที่สามารถมองเห็นได้ล้วนเป็นสสารทั้งสิ้น สสาร (Matters)คือสิ่งที่มีตัวตนมีน้ำหนัก และต้องการที่อยู่มันจะอยู่ในรูปของของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ตัวอย่างเช่น เหล็ก ก้อนหิน ไม ้เป็นสสารที่อยู่ในรูปของของแข็ง น้ำแอลกอฮอล์ น้ำมัน เป็นสสารที่อยู่ในรูปของของเหลว ส่วนออกซิเจน ไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นสสารที่อยู่ในรูปของก๊าซ ธาตุ (Elements) เป็นสสารเบื้องต้นซึ่งถ้านำธาตุมารวมประกอบกันตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปจะได้เป็นสสารต่างๆตัวอย่างของธาตุ เช่น ทองแดง อลูมิเนียม เงิน ทองคำ ปรอท ออกซิเจน ไฮโดรเจนอะตอม (Atom) คือ อนุภาคที่เล็กที่สุดของธาต ซึ่งไม่สามารถอยู่ตามลำพังได้ ต้องรวมกับอะตอมด้วยกัน กลายเป็นโมเลกุล (Molecule)อะตอมชนิด เดียวกันเมื่อรวมกันจะได้โมเลกุลของธาตุส่วนอะตอมของธาตุต่างชนิดเมื่อรวมกันจะได้โมเลกุลของสารประกอบ(Compounds)
ภายในอะตอมนั้นประกอบด้วยส่วนที่เป็นแกนกลางเรียกว่า " นิวเคลียส " (Neucleus) ภายใน นิวเคลียสนี้ยังประกอบด้วย โปรตอน (Proton) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็น ประจุบวกและนิวตรอน(Neutron) จะไม่แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้า คือเป็นกลาง อีกส่วนหนึ่งคือ อิเล็กตรอน (Electron) เป็นอนุภาคเล็กๆ ที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ ซึ่งจะโคจรอยู่รอบ ๆนิวเคลียสด้วยความเร็วสูง และวงโคจรของมันอาจมีเพียงวงเดียวหรือหลาย ๆ วงก็ได้ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมของธาตุโครงสร้างของอะตอมของธาตุต่าง ๆ จะมีลักษณะคล้ายกับระบบสุริยจักรวาลที่มีดวงอาทิตย์เป็นแกนกลางและมีดาวนพเคราะห์โคจรอยู่รอบ ๆ

ประจุไฟฟ้า

ถ้าอะตอมในชิ้นสารสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน สารนั้นจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อะตอมจะสามารถ เพิ่มหรือลดอิเล็กตรอนได้หลายวิธี เช่น การขัดสีระหว่างวัตถุต่างชนิดกัน เมื่อนำแท่งแก้วถูกับผ้าไหมแท่ง แก้วจะถ่ายอิเล็กตรอนให้ผ้าไหม แท่งแก้วจึงมีประจุบวกและผ้าไหมมีประจุลบเมื่อนำวัตถุสองชนิดที่มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันเข้ามาใกล้กันจะทำให้เกิดแรงขึ้นระหว่างวัตถุทั้งสอง แต่เนื่องจากวัตถุทั้งสองไม่แตะกัน จึงไม่สามารถทำให้ประจุไฟฟ้าถ่ายเข้าหากันได้ ลักษณะที่เกิดขึ้นแต่ไม่เกิดการถ่ายเทอิเล็กตรอนหรือกระแสไฟฟ้าไหลไปได้เรียกว่าไฟฟ้าสถิต(Static Electricity)

โปรตอน (Proton)

อนุภาคชนิดนี้เป็นอนุภาคที่ถูกตรึงแน่นอยู่ในนิวเคลียส (Neucleus)มีอนุภาคเป็นบวกจำนวนโปรตอนใน อะตอมของธาตุเรียกว่า อะตอมมิค นัมเบอร์ ถ้าธาตุใดมีอะตอมมิค นัมเบอร์ เท่ากันเรียกธาตุเหล่านี้ว่าเป็นไอโซโทป ซึ่งกันและกันกล่าวคือ เป็นธาตุที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน

นิวตรอน (Neutron)

อนุภาคชนิดนี้เป็นอนุภาคที่ถูกตรึงแน่นอยู่ในนิวเคลียสรวมกับโปรตอนมีน้ำหนักมากกว่าโปรตอนเล็กน้อยและมีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้า ผลรวมระหว่างโปรตอนและนิวตรอนใน 1 อะตอมของธาตุ เราเรียกว่า อะตอมมิค แมส หรือแมส นัมเบอร์ ถ้าธาตุใดมีแมส นัมเบอร์ เท่ากันแต่อะตอมมิค นัมเบอร์ ไม่เท่ากันเรา เรียกธาตุเหล่านี้ว่าเป็นไอโซบาร์ ซึ่งกันและกัน

อิเล็กตรอน (Electron)

อนุภาคชนิดนี้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสของอะตอมของธาตุด้วยความเร็วสูงในวงโคจร ที่เฉพาะของมัน เป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักน้อย หนักประมาณ เท่าของน้ำหนักของโปรตอนอิเล็กตรอนจะได้รับแรงดึงดูดจากโปรตอนในนิวเคลียสถ้าอิเล็กตรอนเหล่านั้นได้รับพลังงานเพิ่มมันอาจจะ กระโดดออกไปยังเซลล์ต่อไปได้ อิเล็กตรอนในเซลล์รอบนอกสุดมีบทบาทสำคัญมากทั้งในด้านคุณสมบัติทางฟิสิกส์และเคมี โดยเฉพาะในด้านไฟฟ้า อิเล็กตรอนในเซลล์นี้เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน ถ้าอิเล็กตรอนในเซลล์นี้ได้รับพลังงานเพิ่มมันจะกระโดดหายไปจากอะตอมของธาตุ ทำให้อะตอมมีลักษณะพร่องอิเล็กตรอนจึงมี ีสภาพทางไฟฟ้าเป็นบวก ในทางตรงกันข้ามถ้ามันสูญเสียพลังงาน มันจะ ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มทำให้มีสภาพ ้ทางไฟฟ้าเป็นลบ ดังนั้นอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เคลื่อนที่ได้ จึงทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า

โดยปกติสารที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน สารใดสูญเสียอิเล็กตรอนจะมี คุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นบวก สารใดที่รับอิเล็กตรอนเพิ่มจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นลบ

การเกิดอิเล็กตรอนอิสระ

เนื่องจากอิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสจะวิ่งด้วยความเร็วสูง จึงทำให้อิเล็กตรอนสามารถที่จะเหวี่ยงตัวเองออกจาก วงโคจร ได้เสมอด้วยแรงหนีศูนย์กลาง แต่ภายใน นิวเคลียสมีโปรตอน ซึ่งเป็นประจุบวก จะช่วยดึงอิเล็กตรอนเอาไว้ไม่ให้หลุดจากวงโคจรไปได้ง่าย ๆ อย่างไรก็ตาม ถ้ามีแรงภายนอกมากพอมา กระทำเข้ากับแรงหนีศูนย์กลาง อิเล็กตรอนที่จะถูกดึงออกจากวงโคจรกลายเป็นอิเล็ก ตรอนอิสระได้การที่อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ออกจากวงโคจรได้นั้นทำให้อะตอมนั้นขาดอิเล็กตรอนไปและจะเหลือโปรตอน มากกว่าอิเล็กตรอน โปรตอนจะอยู่โดดเดี่ยวไม่ได้มันจึงดึงอิเล็กตรอนของอะตอมถัดไป เข้ามาในอะตอม ของมันทำให้อะตอมถัดไปขาดอิเล็กตรอนอีกจะเป็นไปแบบนี้เรื่อยๆการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งก็คือ การเคลื่อนที่ของไฟฟ้านั่นเอง
ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ

พลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านตัวนำไปโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ต่อเนื่องกันไปเรื่อย ๆ ตลอดสายตัวนำ เนื่องจากอะตอมอยู่ชิดกันมากและวงโคจรของอิเล็กตรอนจะซ้อนทับกัน อิเล็กตรอนอิสระจึงไม่ต้องเคลื่อนที่ไปไกลขณะที่อิเล็กตรอนเข้าไปอยู่ในวงโคจรอันใหม่ มันจะส่งผ่านพลังงานู่เพื่อให้อิเล็กตรอนตัวถัดไปหลุดเป็นอิสระแม้อิเล็กตรอนจะดูเหมือนเคลื่อนที่ช้าก็ตาม แต่การส่งพลังงานจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่งจะรวดเร็วมาก ในอัตราความเร็ว 186,000 ไมล์ / วินาที หรือ 300 ล้านเมตร / วินาที

ประวัติความเป็นมาของไฟฟ้า

ในสมัยแรก ๆ มนุษย์รู้ว่า ไฟฟ้าเกิดจากปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น ฟ้าแลบ ฟ้าร้อง และฟ้าผ่านับเป็นเวลานานที่มนุษย์ไม่สามารถให้คำอธิบายความเป็นไปที่แท้จริงของไฟฟ้า ที่ดูเหมือนว่าวิ่งลงมาจากฟ้าและมีอำนาจในการทำลายได้ จนกระทั่งมนุษย์สามารถประดิษฐ์สายล่อฟ้าไว้ป้องกันฟ้าผ่าได้ ในเวลาต่อมา 2500 ปี ก่อนคริสต์ศักราช ชนพวกติวตัน ที่อาศัยอยู่แถบฝั่งแซมแลนด์ของทะเล บอลติกในปรัสเซียตะวันออก ได้พบหินสีเหลืองชนิดหนึ่งซึ่งเมื่อถูกแสงอาทิตย์ก็จะมีประกายคล้ายทองคุณสมบัติพิเศษของมันคือเมื่อโยนลงในกองไฟมันจะสุกสว่างและติดไฟได้เรียกกันว่าอำพันซึ่งเกิดจากการทับถมของยางไม้เป็นเวลานาน ๆ อำพันถูกนำมาเป็นเครื่องประดับและหวี เมื่อนำแท่งอำพันมาถููด้วยขนสัตว์ จะเกิดประกายไฟขึ้นได้ และเมื่อหวีผมด้วยหวีที่ทำจากอำพันก็จะมีเสียงดังอย่างลึกลับ และหวีจะดูดเส้นผม เหมือนว่าภายในอำพันมีแรงลึกลับอย่างหนึ่งซ่อนอยู่

เมื่อก่อนคริสต์ศักราช 600 ปี ทาลีส (Thales) นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกได้ค้นพบไฟฟ้าขึ้นกล่าวคือเมื่อเขาได้นำเอาแท่งอำพันถูกับผ้าขนสัตว์ แท่งอำพัน จะมีอำนาจดูดสิ่งของต่าง ๆ ที่เบา ได้ เช่น เส้นผมเศษกระดาษ เศษผง เป็นต้นเขาจึงให้ชื่ออำนาจ นี้ว่า ไฟฟ้า หรือ อิเล็กตรอน (Electron)ซึ่งมาจาก ภาษา กรีกว่า อีเล็กตร้า (Elektra) ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2143 (ค.ศ. 1600 ) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ ดร.วิลเลี่ยม กิลเบิร์ต (William Gilbert)ได้ทำการทดลองอย่างเดียวกันโดยนำเอาแท่งแก้วและแท่งยางสนมาถูกับผ้าแพรหรือผ้าขนสัตว์แล้วนำ มาทดลองดูด์ของเบา ๆจะได้ผลเช่นเดียวกับทาลีส กิลเบิร์ตจึงให้ชื่อไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้ว่า อิเล็กตริกซิตี้ (Electricity)

ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2280 (ค.ศ. 1747) เบนจามิน แฟรงคลิน(BenjaminFranklin)นักวิทยาศาสตร์ ชาวอเมริกันได้ค้นพบไฟฟ้าในอากาศขึ้น โดยการทดลองนำว่าวซึ่งมีกุญแจผูกติดอยู่กับสายป่านขึ้นในอากาศขณะที่เกิดพายุฝน เขาพบว่าเมื่อเอามือไปใกล้กุญแจก็ปรากฏประกายไฟฟ้ามายังมือของเขาจากการทดลองนี้ทำให้เขาค้นพบเกี่ยวกับปรากฏการณ์ ฟ้าแลบ ฟ้าร้อง และฟ้าผ่า ซึ่งเกิดจากประจุไฟฟ้าในอากาศ นับตั้งแต่นั้นมาแฟรงคลินก็สามารถประดิษฐ์สายล่อฟ้าได้เป็นคนแรกโดยเอาโลหะต่อไว้กับยอดหอคอยที่สูง ๆ แล้วต่อสายลวดลงมายังดิน ซึ่งเป็นการป้องกันฟ้าผ่าได้กล่าวคือไฟฟ้าจากอากาศ จะไหล เข้าสู่โลหะที่ต่ออยู่กับยอดหอคอยแล้วไหลลงมาตามสายลวดที่ต่อเอาไว้ลงสู่ดินหมดโดยไม่เป็นอันตรายต่อคนหรืออาคารบ้านเรือน

ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2333 (ค.ศ. 1790) วอลตา (Volta) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาเลียนได้ค้นพบไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี โดยนำเอาวัตถุต่างกันสองชนิด เช่น ทองแดงกับสังกะสีจุ่มในน้ำยาเคมี เช่นกรดีกำมะถันหรือกรดซัลฟิวริก โลหะสองชนิดจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับน้ำยาเคมีทำให้เกิดไฟฟ้าขึ้นได้เรียกการทดลองนี้ว่า วอลเทอิก เซลล์ (Voltaic Cell)ซึ่งต่อมาภายหลังวิวัฒนาการมาเป็น เซลล์แห้ง หรือถ่านไฟฉาย และเซลล์เปียกหรือแบตเตอรี่

พ.ศ. 2374 (ค.ศ. 1831) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday)ได้ค้นพบไฟฟ้าที่เกิดจากอำนาจแม่เหล็ก โดยนำขดลวดเคลื่อนที่ตัดผ่านสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นในขดลวดซึ่งต่อมาภายหลังได้ถูก นำมาประดิษฐ์เป็น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขึ้น

พ.ศ. 2420 - 2430 (ค.ศ.1877-1887) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ โทมัส อัลวา เอดิสัน (Thomas A। Edison) ได้ประดิษฐ์หลอดไฟฟ้าขึ้นสำเร็จเป็นคนแรก และยังได้ประดิษฐ์อุปกรณ์์ไฟฟ้าอื่น ๆ อีกหลายอย่าง เช่น เครื่องฉายภาพยนตร์ หีบเสียง เครื่องอัดสำเนา เป็นต้น จนได้รับฉายา ว่าเป็น พ่อมดใน วงการอุตสาหกรรม นอกจากนี้ ยังมีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่าน เช่น อะเล็กซานเดอร์ เกรแฮมเบลล์ (Alexander Graham Bell) ผู้ประดิษฐ์โทรศัพท์ และ มาร์โคนี (Marconi) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาเลียนเป็นผู้ค้นพบการส่งสัญญาณวิทยุ เป็นต้น