ไฟฟ้าสถิตกับงานวิศวกรรมเคมี (๓) ทฤษฏีพื้นฐานการเกิด MO Memoir : Friday 2 June 2560

ที่ทิ้งห่างจากการเขียนเรื่องวิชาการไปครึ่งเดือน เป็นเพราะต้องเตรียมการสอบและส่งผลการสอบ ตอนนี้พอจะมีเวลาว่างบ้างแล้ว ก็เลยขอกลับมาเขียนเรื่องนี้ต่อ โดยตอนที่ ๓ ของเรื่องไฟฟ้าสถิตกับงานวิศวกรรมนี้ ก็ยังอิงเนื้อหาจากบทความเรื่อง "Static Electricity : Rules for Plant Safety" ที่ตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Plant/Operation Progress vol. 7 No. 1 หน้า 1-22 เดือนมกราคม ปีค.ศ. ๑๙๘๘ เช่นเดิม แต่ตอนที่ ๓ นี้ขอกระโดดไปยังเนื้อหาใน Part III ของบทความดังกล่าว (ในหน้า ๑๘ และ ๑๙) ที่กล่าวถึงทฤษฎีพื้นฐานของการเกิดไฟฟ้าสถิตย์ อนึ่งความรู้ในบทความนี้เป็นความรู้เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว ที่บางเรื่องนั้นในบทความยังกล่าวว่ายังไม่มีเหตุผลอธิบายได้ชัดเจน ซึ่งตอนนี้จะมีแล้วหรือยังผมก็ไม่รู้เหมือนกัน แต่สิ่งที่น่าสนใจของบทความนี้คือมันให้ภาพเกี่ยวกับ "การปฏิบัติงานจริง" ที่ทำให้เกิดปัญหาหรือป้องกันการเกิดปัญหาเนื่องจากการสะสมประจุไฟฟ้าสถิตย์ได้
 

รูปที่ ๑๒ ข้างล่างเป็นภาพแสดงการเกิดไฟฟ้าสถิตเมื่อวัตถุสองชนิดที่แตกต่างกันมาสัมผัสกัน และแยกตัวออกจากกัน ในช่วงที่สัมผัสกันนั้นจะมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง เมื่อวัตถุทั้งสองชิ้นแยกตัวออกจากกันจะทำให้วัตถุหนึ่งมีอิเล็กตรอนมากเกิน และอีกวัตถุหนึ่งขาดอิเล็กตรอน คำอธิบายนี้ใช้ได้กับการเทผงอนุภาคออกจากถังบรรจุ (ตัวอย่างที่ ๒ ในตอนที่ ๑) และการเดินของคนบนพรมที่ไม่นำไฟฟ้า (ตัวอย่างที่ ๗ ในตอนที่ ๑) แต่ดูแล้วมันไม่น่าใช้กับกรณีของวัตถุชนิดเดียวกันที่สัมผัสกันและแยกตัวออกจากกันเช่นในกรณีของการคลี่ม้วนฟิล์ม (ตัวอย่างที่ ๔ ในตอนที่ ๑)
 

ถ้าหากวัตถุทั้งสองที่สัมผัสกันนั้นเป็นตัวนำไฟฟ้า ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงจะทำให้เกิดการสะเทินประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งพื้นผิวสัมผัสในระหว่างการแยกตัวออกจากกัน ทำให้ไม่เกิดการสะสมประจุไฟฟ้าสถิต แต่ถ้าวัตถุชิ้นใดชิ้นหนึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า ก็จะตรวจพบการสะสมประจุไฟฟ้าสถิตย์บนพื้นผิวได้ (ฉนวนไฟฟ้าในที่นี้คือวัตถุที่มีความต้านทานมากกว่า 10¹¹ ohm เมื่อวัดด้วยวิธีการตามมาตรฐาน DIN 53482)

รูปที่ ๑๒ การเกิดไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิววัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน ที่มีการสัมผัสและแยกออกจากกัน
 

สาเหตุการเกิดไฟฟ้าสถิตในของเหลวที่ไหลอยู่ในท่อนั้นแตกต่างออกไป รูปที่ ๑๓ เป็นภาพแบบจำลองการเกิดประจุไฟฟ้าสถิตเมื่อของเหลวไหลอยู่ในท่อ ในแบบจำลองที่ยกมานั้นผิวท่อจะเลือกดูดซับประจุใดประจุหนึ่งไว้บนพื้นผิว (ในรูปคือประจุบวก +) และก่อให้เกิดชั้นที่สองที่อยู่เหนือชั้นแรกนี้แต่มีประจุที่ตรงข้ามกัน (ในรูปคือประจุลบ -) ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของชั้นแรก ความหนาแน่นของประจุในชั้นที่สองนี้จะมากในบริเวณใกล้ผิวท่อ และลดลงเมื่ออยู่ห่างจากผิวท่อ และยังเคลื่อนตัวไปตามของเหลวที่ไหลไปตามท่อ ในกรณีที่ของเหลวที่ไหลในท่อนั้นเป็นของเหลวที่นำไฟฟ้า ประจุที่เกิดขึ้นนั้นจะถูกสะเทินในขณะที่ของเหลวนั้นยังไหลอยู่ในท่อ แต่ในกรณีที่ของเหลวนั้นเป็นของเหลวไม่นำไฟฟ้า เมื่อของเหลวนั้นไหลออกจากท่อลงสู่ภาชนะบรรจุ ก็จะทำให้ของเหลวในภาชนะบรรจุนั้นมีประจุตามไปด้วย
  

นอกจากนี้ไฟฟ้าสถิตยังเกิดได้กับอนุภาคของแข็งหรือหยดของเหลวที่เคลื่อนที่ในเฟสแก๊ส โดยไม่ขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าของอนุภาคของแข็งหรือของเหลวนั้น กรณีพิเศษกรณีหนึ่งของการเกิดไฟฟ้าสถิตคือเมื่อของเหลว (โดยเฉพาะของเหลวที่นำไฟฟ้า) ถูกฉีดพ่นออกเป็นละอองฝอย เรียกว่า "Lenard effect" เช่นในกรณีของน้ำ หยดน้ำขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะมีประจุลบ ในขณะที่หยดน้ำขนาดที่ใหญ่กว่ามีแนวโน้มที่จะมีประจุบวก

รูปที่ ๑๓ การเกิดไฟฟ้าสถิตเนื่องจากการไหลของของเหลวในท่อ

ปรากฏการณ์ Lenard effect ที่หยดน้ำที่แตกกระจายตัวออกเป็นหยดเล็ก ๆ นั้นกลายเป็นอนุภาคมีประจุ โดยเฉพาะตัวประจุลบนั้น มีผู้นำไปใช้อธิบายว่าทำไมอากาศบริเวณน้ำตกหรือชายทะเลจึงช่วยในการรักษาสุขภาพ เพราะประจุลบในอนุภาคหยดน้ำเล็ก ๆ (ที่เกิดจากน้ำตกกระทบพื้นหรือคลื่น) นั้นช่วยในการสะเทินอนุมูลอิสระ ทำให้มีการนำเอาปรากฏการณ์ดังกล่าวมาใช้ในการขายสินค้าบางชนิด เช่น ฝักบัวอาบน้ำ เป็นต้น รูปที่ ๑๔ เป็นตัวอย่างโฆษณาหัวฝักบัวอาบน้ำที่บอกว่าสามารถสร้างอนุภาคมีประจุลบได้ (Lenard effect)

รูปที่ ๑๔ โฆษณาหัวฝักบัวอาบน้ำที่บอกว่าทำให้เกิดอนุภาคที่มีประจุลบเนื่องจากการแตกตัวของหยดน้ำ (Lenard effect) รูปนี้นำมาจากไฟล์ที่ปรากฏในเว็บ Slide Share (ลองหาเอาเองก็แล้วกันนะครับ เพราะผมเองก็ไม่ได้ประสงค์จะโฆษณาสินค้า)

ละอองของเหลวขนาดเล็กยังเกิดได้ในขณะทำเติมของเหลวลงถังบรรจุ โดยเฉพาะเมื่อปลายท่อจ่ายของเหลวอยู่สูงจากพื้นหรือระดับของเหลวด้วย เพราะเมื่อของเหลวเหล่านั้นตกกระทบพื้นหรือผิวของเหลวที่อยู่ต่ำลงไปมากจะทำให้เกิดการแตกตัวออกเป็นหยดของเหลวเล็ก ๆ (เกิดอนุภาคมีประจุได้ด้วย Lenard effect) ด้วยเหตุนี้ในการถ่ายของเหลวจึงมักจะให้ปลายท่อจ่ายของเหลวนั้นจุ่มอยู่ใต้ผิวของเหลวในภาชนะรองรับ (เพราะมันไม่ทำให้เกิดการแตกตัวของของเหลวออกเป็นหยดเล็ก ๆ)
 

อีกรูปแบบของการเกิดไฟฟ้าสถิตคือเกิดจากการเหนี่ยวนำ เมื่อตัวนำไฟฟ้าที่มีการป้องกันด้วยฉนวนไฟฟ้าไปเข้าใกล้กับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า (รูปที่ ๘ ในตอนที่ ๑) ด้านของตัวนำที่อยู่ใกล้กับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้านั้นจะถูกเหนี่ยวนำให้มีประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกัน และถ้าหากประจุชนิดใดชนิดหนึ่งบนตัวนำนั้นสามารถรั่วไหลออกไป และความเป็นฉนวนไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้านั้นกลับมาเป็นดังเดิม ตัวนำไฟฟ้านั้นก็จะมีประจุไฟฟ้าสะสมแม้ว่าจะถูกนำออกมาห่างจากวัตถุที่มีประจุไฟฟ้านั้น

สำหรับตอนนี้คงจบเพียงแค่นี้ก่อน