บทที่ 14 ไฟฟ้ากระแส

จุดประสงค์การเรียนรู้

1. อธิบายกระแสไฟฟ้าในตัวนำ

2. อธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ

3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำกับความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนอิสระ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในลวดตัวนำ และพื้นที่หน้าตัดของลวดตัวนำ รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

4. ทดลองเพื่ออภิปรายและสรุปกฎของโอห์ม รวมทั้งนำความเข้าใจเกี่ยวกับกฎของโอห์มไปคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

5. บอกความหมายของความต้านทาน สภาพต้านทานไฟฟ้า และสภาพนำไฟฟ้า

6. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานกับความยาว พื้นที่หน้าตัด และสภาพต้านทานของตัวนำโลหะที่อุณหภูมิคงตัว รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

7. อ่านความต้านทานของตัวต้านทานจากแถบสีบนตัวต้านทาน

8. คำนวณความต้านทานสมมูลเมื่อนำตัวต้านทานมาต่อกันแบบอนุกรมและแบบขนาน

9. ทดลองเพื่อบอกความแตกต่างและอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟของแบตเตอรี่กับความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแบตเตอรี่

10. อธิบายและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับอีเอ็มเอฟของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

11. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้า กำลังไฟฟ้า ความต่างศักย์ และกระแสไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้า รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องจากสถานการณ์ที่กำหนดให้

12. ทดลองเพื่ออธิบายอีเอ็มเอฟสมมูลและความต้านทานภายในสมมูล เมื่อต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรมและแบบขนาน

13. คำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงซึ่งประกอบด้วยแบตเตอรี่และตัวต้านทาน

14. อธิบายการเปลี่ยนพลังงานทดแทนเป็นพลังงานไฟฟ้า

15. อธิบายประสิทธิภาพของพลังงานทดแทน

16. ประเมินความคุ้มค่าด้านค่าใช้จ่ายของพลังงานทดแทน

17. สืบค้นและยกตัวอย่างเทคโนโลยีที่นำมาแก้ปัญหาหรือตอบสนองความต้องการด้านพลังงาน

หัวข้อที่ต้องศึกษา

1.กระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าในตัวนำ
กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ

2.ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับความต่างศักย์

กฎของโอห์มและความต้านทาน
สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า
ตัวต้านทาน
การต่อตัวต้านทาน

3.พลังงานในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง

พลังงานไฟฟ้าและความต่างศักย์
พลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้ากระแสตรง

4.แบตเตอรี่และวงจรไฟฟ้ากระแสตรงเบื้องต้น

การต่อแบตเตอรี่
การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

5.พลังงานไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนและเทคโนโลยีด้านพลังงาน

พลังงานทดแทน
เทคโนโลยีด้านพลังงาน

กระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าในตัวนำ

ตัวนำไฟฟ้า (Conductor) เป็นตัวกลางที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

การนำไฟฟ้า เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำที่เป็นของแข็ง ไอออนบวกและไอออนลบในตัวนำที่เป็นของเหลวและแก๊ส

สารละลายอิเล็กโทรไลต์

ที่มา: https://images.app.goo.gl/UB1xT8rPHWw2AZV26

การเคลื่อนที่ของไออนบวกและไอออนลบในหลอดบรรจุแก๊ส

ที่มา: https://images.app.goo.gl/8iuPVF73YAtyM6h8A

โลหะตัวนำ

ที่มา: https://images.app.goo.gl/9YU3hAqZjw6mBmjC7

การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในตัวนำจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งเราได้กำหนดนิยามขนาดและ ทิศทางของกระแสไฟฟ้าไว้ ดังนี้

"ขนาดของกระแสไฟฟ้าในตัวนำใด ๆ ย่อมมีค่าเท่ากับปริมาณประจุไฟฟ้าที่วิ่งผ่านหน้าตัดใดหน้าตัดหนึ่งของตัวนำในหนึ่งหน่วยเวลา"

"ทิศทางของกระแสไฟฟ้าโดยทั่วไป กำหนดให้มีทิศตามการเคลื่อนที่ของประจุบวกและตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของประจุลบ"

การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านพื้นที่หน้าตัด A

การหาขนาดของกระแสไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า

หาได้จาก

กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ

โดยทั่วไปโลหะนำไฟฟ้าได้ดีเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระ (free electron) ซึ่งเคลื่อนที่แบบ ไร้ระเบียบ ที่เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion) ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนเป็นศูนย์ เมื่อให้ปลายทั้งสองของแท่งโลหะมีความต่างศักย์ไฟฟ้าจะเกิดสนามภายในแท่งโลหะ แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่มีทิศทางแน่นอนและมีความเร็วเฉลี่ยไม่เป็นศูนย์ เรียกความเร็วนี้ว่า ความเร็วลอยเลื่อน (Drift velocity) กระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจากบริเวณที่มีความต่างศักย์ต่ำไปยังบริเวณที่มีความต่างศักย์สูง

การเคลื่อนที่แบบบราวน์

ที่มา: https://images.app.goo.gl/qSufwrMGrePEW4z77

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเมื่อปลายทั้งสองของลวดตัวนำมีความต่างศักย์ไฟฟ้า

ถ้าให้ลวดตัวนำมีพื้นที่หน้าตัด A อิเล็กตรอนวิ่งด้วยอัตราเร็วลอยเลื่อน v_dความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในตัวนำเท่ากับ n ตัวต่อปริมาตรและอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีประจุ e จะได้กระแสไฟฟ้าดังต่อไปนี้

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับความต่างศักย์

เกออร์ค ซีม็อน โอห์ม

(Georg Simon Ohm)

ที่มา: https://th.wikipedia.org/wiki/

กฎของโอห์มและความต้านทาน

กฎของโอห์ม มีใจความว่า “เมื่ออุณหภูมิคงที่ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำหนึ่งจะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำนั้น” จะเขียนความสัมพันธ์ได้ คือ

การทดลองกฎของโอห์ม

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า
กับความต่างศักย์ไฟฟ้าตามกฎของโอห์ม

นิยาม ความต้านทาน 1 โอห์ม คือ ความต้านทานของลวดตัวนำซึ่งเมื่อต่อปลายทั้งสองของตัวนำนั้นเข้ากับความต่างศักย์ 1 โวลต์ จะมีกระแสไฟฟ้า ไหลผ่านตัวนำได้ 1 แอมแปร์

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวนำชนิดต่าง ๆ โดยอุณหภูมิคงตัวจะได้ความสัมพันธ์ดังรูป

ซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวนำโลหะ สอดคล้องกับกฎของโอห์ม

ความต้านทานและสภาพต้านทาน

สภาพต้านทานไฟฟ้า (Electrical resistivity) หมายถึง ความต้านทานของสารชนิดนั้น มีความยาว 1 เมตร และพื้นที่ภาคตัดขวาง 1 ตารางเมตร มีหน่วยเป็นโอห์มเมตร (Ωm) แทนด้วยสัญลักษณ์ ρ

ปกติตัวนำไฟฟ้าอย่าง เช่น เงินหรือทองแดงจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าอยู่บ้าง สังเกตจากการที่สายไฟเกิดร้อนขณะที่มีการไหลของกระแส

ความต้านทานของตัวนำที่มีพื้นที่ตัดขวางสม่ำเสมอจะขึ้นกับความยาวของตัวนำและส่วนกลับของพื้นที่ตัดขวาง นอกจากยังขึ้นกับอุณหภูมิของตัวนำอีกด้วย เมื่ออุณหภูมิคงที่ความต้านทานของตัวนำมีค่า

ความนำไฟฟ้า (Electrical Conductance) เป็นส่วนกลับของความต้านทานไฟฟ้ามีหน่วยเป็น (โอห์ม) -1 หรือซีเมนต์ (Siemens) แทนด้วยสัญลักษณ์ G วัตถุที่มีความนำไฟฟ้าสูงจะมีความต้านทานต่ำ วัตถุที่มีความนำไฟฟ้าต่ำจะมีความต้านทานสูง

สภาพนำไฟฟ้า (Electrical Conductivity) เป็นส่วนกลับของสภาพต้านทานไฟฟ้า มีหน่วยเป็น (โอห์ม.เมตร) ^-1หรือซีเมนต์ต่อเมตร แทนด้วยสัญลักษณ์ σ

ผลของอุณหภูมิที่มีต่อตัวต้านทาน

1.ตัวนำโลหะบริสุทธิ์ เช่น เงิน ทองแดง แพลททินัม ความต้านทานแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (เคลวิน) นำความรู้นี้ไปสร้างเทอร์โมมิเตอร์ ชนิดความต้านทาน ตัวนำที่เป็นโลหะผสม จะมีสภาพต้านทานสูงกว่าตัวนำบริสุทธิ์ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นสภาพต้านทานจะเปลี่ยนไปน้อยมาก จึงนิยมนำโลหะผสมไปสร้างตัวต้านทานมาตรฐาน

2. สารกึ่งตัวนำ เช่น เจอร์มาเนียม ซิลิกอน แกรไฟต์ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นพบว่าสภาพนำไฟฟ้าสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้น เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภท สารกึ่งตัวนำประกอบในวงจรจึงทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด

3. ฉนวน เป็นวัตถุที่มีสภาพต้านทานสูงมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นมาก ๆ สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อยความต้านทานของฉนวนอาจไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อนำไปต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงมากๆวัตถุเหล่านี้จะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้

4. ตัวนำยวดยิ่ง (Super conductor) คือ ตัวนำที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุด มีสมบัติ 2 ประการ คือ

เป็นตัวนำที่ปราศจากความต้านทาน มีสภาพความต้านทานเป็นศูนย์ เมื่ออุณหภูมิต่ำมาก ๆ จนใกล้ศูนย์เคลวิน เรียกว่า “อุณหภูมิวิกฤต”
เป็นสารที่มีแรงผลักดันกับสนามแม่เหล็ก ถ้าวางแท่งแม่เหล็กบนตัวนำยวดยิ่งแท่งแม่เหล็กจะถูกผลักให้ลอย จากความรู้เรื่องตัวนำยวดยิ่งนำไปใช้ ประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์ เช่น

1. เครื่องเร่งอนุภาคกำลังสูง ใช้เร่งอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน นิวตรอน ให้มีความเร็วสูง เกิดพลังงานจลน์มาก นำไปใช้ในงานวิจัยทางฟิสิกส์

2. รถไฟฟ้าแมกเลฟ เป็นรถไฟฟ้าความเร็วสูง ขณะแล่นตัวรถจะลอยเหนือราง ช่วยลดแรงเสียดทานการยกตัวเกิดจากการผลักของสนามแม่เหล็กจากรางและตัวรถ

ตัวต้านทาน

ตัวต้านทาน (Resistor) เป็นอุปกณ์ที่ช่วยปรับความต้านทานให้กับวงจร เพื่อช่วยปรับให้กระแสไฟฟ้าพอเหมาะกับวงจรนั้น ๆ ตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบ่งเป็น 2 แบบ ได้แก่

1. ตัวต้านทานค่าคงตัว เป็นตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานคงตัว ทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกขนาดเล็กมีแถบสีคาดเพื่อบอกค่าความต้านทาน

ตัวต้านทานคงตัว

2. ตัวต้านทานแปรค่าได้ เป็นตัวต้านทานที่ทำหน้าที่จำกัดค่ากระแสไฟฟ้า จึงถูกนำไปใช้ในการควบคุมกระแสไฟฟ้าและแบ่งศักย์ไฟฟ้า เป็นส่วนประกอบในเครื่องวัดบางชนิด เช่น โอห์มมิเตอร์

ตัวต้านทานแปรค่าได้

การอ่านค่าความต้านทานจากแถบสีบนตัวต้านทาน

ความหมายของแถบสีบนตัวต้านทาน

แถบที่ 1 เป็นตัวเลขตัวแรกของความต้านทาน

แถบที่ 2 เป็นตัวเลขตัวที่สองของความต้านทาน

แถบที่ 3 บอกเลขชี้กำลังของฐานสิบที่ต้องนำไปคูณกับเลขสองตัวแรก

แถบที่ 4 บอกค่าความคลาดเคลื่อนของความต้านทานเป็นร้อยละ

การต่อตัวต้านทาน

พลังงานในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง

พลังงานไฟฟ้าและความต่างศักย์

พลังงานไฟฟ้า ( W ) คือ พลังงานที่สิ้นเปลืองไปในการเคลื่อนที่ปริมาณไฟฟ้า Q คูลอมบ์ ระหว่างจุด 2 จุด ซึ่งมีความต่างศักย์ V

พลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้า (Electrical Power)

กำลังไฟฟ้า คือ พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปในเวลา 1 นาที มีหน่วยเป็นวัตต์ (w) หรือจูลต่อวินาที เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า กำลังไฟฟ้า (วัตต์) = พลังงานไฟฟ้า (จูล)/เวลา (วินาที)

เครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชนิดจะใช้พลังงานไฟฟ้าต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดและขนาดของเครื่องใช้ไฟฟ้า ซึ่งทราบได้จากตัวเลขที่กำกับไว้บนเครื่องใช้ไฟฟ้า ที่ระบุทั้งความต่างศักย์ (V) และกำลังไฟฟ้า (W)

ตัวอย่าง หลอดไฟฟ้า มีตัวเลขกำกับว่า 220V 60W

220V หมายถึง หลอดไฟฟ้านี้ใช้กับความต่างศักย์ 220 โวลต์

ซึ่งเราต้องใช้ให้ตรงกับค่าความต่างศักย์ที่กำหนดมา

60W หมายถึง ค่าของพลังงานไฟฟ้าที่หลอดไฟฟ้าใช้ไปในเวลา 1 วินาที

ซึ่งเรียกว่า กำลังไฟฟ้า การวัดพลังงานไฟฟ้า ใช้หน่วยเป็นจูล ตัวเลข 60W จึงหมายถึง ขณะเปิดไฟ หลอดไฟฟ้านี้จะใช้พลังงานไฟฟ้า 60 จูล ในเวลา 1 วินาที

กำลังไฟฟ้ามีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่เครื่องใช้ไฟฟ้านั้นต่ออยู่ โดยกำลังไฟฟ้ามีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างความต่างศักย์กับกระแสไฟฟ้า

จะได้ P=VI

ถ้า P แทนกำลังไฟฟ้ามีหน่วยเป็นวัตต์

V แทนความต่างศักย์มีหน่วยเป็นโวลต์

I แทนกระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นแอมแปร์

โดยทั่วไปนิยมวัดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นหน่วยที่ใหญ่กว่าหน่วยจูล โดยวัดกำลังไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์ และคิดช่วงเวลาเป็นชั่วโมง ดังนั้น พลังงานไฟฟ้าจึงวัดได้เป็น กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือเรียกว่า หน่วยหรือยูนิต

รวมสูตรคำนวณ ความต่างศักย์ไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้า ความต้านทาน กำลังไฟฟ้า

แบตเตอรี่และวงจรไฟฟ้ากระแสตรงเบื้องต้น

การต่อเซลล์ไฟฟ้า

แบบอนุกรม
แบบขนาน

การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม

การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน

การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

พลังงานไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนและเทคโนโลยีด้านพลังงาน

แหล่งที่มา

http://www.krukird.com/L14_1_56.pdf

https://il.mahidol.ac.th/e-media/electromagnetism/sub_lesson/5_2.htm

https://web.ku.ac.th/schoolnet/snet7/eng1.htm

http://nitchara00.blogspot.com/p/14.html

https://www.gotoknow.org/posts/464884

Page updated

Report abuse