กระแสไฟฟ้า

บทท่ี 14 ไฟฟา้ กระแส (electric current)

Physics4 s32204 Electric current Electric current กระแสไฟฟ้า (electric current) เกิดขึน้ เมอ่ื ประจุไฟฟ้าเคล่อื นที่ในตวั นา

Physics4 s32204 Electric current Electric current แหล่งกาเนดิ ไฟฟ้า คือแหล่งพลังงานทจ่ี ะทาให้เกดิ ความต่างศักยร์ ะหว่างปลายของตวั นา ตลอดเวลา ได้แก่ เซลลไ์ ฟฟา้ เคมี เครอื่ งกาเนิดไฟฟา้ เซลล์สุริยะ และเซลล์เชื้อเพลิง เป็นตน้ สง่ิ มีชีวติ

Physics4 s32204 Electric current Electric current การนาไฟฟ้า ในอะตอมประกอบไปดว้ ย อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ (free electron) ซง่ึ มีการเคลือ่ นท่ี อย่างไร้ระเบยี บ เรยี กวา่ การเคลือ่ นท่ีแบบบราวน์ (Brownian motion) ความเร็ว เฉลี่ยของอิเล็กตรอนอสิ ระแตล่ ะตัวจงึ เป็นศูนย์ เม่อื ทาใหป้ ลายของแท่งโลหะมีความต่างศักยจ์ ะเกดิ สนามไฟฟา้ แรง เนอื่ งจากสนามไฟฟ้าจะทาใหอ้ เิ ลก็ ตรอนอิสระเคลอ่ื นท่ีโดยมคี วามเร็วเฉลี่ยไมเ่ ปน็ ศูนย์ คือ มี ความเรว็ ลอยเลอ่ื น (drift velocity) ดังน้ัน กระแสไฟฟา้ ในโลหะจึงเกิดจาก การเคลื่อนท่ขี องอิเลก็ ตรอนอิสระ

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current ทิศของกระแสไฟฟา้ - กาหนดใหก้ ระแสไฟฟ้าในตัวกลางมที ิศเดียวกับทิศของสนามไฟฟ้า - ประจุไฟฟา้ บวกเคล่ือนทีจ่ ากบริเวณที่มีศกั ย์ไฟฟ้าสูงไปยังบริเวณทม่ี ีศักยไ์ ฟฟา้ ต่า - กระแสไฟฟา้ มีทิศจากตาแหนง่ ที่มีศักย์ไฟฟา้ สงู ไปยงั ตาแหน่งทมี่ ศี กั ยไ์ ฟฟ้าต่ากวา่ ก. อนภุ าคทีม่ ปี ระจไุ ฟฟ้าบวก ข. อนุภาคทีม่ ปี ระจไุ ฟฟ้าลบ ค.อนภุ าคท่มี ปี ระจไุ ฟฟ้าบวกและลบ

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current ให้นักเรยี นทาแบบฝกึ หดั ท้ายบทท่ี 14 เร่อื งกระแสไฟฟ้า หนา้ 147 ขอ้ 1- 4

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current ความสมั พันธ์ตามสมการน้ีเรยี กว่า กฎของโอหม์ (ohm’s Law) ถา้ อณุ หภมู ิคงตัว กระแสไฟฟา้ ท่ีผา่ นตัวนาจะแปรผนั ตรงกบั ความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งปลายของตัวนานน้ั ความสมั พนั ธ์ระหวา่ งกระแสไฟฟา้ และความตา่ งศักยใ์ นตวั นาไฟฟ้าชนดิ อ่นื ๆ *** ตัวนาไฟฟา้ ท่ีเปน็ โลหะจะมคี วามตา้ นทานคงตัว และเป็นไปตามกฎของโอหม์ สว่ นตัวนาไฟฟา้ อ่ืน ความต้านทานไม่คงตวั และไมเ่ ป็นไปตามกฎของโอหม์

Physics4 s32204 Electric current Electric current ตัวต้านทาน (resistor) - ตัวต้านทานทาจากผงคารบ์ อนอัดแน่นเป็นรปู ทรงกระบอกเลก็ ๆ - มีความตา้ นทานคงตัว เรียกว่า ตัวตา้ นทานค่าคงตัว (fixed resistor) - เขยี นแทนดว้ ยสญั ลักษณ์ และใช้แถบสีบอกความตา้ นทาน - ตัวตา้ นทานทาหน้าท่ีจากัดค่าของกระแสไฟฟา้ ในวงจร

Physics4 s32204 Electric current Electric current การอ่านความต้านทานจากแถบสีบนตวั ต้านทาน

Physics4 s32204 Electric current Electric current ตัวต้านทานแปรค่า (variable resistor) - ประกอบด้วย แถบความตา้ นทานซึ่งอาจทาดว้ ยแกรไฟตห์ รือลวดพนั - ทาหนา้ ทค่ี วบคุมกระแสไฟฟา้ ในวงจร เรยี กวา่ ตวั ควบคมุ กระแส - สัญลักษณ์

Physics4 s32204 Electric current Electric current แอลดีอาร์ (light dependent resistor , LDR) - แอลดอี าร์เป็นตัวต้านทานทคี่ วามต้านทานขึ้นกบั ความสวา่ งของแสงทีต่ กกระทบ - แอลดอี าร์มีความตา้ นทานสงู ในทม่ี ืด แต่มคี วามต้านทานตา่ ในท่ีสว่าง - ทาหนา้ ทเ่ี ป็นตัวรับรคู้ วามสวา่ ง (light sensor) ในวงจรอเิ ลก็ ทรอนิกสส์ าหรับ ควบคุมการปิด-เปดิ สวิตซ์ด้วยแสง - สัญลกั ษณ์

Physics4 s32204 Electric current Electric current ไดโอด (diode) - ทาจากสารก่งึ ตัวนา - ไดโอดมขี ั้วไฟฟ้าบวกและขวั้ ไฟฟ้าลบ - เม่ือต่อขัว้ บวกและขัว้ ลบของแบตเตอร่ีกบั ข้ัวบวกและขว้ั ลบของไดโอด พบวา่ มี กระแสไฟฟ้าในวงจร ลกั ษณะนเ้ี รียกว่า ไบแอสตรง (forward bias) - เม่ือสลบั ขั้วของไดโอดจะพบว่า ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้ เรยี กวา่ ไบแอสกลบั (reverse bias) - สญั ลกั ษณ์

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current อิทธิพลของอณุ หภูมทิ ี่มีต่อความตา้ นทาน - ฉนวน ฉนวนเป็นสารทสี่ ภาพต้านทานสูง สภาพต้านทานของฉนวนท่อี ณุ หภมู ิ สูงๆ พบวา่ สภาพตา้ นทานจะลดลงเล็กน้อย ไดแ้ ก่ แกว้ ไมกา พีวซี ี ยาง กระเบ้ือง - สารกงึ่ ตัวนา เมือ่ อุณหภูมสิ ูงข้ึน พบวา่ สภาพต้านทานจะลดลงอยา่ งรวดเรว็ - ตวั นา ทมี่ สี ภาพต้านทานตา่ ความต้านทานจะแปรผนั ตรงกับอณุ หภูมสิ ัมบรู ณ์ เชน่ แพลทินัม ทองแดง เงนิ ความร้นู จ้ี ึงนาไปใช้สร้าง เทอร์มอมเิ ตอร์ชนิด ความต้านทาน สว่ นตัวนาที่เปน็ โลหะผสมบางชนดิ เม่ืออุณหภูมเิ ปลย่ี นความ ต้านทานจะเปลี่ยนนอ้ ยมาก นาไปใชส้ รา้ ง ตัวตา้ นทานมาตรฐาน เชน่ ตวั ตา้ นทานท่ีทาด้วยแมงกานิน - ตวั นายิ่งยวด ความตา้ นทานของปรอทลดลงเป็นศนู ยท์ ีอ่ ุณหภมู ิ 4.2 เคลวิน อณุ หภมู นิ ้เี รยี กว่า อณุ หภมู ิวกิ ฤต ปรอทจะอยใู่ นสภาวะทเ่ี รยี กวา่ สภาพนา ยวดย่ิง (superconductivity)

Physics4 s32204 Electric current Electric current ความรู้เก่ยี วกับสภาพนายวดย่ิงนาไปสรา้ งอปุ กรณ์ตา่ งๆ ดงั นี้ - เครอ่ื งเรง่ อนภุ าคพลังงานสูง (high energy particles accelerators) เป็น เครอ่ื งมอื เรง่ อนภุ าคท่ีมีประจไุ ฟฟา้ มพี ลังงานจลน์สูงมาก เพอื่ ใชใ้ นงานวิจัย ดา้ นฟิสกิ ส์ - รถไฟแมกเลฟ (Maglev : Magnetic Levitation Trains) เป็นรถไฟอตั ราเร็ว สงู

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current พลงั งานในวงจรไฟฟ้า 14.3 แรงเคลอื่ นไฟฟ้าและความตา่ งศักย์ พลังงานจากแหล่งกาเนดิ ไฟฟา้ ถกู ถ่ายโอนไปยงั ส่วนต่างๆ ของวงจรโดยการนาของ ประจไุ ฟฟา้ พลงั งานน้คี อื พลงั งานศักยไ์ ฟฟ้า (electrical potential energy) (พลงั งาน ไฟฟ้า) พลังงานไฟฟา้ ของแหลง่ กาเนิดไฟฟา้ ตอ่ หนง่ึ หนว่ ยประจุไฟฟ้าท่เี คลอ่ื นท่ผี ่าน แหลง่ กาเนดิ ไฟฟา้ คอื แรงเคลอื่ นไฟฟา้ (electromotive force, e.m.f.) ของ แหลง่ กาเนดิ ไฟฟ้าแทนด้วยสญั ลกั ษณ์ E ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานไฟฟ้า W ประจุไฟฟา้ Q และแรงเคล่อื นไฟฟ้า E เขยี นไดด้ งั นคี้ อื W = QE เมอื่ ประจไุ ฟฟ้าเคลอื่ นท่ผี า่ นสว่ นตา่ งๆของวงจร พลังงานไฟฟา้ ทชี่ ิ้นส่วนตา่ งๆ ของ วงจรใชต้ อ่ หนงึ่ หน่วยประจุไฟฟา้ เรียกวา่ ความตา่ งศักย์ หรอื โวลเตจ (potential difference หรอื voltage) แทนดว้ ยสญั ลักษณ์ V ดงั นั้นความสัมพันธร์ ะหวา่ ง พลงั งานไฟฟา้ W ประจไุ ฟฟา้ Q และความตา่ งศกั ย์ V จงึ เขยี นไดเ้ ปน็ W = QV

Physics4 s32204 Electric current Electric current เนอ่ื งจากพลังงานมีหนว่ ย จลู และประจไุ ฟฟ้ามีหน่วย คูลอมบ์ ดังน้นั แรงเคลอ่ื นไฟฟา้ และความต่างศกั ย์ จงึ มหี น่วย จูลตอ่ คูลอมบ์ หรือ โวลต์

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current การตอ่ ตวั ต้านทาน ในการนาตวั ตา้ นทานสองตัวมาตอ่ กนั แลว้ นาไปตอ่ กับแบตเตอรจ่ี ะสามารถทาได้ 2 รูปแบบ ดังรปู ในวงจรไฟฟา้ ที่มีตัวตา้ นทานต่อแบบอนุกรม พบวา่ 1. กระแสไฟฟา้ ในวงจรเทา่ กับกระแสไฟฟ้าท่ีผ่านตวั ตา้ นทานแตล่ ะตวั 2. ความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวตา้ นทานเท่ากับผลบวกของความต่างศักย์ ระหวา่ งปลายของตวั ต้านทานแตล่ ะตวั ที่ตอ่ แบบอนุกรม

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current การประยกุ ต์ความรเู้ รอ่ื งการต่อตัวต้านทาน การแบง่ ศกั ย์ ความรูเ้ ร่ืองการต่อตวั ต้านทานแบบอนกุ รมนาไปใช้ในการแบ่งความตา่ งศักย์ในวงจร ตวั ต้านทานทท่ี าหน้าท่ีนี้เรยี กวา่ ตวั แบง่ ศกั ย์ (potential divider)

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current ตัวอยา่ ง 2 จากรปู จงหาความตา้ นทานรวมระหว่างจดุ AB (4 โอห์ม) 6Ω 2Ω A 3Ω B

Physics4 s32204 Electric current Electric current ตวั อย่าง 3 จากรปู จงหาความต้านทานรวมระหวา่ งจดุ AB (2 โอห์ม) 1Ω 2Ω AB 2Ω 4Ω

Physics4 s32204 Electric current Electric current ตัวอยา่ ง 4 จากรปู จงหาความตา้ นทานรวมระหวา่ งจดุ AB (3 โอหม์ ) 1Ω A 1Ω 2Ω 3Ω 3Ω 3Ω B 1Ω

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current การต่อแบตเตอร่ี การตอ่ แบตเตอร่ีแบบอนกุ รม การตอ่ แบตเตอรแี่ บบอนุกรมเป็นการนาขว้ั ตรงข้ามของแบตเตอรี่แต่ละกอ้ นต่อเรียงกัน ไป สามารถวิเคราะห์หาแรงเคล่ือนไฟฟา้ รวมได้ดงั น้ี

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current

Physics4 s32204 Electric current Electric current