กฎของโอห์ม กำลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า

กฎของโอห์ม กาลงั ไฟฟ้ า และพลงั งานไฟฟ้ าวตั ถปุ ระสงค์ 1. อธิบายความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งกระแสไฟฟ้ า แรงดนั ไฟฟ้ าและความตา้ นทาน ในวงจรไฟฟ้ า 2. เขา้ ใจความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งกาลงั ไฟฟ้ า พลงั งานไฟฟ้ า และกฎของโอหม์ 3. คานวณวงจรไฟฟ้ าเบ้อื งตน้ และกาลงั ไฟฟ้ าได้ ดว้ ยกฎของโอห์ม จอร์จ ไซมอน โอห์ม(George Simon Ohm) นกั ฟิ สิกส์ ชาวเยอรมนั ไดค้ น้ พบความสัมพนั ธ์ระหวา่ งปริมาณของ ไฟฟ้ าท้งั 3 ตวั คอื ระหวา่ งกระแสไฟฟ้ า (I) แรงดนั ไฟฟ้ า (E ) และตวั ตา้ นทาน (R) และไดส้ รุปค่าความสัมพนั ธ์ ดงั กล่าวไวว้ า่ “กระแสไฟฟ้ านน่ั วงจรไฟฟ้ าน้ัน จะแปรผนั ตรงกบั แรงดนั ของแหล่งจ่ายไฟฟ้ าแต่จะแปรผกผนั กบั ค่า ความตา้ นทานในวงจรไฟฟ้ า” ดงั สมการ I =เม่ือ I = กระแสไฟฟ้ ามีหน่วยเป็น แอมป์ แปร์ (A) E = แรงดนั ไฟฟ้ ามีหน่วยเป็นโวลต์ (V) R = ความตา้ นทานมีหน่วยเป็ น โอห์ม (Ω) จากกฎของโอหม์ อธิบายไดว้ า่ กระแสไฟฟ้ าในวงจรจะมีค่าเพม่ิ ข้นึ ถา้ แรงดนั ทแี่ หล่งจา่ ย มีค่าเพ่ิมข้ึนและในทางกลบั กันถ้าแหล่งจ่ายไฟฟ้ ามีค่าคงท่ี กระแสไฟฟ้ าจะมีค่าลดลง เมื่อค่าความตา้ นทานในวงจรไฟฟ้ ามีคา่ มากข้ึน ความสมั พนั ธต์ ามกฎของโอห์มอาจเขียน ในรูปสามเหล่ียม ดงั รูปท่ี 1.1 รูปที่ 1.1 สามเหล่ียมหาค่าความสมั พนั ธต์ ามกฎของโอหม์

ในการหาคา่ ความสมั พนั ธจ์ ากรูปท่ี 1.1 ถา้ ตอ้ งการทราบค่าแรงดนั ไฟฟ้ า ทาไดโ้ ดยใช้ นิ้วมือปิ ดท่ีตวั อกั ษร E จะไดค้ าตอบคือ E เท่ากบั I คูณ R ทานองเดียวกนั จะหาค่า ความตา้ นทาน จะได้ R เท่ากบั Iหาร เป็นตน้ รูปที่ 1.2 กราฟความสมั พนั ธต์ ามกฎของโอหม์ ความสัมพนั ธ์ตามกฎของโอห์มเป็ นแบบเชิงเสน้ ดงั แสดงในกราฟรูปท่ี 1.2 คือ ถา้ ความตา้ นทานคงท่ี ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งกระแสและแรงดนั ไฟฟ้ า เป็ นสัดส่วนโดยตรง กล่าวคือ กระแสไฟฟ้ าจะเพิม่ ข้ึนเป็นสดั ส่วนโดยตรงกบั แรงดนั ทเ่ี พมิ่ ข้นึตวั อย่างท่ี 1.1 จากวงจรไฟฟ้ ารูปที่ 1.3 จงใชก้ ฎของโอหม์ คานวณหาคา่ กระแสไฟฟ้ า รูปท่ี 1.3วธิ ที า I = =ตอบ I = 6A

ตัวอย่างท่ี 1.2 หลอดไฟฟ้ าหลอดหน่ึงมีความตา้ นทาน 96 Ω ต่อกบั แหล่งจ่ายไฟฟ้ า 220 V จะมีกระแสไฟฟ้ าไหลผา่ นหลอดไฟฟ้ าน้ีเท่าไร วิธีทา จากโจทยเ์ มื่อ E = 220 V, R = 200 Ω I= = I = 1.10 A ตอบ กระแสไฟฟ้ าท่ีไหลผา่ นหลอดไฟฟ้ าเทา่ กบั 1.10 Aตัวอย่างท่ี 1.3 หลอดไฟฟ้ าหลอดหน่ึงเม่ือใชก้ บั แรงดนั ไฟฟ้ า 12 V จะเกิดกระแสไฟฟ้ า ไหลผา่ นหลอดเท่ากบั 0.8 A จงหาคา่ ความตา้ นทานของหลอดไฟฟ้ าน้ี วธิ ีทา จากโจทยเ์ มื่อ E = 12 V และ I = 0.8 AR= = R = 15 Ωตอบ ความตา้ นทานของหลอดไฟฟ้ าคือ 15 Ω 2 กาลังไฟฟ้ า กาลังไฟฟ้ า (Electrical Power) หมายถึง พลงั งานไฟฟ้ าทีเ่ คร่ืองใชไ้ ฟฟ้ า ไดใ้ ชไ้ ปในเวลา 1 วนิ าทีเคร่ืองใชไ้ ฟฟ้ าแตล่ ะชนิด เช่น หมอ้ หุงขา้ ว เตารีด เครื่องซกั ผา้ พดั ลม ฯลฯ จะมีป้ ายบอก ตวั เลขกากบั ไวท้ ี่เคร่ืองใชไ้ ฟฟ้ า เช่น พดั ลม มีตวั เลขกากบั วา่ 220V 100W มีความหมายดงั น้ี - พดั ลม เครื่องนี้ ใช้กับแรงดันไฟฟ้ า 220 V - พัดลมเครื่องนี้ ใช้กาลังไฟฟ้ า 100 วตั ต์ หรือ หมายความว่า พดั ลมเครื่องน้ี จะใชพ้ ลงั งานไฟฟ้ าจานวน 1000 J (Joule, จูล) ในเวลา 1 S(Second,วนิ าที) กาลังไฟฟ้ า คานวณไดจ้ าก พลงั งานไฟฟ้ าทีเ่ คร่ืองใชไ้ ฟฟ้ าใชไ้ ปในเวลา 1 วนิ าที กาลังไฟฟ้ า × เวลา = พลังงานไฟฟ้ า

กาลงั ไฟฟ้ า คานวณไดจ้ ากปริมาณกระแสไฟฟ้ าที่ไหลผา่ นเครื่องใชไ้ ฟฟ้ า ถา้ มีกระแส ไฟฟ้ า ไหลผา่ นมาก แสดงวา่ เคร่ืองใชไ้ ฟฟ้ าน้นั ใชพ้ ลงั งานไฟฟ้ ามาก น่นั คือไดใ้ ชก้ าลงั ไฟฟ้ ามาก ไปดว้ ย กาลงั ไฟฟ้ าจะแปรผนั ตรงกบั ค่าของกระแสไฟฟ้ า ซ่ึงจะเปลี่ยนไปตามความสมั พนั ธ์ จากกฎของโอห์มดว้ ย เมื่อสมการกาลงั ไฟฟ้ าแสดงดงั สมการท่ี 2P = E × I (Watt, W) (2)จากกฎของโอหม์ เมื่อ I = นาค่า ไปแทนค่าใน สมการท่ี 2 จะได้ P= ×E=ดงั น้นั P = (3)จากกฎของโอหม์ เม่ือ E = I ×R แทนคา่ E ใน สมการท่ี 2 จะได้ (4) P = I × (IR) = I2 Rดงั น้นั P = I2 Rตวั อย่างท่ี 1.4 จงหาขนาดกาลงั ไฟฟ้ าเคร่ืองทาน้าอุ่นขนาด 220 V ใชก้ ระแสไฟฟ้ า 3A วิธีทา เม่ือ E = 220 V และ I = 3 A P = E × I = 220 × 3 P = 660 W ตอบ กาลงั ไฟฟ้ าของเคร่ืองทาน้าอุ่นเทา่ กบั 660 Wตัวอย่างที่ 1.5 จากวงจรรูปที่ 1.4 จงคานวณคา่ กาลงั ไฟฟ้ าทีเ่ กิดข้ึนกบั หลอด LED รูปที่ 1.4

วิธีทา จากสมการกาลงั ไฟฟ้ า P= = P = 1.44 W ตอบ กาลงั ไฟฟ้ าของหลอด LED คอื 1.44 W 3 พลงั งานไฟฟ้ า พลังงานไฟฟ้ า (Electrical Energy) คือพลงั งานที่ใชไ้ ปหรือ สร้างข้ึนมาใหม่จากกาลงั ไฟฟ้ าท่ีส่งเขา้ มาหรือส่งออกไป โดย มีความสัมพนั ธก์ บั เวลา มีหน่วยวดั ค่าพลงั งานเป็ นจุล (J) พลงั งานไฟฟ้ าใช้สญั ลกั ษณ์ W สามารถเขียนสมการไดด้ งั น้ี W = Pt เมื่อ W = พลงั งานไฟฟ้ า หน่วยจูล (J) P = กาลงั ไฟฟ้ า หน่วยวตั ต์ (W) I = เวลา หน่วยวนิ าที (s) ไฟฟ้ ากระแสสลบั ที่ถูกนามาใช้งานในชีวิตประจาวนั เราตอ้ งซ้ือมาจากหน่วยงานท่ีผลิตกระแสไฟฟ้ าออกจาหน่าย เช่น การไฟฟ้ าฝ่ายผลิต การไฟฟ้ าส่วนภูมิภาค และการไฟฟ้ านครหลวง เป็นตน้ พลงั งานไฟฟ้ าเหล่าน้ีมิไดถ้ ูกคิดออกมาเป็ นหน่วยจูล (J) แต่จะคิดออกมาเป็ นหน่วยกิโลวตั ต์ - ชว่ั โมง (Kilowatt-hour, kWh) หรือเรียกวา่ หน่วยไฟฟ้ า(UNIT, ยนู ิต) โดยคดิ ค่ากาลงั ไฟฟ้ าที่ใชเ้ ป็ นกิโลวตั ต์ (kW) คิดในเวลาเป็ นชว่ั โมง (h) เขียนสมการออกมาไดด้ งั น้ี W(kWh) = P(kW) × t(h)ตัวอย่างที่ 1.6 เคร่ืองปรับอากาศขนาด 1,100 วตั ต์ เปิ ดใชง้ านเป็ นเวลา 5 ชว่ั โมง จะใชพ้ ลงั งานไฟฟ้ าไปเท่าไร วธิ ีทา สูตร W = Pt P = 1,100 W = 1.1kW t=5h W = 1,100 W × 5 h = 5.5 kWh ตอบ เครื่องปรบั อากาศใชพ้ ลงั งานไฟฟ้ าไปเท่ากบั 5.5 kwh