(คู่มือ) หนังสือเรียนสสวท เพิ่มเติมฟิสิกส์4

ฟิสิกส์ เล่ม 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 235 จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. ทดลองเพ่ืออภิปรายและสรุปกฎของโอห์ม รวมท้ังนำ�ความเข้าใจเกี่ยวกับกฎของโอห์มไป คำ�นวณปรมิ าณต่าง ๆ ทเ่ี กี่ยวข้อง 2. บอกความหมายของความต้านทาน สภาพตา้ นทานไฟฟา้ และสภาพนำ�ไฟฟ้า 3. อธิบายความสัมพันธร์ ะหว่างความต้านทานกับความยาว พื้นทห่ี นา้ ตดั และสภาพตา้ นทาน ของตวั น�ำ โลหะทอ่ี ณุ หภมู คิ งตวั รวมทง้ั ค�ำ นวณปรมิ าณตา่ ง ๆ ทเ่ี กย่ี วขอ้ ง 4. อ่านความตา้ นทานของตวั ตา้ นทานจากแถบสบี นตวั ตา้ นทาน 5. ค�ำ นวณความต้านทานสมมูลเมอื่ น�ำ ตัวตา้ นทานมาต่อกันแบบอนกุ รมและแบบขนาน ทกั ษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษท่ี 21 จิตวิทยาศาสตร์ วทิ ยาศาสตร์ 1. การส่ือสารสารสนเทศ 1. ด้านความซ่ือสัตย์ ความ 1. การวัด (กระแสไฟฟ้า แ ล ะ ก า ร รู้ เ ท่ า ทั น ส่ื อ รอบคอบ และความเชื่อ และความตา่ งศักย)์ (การอภปิ รายรว่ มกนั และ ม่ั น ต่ อ ห ลั ก ฐ า น จ า ก 2. การใชจ้ �ำ นวน (การค�ำ นวณ การน�ำ เสนอผลการทดลอง) รายงานผลการทดลอง ปริมาณต่าง ๆ ท่ีเกี่ยวกับ 2. ความร่วมมือ การทำ�งาน 2. ด้านความพยายามมุ่งม่ัน กฎของโอหม์ และการค�ำ นวณ เป็นทีมและภาวะผู้นำ� ความรับผิดชอบ และ ความตา้ นทานสมมูล) (การร่วมมือกันทำ�การ ความร่วมมือช่วยเหลือ 3. การทดลอง (การลงมอื ท�ำ ทดลอง) จากการทำ�การทดลอง การทดลอง) และการอภปิ รายร่วมกัน 4. การจัดกระทำ�และส่ือ 3. ความอยากรู้อยากเห็น ความหมายข้อมูล (การ จากการอภปิ รายรว่ มกนั เขียนกราฟและบรรยาย ความสมั พันธ)์ 5. การตีความหมายข้อมูล แ ล ะ ล ง ข้ อ ส รุ ป ( จ า ก การอภิปรายและสรุปผล การทดลอง) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

236 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟิสกิ ส์ เล่ม 4 ผลการเรยี นรู้ 3. ทดลอง อธิบายและคำ�นวณอีเอ็มเอฟของแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้ากระแสตรง รวมท้ังอธิบายและ คำ�นวณพลังงานไฟฟา้ และก�ำ ลังไฟฟา้ จุดประสงค์การเรยี นรู้ 1. ทดลองเพ่ือบอกความแตกต่างและอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟของแบตเตอรี่กับ ความต่างศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั ของแบตเตอรี่ 2. อธบิ ายและค�ำ นวณปรมิ าณตา่ ง ๆ ทเี่ กย่ี วขอ้ งกบั อเี อม็ เอฟของแหลง่ ก�ำ เนดิ ไฟฟา้ กระแสตรง 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้า กำ�ลังไฟฟ้า ความต่างศักย์ และกระแสไฟฟ้า ของเครอ่ื งใชไ้ ฟฟา้ รวมทง้ั ค�ำ นวณปรมิ าณตา่ ง ๆ ท่ีเกี่ยวขอ้ งจากสถานการณ์ทีก่ �ำ หนดให้ ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษท่ี 21 จิตวทิ ยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 1. การสื่อสารสารสนเทศ 1. ด้านความซ่ือสัตย์ ความ 1. การวัด (ความต่างศกั ย์) แ ล ะ ก า ร รู้ เ ท่ า ทั น ส่ื อ รอบคอบ และความเช่ือ 2. การใชจ้ �ำ นวน (การค�ำ นวณ (การอภปิ รายรว่ มกนั และ ม่ั น ต่ อ ห ลั ก ฐ า น จ า ก พลังงานไฟฟ้าและกำ�ลัง การน�ำ เสนอผลการทดลอง) รายงานผลการทดลอง ไฟฟ้า) 2. ความร่วมมือ การทำ�งาน 2. ด้านความพยายามมุ่งมั่น 3. การทดลอง (การลงมอื ท�ำ เป็นทีมและภาวะผู้นำ� ความรับผิดชอบ และ การทดลอง) (การร่วมมือกันทำ�การ ความร่วมมือช่วยเหลือ 4. การจัดกระทำ�และสื่อ ทดลอง) จากการทำ�การทดลอง ความหมายข้อมูล (การ และการอภิปรายร่วมกัน เขียนกราฟและบรรยาย 3. ความอยากรู้อยากเห็น ความสมั พนั ธ์) จากการอภปิ รายรว่ มกัน 5. การตีความหมายข้อมูล แ ล ะ ล ง ข้ อ ส รุ ป ( จ า ก การอภิปรายและสรุปผล การทดลอง) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เล่ม 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 237 ผลการเรยี นรู้ 4. ทดลองและค�ำ นวณอเี อม็ เอฟสมมลู จากการตอ่ แบตเตอรแ่ี บบอนกุ รมและแบบขนาน รวมทง้ั คำ�นวณปริมาณต่าง ๆ ท่ีเก่ียวข้องในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงซึ่งประกอบด้วยแบตเตอร่ีและ ตัวต้านทาน จุดประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. ทดลองเพ่ืออธิบายอีเอ็มเอฟสมมูลและความต้านทานภายในสมมูล เมื่อต่อแบตเตอร่ีแบบ อนกุ รมและแบบขนาน 2. คำ�นวณปริมาณต่าง ๆ ท่ีเกี่ยวข้องในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงซ่ึงประกอบด้วยแบตเตอรี่และ ตวั ตา้ นทาน ทักษะกระบวนการทาง ทกั ษะแหง่ ศตวรรษที่ 21 จติ วทิ ยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ 1. การสื่อสารสารสนเทศ 1. ด้านความซ่ือสัตย์ ความ 1. การวดั (อเี อม็ เอฟ กระแส แ ล ะ ก า ร รู้ เ ท่ า ทั น ส่ื อ รอบคอบ และความเช่ือ ไฟฟา้ และความตา่ งศกั ย)์ (การอภปิ รายรว่ มกนั และ ม่ั น ต่ อ ห ลั ก ฐ า น จ า ก 2. การใชจ้ �ำ นวน (การค�ำ นวณ การน�ำ เสนอผลการทดลอง) รายงานผลการทดลอง ความต้านทานภายใน 2. ความร่วมมือ การทำ�งาน 2. ด้านความพยายามมุ่งม่ัน สมมูล และปรมิ าณตา่ ง ๆ เป็นทีมและภาวะผู้นำ� ความรับผิดชอบ และ ในวงจรไฟฟา้ กระแสตรง) (การร่วมมือกันทำ�การ ความร่วมมือช่วยเหลือ 3. การทดลอง (การลงมือ ทดลอง) จากการทำ�การทดลอง ทำ�การทดลอง) และการอภปิ รายรว่ มกนั 4. การตีความหมายข้อมูล 3. ความอยากรู้อยากเห็น และลงข้อสรุป (จากการ จากการอภปิ รายร่วมกนั อ ภิ ป ร า ย แ ล ะ ส รุ ป ผ ล การทดลอง) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

238 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟิสิกส์ เลม่ 4 ผลการเรยี นรู้ 5. อธิบายการเปล่ียนพลังงานทดแทนเป็นพลังงานไฟฟ้า รวมทั้งสืบค้นและอภิปรายเกี่ยวกับ เทคโนโลยี ที่นำ�มาแก้ปัญหาหรือตอบสนองความต้องการทางด้านพลังงานไฟฟ้า โดยเน้น ด้านประสทิ ธภิ าพและความคุ้มค่าดา้ นคา่ ใชจ้ ่าย จดุ ประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายการเปลี่ยนพลงั งานทดแทนเปน็ พลังงานไฟฟา้ 2. อธิบายประสทิ ธภิ าพของพลงั งานทดแทน 3. ประเมนิ ความค้มุ คา่ ด้านคา่ ใช้จา่ ยของพลงั งานทดแทน 4. สบื คน้ และยกตวั อยา่ งเทคโนโลยที นี่ �ำ มาแกป้ ญั หาหรอื ตอบสนองความตอ้ งการดา้ นพลงั งาน ทักษะกระบวนการทาง ทกั ษะแห่งศตวรรษท่ี 21 จติ วิทยาศาสตร์ วทิ ยาศาสตร์ 1. การส่ือสารสารสนเทศ 1. ด้านการใช้วิจารณญาณ - แ ล ะ ก า ร รู้ เ ท่ า ทั น สื่ อ จากข้อมูลท่ีนำ�เสนอและ (การสบื คน้ ขอ้ มลู การอา้ งองิ การน�ำ เสนอ แหล่งที่มาของข้อมูล การ 2. ดา้ นความยอมรบั ความตา่ ง เปรยี บเทยี บความถกู ตอ้ ง ความใจกวา้ ง และ การเหน็ ของข้อมูล การอภิปราย ความสำ�คัญและคุณค่า รว่ มกนั ) ของวิทยาศาสตร์ จาก 2. ความร่วมมือ การทำ�งาน การอภิปรายร่วมกนั เป็นทีมและภาวะผู้นำ� 3. ด้านความพยายามมุ่งมั่น ความรับผิดชอบ และ ความร่วมมือช่วยเหลือ จากการทำ�การทดลอง และการอภปิ รายร่วมกนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 239 ผังมโนทัศน์ ไฟฟา้ กระแส ไฟฟ้ากระแส เก่ียวขอ้ งกับ ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ น�ำ ไปสู่ กระแสไฟฟ้า แหลง่ กำ�เนิดไฟฟา้ พจิ ารณาเฉพาะ พจิ ารณาไดจ้ าก ท�ำ ใหเ้ กิด ปรมิ าณประจุที่เคลอื่ นท่ี อิเลก็ ตรอนอิสระเคลื่อนที่ ความต่างศกั ย์ พลงั งานไฟฟา้ ในลวดตวั นำ� ในหนึง่ หนว่ ยเวลา และก�ำ ลงั ไฟฟา้ น�ำ ไปสู่ น�ำ ไปหา สมั พนั ธก์ บั ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง กระแสไฟฟา้ กบั ความเร็วลอยเล่ือน ของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ กฎของโอหม์ อเี อม็ เอฟ เกีย่ วขอ้ งกบั เก่ียวข้องกบั ความตา้ นทาน แบตเตอรี่ น�ำ ไปสู่ เกี่ยวขอ้ งกบั นำ�ไปสู่ ตวั ตา้ นทานและการอา่ นแถบสี การตอ่ แบตเตอร่ี ความต้านทานของวตั ถุ เม่ืออุณหภูมคิ งตวั ขึน้ กบั ชนดิ น�ำ ไปสู่ และรูปรา่ งของวัตถุ การตอ่ ตวั ต้านทาน น�ำ ไปค�ำ นวณปริมาณทเี่ กย่ี วข้องใน น�ำ ไปหา วงจรไฟฟา้ กระแสตรง สภาพต้านทาน นำ�ไปอธบิ าย นำ�ไปประยกุ ต์ใช้ เทคโนโลยดี ้านพลังงาน การเปล่ยี นพลังงานทดแทน เป็นพลังงานไฟฟ้า สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

240 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เล่ม 4 สรปุ แนวความคิดสำ�คัญ เมอื่ มกี ระแสไฟฟ้าในตัวกลางเรยี กว่ามีการนำ�ไฟฟ้า (electrical conduction) ในตวั กลางน้นั และ เรยี กตัวกลางนน้ั วา่ ตวั นำ�ไฟฟ้า (electrical conductor) หรอื เรยี กสนั้ ๆ ว่า ตวั น�ำ เมื่อมีประจไุ ฟฟ้าลัพธเ์ คล่อื นทีผ่ ่านตำ�แหนง่ ใดตำ�แหนง่ หนงึ่ ในตวั นำ�ไฟฟ้า เรยี กวา่ มีกระแสไฟฟ้า (electric current) ในตัวนำ�นั้น ในกรณีทต่ี ัวน�ำ ไฟฟ้าเป็นโลหะ ในสภาวะปกติ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระในตวั นำ� โลหะจะเคลื่อนท่ีอย่างไร้ระเบียบโดยมีความเร็วเฉล่ียเป็นศูนย์ แต่เม่ือมีสนามไฟฟ้าภายในตัวนำ�โลหะ จะทำ�ให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนท่ีด้วยความเร็วเฉล่ียไม่เป็นศูนย์ ซึ่งเรียกว่า ความเร็วลอยเล่ือน (drift velocity) ท�ำ ใหเ้ กดิ กระแสอเิ ลก็ ตรอน (electron current) และ มปี ระจไุ ฟฟา้ ลพั ธเ์ คลอ่ื นทผ่ี า่ นต�ำ แหนง่ ใดตำ�แหน่งหนง่ึ ในตวั นำ�โลหะ ทำ�ใหเ้ กดิ กระแสไฟฟา้ ในทศิ ทางตรงขา้ มกบั ทศิ ทางของกระแสอิเลก็ ตรอน ค่าของกระแสไฟฟ้าพิจารณาได้จากประจุไฟฟ้าท่ีผ่านพ้ืนท่ีหน้าตัดของตัวนำ�ในหนึ่งหน่วยเวลา เขยี นเปน็ สมการได้เปน็ I = Q = Nq เมื่อ N เปน็ จำ�นวนอนภุ าคที่มปี ระจุ q เคล่อื นทผ่ี า่ นพ้นื ที่ ∆t ∆t หนา้ ตัดของตวั นำ�ในเวลา ∆t กระแสไฟฟ้าในตัวนำ�มีทิศทางเดียวกับทิศทางของสนามไฟฟ้า หรือมีทิศทางจากตำ�แหน่งท่ีมี ศักยไ์ ฟฟ้าสงู ไปยังต�ำ แหนง่ ท่มี ศี ักย์ไฟฟ้าต�่ำ กว่า กระแสไฟฟา้ ในลวดตวั น�ำ มคี า่ ขน้ึ กบั จ�ำ นวนอเิ ลก็ ตรอนตอ่ หนง่ึ หนว่ ยปรมิ าตร n ความเรว็ ลอยเลอ่ื น vd ของอิเล็กตรอนอิสระ และขนาดพ้ืนที่หน้าตัดของลวดตัวนำ� A รวมท้ังประจุของอิเล็กตรอน e เขยี นแทนดว้ ยสมการไดว้ ่า I=nevd A ตร งกับกคฎวาขมอตง่าโองศหักม์ ย(์รOะhหmว่า’งsปlaลwาย)ขมอใี งจตคัววนามำ�วนา่ ้ันถเา้ ขอียุณนหในภมูรูปิคสงตมวั กากรรไะดแ้เสปไ็นฟฟIา้ ใน=ตวั(นR1�ำ )โ∆ลหVะจะเแมปื่อรผRนั เป็นค่าคงตัวซ่ึงเป็นความต้านทานไฟฟ้า (หรือความต้านทาน) ของลวดตัวนำ�นั้น ทั้งน้ี จากการศึกษา เพมิ่ เติมพบว่า กฎของโอห์มเป็นจริงสำ�หรับตวั น�ำ และอุปกรณบ์ างชนดิ เทา่ นนั้ ความตา้ นทาน (resistance) แทนดว้ ยสญั ลกั ษณ์ R โดยความตา้ นทานของวตั ถขุ น้ึ อยกู่ บั ชนดิ และ รปู รา่ งของวตั ถุ ส�ำ หรบั ลวดตัวนำ�ยาว  พื้นที่หน้าตัด A ที่อุณหภูมิคงตัว ความต้านทานของลวดตัวนำ� เป็นไปตามสมการ R = ρ( A R) เม=่อื ρ(เปAน็ )สภาพต้านทานไฟฟ้า (electrical resistivity) ส่วนกลับของสภาพต้านทานไฟฟา้ เรียกวา่ สภาพนำ�ไฟฟา้ (electrical conductivity) แทนดว้ ย สัญลกั ษณ์ σ ตัวต้านทาน (resistor) เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ท่ีใช้สำ�หรับควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าและ ความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้าให้พอเหมาะกับการใช้งานต่าง ๆ โดยตัวต้านทานที่ใช้ทั่วไปในวงจรไฟฟ้า สว่ นใหญ่เป็นชนิดทเี่ รยี กวา่ ตัวต้านทานค่าคงตัว (fixed resistor) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 241 การต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม (series combination) n ตัว จะได้ความต้านทานสมมูล (equivalent resistance) R มคี า่ เพม่ิ ข้นึ ตามสมการ R = R1 + R2 + R3 + ... + Rn การตอ่ ตวั ต้านทานแบบขนาน (parallel combination) n ตวั จะได้ความต้านทานสมมลู R มีค่า ลดลงตามสมการ 1 = 1 + 1 + 1 + .... + 1 R R1 R2 R3 Rn พลังงานไฟฟ้าท่ีประจุไฟฟ้าได้รับต่อหนึ่งหน่วยประจุไฟฟ้าเม่ือเคลื่อนที่ผ่านแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้า เรียกวา่ อีเอม็ เอฟ (emf หรอื electromotive force) แทนด้วยสัญลักษณ์ E ซ่งึ ในบริบทอื่นอาจเรียกวา่ แรงเคลอ่ื นไฟฟา้ หรอื แรงดันไฟฟ้า อเี อม็ เอฟของแบตเตอร่ี E มคี วามสมั พนั ธก์ บั ความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั Wแบต=เตIอ∆รt่ี ∆V กระแสไฟฟา้ ในวงจร I และ ความตา้ นทานภายใน (internal resistance) ของแบตเตอรี่ r ตามสมการ E = ∆V + Ir พลังงานไฟฟ้า (electrical energy) เป็นพลังงานที่ประจุไฟฟ้าได้รับจากแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้าแล้ว นำ�ไปถ่ายโอนให้กับส่วนตา่ ง ๆ ของวงจร โดยพลังงานไฟฟ้าท่ปี ระจุไฟฟ้าหน่ึงหนว่ ยถ่ายโอนใหส้ ่วนตา่ ง ๆ ของวงจรเรียกว่า ความตา่ งศกั ย์ (potential difference) แทนดว้ ยสWญั ล=ักษIณ∆t์ ∆V พลงั งานไฟฟ้า W ที่ถูกใช้ไปในเครือ่ งใชไ้ ฟฟา้ ใWนเว=ลาI ∆t∆มVีค่าเป็น W = I ∆t∆V กำ�ลังไฟฟ้า (power) P เป็นพลังงานไฟฟ้าท่ีประจุไฟฟ้าถ่ายโอนให้กับส่วนต่าง ๆ ของวงจรใน หนึ่งหน่วยเวลา หรอื พลงั งานไฟฟา้ ท่เี ครื่องใช้ไฟฟา้ ใช้ไปในหนงึ่ หน่วยเวลา มีคา่ เป็น P = I ∆V การตอ่ แบตเตอรแ่ี บบอนกุ รม n กอ้ น จะไดอ้ เี อม็ เอฟสมมลู (equivalent emf) แทนดว้ ยสญั ลกั ษณ่์ E และความตา้ นทานภายในสมมลู (equivalent internal resistance) แทนดว้ ยสญั ลกั ษณ์ r มคี า่ เพม่ิ ขน้ึ ตามสมการ E = E1 + E2 + + En และ r = r1 + r2 + + rn ตามลำ�ดบั การตอ่ แบตเตอรแ่ี บบขนาน n กอ้ น จะไดอ้ เี อม็ เอฟสมมลู E มคี า่ คงเดมิ และความตา้ นทานภายใน สมมูล r มีค่าลดลงตามสมการ E= E=1 E=2 = En และ 1 = 1 +1 + .... + 1 ตามลำ�ดับ r r1 r2 rn E กระแสไฟฟา้ ในวงจรไฟฟา้ กระแสตรงทป่ี ระกอบดว้ ยแบตเตอรแ่ี ละตวั ตา้ นทาน มคี า่ เปน็ I = R + r พลังงานท่ีนำ�มาใช้ทดแทนแหล่งพลังงานหลัก เรียกว่า พลังงานทดแทน (alternative energy) เช่น พลงั งานแสงอาทิตย์ พลงั งานชวี มวล พลงั งานลม เซลลส์ รุ ยิ ะ (solar cell) คอื อปุ กรณท์ เ่ี ปลย่ี นพลงั งานแสงเปน็ พลงั งานไฟฟา้ เซลลส์ รุ ยิ ะทใ่ี ชท้ วั่ ไป ทำ�จากสารกึ่งตัวนำ� (semiconductor) ท่ีแตกต่างกันสองชนิด เม่ือแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์สุริยะ ท่ีต่อกับเครือ่ งใชไ้ ฟฟ้า จะทำ�ใหเ้ กิดกระแสไฟฟา้ ในวงจร ทำ�ให้อุปกรณไ์ ฟฟา้ สามารถท�ำ งานได้ พลังงานนวิ เคลยี ร์ (nuclear energy) เป็นพลังงานทีป่ ลดปลอ่ ยออกมาจากนิวเคลยี สของอะตอม เม่ือนิวเคลียสมีการเปล่ียนแปลงท่ีเรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ (nuclear reaction) ซึ่งการเกิดปฏิกิริยา นวิ เคลยี ร์อย่างต่อเน่อื ง เรยี กวา่ ปฏิกิรยิ าลกู โซ่ (chain reaction) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

242 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 โรงไฟฟา้ พลงั งานนวิ เคลยี ร์ (nuclear power plant) เปลย่ี นพลงั งานนวิ เคลยี รเ์ ปน็ พลงั งานไฟฟา้ โดยอาศัยเครื่องปฏกิ รณ์นิวเคลยี ร์ (nuclear reactor) ทที่ ำ�หน้าทส่ี รา้ งและควบคุมปฏกิ ิรยิ าลกู โซ่ เพ่อื ให้ มกี ารปลดปลอ่ ยพลงั งานนวิ เคลยี รใ์ นปรมิ าณทเ่ี หมาะสมส�ำ หรบั น�ำ ไปถา่ ยโอนใหก้ บั น�ำ้ เพอ่ื ท�ำ ใหน้ �ำ้ กลายเปน็ ไอนำ้�ทส่ี ามารถนำ�ไปหมุนกงั หนั และเครอื่ งกำ�เนดิ ไฟฟ้า แบตเตอร่ี วัสดุฉนวนความร้อน เครื่องใช้ไฟฟ้าประหยัดพลังงาน เซลล์เชื้อเพลิง เป็นตัวอย่าง ของเทคโนโลยดี า้ นพลงั งานทนี่ �ำ มาใชแ้ กป้ ญั หาหรอื ตอบสนองความตอ้ งการทางดา้ นพลงั งาน การพจิ ารณา เลือกเทคโนโลยีมาช่วยแก้ปัญหาพลังงาน ไม่เพียงควรคำ�นึงถึงประสิทธิภาพในการใช้งานเท่าน้ัน แต่ควร ค�ำ นงึ ถึงความคมุ้ ค่าด้านค่าใช้จา่ ย ขนาดที่เหมาะสม และความจ�ำ เปน็ ตอ่ การใชง้ านจรงิ ๆ เวลาทใี่ ช้ 2 ชวั่ โมง บทน้คี วรใชเ้ วลาสอนประมาณ 29 ชวั่ โมง 7 ช่ัวโมง 5 ชัว่ โมง 14.1 กระแสไฟฟา้ 14.2 ความสัมพันธร์ ะหวา่ งกระแสไฟฟา้ 9 ช่วั โมง กับความตา่ งศกั ย ์ 14.3 พลังงานในวงจรไฟฟา้ กระแสตรง 6 ชวั่ โมง 14.4 แบตเตอรแี่ ละวงจรไฟฟา้ กระแสตรง เบือ้ งตน้ 14.5 พลงั งานไฟฟ้าจากพลังงานทดแทน และเทคโนโลยดี า้ นพลังงาน ความรู้ก่อนเรียน ประจไุ ฟฟ้า แรงไฟฟ้า สนามไฟฟา้ ศกั ยไ์ ฟฟ้า ความตา่ งศกั ย์ พลังงาน ก�ำ ลงั การต่อวงจรไฟฟ้าเบอื้ งต้น สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 243 ครนู ำ�เข้าสูบ่ ทที่ 14 โดยจดั กิจกรรม หรอื ใช้สอ่ื ตา่ ง ๆ เช่น ภาพนง่ิ หรือ คลิปวดี ิทัศน์ เพอ่ื แสดงให้ เห็นความสำ�คัญของไฟฟ้าในชีวิตประจำ�วัน โดยอาจเน้นในส่วนของการคมนาคมท่จี ะเร่มิ มีการใช้รถยนต์ ไฟฟ้ามาใช้งาน รวมท้ังเทคโนโลยีใหม่ ๆ ท่ีต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าในการทำ�งาน จากน้ัน อภิปราย เชอ่ื มโยงถงึ ปญั หาทจ่ี ะตอ้ งเผชญิ เมอ่ื แหลง่ พลงั งานหลกั ส�ำ หรบั ใชผ้ ลติ ไฟฟา้ ของประเทศไทยใกลจ้ ะหมดไป ครูชี้แจงคำ�ถามสำ�คัญที่นักเรียนจะต้องตอบได้หลังจากการเรียนรู้บทท่ี 14 รวมท้ังหัวข้อหลักและ หวั ข้อยอ่ ยตา่ ง ๆ ท้งั หมดทีน่ กั เรยี นจะไดเ้ รียนรู้ในบทที่ 14 14.1 กระแสไฟฟ้า จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. อธิบายกระแสไฟฟา้ ในตวั น�ำ 2. อธบิ ายการเคลือ่ นทขี่ องอเิ ล็กตรอนอิสระและกระแสไฟฟา้ ในลวดตวั น�ำ 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ�กับความเร็วลอยเล่อื นของอิเล็กตรอนอิสระ ความหนาแนน่ ของอเิ ล็กตรอนในลวดตวั นำ� และพืน้ ท่หี นา้ ตัดของลวดตวั น�ำ รวมทัง้ คำ�นวณปริมาณต่าง ๆ ทเี่ กีย่ วข้อง ความเข้าใจคลาดเคล่ือนที่อาจเกดิ ข้นึ - สง่ิ ท่คี รูต้องเตรียมลว่ งหน้า - หลอดดูด 1. วสั ดุและอปุ กรณส์ �ำ หรบั การสาธิต ได้แก่ - แผ่นใส - ถาดอะลูมิเนยี ม - หลอดนีออน - เทป 2 หน้า - กระดาษเยอื่ (กระดาษทิชช)ู แนวการจดั การเรียนรู้ ครูนำ�เข้าสู่หัวข้อ 14.1 โดยทบทวนเกี่ยวกับความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิตที่ได้เรียนรู้มา จากนั้น ตั้งคำ�ถาม ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า ถ้าประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จะเกิดอะไรขึ้น ทั้งน้ี ครูอาจใช้กิจกรรม อเิ ล็กโทรฟอรสั เพือ่ สาธติ ใหเ้ หน็ การถา่ ยโอนพลังงานไฟฟา้ จากประจไุ ฟฟา้ ที่เคล่อื นท่ี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

244 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 กิจกรรมเสนอแนะสำ�หรับครู อเิ ลก็ โทรฟอรัส เวลาทีใ่ ช้ 20 นาที วัสดุและอปุ กรณ์ แผน่ ใส 1. ถาดอะลมู ิเนียม 2. หลอดดูด หลอดนอี อน 3. เทป 2 หน้า 4. แผ่นใส 5. กระดาษเยื่อ (กระดาษทิชชู) 6. หลอดนีออน 7 กรรไกร วธิ ที ำ�กจิ กรรม ก. 1. ตัดเทป 2 หน้าเป็นสี่เหลี่ยมขนาดประมาณ ข. 1.5 × 1.5 cm2 แล้วนำ�ไปติดไว้ตรงกลาง ถาดอะลูมิเนียม จากน้ัน ติดหลอดดูดไว้กับ เทป 2 หน้า เพื่อทำ�ให้หลอดดูดเป็นที่จับ ดงั รูป ก. 2. ถกู ระดาษเย่ือกับแผ่นใส ดังรปู ข. 3. วางถาดอะลูมิเนียมลงบนแผ่นใสบริเวณ ท่ถี กู ถู ดังรปู ค. 4. จบั ทข่ี าหลอดนอี อนขาหนง่ึ แลว้ น�ำ ขาทเี่ หลอื ของหลอดไปแตะทข่ี อบถาดดา้ นบน สงั เกตผล 5. จับหลอดดูดเพื่อยกถาดให้ข้ึนจากแผ่นใส และน�ำ ขาหลอดนอี อนไปแตะทถ่ี าดอกี ครง้ั หนง่ึ สังเกตผล ค. สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 245 แนวค�ำ ตอบค�ำ ถามทา้ ยกจิ กรรม □ หลอดนอี อนสว่างไดอ้ ย่างไร แนวค�ำ ตอบ หลอดนอี อนสวา่ งไดเ้ พราะมปี ระจไุ ฟฟา้ เคลอ่ื นทจ่ี ากถาดอะลมู เิ นยี มไปยงั หลอดไฟ ท�ำ ใหม้ ีการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้า และเปล่ียนพลงั งานไฟฟา้ เป็นพลงั งานแสง จากการอภปิ รายควรสรปุ ไดว้ า่ ประจไุ ฟฟา้ ทเ่ี คลอื่ นทส่ี ามารถน�ำ พลงั งานไปถา่ ยโอนใหก้ บั เครอ่ื งใชไ้ ฟฟา้ ได้ ดังจะเหน็ ได้จากกิจกรรมหรอื จากการทำ�งานของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ ในชวี ติ ประจ�ำ วนั เช่น หลอดไฟ โทรศัพท์เคลอื่ นที่ คอมพิวเตอร์ นาฬกิ า จากนั้น ครูตั้งคำ�ถามว่า ประจุไฟฟ้าเคลื่อนท่ีได้อย่างไร และมีความสัมพันธ์กับพลังงานไฟฟ้าอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นกั เรยี นแสดงความคดิ เหน็ อย่างอสิ ระ ไม่คาดหวังคำ�ตอบทีถ่ ูกต้อง 14.1.1 กระแสไฟฟา้ ในตวั น�ำ ความเขา้ ใจคลาดเคลือ่ นท่อี าจเกดิ ขน้ึ ความเข้าใจคลาดเคลอ่ื น แนวคดิ ท่ถี กู ตอ้ ง 1. กระแสไฟฟ้าคือกระแสของพลงั งานไฟฟ้า 1. กระแสไฟฟา้ เป็นการเคลอ่ื นที่ของของอนุภาค ท่มี ปี ระจไุ ฟฟ้า ซ่งึ นำ�พลังงานไฟฟ้าไปถา่ ยโอน ให้กับเคร่ืองใชห้ รอื อุปกรณ์ไฟฟา้ 2. กระแสไฟฟา้ เกดิ ขึน้ ไดใ้ นตวั น�ำ โลหะเท่าน้นั 2. กระแสไฟฟ้าเกิดขนึ้ ไดใ้ นตวั กลางต่าง ๆ เช่น โลหะ อเิ ล็กโทรไลต์ แกส๊ ในบางสภาวะ สารกึ่งตัวน�ำ รวมท้งั สุญญากาศ 3. กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นได้เมื่อมีการเคลื่อนที่ของ 3.กระแสไฟฟ้าเกิดข้ึนได้เมื่อมีการเคล่ือนท่ีของ อนภุ าคทม่ี ปี ระจบุ วกหรอื ลบ ชนดิ ใดชนดิ หนง่ึ อนุภาคที่มปี ระจุบวก หรอื ลบ หรอื ทัง้ สองชนิด เท่านัน้ พรอ้ มกัน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

246 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 ความเขา้ ใจคลาดเคล่ือน แนวคดิ ทถี่ ูกตอ้ ง 4. เมอ่ื มสี นามไฟฟา้ ในตวั น�ำ ทเ่ี ปน็ โลหะการเคลอ่ื นท่ี 4. เมอ่ื มีสนามไฟฟา้ ในตวั นำ�โลหะ การเคล่ือนท่ี ของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระในตวั น�ำ เปน็ แนวตรงตลอด ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำ� มีทิศทางไม่ เส้นทางการเคลื่อนที่ แน่นอน โดยมีความเร็วเฉลี่ยในทิศทาง ตรงข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้า ซึ่งเป็น ทศิ ทางเดยี วกบั ทศิ ทางของแรงไฟฟา้ ทก่ี ระท�ำ ต่ออเิ ลก็ ตรอน 5. กระแสไฟฟ้ามที ศิ ทาง แสดงว่า กระแสไฟฟา้ 5. กระแสไฟฟ้าเปน็ ปริมาณสเกลาร์ การกำ�หนด เป็นปรมิ าณเวกเตอร์ ทิศทางของกระแสไฟฟ้าเป็นการบอกทิศทาง การเคล่อื นทข่ี องกระแสไฟฟา้ ในวงจรไฟฟา้ 6. กระแสไฟฟ้าทำ�ให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ 6. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำ� ในตัวน�ำ โลหะ โลหะทำ�ให้เกิดกระแสไฟฟ้า นั่นคือ ทั้งสอง อย่างเกิดข้นึ พร้อมกัน 7. กระแสไฟฟ้าเรม่ิ เคล่อื นทจ่ี ากจดุ หนง่ึ ในวงจร 7. กระแสไฟฟ้าเร่ิมเกดิ ขนึ้ พรอ้ มกนั ทัง้ วงจร เมื่อ ไปตามตัวน�ำ จนถึงเคร่อื งใช้ไฟฟ้า มสี นามไฟฟ้าเกิดข้นึ ในตัวน�ำ แนวการจดั การเรียนรู้ ครูช้ีแจงจุดประสงค์การเรยี นรขู้ ้อท่ี 1 ของหวั ข้อ 14.1 ตามหนงั สือเรยี น ครูให้นักเรียนศึกษาเก่ียวกับความหมายของการนำ�ไฟฟ้า ตัวนำ�ไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระในตัวนำ� ท่เี ป็นโลหะ และแหล่งกำ�เนิดไฟฟา้ ในหนงั สอื เรยี น แลว้ ใหน้ กั เรยี นนำ�เสนอ โดยครสู ะทอ้ นผลการน�ำ เสนอ และตง้ั ค�ำ ถามใหม้ กี ารอภปิ รายสว่ นทน่ี กั เรยี นยงั ไมเ่ ขา้ ใจเพม่ิ เตมิ จนไดข้ อ้ สรปุ วา่ “กระแสไฟฟา้ ในตวั น�ำ ไฟฟา้ เกิดจากการเคล่ือนท่ีของอนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้าท่ีทำ�ให้มีประจุไฟฟ้าลัพธ์ผ่านตำ�แหน่งใดตำ�แหน่งหน่ึง ซึ่งอนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้าในตัวนำ�จะเคลื่อนที่ตามแรงลัพธ์ท่ีกระทำ�เนื่องจากมีสนามไฟฟ้าที่เกิดข้ึนจาก ความต่างศกั ย์ระหว่างจุด 2 จุดในตวั นำ�” สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 4 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส 247 ครคู วรเนน้ ว่า กระแสไฟฟา้ เกิดขึ้นได้ท้ังในกรณที มี่ ีประจุลบหรอื ประจุบวก หรือ ประจุทั้งสองชนิด เคลอ่ื นที่ ครอู าจใชต้ วั อยา่ งท่ีเป็นรูปธรรม เช่นการไหลของน�้ำ ในสายยางที่มีน้�ำ อยูเ่ ตม็ ตลอดสาย เพ่ือ เชอ่ื มโยงไปสู่การอธบิ ายการเคลอื่ นทข่ี องอนภุ าคท่มี ปี ระจุไฟฟา้ จากตำ�แหน่งท่มี ีศักยไ์ ฟฟ้าตา่ งกนั ดงั นี้ ในสายยางที่มีน้ำ�อยู่เต็มและระดับปลายสายเสมอกัน ดังรูป 14.1 ก. นำ้�จะไม่ไหล เปรียบได้กับ จดุ 2 จดุ ของตวั น�ำ ทม่ี ศี กั ยไ์ ฟฟา้ เทา่ กนั หรอื ไมม่ คี วามตา่ งศกั ย์ จงึ ไมม่ กี ารเคลอ่ื นทข่ี องอนภุ าคทม่ี ปี ระจไุ ฟฟา้ น่ันคือ ไม่มีกระแสไฟฟ้า แต่ถ้ามีการยกปลายสายยางด้านหน่ึงให้ยกสูงข้ึน ทำ�ให้ปลายท้ังสองมีพลังงาน ศกั ยโ์ นม้ ถว่ งตา่ งกนั ดงั รปู 14.1 ข. น�ำ้ จะไหลจากปลายดา้ นทม่ี พี ลงั งานศกั ยส์ งู กวา่ ไปยงั ปลายทม่ี พี ลงั งานศกั ย์ ต�่ำ กวา่ เปรยี บไดก้ บั ปลายของตวั น�ำ ทถ่ี กู ท�ำ ใหม้ ศี กั ยไ์ ฟฟา้ ตา่ งกนั หรอื มคี วามตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งปลายทง้ั สอง อนภุ าคท่มี ปี ระจุไฟฟา้ ในตัวน�ำ จะเคลอ่ื นท่ีจากปลายดา้ นหนึ่งไปยังปลายอกี ดา้ นหน่ึง รปู 14.1 ก. สายยางทมี่ ีปลายเสมอกัน นำ้�จะไมไ่ หลออกจากสายยาง ข. สายยางทม่ี ีปลายดา้ นหนงึ่ ยกสงู ขึ้น ทำ�ให้มนี ้ำ�ไหลออกท่ปี ลายอกี ดา้ น ความรูเ้ พม่ิ เตมิ ส�ำ หรบั ครู เราไดศ้ กึ ษาการน�ำ ไฟฟา้ ในตวั น�ำ โลหะ นอกจากน้ี ยงั มกี ารน�ำ ไฟฟา้ ในตวั กลางตา่ ง ๆ ดงั ตอ่ ไปน้ี การน�ำ ไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ หลอดสุญญากาศเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยุคแรก ๆ หลอดสุญญากาศมีหลายแบบ เช่น หลอดไดโอด หลอดโฟโตอิเล็กทริก เมื่อต่อแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้ากระแสตรงกับขั้วแอโนดและ แคโทดของหลอดไดโอด ดงั รปู ก. โดยใหศ้ กั ย์ไฟฟา้ ที่ขัว้ แอโนดสูงกว่าแคโทด แรงเน่ืองจากสนาม ไฟฟ้าจะทำ�ให้อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากแคโทดเน่ืองจากถูกทำ�ให้ร้อนเคล่ือนท่ีผ่านสุญญากาศ ไปแอโนด จึงมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น ปัจจุบันมีการใช้หลอดไดโอดน้อย เนื่องจากมีเทคโนโลยี ทางอเิ ล็กทรอนิกส์แบบใหมท่ ่มี ีคุณภาพดกี ว่า สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

248 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟิสิกส์ เล่ม 4 หลอดโฟโตอเิ ล็กทรกิ เป็นหลอดสญุ ญากาศทมี่ ี 2 ข้วั คือขวั้ แอโนดและแคโทด ดงั รปู ข. เมอ่ื ตอ่ แหล่งกำ�เนดิ ไฟฟ้ากระแสตรงกบั ขว้ั แอโนดและแคโทด โดยให้ศักยไ์ ฟฟ้าทีข่ ้ัวแอโนดสงู กวา่ แคโทด แรงเนือ่ งจากสนามไฟฟา้ จะทำ�ให้อิเลก็ ตรอนท่ีหลุดจากแคโทดเน่อื งจากมีแสงตกกระทบ เคลอื่ นทผี่ า่ นสญุ ญากาศไปยงั แอโนดจงึ มกี ระแสไฟฟา้ เกดิ ขนึ้ ในอดตี มกี ารใชห้ ลอดโฟโตอเิ ลก็ ทรกิ เปน็ สว่ นประกอบของเคร่ืองฉายภาพยนตร์ ซ่ึงปจั จุบัน มีการใช้หลอดโฟโตอเิ ล็กทรกิ น้อยเชน่ เดียว กบั หลอดไดโอด สุญญากาศ หลอดสญุ ญากาศ แสง A แอโนด A C ไสห� ลอด FC แคโทด - + แอโนด แคโทด F สญั ลักษณ�ของหลอดไดโอด รูป ก. หลอดไดโอด รูป ข. หลอดโฟโตอเิ ล็กทริก การน�ำ ไฟฟา้ ในอเิ ลก็ โทรไลต์ อเิ ลก็ โทรไลตเ์ ปน็ สารละลายทส่ี ามารถน�ำ ไฟฟา้ ได้ ซงึ่ อาจเปน็ สารละลายของกรด เบส หรอื เกลอื ตวั อยา่ งเชน่ สารละลายก�ำ มะถนั สารละลายเบสโซเดยี มไฮดรอกไซด์ และสารละลายเกลอื คอปเปอรซ์ ลั เฟต เปน็ ตน้ โดยกระแสไฟฟา้ ในสารละลายเกดิ จากการเคลอื่ นทข่ี องไอออนทเ่ี กดิ จาก การแตกตวั ของกรด เบส หรอื เกลอื การน�ำ ไฟฟา้ ในอเิ ลก็ โทรไลต์ ท�ำ ใหเ้ กดิ ขนึ้ ไดโ้ ดยจมุ่ แผน่ โลหะ 2 แผ่นลงในอิเล็กโทรไลต์ แล้วต่อเข้ากบั ข้วั ของแบตเตอร่ี โดยมแี อมมิเตอร์เพ่ือวดั กระแสไฟฟ้าใน วงจรด้วยดังรูป ค. จะพบว่าเข็มของแอมมิเตอร์เบนไปจากตำ�แหน่งเดิม แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้า ผ่านอิเล็กโทรไลต์ อเิ ลก็ โทรไลตเ์ ปน็ สว่ นประกอบส�ำ คญั ของแบตเตอร่ี การชบุ โลหะดว้ ยไฟฟา้ และการเคลอื บ สรี ถยนต์ แคโทด (-) แอโนด (+) A e- ขวั้ ไฟฟา� อิเลก็ โทรไลต� (มไี อออนบวกและไอออนลบ) รปู ค. การน�ำ ไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 249 การน�ำ ไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส แก๊สในภาวะปกติจะนำ�ไฟฟ้าและแตกตัวเป็นไอออนได้ยาก แต่ถ้าทำ�ให้แก๊สอยู่ในสภาวะ ความดันตำ่� (ตำ่�กว่าความดันบรรยากาศประมาณ 15 – 30 เท่า) และอยู่ในสนามไฟฟ้ามีค่าสูง จะแตกตวั เปน็ ไอออนไดง้ า่ ยและน�ำ ไฟฟา้ ในสภาวะดงั กลา่ ว จะมกี ารเคลอื่ นทขี่ องอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ และไอออนบวกซึ่งทำ�ให้เกิดกระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สท่ีมีสาเหตุมาจากการเคล่ือนที่ของ อเิ ล็กตรอนอสิ ระเป็นหลัก เน่ืองจากประจุบวกเคลื่อนท่ชี า้ กวา่ อเิ ล็กตรอนอสิ ระมาก ดงั รปู ง. หลอดบรรจุแกส๊ นิยมใช้ท�ำ หลอดโฆษณาสินค้า ปจั จุบนั มกี ารใชห้ ลอดแอลอดี ีแทน vav ประจุลบ vav ประจุบวก − + − + −− ++ − − แกส ในสภาวะความดนั ตำ่ แหลงกำเนิดไฟฟาความตา งศกั ยสงู รปู ง. การนำ�ไฟฟ้าในหลอดบรรจแุ ก๊ส การนำ�ไฟฟา้ ในสารกึ่งตัวน�ำ สารกึ่งตัวนำ�เปน็ สารทม่ี ีสมบตั ทิ างไฟฟา้ ระหว่างตัวนำ�และฉนวน เชน่ ซิลกิ อน เจอร์เมเนียม ซง่ึ เปน็ ธาตทุ ม่ี ีเวเลนซ์อิเลก็ ตรอน 4 ตวั โดยมีโครงสร้างเวเลนซ์อเิ ล็กตรอนแต่ละอะตอม ดงั รูป จ. ซง่ึ ไมม่ อี เิ ลก็ ตรอนอสิ ระทท่ี �ำ ใหเ้ กดิ การน�ำ ไฟฟา้ ได้ แตถ่ า้ มสี นามไฟฟา้ ทมี่ คี วามเขม้ มากพอผา่ นเขา้ ไป จะทำ�ให้อิเล็กตรอนบางตัวในพันธะ หลุดออกมากลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และเกิดท่ีว่างเรียกว่า โฮล ดังรูป ฉ. โฮลจะมีพฤติกรรมคล้ายประจุไฟฟ้าบวก แรงเน่ืองจากสนามไฟฟ้าท่ีกระทำ�ต่อ อิเล็กตรอนและโฮลจะมีทิศทางตรงข้ามกัน อิเล็กตรอนอิสระเคล่ือนที่ในทิศตรงกันข้ามกับสนาม ไฟฟา้ สว่ นโฮลเคลอื่ นทใ่ี นทศิ เดยี วกบั สนามไฟฟา้ ดงั นนั้ การน�ำ ไฟฟา้ ในสารกง่ึ ตวั น�ำ จงึ เกดิ จากการ เคลือ่ นทขี่ องอเิ ล็กตรอนอสิ ระและโฮล ทง้ั นี้ การเคลอ่ื นที่ของโฮลเกิดจากตำ�แหนง่ ทเี่ กดิ โฮลเปลี่ยน ไปในทศิ ทางตรงขา้ มกบั ทิศทางการเคลือ่ นทีข่ องอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ สารก่ึงตัวนำ�ใช้สำ�หรับสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไอซี ไมโครโปรเซสเซอร์ รวมท้งั เซลล์สุรยิ ะ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

250 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟิสกิ ส์ เล่ม 4 พันธะ อเิ ลก็ ตรอนวงนอก นวิ เคลียส Si Si Si Si โฮล อเิ ล็กตรอนอิสระ Si Si Si Si รูป จ. โครงสรา้ งของซิลกิ อน รูป ฉ. อเิ ลก็ ตรอนอิสระและโฮล ครูต้ังคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันว่า จากความเข้าใจเก่ียวกับกระแสไฟฟ้าท่ีได้ข้อสรุป ขา้ งตน้ นักเรยี นจะหาคา่ ของกระแสไฟฟ้าในตวั นำ�ได้อยา่ งไร โดยเปิดโอกาสให้นกั เรียนแสดงความคิดเห็น อย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบทถ่ี ูกตอ้ ง ครูนำ�นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับการหาค่าของกระแสไฟฟ้าตามรายละเอียดในหนังสือเรียน หนา้ 173 จนไดค้ วามสมั พนั ธ์ตามสมการ I = ∆Q = Nq ทัง้ น้ี อาจเปรียบเทยี บการหาคา่ ของกระแส ∆t ∆t ไฟฟา้ กบั การหาอตั ราการไหลของน�้ำ ในสายยาง หรอื การหาจ�ำ นวนลกู ปดั ในหลอดดดู หรอื จ�ำ นวนลกู แกว้ ในสายยางท่เี คลอ่ื นท่ีผา่ นตำ�แหน่งใดต�ำ แหน่งหน่งึ ในหนึง่ หน่วยเวลา ครคู วรเนน้ เกยี่ วกบั ทศิ ทางของกระแสไฟฟา้ เมอื่ เปรยี บเทยี บกบั ทศิ ทางของสนามไฟฟา้ และทศิ ทาง ของกระแสอิเล็กตรอนในตัวนำ� ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน และควรเน้นด้วยว่า กระแสไฟฟ้าเป็น ปริมาณสเกลาร์ แต่ต้องกำ�หนดทิศทางเป็นการบอกทิศทางการเคล่ือนท่ีของกระแสไฟฟ้าในวงจร ท้ังน้ี ครอู าจให้นกั เรียนศกึ ษาเพ่มิ เติมเกีย่ วกบั อองเตร-มารี แอมแปร์ นอกเวลาเรยี น ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาตวั อยา่ ง 14.1 โดยมคี รเู ปน็ ผแู้ นะน�ำ จากนน้ั ตรวจสอบความเขา้ ใจนกั เรยี นโดย ใหน้ กั เรยี นตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจ 14.1 เฉพาะขอ้ ทเ่ี กยี่ วขอ้ งกบั กระแสไฟฟา้ ในตวั น�ำ ทงั้ นอี้ าจ มกี ารเฉลยคำ�ตอบและอภปิ รายค�ำ ตอบร่วมกัน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 4 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส 251 14.1.2 กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ� ความเขา้ ใจคลาดเคลอื่ นทีอ่ าจเกิดขน้ึ ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื น แนวคดิ ท่ถี กู ต้อง 1. อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่เคล่ือนที่ในสายไฟ 1. อนุภาคท่ีมีประจุไฟฟ้าท่ีเคล่ือนท่ีในสายไฟ เป็นอนภุ าคท่ีมีประจบุ วก เปน็ อนภุ าคท่มี ีประจลุ บ นนั่ คอื อเิ ล็กตรอน 2. การเปดิ สวติ ซแ์ ลว้ อปุ กรณท์ �ำ งานทนั ที แสดงวา่ 2. ขณะเกิดกระแสไฟฟ้า อิเล็กตรอนในสายไฟ อิเล็กตรอนในสายไฟ เคล่ือนท่ีด้วยความเร็ว เคลอื่ นทด่ี ว้ ยความเรว็ ทนี่ อ้ ยกวา่ ความเรว็ ของ สงู มาก วัตถุท่ัวไปในชีวิตประจำ�วัน เรียกความเร็ว ดังกล่าวว่า ความเร็วลอยเล่ือน สาเหตุท่ี เคร่ืองใช้ไฟฟ้าทำ�งานได้ทันที เพราะกระแส ไฟฟา้ เกดิ ขนึ้ พรอ้ มกนั ทงั้ วงจร 3. ก ร ะ แสไ ฟ ฟ้ า มี ทิ ศ ท า ง เ ดี ย ว กั บ ทิ ศ ท า ง 3. กระแสไฟฟา้ มที ิศทางตรงข้ามกบั ทิศทางของ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ ความเร็วลอยเลื่อนของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ สิ่งท่ีครตู อ้ งเตรียมลว่ งหน้า ถ้ามีการแสดงวีดิทัศน์หรือสาธิตการถ่ายโอนพลังงานของอิเล็กตรอนอิสระในลวดตัวนำ� ให้เตรียม วดี ิทัศน์ วัสดุและอุปกรณ์ส�ำ หรบั การสาธิต ไดแ้ ก่ ลูกแกว้ ใสใ่ นท่อใสใหเ้ ต็มท่อ หรือ ลูกปดั ใส่ในหลอดดูดใส ใหเ้ ตม็ หลอด แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชแ้ี จงจดุ ประสงคก์ ารเรยี นรขู้ อ้ ที่ 2 และ 3 ของหัวขอ้ 14.1 ตามหนังสอื เรยี น จากนั้น ครูนำ�เข้า สู่หัวข้อ 14.1.2 โดยต้ังคำ�ถามว่า จากความรู้เกี่ยวกับกระแสไฟฟ้าท่ีได้เรียนมาในหัวข้อ 14.1.1 ถ้า ตวั น�ำ ไฟฟา้ มลี กั ษณะเสน้ ยาวทรงกระบอก เชน่ ลวดทองแดงในสายไฟ คา่ ของกระแสไฟฟา้ จะเกย่ี วขอ้ งกบั ปรมิ าณใดบา้ ง โดยครูเปิดโอกาสให้นกั เรยี นแสดงความคิดเหน็ อย่างอสิ ระ ไม่คาดหวังค�ำ ตอบทถ่ี กู ต้อง ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ�ในหัวข้อ 14.1.2 ในหนังสือเรียน แล้วให้ นักเรียนนำ�เสนอ โดยครูสะท้อนผลการนำ�เสนอและตั้งคำ�ถามให้มีการอภิปรายส่วนท่ีนักเรียนยังไม่เข้าใจ เพิ่มเติม จนได้ข้อสรุปเกี่ยวกับทิศทางของกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ� ความเร็วลอยเล่ือนของอิเล็กตรอน อสิ ระ และ สมการ 14.1 ทัง้ นี้ ครอู าจถามคำ�ถามชวนคิดในหน้า 176 ระหวา่ งการอภิปราย สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

252 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ กิ ส์ เล่ม 4 แนวคำ�ตอบชวนคดิ เมอื่ อเิ ลก็ ตรอนเคล่ือนท่ีในลวดตวั น�ำ แลว้ ทำ�ให้เกดิ กระแสไฟฟา้ จ�ำ นวนอิเล็กตรอนในลวดตัวนำ�จะ ลดลงหรือไม่ แนวคำ�ตอบ อิเล็กตรอนในลวดตัวนำ�มีจำ�นวนเท่าเดิม เพราะเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกจาก ตำ�แหนง่ ใดตำ�แหน่งหน่งึ ในวงจร จะมีอิเลก็ ตรอนทีอ่ ยู่ถดั ไปเขา้ มาแทนที่ ครูให้นักเรียนศึกษาตาราง 14.1 จากน้ัน ครูถามคำ�ถามให้นักเรียนอภิปรายเก่ียวกับขนาดของ ความเรว็ ลอยเลอ่ื นของอเิ ลก็ ตรอนในลวดตวั น�ำ เมอ่ื เปรยี บเทยี บกบั ขนาดความเรว็ ของวตั ถทุ ว่ั ไปทเ่ี คลอ่ื นทใ่ี น ชวี ติ ประจ�ำ วนั โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคดิ เหน็ อยา่ งอสิ ระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบทถ่ี กู ตอ้ ง ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 14.2 โดยมีครูเป็นผู้แนะนำ� จากนั้น ร่วมกันอภิปรายโดยให้นักเรียน เปรยี บเทยี บค�ำ ตอบของตวั อยา่ ง 14.2 กบั ขนาดความเรว็ ของวตั ถตุ า่ ง ๆ ทน่ี กั เรยี นคนุ้ เคย เชน่ รถจกั รยานยนต์ รถยนต์ จนไดข้ อ้ สรปุ วา่ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระในลวดตวั น�ำ มคี วามเรว็ ทช่ี า้ กวา่ ปกตมิ าก ครอู าจถามค�ำ ถามชวนคดิ ในหนา้ 179 ใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั โดยครเู ปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดง ความคดิ เหน็ อยา่ งอสิ ระ ไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบทถ่ี กู ตอ้ ง แนวค�ำ ตอบชวนคิด ขณะมกี ระแสไฟฟา้ ในสายไฟ อเิ ลก็ ตรอนในสายไฟมกี ารเคลอ่ื นทด่ี ว้ ยความเรว็ ลอยเลอ่ื น ซง่ึ คอ่ นขา้ ง ช้ามากเม่ือเทียบกับการเคลื่อนท่ีของวัตถุต่าง ๆ ท่ัวไปในชีวิตประจำ�วัน เหตุใดเม่ือเปิดสวิตช์แล้ว หลอดไฟซงึ่ อยู่ไกลจากสวิตซจ์ ึงสว่างทันที แนวคำ�ตอบ อเิ ลก็ ตรอนในสายไฟมอี ยูท่ ่วั ตลอดทัง้ เสน้ ตัง้ แต่บริเวณปลายท่ีต่อกับสวิตซไ์ ฟจนถึง ปลายที่ต่อกับหลอดไฟ เมอื่ เปิดสวติ ซไ์ ฟแล้ว จะท�ำ ให้เกดิ ความต่างศกั ย์ ซึง่ ท�ำ ใหเ้ กดิ กระแสไฟฟ้า พร้อมกันท้ังวงจร กล่าวคือ อิเล็กตรอนตัวที่อยู่ปลายท่ีต่อกับหลอดไฟเคลื่อนท่ีผ่านหลอดไฟทันที พรอ้ มกบั ถา่ ยโอนพลงั งานใหก้ ับหลอดไฟ หลอดไฟจึงสว่างทันทที เ่ี ปิดสวติ ซ์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 4 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส 253 ในการอธบิ ายแนวค�ำ ตอบชวนคดิ หนา้ 179 ครอู าจใชก้ ารสาธติ หรอื แสดงคลปิ วดี ทิ ศั นแ์ บบจ�ำ ลอง การถา่ ยโอนพลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระในลวด ตวั น�ำ ประกอบ ตวั อยา่ งเชน่ น�ำ ลกู แกว้ ใสใ่ นทอ่ ใส (หรือ ลูกปัดในหลอดดูดใส) จนเต็มตลอดความยาวของท่อใส แล้วบอกนักเรียนว่า ให้ลูกแก้วแต่ละลูกแทน อิเลก็ ตรอน สว่ นทอ่ ใสแทนลวดตวั นำ� จากน้ัน เพิม่ ลกู แก้วในทอ่ ท่ีปลายของทอ่ ดา้ นใดด้านหน่งึ ให้นกั เรียน สงั เกตการขยบั ของลกู แกว้ ภายในทอ่ ซงึ่ พบวา่ ลกู แกว้ ทกุ ลกู ในทอ่ ขยบั พรอ้ มกนั จนถงึ ปลายทอ่ อกี ดา้ นหนง่ึ ทำ�ให้ลูกแก้วบริเวณปลายอีกด้านหน่ึงหลุดออกจากท่อ ชี้ให้นักเรียนเห็นว่า ลูกแก้วแต่ละลูกในท่อมี การเคลอื่ นทดี่ ว้ ยระยะเพยี งเลก็ นอ้ ย แตพ่ ลงั งานทถี่ า่ ยโอนจากลกู แกว้ ทเ่ี พม่ิ ขน้ึ มา สง่ ผลอยา่ งรวดเรว็ เชน่ เดียวกับอเิ ล็กตรอนอสิ ระในลวดตัวน�ำ ถงึ แมจ้ ะเคลื่อนท่ไี ด้เพียงเลก็ น้อย แต่ผลจากความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ ง ปลายของลวดตัวน�ำ ท�ำ ให้พลังงานมีการถา่ ยโอนไปอย่างรวดเรว็ ทงั้ น้ี ครอู าจชใ้ี หเ้ หน็ ความความแตกตา่ งระหวา่ งแบบจ�ำ ลองดงั กลา่ ว กบั การเคลอ่ื นทขี่ องอเิ ลก็ ตรอน ในตวั น�ำ เชน่ อเิ ลก็ ตรอนไมไ่ ดเ้ คลอื่ นทใี่ นแนวตรงเหมอื นลกู แกว้ อเิ ลก็ ตรอนเคลอ่ื นทดี่ ว้ ยแรงไมส่ มั ผสั และ ความเรว็ ในการเคลอ่ื นทีเ่ ปน็ ค่าเฉลย่ี ส่วนลกู แก้วเคลื่อนทด่ี ว้ ยแรงสัมผัส ครูนำ�นักเรียนอภิปรายเพิ่มเติมเก่ียวกับชนิดของกระแสไฟฟ้า และเหตุผลท่ีเร่ิมต้นศึกษา ไฟฟ้ากระแสตรง ตามรายละเอียดในหนังสือเรียนหน้า 179 จากนั้น ให้นักเรียนตอบคำ�ถามตรวจสอบ ความเข้าใจและทำ�แบบฝึกหัด 14.1 โดยเลือกเฉพาะข้อที่เก่ียวข้องกับกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ� ท้ังนี้ อาจมีการเฉลยคำ�ตอบและอภิปรายคำ�ตอบร่วมกนั แนวการวดั และประเมนิ ผล 1. ความรู้เกย่ี วกบั กระแสไฟฟ้าในตวั น�ำ จากคำ�ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและแบบฝกึ หัด 14.1 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เกีย่ วกับกระแสไฟฟา้ ในตัวนำ� ในแบบฝกึ หัด 14.1 3. จติ วทิ ยาศาสตรด์ า้ นความมเี หตผุ ล จากการอภปิ รายรว่ มกนั และดา้ นความรอบคอบจากการท�ำ แบบฝกึ หัด 14.1 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

254 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ กิ ส์ เล่ม 4 แนวค�ำ ตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 14.1 1. อะไรเป็นสาเหตทุ �ำ ให้เกดิ กระแสไฟฟา้ ในตวั น�ำ ไฟฟ้า แนวค�ำ ตอบ สาเหตทุ ่ีทำ�ใหเ้ กดิ กระแสไฟฟ้าในตัวนำ�ไฟฟา้ คือ ความต่างศกั ยไ์ ฟฟ้าระหวา่ ง จดุ สองจดุ ในตวั น�ำ ซง่ึ ท�ำ ใหม้ สี นามไฟฟา้ และแรงไฟฟา้ กระท�ำ ตอ่ อนภุ าคทม่ี ปี ระจไุ ฟฟา้ ใหเ้ คลอ่ื นท่ี โดยเฉลี่ยไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง โดยความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นอาจเนื่องมาจาก การตอ่ ปลายของตัวนำ�ไฟฟา้ กบั แหลง่ กำ�เนดิ ไฟฟา้ 2. กระแสไฟฟ้าในตวั น�ำ โลหะเกิดจากการเคลือ่ นท่ีของอะไร แนวคำ�ตอบ อิเลก็ ตรอนอสิ ระ 3. จากรูปการเคลื่อนท่ีของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า แบตเตอร่ี บวกและลบในสารละลายนำ�ไฟฟ้าท่ีต่อกับ แบตเตอร่ีด้วยสายไฟ แผนตัวนำ A แผนตวั นำ B ใหต้ อบคำ�ถามต่อไปน้ี ก. แผ่นตัวน�ำ ใดมีศกั ยไ์ ฟฟา้ สงู + แนวคำ�ตอบ แผน่ ตวั นำ� A เนื่องจากอนภุ าคท่มี ี − ประจไุ ฟฟา้ บวกเคลอ่ื นทจ่ี ากต�ำ แหนง่ ทมี่ ศี กั ยไ์ ฟฟา้ สงู ไปยงั ต�ำ แหนง่ ทม่ี ศี กั ยไ์ ฟฟา้ ต�ำ่ ดังนั้น จากรูป รูป ประกอบค�ำ ถามตรวจสอบ ประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนที่ออกจากแผ่นตัวนำ� ความเขา้ ใจ 14.1 ขอ้ 3 A แผ่นนี้จึงเป็นแผ่นที่มีศักย์ไฟฟา้ สูง ข. กระแสไฟฟ้าในสารละลายมีทิศทางจากแผน่ ตัวนำ�ใดไปแผน่ ตวั น�ำ ใด แนวค�ำ ตอบ กระแสไฟฟ้าในสารละลายมีทิศทางจากแผ่นตัวนำ� A ไปแผ่นตัวนำ� B เนอื่ งจาก กระแสไฟฟา้ มที ิศทางเดียวกบั ทิศทางการเคลื่อนที่ของประจบุ วก ค. อเิ ลก็ ตรอนอิสระในสายไฟมีทศิ ทางจากสายไฟทต่ี อ่ กับแผน่ ตวั นำ�ใดไปแผ่นตัวนำ�ใด แนวคำ�ตอบ อิเล็กตรอนอิสระในสายไฟมีทิศทางจากสายไฟที่ต่อกับแผ่นตัวนำ� A ไปยัง แผ่นตัวนำ� B เน่อื งจากในสารละลาย อิเล็กตรอนเคล่อื นท่จี ากแผ่นตัวนำ� B ไปแผ่นตัวนำ� A ดังน้นั ในสายไฟ อิเล็กตรอนจะเคล่อื นท่ตี ่อ ผ่านสายไฟท่ตี ่อกับแผ่นตัวนำ� A ผ่านแบตเตอร่ี ไปยังแผน่ ตัวนำ� B สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 255 4. ความเร็วลอยเลื่อนคืออะไร มีค่ามากหรือน้อยเม่ือเทียบกับการเคล่ือนของวัตถุทั่ว ๆ ไปใน ชวี ติ ประจำ�วัน แนวคำ�ตอบ ความเร็วลอยเล่ือนคือ ความเร็วเฉล่ียของอิเล็กตรอนอิสระ หรือ อนุภาคท่ีมี ประจไุ ฟฟา้ ทเ่ี คลอ่ื นทใี่ นตวั น�ำ เนอ่ื งจากสนามไฟฟา้ ซงึ่ มคี า่ นอ้ ยมากเมอ่ื เทยี บกบั ขนาดความเรว็ ของวตั ถุทเ่ี คล่ือนที่ทว่ั ๆ ไปในชีวติ ประจ�ำ วนั เฉลยแบบฝกึ หดั 14.1 1. ลวดตวั น�ำ มพี นื้ ทหี่ นา้ ตดั 3 ตารางมลิ ลเิ มตร ถา้ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระในลวดตวั น�ำ เคลอ่ื นทจี่ นกระทง่ั ทำ�ให้มีประจุไฟฟ้าลัพธ์ขนาด 0.05 คูลอมบ์ ผ่านพื้นท่ีหน้าตัดในเวลา 10 วินาที จะมี กระแสไฟฟ้าในลวดตัวน�ำ ขนาดเท่าใด วิธีทำ� กระแสไฟฟ้าในตัวนำ�หาได้จากปริมาณประจุไฟฟ้าท่ีผ่านพ้ืนท่ีหน้าตัดของตัวนำ�นั้น ในหนึง่ หนว่ ยเวลา ดงั สมการ I = Q ∆t แทนค่า จะได ้ I = 0.05 C 10 s = 0.005 A = 5 mA ตอบ มกี ระแสไฟฟา้ ในลวดตวั นำ� 5 มลิ ลแิ อมแปร์ 2. ลวดตัวนำ�มีพ้ืนท่ีหน้าตัด 1.0 ตารางมิลลิเมตร มีกระแสไฟฟ้า 0.5 แอมแปร์ โดยโลหะที่ใช้ ท�ำ ลวดตวั น�ำ นม้ี จี �ำ นวนอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ 4.0 × 1028 ตอ่ ลกู บาศกเ์ มตร จงหาความเรว็ ลอยเลอื่ น ของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ วิธีท�ำ กระแสไฟฟา้ ในลวดตวั น�ำ หาไดจ้ ากความหนาแนน่ ของอเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ (n) ประจไุ ฟฟา้ ของอิเล็กตรอน (e) ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอน (vd) และพื้นท่ีหน้าตัดของลวด ตวั นำ� (A) ดังสมการ I = nevdA ดงั นั้น ความเรว็ ลอยเลอื่ นของอิเลก็ ตรอนอสิ ระหาไดจ้ ากสมการ vd = I ne A สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

256 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟิสิกส์ เล่ม 4 แทนค่า จะได้ vd = 0.5 A (4.0 ×1028 m−3 )(1.6 ×10−19 C)(1.0 ×10−6 m2 ) = 0.0781×10−3 m/s = 7.81×10−5 m/s ตอบ ขนาดความเร็วลอยเลอ่ื นของอิเลก็ ตรอนอิสระในลวดตวั นำ�น้ีเท่ากับ 7.81 × 10-5 เมตรตอ่ วนิ าที 3. ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 1.25 แอมแปร์ ในเส้นลวดโลหะเส้นหน่ึง ประจุไฟฟ้าท้ังหมดท่ีผ่านพื้นที่ หนา้ ตดั ของเส้นลวดโลหะเสน้ นั้นในเวลา 5.0 นาที จะมคี ่าเทา่ ใด วิธที �ำ กระแสไฟฟ้าในตัวนำ�หาได้จากปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพ้ืนที่หน้าตัดของตัวนำ�นั้น ในหนงึ่ หนว่ ยเวลา ดังสมการ I = Q ∆t จัดรปู สมการเพอ่ื หาปริมาณประจุไฟฟา้ ไดเ้ ป็น Q = I ∆t แทนคา่ จะได้ Q (1 25A) (5 0 60 s) 375 C ตอบ ประจไุ ฟฟา้ ทง้ั หมดท่ีผา่ นพ้นื ทหี่ น้าตัดของเส้นลวดโลหะเทา่ กับ 375 คลู อมบ์ 14.2 ความสมั พันธ์ระหวา่ งกระแสไฟฟา้ กับความตา่ งศกั ย์ จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. ทดลองเพ่ืออภิปรายและสรุปกฎของโอห์ม รวมทั้งนำ�ความเข้าใจเกี่ยวกับกฎของโอห์มไปคำ�นวณ ปรมิ าณต่าง ๆ ทีเ่ กีย่ วขอ้ ง 2. บอกความหมายของความต้านทาน สภาพต้านทาน และสภาพนำ�ไฟฟา้ 3. อธบิ ายความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา้ นทานกบั ความยาว พน้ื ทห่ี นา้ ตดั และสภาพตา้ นทานของตวั น�ำ โลหะทอ่ี ณุ หภูมิคงตัว รวมทงั้ ค�ำ นวณปริมาณต่าง ๆ ท่ีเก่ยี วขอ้ ง 4. อ่านความตา้ นทานของตัวตา้ นทานจากแถบสบี นตัวต้านทาน 5. คำ�นวณความต้านทานสมมลู เมอื่ น�ำ ตัวตา้ นทานมาต่อกันแบบอนุกรมและแบบขนาน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 257 สิ่งทค่ี รูต้องเตรยี มลว่ งหนา้ 1. วัสดแุ ละอปุ กรณส์ ำ�หรบั การสาธติ ดงั นี้ - แบตเตอรข่ี นาด 1.5 โวลต์ จ�ำ นวน 4 ก้อนพร้อมกระบะ 1 ชุด - หลอดไฟ - สายไฟพรอ้ มปากหนบี 2 เส้น - วัตถุทท่ี �ำ จากโลหะ เช่น ชอ้ นอะลูมเิ นียม แผน่ ทองแดง ลวดเหล็ก ลวดนิโครม กอ่ นเขา้ สหู่ วั ขอ้ 14.2 ครอู าจสาธติ การเปลยี่ นจ�ำ นวนแบตเตอรท่ี ต่ี อ่ อนกุ รมกนั และตอ่ กบั หลอดไฟ และ สาธิตการเปลี่ยนสายไฟที่ต่อระหว่างแบตเตอร่ีกับหลอดไฟเป็นตัวนำ�โลหะชนิดอื่น เช่น ช้อนอะลูมิเนียม แผ่นทองแดง ลวดเหลก็ หรือ ลวดนิโครม แลว้ ตงั้ ค�ำ ถามใหน้ ักเรียนอภปิ รายร่วมกัน ดงั น้ี ● สำ�หรบั วงจรไฟฟ้าทมี่ ชี ุดแบตเตอรต่ี ่อกบั หลอดไฟ เมอ่ื เพิม่ หรือลดจำ�นวนแบตเตอรี่ หลอดไฟจะให้ ความสว่างแตกตา่ งกันหรอื ไม่ เพราะเหตใุ ด ● สำ�หรับวงจรไฟฟ้าที่กำ�หนดให้จำ�นวนแบตเตอรี่เท่าเดิม ถ้าเปล่ียนสายไฟเป็นตัวนำ�โลหะชนิดอ่ืน กระแสไฟฟ้าท่ีผา่ นหลอดไฟเปลีย่ นแปลงหรอื ไม่ เพราะเหตใุ ด ครูเปิดโอกาสใหน้ ักเรยี นแสดงความคิดเห็นอย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวังค�ำ ตอบท่ีถกู ต้อง จากน้นั ครูนำ�เขา้ สู่ หัวขอ้ 14.2.1 โดยใชค้ �ำ ถามวา่ จำ�นวนแบตเตอร่มี คี วามสัมพนั ธก์ ับกระแสไฟฟา้ ในลวดตัวน�ำ อยา่ งไร และ ชนดิ ของวัสดุท่ใี ชท้ �ำ ลวดตัวน�ำ ส่งผลอยา่ งไรกบั กระแสไฟฟ้าในวงจร 14.2.1 กฎของโอห์มและความตา้ นทาน ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื นทีอ่ าจเกดิ ขึน้ ความเข้าใจคลาดเคลอ่ื น แนวคิดท่ีถกู ต้อง 1. ตัวนำ�ไฟฟ้าทุกชนิดมีความต้านทานเป็นไป 1. ตัวนำ�ไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิด ตามกฎของโอหม์ มีความต้านทานไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม เช่น อเิ ล็กโทรไลต์ สารกึ่งตัวนำ� หลอดไดโอด หลอดฟลอู อเรสเซนต์ 2. ความต้านทานของวัตถุช้นิ หน่งึ ๆ มีค่าคงตัว 2. ความตา้ นทานของวตั ถชุ น้ิ หนง่ึ ๆ มคี า่ เปลย่ี นไป เสมอ เมอ่ื อณุ หภูมิเปลี่ยนไป สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

258 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 สิ่งที่ครตู อ้ งเตรียมลว่ งหน้า 1. วสั ดุและอปุ กรณส์ �ำ หรบั กจิ กรรม 14.1 แนวการจัดการเรยี นรู้ ครชู ี้แจงจดุ ประสงคก์ ารเรียนร้ขู อ้ ที่ 4 ของหวั ขอ้ 14.2 ตามหนงั สือเรยี น จากนั้น ครูอาจสาธิตการวัดความต่างศักย์ระหว่างข้ัวแบตเตอรี่ 1 2 3 และ 4 ก้อนท่ีต่อกัน แบบอนกุ รมอยใู่ นกระบะ โดยใชโ้ วลตม์ เิ ตอร์ ใหน้ กั เรยี นสงั เกตความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั แบตเตอรท่ี เ่ี ปลย่ี นไป แลว้ นำ�นกั เรียนอภิปราย จนสรปุ ได้วา่ ความตา่ งศักยร์ ะหวา่ งขัว้ แบตเตอรีเ่ ปล่ยี นไป สง่ ผลให้กระแสไฟฟ้า ทผ่ี า่ นหลอดไฟเปลย่ี นแปลง จากนน้ั ตง้ั ค�ำ ถามวา่ กระแสไฟฟา้ ทผ่ี า่ นหลอดไฟมคี วามสมั พนั ธก์ บั ความตา่ งศกั ย์ ระหว่างปลายของหลอดไฟอยา่ งไร โดยครูเปดิ โอกาสให้นักเรยี นแสดงความคิดเหน็ อย่างอสิ ระ ไมค่ าดหวงั คำ�ตอบทีถ่ กู ต้อง และให้นกั เรียนหาคำ�ตอบจากการท�ำ กจิ กรรม 14.1 กจิ กรรม 14.1 การทดลองเรื่องกฎของโอห์ม จุดประสงค์ เพือ่ ศึกษาความสัมพนั ธร์ ะหว่างกระแสไฟฟา้ ทผ่ี า่ นลวดตวั น�ำ กบั ความต่างศกั ยร์ ะหวา่ งปลาย ของลวดตัวนำ� เวลาท่ใี ช้ 60 นาที วัสดแุ ละอปุ กรณ์ 1 ชดุ 1. แบตเตอร่ขี นาด 1.5 V 4 ก้อน พร้อมกระบะ 1 เคร่อื ง 2. แอมมเิ ตอร์ 4 เสน้ 3. สายไฟพร้อมปากหนีบ 1 เครื่อง 4. โวลตม์ ิเตอร์ 1 เส้น 5. ลวดนิโครมยาวประมาณ 50 เซนติเมตร (หรือตัวต้านทานขนาด 8-15 โอหม์ ) แนะน�ำ ก่อนท�ำ กจิ กรรม 1. การใชแ้ อมมเิ ตอรจ์ ะต้องต่ออนกุ รมกบั ลวดนโิ ครม โดยใหข้ ั้วเสยี บสายไฟทมี่ าจากขว้ั บวกของ แอมมิเตอร์ต่อเข้ากับขั้วบวกของแบตเตอรี่ และย้ำ�ว่าแอมมิเตอร์จะต้องต่ออนุกรมในวงจร ในกรณที ห่ี าลวดนโิ ครมไม่ได้ ใหใ้ ช้ตัวตา้ นทานขนาด 8 – 15 โอห์ม แทนได้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 259 2. โวลตม์ เิ ตอรจ์ ะตอ้ งตอ่ ขนานกบั ลวดนโิ ครม โดยขว้ั บวกของโวลตม์ เิ ตอรต์ อ่ กบั ปลายลวด ที่มีศักย์ไฟฟ้าสูง (หรือ ต่อไปทางขั้วบวกของแบตเตอรี่) ขั้วลบต่อกับปลายลวดที่มี ศักย์ไฟฟา้ ตำ่� (หรอื ตอ่ ไปทางขั้วลบของแบตเตอร่ี) 3. เมอ่ื อา่ นกระแสไฟฟา้ และความตา่ งศกั ยแ์ ตล่ ะครง้ั ไดแ้ ลว้ ใหด้ งึ ขว้ั เสยี บออกจากแบตเตอรี่ หากทง้ิ ไว้จะท�ำ ใหล้ วดนิโครมรอ้ น ท�ำ ใหค้ วามตา้ นทานของลวดนิโครมเพมิ่ ขึน้ ตัวอย่างผลการทำ�กจิ กรรม จำ�นวนแบตเตอรี่ ความต่างศกั ย์ (V) กระแสไฟฟา้ (A) 1 กอ้ น 1.1 0.12 2 กอ้ น 2.2 0.24 3 กอ้ น 3.0 0.33 4 กอ้ น 4.0 0.44 เม่อื นำ�ผลทีไ่ ดจ้ ากการทดลอง มาเขยี นกราฟระหวา่ งกระแสไฟฟา้ และความต่างศกั ยจ์ ะได้ กราฟดังรูป 14.2 กระแสไฟฟา� (แอมแปร)� ความต�างศกั ย� (โวลต)� 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 5.0 รูป 14.2 กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความตา่ งศกั ยจ์ ากผลการทดลอง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

260 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ กิ ส์ เล่ม 4 แนวคำ�ตอบคำ�ถามท้ายกิจกรรม □ กราฟระหว่างกระแสไฟฟา้ กับความต่างศกั ยม์ ลี ักษณะอย่างไร แนวค�ำ ตอบ เปน็ กราฟเส้นตรงผ่านจุดกำ�เนดิ □ จากกราฟที่ได้ กระแสไฟฟา้ และความต่างศกั ย์มคี วามสัมพนั ธก์ นั อยา่ งไร แนวคำ�ตอบ กระแสไฟฟ้าแปรผนั ตรงกับความตา่ งศกั ย์ระหวา่ งปลายของลวดตัวนำ� อภปิ รายหลงั ท�ำ กิจกรรม กราฟท่ีได้เป็นกราฟเส้นตรงผ่านจุดกำ�เนิด แสดงให้เห็นว่า กระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ มคี วามสัมพันธ์กันในลักษณะแปรผนั ตามกัน นน่ั คือ I ∝ ∆V หรือ I = k∆V เมอ่ื k เปน็ คา่ คงตัว ในการทดลองน้ี ใช้ลวดนิโครมซึ่งเป็นตัวนำ�โลหะ ค่า k นี้ควรเก่ียวข้องกับสมบัติ ทางไฟฟ้าของลวดนิโครมเสน้ นี้ โดยถ้าคา่ k มีค่ามาก แสดงวา่ กระแสไฟฟา้ ผา่ นตัวนำ�นั้นไดด้ ี หรอื ตวั น�ำ นนั้ มคี วามต้านทานน้อย และถ้าค่า k มีคา่ น้อย แสดงว่า กระแสไฟฟา้ ผา่ นตัวนำ�น้ันไดไ้ ม่ดี นน่ั คอื ตัวนำ�น้ันมีความตา้ นทานมาก ถ้าก�ำ หนดให ้ k= 1 R 1 จะได้ I = ( R )∆V ค่าคงตัว R นเ้ี รยี กวา่ ความตา้ นทาน (resistance) ของลวดนิโครมทใี่ ชใ้ นการท�ำ กจิ กรรม ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับ กฎของโอห์ม ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน โดยครูช้ีให้เห็นว่า ขณะทำ�กิจกรรม 14.1 อุณหภูมิของลวดนิโครมท่ีใช้ในการทำ�กิจกรรมมีการเปลี่ยนแปลงน้อยมาก จน ถอื ไดว้ ่า มคี า่ คงตัว ครอู าจใหน้ กั เรยี นหาความชนั ของกราฟ แลว้ น�ำ มาเปรยี บเทยี บกบั ความตา้ นทานของลวดนโิ ครม ทว่ี ัดดว้ ยเคร่อื งมลั ติมเิ ตอร์ ซึง่ ควรจะไดค้ า่ เทา่ กันหรอื ใกล้เคยี ง จากน้ัน ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความ ตา่ งศกั ยใ์ นตวั น�ำ ไฟฟา้ ชนดิ อนื่ ทไี่ มใ่ ชโ่ ลหะ ตามรายละเอยี ดในหนงั สอื เรยี น เพอ่ื ใหไ้ ดข้ อ้ สรปุ วา่ ส�ำ หรบั ตวั นำ�และอุปกรณ์ไฟฟา้ บางชนิด แมอ้ ุณหภมู คิ งตัว แตค่ วามต้านทานไม่คงตัว ซ่ึงไมเ่ ปน็ ไปตามกฎของ โอหม์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 261 ครใู ห้นักเรยี นศึกษาตัวอย่าง 14.3 โดยมีครูแนะนำ� จากน้ันให้นักเรียนตอบค�ำ ถามตรวจสอบความ เข้าใจและทำ�แบบฝึกหัด 14.2 เฉพาะข้อที่เก่ียวข้องกับกฎของโอห์ม ท้ังน้ี อาจมีการเฉลยคำ�ตอบและ อภปิ รายค�ำ ตอบรว่ มกัน ความร้เู พ่มิ เติมสำ�หรับครู นิโครมเป็นโลหะผสมระหว่างนิกเกิลกับโครเมียม มีความต้านทานสูงกว่าโลหะทั่วไป จึงนิยม ใชท้ �ำ เปน็ เสน้ ลวดในเครอ่ื งใชไ้ ฟฟา้ ทใ่ี หค้ วามรอ้ น เพราะสามารถเปลยี่ นพลงั งานไฟฟา้ เปน็ พลงั งาน ความรอ้ นไดด้ ี แนวการวดั และประเมนิ ผล 1. ความรเู้ กย่ี วกบั กฎของโอหม์ และความตา้ นทานจากค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและแบบฝกึ หดั ท้ายหัวข้อ 14.2 2. ทักษะการวัด การทดลอง การตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป ความร่วมมือ การทำ�งานเป็น ทีมและภาวะผู้น�ำ จากการอภปิ รายร่วมกันและรายงานการทดลอง 3. ทกั ษะการสอื่ สารสารสนเทศและการรู้เท่าทันสอื่ จากการอภิปรายร่วมกัน 4. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการหาความชันของกราฟ การแก้โจทย์ปัญหาและ การค�ำ นวณปริมาณตา่ ง ๆ เก่ยี วกบั กฎของโอห์ม ในแบบฝกึ หัดท้ายหัวข้อ 14.2 5. จติ วทิ ยาศาสตรด์ า้ นความมเี หตผุ ล ความมงุ่ มนั่ อดทน และดา้ นความรอบคอบ จากการอภปิ ราย รว่ มกัน และการท�ำ กิจกรรม 14.1 6. จิตวิทยาศาสตร์ด้านความซ่อื สัตย์ จากรายงานผลการทดลอง 14.2.2 สภาพตา้ นทานไฟฟา้ และสภาพน�ำ ไฟฟา้ ความเข้าใจคลาดเคล่อื นทีอ่ าจเกดิ ขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลอื่ น แนวคิดท่ีถูกต้อง 1. ที่อุณหภูมิคงตัว ความต้านทานของวัตถุ 1. ท่ีอุณหภูมิคงตัว ความต้านทานของวัตถุ ขน้ึ กบั ชนดิ ของวัสดุเพยี งอยา่ งเดียว นอกจากจะขนึ้ กบั ชนดิ ของวสั ดแุ ลว้ ยงั ขน้ึ กับรูปร่างของวัตถุนนั้ ดว้ ย สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

262 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 ความเขา้ ใจคลาดเคล่อื น แนวคิดทีถ่ กู ตอ้ ง 2. ตวั น�ำ ไฟฟา้ เชน่ ลวดทองแดงในสายไฟ และ 2. ตวั น�ำ ไฟฟา้ และอปุ กรณไ์ ฟฟา้ รวมทง้ั วตั ถุ อปุ กรณไ์ ฟฟา้ เชน่ เตา้ เสยี บ เตา้ รบั สวติ ซ์ ทกุ ชนดิ มคี วามตา้ นทานเสมอ แตจ่ ะมมี าก ไมม่ คี วามตา้ นทาน หรอื นอ้ ย ขน้ึ กบั สภาพตา้ นทานไฟฟา้ และ รูปร่าง เช่น รูปร่างลวดทองแดงหมายถึง ความยาวและพน้ื ทีห่ น้าตดั แนวการจดั การเรยี นรู้ ครูช้แี จงจดุ ประสงคก์ ารเรยี นรขู้ อ้ ท่ี 5 และ 6 ของหัวข้อ 14.2 ตามหนังสอื เรียน ครทู บทวนความรเู้ กย่ี วกบั กระแสไฟฟา้ ในลวดตวั น�ำ โดยตง้ั ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ หาก พจิ ารณาลวดนโิ ครมทม่ี กี ระแสไฟฟา้ ผา่ น ถา้ เปลยี่ นความยาวและพนื้ ทหี่ นา้ ตดั ของลวดนโิ ครม กระแสไฟฟา้ จะมีค่าแตกต่างออกไปหรือไม่ อย่างไร โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ�ตอบทีถ่ ูกต้อง จากน้ัน ครูสาธิตโดยนำ�ลวดนิโครมที่มีความยาวและพื้นท่ีหน้าตัดแตกต่างกันมาต่อเป็นวงจรกับ แบตเตอร่ี แลว้ แสดงให้นักเรยี นเหน็ ว่า ความยาวและขนาดเส้นลวดตวั น�ำ มผี ลต่อกระแสไฟฟา้ ในวงจร อภิปรายเพ่ือนำ�ไปสู่ความหมายของสภาพนำ�ไฟฟ้า ( σ ) สภาพต้านทานไฟฟ้า ( ρ ) และ ข้อสรุปวา่ ความตา้ นทาน (R) ของลวดตัวนำ�ที่ท�ำ จากโลหะชนิดหนึง่ ๆ จะแปรผันตรงกับความยาวของ ลวดตวั น�ำ และแปรผกผันกับพนื้ ทตี่ ัดขวาง (A) ของลวดตัวน�ำ นน้ั ตามรายละเอียดในหนงั สอื เรียน โดยครู ควรเน้นวา่ สภาพต้านทานไฟฟา้ ของสารชนิดเดียวกนั มีค่าเท่ากนั แต่ความต้านทานของสารชนดิ เดียวกัน อาจแตกตา่ งกนั ทง้ั น้ีขน้ึ อยู่กบั ความยาวและพ้นื ทห่ี นา้ ตดั ของสารน้ัน ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาตาราง 14.2 เพอ่ื หาค�ำ ตอบทไ่ี ดถ้ ามไวใ้ นชว่ งเรมิ่ ตน้ เกย่ี วกบั การเปลยี่ นสายไฟ ทตี่ อ่ ระหวา่ งแบตเตอรก่ี บั หลอดไฟเปน็ ตวั น�ำ โลหะชนดิ อนื่ มผี ลอยา่ งไรกบั กระแสไฟฟา้ ทผี่ า่ นหลอดไฟ และ สามารถอธิบายได้อย่างไร ท้ังน้ี ครูอาจนำ�นักเรียนอภิปรายเก่ียวกับการเลือกใช้วัสดุสำ�หรับทำ�สายไฟ โดยใชข้ อ้ มลู ในตาราง 14.2 ใหน้ กั เรยี นศกึ ษาตวั อยา่ ง 14.4 โดยมคี รแู นะน�ำ จากนน้ั ใหน้ กั เรยี นตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจ และทำ�แบบฝึกหัด 14.2 โดยเลือกเฉพาะข้อท่ีเก่ียวข้องกับสภาพนำ�ไฟฟ้าและสภาพต้านทานไฟฟ้า และ อาจมีการเฉลยค�ำ ตอบและอภปิ รายคำ�ตอบรว่ มกัน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส 263 ความรูเ้ พมิ่ เติมส�ำ หรับครู ในการระบุขนาดของลวดตวั นำ� มกี ารใชม้ าตรฐาน 2 มาตรฐาน คือ AWG กับ SWG ซ่ึงย่อมาจาก American Wire Gauge กบั Standard Wire Gauge ตามลำ�ดบั โดยลวดตัวนำ� ทเ่ี บอรต์ ามมาตรฐาน AWG หรอื SWG มาก แสดงวา่ ลวดนน้ั ยง่ิ มขี นาดเลก็ และมคี วามตา้ นทานมาก ดงั ตัวอย่างในตารางด้านลา่ ง ตาราง เบอร์ลวดและขนาดตามมาตรฐาน AWG และ SWG มาตรฐาน AWG มาตรฐาน SWG เบอรล์ วด ขนาดเส้นผา่ น ความต้านทาน ขนาดเสน้ ผ่าน ความตา้ นทาน ศูนย์กลาง ตอ่ เมตร (ส�ำ หรับ ศูนยก์ ลาง ตอ่ เมตร (สำ�หรับ 4 (mm) (mm) 5 ลวดทองแดง) ลวดทองแดง) 6 5.189 (u103 : / m) 5.893 (u103 : / m) 7 8 0.815 2.07 9 10 4.621 1.028 5.385 2.48 11 12 4.115 1.296 4.877 3.03 13 14 3.665 1.634 4.470 3.60 3.264 2.061 4.064 4.36 2.906 2.599 3.658 5.38 2.588 3.277 3.251 6.81 2.305 4.132 2.946 8.30 2.053 5.211 2.642 10.3 1.828 6.571 2.337 13.2 1.628 8.286 2.032 17.4 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

264 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 ลวดเบอร� 4 ลวดเบอร� 7 ลวดเบอร� 12 ลวดเบอร� 14 รูป ลวดเบอร์ 4 7 12 และ 14 แนวการวดั และประเมินผล 1. ความรเู้ กย่ี วกบั สภาพน�ำ ไฟฟ้าและสภาพต้านทานไฟฟา้ จากค�ำ ถามตรวจสอบความเข้าใจและ แบบฝึกหดั ท้ายหวั ข้อ 14.2 2. ความรู้เก่ียวกับความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานกับความยาว พื้นที่หน้าตัด และสภาพ ตา้ นทานของตวั น�ำ โลหะทอี่ ณุ หภมู คิ งตวั จากค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและแบบฝกึ หดั ทา้ ยหวั ขอ้ 14.2 3. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เกยี่ วกับความต้านทาน สภาพนำ�ไฟฟา้ และสภาพต้านทานไฟฟ้า ในแบบฝกึ หัดทา้ ยหัวข้อ 14.2 4. จติ วทิ ยาศาสตรด์ า้ นความมเี หตผุ ล จากการอภปิ รายรว่ มกนั และดา้ นความรอบคอบจากการท�ำ แบบฝกึ หดั ทา้ ยหัวขอ้ 14.2 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เล่ม 4 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส 265 14.2.3 ตวั ตา้ นทาน ความเขา้ ใจคลาดเคลอ่ื นทอ่ี าจเกิดขึน้ ความเขา้ ใจคลาดเคล่ือน แนวคดิ ท่ีถกู ต้อง 1. ตวั ตา้ นทานทไ่ี มม่ แี ถบสคี วามคลาดเคลอื่ น 1. ความต้านทานของตัวต้านทานทุกชนิดมี แสดงว่า ไมม่ คี วามคลาดเคล่อื น ความคลาดเคล่ือน ถ้าไม่มีการระบุแถบสี ความคลาดเคล่ือน แสดงว่ามีความคลาด 2. ตวั ตา้ นทานไมใ่ ชต่ วั น�ำ ไฟฟา้ เคลอ่ื นมากกวา่ ท่ีระบุแถบสี 2. ตัวต้านทานเป็นตัวนำ�ไฟฟ้าท่ีรู้ค่าความ ตา้ นทานชัดเจน สงิ่ ที่ครตู ้องเตรยี มลว่ งหน้า 1. ตัวต้านทานขนาดและชนิดต่าง ๆ สำ�หรับแสดงให้นักเรียนสังเกต โดยอาจเป็นตัวต้านทานท่ี ตอ่ อยใู่ นแผงวงจร แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรยี นรู้ขอ้ ท่ี 7 ของหัวข้อ 14.2 ตามหนงั สอื เรียน ครทู บทวนความรเู้ ก่ียวกับความตา้ นทานในหวั ขอ้ 14.2.1 จากนั้น อาจแสดงรปู หรอื น�ำ ตวั ต้านทาน ขนาดและชนิดต่าง ๆ มาให้นักเรียนสังเกต โดยอาจเป็นตัวต้านทานที่ต่ออยู่ในแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ แล้วอธิบายวา่ สำ�หรับวงจรไฟฟ้าโดยทว่ั ไป มกี ารใช้ชนิ้ ส่วนท่ีรคู้ วามต้านทานชัดเจน เรียกวา่ ตัวตา้ นทาน เพื่อการควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้าให้เหมาะสมกับวงจรไฟฟ้านั้น ๆ ครูควรเน้นวา่ ตวั ต้านทานสามารถน�ำ ไฟฟา้ ได้ ครตู งั้ ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ มกนั วา่ แถบสแี ละสญั ลกั ษณต์ า่ ง ๆ บนตวั ตา้ นทานหมายถงึ อะไร โดยครเู ปดิ โอกาสให้นกั เรยี นแสดงความคิดเห็นอยา่ งอิสระ ไม่คาดหวงั ค�ำ ตอบท่ถี กู ตอ้ ง ครูให้นักเรียนศึกษาเก่ียวกับสัญลักษณ์ของตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้าและวิธีการอ่านความตา้ นทาน จากรหสั สี ตามรายละเอยี ดในหนงั สอื เรยี น แลว้ ใหน้ กั เรยี นน�ำ เสนอ โดยครสู ะทอ้ นผลการน�ำ เสนอและตง้ั คำ�ถาม ให้มีการอภิปรายส่วนที่นักเรียนยังไม่เข้าใจเพิ่มเติม จนได้ข้อสรุปเกี่ยวกับ วิธีการอ่านความต้านทาน จากรหสั สี สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

266 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ กิ ส์ เลม่ 4 ครใู หน้ กั เรยี นศกึ ษาตวั อยา่ ง 14.5 โดยมคี รแู นะน�ำ โดยเนน้ วา่ ความตา้ นทานของตวั ตา้ นทานทอี่ า่ น ไดม้ คี า่ อยใู่ นชว่ งคา่ ความคลาดเคลอ่ื นทร่ี ะบดุ ว้ ยแถบสบี นตวั ตา้ นทาน ถา้ ตวั ตา้ นทานใด ไมม่ กี ารระบแุ ถบสี แสดงว่า ตัวต้านทานน้ันมีความต้านทานความคลาดเคลื่อนมากกว่าที่ระบุด้วยแถบสี จากนั้นให้นักเรียน ตอบค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและท�ำ แบบฝกึ หดั 14.2 โดยเลอื กเฉพาะขอ้ ทเ่ี กย่ี วขอ้ งกบั การอา่ นแถบสี บนตัวต้านทาน ทั้งน้ี อาจมีการเฉลยค�ำ ตอบและอภปิ รายค�ำ ตอบรว่ มกัน ครใู หน้ กั เรียนสืบคน้ เพ่ิมเติมเกีย่ วกบั ตวั ตา้ นทานชนดิ ท่ี 5 แถบสีนอกเวลาเรยี น แนวการวัดและประเมนิ ผล 1. ความรเู้ กย่ี วกบั ตวั ตา้ นทานและวธิ กี ารอา่ นแถบสบี นตวั ตา้ นทานจากค�ำ ถามตรวจสอบความเขา้ ใจ และแบบฝกึ หัด 14.2 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เก่ยี วกบั วิธีการอา่ นแถบสบี นตวั ต้านทาน ในแบบฝึกหัด 14.2 3. จิตวทิ ยาศาสตร์ด้านความมีเหตผุ ล จากการอภิปรายรว่ มกัน 14.2.4 การตอ่ ตวั ต้านทาน สิ่งท่คี รูต้องเตรียมลว่ งหน้า 1. วสั ดแุ ละอปุ กรณส์ ำ�หรับกจิ กรรมสาธติ - ตวั ตา้ นทานทีม่ ีความต้านทานเทา่ กนั 2 ตวั - โวลต์มิเตอร์ 1 เคร่อื ง แนวการจัดการเรยี นรู้ ครชู แี้ จงจุดประสงคก์ ารเรยี นรู้ขอ้ ที่ 8 ของหัวขอ้ 14.2 ตามหนังสอื เรียน ครูทบทวนความรู้เกี่ยวกับตัวต้านทานในหัวข้อที่ผ่านมา จากนั้น ตั้งคำ�ถามให้นักเรียนอภิปราย รว่ มกนั ว่า ถ้าน�ำ ตัวต้านทานมากกว่า 1 ตวั มาต่อกันแบบอนุกรมและแบบขนาน จะได้ผลลพั ธ์อยา่ งไร โดย ครูเปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคดิ เหน็ อยา่ งอสิ ระ ไม่คาดหวงั คำ�ตอบที่ถูกตอ้ ง จากนน้ั ครอู าจสาธติ การตอ่ ตวั ตา้ นทานทมี่ คี วามตา้ นทานเทา่ กนั 2 ตวั แบบอนกุ รมและแบบขนาน โดยมีการใช้เครื่องฉายภาพทึบแสง (visualizer) ช่วยให้นักเรียนสังเกตผลการทำ�กิจกรรมได้ชัดเจน แล้ว วดั ความต่างศักยด์ ว้ ยโวลตม์ ิเตอร์ แล้วนำ�ผลที่ได้มาอภิปรายร่วมกนั ครูให้นักเรียนศึกษาเก่ียวกับสาเหตุท่ีต้องนำ�ตัวต้านทานมากกว่าหน่ึงตัวมาต่อกัน ความหมายของ ความตา้ นทานสมมลู และวธิ กี ารตอ่ ตวั ตา้ นทาน 2 วธิ ี ตามรายละเอยี ดในหนงั สอื เรยี น จนไดข้ อ้ สรปุ เกย่ี วกบั ความต่างศักย์ กระแสไฟฟ้า และความต้านทานสมมูลของการต่อตัวต้านทานแบบอนุกรมและแบบขนาน ตามรายละเอียดในหนังสือเรยี น สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เลม่ 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 267 ใหน้ กั เรียนศกึ ษาตัวอยา่ ง 14.6 โดยครเู ปน็ ผใู้ ห้ค�ำ แนะน�ำ กอ่ นจะใหน้ ักเรียนตอบคำ�ถามตรวจสอบ ความเข้าใจและทำ�แบบฝึกหัด 14.2 โดยเลือกเฉพาะข้อที่เกี่ยวข้องกับการต่อตัวต้านทาน ทั้งนี้ อาจมี การเฉลยค�ำ ตอบและอภปิ รายคำ�ตอบร่วมกนั ครูให้นกั เรยี นสบื คน้ เพิ่มเตมิ เก่ยี วกบั ตัวต้านทานชนดิ อ่นื ๆ นอกเวลาเรยี น ความรเู้ พ่มิ เตมิ สำ�หรบั ครู วสั ดุอเิ ล็กทรอนกิ สแ์ ละการใช้งานทางวิทยาศาสตร์ เครอ่ื งใช้ไฟฟา้ เครือ่ งอ�ำ นวยความสะดวกตา่ งๆ ไม่วา่ จะเป็นเคร่ืองปรับอากาศ โทรทศั น์ วิทยุ โทรศัพท์มือถอื คอมพิวเตอร์ เครือ่ งซกั ผ้า เตาไมโครเวฟ นอกจากจะใช้พลงั งานไฟฟา้ ใน การทำ�งานแล้ว ยงั มีสว่ นควบคุมทสี่ ามารถกำ�หนดเงอ่ื นไขการทำ�งานได้ตามต้องการ เชน่ เวลาปิด เปดิ การควบคมุ เหล่าน้สี ามารถกระท�ำ ไดโ้ ดยการใชค้ วามรู้ทางวิทยาศาสตรแ์ ละอิเล็กทรอนกิ ส์ วิชาอิเล็กทรอนิกส์เกิดข้ึนจากความรู้ฟิสิกส์ทางด้านของแข็ง (solid-state physics) ไฟฟา้ กระแส ไฟฟา้ -แมเ่ หลก็ และฟสิ กิ สค์ วอนตมั ท�ำ ใหม้ วี สั ดอุ เิ ลก็ ทรอนกิ สต์ า่ ง ๆ เกดิ ขน้ึ มากมาย เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไอซี (ซ่ึงเป็นวงจรไฟฟ้าเล็ก ๆ จำ�นวนมากรวมอยู่ด้วยกัน) ตัวรับรู้ (sensor) ฯลฯ เมอื่ น�ำ วสั ดอุ เิ ลก็ ทรอนกิ สต์ า่ ง ๆ มาสรา้ งเปน็ เครอ่ื งมอื เครอื่ งใชก้ เ็ กดิ เปน็ เทคโนโลยี ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถนำ�มาช่วยในการพัฒนาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ได้ โดยเฉพาะในด้าน เครอ่ื งมือเครือ่ งวดั ปรมิ าณตา่ ง ๆ เครอ่ื งมอื เครอ่ื งวดั ปรมิ าณตา่ ง ๆ ทางวทิ ยาศาสตร์ ในระดบั ทนี่ กั วจิ ยั นกั วทิ ยาศาสตรใ์ ชง้ านนน้ั จะมเี ทคโนโลยที างอเิ ลก็ ทรอนกิ สเ์ ขา้ มาเกย่ี วขอ้ งเสมอ ดงั นนั้ เราจงึ ควรจะศกึ ษาและท�ำ ความเขา้ ใจ เบื้องต้นเก่ียวกบั อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ หน้าทส่ี �ำ คญั ของอิเล็กทรอนิกส์ในงานวทิ ยาศาสตร์ 1. ใชเ้ ปน็ ตัวรับรู้ 2. ใชใ้ นการวิเคราะห์และตดั สนิ ใจ 3. ใช้ในการควบคุม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

268 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟิสกิ ส์ เลม่ 4 1. วสั ดอุ ิเล็กทรอนิกสใ์ ช้สำ�หรบั เปน็ ตวั รับรู้ ความหมายของตวั รบั รทู้ างไฟฟา้ คอื วสั ดหุ รอื สารทมี่ กี ารตอบสนองตอ่ ปรมิ าณทางกายภาพ การตอบสนองนมี้ ผี ลท�ำ ใหก้ ระแสไฟฟา้ ทผี่ า่ นตวั รบั รมู้ กี ารเปลยี่ นแปลง สามารถน�ำ ตวั รบั รมู้ าสรา้ ง เป็นเครอ่ื งวดั ปรมิ าณทางกายภาพได้ ตวั อยา่ งของการใชว้ ัสดอุ ิเลก็ ทรอนกิ ส์เป็นตวั รบั รู้ ปริมาณกายภาพ ตวั รบั รู้ แสง LDR, Photodiode อุณหภมู ิ Thermistor, IC LM 335 ความดัน Piezoelectric , Strain gauge สนามแม่เหลก็ Reed relay, Hall effect, Induction coil แรง Piezoelectric, Strain gauge ความเข้มเสยี ง Condenser microphone กัมมันตภาพรังสี Geiger Muller Counter รงั สอี ินฟราเรด IR Photodiode การวดั ปริมาณแสง สามารถท�ำ ได้หลายแบบ หลายวิธี แต่ในบทเรยี นนีจ้ ะนำ�เสนอการวดั ปรมิ าณแสงดว้ ย LDR (Light Dependent Resistor) ท่ที ำ�มาจาก CdS (Cadmium sulfide) ซึ่งเปน็ สาร ก่ึงตัวนำ�ชนิดหน่ึง เมื่อถูกแสงจะทำ�ให้อิเล็กตรอนของ CdS ท่ีเดิมอยู่ในช่วงพลังงานแถบวาเลนซ์ (valence band) พลังงานจากแสงจะทำ�ให้อิเล็กตรอนบางตัวของ CdS มีพลังงานสูงข้ึนไป อยู่ในระดับ conducting band ทำ�ให้ CdS สามารถนำ�กระแสไฟฟ้าได้ นั่นคือเปลี่ยนค่า ความต้านทานไฟฟ้าเมื่อถกู แสง CC เม่อื อิเล็กตรอนได�รับพลงั งานจากแสง จะเคลอ่ื นที่ขึนไปอยทู� แี่ ถบการนำมากขึน้ VV C = conduction band (แถบการนำ) V = valence band (แถบเวเลนซ�) รูป แสดงชว่ งพลังงาน valence band และ conduction band ของ CdS สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสิกส์ เล่ม 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 269 สำ�หรับการใช้ photo-diode วัดแสงน้ัน พลังงานแสงที่ตกกระทบผิวหน้าของ photo-diode จะท�ำ ใหค้ วามตา่ งศกั ยไ์ ฟฟ้าตรงรอยตอ่ เชื่อมระหวา่ งแผน่ P และแผน่ N ของสาร กึ่งตัวนำ�ท่ีนำ�มาทำ�เป็นไดโอดมีการเปลี่ยนแปลง เป็นผลให้มีอิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนที่ผ่านรอย ต่อเชื่อมน้ีได้ง่ายข้ึน สามารถนำ�หลักการนี้ไปวัดปริมาณแสงได้ แต่ในบทเรียนมิได้ให้ทำ�กิจกรรม photo diode วดั แสง แสง แสง PN N P ไบแอสย�อนกลบั R รูป แสดงรอยต่อเชือ่ มระหวา่ ง แผ่น P และแผ่น N การใช้ Thermistor วดั อุณหภมู ิ Thermistor ทำ�จากสารก่งึ ตวั น�ำ ซ่งึ จะมีช่องว่างของพลงั งาน (energy gap) ระหวา่ ง แถบวาเลนซ์ (valence band) และแถบการน�ำ (conduction band) เชน่ เดยี วกบั LDR พลงั งาน ความร้อนจะทำ�ให้ช่องว่างของพลังงานของ Thermistor มีการเปล่ียนแปลง เป็นผลทำ�ให้ค่า ความต้านทานไฟฟ้าเปล่ียน การเปลี่ยนของความต้านทานไฟฟ้าน้ีมี 2 แบบ คือ แบบบวก PTC (positive temperature coefficient) หมายความวา่ เมือ่ อุณหภมู ิเพิ่มขึ้นคา่ ความตา้ นทานไฟฟา้ จะเพิ่มขึ้นด้วย (Thermistor ประเภทนี้ทำ�จากแบเรียมไททาเนต BaTiO3) ส่วนแบบลบ NTC (Negative temperature coefficient) หมายความวา่ เมอ่ื อณุ หภมู เิ พม่ิ ขน้ึ คา่ ความตา้ นทานไฟฟา้ จะลดลง (Thermistor ประเภทน้ที �ำ จากเจอร์มาเนียม Ge) C C C V VV แบบ NTC อุณหภมู เิ รม่ิ ตน� แบบ PTC อณุ หภมู สิ ูงขึ้น อุณหภูมิสูงขึน้ ความตา� นทานเพม่ิ ขึ้น ความตา� นทานลดลง รูป แสดง energy gap สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

270 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 การใช้ Reed switch ตรวจสอบสนามแม่เหล็ก Reed switch ทำ�จากโลหะ 2 แท่ง ท่ีทำ�จากสารแม่เหล็ก บรรจุอยู่ภายในหลอดแก้ว เลก็ ๆ เมอ่ื น�ำ แทง่ แมเ่ หลก็ ถาวรเขา้ ไปใกลจ้ ะท�ำ ใหแ้ ทง่ โลหะทงั้ สองตดิ กนั ท�ำ ใหก้ ระแสไฟฟา้ ไหลผา่ น ได้ สามารถน�ำ ไปใช้เป็นสวิตช์ปดิ เปดิ ท่ีควบคุมโดยสนามแมเ่ หลก็ ในทำ�นองเดียวกนั สามารถนำ�ไป ใชเ้ ปรียบเทยี บค่าของสนามแมเ่ หลก็ จากแม่เหลก็ ถาวร 2 แท่ง รูป แสดง Reed switch การวัดความดนั และแรงโดยใชห้ ลักการ Piezoelectric ใชห้ ลกั การท่ีวา่ สารหรอื ผลึกบางชนิดเม่อื มแี รงกระท�ำ ท่ผี ิวจะเกิดความตา่ งศกั ยไ์ ฟฟา้ ขึ้น เน่ืองจาก แรงดังกล่าวไปทำ�ให้โครงสร้างของผลึกบิดเบี้ยวไปจากเดิม และค่าความต่างศักย์ไฟฟ้านี้ยังขึ้นกับ ขนาดของแรงกระท�ำ จงึ สามารถน�ำ สาร Piezoelectric ไปออกแบบท�ำ เครอื่ งวดั แรง รวมทงั้ วดั ความ ดนั ได้ เพราะ ความดนั = แรงต่อพื้นที่ รปู แสดงตัวรบั รู้ทที่ �ำ จากสาร Piezoelectric การวดั ความดนั และแรงโดยใช้ Strain gauge ใช้หลักการท่ีความยาวของตัวน�ำ เปล่ียน เม่ือมีแรงกระทำ�ให้เกิดการบิดเบ้ียวหรือโค้งงอ เปน็ ผลใหค้ า่ ความตา้ นทานไฟฟา้ เปลย่ี นแปลงและเนอื่ งจากความดนั เทา่ กบั แรงตอ่ พน้ื ที่ จงึ สามารถ นำ� Strain gauge ไปออกแบบทำ�เครอ่ื งวัดความดันได้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เล่ม 4 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส 271 2. วสั ดุอเิ ลก็ ทรอนิกส์ใชส้ �ำ หรบั การวิเคราะห์และตดั สินใจ นอกจากจะสามารถใช้วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ในการวัดปริมาณทางกายภาพแล้ว ยังใช้ใน การวเิ คราะหแ์ ละตัดสินใจได้ ตัวอยา่ งเชน่ ให้ไฟสว่างตามถนนท�ำ งานเมอ่ื พระอาทิตย์ตก ปริมาณ แสงจากดวงอาทิตย์จะตกกระทบท่ี LDR เม่ือปริมาณแสงมีค่าลดลง ถึงระดับที่ต้ังไว้ สวิตซ์จะ เปดิ ให้ไฟสวา่ งท�ำ งาน เพอ่ื ใหก้ ารวเิ คราะหแ์ ละตดั สนิ ใจของวงจรไฟฟา้ ท�ำ งานไดถ้ กู ตอ้ งยง่ิ ขน้ึ จงึ ไดม้ กี ารออกแบบ วสั ดอุ เิ ลก็ ทรอนิกสก์ ลมุ่ หน่ึงไว้สำ�หรับทำ�หนา้ ทต่ี ัดสนิ ใจทางตรรกะ คือพวก LOGIC gate ตา่ ง ๆ NAND NOR AND (10 INPUT) AND (4 INPUT) OR (4 INPUT) รปู แสดงสญั ลักษณ์ LOGIC gate แบบตา่ ง ๆ ในการใช้ IC กลมุ่ วิเคราะห์และตัดสินใจนั้น ยงั มตี รรกะตา่ ง ๆ อีกมากมาย เชน่ NAND NOR ฯลฯ ซ่ึงผูส้ นใจสามารถศึกษาตอ่ ได้ในวิชาวศิ วกรรมศาสตร์ เพราะวงจรตรรกะเหลา่ นี้เปน็ พื้นฐานท่สี �ำ คัญในการท�ำ งานของคอมพิวเตอร์ 3. วสั ดอุ ิเลก็ ทรอนกิ ส์ใช้ในการควบคุม โดยทว่ั ไปสญั ญาณไฟฟา้ ทผี่ า่ นออกมาจากวงจรตรรกะนน้ั จะมกี �ำ ลงั (power) ต�่ำ ไมส่ ามารถ ทำ�ให้หลอดไฟฟ้าที่มีวัตต์สูงสว่างได้ หรือไม่อาจจะควบคุมการทำ�งานของมอเตอร์ ในกิจกรรมนั้น เพยี งแตท่ �ำ ให้ LED สวา่ งเท่าน้ัน ยังไมอ่ าจไปใชง้ านจริง นอกจากนน้ั สญั ญาณไฟฟา้ ทอี่ อกมาจากตวั รบั รตู้ า่ งๆ มกั จะมกี �ำ ลงั ต�ำ่ เชน่ กนั ไมเ่ พยี งพอ ที่ จะปอ้ นเขา้ input ของวงจรตรรกะ ดงั นั้นการจดั กระทำ�กบั สญั ญาณไฟฟา้ จงึ เปน็ ส่ิงสำ�คญั เพื่อให้ สัญญาณไฟฟ้ามคี ่าก�ำ ลงั สงู พอจะทำ�งานไดต้ ามท่ีเราตอ้ งการ สรุป สรุปขนั้ ตอนงานทางอิเล็กทรอนกิ สจ์ ะมีลักษณะเปน็ 3 รปู แบบคอื INPUT PROCESS OUTPUT รูป แสดงขน้ั ตอนต่าง ๆ ของงานทางอเิ ล็กทรอนกิ ส์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

272 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ กิ ส์ เลม่ 4 ส่วนที่เป็น INPUT ซึ่งได้แก่สัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้ เช่น ตัวรับรู้ความเข้มแสง ความเข้มเสยี ง อณุ หภมู ิ ความดัน ลักษณะการเตน้ ของหวั ใจ ฯลฯ ส่วนทเี่ ป็น PROCESS คอื การจดั กระท�ำ กบั สญั ญาณไฟฟา้ ทเ่ี ขา้ มา ซง่ึ อาจมกี ารขยายสญั ญาณไฟฟา้ การวเิ คราะหแ์ ละตดั สนิ ใจ เชน่ เปิดไฟแสงสว่างของถนน เมื่อความเขม้ แสงจากดวงอาทติ ยล์ ดลง สว่ นสุดทา้ ยคอื OUTPUT ซ่งึ อาจมีไดห้ ลายแบบ เช่น การควบคมุ และการแสดงผล (display) ตัวอยา่ งของการควบคุมคอื ควบคมุ สวติ ช์รเี ลย์ ควบคมุ มอเตอร์ ตัวอยา่ งของการแสดงผล คือทำ�ให้หนา้ ปดั แสดงตวั เลข ทำ�ให้เข็มมาตรไฟฟ้าเบนไป หรอื มี เสียงเตอื น ฯลฯ เป็นต้น รูป แสดงหนา้ ปดั ของมเิ ตอร์ จะเห็นว่างานอิเล็กทรอนิกส์จำ�นวนมากได้เข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำ�วันของเรา ไมว่ า่ จะเปน็ เครอ่ื งปรบั อากาศ โทรทศั น์ วทิ ยุ โทรศพั ทม์ อื ถอื คอมพวิ เตอร์ เครอ่ื งซกั ผา้ เตาไมโครเวฟ ระบบการควบคมุ การท�ำ งานของเครอื่ งยนต์ เครอ่ื งตรวจบตั รประจ�ำ ตวั เจา้ หนา้ ท่ี ตรวจบตั รธนาคาร และงานวิจยั ทางวิทยาศาสตร์ การแพทย์ โทรคมนาคม สารสนเทศ ฯลฯ แนวการวัดและประเมนิ ผล 1. ความร้เู กีย่ วกบั การตอ่ ตัวตา้ นทานจากคำ�ถามตรวจสอบความเขา้ ใจและแบบฝกึ หดั 14.2 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ�นวน จากการแก้โจทย์ปัญหาและการคำ�นวณปริมาณต่าง ๆ เกยี่ วกบั การต่อตัวตา้ นทาน ในแบบฝึกหัดท้ายหัวขอ้ 14.2 3. จติ วิทยาศาสตรด์ ้านความมีเหตุผล จากการอภปิ รายร่วมกนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส 273 แนวค�ำ ตอบคำ�ถามตรวจสอบความเข้าใจ 14.2 1. อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ระหว่างปลายของลวดตัวนำ�กับกระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดตัวนำ� บอกถงึ ปริมาณใดของลวดตวั น�ำ แนวค�ำ ตอบ ความต้านทานของลวดตวั นำ� 2. พิจารณาข้อความต่อไปน้ี ขอ้ ใดถกู ขอ้ ใดผดิ ก. ทอ่ี ณุ หภูมิคงตัว ความต้านทานของตัวน�ำ โลหะมีค่าคงตวั แนวค�ำ ตอบ ถูก เพราะจากกฎของโอห์ม ท่ีอุณหภูมิคงตัว กระแสไฟฟ้าในตัวนำ�โลหะจะ แปรผนั ตรงกบั ความตา่ งศักย์ระหวา่ งปลายของตัวนำ�นั้น แสดงว่า ความต้านทานคงตัว ข. ถ้าลวดตัวนำ�มคี วามยาวมากขึน้ ความต้านทานของลวดตัวน�ำ จะมากขึน้ แนวคำ�ตอบ ถูก เพราะความตา้ นทานแปรผันตรงกบั ความยาว แตแ่ ปรผกผนั กับพืน้ ที่หนา้ ตัด ของลวดตวั นำ� ค. ถ้าลวดตวั น�ำ มีพื้นทหี่ นา้ ตัดมากขึน้ ความตา้ นทานของลวดตัวน�ำ จะน้อยลง แนวคำ�ตอบ ถูก เพราะความตา้ นทานแปรผกผนั กบั พืน้ ทห่ี น้าตัดของลวดตวั นำ� ง. สภาพตา้ นทานไฟฟา้ ขนึ้ อยกู่ ับความยาวและพน้ื ที่หน้าตดั ของวัสดุ แนวคำ�ตอบ ผิด สภาพต้านทานไฟฟา้ ขึ้นอยชู่ นิดของสารทีท่ �ำ วสั ดแุ ละอณุ หภมู ิ 3. ตัวต้านทานท�ำ หนา้ ทีอ่ ะไรในวงจรไฟฟา้ แนวค�ำ ตอบ ตัวต้านทานทำ�หน้าที่ควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในวงจร ไฟฟ้าให้พอเหมาะกับการใช้งาน 4. แถบสที ่ี 4 ของตวั ตา้ นทานคา่ คงตวั แบบมแี ถบสี 4 แถบ แทนคา่ อะไร แนวค�ำ ตอบ ค่าความคลาดเคลือ่ น 5. เมอ่ื ตอ่ ตวั ตา้ นทานจ�ำ นวนหนง่ึ แบบอนกุ รม กระแสไฟฟา้ ทผ่ี า่ นตวั ตา้ นทานแตล่ ะตวั จะเปน็ อยา่ งไร แนวคำ�ตอบ กระแสไฟฟา้ ทผ่ี า่ นตวั ตา้ นทานแตล่ ะตวั จะเทา่ กนั และเทา่ กบั กระแสไฟฟา้ ในวงจร 6. เม่ือตอ่ ตวั ตา้ นทานจ�ำ นวนหนง่ึ แบบขนาน ความต้านทานสมมลู จะแตกตา่ งจากความต้านทาน ของตัวต้านทานแตล่ ะตวั อยา่ งไร แนวคำ�ตอบ ความต้านทานสมมูลของตัวต้านทานท่ีต่อแบบขนานจะน้อยกว่าความต้านทาน ของตัวต้านทานแตล่ ะตัว สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

274 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 เฉลยแบบฝกึ หัด 14.2 1. จากการทดลองวัดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทาน และกระแสไฟฟ้าท่ีผ่าน ตวั ตา้ นทานซงึ่ ตอ่ อยู่กบั แหล่งกำ�เนิดไฟฟ้า เขียนกราฟความสมั พนั ธร์ ะหว่างความต่างศกั ยแ์ ละ กระแสไฟฟา้ ไดก้ ราฟ ดงั รปู จงหาความต้านทานของตวั ตา้ นทาน ∆V (V) 4 3 2 1 0 I (A) 0.2 0.4 0.6 รูป ประกอบแบบฝึกหัด 14.2 ขอ้ 1 วิธีทำ� จากกราฟจะได้ความชนั 'V I RR 3.0 V 0.6 A 5.0 : ตอบ ตัวตา้ นทานมคี วามต้านทาน 5 โอห์ม 2. ตอ่ หลอดไฟท่ีมีความตา้ นทาน 3.0 โอหม์ กับแบตเตอรี่ขนาด 1.5 โวลต์ จะมกี ระแสไฟฟา้ ทีผ่ ่าน หลอดไฟเทา่ ใด I 'V วธิ ที ำ� จากกฎของโอห์ม R แทนคา่ จะได ้ I 1.5V 3.0 : 0.5A ตอบ มีกระแสไฟฟ้าผา่ นหลอดไฟ 0.5 แอมแปร์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 275 3. ลวดเงนิ ยาว 5.0 เมตร พนื้ ทีห่ น้าตดั 2.0 ตารางมิลลเิ มตร ลวดเงนิ เสน้ นม้ี คี วามตา้ นทานเท่าใด กำ�หนด สภาพนำ�ไฟฟ้าของเงินเท่ากับ 6.14× 107 (โอหม์ เมตร)-1 Ul 1 วธิ ที ำ� ใชค้ วามสมั พนั ธ์ R A และ U V จะได้ Rl VA แทนคา่ R (5.0 m) (6.14u107 (: m)-1)(2.0u10-6m2 ) จะได้ R 4.07 u102 : ตอบ ลวดเงินเส้นนี้มคี วามตา้ นทาน 4.07× 10-2 โอห์ม 4. ลวดโลหะชนดิ หนง่ึ มสี ภาพต้านทานไฟฟ้า 6× 10-8 โอห์ม เมตร มพี ื้นที่หนา้ ตัด ว0ิธ.5ที ต�ำ ารใชางค้ มวลิามลิเสมัมตพรันตธอ้ ์ งRใช้ลวUAดlยาจวัดเทรปู่าใสดมจกงึ าจระเไพด่อื ค้ หวาาคมวตาา้ มนยทาาวนลว2ด.5จะโไอดห้ ม์ l RA U แทนคา่ l (2.5 :)(0.5u10-6m2 ) (6 u108 : m) จะได้ 0.2083u102 m = 20.83m ตอบ ต้องใช้ลวดยาว 20.83 เมตร 5. ตัวต้านทานมแี ถบสีดังรปู มีความตา้ นทานเท่าใด แถบสที ่ี 4 สที อง แถบสที ี่ 3 สเี หลอื ง แถบสีท่ี 2 สีเทา แถบสีที่ 1 สสี ม� รูป ประกอบแบบฝึกหัด 14.2 ขอ้ 5 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

276 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ กิ ส์ เลม่ 4 วิธที ำ� แทนแถบสตี า่ ง ๆ ดว้ ยตวั เลขตามรหสั สใี นตาราง 14.3 จากนน้ั น�ำ ไปแทนคา่ ลงในสมการ ความตา้ นทาน = [(เลขแถบสที ่ี 1 เลขแถบสที ่ี 2)× 10เลขแถบสที ่ี 3 ] ± เลขแถบสที ่ี 4 แถบที่หน่ึงสีส้มแทนด้วยเลข 3 แถบที่สองสีเทาแทนด้วยเลข 8 แถบที่สามสีเหลือง แทนด้วยเลข 4 แถบที่ส่ีสที องแทนความความเคล่ือนเปน็ ± 5 จะได้ ความตา้ นทาน = [(38)×104 Ω ] ± 5% = 3.8× 105 Ω ± 5% = 380 k Ω ± 5% ตอบ ตวั ตา้ นทานทมี่ แี ถบสดี งั รปู มคี วามตา้ นทาน 380 กโิ ลโอหม์ และมคี วามคลาดเคลอื่ น 5% 6. จะต้องต่อตัวต้านทาน 1.0 เมกะโอห์ม กับความต่างศักย์เท่าใด จึงจะมีกระแสไฟฟ้า 1.0 มลิ ลแิ อมแปร์ ผ่านตัวตา้ นทานดังกลา่ ว วธิ ีท�ำ จาก 'V IR 'V IR เม่ือ I 1.0 u103 A, RI 1.01u.100u61:033 A, R 1.0 u1066 : แทนค่า 'V (1. 0 u103 A)('1V.0 u10(61:.0)u1033A)(1.0 u1066:) 1.0u103 V 1.0 u1033 V 1 kV 1 kV ตอบ จะต้องใชค้ วามต่างศกั ย์ 1 กโิ ลโวลต์ 7. จากรูป ถ้าความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทานขนาด 12 Ω เท่ากับ 18 โวลต์ จงหา ความตา่ งศกั ย์ระหว่าง A กบั B 12 Ω A 7.5 Ω B 5Ω รปู ประกอบแบบฝกึ หดั 14.2 ขอ้ 7 วิธที ำ� จากกฎของโอหม์ I 'V R สำ�หรับตวั ตา้ นทาน 12 โอหม์ R1 12 : , 'V1 18 V แทนคา่ I1 18 V 12 : 1.5 A สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เลม่ 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 277 เนื่องจากตัวต้านทาน 5 โอห์มต่อขนานกับตวั ตา้ นทาน 12 โอห์ม ดงั น้ัน จะได้ R2 5 : , 'V2 18 V แทนค่า I2 18 V 5: 3.6 A ในการตอ่ ตวั ตา้ นทานแบบขนาน กระแสไฟฟา้ ทผ่ี า่ นวงจรจะเทา่ กบั ผลบวกของกระแสไฟฟา้ ท่ีผ่านตัวต้านทานแตล่ ะตัว ดงั นน้ั I I1  I2 1.5 A  3.6 A = 5.1 A เนือ่ งจาก ชดุ ตวั ตา้ นทตี่ อ่ กันแบบขนานตอ่ แบบอนุกรมกบั ตวั ต้านทานขนาด 7.5 โอหม์ ดังนั้น กระแสไฟฟา้ ที่ผา่ นตัวต้านทานตัวนี้จึงเท่ากับ 5.1 แอมแปร์ เทา่ กนั และจาก 'V IR แทนคา่ เพื่อหาความต่างศกั ยร์ ะหวา่ งปลายของตวั ต้านทานขนาด 7.5 โอห์ม จะได ้ 'V (5.1A)(7.5:) 38.25 V ความต่างศักย์ระหว่าง A กับ B เท่ากับผลรวมของความต่างศักย์ระหว่างปลาย ตวั ตา้ นทานขนาด 7.5 โอหม์ กบั ความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งปลายของชดุ ตวั ตา้ นทานทต่ี อ่ กนั แบบขนาน 'VAB 18 V  38.25 V ดงั น้ัน จะได ้ 56.25 V ตอบ ความต่างศกั ย์ระหว่าง A กบั B เทา่ กับ 56.25 โวลต์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

278 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ ิกส์ เล่ม 4 8. ตวั ต้านทาน 3 ตวั มีความตา้ นทาน 30 โอหม์ 60 โอหม์ และ X โอห์ม ถา้ ตอ่ ตัวต้านทานท้ังสาม แบบขนาน จะไดค้ วามตา้ นทานสมมูล 120 โอห์ม จงหาค่าของ X 7 วิธีทำ� ถ้าต่อตัวต้านทานท่มี ีความต้านทาน R1 R2 และ R3 แบบขนาน จะไดค้ วามต้านทาน สมมูล R มคี า่ ดังสมการ 1 111 R R1 R2 R3 แทนคา่ 1 1  1 1 (120 7 :) 30 : 60 : X 1 1 11 X (120 7 :) 30 : 60 : 1 120 : X 120 : ตอบ X มคี ่าเทา่ กบั 120 โอหม์ 14.3 พลังงานในวงจรไฟฟา้ กระแสตรง จุดประสงค์การเรยี นรู้ 1. ทดลองเพื่อบอกความแตกต่างและอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟของแบตเตอร่ีกับ ความตา่ งศักย์ระหว่างขว้ั ของแบตเตอรี่ 2. อธบิ ายและค�ำ นวณปรมิ าณตา่ งๆทีเ่ กี่ยวขอ้ งกับอีเอม็ เอฟของแหล่งก�ำ เนิดไฟฟา้ กระแสตรง 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้า กำ�ลังไฟฟ้า ความต่างศักย์ และกระแสไฟฟ้าของ เครือ่ งใชไ้ ฟฟา้ รวมทง้ั คำ�นวณปรมิ าณต่าง ๆ ทเ่ี กย่ี วข้องจากสถานการณท์ ี่กำ�หนดให้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 4 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส 279 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ�เข้าสู่หัวข้อ 14.3 โดยอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับการต่อแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้ากับลวดตัวนำ�และ อุปกรณ์เป็นวงจรไฟฟ้า การเคลื่อนท่ีของประจุไฟฟ้าทำ�ให้เกิดกระแสไฟฟ้า การถ่ายโอนพลังงาน จากประจุไฟฟ้าให้อุปกรณ์ทำ�งานได้ จนสรุปได้ว่าพลังงานท่ีประจุถ่ายโอนให้กับส่วนต่าง ๆ ของวงจร คือ พลังงานไฟฟ้า จากน้ันครูใช้คำ�ถาม เกี่ยวกับพลังงานไฟฟ้าเก่ียวข้องกับปริมาณใด และพลังงานไฟฟ้า ส่วนที่ประจุได้รับจากแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้ากับส่วนที่ประจุถ่ายโอนให้กับวงจร มีความสัมพันธ์กันอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นกั เรียนตอบค�ำ ถามอย่างอิสระ ไม่คาดหวังค�ำ ตอบท่ถี กู ตอ้ ง 14.3.1 พลงั งานไฟฟา้ และความตา่ งศักย์ ความเขา้ ใจคลาดเคล่อื นทอี่ าจเกดิ ขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคดิ ท่ีถูกต้อง 1. ความต่างศักย์ระหว่างข้ัวแบตเตอร่ีก็คือ 1. ความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอรี่ไม่ใช่ อีเอ็มเอฟของแบตเตอร่ี เพราะมีหน่วยเป็น อีเอ็มเอฟของแบตเตอรี่ เพราะความตา่ งศกั ย์ โวลตเ์ หมือนกนั ระหว่างขั้วแบตเตอร่ีเป็นพลังงานที่ประจุ หนึ่งหน่วยใช้เคล่ือนที่ระหว่างข้ัวแบตเตอร่ี ผ่านอุปกรณ์ที่ต่ออยู่ซ่ึงมีค่าเปลี่ยนแปลงได้ ส่วนอีเอ็มเอฟเป็นพลังงานที่แบตเตอร่ีให้กับ ประจุหนึ่งหน่วยที่เคลื่อนท่ีผ่านแบตเตอร่ี ซง่ึ ทง้ั คู่มหี น่วยเป็นโวลตเ์ หมือนกนั 2. อเี อม็ เอฟ คอื แรงทผ่ี ลกั ใหอ้ เิ ลก็ ตรอนในวงจร 2. อีเอ็มเอฟคือพลังงานไฟฟ้าท่ีแหล่งกำ�เนิด ไฟฟา้ เคลอ่ื นท่ี ไฟฟ้าจ่ายให้กับประจุไฟฟ้าหน่ึงหน่วย ทเ่ี คลือ่ นทีผ่ า่ น 3. อีเอ็มเอฟ แรงดันไฟฟ้า และแรงเคลื่อนไฟฟ้า 3. อเี อม็ เอฟ แรงดนั ไฟฟา้ และแรงเคลอ่ื นไฟฟา้ เป็นปริมาณที่ต่างกัน เป็นปริมาณเดียวกัน เพียงแต่ ในบางบริบท มกี ารใชค้ �ำ ตา่ งกนั เชน่ ในบรบิ ททางวศิ วกรรมไฟฟา้ จะใช้คำ�ว่า แรงดันไฟฟ้าหรือในตำ�ราฟิสิกส์ บางเล่ม จะใชค้ �ำ ว่า แรงเคล่ือนไฟฟ้า สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

280 บทท่ี 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟิสิกส์ เลม่ 4 แนวการจัดการเรยี นรู้ ครูชีแ้ จงจุดประสงค์การเรยี นร้ขู อ้ 9 และ 10 ของหวั ข้อ 14.3 ตามหนังสอื เรยี น ครนู �ำ เขา้ สหู่ วั ขอ้ 14.3.1 โดยใหน้ กั เรยี นยกตวั อยา่ งแหลง่ ก�ำ เนดิ ไฟฟา้ กระแสตรงทนี่ กั เรยี นรจู้ กั และ อภิปรายร่วมกันเก่ียวกับตัวอย่างแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้ากระแสตรง และสัญลักษณ์ที่ใช้แทนแหล่งกำ�เนิด ไฟฟา้ กระแสตรงในวงจรไฟฟา้ ตามรายละเอยี ดในหนังสอื เรยี น ครยู กสถานการณก์ ารตอ่ แบตเตอรก่ี บั หลอดไฟดงั รปู 14.19 แลว้ ตง้ั ค�ำ ถามใหน้ กั เรยี นอภปิ รายรว่ ม กนั วา่ การเคลอ่ื นทขี่ องประจไุ ฟฟา้ และการถา่ ยโอนพลงั งานจากแบตเตอรใ่ี หก้ บั หลอดไฟฟา้ เกดิ ขน้ึ อยา่ งไร โดยเปดิ โอกาสให้นักเรยี นแสดงความคดิ เห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวงั คำ�ตอบทีถ่ ูกตอ้ ง ให้นักเรียนศึกษารายละเอียดและกราฟรูป 14.20 ตามหนังสือเรียน ครูนำ�อภิปรายจนสรุปได้ว่า เม่อื ประจไุ ฟฟ้าเคลื่อนออกจากแหลง่ ก�ำ เนิดไฟฟา้ จะมพี ลังงานไฟฟา้ จำ�นวนหน่ึง เมอื่ เคลื่อนผา่ นเครอ่ื งใช้ ไฟฟ้าจะเสียพลังงานไฟฟ้าให้เคร่ืองใช้ไฟฟ้าทำ�งานจำ�นวนหน่ึง เมื่อเคล่ือนที่วนกลับมาผ่านแหล่งกำ�เนิด ไฟฟา้ กจ็ ะได้รับพลงั งานทดแทนสว่ นท่ีเสียใหก้ บั เคร่ืองใช้ไฟฟา้ กลับมามพี ลังงานเท่าเดิมอกี ครง้ั ครูให้นักเรียนเปรียบเทียบการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าของประจุไฟฟ้าให้กับหลอดไฟ กับ การถ่าย โอนพลังงานจลน์ของนำ�้ ให้กับกังหนั ตามรายละเอยี ดจากหนงั สือเรียนหนา้ 203 จากนั้นครูนำ�อภิปรายจนสรุปได้ว่า หลังจากน้ำ�เคล่ือนผ่านและหมุนกังหันแล้ว นำ้�จะสามารถไหล กลับมาหมุนกังหันได้อีกคร้ัง จะต้องได้รับพลังงานกลจากปั๊ม โดยเมื่อน้ำ�ผ่านเครื่องปั้มจะทำ�ให้น้ำ�มี พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับ ประจุไฟฟ้าเม่ือผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้า แล้วต้องได้รับพลังงานจากแหล่ง กำ�เนดิ ไฟฟา้ จึงจะสามารถเคลื่อนทคี่ รบวงจรกลบั มาผ่านเครอ่ื งใชไ้ ฟฟา้ ซ�ำ้ ไดอ้ กี ท้งั นี้ ครูอาจถามค�ำ ถามชวนคิด หน้า 203 แลว้ ให้นกั เรียนอภปิ รายเพือ่ หาคำ�ตอบร่วมกัน แนวค�ำ ตอบชวนคดิ เมอ่ื เปรยี บเทยี บการไหลของน�ำ้ ในทอ่ ทม่ี นี �ำ้ เตม็ กบั กระแสไฟฟา้ ในตวั น�ำ มขี อ้ เหมอื นและแตกตา่ งกนั อย่างไร แนวค�ำ ตอบ ขอ้ เหมอื น ในทอ่ ทม่ี นี �้ำ เตม็ เมอื่ น�้ำ ทตี่ �ำ แหนง่ หนง่ึ ในทอ่ ขยบั เคลอื่ นที่ จะดนั ใหน้ �ำ้ ทกุ ๆ ต�ำ แหนง่ ในท่อนั้นเคลื่อนที่หรือไหลพร้อมกันทุกตำ�แหน่ง เช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าในตัวนำ�ที่มีสนามไฟฟ้า เกิดขน้ึ ประจไุ ฟฟ้าทุก ๆ ต�ำ แหน่งในตัวน�ำ จะเคลอื่ นทไี่ ปพร้อมกนั ด้วยแรงไฟฟ้า หรอื เกิดกระแส ไฟฟา้ ในตวั นำ�พร้อมกันทกุ ตำ�แหน่ง ข้อแตกต่าง การไหลของนำ้�ในท่อเกิดจากแรงดัน คือ แรงสัมผัส ขณะท่ีการเคลื่อนที่ของ ประจไุ ฟฟ้าเป็นกระแสไฟฟ้าเกดิ จากแรงไฟฟา้ คือ แรงไม่สัมผสั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟสิ กิ ส์ เลม่ 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 281 ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับ อีเอ็มเอฟ แรงดันไฟฟ้า แรงเคล่ือนไฟฟ้า และ ความต่างศักย์ ตามรายละเอียดในหนงั สือเรียน จากนัน้ ให้นกั เรียนนำ�เสนอ โดยครสู ะท้อนผลการน�ำ เสนอและต้งั ค�ำ ถาม ใหม้ กี ารอภปิ รายสว่ นทนี่ กั เรยี นยงั ไมเ่ ขา้ ใจเพมิ่ เตมิ จนไดข้ อ้ สรปุ เกย่ี วกบั พลงั งานไฟฟา้ และความตา่ งศกั ย์ ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ท้ังนี้ ครูควรเน้นว่า อีเอ็มเอฟของแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้ากระแสตรงในบริบทอื่น ๆ อาจมีการใช้คำ�ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้า หรือ แรงดันไฟฟ้า ซ่ึงมาจากคำ�ในภาษาอังกฤษคำ�เดียวกัน คือ electromotive force ทั้งน้ี อเี อม็ เอฟ หรือ แรงดันไฟฟา้ หรือ แรงเคล่อื นไฟฟ้า ไมใ่ ช่ แรง ในความหมาย เดยี วกับ แรงทม่ี ีหน่วยเปน็ นิวตนั แต่การท่ีมีการใช้คำ�วา่ แรง เนื่องจาก ในอดตี ก่อนท่ีนักวทิ ยาศาสตร์จะ เข้าใจหลักการทำ�งานของแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้าได้ดี ได้มีการใช้คำ�ว่า electromotive force จนเป็นท่ีนิยม และยงั คงใช้มาจนกระท่งั ปัจจบุ นั ครูยกตัวอย่าง อีเอ็มเอฟของแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้า ในชีวิตประจำ�วัน เช่น ถ่านไฟฉายหรือแบตเตอรี่ หน่งึ ก้อนมีอเี อม็ เอฟ 1.5 โวลต์ แบตเตอรีร่ ถจกั รยานยนตม์ อี เี อ็มเอฟ 6.0 โวลต์ แบตเตอรรี่ ถยนตม์ อี ีเอ็ม เอฟ 12 โวลต์ แลว้ ถามนักเรยี นวา่ ตวั เลขเหลา่ นบี้ อกให้ทราบอะไร และควรไดแ้ นวคำ�ตอบว่า ประจุไฟฟา้ ที่เคล่ือนได้รบั พลงั งานไฟฟ้า 1.5 6.0 และ 12 จลู ต่อ 1 คูลอมบ์ เมอื่ เคลื่อนทผ่ี า่ นแบตเตอรเ่ี หลา่ น้นั ครยู กสถานการณม์ ปี ระจไุ ฟฟา้ Q เคลอ่ื นทผี่ า่ นแหลง่ ก�ำ เนดิ ไฟฟา้ ไปในวงจรไฟฟา้ โดยใหน้ กั เรยี น ศึกษาเกี่ยวกับพลงั งานท่ปี ระจุ Q ไดร้ บั ความตา่ งศกั ย์กับการถา่ ยโอนพลงั งานให้กับส่วนตา่ ง ๆ ของวงจร ตามรายละเอียดในหนังสอื เรยี นแลว้ อภิปรายร่วมกนั จนสรุปไดว้ า่ ประจุไฟฟ้า Q เคลื่อนที่ผ่านแหล่งกำ�เนิดไฟฟ้าที่มีอีเอ็มเอฟเท่ากับ E จะมีพลังงานไฟฟ้า เท่ากับ QE พลงั งานไฟฟา้ ทถ่ี า่ ยโอนใหส้ ว่ นตา่ ง ๆ ของวงจรตอ่ หนง่ึ หนว่ ยประจไุ ฟฟา้ เรยี กวา่ ความตา่ งศกั ย์ ∆V ประจุไฟฟ้า Q เคล่ือนที่ผ่านส่วนต่าง ๆ ของวงจรท่ีมีความต่างศักย์ระหว่างปลายเป็น ∆V พลงั งานไฟฟ้าทป่ี ระจุถ่ายโอนให้กับส่วนน้นั จะเท่ากบั Q∆V ครูถามนักเรียนเกี่ยวกับ พลังงานที่ประจุไฟฟ้าถ่ายโอนให้กับวงจรไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าในวงจรมี ความสมั พนั ธก์ นั อยา่ งไร เปดิ โอกาสใหน้ กั เรยี นแสดงความคดิ เหน็ ไดอ้ ยา่ งอสิ ระ โดยไมค่ าดหวงั ค�ำ ตอบทถี่ กู ตอ้ ง แล้วให้นักเรียนท�ำ กจิ กรรม 14.2 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

282 บทที่ 14 | ไฟฟา้ กระแส ฟสิ ิกส์ เล่ม 4 กจิ กรรม 14.2 การทดลองหาความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั แบตเตอร่ี กับกระแสไฟฟา้ ในวงจร จดุ ประสงค์ 1. ทดลองเพอ่ื อธิบายความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา่ งศักยร์ ะหว่างขวั้ แบตเตอร่แี ละกระแสไฟฟ้า ในวงจร เวลาทีใ่ ช้ 100 นาที วสั ดุและอปุ กรณ์ 1. ตวั ต้านทาน 1 Ω , 3.3 Ω , 10 Ω , 100 Ω และ 1 k Ω อยา่ งละ 1 ตัว 2. แบตเตอร่ี 1 ก้อนพรอ้ มกระบะ 1 ชดุ 3. โวลต์มเิ ตอร์ 1 เครื่อง 4. สายไฟพร้อมปากหนีบ 4 เสน้ ตัวอยา่ งผลการท�ำ กิจกรรม ความต่างศกั ยร์ ะหว่าง กระแสไฟฟ้า ความตา้ นทานทต่ี อ่ กบั ข้ัวแบตเตอร่ี (V) (A) แบตเตอร่ี ( Ω ) 1.45 ∞ 0 (ไมต่ อ่ กับตัวต้านทาน) 0.30 1.0 0.57 0.90 1.35 0.38 3.3 1.40 0.14 1.42 0.014 10 0.0014 100 1k สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ฟิสกิ ส์ เล่ม 4 บทท่ี 14 | ไฟฟา้ กระแส 283 จากข้อมูลในตาราง เขียนกราฟระหวา่ ง ได้ดงั รปู 14.3 ความต�างศกั ยร� ะหว�างขั้ว (โวลต�) 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 กระแสไฟฟ�า (แอมแปร)� รปู 14.3 กราฟระหว่างความตา่ งศักย์ระหวา่ งข้ัวแบตเตอรีก่ ับกระแสไฟฟา้ ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา่ งศกั ยก์ บั กระแสไฟฟา้ มแี นวโนม้ เปน็ ความสมั พนั ธเ์ ชงิ เสน้ สามารถ เขียนความสัมพันธ์ในรูปของสมการคณิตศาสตรไ์ ด้เป็น y = -1.33x + 1.39 น่นั คอื ความชนั ของกราฟเทา่ กบั -1.33 โอห์ม และ กราฟตัดแกน y ท่ี y = 1.39 V แนวค�ำ ตอบคำ�ถามทา้ ยกจิ กรรม ในขณะทย่ี งั ไมต่ อ่ สายไฟ X กบั ตวั ตา้ นทาน ความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั แบตเตอรแ่ี ละกระแสไฟฟา้ ในวงจรมคี ่าแตกต่างจากเมือ่ ต่อสายไฟ X กบั ตัวตา้ นทานอ่นื ๆ อย่างไร แนวคำ�ตอบ ในขณะที่ยังไม่ต่อสายไฟ X กับตัวต้านทาน ความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอร่ี มคี า่ มากท่สี ดุ แตก่ ระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

284 บทที่ 14 | ไฟฟ้ากระแส ฟสิ ิกส์ เลม่ 4 เม่ือต่อสายไฟ X กบั ตวั ตา้ นทานทมี่ คี า่ เพ่มิ ขน้ึ ความตา่ งศักยร์ ะหวา่ งขวั้ แบตเตอร่ี และกระแสไฟฟ้าในวงจรมีการเปล่ียนแปลงอยา่ งไร แนวค�ำ ตอบ เมอื่ ตอ่ สายไฟ X กบั ตวั ตา้ นทานทม่ี คี า่ เพม่ิ ขน้ึ ความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั แบตเตอรี่ มคี ่าเพ่ิมขนึ้ แต่กระแสไฟฟ้ามคี า่ ลดลง กราฟระหวา่ งความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขวั้ แบตเตอรกี่ บั กระแสไฟฟา้ มลี กั ษณะอยา่ งไร และสามารถ อธิบายความสัมพนั ธ์ระหว่างปริมาณทงั้ สองได้อยา่ งไร แนวคำ�ตอบ กราฟมลี กั ษณะเปน็ กราฟเสน้ ตรงทมี่ คี วามชนั เปน็ ลบ ซงึ่ อธบิ ายไดว้ า่ ความสมั พนั ธ์ ระหว่างปริมาณท้ังสองเป็นความสัมพันธ์เชิงเส้น โดยความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอร่ีลดลง เมอ่ื กระแสไฟฟ้าเพ่มิ ขึ้น อภปิ รายหลังการทำ�กจิ กรรม ครแู ละนกั เรยี นรว่ มกนั อภปิ รายผลการท�ำ กจิ กรรมโดยใชค้ �ำ ถามทา้ ยกจิ กรรม 14.2 จนไดข้ อ้ สรปุ ดังน้ี 1. ขณะยังไม่ต่อตัวต้านทานระหว่างขั้วแบตเตอร่ี ถือว่า ระหว่างขั้วแบตเตอรี่มีความต้านทาน สูงมากเป็นอนันต์ และเม่ือวัดความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอร่ี จะได้ค่ามากท่ีสุดและ ใกล้เคียงกับอเี อม็ เอฟแบตเตอร่ี 2. เมื่อต่อตัวต้านทานระหว่างขั้วแบตเตอร่ี ความต่างศักย์ระหว่างข้ัวแบตเตอร่ีมีค่าลดลง แตก่ ระแสไฟฟา้ มคี า่ มากขน้ึ โดยเมอื่ ตอ่ กบั ตวั ตา้ นทานทมี่ คี วามตา้ นทานนอ้ ยความตา่ งศกั ย์ ระหวา่ งขัว้ แบตเตอรมี่ ีคา่ นอ้ ย แต่กระแสไฟฟา้ มีค่ามาก 3. ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั แบตเตอรก่ี บั กระแสไฟฟา้ เปน็ ความสมั พนั ธ์ เชิงเส้น โดยความตา่ งศกั ย์ระหวา่ งขัว้ เพมิ่ ข้นึ แต่กระแสไฟฟ้าลดลง ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานในวงจรไฟฟ้าในหนังสือเรียนหน้า 207 โดย ใชร้ ปู 14.23 และรปู 14.24 ประกอบ แลว้ อภปิ รายรว่ มกนั จนสรปุ ไดต้ ามความสมั พนั ธต์ ามสมการ (14.6) โดยครูควรเน้นว่า ปริมาณ Ir เป็นพลังงานที่ประจุไฟฟ้าหนึ่งหน่วยสูญเสียให้กับความต้านทานภายใน แบตเตอร่ี ซง่ึ รวมทง้ั หมด พลงั งานทถ่ี า่ ยโอนใหก้ บั ความตา้ นทานภายในจะเทา่ กบั Q∆Vr ทง้ั น้ี ครอู าจถาม ค�ำ ถามชวนคดิ หนา้ 209 เพอ่ื ใหน้ กั เรยี นอภปิ รายเพอ่ื หาค�ำ ตอบรว่ มกนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี