วิชาฟิสิกส์-ไฟฟ้าและแม่เหล็ก

1. กระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า  (I)  เกิดขึ้นจากการไหลของอิเล็กตรอน   ผ่านวัสดุชนิดหนึ่งนั่นคือการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า  อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ถ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าซึ่งสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองบริเวณ  เพราะฉะนั้น  ความต่างศักย์ไฟฟ้า  จึงจำเป็นในการทำให้เกิดกระแสไฟฟวงจรไฟฟ้า  เป็นวงจรปิดประกอบด้วยแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ  ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน                                       แรงเคลื่อนไฟฟ้า  (Electromotive force(e.m.f.))   หมายถึงความ ต่างศักย์ไฟฟ้าที่สร้างขึ้น   โดยเซลล์ไฟฟ้าแบตเตอรี่  หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งเป็นสาเหตูให้เกิดกระแสไฟฟ้า  ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจร แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ามี 2 ขั้วซึ่งใช้สำหรับต่อกับสายไฟ  แรงเคลื่อนไฟฟ้า-ย้อนกลับ  เป้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์ที่เป็นส่วนของวงจรนั้น  โดยให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าตรงกันข้ามกับแหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าหนักของวงจร คูลอมบ์  (Coulomb)  เป็นหน่วยของประจุไฟฟ้าในระบบ  เอสไอ  มีค่าเท่ากับกับประจุไฟฟ้่า                  ซึ่งผ่านจุดใดในตัวนำ  ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์  ไหลผ่านตัวนำนั้นใน 1 วินาที                                               กระแสตรง  (Direct current(d.c.))  เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลทิศทางเดียว  โดยปกติแล้วกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มี ศักย์ไฟฟ้า สูงกว่าไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าตำ่๋๋๋๋่่่่่่่่่กว่า   แต่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้า                                         แอมแปร์  (Ampere) (A) ในหน่วย เอสไอ  นิยามกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์คือ  กระแสที่ไหลผ่านสายไฟ 2 เส้นยาวมากห่างกัน 1 เมตร  และมีแรงกระทำกับสายไฟนี้ในสุญญากาศ สองคูนสิบยกกำลังลบเจ็ดนิวตัน ต่อความยาว 1 เมตร  เราสามารถวัดกระแสไฟฟ้าอย่างละเอียดได้โดยใช้ เครื่องชั่งกระแส ซึ่งเป็นการวัดแรงระหว่างขดลวด 2 ขด  ที่มีกระแสไหลผ่าน เครื่องชั่งกระแสใช้สำหรับเทียบมาตรฐานแอมมิเตอร์                                           กระแสสลับ  (Alternating  current(a.c.))  หมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลกลับไปกลับมา เกิดจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับ  เมื่อเขียนกราฟของกระแสไฟฟ้ากับเวลาจะได้รูปคลื่นของกระแสไฟฟ้่า  โดยทั่วไปค่ากระแสสลับและแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับเป็นค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง          การส่งไฟฟ้า(Electricity  supply)  ไฟฟ้าสำหรับใช้ตามบ้านเรือนและโรงงานอุตสาหกรรม                 ผลิตที่โรงไฟฟ้าโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ขนาดใหญ่ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าสลับ  ความถี่ 50 หรือ 60 เฮิรตซ์(Hz)                 ไฟฟ้ากระแสสลับ (ไม่เหมือนกับไฟฟ้ากระแสตรง)สามารถแปลงได้ง่าย เพื่อให้ได้ความต่างศักย์ไฟฟ้า ที่มาก                 ขึ้นหรือน้อยลง  แสดงว่าเมื่อโวลเตจสูงกระแสไฟฟ้าจะต่ำ  เมื่อส่งออกไปจะลดการสูญเสียพลังงานในสายส่ง                   ได้มาก  ไฟฟ้าถูกส่งไปยังบ้่านเรือนโดยสายไฟอย่างน้อย 2 เส้น จากสถานีจ่ายไฟย่อย  ในบางกรณีสายไฟสาย                 หนึ่งจะถูกเชื่อมต่อลงดินที่สถานีจ่ายไฟย่อยดังนั้นจะมีเพียงสายเดียวที่มี ศักย์ไฟฟ้า สูงกว่าดิน  ในบางประเทศ                 จะมีสายไฟเพิ่มอีก 1 สายต่อกับดินเพื่อความปลอดภัย    หมายเหตุ http://www.rmutphysics.com/charud/scibook/electric1/Elcetric_current2.htm    การนำไฟฟ้า เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า  ซึ่งประจุไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้ในตัวกลางหลายๆ   ชนิด เรียกสมบัติของตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้ว่า “ตัวนำไฟฟ้า” ขณะที่มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำ     แสดงว่า “มีการนำไฟฟ้า” การนำกระแสไฟฟ้าในโลหะ โลหะทุกชนิดเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี   เนื่องจากมี  “อิเล็กตรอนอิสระ” (Free electron)   โดยอิเล็กตรอน   เหล่านี้จะเคลื่อนที่โดยเสรีไม่เป็นระเบียบ    ไม่มีทิศทางแน่นอน    เรียก  “การเคลื่อนที่แบบ  Brownian”  ดังนั้น   ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระทุกตัวจึงเป็นศูนย์     แต่เมื่อทำให้ปลายทั้งสองของแท่งโลหะมีความต่างศักย์   ไฟฟ้า   เช่น    ต่อไว้กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า   จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายในแท่งโลหะ    แรงจากสนามไฟฟ้า   จะ   ทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ   โดยมีความเร็วเฉลี่ยไม่เป็นศูนย์   เรียกว่า “ความเร็วลอยเลื่อน”   (drift   velocity)    จึงมีกระแสไฟฟ้าในแท่งโลหะ    ดังนั้น   กระแสไฟฟ้าในโลหะจึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของ    อิเล็กตรอนอิสระ ลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในแท่งโลหะ ลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแท่งโลหะ เมื่อปลายทั้งสองมีความต่างศักย์ กระแสไฟฟ้าในตัวนำ “กระแสไฟฟ้า  คือ  ปริมาณของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางของตัวนำในเวลา 1 วินาที”     ถ้า …     Q       =     จำนวนประจุที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดไปในเวลา  t วินาที   (คูลอมบ์ ; C)         t        =      เวลาที่ประจุผ่านไป  (วินาที ; s)       I        =     กระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวนำนั้น  (แอมแปร์ ; A หรือ  คูลอมบ์ต่อวินาที)   จะได้ว่า …                                                        ดังนั้น …                                       ทิศของกระแสไฟฟ้า           1.  กระแสไฟฟ้า  จะมีทิศเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก หรือมีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ           2.  กระแสไฟฟ้า  มีทิศจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า   หมายเหตุ...การกำหนดทิศทางของกระแสไฟฟ้า   ไม่ได้หมายความว่า      กระแสไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์   แต่กำหนดขึ้น  เพื่อทำให้สะดวกต่อการบอกความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้า      หมายเหตุ http://www.thaigoodview.com/library/studentshow/2549/khonkhan/electric/content/4_1.htm ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้าล้วนเป็นสิ่งที่มีความสัมพันธ์เกี่ยวเนื่องกัน กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นหรือไหลผ่านได้มากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับลักษณะตัวนำไฟฟ้าว่ามีคุณสมบัติเป็นอย่างไร ความต่างศักย์ไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า คือ ความแตกต่างของพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าสูง (ศักย์ไฟฟ้าสูง) ไปยังจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าต่ำกว่า (ศักย์ไฟฟ้าต่ำ) และจะหยุดไหลเมื่อศักย์ไฟฟ้าทั้งสองจุดเท่ากัน ข้อควรรู้ ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดเปรียบได้กับการไหลของน้ำ ซึ่งจะไหลจากที่สูงไปยังที่ต่ำ และจะหยุดไหลเมื่อระดับน้ำเท่ากัน เครื่องมือที่ใช้วัดความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ (voltmeter) มีหน่วยการวัด คือ โวลต์ (volt) ใช้ตัวย่อแทนความต่างศักย์ว่า V สัญลักษณ์ของโวลต์มิเตอร์ คือ  กฎของโอห์ม  George  Simon  Ohm   นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน   พบว่า   เมื่อทำให้ปลายทั้งสองของลวดโลหะ  มีความต่างศักย์ไฟฟ้า จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดโลหะนี้   ซึ่งจากการทดลองจะได้ความสัมพันธ์ของ  กระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดโลหะมีค่าแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้า ระหว่างปลายทั้งสองของลวดโลหะ  เขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้ …                                                                 I               µ           V                  ดังนั้น …                                                                 I               =              kV    (k เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน)                 จะได้ว่า …                                                           กฎของโอห์ม   "เมื่ออุณหภูมิคงที่  ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านโลหะตัวนำหนึ่งจะมีค่าแปรผัน ตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำนั้น     โดยอัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าย่อมมีค่าคงที่   เรียกว่า  ความต้านทาน"     สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า ความสัมพันธ์ของความต่างศักย์ไฟฟ้า (V)  และกระแสไฟฟ้า ()  เพื่อหาความต้านทานของลวดโลหะตามกฎของโอห์ม  จะได้ว่า ...         1.  ความต้านทาน (R) ของลวดโลหะแปรผันกับความยาว () ของลวดโลหะ  เมื่อภาคตัดขวาง (A) มีค่าคงตัว          2.  ความต้านทาน (R) ของลวดโลหะจะแปรผกผันกับภาคตัดขวาง(A)ของลวดโลหะ  เมื่อความยาว ()ของลวดคงที่          เขียนความสัมพันธ์ได้ว่า …                                                                                                          เมื่อ …                   r         =         ค่าคงตัว เรียกว่า สภาพต้านทาน (resistivity)  มีหน่วยเป็น โอห์ม.เมตร (W.m)          ค่าสภาพต้านทานเป็นค่าเฉพาะของสารหนึ่งๆ  ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิคงตัวหนึ่ง จากสมการ ...                                                          พบว่า ... สภาพต้านทานของสารมีค่าเท่ากับความต้านทานของสารที่มีภาคตัดขวาง 1 m2  และมีความยาว 1 m อิทธิพลของอุณหภูมิต่อความต้านทาน 3  พลังงานในวงจรไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยแหล่งกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับชิ้นส่วนต่างๆ ในวงจร พลังงานไฟฟ้าที่ชิ้นส่วนเหล่านี้ได้รับนั้นถูกถ่ายโอนมาอย่างไร   แรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต่างศักย์ เมื่อต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ตัวต้านทาน หลอดไฟ ให้ครบวงจร จะมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น แสดงว่า มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าขณะเคลื่อนที่จะนำพลังงานจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าไปส่วนต่างๆ ของวงจร นั่นคือ พลังงานจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าถูกถ่ายโอนไปยังส่วนต่างๆ ของวงจรโดยการนำของประจุไฟฟ้า พลังงานนี้คือ พลังงานศักย์ไฟฟ้า (electrical potential energy) ในที่นี้จะเรียกว่า พลังงานไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านแหล่งกำเนิดไฟฟ้า คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force, e.m.f.) ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแทนด้วยสัญลักษณ์ E แรงเคลื่อนไฟฟ้าจึงไม่ใช่ "แรง" ตามความหมายทางกลศาสตร์ที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ แต่เป็น "พลังงานไฟฟ้าที่ถูกถ่ายโอนประจุไฟฟ้าระหว่างขั้วในแหล่งกำเนิดไฟฟ้า" ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้า W ประจุไฟฟ้า Q และแรงเคลื่อนไฟฟ้า E เขียนได้ดังนี้ W = QE เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านส่วนต่างๆ ของวงจร พลังงานของประจุไฟฟ้าจะลดลง เพราะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นๆ เช่น แสง และความร้อน เป็นต้น พลังงานไฟฟ้าที่ชิ้นส่วนต่างๆ ของวงจรใช้ต่อหนึ่งหน่วยประจุไฟฟ้า เรียกว่า ความต่างศักย์ หรือ โวลเตจ (Potential difference หรือ voltage) แทนด้วยสัญลักษณ์ V ดังนั้นความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้า W ประจุไฟฟ้า Q และความต่างศักย์ V จึงเขียนได้เป็น W = QV เนื่องจากพลังงานมีหน่วย จูล และประจุไฟฟ้ามีหน่วย คลอมบ์ ดังนั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้า และความต่างศักย์จึงมีหน่วย จูลต่อคูลอมบ์ หรือ โวลต์ ซึ่งแทนด้วยสัญลักษณ์ V เนื่องจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าทำให้เกิดความต่างศักย์ ความต่างศักย์เกี่ยวข้องกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าอย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองหาความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอรี่ จากการทดลองพบว่า ความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอรี่ขณะต่อกับตัวต้านทานค่าต่ำ มีค่าน้อยกว่าค่าที่ได้ เมื่อต่อกับตัวต้านทานค่าสูง และความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอรี่ขณะต่อกับตัวต้านทานค่าสูง หรือไม่มีตัวต้านทานจะมีค่าใกล้เคียงกับแรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้ดังนี้

นาย คณิศร สมพงษ์ ม6/2 เลขที่1

 วันเกิด11 เดือนกุมภาพันธ์ ปี2542

  

อายุ 17 ปี ชอบสีเขียว