Electricity

 ไฟฟ้ากระแส

          การศึกษาไฟฟ้ากระแส เป็นการศึกษา ผลจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในลวดตัวนำ ซึ่งเป็นผลให้
1. มีกระแสไฟฟ้าไหลในลวดตัวนำนั้น
2. มีพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปของพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปอื่นซึ่งในการศึกษาจะสนใจเฉพาะการเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อน

                   ดังนั้น สิ่งที่จะต้องสนใจเป็นอันดับแรก คือ การหาปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวนำนั้น

 

1. ปริมาณกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ

ปริมาณของกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ ( I ) วัดได้จากการไหลของประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางของลวดตัวนำในหนึ่งหน่วยเวลา

ซึ่งการหากระแสจากการคิดการเคลื่อนที่ขอประจุนี้   จะมีสูตรที่ต้องจำ 2 สูตร คือ

 

ซึ่งสูตร          คิดโดยการมองละเอียดไปถึงอิเลคตรอนอิสระ อันเป็นอนุภาคทึ่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วลอยเลื่อน ( v ) ในลวดตัวนำซึ่งมีพื้นที่ภาคตัดขวาง ( A ) นั้น

ส่วน สูตร  I   = Q / t นั้น   ถ้านำ I และ t   มาแสดงความสัมพันธ์ในรูปของกราฟ พื้นที่ใต้กราฟ จะให้ความหมาย   โดยหมายถึง จำนวนประจุที่ไหลในวงจรไฟฟ้า   ดังนี้

2. สมบัติของความต้านทานการไหลของกระแสของลวดตัวนำ

                   ในสภาวะปกติ ไม่มีลวดตัวนำใดที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสะดวก โดยไม่มีความต้านทาน
ซึ่งจากศึกษา พบว่า ค่าความต้านทานไฟฟ้าของลวดตัวนำจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับ ความยาวของลวดตัวนำ และ พื้นที่ภาคตัดขวางของลวดตัวนำ ดังนี้

ซึ่งนำมาเขียนเป็นสมการได้ว่า

ค่า  ρ   เรียกว่า สภาพต้านทานไฟฟ้า   ซึ่งเป็นค่าคงที่สำหรับโลหะที่นำมาทำเป็นลวดตัวนำ

3. การนำลวดตัวนำเส้นหนึ่งมาหลอมแล้วทำเป็นลวดตัวนำเส้นใหม่ที่มีขนาดเปลี่ยนไปโดยที่ยังมีความหนาแน่นของโลหะคงเดิม

การหลอมลวด ให้มีขนาดเล็กลงแล้วความยาวมากกว่าเดิม   หรือ ขนาดใหญ่ขึ้น แต่ความยาวสั้นลง รูปสมการจะเป็น

4. การหาความต้านทานรวม

การต่อความต้านทานที่จะศึกษา แบ่งเป็นแบบต่าง ๆ คือ
– แบบอนุกรม
– แบบขนาน
– แบบผสมระหว่างแบบอนุกรมและแบบขนาน     และ
– แบบบริดจ์ที่สมดุล

สิ่งที่เป็นสาระสำคัญเกี่ยวกับเรื่องนี้ คือ

1. ความต่างศักย์ ที่ตกบนความต้านทานแต่ละตัว

2.  กระแสที่ไหลผ่านความต้านทานแต่ละตัว

3. ความต่างศักย์ ที่ตกบนความต้านทานรวม

4. กระแสที่ไหลผ่านความต้านทานรวม

                   4.1 การต่อความต้านทานแบบอนุกรม

โดย ความต้านทานรวมแบบอนุกรม หาจาก

  สิ่งที่ได้จากการต่อความต้านทานรวมแบบอนุกรม

         1. V_รวม = V₁ +   V₂     +     V₃    +   ……

2.  I  ที่ผ่าน  R  ทุกตัว มีค่าเท่ากัน

4.2 การต่อความต้านทานแบบขนาน

ความต้านทานรวมแบบขนาน หาจาก

ส่วน การหา ความต้านทานรวมของการต่อของ R สองตัว   ทั้งค่าความต้านทานเท่ากัน และ ไม่เท่ากัน เป็นกรณีที่ควรให้ความสนใจ

คือ กรณี R ไม่เท่ากัน

กรณี R เท่ากัน 

สิ่งที่ได้จากการต่อความต้านทานรวมแบบขนาน

 V_รวม = V₁ =   V₂     =     V₃

I_รวม = I₁ +   I₂     +     I₃ 

4.3  การต่อความต้านทานแบบบริดจ์ที่สมดุล
        การต่อชุดความต้านทาน ที่ประกอบด้วยความต้านทาน 5 ตัว ดังรูป เรียกว่า “การต่อแบบวงจรบริดจฺ์   ซึ่งมีข้อกำหนดที่ต้องให้ความสำคัญ คือ หาอัตราส่วนของค่าต้านทานไฟฟ้า ของตัวต้านทานเป็นดังสมการ

จะทำให้ไม่มีกระแสไหลผ่านความต้านทานตัวกลาง  R5
ซึ่งกล่าวได้ว่า “ความต่างศักย์ไฟฟ้า”ที่ตกคร่อมบนความต้านทานตัวกลางมีค่าเท่ากับ “ศูนย์

ตามรููป  

 

5. ความต่างศักย์ระหว่างขั้วเซลไฟฟ้า และ แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลไฟฟ้า

ถึงแม้ความต่างศักย์ระหว่างขั้วเซลไฟฟ้าและแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลไฟฟ้า

จะมีหน่วยเป็น Volt เหมือนกัน แต่ความหมายจะต่างกัน ดังนี้

 – ความต่างศักย์ระหว่างขั้วเซลในขณะที่ยังไม่ต่อเป็นวงจร   เป็นค่าเดียวกับแรงเคลื่อนไฟฟ้า

  V   =   E

แต่ถ้าต่อเป็นวงจรเรียบร้อยแล้ว ความต่างศักย์ระหว่างขั้วเซล จะเป็นค่าความต่างศักย์ที่ตกคร่อม (Drop) บนค่าความต้านทานภายนอกเซลทั้งหมด

  V    =    IR_{ภายนอก}

ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าภายในเซล ซึ่งตกคร่อมบน r ภายในของเซล จะไม่สามารถวัดได้โดยเเครื่องมือ จะต้องคำนวณเอาจาก

V – IR     หรือ   Ir

6. การคำนวณปริมาณกระแสไฟฟ้ากระแส ( I )โดยสนใจการใหลของกระแสในวงจร

                   สื่งที่นักเรียนจะต้องหาก่อน แม้ว่าโจทย์จะไม่ถาม ก็คือ ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจร   เพราะ ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจร(I) จะเป็นค่าที่ถูกนำไปหาค่าอื่น ๆ ที่โจทย์ต้องการ

6.1 กรณีที่ สนใจเพียงบางส่วนของวงจร โดยส่วนที่สนใจนั้นไม่มี Battery   การหากระแสให้ใช้ กฏของโอห์ม คือ 

แต่ถ้าส่วนขอแงวงจรที่สนใจนั้น นอกจากจะมี ความต้านทาน แล้ว ยังมี battery อยู่ด้วย   ให้ใช้สูตร 

ซึ่งสูตรหลังนี่สามารถแทนใช้ แทน กฏของโอห์ม ได้

6.2 กรณีที่โจทย์ ให้วงจรมาครบวง(มี Battery) มาด้วย ให้ใช้สูตร

 

7. การคำนวณ พลังงานไฟฟ้า และ กำลังไฟฟ้า

ในเรื่องที่เกี่ยวข้องกับพลังงานไฟฟ้าสิ่งที่โจทย์ มักถาม ก็คือ การเปลี่ยนรูปของพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปอื่นโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เป็นพลังงานความร้อน

การคำนวณห้ใช้หลักการ

W   = Pt —— กลายเป็น ——–> Heat

 โดย Heat   อาจเป็น        หรือ      แล้วแต่กรณี

โดยกำลังไฟฟ้า ( P ) นั้น มีรูปสมการที่ต้องจำ คือ 

นอกจากนี้ ยังต้องสามารถ หาค่า กำลังไฟฟ้า   เมื่ออุปกรณ์ไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับความต่างศักย์ที่ลดลงไปจากที่กำหนด ด้วย โดยใช้สมการ

8. เครื่องวัดทางไฟฟ้า

เครื่องวัดทางไฟฟ้า ที่ศึกษาและคิดคำนวณ ในช้นนี้ คือ

  – แอมมิเตอร์  และ
– โวลต์มิเตอร์

โดยลักษณะเฉพาะของ   “ กัลวานอมิเตอร์ “ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่นำมาดัดแปลงเป็น แอมมิเตอร์ และเป็น โวลต์มิเตอร์   ว่าเป็น ขดลวดวางในสนามแม่เหล็กที่มีเข็มชี้สเกลติดอยู่ และ หมุนได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไป มีค่าความต้านทานต่ำ และทนต่อกระแสได้น้อย

การคำนวณ เกี่ยวกับ แอมมิเตอร์

ใช้สมการ

 I_g  .  R_{g       =}     ( I – I_g ) . S

แอมมิเตอร์  ที่ดีจะต้องมีค่าความต้านทานน้อย    และในการนำไปวัดกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตามสายใดต้องต่อแทรกหรือต่ออนุกรมเข้าไปในสายนั้น

การคำนวณ เกี่ยวกับ โวลต์มิเตอร์ 

ใช้สมการ

   V   =   I_g ( R_g + R_X )

โวลต์มิเตอร์ ที่ดีจะต้องมีค่าความต้านทานสูงๆ   ในการนำไปวัดความต่างศักย๋ระหว่างสองจุดใด ๆ จะต้องต่อขนานกับสองจุดที่ต้องการวัดความต่างศักย์นั้น

โจทย์ ไฟฟ้ากระแส 1

(คลิป วิคราะห์และแก้ปัญหาโจทย์ อยู่ระหว่างดำเนินการ)

โจทย์ ไฟฟ้ากระแส 2

(คลิป วิคราะห์และแก้ปัญหาโจทย์ อยู่ระหว่างดำเนินการ)

โจทย์ ไฟฟ้ากระแส 3

(คลิป วิคราะห์และแก้ปัญหาโจทย์ อยู่ระหว่างดำเนินการ)