ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 1 : กระแสไฟฟ้า
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

กระแสไฟฟ้า

ไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการดำเนินชีวิตของมนุษย์ ในปัจจุบัน พลังงานรูปแบบต่างๆ ถูกแปลงรูปเป็นพลังงานไฟฟ้า เพื่อนำมาใช้ในเครื่องใช้ต่างๆ ในกิจวัตรประจำวัน หลายกิจกรรมของมนุษย์ล้วนใช้ไฟฟ้าทั้งสิ้น ดังนั้นไฟฟ้าจึงมีความสำคัญต่อมนุษย์ ในบทนี้เราจะได้ศึกษาแหล่งกำเนิดไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในวงจร ปริมาณไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง สมบัติทางไฟฟ้าของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บางชนิด ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก และการนำความรู้เหล่าไปประยุกต์ใช้เพื่อให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์

กระแสไฟฟ้า

เมื่อนำอิเล็กโทรสโคปแผ่นโลหะสองชุดมาวางใกล้กัน ทำให้ชุดหนึ่งมีประจุไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำและอีกชุดหนึ่งมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า (รูป ก.) แล้วนำลวดโลหะวางพาดบนจานโลหะทั้งสอง จะพบว่า แผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปที่เป็นกลางกางออกเล็กน้อย ส่วนแผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปที่มีประจุไฟฟ้าหุบลงเล็กน้อย (รูป ข.)

การกางของแผ่นโลหะบางของอิเล็กโทรสโคปทั้งสองเมื่อมีการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า

การที่แผ่นโลหะบางกางออก แสดงว่า อิเล็กโทรสโคปซึ่งเดิมเป็นกลางมีประจุไฟฟ้าโดยรับประจุไฟฟ้าจากอิเล็กโทรสโคปที่มีประจุไฟฟ้าให้ผ่านทางลวดโลหะ เรียกการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าผ่านลวดโลหะว่า กระแสไฟฟ้า (electric current) หรืออาจกล่าวได้ว่า เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในตัวนำ จะเกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำนั้น

การถ่ายโอนประจุไฟฟ้าข้างต้น เกิดขึ้นเพราะมีความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรสโคปทั้งสอง เพราะความต่างศักย์เกิดขึ้นในลวดโลหะในเวลาที่สั้นมาก จึงมีกระแสไฟฟ้าในช่วงสั้น ดังนั้น ถ้าต้องการให้มีกระแสไฟฟ้าเป็นเวลานาน จำเป็นต้องมีแหล่งพลังงานที่ทำให้กิดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำตลอดเวลา แหล่งพลังงานนี้เรียกว่า แหล่งกำเนิดไฟฟ้า ได้แก่ เซลล์ไฟฟ้าเคมี เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เซลล์สุริยะ และเซลล์เชื้อเพลิง เป็นต้น สิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ปลาไหลไฟฟ้า ปลาทะเลบางชนิดก็สามารถผลิตความต่างศักย์ได้เพื่อป้องกันตนเอง หรือจับเหยื่อมาเป็นอาหาร ปัจจุบันการประดิษบ์แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีรูปแบบและชนิดต่างๆ มากมาย เพื่อนำมาใช้ให้เหมาะสมกับงาน แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่คุ้นเคยมากที่สุดคือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เรียกว่า แบตเตอรี่

แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

การนำไฟฟ้า

เมื่อมีกระแสไฟฟ้าในตัวกลางใด เราอาจกล่าวได้ว่า มีการนำไฟฟ้าในตัวกลางนั้น และเรียกตัวกลางนั้นว่า ตัวนำไฟฟ้า การนำไฟฟ้าที่รู้จักดีที่สุด คือ การนำไฟฟ้าในโลหะ

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ
โลหะประกอบด้วยอะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 1-3 ตัว ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกยึดไว้ในอะตอมอย่างหลวมๆ ด้วยแรงไฟฟ้าให้เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนเหล่านี้หลุดจากอะตอมได้ง่าย และเคลื่อนที่โดยไม่อยู่ประจำอะตอมหนึ่งอะตอมใด จึงเรียกว่า อิเล็กตรอนอิสระ (free electron) ตามปกติการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำเป็นการเคลื่อนที่อย่างไร้ระเบียบคือไม่มีทิศทางที่แน่นอน เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion) เนื่องจากการเคลื่อนที่ในแต่ละช่วงเวลาไม่มีทิศทางแน่นอน ดังนั้น ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระแต่ละตัวจึงเป็นศูนย์

แต่เมื่อทำให้ปลายของแท่งโลหะมีความต่างศักย์จะเกิดสนามไฟฟ้าภายในแท่งโลหะนั้น แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่โดยมีความเร็วเฉลี่ยไม่เป็นศูนย์ คือ มี ความเร็วเลื่อนลอย (drift velocity) ทำให้มีกระแสไฟฟ้าในแท่งโลหะ ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในโลหะจึงเกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ

ตัวกลางอื่นๆ เช่น อิเล็กโทรไลต์ หลอดสุญญากาศ หลอดบรรจุก๊าซ และสารกึ่งตัวนำก็สามารถนำไฟฟ้าได้เช่นกัน แต่การนำไฟฟ้าในตัวกลางเหล่านี้เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในรูปแบบอื่น

กระแสไฟฟ้าในตัวนำไฟฟ้า

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในตัวกลางเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า จึงได้มีการกำหนดว่า กระแสไฟฟ้าในตัวกลางใดๆ คือ ประจุไฟฟ้าที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวกลางนั้นในหนึ่งหน่วยเวลา

การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าผ่านภาคตัดขวางของตัวกลาง
พิจารณาการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าผ่านภาคตัดขวางของตัวกลาง จากรูป

สมมติในเวลา t มีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจำนวน N ตัว เคลื่อนที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวกลาง ถ้าอนุภาคแต่ละตัวมีประจุไฟฟ้า q ดังนั้น ประจุไฟฟ้าทั้งหมด Q ที่ภาคตัดขวางจะเท่ากับ Nq

จากข้อกำหนดข้างต้น กระแสไฟฟ้า I จึงมีค่าดังนี้

------------------ สมการที่ (1)

ในสมการ (1) หน่วยกระแสไฟฟ้า คือ คูลอมบ์ต่อวินาที หรือ แอมแปร์ แทนด้วยสัญลักษณ์ A

อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : André Marie Ampère

เนื่องจากสนามไฟฟ้าทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นกระแสไฟฟ้า จึงมีการกำหนดให้ กระแสไฟฟ้าในตัวกลางมีทิศทางเดียวกับทิศของสนามไฟฟ้า โดยที่อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังบริเวณที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าจึงมีทิศจากตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า การกำหนดทิศของกระแสไฟฟ้าเช่นนี้ มิได้หมายความว่า กระแสไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ แต่กำหนดขึ้นเพื่อความสะดวกในการบอกทิศทางของกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า

การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามไฟฟ้า และทิศของกระแสไฟฟ้า I

ตัวนำโลหะที่ต่อกับแบตเตอรี่จะเกิดสนามไฟฟ้ามีทิศจากปลายที่ต่อกับขั้วบวกซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าสูง ไปยังปลายที่ต่อกับขั้วลบซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะ จึงมีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระหรือทิศของกระแสอิเล็กตรอน

ทิศของสนามไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าและกระแสอิเล็กตรอนในตัวนำโลหะ


เราอาศัยสมการ (1) หากระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะ ได้ดังนี้

ให้ n เป็นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระหรือจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในหนึ่งหน่วยปริมาตรของตัวนำ

ให้ v เป็นความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนอิสระ

ให้ e เป็นประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนอิสระ


(การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำโลหะผ่านพื้นที่หน้าตัด)

จากรูป ในช่วงเวลา t จำนวนอิเล็กตรอนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัด A คือ จำนวนอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำที่มีปริมาตร sA ซึ่งเท่ากับ nsA หรือ nvtA เนื่องจาก s = vt ดังนั้น ประจุไฟฟ้า Q ของอิเล็กตรอนอิสระจำนวน nvtA ตัว เท่ากับ nevtA

------------------ สมการที่ (2)

ตัวอย่างที่ 1 ลวดทองแดงเส้นหนึ่งมีพื้นที่หน้าตัด 1 ตารางมิลลิเมตร ถ้ามีกระแสไฟฟ้าในลวดนี้ 2 แอมแปร์ ขนาดความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนอิสรเป็นเท่าใด กำหนดให้ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนอิสระเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระของทองแดงเท่ากับ 8.4 x 1028


การที่หลอดไฟสว่างทันที เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระทุกตัวในสายไฟและไส้หลอดไฟได้รับแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าภายในตัวนำนั้นเกือบทันทีเมื่อต่อครบวงจร

ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ฟิสิกส์ เล่ม 3
ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ ฟิสิกส์ ม.4-5-6 บริษัทไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง จำกัด
คู่มือครูสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ม.6 สสวท 2544
จำนวนคนอ่าน 13087 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved