ปริมาณทางไฟฟ้า2

เครื่องมือวัดกระแสไฟฟ้า 

      เครื่องมือที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้า เรียกว่า แอมมิเตอร์ ( Ammeter )   มีหน่วยการวัด คือ  แอมแปร์       ( Ampere )   ใช้ตัวย่อแทน ว่า   " A " 
  

สัญลักษณ์ของแอมมิเตอร์ คือ  

 




   



 
                                   ภาพแอมมิเตอร์
 

           เมื่อต้องการวัดกระแสไฟฟ้า ทำได้โดยการนำแอมมิเตอร์ต่อแทรกลงในสาย หรือต่อ     แบบอนุกรม ที่ต้องการทราบค่ากระแสไฟฟ้า ณ จุดนั้น ๆ ในวงจร

                                                      ภาพ  การต่อแอมมิเตอร์ในวงจรไฟฟ้า                

การอ่านค่ากระแสไฟฟ้า      

                                                        ภาพหน้าปัดแอมมิเตอร์

   การอ่านหน้าปัดของแอมมิเตอร์ ให้นักเรียนต่อหลอดไฟฟ้ากับถ่านไฟฉาย 1 ก้อน และแอมมิเตอร์

 นักเรียนนำสายขั้วลบ ( สายสีดำ ) ต่อเข้ากับจุด P ของแอมมิเตอร์ และนำสายขั้วบวก ( สายสีแดง ) ต่อเข้ากับจุด A  ของแอมมิเตอร์ ซึ่งมีตัวเลขกำกับว่า 2 mA  แสดงว่า หน้าปัดเต็มของแอมมิเตอร์จะอ่านได้สูงสุด 2 mA   และถ้าเข็มของแอมมิเตอร์เบนไปครึ่งหนึ่งของหน้าปัด จะอ่านค่ากระแสไฟฟ้าได้ 1 mA 

คุณสมบัติของแอมมิเตอร์ที่ดี 

                 1.  ต้องมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำ เพราะต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านแอมมิเตอร์ให้

มากที่สุด

               2.  มีความแม่นยำสูง  เมื่อนำแอมมิเตอร์ไปต่ออนุกรมในวงจรแล้ว จะไม่ทำให้

ความต้านทานไฟฟ้ารวมของวงจรเปลี่ยนแปลง ทำให้กระแสไฟฟ้าที่วัดได้มีความแม่นยำสูง หรือมีความผิดพลาดจากการวัดน้อย

            3. มีความไว ( Sensitivity ) สูง แอมมิเตอร์ที่ดีจะสามารถตรวจวัดค่ากระแสไฟฟ้าน้อยๆได้     กล่าวคือ แม้วงจรจะมีกระแสไฟฟ้าไหลเพียงเล็กน้อย แอมมิเตอร์ก็สามารถตรวจวัดค่าได้ 

            

                 ความต่างศักย์ไฟฟ้า ( Electrical  Potential )

ความต่างศักย์ไฟฟ้า หมายถึง ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด ในวงจรไฟฟ้า  ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าพาพลังงานไฟฟ้าไหลจากจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าสูง ( ศักย์ไฟฟ้าสูง ) ไปยังจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าต่ำกว่า ( ศักย์ไฟฟ้าต่ำ ) และจะหยุดไหลเมื่อศักย์ไฟฟ้าทั้งสองจุดเท่ากัน 

 เมื่อเปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน กระแสไฟฟ้าจะเป็นตัวนำพลังงานไฟฟ้ามาส่งให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้า  เพื่อให้เครื่องใช้ไฟฟ้าได้นำพลังงานไฟฟ้าไปเปลี่ยนรูปต่อไป ปริมาณของพลังงานไฟฟ้าที่จุดใด ๆ เรียกว่า ศักย์ไฟฟ้า

                                    

 ศักย์ไฟฟ้า ( Electric Potential )    หมายถึง ระดับของพลังงานไฟฟ้า
   

ศักย์ไฟฟ้ามี  2  ชนิด คือ    1)  ศักย์ไฟฟ้าสูง หมายถึง จุดหรือบริเวณที่มีพลังงานไฟฟ้าสูง 

                        2)  ศักย์ไฟฟ้าต่ำ หมายถึง จุดหรือบริเวณที่ไม่มีพลังงานไฟฟ้า ( พลังงานไฟฟ้า = 0 )

 ความแตกต่างของระดับพลังงานไฟฟ้าระหว่าง 2 จุด เรียกว่า ความต่างศักย์ไฟฟ้า

ความต่างศักย์ไฟฟ้าเปรียบได้กับการไหลของน้ำ โดยน้ำจะไหลจากจุดที่มีระดับน้ำสูงไปยังจุดที่มีระดับน้ำต่ำ จะหยุดไหลเมื่อระดับน้ำทั้งสองจุดเท่ากัน
หรือ  ความต่างศักย์ไฟฟ้าเปรียบได้กับการเอียงปลายท่อน้ำ ถ้าท่อน้ำวางตัวอยู่เกือบเท่ากับแนวระดับน้ำน้ำจะไหลได้เพียงเล็กน้อย  แต่ถ้าปลายท่อน้ำอยู่ต่ำกว่าส่วนต้นของท่อน้ำ อัตราการไหลของน้ำจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ความแตกต่างของระดับความสูงเป็นสาเหตุทำให้น้ำไหลได้มากขึ้น การเพิ่มความต่างศักย์ไฟฟ้าก็เป็นสาเหตุที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มากขึ้น ดังภาพ

                                       ภาพ ความต่างศักย์ไฟฟ้าเปรียบได้กับการเอียงปลายท่อน้ำ

เครื่องมือวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า 

              เครื่องมือที่ใช้วัดความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ ( Voltmeter )      

 มีหน่วยการวัด คือ  โวลต์ ( Volt )   ใช้ตัวย่อแทนความต่างศักย์ไฟฟ้าว่า   " V "

สัญลักษณ์ของโวลต์มิเตอร์   

 เมื่อต้องการวัดความต่างศักย์ระหว่างจุด 2 จุดใดๆ ในวงจรไฟฟ้า สามารถทำได้โดยการนำโวลต์มิเตอร์ต่อคร่อมระหว่าง 2 จุดนั้น เรียกการต่อลักษณะนี้ว่า การต่อแบบขนาน   ดังภาพ

                                              ภาพ การต่อโวลต์มิเตอร์ในวงจรไฟฟ้า

การอ่านค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า

                                           ภาพ โวลต์มิเตอร์และการอ่านในวงจรไฟฟ้า  

การอ่านหน้าปัดของโวลต์มิเตอร์ โดยนักเรียนนำสายขั้วลบ ( สายสีดำ ) ต่อเข้ากับจุด P  ของโวลต์มิเตอร์ และนำสายขั้วบวก ( สายสีแดง ) ต่อเข้ากับจุด A ของโวลต์มิเตอร์  ซึ่งมีตัวเลขกำกับว่า 3 V  แสดงว่า หน้าปัดเต็มของโวลต์มิเตอร์จะอ่านได้สูงสุด 3 V  ถ้าเข็มของเครื่องวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าเบนไปครึ่งหนึ่งของหน้าปัด ก็อ่านค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าได้  1.5 V

          การที่กระแสไฟฟ้าไหล เนื่องมาจากความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า และความต่างศักย์ไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแต่ละชนิดก็จะไม่เท่ากัน เช่น ถ่านไฟฉายมีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ แบตเตอรี่รถยนต์มีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 12 โวลต์ ส่วนสายไฟฟ้าภายในบ้านมีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 220 โวลต์ ทั้งนี้ ถ้าความต่างศักย์ไฟฟ้ามีค่ามากขึ้น ระดับพลังงานไฟฟ้าก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งจะมีผลและเกิดอันตรายได้ง่าย

คุณสมบัติของโวลต์มิเตอร์ที่ดี

       1.  ต้องมีความต้านทานไฟฟ้าสูงที่สุด เพราะไม่ต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านโวลต์มิเตอร์

       2.  มีความแม่นยำสูง ซึ่งเกิดจากการนำตัวความต้านทานที่มีค่าสูงมากๆ มาต่อแบบอนุกรมเพื่อป้องกันไม่ให้มีกระแสแยกไหลผ่านโวลต์มิเตอร์ ทำให้กระแสไหลผ่านจุดที่ต้องการวัดทั้งหมด ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่วัดได้ จึงมีความผิดพลาดน้อย

       3.  มีความไวสูง แม้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ามีค่าต่ำมากก็สามารถตรวจวัดได้

   การที่กระแสไฟฟ้าไหล เนื่องมาจากความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า และ ความต่างศักย์ไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแต่ละชนิดก็จะไม่เท่ากัน เช่น ถ่านไฟฉายมีความต่างศักย์ประมาณ 1.5 โวลต์ แบตเตอรี่รถยนต์มีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 12 โวลต์ ส่วนสายไฟฟ้าภายในบ้านมีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 220 โวลต์ ทั้งนี้  ถ้าความต่างศักย์ไฟฟ้ามี  ค่ามากขึ้น ระดับพลังงานไฟฟ้าก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งจะมีผลและเกิดอันตรายได้ง่าย

ความต้านทานไฟฟ้า( Resistance )

       นักเรียนจะพบว่า กระแสไฟฟ้าจะไหลได้เมื่อจุด 2 จุดในวงจรไฟฟ้ามีศักย์ไฟฟ้าแตกต่างกันกระแสไฟฟ้าจึงมีควาสัมพันธ์กับความต่างศักย์ไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปในสายไฟฟ้าหรือลวดตัวนำไฟฟ้า  ตัวนำไฟฟ้าสร้างความต้านทานไฟฟ้าขึ้นทันที ความต้านทานไฟฟ้าจึงเป็นอุปสรรคในการไหลของกระแสไฟฟ้า 

           ความต้านทานไฟฟ้า ( Resistance ) หมายถึง สถานะที่เกิดขึ้นบนตัวนำไฟฟ้า เพื่อต่อต้านหรือขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า

                                  ความต้านทานไฟฟ้า  เขียนแทนด้วยอักษร " R "   จะมีหน่วยเป็น โอห์ม ( 

สัญลักษณ์ความต้านทานไฟฟ้า  

        เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปในลวดตัวนำไฟฟ้าก็จะชนกับอะตอมของลวดตัวนำไฟฟ้า  อะตอมของตัวนำไฟฟ้าจะสร้างความต้านทานไฟฟ้าขึ้นทันที  การไหลของกระแสไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้าในลวดตัวนำไฟฟ้าเปรียบเทียบได้กับการไหลของน้ำในท่อ  ดังภาพ

             ภาพเปรียบเทียบการไหลของน้ำในท่อและการไหลของกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำไฟฟ้า

สารหรือวัตถุที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองได้ เรียกสารนั้นว่า ตัวนำไฟฟ้า

ตัวนำไฟฟ้า ( Conductor ) 

ตัวนำไฟฟ้า ( Conductor ) คือ  สารหรือวัตถุที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองได้  ได้แก่  โลหะทุกชนิด   จึงนำเอาโลหะเหล่านั้นมาผลิตเป็นเส้นลวด เรียกว่า ลวดตัวนำไฟฟ้า

           โลหะแต่ละชนิดจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองได้มากหรือน้อยไม่เท่ากัน  โลหะที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มาก เรียงตามลำดับจนถึงโลหะที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อย   ได้แก่  1.  เงิน   2. ทองแดง   3. ทองคำ   4. อลูมิเนียม    5. ทังสเตน    6. สังกะสี    7. ทองเหลือง    8. เหล็ก     9. พลาตินั่ม    10. คาร์บอน  

   และในทำนองเดียวกัน สารหรือวัตถุที่ไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองได้เรียกว่า ฉนวนไฟฟ้า

ฉนวนไฟฟ้า ( Insulator ) 










  
ฉนวนไฟฟ้า หมายถึง สารหรือวัตถุที่ไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองได้  ได้แก่  1.น้ำบริสุทธิ์      2. PVC  3. ยาง  4. ไมก้า  5. สุญญากาศ  6. กระเบื้องเคลือบ 7. ยาง  8. แก้ว  9. ไม้ 10. พลาสติก

        ลวดตัวนำไฟฟ้า ส่วนใหญ่นำมาใช้เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้า และเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิด เช่น สายไฟฟ้า ลวดความร้อนหรือ แผ่นความร้อนของเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานความร้อน เช่น เตารีดไฟฟ้า  หม้อหุงข้าวไฟฟ้า  หรือเป็นส่วนประกอบภายในเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้แสงสว่างเช่น ไส้หลอดไฟฟ้าทุกชนิด แบลลัสต์ เป็นต้น  เครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้เมื่อเปิดใช้งาน จะสร้างความต้านทานไฟฟ้าขึ้นทันที ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชิ้นก็คือ ตัวต้านทานไฟฟ้า หนึ่ง ๆ นั่นเอง

            ความต้านทานไฟฟ้าในลวดตัวนำไฟฟ้าและเครื่องใช้ไฟฟ้า จะมีค่าความต้านทานไฟฟ้ามาก หรือน้อยขึ้นอยู่ปัจจัยใดบ้าง

 

ปัจจัยที่มีผลต่อความต้านทานไฟฟ้าของลวดตัวนำไฟฟ้า

          1)  ชนิดของตัวนำไฟฟ้า หรือชนิดของโลหะตัวนำไฟฟ้า 

              - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้าเป็นโลหะบริสุทธิ์     จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) ต่ำ

              - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้าเป็นโลหะผสม         จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) สูง

           2)   ขนาดหรือพื้นที่หน้าตัดของตัวนำไฟฟ้า ( A )

            - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ (พื้นที่หน้าตัดมาก) จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) ต่ำ

            - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้ามีขนาดเล็ก (พื้นที่หน้าตัดน้อย) จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R)สูง    

          3)  ความยาวของตัวนำไฟฟ้า  ( L )

              - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้ามีความยาว ( L ) มาก     จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) สูง

              - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้ามีความยาว ( L) น้อย      จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) ต่ำ
 

         4)  อุณหภูมิของลวดตัวนำไฟฟ้า

               - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้ามีอุณหภูมิ ( T ) สูง      จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) สูง

               - ถ้าลวดตัวนำไฟฟ้ามีอุณหภูมิ ( T ) ต่ำ      จะมีความต้านทานไฟฟ้า ( R ) ต่ำ

             ความต้านทานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนตัวนำไฟฟ้า จึงเป็นอุปสรรคในการส่งพลังงานไฟฟ้าให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้า  ซึ่งทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าได้รับพลังงานไฟฟ้าไม่เต็มที่ เกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า  ดังนั้นจะมีวิธีการใด ที่จะทำให้ตัวนำไฟฟ้าไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเกิดขึ้นเลย หรือทำให้ตัวนำไฟฟ้ามีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์   ซึ่งสามารถทำได้โดยทำให้ตัวนำไฟฟ้านั้นกลายเป็น ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ( Superconductor )

ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด  ( Superconductor )

ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด   หมายถึง สารที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิต่ำมาก ๆ โดยความต้านทานไฟฟ้าจะลดลง เมื่ออุณหภูมิลดลง และถ้าลดอุณหภูมิลงถึง ประมาณ 4 - 15 K  หรือ  - 268.85 °C แล้ว ตัวนำไฟฟ้า เช่น ปรอท จะหมดความต้านทานไฟฟ้า หรือมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์

 

                              ภาพ แท่งแม่เหล็กกำลังลอยอยู่เหนือตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด

ในปัจจุบัน มีการนำแม่เหล็กและตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด มาใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆมากมาย เช่น ในด้านการขนส่ง อุตสาหกรรม การแพทย์ และอื่น ๆ

                   ภาพ ยานพาหนะเคลื่อนที่ได้โดยไม่ใช้ล้อ หรือลอยอยู่เหนือราง และการแพทย์

   

ในบทต่อไปนักเรียนจะได้เรียนรู้ถึงความสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้าและกฎของโอห์ม