บทที่3 กฎของโอห์ม
กฎของโอห์ม
แอมแปร์ โวลต์
กฎของโอห์ม
คือ
กฎที่กล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า(I) แรงดันไฟฟ้า (E) และความต้านทานในวงจรไฟฟ้า (R) ผู้ค้นพบความสัมพันธ์นี้คือ จอร์จ ไซมอน
โอห์ม นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน เขาพบว่าถ้าให้ความต้านทานไฟฟ้าคงที่และเพิ่มแหล่งจ่ายไฟฟ้าให้กับวงจร
กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรนี้จะเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแสดงดังรูป 3.1
รูป 3.1 แสดงวงจรการทดลองเรื่องกฏของโอห์มและค่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้ในวงจรและกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง E และ I
จากรูป 3.1 ก
เป็นวงจรไฟฟ้าประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้าปรับค่าได้ 0-12V ต่ออนุกรมกับแอมป์มิเตอร์และอนุกรมกับความต้านทาน RL ค่า
2โอห์ม เมื่อปรับแหล่งจ่าย
E=0V ค่ากระแสที่แอมป์มิเตอร์อ่านได้เท่ากับ 0 A
เมื่อปรับ E=2V ปรากฏว่าแอมป์มิเตอร์อ่านกระแสได้ =1A และเมื่อปรับ E = 4 V จะอ่านค่ากระแสได้ 2 A
จนกระทั่งปรับ E
= 12 V ปรากฏว่ากระแสเท่ากับ 6 A
เมื่อสังเกตดูจะพบว่าค่าของกระแส (I) เท่ากับอัตราส่วนระหว่างแรงดัน (E)กับค่าความต้านทาน (R) เช่น เมื่อ
E = 0 V และ R = 2
แอมแปร์ (AMPERE)
แอมแปร์ เป็นหน่วยวัดกระไฟฟ้า ใช้ตัวอักษรย่อว่า (A) และตัวอักษรของกระแสไฟฟ้า (ELECTRIC CUURENT) ใช้ย่อว่า (I) ความหมายของกระไฟฟ้าขนาด
1 แอมแปร์ คือประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์เคลื่อนที่ผ่านจุดๆหนึ่งภายในเวลา 1 นาทีเราสามารถเขียนสมการ ได้สมการ
I = Q / T
เมื่อ I คือ กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A)
Q คือ ประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น (COULOMBS)
T คือ เวลา
มีหน่วยเป็น
วินาที (SECONDS ย่อว่า Sec)
โวลต์ (Volts)
คือหน่วยของการวัดค่าความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุด ได้มาจากชื่อของท่าน โวลต์ตา (ผู้ค้นพบหลักการของเซลล์ไฟฟ้า ซึ่งต่อมาก็มีการสร้างแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าชนิดต่างๆออกมา)ความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุดก็เช่น ระหว่างขั้วบวกและลบของถ่านไฟฉาย 1 ก้อน ขนาด 1.5
โวลต์หรือขนาด 9 โวลต์หรือ
แบตเตอรี่รถยนต์ขนาด 12
โวลต์เป็นต้น
อักษรย่อของหน่วยวัดแรงดันไฟฟ้า
นี่คือ (V)
แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าชนิดต่างๆนั้น
มีหน้าที่เป็นตัวดันให้กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวนำไฟฟ้าเข้าสู่อุปกรณ์ต่างๆในวงจรไฟฟ้า ถ้าไม่มีแหล่งจ่ายไฟฟ้า (ก็คือ
ไม่มีความต่างศักย์
ระหว่างจุดต้นและปลายของวงจรไฟฟ้า ) กระแสไฟฟ้าก็ไม่สามารถเคลื่อนที่ไปในวงจรไฟฟ้าได้
ถ้าจะกล่าวถึงประจุไฟฟ้าก็สามารถบอกได้ว่า ประจุไฟฟ้าจำนวน
1 คูลอมบ์ที่มีพลังงาน 1 จูล(Joule) หมายถึง
ว่าประจุไฟฟ้านั้นมีแรงดันไฟฟ้า
1 โวลต์ เขียนเป็นสามารถได้ว่า
1 โวลต์ = 1 Joule
1
Coulomb
ความต่างคักดาไฟฟ้าระห่างจุด 2 จุด
สมมุติว่ามีประจุไฟฟ้า 2
ตัว คือ Q1 และ Q2 ซึ่ง Q1 มีแรงไฟฟ้า -17 V และ Q2
มีแรงดันไฟฟ้า +17
V ดังรูป 3.2
V1 = -17 volts
V2 =+17 volts
รูป 3.2 แสดงแรงดันไฟฟ้าของประจุไฟฟ้า Q1 และ Q2
กำลังไฟฟ้าและการสูญเสีย
กำลังไฟฟ้า Electric power
ความมากน้อยของงานที่ทำได้จะมีความสำคัญ
เท่ากับความรวดเร็วในการทำงานดังนั้นทั้งจำนวนและความเร็วของการทำงาน
จึงเป็นสิ่งจำเป็นในการพิจารณาหาขนาดของเครื่องกล ชนิดของวงจรไฟฟ้า
และอุปกรณ์ที่ต้องการ
อัตราของการทำงานหรือจำนวนของงานที่ได้ต่อหน่วยเวลานั้นหมายถึงกำลัง
เนื่องจากกำลัง หมายถึง
อัตราของการทำงาน ซึ่งปริมาณของมันสามารถพิจารณาหาค่าได้โดยเอาเวลาไปหาร จำนวนของงานที่ได้
นั่นคือ
เมื่อ
W คืองานที่ได้เป็นจูล t เวลาเป็นวินาที ดังนั้น P กำลังจึงมีหน่วยเป็นจูลต่อวินาที
ซึ่งทางไฟฟ้าเรียกว่าวัตต์ (Watt) (วัตต์ = จูล / วินาที) นอกจากหน่วยที่ใช้ในระบบ MKSA ตามที่กล่าวมานี้
ระบบอังกฤษก็มีใช้เหมือนกันซึ่งหน่วยกำลังก็จะได้ออกมาดังนี้
ในระบบอังกฤษนั้นหน่วยเบื้องต้นของกำลังที่มีจำนวนน้อยๆ
จะใช้ฟุต ปอนด์ต่อวินาที
และถ้าเป็นจำนวนมากแล้ว จะใช้หน่วยแรงม้า (Horse
Power) ซึ่ง
1 แรงม้าจะมีค่าเท่ากับ 550 ฟุต ปอนด์ต่อวินาที
ดังนั้นเมื่อคิด กำลัง (P) เป็นแรงม้าแล้วจะได้
และเมื่อคิดหาค่ากำลังที่ได้จากการหมุนของเพลาโดยอาศัยสมการ
ก็จะได้
n/t นั้น หมายถึงความเร็วรอบ
ซึ่งวัดเป็นรอบต่อวินาที และเมื่อใช้ n แทนค่าของมันในสมการก็จะได้
ตามที่ได้อธิบายมาแล้วเกี่ยวกับความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้านั้น
จะเห็นว่าหน่วยมูลฐานมาจากหน่วยของพลังงาน (จูล) ต่อหน่วยของประจุไฟฟ้า (คูลอมบ์) นั้นคือ
และในทำนองเดียวกันก็ได้แสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้านั้นหมายถึงประจุไฟฟ้า
(คูลอมบ์)ที่ไหลต่อหน่วย เวลา (วินาที) นั่นคือ
ดังนั้นเมื่อนำแรงเคลื่อนไฟฟ้าคูณกระแสไฟฟ้าก็จะได้
ตามที่ได้อธิบายมาแล้วจะเห็นว่า
จำนวนพลังงานต่อหน่วยเวลา หมายถึงกำลังฉะนั้นกำลังไฟฟ้าที่มีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt) จึงสามารถหาได้จากสมการ
P =
EI
การสูญเสีย
กำลังไฟฟ้าที่ใช้ในวงจรไฟฟ้าบอกให้เรารู้ว่างานจะต้องถูกทำในวงจรเท่าไร งานมีทั้งแบบนำไปใช้ประโยชน์และสูญเปล่า กำลังงานที่ใช้แล้วก่อให้เกิดงานที่สูญเปล่า
เราเรียกว่ากำลังงานสูญเปล่า ถ้ามองในรูปของแหล่งจ่ายกำลังงานๆ
ที่สูญเปล่าไม่ได้นำไปใช้ทำงานที่เป็นประโยชน์ขึ้นมา ยกตัวอย่าง เช่น
ในการผลิตกระแสไฟฟ้าส่งจ่ายให้กับตามบ้านเรือนถ้าหากมีกำลังงานสูญเสียอาจจะเกิดในการผลิตการส่ง
และการใช้งานมากเราถือว่าไม่ประหยัด ฉะนั้นในการทำงานจริงๆ
เกี่ยวกับทางด้านไฟฟ้าจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องหาวิธีการต่างๆ
เพื่อลดกำลังงานสูญเสียให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้
กำลังงานสูญเสียในวงจรไฟฟ้าที่เห็นกันมากที่สุดจะเป็นในรูปความร้อน
ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน
ความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนที่เกิดขึ้นกับกระแสเราเขียนได้ด้วยสมการดังนี้
P = I2R
เมื่อ P เป็นกำลังงานในรูปความร้อนที่เกิดขึ้น
จะสังเกตจากสมการได้ว่าการที่จะลดความร้อนที่เกิดขึ้นได้จะต้องลดกระแสหรือความต้านทานให้น้อยลงหรือทั้งสองอย่าง
กำลังงานที่สูญเสียเป็นความร้อน
บางครั้งเราเรียกว่า ความร้อนไอกำลังสองอาร์ นอกจากเราจะได้พบกับที่เกิดขึ้นกับตัวต้านทานยังเกิดกับลวดสายไฟฟ้าในวงจรซึ่งปกติเกิดขึ้นน้อยมากทั้งนี้เป็นเพราะชนิดของสารที่ใช้และขนาดของขดลวดให้ค่าความต้านทานต่ำ
ในกรณีของตัวต้านทานก็เช่นกัน ความร้อน I2R
จะเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ตราบเท่าที่เราไม่สามารถเปลี่ยนแปลงค่ากระแสในวงจรและค่าความต้านทานของตัวต้านทานโดยไม่มีผลต่อการทำงานของวงจรได้เลย
รูป 3.3 เปรียบเทียบการแบ่งประเภทของกำลังงาน
แต่ในอุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิด
เช่น เตาปิ้ง (Toaster) และเตารีด ความร้อน I2R แทนที่จะคิดว่าสูญเปล่ากลับถือว่าเป็นสิ่งที่ต้องการเอาไปใช้ประโยชน์
ฉะนั้นจึงสรุปได้ว่ากำลังงานจะถือว่าเป็นประโยชน์หรือสูญไปเปล่าขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ในการใช้งาน