แรงดัน กระแส ความต้านทาน และกฎของโอห์ม: 5 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:09

ครอบคลุมในบทช่วยสอนนี้

ประจุไฟฟ้าสัมพันธ์กับแรงดัน กระแส และความต้านทานอย่างไร

แรงดัน กระแส และความต้านทานคืออะไร

กฎของโอห์มคืออะไรและจะใช้อย่างไรให้เข้าใจไฟฟ้า

การทดลองง่ายๆ เพื่อแสดงแนวคิดเหล่านี้

ขั้นตอนที่ 1: ประจุไฟฟ้า

ประจุไฟฟ้าเป็นสมบัติทางกายภาพของสสารที่ทำให้สัมผัสกับแรงเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ประจุไฟฟ้ามีสองประเภท: บวกและลบ (มักดำเนินการโดยโปรตอนและอิเล็กตรอนตามลำดับ) เหมือนประจุขับไล่และไม่ดึงดูด การไม่มีประจุสุทธิเรียกว่าเป็นกลาง วัตถุจะมีประจุลบหากมีอิเล็กตรอนมากเกินไป และมีประจุบวกหรือไม่มีประจุ หน่วยประจุไฟฟ้าที่ได้มาจาก SI คือคูลอมบ์ (C) ในทางวิศวกรรมไฟฟ้า เป็นเรื่องปกติที่จะใช้แอมแปร์-ชั่วโมง (Ah); ในวิชาเคมี เป็นเรื่องปกติที่จะใช้ประจุพื้นฐาน (e) เป็นหน่วย สัญลักษณ์ Q มักหมายถึงการชาร์จ ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปฏิกิริยาของสารที่มีประจุเรียกว่าอิเล็กโทรไดนามิกแบบคลาสสิก และยังคงแม่นยำสำหรับปัญหาที่ไม่ต้องคำนึงถึงผลกระทบของควอนตัม

ประจุไฟฟ้าเป็นสมบัติพื้นฐานของการอนุรักษ์อนุภาคย่อย ซึ่งกำหนดปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของพวกมัน สสารที่มีประจุไฟฟ้าได้รับอิทธิพลจากหรือสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า อันตรกิริยาระหว่างประจุที่เคลื่อนที่และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแหล่งกำเนิดของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐาน (ดูเพิ่มเติม: สนามแม่เหล็ก)

การทดลองในศตวรรษที่ยี่สิบแสดงให้เห็นว่าประจุไฟฟ้าถูกวัดปริมาณ นั่นคือมันมาในจำนวนเต็มทวีคูณของหน่วยขนาดเล็กแต่ละหน่วยที่เรียกว่าประจุพื้นฐาน e ประมาณเท่ากับ 1.602×10−19 คูลอมบ์ (ยกเว้นอนุภาคที่เรียกว่าควาร์กซึ่งมีประจุที่เป็นทวีคูณจำนวนเต็มของ 1/3e) โปรตอนมีประจุ +e และอิเล็กตรอนมีประจุเป็น −e การศึกษาอนุภาคที่มีประจุและปฏิกิริยาโต้ตอบของพวกมันถูกโฟตอนเป็นสื่อกลางอย่างไร เรียกว่าควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์

ขั้นตอนที่ 2: แรงดันไฟฟ้า：

แรงดัน ความต่างศักย์ไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าหรือแรงตึงทางไฟฟ้า (ใช้แทนตัว ∆V หรือ ∆U แต่มักทำให้เข้าใจง่ายกว่าด้วย V หรือ U เช่น ในบริบทของกฎของวงจรของโอห์มหรือเคอร์ชอฟฟ์) คือความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสอง คะแนนต่อหน่วยค่าไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดเท่ากับงานที่ทำต่อหน่วยประจุต่อสนามไฟฟ้าสถิตย์เพื่อย้ายประจุทดสอบระหว่างสองจุด วัดเป็นหน่วยโวลต์ (จูลต่อคูลอมบ์)

แรงดันไฟฟ้าอาจเกิดจากสนามไฟฟ้าสถิตย์ โดยกระแสไฟฟ้าผ่านสนามแม่เหล็ก โดยสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลา หรือการรวมกันของทั้งสามอย่างนี้[1][2] โวลต์มิเตอร์สามารถใช้วัดแรงดันไฟ (หรือความต่างศักย์) ระหว่างจุดสองจุดในระบบ มักจะใช้ศักยภาพอ้างอิงทั่วไป เช่น พื้นของระบบเป็นจุดหนึ่ง แรงดันไฟฟ้าอาจเป็นตัวแทนของแหล่งพลังงาน (แรงเคลื่อนไฟฟ้า) หรือพลังงานที่สูญเสีย ใช้แล้ว หรือสะสมไว้ (ศักยภาพตก)

เมื่ออธิบายแรงดัน กระแส และความต้านทาน การเปรียบเทียบทั่วไปคือถังเก็บน้ำ ในการเปรียบเทียบนี้ ประจุจะแสดงด้วยปริมาณน้ำ แรงดันน้ำแทนด้วยแรงดันน้ำ และกระแสจะแสดงโดยการไหลของน้ำ ดังนั้นสำหรับการเปรียบเทียบนี้ จำไว้ว่า:

น้ำ = ชาร์จ

แรงดัน = แรงดัน

กระแส = ปัจจุบัน

พิจารณาถังเก็บน้ำที่ระดับความสูงเหนือพื้นดิน ที่ด้านล่างของถังนี้มีท่อ

ดังนั้นกระแสไฟในถังจะลดลงและมีความต้านทานสูง

ขั้นตอนที่ 3: ไฟฟ้า：

ไฟฟ้าคือการมีอยู่และการไหลของประจุไฟฟ้า รูปแบบที่รู้จักกันดีที่สุดคือการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำเช่นสายทองแดง

ไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่มาในรูปแบบบวกและลบ ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติ (เหมือนในสายฟ้า) หรือถูกผลิตขึ้น (เช่นเดียวกับในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เราใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับเครื่องจักรและอุปกรณ์ไฟฟ้า เมื่อประจุไม่เคลื่อนที่ จะเรียกว่า ไฟฟ้าสถิตย์ เมื่อประจุเคลื่อนตัว จะเป็นกระแสไฟฟ้า ซึ่งบางครั้งเรียกว่า 'ไฟฟ้าไดนามิก' ฟ้าผ่าเป็นไฟฟ้าที่รู้จักและอันตรายที่สุดในธรรมชาติ แต่บางครั้งไฟฟ้าสถิตก็ทำให้สิ่งต่าง ๆ ติดกัน

ไฟฟ้าอาจเป็นอันตรายได้ โดยเฉพาะบริเวณน้ำ เนื่องจากน้ำเป็นตัวนำไฟฟ้า ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 มีการใช้ไฟฟ้าในทุกส่วนในชีวิตของเรา ก่อนหน้านั้น เป็นเพียงความอยากรู้อยากเห็นที่เห็นในพายุฝนฟ้าคะนอง

ไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นได้หากแม่เหล็กเคลื่อนเข้าใกล้ลวดโลหะ นี่เป็นวิธีที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใหญ่ที่สุดอยู่ในโรงไฟฟ้า ไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยการรวมสารเคมีในโถที่มีแท่งโลหะสองแบบ นี่เป็นวิธีการที่ใช้ในแบตเตอรี่ ไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นจากการเสียดสีระหว่างวัสดุสองชนิด ตัวอย่างเช่น หมวกขนสัตว์และไม้บรรทัดพลาสติก ถูให้เข้ากันอาจทำให้เกิดประกายไฟได้ ไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นโดยใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์เช่นเดียวกับในเซลล์สุริยะ

ไฟฟ้ามาถึงบ้านโดยใช้สายไฟจากสถานที่ที่ผลิตไฟฟ้า มันถูกใช้กับโคมไฟไฟฟ้า เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า ฯลฯ เครื่องใช้ในบ้านหลายอย่างเช่นเครื่องซักผ้าและเตาไฟฟ้าใช้ไฟฟ้า ในโรงงานมีเครื่องผลิตไฟฟ้า คนที่จัดการกับไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้านและโรงงานของเราเรียกว่า "ช่างไฟฟ้า"

สมมติว่าตอนนี้เรามีถังสองถัง แต่ละถังมีท่อส่งมาจากด้านล่าง แต่ละถังมีปริมาณน้ำเท่ากัน แต่ท่อบนถังหนึ่งแคบกว่าท่ออีกถังหนึ่ง

เราวัดแรงดันที่ปลายท่อทั้งสองเท่ากัน แต่เมื่อน้ำเริ่มไหล อัตราการไหลของน้ำในถังด้วยท่อที่แคบกว่าจะน้อยกว่าอัตราการไหลของน้ำในถังด้วย ท่อที่กว้างขึ้น ในแง่ไฟฟ้า กระแสผ่านท่อที่แคบกว่าจะน้อยกว่ากระแสที่ไหลผ่านท่อที่กว้างกว่า หากเราต้องการให้กระแสน้ำไหลผ่านทั้งสองท่อเท่ากัน เราต้องเพิ่มปริมาณน้ำ (ประจุ) ในถังด้วยท่อที่แคบกว่า

ขั้นตอนที่ 4: ความต้านทานไฟฟ้าและการนำไฟฟ้า

ในการเปรียบเทียบแบบไฮดรอลิก กระแสที่ไหลผ่านลวด (หรือตัวต้านทาน) นั้นเหมือนกับน้ำที่ไหลผ่านท่อ และแรงดันตกคร่อมลวดก็เหมือนกับแรงดันตกที่ดันน้ำผ่านท่อ ค่าการนำไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับปริมาณการไหลที่เกิดขึ้นสำหรับแรงดันที่กำหนด และความต้านทานจะเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่ต้องการเพื่อให้ได้กระแสที่กำหนด (ความนำไฟฟ้าและความต้านทานเป็นส่วนกลับ)

แรงดันตกคร่อม (กล่าวคือ ความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ด้านหนึ่งของตัวต้านทานกับอีกด้านหนึ่ง) ไม่ใช่แรงดันเอง ซึ่งให้แรงผลักดันที่ผลักกระแสผ่านตัวต้านทาน ในระบบไฮดรอลิกส์ จะคล้ายกัน: ความแตกต่างของแรงดันระหว่างสองด้านของท่อ ไม่ใช่ตัวความดัน เป็นตัวกำหนดการไหลผ่าน ตัวอย่างเช่น อาจมีแรงดันน้ำสูงเหนือท่อ ซึ่งพยายามดันน้ำลงทางท่อ แต่อาจมีแรงดันน้ำที่มากเท่าๆ กันที่อยู่ใต้ท่อ ซึ่งพยายามดันน้ำกลับขึ้นมาทางท่อ ถ้าความดันเท่ากัน น้ำจะไม่ไหล (ในรูปทางขวา แรงดันน้ำใต้ท่อเป็นศูนย์)

ความต้านทานและการนำไฟฟ้าของลวด ตัวต้านทาน หรือองค์ประกอบอื่น ๆ ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติสองส่วนใหญ่:

• เรขาคณิต (รูปร่าง) และ
• วัสดุ

รูปทรงมีความสำคัญเนื่องจากผลักน้ำผ่านท่อที่ยาวและแคบได้ยากกว่าท่อที่กว้างและสั้น ในทำนองเดียวกัน ลวดทองแดงที่ยาวและบางจะมีความต้านทาน (ค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า) มากกว่าลวดทองแดงที่สั้นและหนา

วัสดุก็มีความสำคัญเช่นกัน ท่อที่มีขนจำกัดการไหลของน้ำมากกว่าท่อสะอาดที่มีรูปร่างและขนาดเท่ากัน ในทำนองเดียวกัน อิเล็กตรอนสามารถไหลได้อย่างอิสระและง่ายดายผ่านลวดทองแดง แต่ไม่สามารถไหลผ่านลวดเหล็กที่มีรูปร่างและขนาดเดียวกันได้อย่างง่ายดาย และโดยพื้นฐานแล้วพวกมันจะไม่สามารถไหลผ่านฉนวนอย่างยางได้เลย โดยไม่คำนึงถึงรูปร่างของมัน ความแตกต่างระหว่างทองแดง เหล็ก และยางสัมพันธ์กับโครงสร้างจุลภาคและการกำหนดค่าอิเล็กตรอน และวัดปริมาณโดยคุณสมบัติที่เรียกว่าความต้านทาน

นอกจากรูปทรงและวัสดุแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกมากมายที่ส่งผลต่อความต้านทานและการนำไฟฟ้า

เหตุผลก็คือเราไม่สามารถใส่ปริมาตรผ่านท่อแคบๆ ได้มากเท่ากับท่อที่กว้างกว่าที่แรงดันเท่ากัน นี่คือการต่อต้าน ท่อแคบ "ต้าน" การไหลของน้ำที่ไหลผ่านแม้ว่าน้ำจะมีแรงดันเท่ากับถังที่มีท่อกว้างกว่า

ในแง่ไฟฟ้า นี่แสดงโดยสองวงจรที่มีแรงดันเท่ากันและความต้านทานต่างกัน วงจรที่มีความต้านทานสูงจะทำให้ประจุไหลได้น้อยลง หมายความว่าวงจรที่มีความต้านทานสูงจะมีกระแสไหลผ่านน้อยกว่า

ขั้นตอนที่ 5: กฎของโอห์ม：

กฎของโอห์มระบุว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวนำระหว่างจุดสองจุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟที่จุดสองจุด แนะนำค่าคงที่ของสัดส่วน ความต้านทาน มาถึงสมการทางคณิตศาสตร์ปกติที่อธิบายความสัมพันธ์นี้:

โดยที่ I คือกระแสที่ไหลผ่านตัวนำในหน่วยแอมแปร์ V คือแรงดันที่วัดได้ทั่วตัวนำในหน่วยโวลต์ และ R คือความต้านทานของตัวนำในหน่วยโอห์ม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎของโอห์มระบุว่า R ในความสัมพันธ์นี้เป็นค่าคงที่ ไม่ขึ้นกับกระแส

กฎหมายได้รับการตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Georg Ohm ซึ่งในบทความที่ตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2370 ได้อธิบายการวัดแรงดันและกระแสที่ใช้ผ่านวงจรไฟฟ้าอย่างง่ายที่มีเส้นลวดหลายขนาด โอห์มอธิบายผลการทดลองของเขาด้วยสมการที่ซับซ้อนกว่ารูปแบบสมัยใหม่ด้านบนเล็กน้อย (ดูประวัติ)

ในทางฟิสิกส์ คำว่ากฎของโอห์มยังใช้เพื่ออ้างถึงลักษณะทั่วไปต่างๆ ของกฎที่โอห์มกำหนดขึ้น