การหา กระแสไฟฟ้า ม.5
กระแสไฟฟ้า
ในบทไฟฟ้ากระแสนี้ พื้นฐานที่สำคัญที่สุดก่อนที่จะไปยังกฎของโอห์ม คือเรื่องของ กระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่เรารู้จักอยู่ในทุกวันนี้เป็นเหมือนสิ่งที่เราสมมติขึ้นมาเท่านั้น เพราะว่าเราไม่สามารถมองเห็น กระแสไฟฟ้านั้นได้จริงๆ เพราะฉะนั้นการนิยามกระแสไฟฟ้าจากหลักการหรือวิธีการต่างๆนั้นเป็นสิ่งที่เราควรทราบก่อนที่จะมาประยุกต์ใช้กระแสไฟฟ้าในชีวิตประจำวันซึ่งจะถูกพูดในบทความอื่นต่อไป
ความหมายของกระแสไฟฟ้า
คือ การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือ การถ่ายโอนตัวนำ กล่าวคือ การที่ประจุเคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าหนึ่งไปอีกศักย์ไฟฟ้าหนึ่ง
การนำไฟฟ้าของตัวนำ
ขนาดของกระแสไฟฟ้าในตัวกลางใด ๆ เท่ากับปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดของตัวกลางในหนึ่งหน่วยต่อเวลา เขียนได้เป็นสูตรว่า
I = Q / t
โดยที่
I = กระแสไฟฟ้าในตัวกลาง (A)
Q = ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านภาคตัด ( C )
t = เวลาที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านภาคตัด (s)
ทิศทางของกระแสไฟฟ้า
ทิศทางของกระแสไฟฟ้า จะมีทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ของประจุบวก และตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของประจุลบ
การหากระแสไฟฟ้าในกรณีที่ทราบพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ
สามารถหากระแสไฟฟ้าได้จากสมการ
I = evAn
โดยที่
I = กระแสไฟฟ้าในตัวกลาง (A)
e = ประจุของอิเล็กทรอน = 1.6 x 10-19 C
v = ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กทรอน ( m/s )
A = พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ (m2)
n = จำนวนอิเล็กทรอนใน 1 หน่วยปริมาตร (อนุภาค / m3)
กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและเวลา
I=Q/t
เพราะฉะนั้น
Q=It
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง กระแสไฟฟ้า I(A) และ เวลา t(s) จากสูตรจะสรุปได้ว่า พื้นที่ใต้กราฟ คือ ประจุไฟฟ้า Q(C)
ความนำไฟฟ้า(G)
คือ สมบัติที่ตรงข้ามกับความต้านทานไฟฟ้าของวัตถุ โดยจะแปรผกผันกับความต้านทานไฟฟ้า กล่าวคือ ถ้าความนำไฟฟ้ามากความต้านทานไฟฟ้าจะน้อย แต่ถ้าความนำไฟฟ้าน้อยความต้านทานไฟฟ้าจะมาก
ตัวอย่าง ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 1.25 แอมแปร์ ในเส้นลวดโลหะเส้นหนึ่ง ประจุไฟฟ้าทั้งหมดที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดของเส้นลวดโลหะเส้นนั้นในเวลา 5.0 นาที จะมีค่าเท่าไหร่
วิธีทำ จากสูตร
I= Q/t
เราสามารถย้ายฝั่งสมการได้เป็น Q = It
โดยจากโจทย์สิ่งที่เราทราบก็คือ
I = 1.25 A
t = 5 นาที = 5 x 60 = 300 วินาที
เพราะฉะนั้นเราจะหาประจุไฟฟ้าทั้งหมดที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดของเส้นลวดโลหะได้ เท่ากับ Q = 375 C
ตัวอย่าง กระแสไฟฟ้าไหลผ่าเส้นลวดเส้นหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ดังแสดงในกราฟ
วิธีทำ ในโจทย์ที่ลักษณะกราฟ เราจะต้องใช้หลักการที่ว่า
ปริมาณไฟฟ้า = พื้นที่ใต้กราฟ
จากรูปเราสามารถหาพื้นที่ใต้กราฟจากพื้นที่สี่เหลี่ยมคางหมู = 80 C
ตัวอย่าง ลวดโลหะเส้นหนึ่งมีอิเล็กตรอนอิสระ 5.0 x 1028 ตัวต่อลูกบาศก์เมตร ลวดมีพื้นที่หน้าตัด 2.5 ตารางมิลลิเมตร ถ้าอิเล็กตรอนแต่ละตัวเคลื่อนที่ด้วยขนาดความเร็วลอยเลื่อน 0.30 มิลลิเมตรต่อวินาที จะมีกระแสไฟฟ้าเท่าใดในเส้นลวดนี้
วิธีทำ สิ่งที่เราทราบคือ
n = 5 x 1028 m3
e = 1.6 x 1019 C
v = 0.3 x 10-3 ms-1
A = 2.5 x 10-6 m-2
จากสูตร
I = nevA
จะได้ว่า
I = (5 x 1028)(1.6 x 1019)( 0.3 x 10-3 )(2.5 x 10-6)
I = 6 A
