แสดงความคิดเห็น

กฏของโอห์มและความต้านทานไฟฟ้า

กฏของโอห์มและความต้านทานไฟฟ้า

การทดลองของโอห์ม เมื่อต่อปลายของลวดนิโครม ซึ่งเป็นลวดโลหะผสมระหว่างนิกเกิลและโครเมียมกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดนิโครม ถ้าความต่างศักย์ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยน กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนแปลงตาม โดยกระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดนิโครมแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของลวดนิโครม จึงเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้

V = IR 

ค่าคงตัว R นี้เรียกว่า ความต้านทาน (resistance)  ของลวดนิโครมที่ใช้ในการทดลองความต้านทานมีหน่วยโวลต์ต่อแอมแปร์ (V/A) หรือเรียกว่า โอห์ม (ohm)  แทนด้วยสัญลักษณ์ \displaystyle \Omega
โอห์มได้ค้นพบความสัมพันธ์ตามสมการ  เมื่อ พ.ศ. 2369  ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของโอห์ม(ohm’s Law)  มีใจความว่า ถ้าอุณหภูมิคงตัว กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำจะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำนั้น

เมื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในตัวนำไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ได้แก่ โลหะ หลอดไดโอด อิเล็กโทรไลต์ และสารกึ่งตัวนำ ที่อุณหภูมิคงตัว จะได้ดังรูป  จะเห็นว่า ตัวนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะจะมีความต้านทานคงตัว และเป็นไปตามกฎของโอห์ม ส่วนตัวนำไฟฟ้าอื่น ความต้านทานไม่คงตัวและไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม

รูป  กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ของตัวนำไฟฟ้าชนิดต่างๆ

อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานไฟฟ้า
ตามปกติวงจรไฟฟ้าทั่วไปมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดที่ต่างกันก็มีความต้านทาน เช่น ตัวต้านทาน   แอลอีอาร์   เทอร์มีสเตอร์   และไดโอด เป็นต้น  ความต้านทานของชิ้นส่วนเหล่านี้ขึ้นกับปัจจัยอะไร และมีผลต่อวงจรไฟฟ้าอย่างไร
1.ตัวต้านทาน (resistor)

การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้า   ใช้ลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานค่าหนึ่ง จึงถือได้ว่าลวดนิโครมเป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่ง ในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า  ใช้ลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานค่าหนึ่ง จึงถือได้ว่าลวดนิโครมเป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่ง ในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า ตัวต้านทานค่าคงตัว (fixed resistor)  เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ และใช้แถบสีบอกความต้านทาน  ดังรูป





การอ่านความต้านทานจากแถบสีบนตัวต้านทานแบบ 4-Band-Code



ตัวต้านทานค่าคงตัวในวงจรทำหน้าที่อะไรในวงจร
    พิจารณาวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานที่ทราบค่ากับแบตเตอรี่ และวัดกระแสไฟฟ้าในวงจรเปลี่ยนตัวต้านทานเป็นค่าอื่น บันทึกกระแสไฟฟ้าทุกครั้ง จะพบว่าเมื่อตัวต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้มีค่าลดลง เราจึงสามารถกำหนดกระแสไฟฟ้าในวงจรได้โดยใช้ตัวต้านทานที่เหมาะสม หรือกล่าวได้ว่า ตัวต้านทานทำหน้าที่จำกัดค่าของกระแสไฟฟ้าในวงจร
รูปตัวต้านทานแบบคงตัว
นอกจากนี้ยังมีตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้  เรียกว่า ตัวต้านทานแปรค่า (variable resistor)  ดังรูป  ตัวต้านทานแปรค่าที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วย แถบความต้านทานซึ่งอาจทำด้วยแกรไฟต์หรือลวดพันต่อกับขา 1  และ  3  และหน้าสัมผัสต่อกับขา 2 การปรับเปลี่ยนความต้านทานทำได้โดนการเลื่อนหน้าสัมผัสไปบนแถบความต้านทาน การนำตัวต้านทานแปรค่าไปใช้ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจรทำได้โดยการต่อขา 1 หรือ ขา 3 ขาใดขาหนึ่งและขา 2 กับวงจร ดังรูป
เมื่อเลื่อนหน้าสัมผัสของตัวต้านทานแปรค่าในวงจร ในรูป  จากตำแหน่งที่ 1 ไปยังตำแหน่งที่ 3 ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในวงจรจะลดลง ถ้าเลื่อนหน้าสัมผัสในทิศตรงข้าม ทำให้ความต้านทานลดลงและกระแสไฟฟ้าจะสูงขึ้น ตัวต้านทานแปรค่าที่ทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจร เรียกว่าตัวควบคุมกระแส

ตัวต้านทานแปรค่านิยมใช้ควบคุมกระแสไฟฟ้า วงจรในรูป  ใช้ตัวต้านทานแปรค่าควบคุมความสว่างของหลอดไฟ และใช้ปรับความดังของเสียงในเครื่องเสียงต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องวัดบางชนิด เช่น โอห์มมิเตอร์และเครื่องวัดปริมาณน้ำมันในรถยนต์ เป็นต้น

2. แอลดีอาร์ (light dependent resistor , LDR)    แอลดีอาร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นกับความสว่างของแสงที่ตกกระทบแอลดีอาร์มีความต้านทานสูงในที่มืด แต่มีความต้านทานต่ำในที่สว่าง จึงเป็นตัวรับรู้ความสว่าง (light sensor) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับควบคุมการปิด-เปิดสวิตซ์ด้วยแสง


รูป  แอลดีอาร์

3. เทอร์มีสเตอร์ (themistor)
เทอร์มีสเตอร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมเทอร์มีสเตอร์แบบ NTC (negative temperature coefficient) มีความต้านทานสูงเมื่ออุณหภูมิต่ำ แต่มีความต้านทานต่ำเมื่ออุณหภูมิสูง เทอร์มีสเตอร์จึงเป็นตัวรับรู้อุณหภูมิ (temperature sensor) ในเทอร์มอมิเตอร์บางชนิด

รูป เทอร์มีสเตอร์

4. ไดโอด (diode)
ไดโอดทำจากสารกึ่งตัวนำ มีลักษณะและสัญลักษณ์ ดังรูป  ไดโอดมีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ เมื่อนำไดโอด แบตเตอรี่และแอมมิเตอร์มาต่อเป็นวงจรโดยต่อขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่กับขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบของไดโอดตามลำดับ ดังรูป ก  จะพบว่ามีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า  ไบแอสตรง เมื่อสลับขั้วของไดโอดจะพบว่า ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสกลับ  ดังรูป  ข

รูป  ไดโอดและสัญลักษณ์

รูป การต่อไดโอดในวงจรไฟฟ้า ก. มีกระแสไหลในวงจร    ข. ไม่มีกระแส
ความต้านทานของไดโอดกรณีไบแอสตรงและไบแอสกลับ มีค่าเท่ากันหรือไม่

จะเห็นว่าขณะไบแอสตรง มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานน้อย แต่ขณะไบแอสกลับ ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานสูงมาก ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า ไดโอดยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทิศเดียว  จากสมบัตินี้จึงใช้ไดโอดแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า

เมื่อต่อแบตเตอรี่กับลวดโลหะ แล้ววัดความต่างศักย์ V  ระหว่างปลายลวด และกระแสไฟฟ้า  I  ที่ผ่านลวดนั้น  โดยใช้ลวดที่ทำจากโลหะชนิดเดียวกัน มีความยาว l ต่างๆกัน และมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V และ I แปลผันตรงกับความยาว l ของลวดนั้น
หรือ     \displaystyle \frac{V}{I} \propto I
ถ้าใช้ลวดที่มีความยาวเท่ากัน  แต่มีพื้นที่หน้าตัด A ต่างๆ กัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V และ I แปรผกผันกับ A
หรือ     \displaystyle \frac{V}{I} \propto \frac{l}{A}
โดยอาศัยกฎของโอห์มในสมการ  สามารถสรุปความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทาน R  ความยาว l และพื้นที่หน้าตัด A ของลวดโลหะได้ดังนี้

                                         
ดังนั้น    \displaystyle R = \rho \frac{l}{A}    เมื่อ     \displaystyle \rho เป็นค่าคงตัว
ถ้าทดลองโดยใช้ลวดที่ทำด้วยโลหะต่างชนิดกัน พบว่าค่าคงตัวในสมการ จะไม่เท่ากัน ขึ้นกับชนิดของสาร ค่าคงตัว p นี้เรียกว่า สภาพต้านทานไฟฟ้า (electrical resistivity)  ซึ่งมีหน่วยโอห์ม เมตร
 ตาราง  แสดงสภาพต้านทานไฟฟ้าของสารต่างๆ ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส
การเปรียบเทียบความต้านทานไฟฟ้าของลวดตัวนำ 2 เส้น

สภาพต้านทานไฟฟ้าและความต้านทานต่างกันอย่างไร

            สภาพต้านทานไฟฟ้าของสารชนิดเดียวกันมีค่าเท่ากัน ส่วนความต้านทานของสารชนิดเดียวกันอาจต่างกัน เพราะ ขึ้นกับความยาวและพื้นที่หน้าตัดของสารนั้น จึงกล่าวได้ว่าสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นสมบัติเฉพาะของสารชนิดหนึ่งๆ ส่วนความต้านทานขึ้นกับขนาดสารแต่ละชิ้น สารที่มีความต้านทานมากจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านน้อย จึงกล่าวว่าสารนั้นมีความนำไฟฟ้า (electrical conductance)  น้อย ดังนั้น ความนำไฟฟ้าจึงเป็นส่วนกลับของความต้านทานไฟฟ้า และมีหน่วย (โอห์ม)-1  หรือ  ซีเมนส์ (siemens)  แทนด้วยสัญลักษณ์ S สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานไฟฟ้ามากจะมี สภาพนำไฟฟ้า  (electrical conductivity) น้อย สภาพนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทานไฟฟ้า มีหน่วย (โอห์ม)-1 หรือ ซีเมนส์ต่อเมตร
ความนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของความต้านทาน  สัญลักษณ์  ความนำไฟฟ้า  แทนด้วย  “G”
สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานมาก   จะมีสภาพนำไฟฟ้า  (electrical  conductivity) น้อย  สภาพนำไฟฟ้า
จึงเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทาน  สัญลักษณ์  สภาพนำไฟฟ้า  แทนด้วย   “s”
  อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทาน 
        การศึกษาความต้านทานของสารชนิดต่างๆ ที่กล่าวมานี้เป็นการศึกษากรณีที่อุณหภูมิคงตัวค่าหนึ่ง ถ้าอุณหภูมิของสารเปลี่ยนไป ความต้านทานจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร จะได้ศึกษาโดยแยกพิจารณาตามประเภทของสารดังต่อไปนี้
            ฉนวน  ฉนวนเป็นสารที่สภาพต้านทานสูง ตัวอย่างของฉนวน  ได้แก่  แก้ว  ไมกา  พีวีซี ยาง กระเบื้อง เป็นต้น การศึกษาสภาพต้านทานของฉนวนที่อุณหภูมิสูงๆ พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อย และถ้านำฉนวนไปต่อกับความต่างศักย์ที่สูงมาก ฉนวนจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้
            สารกึ่งตัวนำ  สารกึ่งตัวนำมีสภาพต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน แต่มีค่าสูงกว่าสภาพต้านทานของตัวนำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว แสดงว่าการนำไฟฟ้าจะดีขึ้น ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำประกอบอยู่ในวงจรจึงทำงานเป็นปกติเฉพาะในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้
            ตัวนำ  ตัวนำเป็นสารที่มีสภาพต้านทานต่ำ เมื่อวัดความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ เช่น แพลทินัม ทองแดง เงิน เป็นต้น ที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่าโดยประมาณแล้ว ความต้านทานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความรู้นี้จึงนำไปใช้สร้าง เทอร์มอมิเตอร์ชนิดความต้านทาน  ส่วนตัวนำที่เป็นโลหะผสมบางชนิด พบว่า  เมื่อมีอุณหภูมิเปลี่ยน ความต้านทานจะเปลี่ยนน้อยมาก ความรู้นี้นำไปใช้สร้าง ตัวต้านทานมาตรฐาน   ซึ่งมีความต้านทานคงตัว เช่น ตัวต้านทานที่ทำด้วยแมงกานิน เป็นต้น
กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของโลหะบริสุทธิ์กับอุณหภูมิ
            ตัวนำยิ่งยวด  เมื่อ พ.ศ. 2454  นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ชื่อ ออนเนส ได้ทดลองวัดความต้านทานของปรอทบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน พบว่าความต้านทานของปรอทลดลงเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ดังรูป  อุณหภูมินี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต  ปรอทจะอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity)  กล่าวคือ ปรอทจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือมีการนำไฟฟ้าดีที่สุด
ความรู้เกี่ยวกับสภาพนำยวดยิ่งนำไปสร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น
เครื่องเร่งอนุภาคกำลังสูง  เป็นเครื่องมือสำหรับทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีพลังงานจลน์สูงมาก เพื่อใช้ในการวิจัยทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งมีหลักการ คือ ใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในตัวนำยวดยิ่ง เมื่อจะเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้มีพลังงานสูง ต้องให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงกลมซ้ำๆกัน การจะทำได้เช่นนี้ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงมาก  ถ้าใช้ลวดตัวนำธรรมดา การจะสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูง ลวดจะร้อนจนหลอมเหลว แต่ถ้าใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่งซึ่งมีความต้านทานเป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะไม่ทำให้ลวดร้อนแต่ประการใด กระแสไฟฟ้าที่สูงจึงสามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้
รถไฟแมกเลฟ  (Magnetic Levitation Train)  เป็นรถไฟอัตราเร็วสูง ขณะเคลื่อนที่ตัวรถจะลอยเหนือรางเล็กน้อย เนื่องจากสนามแม่เหล็กของรางและสนามแม่เหล็กของตัวรถที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งผลักกัน ทำให้เกิดแรงยกตัวรถขึ้น รถจึงลอยเหนือรางเป็นการลดแรงเสียดทาน ที่มีผลทำให้รถไฟเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงถึง 513 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

รูป รถไฟแมกเลฟต้นแบบสร้างโดยสถาบันวิจัยรถไฟของญี่ปุ่น
      เนื่องจากอุณหภูมิวิกฤตของสารต่างๆ มีค่าต่ำมาก การทำให้สารแสดงสภาพนำยวดยิ่งจึงต้องใช้ฮีเลียมเหลว (ที่อุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส) ซึ่งมีราคาแพง ดังนั้นการนำตัวนำยวดยิ่งไปใช้ประโยชน์จึงไม่แพร่หลาย จนกระทั่ง พ.ศ. 2530 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง  ซึ่งเป็นสารประกอบของอิตเทรียม (Y) แบเรียม (Ba) ทองแดง (Cu) และออกซิเจน (O) สารใหม่นี้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงถึง 90 เคลวิน จึงสามารถใช้ ไนโตรเจนเหลว  ซึ่งมีอุณหภูมิ 196 องศาเซลเซียส หรือ 77 เคลวิน) ซึ่งมีราคาถูกกว่าแทนฮีเลียมเหลวได้ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้กระตุ้นให้มีการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำตัวนำยวดยิ่งมาใช้ประโยชน์ให้กว้างขวางมากขึ้น
About these ads

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s

ติดตาม

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: