หน่วยที่ 3: ไฟฟ้าและวงจรไฟฟ้า (Electricity and Circuits)

ไฟฟ้าเป็นแหล่งพลังงานสำคัญที่ใช้ในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่การให้แสงสว่าง ไปจนถึงการขับเคลื่อนเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ ไฟฟ้ามีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน การทำความเข้าใจเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้าพื้นฐานจะช่วยให้เราสามารถใช้งานและออกแบบระบบไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ในหน่วยนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้แนวคิดพื้นฐานของไฟฟ้า รวมถึงการคำนวณแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน รวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้ในวงจรไฟฟ้า

3.1 แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน

ในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้า เราต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับสามปริมาณพื้นฐาน ได้แก่ แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน ซึ่งปริมาณเหล่านี้เป็นพื้นฐานในการอธิบายการทำงานของวงจรไฟฟ้า

1. แรงดันไฟฟ้า (Voltage, V)

แรงดันไฟฟ้าคือแรงที่ผลักดันให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในวงจรไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volt, V) แรงดันไฟฟ้านี้สามารถเกิดจากแหล่งพลังงานต่าง ๆ เช่น แบตเตอรี่หรือแหล่งจ่ายไฟฟ้าอื่น ๆ โดยเปรียบเสมือนความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองจุดในวงจร ยิ่งแรงดันไฟฟ้ามาก ประจุไฟฟ้าก็จะเคลื่อนที่ด้วยความแรงมากขึ้น

2. กระแสไฟฟ้า (Current, I)

กระแสไฟฟ้าคือปริมาณของประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านจุดหนึ่งในวงจรในช่วงเวลาหนึ่ง มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (Ampere, A) กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าทำให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านสื่อนำไฟฟ้า เช่น สายทองแดง ในวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วบวกของแหล่งพลังงานไปยังขั้วลบ ผ่านโหลดหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการพลังงาน

3. ความต้านทาน (Resistance, R)

ความต้านทานคือความสามารถของวัสดุในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ohm, Ω) วัสดุบางชนิด เช่น โลหะ จะมีความต้านทานต่ำ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่าย ในขณะที่วัสดุบางชนิด เช่น ยาง จะมีความต้านทานสูง ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ยาก ความต้านทานเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการทำงานของวงจรไฟฟ้า

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานในวงจรไฟฟ้าสามารถอธิบายได้โดยกฎของโอห์ม (Ohm's Law) ซึ่งระบุว่า:

\[ V = IR \]

ในสูตรนี้:

• \( V \) คือ แรงดันไฟฟ้า (Volt, V)
• \( I \) คือ กระแสไฟฟ้า (Ampere, A)
• \( R \) คือ ความต้านทาน (Ohm, Ω)

กฎของโอห์มแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้นจะทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น หากความต้านทานคงที่ หรือหากความต้านทานเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าจะลดลงหากแรงดันไฟฟ้าคงที่

ตัวอย่าง:

ลองพิจารณาวงจรที่มีแรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์ และมีตัวต้านทานขนาด 4 โอห์ม กระแสไฟฟ้าในวงจรนี้สามารถคำนวณได้ดังนี้:

\[ I = \frac{V}{R} = \frac{12 \, \text{V}}{4 \, \Omega} = 3 \, \text{A} \]

ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในวงจรนี้จะเท่ากับ 3 แอมแปร์

สรุป:

• แรงดันไฟฟ้าคือแรงที่ผลักดันให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในวงจร มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volt, V)
• กระแสไฟฟ้าคือปริมาณของประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรในช่วงเวลาหนึ่ง มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (Ampere, A)
• ความต้านทานคือความสามารถของวัสดุในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ohm, Ω)
• กฎของโอห์มอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานในวงจรไฟฟ้า โดยมีสูตร \( V = IR \)