ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า

            กระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้าล้วนเป็นสิ่งที่มีความสัมพันธ์เกี่ยวเนื่องกัน กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นหรือไหลผ่านได้มากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับลักษณะตัวนำไฟฟ้าว่ามีคุณสมบัติเป็นอย่างไร

ความต่างศักย์ไฟฟ้า

            ความต่างศักย์ไฟฟ้า คือ ความแตกต่างของพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าสูง (ศักย์ไฟฟ้าสูง) ไปยังจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าต่ำกว่า (ศักย์ไฟฟ้าต่ำ) และจะหยุดไหลเมื่อศักย์ไฟฟ้าทั้งสองจุดเท่ากัน

ข้อควรรู้

            ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดเปรียบได้กับการไหลของน้ำ ซึ่งจะไหลจากที่สูงไปยังที่ต่ำ และจะหยุดไหลเมื่อระดับน้ำเท่ากัน
            เครื่องมือที่ใช้วัดความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ (voltmeter) มีหน่วยการวัด คือ โวลต์ (volt) ใช้ตัวย่อแทนความต่างศักย์ว่า V สัญลักษณ์ของโวลต์มิเตอร์ คือ

รูปแสดงลักษณะโวลต์มิเตอร์

            โวลต์มิเตอร์ที่ดีจะต้องมีความต้านทานสูงเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อยที่สุด

ข้อควรรู้

            โวลต์ (volt) เป็นชื่อของ อาเลสซันโดร วอลตา (Alessandro Volta) ผู้ประดิษฐ์คิดค้นแบตเตอรี่เป็นคนแรก

            เมื่อเราต้องการวัดความต่างศักย์ระหว่างจุด 2 จุดใดๆ ในวงจรไฟฟ้า สามารถทำได้โดยการนำโวลต์มิเตอร์ต่อคร่อมระหว่าง 2 จุดนั้น เราเรียกการต่อลักษณะนี้ว่า การต่อแบบขนาน ดังรูป

รูปแสดงการต่อโวลต์มิเตอร์ในวงจรไฟฟ้า

            การที่กระแสไฟฟ้าไหล เนื่องมาจากความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า และ ความต่างศักย์ไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแต่ละชนิดก็จะไม่เท่ากัน เช่น ถ่านไฟฉายมีความต่างศักย์ประมาณ 1.5 โวลต์ แบตเตอรี่รถยนต์มีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 12 โวลต์ ส่วนสายไฟฟ้าภายในบ้านมีความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 220 โวลต์ ทั้งนี้ถ้าความต่างศักย์ไฟฟ้ามีค่ามากขึ้น ระดับพลังงานไฟฟ้าก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งจะมีผลและเกิดอันตรายได้ง่าย

กระแสไฟฟ้า

            กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากบริเวณหนึ่งไปอีกบริเวณหนึ่ง กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นได้หลายวิธี เช่น เกิดจากความแตกต่างของพลังงานสองบริเวณ เกิดจากปฏิกิริยาเคมี เกิดจากการเหนี่ยวนำของวัตถุ เป็นต้น
            เครื่องมือที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า เรียกว่า แอมมิเตอร์ (ammeter) มีหน่วยการวัดคือ แอมแปร์ (ampere) ใช้ตัวย่อแทนกระแสไฟฟ้าว่า I สัญลักษณ์ของแอมมิเตอร์ คือ

รูปแสดงลักษณะของแอมมิเตอร์

            แอมมิเตอร์ที่ดีต้องมีความต้านทานน้อย เพื่อให้กระแสไฟฟ้าในวงจรไหลผ่านตัวแอมมิเตอร์ให้มากที่สุด
การใช้แอมมิเตอร์วัดปริมาณกระแสไฟฟ้ามีลักษณะเช่นเดียวกับการใช้มาตราวัดปริมาณน้ำที่ไหลผ่านท่อประปา คือ ต้องต่อแอมมิเตอร์แทรกในวงจรที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เรียงลำดับในวงจรไฟฟ้าเป็นการต่อแบบอนุกรม เพื่อให้กระแสไฟฟ้าที่อ่านได้จากแอมมิเตอร์เป็นค่าเดียวกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรนั้น ดังรูป

รูปแสดงการต่อแอมมิเตอร์ในวงจรไฟฟ้า

            กระแสไฟฟ้าแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ดังนี้
            1. ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current : DC) เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลในทิศทางเดียวกัน โดยปกติกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า หรือจากขั้วบวกผ่านวงจรไปยังขั้วลบทางเดียวตลอดเวลา เช่น กระแสไฟฟ้าจากเซลล์ไฟฟ้า (ถ่านไฟฉาย) หรือจากแบตเตอรี่
            2. ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current : AC) เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลกลับทิศไปมา โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ และไหลจากขั้วลบไปยังขั้วบวกสลับกัน เช่น กระแสไฟฟ้าที่ใช้ตามอาคารบ้านเรือน กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากไดนาโม

ความต้านทานไฟฟ้า

            ความต้านทาน เป็นปริมาณอย่างหนึ่งที่ต้านการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ เช่น การไหลของน้ำผ่านท่อที่มีขนาดต่างกัน จะพบว่า ท่อเล็กมีความต้านทานมาก น้ำจึงไหลผ่านได้น้อยกว่าท่อใหญ่ในช่วงเวลาเท่ากัน จึงกล่าวได้ว่า ท่อเล็กมีความต้านทานมาก น้ำจึงไหลผ่านได้น้อย ส่วนท่อใหญ่มีความต้านทานน้อยน้ำจึงไหลผ่านได้มาก
            ความต้านไฟฟ้า (resistance) คือ สมบัติของตัวนำไฟฟ้า (conductor) ที่ยอมให้กระแสไหลผ่านได้มากหรือน้อย ซึ่งเป็นสมบัติเฉพาะตัวของตัวนำนั้นๆ จะมีค่าแตกต่างกันไปแล้วแต่ชนิดของตัวนำ กล่าวคือตัวนำไฟฟ้าที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มากจะมีความต้านทานน้อย ส่วนตัวนำไฟฟ้าที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อยจะมีความต้านทานมาก ความต้านทานไฟฟ้ามีหน่วยเป็น โอห์ม (ohm) ใช้สัญลักษณ์ V ตัวย่อที่ใช้แทนความต้านทานไฟฟ้า คือ R

            ปัจจัยที่มีผลต่อความต้านทานของตัวนำไฟฟ้า มีดังนี้
            1) ชนิดของตัวนำ ตัวนำต่างชนิดกันมีความต้านทานไม่เท่ากัน
            2) ความยาวของตัวนำ ความยาวมากจะมีความต้านทานมาก และความยาวน้อยจะมีความต้านทานน้อย (ความต้านทานแปรผันโดยตรงกับความยาว)
                 - ลวดตัวนำชนิดเดียวกัน ขนาดใหญ่เท่ากัน เส้นที่ยาวกว่าจะมีความต้านทานมากกว่า และจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้น้อยกว่าเส้นที่สั้น
            3) พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ พื้นที่หน้าตัดมาก (ขนาดใหญ่) จะมีความต้านทานน้อย และพื้นที่หน้าตัดน้อย (ขนาดเล็ก) จะมีความต้านทานมาก (ความต้านทานแปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัด)
                 - ลวดตัวนำชนิดเดียวกัน ยาวเท่ากัน เส้นที่มีขนาดเล็กกว่า หรือมีพื้นที่หน้าตัดน้อยกว่าจะมีความต้านทานมากกว่า และจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้น้อยกว่าเส้นที่มีขนาดใหญ่และสั้น
            4) อุณหภูมิของตัวนำ อุณหภูมิสูงจะมีความต้านทานมาก และอุณหภูมิต่ำจะมีความต้านทานน้อย
                 - ฉนวนไฟฟ้า (insulator) คือ สารที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านหรือมีความต้านทานไฟฟ้าสูง ส่วนใหญ่เป็นพวกอโลหะ เช่น ยาง แก้ว ไม้ พลาสติก กระเบื้อง เป็นต้น
                 - ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconductor) คือ ตัวนำไฟฟ้าที่ไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย ทำได้โดยนำตัวนำไฟฟ้า เช่น ดีบุก ปรอท มาลดอุณหภูมิจนถึงระดับหนึ่ง คือประมาณ -25 องศาเซลเซียส ตัวนำไฟฟ้าก็จะหมดความต้านทานลง
                 - ไฟฟ้าลัดวงจร (short circuit) เกิดจากลวดตัวนำในสายไฟแต่ละสายมาแตะกัน จึงทำให้มีกระแสไฟฟ้าปริมาณมากผ่านบริเวณที่สายไฟแตะกันทำให้เกิดความร้อนสูง ถ้าวงจรไม่ถูกตัดสายไฟอาจลุกไหม้และเกิดอัคคีภัยได้

ข้อควรรู้

            เหตุที่นกเกาะสายไฟฟ้าแรงสูงที่ไม่มีฉนวนหุ้มได้ โดยไม่ถูกไฟดูดเป็นเพราะ
  • ขาของนกทั้ง 2 ข้างเกาะสายไฟเพียงเส้นเดียว จึงไม่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า
  • เท้าของนกเป็นเซลล์แห้ง มีความต้านทานไฟฟ้าสูง
  • ตัวนกไม่ได้ต่อกับพื้นดิน กระแสไฟฟ้าจึงไม่สามารถไหลผ่านตัวนกลงสู่พื้นดินได้