ประจุไฟฟ้า: วลีนั้นทำปฏิกิริยาอัตโนมัติแบบใดเมื่อคุณอ่าน รู้สึกเสียวซ่าบางทีหรือภาพของสายฟ้าที่แยกท้องฟ้า? การแสดงสีสันของไฟกระพริบในเมืองอย่างปารีสหรือลาสเวกัส? บางทีแม้แต่แมลงที่ส่องแสงในความมืดขณะที่มันเดินผ่านที่ตั้งแคมป์ของคุณ?
จนกระทั่งหลายศตวรรษมานี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียงแต่ไม่มีทางวัดความเร็วของแสงได้ พวกเขายังไม่รู้ว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพอะไรรองรับสิ่งที่เรียกว่า "ไฟฟ้า" ตั้งแต่แรก ในช่วงทศวรรษที่ 1800 นักฟิสิกส์เริ่มเข้าใจอนุภาคเล็กๆ ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของกระแส (อิเล็กตรอนอิสระ) ตลอดจนธรรมชาติของแรงที่กระตุ้นให้พวกมันเคลื่อนที่ เป็นที่ชัดเจนว่าไฟฟ้าสามารถทำได้ดีมาก หากสามารถ "ผลิต" หรือ "จับ" ได้อย่างปลอดภัย และพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ทำงาน
การไหลของประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นได้ง่ายในสารที่จำแนกเป็นวัสดุนำไฟฟ้าในขณะที่มันถูกขัดขวางในผู้ที่เรียกว่าฉนวน. ในลวดโลหะ เช่น ลวดทองแดง สามารถสร้าง a. ได้ความต่างศักย์ผ่านปลายลวดทำให้เกิดกระแสประจุและทำให้เกิดกระแส
ความหมายของกระแสไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้าคืออัตราเฉลี่ยของการไหลของประจุไฟฟ้า (เช่น ประจุต่อหน่วยเวลา) ผ่านจุดหนึ่งในอวกาศ ค่าใช้จ่ายนี้ดำเนินการโดย
หน่วย SI ของกระแสคือแอมแปร์ (A) ซึ่งมักเรียกอย่างไม่เป็นทางการว่า "แอมป์" ประจุไฟฟ้าวัดเป็นคูลอมบ์ (C)
- ประจุของอิเล็กตรอนตัวเดียวคือ -1.60 × 10-19 C ในขณะที่บน aโปรตอนมีขนาดเท่ากันแต่บวกในการเข้าสู่ระบบ ตัวเลขนี้ถือเป็นค่าใช้จ่ายพื้นฐาน อี. หน่วยฐานของแอมแปร์จึงเป็นคูลอมบ์ต่อวินาที (C/s)
โดยอนุสัญญาว่ากระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลของอิเล็กตรอน. เนื่องจากมีการอธิบายทิศทางของกระแสก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะรู้ว่าตัวพาประจุใดเป็นตัวนำที่เคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า สำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด ประจุบวกที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางบวกจะให้ค่าทางกายภาพเหมือนกัน (คำนวณ) ส่งผลให้ประจุลบเคลื่อนที่ไปในทิศทางลบเมื่อพูดถึงไฟฟ้า ปัจจุบัน.
อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวกในวงจรไฟฟ้า การไหลของอิเล็กตรอนหรือประจุเคลื่อนที่จึงอยู่ห่างจากขั้วลบ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในลวดทองแดงหรือวัสดุนำไฟฟ้าอื่นๆ ยังสร้าง aสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางและขนาดที่กำหนดโดยทิศทางของกระแสไฟฟ้าและด้วยเหตุนี้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน นี่คือหลักการที่แม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้น
สูตรกระแสไฟฟ้า
สำหรับสถานการณ์กระแสทั่วไปทั่วไปของประจุที่เคลื่อนที่ผ่านเส้นลวด สูตรสำหรับกระแสถูกกำหนดโดย:
ฉัน=neAv_d
ที่ไหนนคือ จำนวนประจุต่อลูกบาศก์เมตร (m3), อีเป็นประจุพื้นฐานอาคือ พื้นที่หน้าตัดของเส้นลวด และวีdคือความเร็วดริฟท์.
แม้ว่ากระแสจะมีทั้งขนาดและทิศทาง แต่ก็เป็นปริมาณสเกลาร์ ไม่ใช่ปริมาณเวกเตอร์ เนื่องจากไม่เป็นไปตามกฎของการบวกเวกเตอร์
สูตรกฎของโอห์ม
กฎของโอห์มให้สูตรกำหนดกระแสที่จะไหลผ่านตัวนำ:
ฉัน-\frac{V}{R}
ที่ไหนวีคือแรงดันไฟฟ้า, หรือความต่างศักย์ไฟฟ้า, วัดเป็นโวลต์ และRเป็นไฟฟ้าแนวต้านกระแสไหล วัดเป็นโอห์ม (Ω).
คิดว่าแรงดันไฟฟ้าเป็น "แรงดึง" (แม้ว่า "แรงเคลื่อนไฟฟ้า" นี้ไม่ใช่แรงอย่างแท้จริง) เฉพาะสำหรับประจุไฟฟ้า เมื่อประจุตรงข้ามถูกแยกออกจากกัน พวกมันจะถูกดึงดูดเข้าหากันในลักษณะที่ลดลงตามระยะห่างระหว่างกันที่เพิ่มขึ้น คล้ายกับพลังงานศักย์โน้มถ่วงในกลศาสตร์คลาสสิกอย่างหลวมๆ แรงโน้มถ่วง "ต้องการ" ของสูงให้ตกลงสู่พื้นโลก และแรงดึงดูด "ต้องการ" ที่แยกจากกัน (ตรงข้าม) ประจุให้ชนเข้าด้วยกัน
อธิบายแรงดันไฟฟ้า
โวลต์มีค่าเท่ากับจูลต่อคูลอมบ์หรือ J/C จึงมีหน่วยพลังงานต่อหน่วยประจุ แรงดันคูณปัจจุบันจึงให้หน่วยของ (C/s)(J/C) = (J/s) ซึ่งแปลเป็นหน่วยของกำลังไฟฟ้า (ในกรณีนี้คือ):
P=IV
การรวมสิ่งนี้กับกฎของโอห์มทำให้เกิดความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ที่มีประโยชน์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการไหลของกระแส: P = I2R และ P = V2/R. สิ่งเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าที่ระดับกระแสคงที่ กำลังเป็นสัดส่วนกับความต้านทาน ในขณะที่หากแรงดันไฟฟ้าคงที่ กำลังไฟฟ้าจะเป็นผกผันเป็นสัดส่วนกับแนวต้าน
ในขณะที่ประจุที่เคลื่อนที่ (กระแส) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กสามารถเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าในเส้นลวดได้
ประเภทของกระแส
- กระแสตรง (DC):สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนทั้งหมดไหลอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวกัน นี่คือประเภทของกระแสในวงจรที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่มาตรฐาน แน่นอนว่าแบตเตอรี่สามารถจ่ายพลังงานเพียงเล็กน้อยจนหมดสิ้นซึ่งต้องใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับมนุษย์ อารยธรรมแม้ว่าเทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องในพื้นที่ของเซลล์แสงอาทิตย์จะนำเสนอศักยภาพที่ดีกว่าสำหรับ การจัดเก็บพลังงาน
- กระแสสลับ (AC):ที่นี่อิเล็กตรอนแกว่งไปมา ("กระดิก" ในแง่หนึ่ง) อย่างรวดเร็วมาก กระแสไฟฟ้าประเภทนี้มักจะสร้างได้ง่ายกว่าในโรงไฟฟ้า และยังส่งผลให้สูญเสียพลังงานน้อยลงในระยะทางไกลๆ จึงเป็นมาตรฐานที่ใช้ในปัจจุบัน หลอดไฟและเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ ในบ้านมาตรฐานต้นศตวรรษที่ 21 ทุกหลอดใช้พลังงานจากไฟฟ้ากระแสสลับ
ด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ แรงดันไฟฟ้าจะแปรผันในลักษณะไซน์ และจะได้รับเมื่อใดก็ได้tโดยนิพจน์ V = V0บาป (2πft) โดยที่วี0คือแรงดันเริ่มต้นและฉคือความถี่หรือจำนวนรอบของแรงดันไฟที่สมบูรณ์ (สูงสุดไปต่ำสุดกลับไปสู่ค่าสูงสุด) ในแต่ละวินาที
การวัดกระแส
แอมมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดกระแสโดยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและไม่ขนานกันในวงจรไฟฟ้า (วงจรขนานมีสายไฟหลายเส้นระหว่างทางแยก – กล่าวคือ ที่แหล่งพลังงาน ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทาน – ในวงจร) ทำงานบนหลักการที่ว่ากระแสเท่ากันทุกส่วนของเส้นลวดระหว่างสอง ทางแยก
แอมมิเตอร์มีความต้านทานภายในที่รู้จักต่ำและตั้งค่าให้ aการโก่งตัวเต็มรูปแบบ(FSD) ที่ระดับปัจจุบันที่กำหนด ซึ่งมักจะเป็น 0.015 A หรือ 15 mA หากคุณทราบแรงดันไฟฟ้าและควบคุมความต้านทานโดยใช้ฟังก์ชันความต้านทานการปัดของแอมมิเตอร์ คุณสามารถกำหนดกระแสได้ คุณรู้ค่าของกระแสไหลควรจะใช้กฎของโอห์ม
ตัวอย่างกระแสไฟฟ้า
1. คำนวณความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนในลวดทองแดงทรงกระบอกที่มีรัศมี 1 มม. หรือ 0.001 ม.) ที่มีกระแส 15-A โดยที่สำหรับทองแดง n = 8.342 × 1028 e/m3.
I=neAv_d\implies v_d=\frac{I}{neA}
พื้นที่อาของหน้าตัดของเส้นลวดคือ πr2, หรือ π(0.001)2 = 3.14 10-6 ม2.
v_d=\frac{I}{neA}=\frac{15}{8.342\times 10^{28}\times -1.60\times 10^{-19}\times 3.14\times 10^{-6}}= -3.6\ครั้ง 10^{-4}\ข้อความ{ m/s}
- เครื่องหมายลบบ่งชี้ว่าทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลของกระแส ตามที่คาดไว้สำหรับอิเล็กตรอน
2. ค้นหากระแส I ในวงจร 120-V ที่มีตัวต้านทาน 2-Ω, 4-Ω และ 6-Ω ในซีรีย์
ตัวต้านทานแบบอนุกรมเป็นเพียงสารเติมแต่ง (ในวงจรคู่ขนาน ผลรวมของความต้านทานรวมคือผลรวมของส่วนกลับของค่าความต้านทานแต่ละตัว) ดังนั้น:
ฉัน=\frac{V}{R}=\frac{120}{2+4+6}=10\text{ A}
3. วงจรมีความต้านทานรวม 15 Ω และกระแสไหล 20 A วงจรนี้มีกำลังและแรงดันไฟฟ้าเท่าใด
P=I^2R=20^2\times 15=6,000\text{ W}\text{ and }V=IR=20\times 15 = 300\text{ V}