กฎของโอห์ม กำลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า วัตถุประสงค์ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าและความต้านทาน ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง 2. เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้า และกฎของโอห์ม 3. คำนวณวงจรไฟฟ้าเบื้องต้นและกำลังไฟฟ้าได้ ด้วยกฎของโอห์ม เนื้อหา 1. กฎของโอห์ม จอร์จ ไซมอน โอห์ม(George Simon Ohm) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ ของ ไฟฟ้าทั้ง 3 ตัว คือ ระหว่างกระแสไฟฟ้า ( I ) แรงดันไฟฟ้า ( E ) และตัวต้านทาน ( R )และได้สรุปค่า ความสัมพันธ์ดังกล่าวไว้ว่า “กระแสไฟฟ้านั่นวงจรไฟฟ้านั้น จะแปรผัน ตรงกับ แรงดันของแหล่งจ่ายไฟฟ้าแต่จะ แปรผกผันกับค่า ความต้านทานในวงจรไฟฟ้า” ดังสมการ = (1) เมื่อ I = กระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็น แอมป์แปร์ (A) E = แรงดันไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโวลต์(V) R = ความต้านทานมีหน่วยเป็น โอห์ม ()
จากกฎของโอห์มอธิบายได้ว่ากระแสไฟฟ้าในวงจรจะมีค่าเพิ่มขึ้นถ้าแรงดันที่แหล่งจ่าย มีค่าเพิ่มขึ้น และ ในทางกลับกันถ้าแหล่งจ่ายไฟฟ้ามีค่าคงที่ กระแสไฟฟ้าจะมีค่าลดลง เมื่อค่าความต้านทานในวงจรไฟฟ้ามีค่ามาก ขึ้น ความสัมพันธ์ตามกฎของโอห์มอาจเขียน ในรูปสามเหลี่ยม ดังรูปที่1 รูปที่ 1 สามเหลี่ยมหาค่าความสัมพันธ์ตามกฎของโอห์ม ในการหาค่าความสัมพันธ์จากรูปที่ 1 ถ้าต้องการทราบค่าแรงดันไฟฟ้า ทำได้โดยใช้นิ้วมือปิดที่ตัวอักษร E จะได้คำตอบคือ E เท่ากับ I คูณ R ทำนองเดียวกัน จะหาค่า ความต้านทาน จะได้R เท่ากับ I หาร E เป็นต้น รูปที่ 2 กราฟความสัมพันธ์ตามกฎของโอห์ม ความสัมพันธ์ตามกฎของโอห์มเป็นแบบเชิงเส้นดังแสดงในกราฟรูปที่ 2 คือ ถ้าความต้านทานคงที่ ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันไฟฟ้า เป็นสัดส่วนโดยตรง กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วน โดยตรงกับแรงดันที่เพิ่มขึ้น
ตัวอย่างที่1 หลอดไฟฟ้าหลอดหนึ่งมีความต้านทาน 200 ต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้า 220 V จะมี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านหลอดไฟฟ้านี้เท่าไร วิธีทำ จากโจทย์เมื่อ E =220V , R = 200 = = 220V 200 I =1.10 A ตอบ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหลอดไฟฟ้าเท่ากับ 1.10 A ตัวอย่างที่ 2 หลอดไฟฟ้าหลอดหนึ่งเมื่อใช้กับแรงดันไฟฟ้า 12 V จะเกิดกระแสไฟฟ้า ไหลผ่านหลอด เท่ากับ 0.8 A จงหาค่าความต้านทานของหลอดไฟฟ้านี้ จากโจทย์เมื่อ E=12V และ I =0.8A = = 12V 0.8 = R=15 ตัวอย่างที่ 3 จากวงจรไฟฟ้าในรูปที่ 3 จงคํานวณหาค่าแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่าย รูปที่ 3วงจรไฟฟ้าตามตัวอย่างที่ 3 วิธีทํา E = IR = 3 A×8 Ω = 24 V ∴ แรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่าย = 24 โวลต์
2. กําลังไฟฟ้า (Electrical Power) กําลังไฟฟ้า หมายถึง อัตราการทํางานหรืออัตราที่พลังงานไฟฟ้าถูกเปลี่ยนแปลง หรือใช้ไปในช่วง ระยะเวลาหนึ่ง อาจอยู่ในรูปของความร้อน แสง เช่น เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทาน การชนกัน ของ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านความต้านทานจะทําให้เกิดความร้อนเป็นผลมาจากการเปลี่ยนไปของพลังงาน ไฟฟ้า ซึ่ง เป็นกําลังสิ้นเปลืองในวงจรไฟฟ้าเสมอ เป็นต้น กําลังไฟฟ้าหาได้จากผลคูณของแรงดันไฟฟ้ากับ กระแสไฟฟ้า กําลังไฟฟ้าเขียนแทนด้วย P มีหน่วยเป็นวัตต์ (W) เขียนสมการได้ดังนี้ P = EI โดย P = กําลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์ (W) E = แรงดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็น โวลต์ (V) I = กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A) รูปที่ 2.1 สรุปสมการเพื่อหาค่าทางไฟฟ้า
ตัวอย่างที่ 2.1 ในวงจรไฟฟ้ามีความต้านทาน 3 Ω ต่ออนุกรมอยู่กับแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้า 9 V จงหาค่า กําลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้น วิธีทํา 3. พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy) พลังงานไฟฟ้า หมายถึง ความสามารถในการทํางานหรือกําลังไฟฟ้าที่ถูกใช้ไปใน 1 หน่วยเวลา หาได้จาก ผลคูณของกําลังไฟฟ้าและเวลาที่ใช้งาน พลังงานไฟฟ้าเขียนแทนด้วย W มีหน่วยเป็น วัตต์-วินาที (Ws) หรือ วัตต์- ชั่วโมง (Wh) หรือ ยูนิต (Unit) คือพลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้กําลังไฟฟ้า 1,000 วัตต์ เป็น เวลา 1 ชั่วโมง เขียน เป็นสมการดังนี้ W = Pt
โดย W = พลังงานไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์-วินาที (Ws) หรือ วัตต์ –ชั่วโมง (Wh) P = กําลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์ (W) t = เวลา มีหน่วยเป็น วินาที (s) หรือ ชั่วโมง (h) ตัวอย่างที่ 3.1 เปิดหลอดไฟ 5 ชั่วโมง ใช้พลังงานไป 2 ยูนิต จงหากําลังไฟฟ้าของหลอดนี้ วิธีทํา ตัวอย่างที่ 3.2 เปิดหลอดไฟขนาด 40 W จํานวน 3 หลอด วันละ 10 ชั่วโมง และหลอดประหยัดไฟ 36 W จํานวน 5 หลอด วันละ 10 ชั่วโมง ต้องจ่ายค่าไฟเดือนนี้เท่าไร ถ้าค่าไฟยูนิตละ 3 บาท วิธีทํา
สรุป กฎของโอห์มเป็นกฎของความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า ซึ่ง กล่าวไว้ว่า “ในวงจรไฟฟ้าใด ๆ กระแสไฟฟ้าจะแปรผันตรงกับแรงดันไฟฟ้า และแปรผกผันกับความ ต้านทาน ไฟฟ้า” เป็นไปตามสูตร E = IR,R = E/I และ I = E /R การไปใช้งานต้องระวังเรื่องปริมาณ ของหน่วยขยาย เนื่องจาก ค่าในวงจรไฟฟ้ามีมากหลายขนาดจึงต้องแปลงค่าให้สามารถคํานวณค่าได้ง่ายๆ พลังงานไฟฟ้า คือ ความสามารถใน การทํางานหรือกําลังไฟฟ้าที่ถูกใช้ไปใน 1 หน่วยเวลา หาได้จาก ผลคูณของกําลังไฟฟ้าและเวลาที่ใช้งาน มีหน่วย เป็น วัตต์-วินาที (Ws) หรือ วัตต์-ชั่วโมง (Wh) หรือ ยูนิต (Unit) เป็นไปตามสูตร W = Pt กําลังไฟฟ้า คือ อัตราการ ทํางานหรืออัตราที่พลังงานไฟฟ้าถูกเปลี่ยนแปลง หรือใช้ไปในช่วง ระยะเวลาหนึ่ง อาจอยู่ในรูปของความร้อน แสง เป็นต้น กําลังไฟฟ้าหาได้จากผลคูณของแรงดันไฟฟ้ากับ กระแสไฟฟ้า เป็นไปตามสูตร P = EI