กฎของโอห์ม กำลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า
ประจุไฟฟ้า (Electric Charge) และศักย์ไฟฟ้า (Electric Potential) เป็นปริมาณทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมาในเวลาพร้อมกัน มีความสัมพันธ์และเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด จนไม่สามารถแยกปริมาณทั้งสองออกจากกันได้
ประจุไฟฟ้า คือ ขั้วของไฟฟ้าที่แตกต่างกัน แบ่งออกมาได้เป็น 2 ขั้ว คือ ขั้วบวก(+)หรือประจุบวก (Positive Charge) และ ขั้วลบ (-) หรือ ประจุลบ (Negative Charge)
ศักย์ไฟฟ้า คือ ค่าของไฟฟ้า หรือปริมาณของไฟฟ้าที่แสดงออกมาในขณะเกิดความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้า แบ่งออกมาได้เป็น 2 ขั้ว คือ ศักย์บวก (Positive Potential) และ ศักย์ลบ (Negative Potential)
1. ศักย์ไฟฟ้าและประจุไฟฟ้า
คุณสมบัติของประจุไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้าแต่ละชนิด เป็นดังนี้
- ประจุไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้ามีค่าต่างกันจะดูดกัน เช่น ประจุไฟฟ้าบวกดูดกับประจุไฟฟ้าลบ เกิดเส้นแรงสนามไฟฟ้ารวมกันจากประจุไฟฟ้าทั้งสองรวมเป็นชุดเดียวกัน
- ประจุไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้ามีค่าเหมือนกันจะผลักกัน เช่น ประจุไฟฟ้าบวกผลักกับประจุไฟฟ้าบวก หรือประจุไฟฟ้าลบผลักกับประจุไฟฟ้าลบ เกิดเส้นแรงสนามไฟฟ้าแยกจากกันของประจุไฟฟ้าแต่ละตัว
ประจุไฟฟ้าบวก
ประจุไฟฟ้าลบ
กฎของโอห์มกำหนดขึ้นมาจากความสัมพันธ์ของแรงดัน กระแสและความต้านทาน ความสัมพันธ์ของปริมาณไฟฟ้าทั้งสามเกี่ยวข้องกัน ตามหน่วยมาตรฐาน คือ กระแสมีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A) แรงดันมีหน่วยเป็นโวลล์ (V) และความต้านทานมีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω) มีความสัมพันธ์กันดังนี้ จำนวนกระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรไฟฟ้า เปลี่ยนแปลงตามค่าแรงดันที่จ่ายให้กับวงจรนั้น แต่เปลี่ยนแปลงเป็นส่วนกลับกับความต้านทานในวงจร
1. ถ้ากำหนดให้ความต้านทาน (R) ในวงจรคงที่
แรงดันน้อยกระแสไหลน้อย
แรงดันมากกระแสไหลมาก
2. กฎของโอห์ม
2. ถ้ากำหนดให้แรงดัน (E) ในวงจรคงที่
เมื่อ I = กระแส หน่วยแอมแปร์ (A)
E = แรงดัน หน่วยโวลล์ (V)
R = ความต้านทาน หน่วยโอห์ม (Ω)
ความต้านทานมากกระแสไหลน้อย
ความต้านทานน้อยกระแสไหลมาก
วงกลมสมการกฎของโอห์ม
เราสามารถนำกฎของโอห์มไปช่วยแก้ปัญหาการคำนวณค่าต่างๆ ในวงจรไฟฟ้าได้ โดยการแทนค่าปริมาณไฟฟ้าด้วยกฎของโอห์ม คำนวณหาค่าปริมาณไฟฟ้าที่ต้องการออกมา ช่วยให้เกิดความสะดวกต่อการทำงานทางไฟฟ้า ช่วยลดขั้นตอนในการปฎิบัติงานลง และทำให้เกิดความปลอดภัยในการทำงานของวงจรไฟฟ้า
3. การแก้ปัญหาวงจรไฟฟ้าด้วยกฎของโอห์ม
กำลัง (Power) คือ อัตราการทำงานในหนึ่งหน่วยเวลา โดยกำลังจะมีความสัมพันธ์กับเวลาเสมอ กำลังมีหน่วยเป็นวัตต์ (W) เมื่อกำลังถูกใช้งานทางด้านไฟฟ้า จึงเรียกว่า กำลังไฟฟ้า (Electrical Power ; P )
เมื่อ P = กำลังไฟฟ้า หน่วยวัตต์ (W)
w = พลังงานไฟฟ้าหรืองาน หน่วยจูล (J)
t = เวลา หน่วยวินาที (S)
กำลังไฟฟ้าเมื่อถูกนำมาใช้งานร่วมกับกฎของโอห์ม สามารถเขียนความสัมพันธ์กันได้ดังนี้ กำลังไฟฟ้า (P) 1 วัตต์ (W) คือ อัตราของงานที่ถูกกระทำในวงจรไฟฟ้าซึ่งเกิดกระแส(I)ไหล 1 แอมแปร์ (A) เมื่อมีแรงดัน (E) จ่ายให้วงจร 1 โวลล์(E)
เมื่อ P = กำลังไฟฟ้า หน่วยวัตต์ (W)
E = แรงดัน หน่วยโวลล์ (V)
t = กระแส หน่วยแอมแปร์ (A)
4. กำลังไฟฟ้าสัมพันธ์กับกฎของโอห์ม
วงกลมสมการกฎชองโอห์มสัมพันธ์กับกำลังไฟฟ้า
ปริมาณไฟฟ้าทั้ง 4 ค่า ได้แก่ แรงดัน กระแส ความต้านทาน และกำลังไฟฟ้า ที่นำไปใช้งาน หรือใช้ในการคำนวณค่า โดยปรกติหน่วยของปริมาณไฟฟ้าเหล่านั้นจะต้องอยู่ในหน่วยมาตรฐาน คือแรงดัน (E) มีหน่วยเป็นโวลล์ (V) กระแส (I) มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A) ความต้านทาน (R) มีหน่วยเป็นโอห์ม () และกำลังไฟฟ้า (P) มีหน่วยเป็นวัตต์ (W) แต่การใช้งานแต่ละครั้งมีโอกาสใช้หน่วยปริมาณไฟฟ้าที่แตกต่างไปจากหน่วยปรกติ จึงจำเป็นต้องแปลงหน่วยใช้งานให้อยู่ในหน่วยปรกติก่อนการคำนวณค่าเสมอ
1. หน่วยแรงดัน แบ่งออกเป็นหน่วยย่อย คือ ไมโครโวลต์ (µV) มิลลิโวลล์ (mV) โวลล์ (V) กิโลโวลล์ (kV) และเมกะโวลล์ (MV) ความสัมพันธ์ของหน่วยย่อยเป็นดังนี้
1 โวลล์ (V) = 1,000 มิลลิโวลล์ (mV) = 1 x 103 มิลลิโวลล์ (mV)
= 1,000,000 มิลลิโวลล์ (µV) = 1 x 106 มิลลิโวลล์ (µV)
1 มิลลิโวลล์ (mV) = 1 โวลล์ (V) = 1 x 10-3 โวลล์ (V)
1 ไมโครโวลล์ (µV) = 1 โวลล์ (V) = 1 x 10-6 โวลล์ (V)
1 กิโลโวลล์ (kV) = 1,000 โวลล์ (V) = 1 x 103 โวลล์ (V)
1 เมกะโวลล์ (mV) = 1,000,000 โวลล์ (V) = 1 x 106 โวลล์ (V)
5. การแปลงหน่วยปริมาณไฟฟ้า
2. หน่วยกระแส แบ่งออกเป็นหน่วยย่อย คือ ไมโครแอมแปร์ (µA) มิลลิแอมแปร์ (mA) กิโลแอมแปร์ (kA) และเมกะแอมแปร์ (mA) ความสัมพันของหน่วยย่อยเป็นดังนี้
1 แอมแปร์ (A) = 1,000 มิลลิแอมแปร์ (mA) = 1 x 103 มิลลิแอมแปร์ (mA)
= 1,000,000 มิลลิแอมแปร์ (µA) = 1 x 106 มิลลิแอมแปร์ (µA)
1 มิลลิแอมแปร์ (mA) = 1 แอมแปร์ (A) = 1 x 10-3 แอมแปร์ (A)
1 ไมโครแอมแปร์ (µA) = 1 แอมแปร์ (A) = 1 x 10-6 แอมแปร์ (A)
1 กิโลแอมแปร์ (kA) = 1,000แอมแปร์ (A) = 1 x 103 แอมแปร์ (A)
1 เมกะแอมแปร์ (mA) = 1,000,000แอมแปร์ (A) = 1 x 106 แอมแปร์ (A)
3. หน่วยความต้านทาน แบ่งออกเป็นหน่วยย่อย คือ ไมโครโอห์ม (µΩ) มิลลิโอห์ม (m Ω) โอห์ม (Ω) กิโลโอห์ม (k Ω) เมกะโอห์ม (M Ω) ความสัมพันธ์ของหน่วยย่อยเป็นดังนี้
1 โอห์ม (Ω) = 1,000 มิลลิโอห์ม (m Ω) = 1 x 103 มิลลิแโอห์ม (m Ω)
= 1,000,000 มิลลิโอห์ม (µ Ω) = 1 x 106 มิลลิโอห์ม (µ Ω)
1 มิลลิโอห์ม (m Ω) = 1 โอห์ม (Ω) = 1 x 10-3 โอห์ม (Ω)
1 ไมโครโอห์ม (µ Ω) = 1 โอห์ม (Ω) = 1 x 10-6 โอห์ม (Ω)
1 กิโลโอห์ม (k Ω) = 1,000 โอห์ม (Ω) = 1 x 103 โอห์ม (Ω)
1 เมกะโอห์ม (m Ω) = 1,000,000 โอห์ม (Ω) = 1 x 106 โอห์ม (Ω)
4. หน่วยกำลังไฟฟ้า แบ่งออกเป็นหน่วยย่อย คือ มิลลิวัตต์ (mW) วัตต์ (W) กิโลวัตต์ (kW) และเมกะวัตต์ (MW) ความสัมพันธ์ของหน่วยย่อยเป็นดังนี้
1 วัตต์ (W) = 1,000 มิลลิโอห์ม (mW) = 1 x 103 วัตต์ (mW)
1 มิลลิวัตต์ (mW) = 1 โอห์ม (W) = 1 x 10-3 วัตต์ (W)
1 กิโลวัตต์ (kW) = 1,000 โอห์ม (W) = 1 x 103 วัตต์ (W)
1 เมกะวัตต์ (MW) = 1,000,000 โอห์ม (W) = 1 x 106 วัตต์ (W)
ส่วนใหญ่กำลังไฟฟ้าจะถูกบอกค่ากำกับไว้ที่เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ นอกจากนั้นยังถูกบอกไว้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกหลายชนิด กำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้า และเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ เป็นตัวบอกให้ทราบถึงค่าการใช้กระแสของอุปกรณ์ไฟฟ้า และเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้น ทำให้ทราบถึงค่าความสิ้นเปลืองการใช้ไฟฟ้า การคำนวณหาค่ากำลังไฟฟ้าทำได้หลายวิธีด้วยกัน โดยใช้สูตรคำนวณในวงกลมสมการกฎของโอห์มสัมพันธ์กับกำลังไฟฟ้า
พลังงาน (Energy) คือความสามารถของสิ่งใดๆ ที่เมื่อทำงานแล้วได้งาน (WORK) ออกมาเมื่อพลังงานถูกใช้งานทางด้านไฟฟ้า จึงเรียกว่า พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy ; W) คือค่าพลังงานที่ต้องการสำหรับเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้า จำนวน 1 คูลอมบ์(C) ผ่านเข้าไปในที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า 1 โวลต์ (V) หรือ 1 คูลอมบ์ (CV)
6. การคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า
7. พลังงานไฟฟ้า
เมื่อ W = พลังงานไฟฟ้า หน่วยจูล (J)
P = กำลังไฟฟ้า หน่วยวัตต์ (W)
t = เวลา หน่วยวินาที (S)
เมื่อ W = พลังงานไฟฟ้า หน่วยกิโลวัตต์ – ชั่วโมง (kWh) หรือหน่วย, ยูนิต
P = กำลังไฟฟ้า หน่วยวัตต์ (W)
t = เวลา หน่วยวินาที (S)
W = Pt
W = Pt
วัตต์อาวร์มิเตอร์
8. สรุป
กฎของโอห์มกำหนดขึ้นมาจากความสัมพันธ์ของแรงดัน กระแส และความต้านทานการทำงานในวงจรไฟฟ้าต้องประกอบด้วยส่วนประกอบอย่างน้อย 3 ส่วน คือแรงดัน กระแส และความต้านทาน วงจรไฟฟ้าจึงสามารถทำงานได้ กฎของโอห์มเขียนออกมาเป็นสูตรได้ E = IR หน่วยปริมาณไฟฟ้าต้องอยู่ในหน่วยพื้นฐาน คือ กระแสเป็นแอมแปร์ แรงดันเป็นโวลต์ และความต้านทานเป็นโอห์ม
กำลังไฟฟ้า (P) 1W คือ อัตราของงานที่ถูกกระทำในวงจรซึ่งเกิดกระแส (I) 1A เมื่อมีแรงดัน (E) 1V เขียนเป็นสูตรออกมาได้ P = EI นอกจากนั้นยังสามารถนำสมการกฎของโอห์มมาแทนค่าสมการของกำลังไฟฟ้า (P) ได้ ทำให้สูตรใช้ในการคำนวณทางไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
พลังงานไฟฟ้า (W) คือ พลังงานที่ถูกใช้ไปหรือถูกสร้างขึ้นมาใหม่ จากกำลังไฟฟ้าที่ถูกส่งเข้ามาหรือส่งออกไป โดยมีความสัมพันธ์กับเวลา หลังงานไฟฟ้าที่ถูกนำมาใช้งานตามบ้านเรือนอยู่ในรูปไฟฟ้ากระแสสลับ จะคิดออกมาเป็นกิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) โดยใช้เครื่องวัดพลังงานไฟฟ้า เรียกว่า วัตต์อาวร์มิเตอร์
การคำนวณหาค่าพลังงานไฟฟ้าใน 1 หน่วย หรือ 1 ยูนิต ที่วัดออกมาได้ด้วยวัตต์อาวร์มิเตอร์ โดยการใช้พลังงานไฟฟ้าไป 1 กิโลวัตต์ (kW) เป็นเวลา 1 ชั่วโมง (h) เขียนเป็นสูตรออกมาได้ W = Pt