กระแสไฟฟ้า

กระแสสมมติและกระแสอิเล็กตรอน

รูปที่ 1 แสดงการไหลของอิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดตัวนำ โดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระทำให้เกิดกระแสอิเล็กตรอน ส่วนกระแสสมมติคือกระแสไฟฟ้าที่เราสมมติให้มีขนาดเท่ากับกระแสอิเล็กตรอนแต่มีทิศทางตรงข้ามกับกระแสอิเล็กตรอน

เมื่อนักเรียนต่อปลายทั้งสองข้างของเส้นลวดตัวนำเข้ากับ
ขั้วบวกและขั้วลบของถ่านไฟฉาย นักเรียนพบว่าจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในเส้นลวดตัวนำ โดยถ่านไฟฉายจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นภายในตัวนำ (ซึ่งสนามไฟฟ้าในลวดตัวนำนี้เองที่ทำให้เกิดเป็นความต่างศักย์บนเส้นลวด)

สนามไฟฟ้าเหล่านี้ทำให้เกิดแรงทางไฟฟ้าบนอิเล็กตรอนอิสระในทิศทางตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า
ดังนั้นอิเล็กตรอนอิสระจึงมีการเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้ามกับสนามไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสอิเล็กตรอน (electron current) ซึ่งมีทิศทางไหลจากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปยังศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า

เพื่อความสะดวกในการพิจารณาเราได้ทำการนิยาม
กระแสสมติ (conventional current) ขึ้นโดยกระแสสมตินั้นมีขนาดเท่ากับกระแสอิเล็กตรอนแต่เราสมมติให้ไหลในทิศทางตรงข้ามกับกระแสอิเล็กตรอน นั่นคือกระแสสมติจะไหลจากศักย์ไฟฟ้าที่สูงไปยังศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเปรียบเสมือนน้ำตกซึ่งไหลจากบริเวณที่มีศักย์โน้มถ่วงที่สูงไปยังบริเวณที่มีศักย์โน้มถ่วงที่ต่ำกว่า

สิ่งที่ต้องรู้

กระแสสมมติจะมีทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุบวก (ตามทิศทางสนามไฟฟ้า) แต่จะมีทิศทาง
การเคลื่อนที่ตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุลบ (สวนทางกับทิศทางสนามไฟฟ้า)

คำว่า "กระแสไฟฟ้า" (สัญลักษณ์ของกระแสไฟฟ้าคือ I) ที่เราได้ยินบ่อย ๆ หมายถึง กระแสสมมติ

เมื่อมีประจุชนิดใดก็ตามไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดของเส้นลวดหรือบริเวณที่เราสนใจ เราสามารถคำนวณหาค่ากระแสไฟฟ้าเฉลี่ยได้โดยการหาอัตราส่วนระหว่างปริมาณประจุทั้งหมดที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดหนึ่ง ๆ ที่เราสนใจต่อเวลาที่ประจุทั้งหมดใช้ในการเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดนั้น ๆ

นิยาม กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย

I subscript เฉล ี่ ย equals fraction numerator increment Q over denominator increment t end fraction

เมื่อ

I subscript เฉล ี่ ย

คือค่ากระแสไฟฟ้าเฉลี่ย

increment Q

คือปริมาณประจุทั้งหมดที่ไหลผ่านพื้นที่
หน้าตัดที่เราสนใจ

increment t

คือเวลาที่ประจุทั้งหมดใช้ในการเคลื่อนที่
ผ่านพื้นที่หน้าตัดที่เราสนใจ

ความสัมพันธ์ของนิยามกระแสนั้นสามารถนำมาวาดกราฟได้ โดยจะมีกราฟอยู่ 2 กราฟนั่นคือ

กราฟความสัมพันธ์ระหว่าง I-t
กราฟความสัมพันธ์ระหว่าง Q-t

โดยหากพิจารณาที่พื้นที่ใต้กราฟของ
กราฟ (1) จะได้ประจุไฟฟ้า
และหากพิจารณาที่ความชันของ
กราฟ (2) จะได้กระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าในตัวนำไฟฟ้า คือกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากประจุพาหะเคลื่อนที่ (Charge carrier) ซึ่งก็คืออิเล็กตรอนอิสระในโลหะนั่นเอง โดยอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ภายในตัวนำไฟฟ้านั้นจะเป็นการเคลื่อนที่แบบ
ไร้ระเบียบและอิเล็กตรอนอิสระยังเกิดการชนกับไอออนบวกที่เรียงตัวเป็นโครงผลึกอยู่ภายในตัวนำไฟฟ้า

ด้วยเหตุนี้ความเร็วของอิเล็กตรอนในแต่ละชั่วขณะเวลานั้นมีค่าไม่คงที่ แม้ว่าความเร็วของอิเล็กตรอน ณ ขณะใด ๆ มีค่าไม่คงที่เปลี่ยนแปลงไปเรื่อย ๆ แต่เราสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ได้ด้วยความเร็วเฉลี่ย โดยความเร็วเฉลี่ยของประจุพาหะที่เคลื่อนที่นั้นถูกเรียกว่าความเร็วลอยเลื่อน (Drift velocity : $v subscript d$

รูปที่ 2 แสดงการเคลื่อนที่แบบไร้ระเบียบของอิเล็กตรอนอิสระ นอกจากนี้อิเล็กตรอนอิสระยังชนกับไอออนบวกที่
เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบอยู่ภายในตัวนำ ทำให้ค่าความเร็วลอยเลื่อน (ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระ) มีค่าค่อนข้างน้อยอยู่ที่ประมาณระดับ มิลลิเมตรต่อวินาที

นักเรียนสามารถคำนวณหาค่ากระแสไฟฟ้าได้จากสมการ

I equals v subscript d A n e

สูตรการหากระแสไฟฟ้าจากความเร็วลอยเลื่อนและความหนาแน่นประจุพาหะ

I equals v subscript d A n e

โดยที่

v subscript d

คือ ความเร็วรอยเลื่อนของประจุพาหะ (เมตรต่อวินาที)

A

คือ พื้นที่หน้าตัดที่ประจุเคลื่อนที่ผ่าน
(ตารางเมตร)

n

คือ ความหนาแน่นประจุซึ่งก็คือจำนวน
ประจุพาหะต่อปริมาตร
(จำนวนประจุพาหะต่อลูกบาศก์เมตร)

e

คือ ค่าประจุมูลฐานมีค่าเท่ากับ
1.6×10⁻¹⁹ คูลอมบ์

กระแสไฟฟ้า & กำลังไฟฟ้า (1)

แบบฝึกหัด