กระแสไฟฟ้า

วงจรไฟฟ้าอย่างง่าย โดยที่กระแสถูกแสดงด้วยอักษร i ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า (V), ตัวต้านทาน (R), และกระแส (I) คือ V=IR; ความสัมพันธ์นี้เป็นไปตาม กฏของโอห์ม

ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า
ไฟฟ้า แม่เหล็ก
ไฟฟ้าสถิต[แสดง]
Magnetostatics[แสดง]
Electrodynamics[แสดง]
เครือข่ายไฟฟ้า[แสดง]
Covariant formulation[แสดง]
Scientists[แสดง]
ด พ ก

กระแสไฟฟ้า (อังกฤษ: Electric current) คือการไหลของ ประจุไฟฟ้า ในวงจรไฟฟ้า ประจุนี้มักจะถูกนำพาไป อิเล็กตรอน ที่เคลื่อนที่ในประจุยังสามารถถูกนำพาโดย ไอออน ได้เช่นกันในสาร อิเล็กโทรไลต์ หรือโดยทั้งไอออนและอิเล็กตรอนเช่นใน พลาสมา^[1]

กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัด SI เป็น แอมแปร์ ซึ่งเป็นการไหลของประจุไฟฟ้าที่ไหลข้ามพื้นผิวหนึ่งด้วยอัตราหนึ่ง คูลอมบ์ ต่อวินาที กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้ แอมป์มิเตอร์^[2]

กระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดผลหลายอย่าง เช่นความร้อน (Joule heating) ซึ่งผลิต แสงสว่าง ในหลอดไฟ และยังก่อให้เกิด สนามแม่เหล็ก อีกด้วย ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายใน มอเตอร์, ตัวเหนี่ยวนำ, และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

อนุภาคที่นำพาประจุถูกเรียกว่า พาหะของประจุไฟฟ้า ใน โลหะ ตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจากแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวอยู่กับอะตอมอย่างหลวม ๆ และพวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอยู่ภายในโลหะนั้นภายใต้สภาวะการณ์หนึ่ง อิเล้กตรอนเหล่านี้เรียกว่า อิเล็กตรอนนำกระแส (อังกฤษ: conduction electron) พวกมันเป็นพาหะของประจุในโลหะตัวนำนั้น

สัญลักษณ์

สัญลักษณ์ตามธรรมเนียมปฏิบัติสำหรับกระแสไฟฟ้าคือ ${\displaystyle I}$ ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากวลีภาษาฝรั่งเศสว่า intensité de courant หมายถึงความเข้มของกระแส (อังกฤษ: current intensity)^[3][4] ความเข้มของกระแสนี้มักจะหมายถึงง่าย ๆ ว่า กระแส.^[5] สัญลักษณ์ ${\displaystyle I}$ ถูกใช้โดย อ็องเดร-มารี อ็องแปร์ หลังจากที่ชื่อของเขาถูกตั้งให้เป็นหน่วยของกระแสไฟฟ้าในการจัดตั้ง กฏแรงของแอมแปร์ ที่ถูกค้นพบในปี 1820.^[6] ชื่อเสียงของเขาเดินทางจากฝรั่งเศสไปยังอังกฤษจนกลายเป็นมาตรฐานที่นั่น ทั้ง ๆ ที่มีอย่างน้อยหนึ่งสิ่งพิมพ์ที่ไม่ยอมเปลี่ยนจากการใช้ ${\displaystyle C}$ ไปเป็น ${\displaystyle I}$ จนกระทั่งปี 1896^[7]

ธรรมเนียมปฏิบัติ

อิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุในวงจรไฟฟ้า (เส้นสีเขียว) จะไหลในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติซึ่งไหลจากขั้ว + ไปหาขั้ว - ตามเส้นสีแดง

สัญญลักษณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์สำหรับแบตเตอรีในแผนภาพของวงจร (อังกฤษ: circuit diagram)

การไหลของประจุบวกจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหมือนกันและมีผลเช่นเดียวกันกับกระแสที่เกิดจากประจุลบที่ไหลในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าอาจเกิดจากการไหลของประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งสองอย่าง ความเข้าใจในทิศทางการไหลของกระแสจึงขึ้นอยู่ว่าประจุชนิดไหนที่ทำให้เกิดกระแส ทิศทางของ'กระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ' (อังกฤษ: conventional current) ถูกกำหนดให้เป็นทิศทางของการไหลของประจุบวก^[8]

ในโลหะที่ใช้ทำสายไฟและตัวนำอื่น ๆ ในวงจรไฟฟ้าส่วนใหญ่ นิวเคลียสของอะตอมจะมีประจุบวกที่จะถูกจับเอาไว้ในตำแหน่งที่คงที่ และมีอิเล็กตรอนที่จะมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ ที่สามารถนำพาประจุของพวกมันจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ในวัสดุอื่น ๆ เช่นสารกึ่งตัวนำ พาหะของประจุสามารถนำพาประจุบวกหรือประจุลบก็ได้ขึ้นอยู่กับสารเจือปน (อังกฤษ: dopant) ที่สารกึ่งตัวนำใช้ พาหะของประจุอาจนำพาทั้งประจุบวกและประจุลบในเวลาเดียวกันก็ได้ เช่นที่เกิดขึ้นใน เซลล์ไฟฟ้าเคมี

การไหลของประจุบวกสามารถให้กระแสไฟฟ้าได้เช่นเดียวกันและให้ผลในวงจรไฟฟ้าเป็นการไหลที่เหมือนกับของประจุลบแต่ในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสอาจเป็นการไหลของประจุบวกหรือประจุลบอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง ธรรมเนียมปฏิบัติจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับชนิดของ พาหะของประจุ ทิศทางของ"กระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ"ได้ถูกกำหนดตามอำเภอใจให้เป็นทิศทางเดียวกันกับการไหลของประจุบวก

ผลที่ตามมาของธรรมเนียมปฏิบัตินี้ก็คือ อิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุในลวดโลหะและชิ้นส่วนอื่น ๆ ส่วนใหญ่ของวงจรไฟฟ้า จะไหลในทิศทางตรงข้ามกับ'การไหลของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ' (อังกฤษ: conventional current) ในวงจรไฟฟ้า

ทิศทางอ้างอิง

เนื่องจากกระแสในเส้นลวดหรือส่วนประกอบสามารถไหลไปในทิศทางใดก็ได้ เมื่อตัวแปร ${\displaystyle I}$ ถูกกำหนดให้เป็นตัวแทนของกระแส ทิศทางที่เป็นตัวแทนของกระแสบวกจะต้องมีการระบุซึ่งมักจะเป็นลูกศรในวงจรแผนภาพ นี้เรียกว่าทิศทางอ้างอิงของกระแส ${\displaystyle I}$ ถ้ากระแสไหลในทิศทางตรงกันข้าม ตัวแปร ${\displaystyle I}$ จะมีค่าติดลบ

เมื่อทำการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า ทิศทางที่เกิดขึ้นจริงของกระแสที่ไหลผ่านองค์ประกอบของวงจรเฉพาะมักจะไม่เป็นที่รู้จัก ผลที่ตมมาก็คือ ทิศทางอ้างอิงของกระแสมักจะถูกกำหนดตามอำเภอใจ เมื่อวงจรได้รับการแก้ปัญหาแล้ว ค่าลบสำหรับตัวแปรต่าง ๆ จะหมายความว่าทิศทางที่เกิดขึ้นจริงของกระแสผ่านองค์ประกอบวงจรจะเป็นตรงกันข้ามกับทิศทางอ้างอิงที่ถูกกำหนดไว้ก่อน ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทิศทางกระแสอ้างอิงมักจะถูกกำหนดให้ทุกจุดมีกระแสไหลลงกราวด์ วิธีนี้มักจะสอดคล้องกับทิศทางชองกระแสที่เกิดขึ้นจริง เพราะในหลายวงจรแรงดันไฟฟ้าจาก แหล่งจ่ายไฟ จะเป็นบวกเมื่อเทียบกับกราวด์

กฎของโอห์ม

ในวงจรไฟฟ้าใด ๆ จะประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วนคือ แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าและตัวต้านทานหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่จะใส่เข้าไปในวงจรไฟฟ้านั้น ๆ เพราะฉะนั้น ความสำคัญของวงจรที่จะต้องคำนึงถึงเมื่อมีการต่อวงจรไฟฟ้าใดๆก็คือทำอย่างไรจึงจะไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในวงจรมากเกินไปซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าชำรุดเสียหายหรือวงจรไหม้เสียหายได้ ้ นายยอร์จ ซีมอน โอห์ม นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ให้ความสำคัญของวงจรไฟฟ้าตามสมการ

${\displaystyle I={\frac {V}{R}}}$

เมื่อ I เป็นกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์, V คือค่าความต่างศักย์มีหน่วยของโวลต์และ R คือความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม

DC และ AC

กระแสแบ่งออกเป็นกระแสตรง (อังกฤษ: Direct Current) และกระแสสลับ (อังกฤษ: Alternating Current)

กระแสตรง

แสดงความแตกต่างของกระแสตรงกับกระแสสลับ โดยให้แนวตั้งเป็นปริมาณกระแส แนวนอนเป็นเวลา ถ้าเป็นกระแสตรง เมื่อเวลาผ่านไป กระแสไม่เปลี่ยนทิศ แต่กระแสสลับ บางครั้งก็เป็นบวก บางครั้งก็เป็นลบ แสดงว่ากระแสมีการเปลี่ยนทิศทาง

กระแสตรง (DC) คือการไหลทิศทางเดียวของประจุไฟฟ้า กระแสตรงเกิดจากแหล่งที่มาเช่นแบตเตอรี่, เทอร์โมคัปเปิล, เซลล์แสงอาทิตย์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงอื่นๆ กระแสตรงอาจไหลในตัวนำเช่นลวด แต่ยังสามารถไหลผ่านเซมิคอนดักเตอร์, ฉนวนหรือแม้กระทั่งผ่านสุญญากาศเช่นในลำแสงไอออน ประจุไฟฟ้าไหลในทิศทางที่คงที่แตกต่างไปจากกระแสสลับ (AC) กระแสตรงแทบไม่มีอันตราย ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็คโทรนิคส์ขนาดเล็ก ใช้กระแสต่ำ สามารถผลิตได้จากการนำกระแสสลับมาเปลี่ยนเป็นกระแสตรง เช่นที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือ

กระแสสลับ

ในกระแสสลับ (AC หรือ ac), เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ากลับไป-กลับมาอย่างรวดเร็ว เช่นไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านหรืออาคารทั่วไป รูปร่างเป็น sine wave ในบางอย่างอาจเป็นรูปสามเหลี่ยมหรือรูปสี่เหลี่ยม ส่วนใหญ่มีกระแสสูง อันตรายมาก สามารถผลิตจากไฟ DC ได้ แต่ในขนาดเล็ก เช่นเปลี่ยนจากไฟเซลล์แสงอาทิตย์มาเป็น AC เพื่อให้แสงสว่างหรือเปิดทีวีในพื้นที่ห่างไกล

แม่เหล็กไฟฟ้า

ตามกฎหมายของแอมแปร์, กระแสไฟฟ้าสามารถผลิตสนามแม่เหล็กได้ เมื่อมีกระแสไหลในเส้นลวด จะเกิดสนามแม่เหล็กที่แสดงให้เห็นเป็นรูปวงกลมรอบเส้นลวด

ตามรูป กระแสไฟฟ้าสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ ในทางกลับกัน ถ้าสนามแม่เหล็กถูกรบกวน ก็สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าบนเส้นลวดได้เช่นเดียวกัน

กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยตรงด้วยกัลวาโนมิเตอร์ แต่จะต้องตัดวงจรแล้วแทรกมิเตอร์เข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของวงจร ซึ่งไม่สะดวกในการปฏิบัติ ปัจจุบันสามารถวัดได้โดยไม่ต้องตัดวงจรโดยการตรวจสอบสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการนี้รวมถึงเซ็นเซอร์แบบฮอลล์เอฟเฟค หรือใช้ที่หนีบ (current clamp) หรือใช้หม้อแปลงกระแส หรือใช้ขดลวดของ Rogowski

นิยามของกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าคือ ปริมาณประจุไฟฟ้าที่เลื่อนไหลในวงจรไฟฟ้าต่อหน่วยวินาที เรียกว่า ปริมาณกระแสไฟฟ้าไหล แอมแปร์ คือประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์ เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดของขดลวดในเวลา 1 วินาที และหน่วยของกระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์ เพื่อให้เป็นเกียรติแก่ อองเดร เอ็ม.แอมแปร์ (Andre Marie Ampere) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า กับประจุไฟฟ้า

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาณกระแสไฟฟ้า (ปริมาณประจุไฟฟ้า Q ที่ไหลต่อหน่วยเวลา T) คือ I ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางใดๆ (เช่น ภาคตัดขวางในลวดทองแดง) นิยามจาก ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ผิวในหน่วยเวลา^[9]

โดยที่${\displaystyle Q}$เป็นปริมาณประจุที่ผ่านพื้นที่ผิวหนึ่งในช่วงเวลา${\displaystyle T}$ในสมการข้างบนเป็นค่ากระแสไฟฟ้าเฉลี่ย${\displaystyle I}$ถ้าเวลา${\displaystyle T}$เข้าใกล้ศูนย์ สามารถเขียนความสัมพันธ์อีกแบบในรูปกระแสไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่ง(instantaneous current)

${\displaystyle i(t)={dq(t) \over dt}}$ หรือผันกลับได้ ${\displaystyle q(t)=\int _{-\infty }^{t}i(x)\,dx}$

หน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบ SI คือ แอมแปร์ (ampere, A)