กระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้า (อังกฤษ: electric current) คือการไหลของประจุไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในประจุยังสามารถถูกนำพาโดยไอออนได้เช่นกันในสารอิเล็กโทรไลต์ หรือโดยทั้งไอออนและอิเล็กตรอนเช่นใน พลาสมา

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

กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัด SI เป็น แอมแปร์ ซึ่งเป็นการไหลของประจุไฟฟ้าที่ไหลข้ามพื้นผิวหนึ่งด้วยอัตราหนึ่ง คูลอมบ์ ต่อวินาที กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้ แอมป์มิเตอร์

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

อนุภาคที่นำพาประจุถูกเรียกว่า พาหะของประจุไฟฟ้า ในโลหะตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจากแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวอยู่กับอะตอมอย่างหลวม ๆ และพวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอยู่ภายในโลหะนั้นภายใต้สภาวะการณ์หนึ่ง อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่า อิเล็กตรอนนำกระแส (อังกฤษ: conduction electron) พวกมันเป็นพาหะของประจุในโลหะตัวนำนั้น

กระแสไฟฟ้า  (I)  เกิดขึ้นจากการไหลของอิเล็กตรอนผ่านวัสดุชนิดหนึ่ง นั่นคือการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า  อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ถ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าซึ่งสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองบริเวณ เพราะฉะนั้นความต่างศักย์ไฟฟ้าจึงจำเป็นในการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าเป็นวงจรปิด ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

ประกายไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง สร้างประกายไฟฟ้าขึ้น  โดยประกายไฟฟ้าเกิดขึ้นจากโดมตัวใหญ่จะวิ่งเข้าหาทรงกลมอันเล็ก ที่ต่อกับสายดินไว้

ประกายไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น  เมื่อความต่างศักย์ของโดมมากพอที่จะทำให้อากาศโดยรอบเกิดการแตกตัวเป็นอิออน  ทำให้อากาศเปลี่ยนจากฉนวนเป็นตัวนำไฟฟ้า  ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเร็วมากประมาณ  1  ใน  1000  วินาที

สภาพการนำไฟฟ้า

ความสามารถในการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนในการนำไฟฟ้าจะบอกถึงลักษณะของตัวกลาง

– ตัวนำไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะเคลื่อนผ่านได้ดี เช่น โลหะ

– ฉนวนไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลผ่านได้

– ข้อแตกต่างระหว่าง ตัวนำและฉนวนไฟฟ้าคือจำนวนอิเล็กตรอนอิสระที่ไม่ได้อยู่ภายใต้อิทธิพลของศักย์ไฟฟ้าของนิวเคลียส

สัญลักษณ์

สัญลักษณ์ตามธรรมเนียมปฏิบัติสำหรับกระแสไฟฟ้าคือ ${\displaystyle I}$  ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากวลีภาษาฝรั่งเศสว่า intensité de courant หมายถึงความเข้มของกระแส (อังกฤษ: current intensity) ความเข้มของกระแสนี้มักจะหมายถึงง่าย ๆ ว่า กระแส. สัญลักษณ์ ${\displaystyle I}$  ถูกใช้โดย อ็องเดร-มารี อ็องแปร์ หลังจากที่ชื่อของเขาถูกตั้งให้เป็นหน่วยของกระแสไฟฟ้าในการจัดตั้ง กฏของแอมแปร์ ที่ถูกค้นพบในปี 1820. ชื่อเสียงของเขาเดินทางจากฝรั่งเศสไปยังอังกฤษจนกลายเป็นมาตรฐานที่นั่น ทั้ง ๆ ที่มีอย่างน้อยหนึ่งสิ่งพิมพ์ที่ไม่ยอมเปลี่ยนจากการใช้ ${\displaystyle C}$  ไปเป็น ${\displaystyle I}$  จนกระทั่งปี 1896

ธรรมเนียมปฏิบัติ

 

อิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุในวงจรไฟฟ้า (เส้นสีเขียว) จะไหลในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติซึ่งไหลจากขั้ว + ไปหาขั้ว - ตามเส้นสีแดง

 

สัญญลักษณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์สำหรับแบตเตอรีในแผนภาพของวงจร (อังกฤษ: circuit diagram)

การไหลของประจุบวกจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหมือนกันและมีผลเช่นเดียวกันกับกระแสที่เกิดจากประจุลบที่ไหลในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าอาจเกิดจากการไหลของประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งสองอย่าง ความเข้าใจในทิศทางการไหลของกระแสจึงขึ้นอยู่ว่าประจุชนิดไหนที่ทำให้เกิดกระแส ทิศทางของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ (อังกฤษ: conventional current) ถูกกำหนดให้เป็นทิศทางของการไหลของประจุบวก

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

การไหลของประจุบวกสามารถให้กระแสไฟฟ้าได้เช่นเดียวกันและให้ผลในวงจรไฟฟ้าเป็นการไหลที่เหมือนกับของประจุลบแต่ในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสอาจเป็นการไหลของประจุบวกหรือประจุลบอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง ธรรมเนียมปฏิบัติจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับชนิดของ พาหะของประจุ ทิศทางของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ ได้ถูกกำหนดตามอำเภอใจให้เป็นทิศทางเดียวกันกับการไหลของประจุบวก

ผลที่ตามมาของธรรมเนียมปฏิบัตินี้ก็คือ อิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุในลวดโลหะและชิ้นส่วนอื่น ๆ ส่วนใหญ่ของวงจรไฟฟ้า จะไหลในทิศทางตรงข้ามกับการไหลของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ (อังกฤษ: conventional current) ในวงจรไฟฟ้า

ทิศทางอ้างอิง

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

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

กฎของโอห์ม

ในวงจรไฟฟ้าใด ๆ จะประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วนคือ แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าและตัวต้านทานหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่จะใส่เข้าไปในวงจรไฟฟ้านั้น ๆ เพราะฉะนั้น ความสำคัญของวงจรที่จะต้องคำนึงถึงเมื่อมีการต่อวงจรไฟฟ้าใด ๆ ก็คือทำอย่างไรจึงจะไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในวงจรมากเกินไปซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าชำรุดเสียหายหรือวงจรไหม้เสียหายได้ เกออร์ค ซีม็อน 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) เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ากลับไป-กลับมาอย่างรวดเร็ว เช่นไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านหรืออาคารทั่วไป รูปร่างเป็น sine wave ในบางอย่างอาจเป็นรูปสามเหลี่ยมหรือรูปสี่เหลี่ยม ส่วนใหญ่มีกระแสสูง อันตรายมาก สามารถผลิตจากไฟ DC ได้ แต่ในขนาดเล็ก เช่นเปลี่ยนจากไฟเซลล์แสงอาทิตย์มาเป็น AC เพื่อให้แสงสว่างหรือเปิดทีวีในพื้นที่ห่างไกล ระบบไฟฟ้ากระแสสลับแบ่งออกได้เป็น 2 ระบบ ดังนี้

1. ระบบไฟฟ้า 1 เฟส คือระบบไฟฟ้าที่มีสายไฟฟ้าจำนวน 2 เส้น เส้นที่มีไฟเรียกว่าสายไฟ หรือสายเฟส หรือสายไลน์ เขียนแทนด้วยตัวอักษร L (Line) เส้นที่ไม่มีไฟเรียกว่าสายนิวทรอล หรือสายศูนย์ เขียนแทนด้วยตัวอักษร N (Neutral) ทดสอบได้โดยใช้ไขควงวัดไฟ เมื่อใช้ไขควงวัดไฟแตะสายเฟส หรือสายไฟ หรือสายไลน์ หลอดไฟเรืองแสงที่อยู่ภายไขควงจะติด สำหรับสายนิวทรอล หรือสายศูนย์ จะไม่ติด แรงดันไฟฟ้าที่ใช้มีขนาด 220 โวลท์ (Volt) ใช้สำหรับบ้านพักอาศัยทั่วไปที่มีการใช้ไฟฟ้าไม่มากนัก

2. ระบบไฟฟ้า 3 เฟส คือระบบไฟฟ้าที่มีสายเส้นไฟจำนวน 3 เส้น และสายนิวทรอล 1 เส้น จึงมีสายรวม 4 เส้น ระบบไฟฟ้า 3 เฟส สามารถต่อใช้งานเป็นระบบไฟฟ้า 1 เฟส ได้ โดยการต่อจากเฟสใดเฟสหนึ่งและสายนิวทรอลอีกเส้นหนึ่ง แรงดันไฟฟ้าระหว่างสายเฟสเส้นใดเส้นหนึ่งกับสายนิวทรอลมีค่า 220 โวลท์ (Volt) และแรงดันไฟฟ้าระหว่างสายเฟสด้วยกันมีค่า 380 โวลท์ (Volt) ระบบนี้จึงเรียกว่าระบบไฟฟ้า 3 เฟส 4 สาย 220/380 โวลท์ (Volt) ระบบนี้มีข้อดีคือสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าระบบ 1 เฟส ถึง 3 เท่า จึงเหมาะสมกับสถานที่ที่ต้องการใช้ไฟฟ้ามาก ๆ เช่น อาคารพาณิชย์ โรงงานอุตสาหกรรม​ เป็นต้น

แม่เหล็กไฟฟ้า

 

ตามกฎของแอมแปร์, 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 อ็องเดร-มารี อ็องแปร์ (อังกฤษ: Andre Marie Ampere) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า กับประจุไฟฟ้า

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาณกระแสไฟฟ้า (ปริมาณประจุไฟฟ้า Q ที่ไหลต่อหน่วยเวลา T) คือ I ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางใดๆ (เช่น ภาคตัดขวางในลวดทองแดง) นิยามจาก ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ผิวในหน่วยเวลา

${\displaystyle I={Q \over T}}$ 

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)

ดูเพิ่ม

• Current 3-vector
• Direct current
• Electric shock
• Electrical measurements
• History of electrical engineering
• Hydraulic analogy
• SI electromagnetism units

อ้างอิง

1. Anthony C. Fischer-Cripps (2004). The electronics companion. CRC Press. p. 13. ISBN 978-0-7503-1012-3.
2. Lakatos, John (March 1998). "Learn Physics Today!". Lima, Peru: Colegio Dr. Franklin D. Roosevelt. สืบค้นเมื่อ 2009-03-10. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
3. T. L. Lowe, John Rounce, Calculations for A-level Physics, p. 2, Nelson Thornes, 2002 ISBN 0-7487-6748-7.
4. Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Principles of Electronic Instrumentation and Measurement, p. 37, Merrill Pub. Co., 1988 ISBN 0-675-20449-6.
5. K. S. Suresh Kumar, Electric Circuit Analysis, Pearson Education India, 2013, ISBN 9332514100, section 1.2.3 "'Current intensity' is usually referred to as 'current' itself."
6. A-M Ampère, Recuil d'Observations Électro-dynamiques, p. 56, Paris: Chez Crochard Libraire 1822 (in French).
7. Electric Power, vol. 6, p. 411, 1894.
8. [1], กระแสไฟฟ้าในตัวนำ ม.เกษตร
9. [2], กระแสไฟฟ้า ม.สุรนารี