การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านตัวกลาง

 กระแสไฟฟ้า (Electric current) I

คือ อัตราการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า โดยกระแสไฟฟ้าไหลจากที่มีศักย์ไฟฟ้าสูง ไปยังที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ มีทิศตามการเคลื่อนที่ของประจุบวก หรือ ทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของประจุลบ

electric current

 

 

 

 

 

 

รูปที่ 1 แสดงทิศการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า

ที่มา http://www.physicstutorials.org/home/electric-current/electric-current-and-flow-of-charge

หมายเหตุ    กระแสไฟฟ้าที่เรียนกันอยู่เป็น “ กระแสสมมติ ”  (I) ส่วน กระแสอิเล็กตรอน เป็นกระแสไฟฟ้าแท้จริง เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปหาศักย์ไฟฟ้าสูง

ถ้าเรานำตัวนำที่มีประจุและมีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน มาวางติดกัน หรือใช้ลวดโลหะตัวนำเชื่อมต่อกัน ตัวนำที่มีประจุทั้งสองก็จะเกิดการถ่ายเทประจุระหว่างตัวนำทั้งสองผ่านลวดโลหะตัวนำ เรากล่าวว่ามี กระแสไฟฟ้า ในลวดตัวนำนั้น จนกระทั่งศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำทั้งสองเท่ากัน ประจุหยุดถ่ายเท กระแสไฟฟ้าก็หมดไป ถ้าต้องการให้เกิดกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำนั้นอย่างต่อเนื่องต้องใช้ แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

 

แหล่งกำเนิดไฟฟ้า (Source of eletromotive force)

แหล่งกำเนิดไฟฟ้า  คือ แหล่งกำเนิดที่ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำอยู่ตลอดเวลา เช่น ถ่านไฟฉาย แบตเตอรี่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เป็นต้น

 1. เซลล์ไฟฟ้าเคมี (eletrochemical)

              ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าบวก ขั้วไฟฟ้าลบ และสารเคมีภายในเซลล์ เซลล์ไฟฟ้าเคมี แบ่งออกเป็น 2 ประเภท

           1.1  เซลล์ไฟฟ้าปฐมภูมิ (primary cell)

เช่น เซลล์แห้ง หรือถ่านไฟฉาย เมื่อสารเคมีถูกใช้หมดแล้วจะไม่สามารถนำมาอัดไฟได้อีก  ส่วนประกอบของถ่านไฟฉายทั่วไป แสดงดังรูป

Leclanche cell

รูป แสดงองค์ประกอบของถ่ายไฟฉาย

ที่มา  http://www.daviddarling.info/encyclopedia/L/Leclanche_cell.html

จากรูป จะเห็นว่าถ่านไฟฉายประกอบด้วย

                                       ขั้วลบ (-)     แผ่นสังกะสี (zinc case)

                                      ขั้วบวก (+)   แท่งคาร์บอน (carbon rod)

                                      ของผสม         มังกานีสไดออกไซด์ (manganese dioxide) และแอมโมเนียคลอไรด์ (ammonium chloride)  ลักษณะเปียกเป็นผงถ่าน

ให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า 1 เซลล์ ประมาณ 1.5 โวลต์

           1.2 เซลล์ทุติยภูมิ (secondary cell)

เช่น พวกแบตเตอรี่รถยนต์ เมื่อสารเคมีถูกใช้หมดแล้ว สามารถนำมาอัดไฟใหม่ได้ ส่วนประกอบของแบตเตอรี่รถยนต์

กก

รูป แสดงส่วนประกอบของแบตเตอรี่รถยนต์

ที่มา  ขอบคุณ เครดิตภาพ

จากรูป จะเห็นว่าแบตเตอรี่รถยนต์ประกอบด้วย

                                       ขั้วลบ  (-)     แผ่นตะกั่วพรุน (Lead)

                                       ขั้วบวก (+)   แผ่นตะกั่วเปอร์ออกไซด์ (Lead oxide)

                                       สารละลาย       กรดกำมะถัน (Sulphuric acid) และน้ำกลั่น

ให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า เซลล์ละ 2 โวลต์

หมายเหตุ อาจใช้นิเกิล แคดเมียม แทนตะกั่ว

2. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator)

เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยหลักการ เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

dc generator

รูป  แสดงหลักการทำงานของ DC  generator

ที่มา  http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-ii/electricity/electric-generator.php

3. คู่ควบความร้อน (thermocouple)

ประกอบด้วยโลหะ 2 ชนิด ซึ่งโลหะหนึ่งพร้อมที่จะให้อิเล็กตรอนอิสระมากกว่าอีกโลหะหนึ่ง  ความต่างอุณหภูมิระหว่างรอยต่อ ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างโลหะ  ทั้งสอง แสดงดังรูป

          ที่มา  http://nuclearpowertraining.tpub.com/h1013v1/css/h1013v1_24.htm

 

4. เซลล์สุริยะ (solar cell)

เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยคุณสมบัติความไวแสงของโลหะกึ่งตัวนำ

5. แหล่งกำเนิดจากสิ่งมีชีวิต

เช่น ปลาไหลไฟฟ้า สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้เมื่อมีนตกใจต่อศัตรู โดยมีเซลล์พิเศษสามารถทำให้เกิดความต่างศักย์ ระหว่างหัวกับหางของมัน นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่ามีความต่างศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นในสัตว์อื่นๆ อีกรวมทั้งในร่างกายของมนุษย์ด้วย เช่น ที่แขนและขา จะพบว่ามีความต่างศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นทุกครั้งที่หัวใจเต้น จากความรู้นี้ได้ถูกนำมาพัฒนาสร้างเครื่องช่วยตรวจหัวใจที่เรียกว่า อิเล็กโทรคาร์ดิโอกราฟ ซึ่งช่วยให้แพทย์สามารถวินิจฉัยโรคหัวใจได้อย่างถูกต้อง

กระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าซึ่งประจุไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้ในตัวกลางหลายๆ ชนิด และเรียกสมบัติของตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้ว่า  ตัวนำไฟฟ้า ขณะที่มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำ เรากล่าวว่า มีการนำไฟฟ้า 

เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวกลาง เรียกว่า มีการนำไฟฟ้าในตัวกลาง

 การนำไฟฟ้าในตัวกลาง

       1. การนำไฟฟ้าในโลหะ

 

เป็นการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนอิสระ (Free electron)  ซึ่งจะเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian) ตลอดเวลา ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระทุกตัวเท่ากับศูนย์ เนื่องจากการเคลื่อนที่มีทิศทางไม่แน่นอน แต่ถ้าปลายทั้งสองของโลหะมีศักย์ไฟฟ้าต่างกันจะเกิดสนามไฟฟ้าในแท่งโลหะ แรงจากสนามไฟฟ้าทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่แบบลอยเลื่อน (drift  velocity)  ซึ่งจะเคลื่อนที่เป็นระเบียบในทิศทางเดียวกัน และเป็นไปตาม กฎของโอหม์

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

รูป 1(a) แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะตัวนำ  รูป 1(b) แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเมื่อมีความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างปลายทั้งสอง

ที่มา http://www.schoolphysics.co.uk/age11-14/Electricity%20and%20magnetism/Current%20electricity/text/Electric_current/index.html

คำถาม

  1. การนำไฟฟ้าในโลหะเป็นการเคลื่อนที่ของประจุอะไร??  คำตอบ
  2. อิเล็กตรอนอิสระมีการเคลื่อนที่แบบใด?? คำตอบ
  3. ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระมีค่าเท่าใด?? คำตอบ

          2. การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ

หลอดสุญญากาศ เป็นหลอดแก้วซึ่งสูบอากาศภายในออกเกือบหมด มีขั้วสำหรับให้อิเล็กตรอน เรียกว่า แคโทด (Cathode)  ขั้วสำหรับรับอิเล็กตรอน เรียกว่า แอโนด (Anode)

การทำให้ศักย์ไฟฟ้าของแอโนดสูงกว่าแคโทด อิเล็กตรอนก็จะถูกเร่งจากแคโทดผ่านบริเวณสุญญากาศมายังแอโนดจึงมีกระแสไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ เรียกหลอดสุญญากาศนี้ว่า หลอดไดโอด (diode tube)

ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ที่มา http://www.radio-electronics.com/info/data/thermionic-valves/vacuum-tube-theory/diode_vacuum_tube.gif

การทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากแคโทดของหลอดสุญญากาศนอกจากใช้ความร้อนแล้วยังอาจทำได้โดยใช้โลหะบางชนิด ซึ่งมีสมบัติเมื่อได้รับแสงจะให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา เรียกหลอดสุญญากาศที่ทำงานอาศัย หลักการนี้ว่า หลอดโฟโตอิเล็กทริก (photoelectric tube)

คำถาม

  1. การเหนี่ยวนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคใด
  2. ขั้วแคโทด, แอโนด ในหลอดสุญญากาศทำหน้าที่อะไร
  3. ถ้าทำให้แคโทดมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าแอโนดจะมีผลอย่างไร

           3.   การนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์

สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เป็นสารละลายที่สามารถนำไฟฟ้าได้ ซึ่งอาจเป็นสารละลายของ กรด เบส หรือเกลือ เช่น สารละลายกรดกำมะถัน ฯลฯ

เมื่อจุ่มแท่งโลหะ 2 แท่ง ที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า โดยต่อเข้ากับขั้วแบตเตอรี่ลงไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ทำให้สารละลายแตกตัวเป็นไอออน

Electrolysis of copper sulfate

รูป แสดงการนำไฟฟ้าในสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต (copper sulfate)

ที่มา https://www.boundless.com/chemistry/textbooks/boundless-chemistry-textbook/

จากรูปจะเห็นว่าไอออนบวก  เคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าลบ และ ไอออนลบ   เคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าบวก

           ดังนั้น  กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์จึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของไอออนบวกและไอออนลบ

ประโยชน์ของการนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลท์

  1. การชุบโลหะ
  2. การแยกธาตุบริสุทธิ์ออกจากแร่

             4.  การนำไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส

หลอดบรรจุแก๊ส เป็นหลอดแก้วซึ่งสูบอากาศออกและบรรจุแก๊สบางชนิดเข้าไป เช่น ไฮโดรเจน นีออน อาร์กอน หรือไอปรอท ลงไปเล็กน้อย ความดันของแก๊สในหลอดแก้วต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ที่ปลายทั้งสองของหลอดมีขั้วไฟฟ้า

การทำให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วหลอดทั้งสองสูงเพียงพอ จะทำให้โมเลกุลของแก๊ส แตกตัวเป็น ไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระ แล้วเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้า เช่น หลอดโฆษณา ดังรูป

รูป  แสดงการนำไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สนีออน

                                             ที่มา  http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Semi/SEMI_13.html

ดังนั้น    กระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สจะเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก

การบรรจุแก๊สต่างชนิดกัน ทำให้สีที่ปรากฏต่างกันดังรูป

รูป แสดงหลอดบรรจุแก๊สสีต่างๆ

                                                               ที่มา  http://en.wikipedia.org/wiki/Gas-filled_tube

 

การทำให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วหลอดทั้งสองสูงเพียงพอ จะทำให้โมเลกุลของแก๊ส แตกตัวเป็นไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระ แล้วเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้า เช่น หลอดโฆษณา

ดังนั้น  กระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สจะเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก

 

         5.   การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

สนามไฟฟ้าที่มีความเข้มมากพอผ่านเข้าไป จะทำให้อิเล็กตรอนบางตัวในพันธะหลุดออกมากลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และเกิดที่ว่าง เรียกว่า โฮล (Hole)  โฮลจะมีพฤติกรรมคล้ายอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่กระต่ออิเล็กตรอนอิสระและโฮล จะมีทิศทางตรงข้าม ทำให้อิเล็กตรอนอิสระและโฮลเคลื่อนที่  โดยอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามสนามไฟฟ้าส่วนโฮลเคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า

รูป แสดงการนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

ที่มา http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/intrin.html

ดังนั้น    การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล

สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor)

เป็นสารที่มีสมบัติทางไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน เช่น ซิลิคอน เยอรมาเนียม มี 2 ชนิด

  • สารกึ่งตัวนำชนิดพี ( P –Type)  
  • สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N – Tpye)

 

การหาค่าของกระแสไฟฟ้าในตัวกลาง

ขนาดของกระแสไฟฟ้าในตัวกลางใด เท่ากับปริมาณประจุไฟฟ้า (Q) ที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางของตัวกลางในหนึ่งหน่วยเวลา (t)

                                  I = Q/t

หรือ                   I = ne/t

Q =    ปริมาณของประจุ หน่วย คูลอมบ์    (C)

I =     กระแสไฟฟ้า หน่วย แอมแปร์ (A)

t =     เวลา หน่วย วินาที (s)

n = จำนวนประจุของอิเล็กตรอน (ตัว/อนุภาค)

e = ขนาดประจุของอิเล็กตรอน 1  ตัว  , e = 1.60×10-19       คูลอมบ์

เมื่อเราพิจารณาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำโลหะผ่านพื้นที่หน้าตัดดังรูป

รูป  แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำโลหะผ่านพื้นที่หน้าตัด

ที่มา  http://www.neutron.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=2530

จากรูป ในช่วงเวลา t จำนวนอิเล็กตรอนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัด A คือ จำนวนอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำที่มีปริมาตร sA ซึ่งเท่ากับ nsA หรือ nvtA เนื่องจาก s = vt ดังนั้น ประจุไฟฟ้า Q ของอิเล็กตรอนอิสระจำนวน nvtA ตัว เท่ากับ nevtA

นั่นคือ                              จาก                     I  =  Q/t

  I  =  nvtAe/t

                                    I    = nevA

เมื่อ  n    เป็นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระหรือจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในหนึ่งหน่วยปริมาตรของตัวนำ  (อนุภาค/ลูกบาศก์เมตร)
      v    เป็นความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนอิสระ (m/s)

      e    เป็นประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนอิสระ   1.60×10-19       คูลอมบ์

 

 

 

2 comments on “การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านตัวกลาง

    • ประจุในที่นี้หมายถึงประจุลบใช่ไหม?
      ถ้าในตัวกลางที่เป็นลวดตัวนำ เมื่อมีความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างปลายทั้งสอง อิเล็กตรอน (ประจุลบ) ก็จะเคลื่อนที่ไปยังฝั่งตรงข้าม (ขั้วบวก)

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s