14-5-กฎของโอห์มและความต้านทาน

1. กฎของโอห์ม

    หลังจากที่เราศึกษากันถึง กระแสไฟฟ้าในตัวนำในลักษณะต่างกันออกไปแล้ว มาถึงเรื่องนี้จะศึกษากันในหัวข้อกฎของโอห์มและความต้านทาน เรามาลองดูกันได้เลยครับ

จุดประสงค์ของการเรียนรู้

1. นักเรียนสามารถอธิบายกฎของโอห์ม และความต้านทานได้

2. นักเรียนสามารถบอกค่าความต้านทานโดยอ่านค่าจากแถบสีได้อย่างถูกต้อง

3. นักเรียนสามารถอธิบายลักษณะของตัวต้านทานชนิดต่างๆได้อย่างถูกต้อง

       เมื่อต่อปลายของลวดนิโครม ซึ่งเป็นโลหะผสมระหว่างนิกเกิลกับโครเมียม กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านลวดนิโครม ถ้าความต่างศักย์ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนไป จะทำให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนไป โดยจากการทดลองพบว่า

       “กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดนิโครมแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของลวดนิโครม”

จึงเขียนเป็นสมการความสัมพันธ์ ได้ดังนี้

       เราเรียก R นี้ว่า ค่าความต้านทาน (Resistance) ของลวดนิโครม ที่ใช้ในการทดลองมีหน่วยเป็น โวลต์ต่อแอมแปร์ (V/A) หรือ โอห์ม (Ohm) แทนด้วยสัญลักษณ์ 

จากสมการ (1) โอห์มได้ทำการศึกษาและตั้งความสัมพันธ์นี้ว่า กฎของโอห์ม มีใจความว่า

       “ถ้าอุณหภูมิคงตัว กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำจะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำนั้น“

        เมื่อทำการศึกษาโดยเพิ่มอุณหภูมิพบว่า ความต้านทานของโลหะมีค่าคงตัวและเป็นไปตามกฏของโอห์ม ส่วนวัตถุอื่น เช่น สารกึ่งตัวนำ ไดโอด หลอดฟลูออเรสเซนต์ จะมีค่าความต้านทานไม่คงตัว และไม่เป็นไปตามกฏของโอห์ม

2.ตัวต้านทาน (resistor)

       การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าในการทดลอง ใช้ลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานค่าหนึ่งถือได้ว่าลวดนิโครมเป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่งในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำมาจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัวหลายขนาด ดังรูป ก. เรียกว่า ตัวต้านทานคงตัว (fixed resistor)  เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ ดังรูป ข.

รูป ก.  ตัวต้านทานคงตัว (fixed resistor) ชนิดต่างๆ  

ที่มา http://www.oknation.net/blog/print.php?id=172699

รูป ข.  สัญลักษณ์ของตัวต้านทาน แบบปรับค่าได้  

ที่มา http://www.workin.in.th/category/55/%E0%B8%AD%E0%B8%B8%E0%B8%9B%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%93%E0%B9%8C%E0%B8%AD%E0%B8%B4%E0%B9%80%E0%B8%A5%E0%B9%87%E0%B8%81%E0%B8%97%E0%B8%A3%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B8%B4%E0%B8%81%E0%B8%AA%E0%B9%8C/%E0%B8%95%E0%B8%B1%E0%B8%A7%E0%B8%95%E0%B9%89%E0%B8%B2%E0%B8%99%E0%B8%97%E0%B8%B2%E0%B8%99-resistor/%E0%B8%95%E0%B8%B1%E0%B8%A7%E0%B8%95%E0%B9%89%E0%B8%B2%E0%B8%99%E0%B8%97%E0%B8%B2%E0%B8%99%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B8%9B%E0%B8%A3%E0%B8%B1%E0%B8%9A%E0%B8%84%E0%B9%88%E0%B8%B2%E0%B9%84%E0%B8%94%E0%B9%89-adjustable-resistor

       โดยค่าความต้านทานจะอ่านได้จากแถบสีบนตัวต้านทานตามรหัสสีดังตารางในรูป ค. ซึ่งแสดงค่าของรหัสสีพร้อมตัวอย่างการอ่านค่า

รูป ค.  ตารางแสดงค่าของรหัสสีตัวต้านทาน

ที่มา http://www.semi-shop.com/knowledge/knowledge_detail.php?sk_id=1

วิธีการอ่านค่าตัวต้านทาน

ที่มาของรูป http://www.hs8jyx.com/html/r_read.html

ตัวต้านทานในรูป มีสี น้ำตาล เทา เหลือง และ ทอง (แบบ 4 แถบสี) ตามลำดับ ค่าที่ได้คือ

• แถวที่ 1 = น้ำตาล = 1

• แถวที่ 2 = เทา = 8

• ตัวคูณ = เหลือง = 10,000 = 10⁴

• ค่าความผิดพลาด = ทอง = 5%

เพราะฉะนั้นจะได้ว่า ความต้านทาน  = 18 x 10⁴ = 180,000 = 1.8 x 10⁵ โอห์ม ค่าความผิดพลาด 5 % 

หรือ 180 กิโลโอห์ม ค่าความผิดพลาด 5 %  [ 180 k -/+ 5% ]

ลองอ่านค่าความตัวต้านทานดูกันครับ!

ที่มาของรูป http://www.hs8jyx.com/html/r_read.html

ตัวต้านทานในรูป มีสี เขียว น้ำเงิน เหลือง และ ทอง (แบบ 4 แถบสี) ตามลำดับ ค่าที่ได้คือ

• แถวที่ 1 = เขียว = 5

• แถวที่ 2 = น้ำเงิน = 6

• ตัวคูณ = เหลือง  = 10,000 = 10⁴

• ค่าความผิดพลาด = ทอง = 5%

เพราะฉะนั้นจะได้ว่า ความต้านทาน  = 56 x 10⁴ = 560,000  =  5.6 x 10⁵ โอห์ม ค่าความผิดพลาด 5 %  

หรือ 560 กิโลโอห์ม ค่าความผิดพลาด 5 %  [ 560 k -/+ 5% ]

       ดังนั้น ตัวต้านทานจึงทำหน้าที่กำจัดค่าของกระแสไฟฟ้าในวงจร ซึ่งนอกจากตัวต้านทานค่าตัวแล้ว ยังมีตัวต้านทานแบบแปรค่า (variable resistor) ดังรูป ง. ซึ่งค่าความต้านทานสามารถเลือกปรับได้ตามที่ต้องการ

รูป ง. ตัวต้านทานแบบแปรค่า (variable resistor)

ที่มา http://resistor-read.blogspot.com/2010/12/blog-post_6022.html

       ต้านทานแบบแปรค่าจะทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจร จึงเรียกว่า ตัวคุมกระแส ซึ่งนิยมใช้ในการควบคุมสว่างของหลอดไฟ, การควบคุมความดังของเสียง, โอห์มมิเตอร์ หรือ เครื่องวัดปริมาณน้ำมันในรถยนต์ เป็นต้น

       ตัวต้านทานชนิดแอลดีอาร์ (Light Dependent Resistor : LDR) เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับความสว่างของแสงที่ตกกระทบ มีลักษณะและสัญลักษณ์ดังรูป จ.

รูป จ. แสดงรูป, สัญลักษณ์ของตัวต้านทานชนิดแอลดีอาร์ และ
กราฟระหว่างกระแส I และ ความต่างศักย์ V ของ LDR ในที่มืดและที่สว่าง

http://www.cpn1.go.th/media/thonburi/lesson/15_ElectricMageticI/content3.html

       ตัวต้านทานชนิดเทอร์มิสเตอร์ (Thermister)เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมเทอร์มิสเตอร์แบบ NTC มีความต้านทานสูงเมื่ออุณหภูมิต่ำ แต่มีความต้านทานต่ำเมื่ออุณหภูมิสูง เทอร์มิสเตอร์จึงเป็นตัวรับรู้อุณหภูมิ (temperature sensor) เทอร์มิสเตอร์มีลักษณะและสัญลักษณ์ดังรูป ฉ.

รูป ฉ. แสดงรูป, สัญลักษณ์ของตัวต้านทานชนิดเทอร์มิสเตอร์
กราฟระหว่างกระแส I และ ความต้านทาน R ของ เทอร์มิสเตอร์ แบบ NTC 

http://www.cpn1.go.th/media/thonburi/lesson/15_ElectricMageticI/content3.html

       ไดโอด (Diode) ไดโอดทำจากสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) มีลักษณะและสัญลักษณ์ดังรูป ช. ซึ่งไดโอดมีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ เมื่อนำไดโอด แบตเตอรี่มาต่อกันเป็นวงจรโดยต่อขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่กับขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบของไดโอดตามลำดับ ดังรูป ซ. จะพบว่าจะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสตรง (forward bias)เมื่อสลับขั้วของไดโอดพบว่า ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อในลักษณะนี้เรียกว่า  ไบแอสกลับ (reverse bias) ดังรูป ซ.

รูป ช. แสดงรูปและสัญลักษณ์ของไดโอด

http://www.cpn1.go.th/media/thonburi/lesson/15_ElectricMageticI/content3.html

รูป ซ. แสดงการต่อวงจรแบบ ไบแอสตรง และไบแอสกลับ

http://www.cpn1.go.th/media/thonburi/lesson/15_ElectricMageticI/content3.html

       จะเห็นว่าขณะไบแอสตรง จะมีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานน้อย แต่ขณะที่ไบแอสกลับ กระแสไฟฟ้าในวงจรมีค่าน้อยมากๆ จนแทบวัดไม่ได้ แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานสูงมาก จึงอาจกล่าวได้ว่า ไดโอดยอมใหกระแสไฟฟ้าผ่านได้ทิศทางเดียว จากสมบัตินี้จึงใช้ไดโอดแปลงกระแสไฟฟ้าสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง

       หลังจากศึกษาเสร็จแล้วเรามาลองตอบคำถามกันดูนะครับ

************************************

บอบคุณข้อมูลจาก

http://www.oknation.net/blog/print.php?id=172699

http://www.chontech.ac.th/~electric/e-learn/unit6/unit6.htm

http://fremziiz.siam2web.com/?cid=969561

http://www.hs8jyx.com/html/r_read.html

http://www.vcpbook.com/vcp_knowledge/vcp_knowleade_detail.php?vk_id=15

http://www.cpn1.go.th/media/thonburi/lesson/15_ElectricMageticI/content3.html