ไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตประจำวันและเทคโนโลยีสมัยใหม่ ตั้งแต่การให้แสงสว่างในบ้าน ไปจนถึงการทำงานของคอมพิวเตอร์และสมาร์ทโฟน หัวใจของการทำงานเหล่านี้ล้วนอยู่บนหลักการพื้นฐานของ กระแสไฟฟ้า (Electric Current) และ วงจรไฟฟ้า (Electric Circuit)
1. กระแสไฟฟ้าคืออะไร?
กระแสไฟฟ้า คือ การไหลของประจุไฟฟ้า ซึ่งโดยส่วนใหญ่คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในวัสดุตัวนำไฟฟ้า เช่น สายไฟที่ทำจากทองแดง ลองจินตนาการถึงท่อน้ำ กระแสไฟฟ้าก็เปรียบเสมือนกระแสน้ำที่ไหลไปในท่อ ยิ่งมีปริมาณน้ำไหลผ่านมากในหนึ่งวินาที กระแสน้ำก็ยิ่งแรง เช่นเดียวกัน ยิ่งมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในตัวนำมากเท่าไหร่ กระแสไฟฟ้าก็ยิ่งมีค่ามากเท่านั้น
หน่วยวัดของกระแสไฟฟ้าคือ แอมแปร์ (Ampere, A)
2. วงจรไฟฟ้า: เส้นทางของกระแสไฟฟ้า
เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลและก่อให้เกิดประโยชน์ได้ จะต้องมีการเชื่อมต่อกันเป็นเส้นทางที่ครบถ้วน เรียกว่า วงจรไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายประกอบด้วย 3 ส่วนประกอบหลัก:
- แหล่งกำเนิดไฟฟ้า (Power Source): คือแหล่งที่ให้พลังงานเพื่อผลักดันให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ เช่น แบตเตอรี่, ถ่านไฟฉาย, หรือไฟฟ้าบ้าน แหล่งกำเนิดจะสร้างสิ่งที่เรียกว่า ความต่างศักย์ไฟฟ้า (Voltage) ซึ่งเป็นแรงผลักดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็น โวลต์ (Volt, V)
- ตัวนำไฟฟ้า (Conductor): คือวัสดุที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่าย ทำหน้าที่เป็นเส้นทางเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ในวงจรเข้าด้วยกัน เช่น สายไฟทองแดง
- อุปกรณ์ไฟฟ้า หรือ โหลด (Load/Resistor): คืออุปกรณ์ที่นำพลังงานไฟฟ้าไปเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปแบบอื่น เช่น หลอดไฟ (เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงสว่างและความร้อน), มอเตอร์ (เปลี่ยนเป็นพลังงานกล) อุปกรณ์เหล่านี้มีความ ต้านทานไฟฟ้า (Resistance) ซึ่งเป็นสมบัติต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็น โอห์ม (Ohm, Ω)
เมื่อเชื่อมต่อทั้งสามส่วนนี้ครบวงจร อิเล็กตรอนจะไหลออกจากขั้วลบของแหล่งกำเนิด ผ่านตัวนำและอุปกรณ์ไฟฟ้า แล้วกลับเข้าสู่ขั้วบวก ทำให้เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลอย่างต่อเนื่อง
ประเภทของวงจรไฟฟ้า
การต่อวงจรไฟฟ้ามี 2 รูปแบบหลัก:
- วงจรอนุกรม (Series Circuit): คือการนำอุปกรณ์ไฟฟ้ามาต่อเรียงกันเป็นสายเดียว กระแสไฟฟ้าจะมีเส้นทางไหลเพียงเส้นทางเดียว หากอุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งขาดหรือชำรุด วงจรจะเปิดและทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดหยุดทำงาน (เช่น ไฟประดับต้นคริสต์มาสรุ่นเก่า)
- วงจรขนาน (Parallel Circuit): คือการต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละตัวคร่อมระหว่างสายไฟหลัก ทำให้กระแสไฟฟ้ามีทางแยกไหลไปสู่อุปกรณ์แต่ละชิ้นได้อย่างอิสระ หากมีอุปกรณ์ตัวใดเสียหาย อุปกรณ์ที่เหลือก็ยังคงทำงานได้ตามปกติ (เช่น ระบบไฟฟ้าในบ้าน)
ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์, กระแสไฟฟ้า, และความต้านทาน ถูกอธิบายด้วย กฎของโอห์ม (Ohm’s Law) ซึ่งเป็นสมการพื้นฐานที่สุดในโลกของไฟฟ้า:
V=IR
- โดยที่ V คือ ความต่างศักย์ (โวลต์)
- I คือ กระแสไฟฟ้า (แอมแปร์)
- R คือ ความต้านทาน (โอห์ม)