ในบรรดากฎเกณฑ์ทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า กฎที่ถือเป็นรากฐานและมีความสำคัญที่สุดกฎหนึ่งคือ กฎของโอห์ม (Ohm’s Law) ซึ่งถูกค้นพบโดย จอร์จ ไซมอน โอห์ม นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน กฎนี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทางไฟฟ้าที่สำคัญสามอย่างได้อย่างชัดเจนและเป็นหัวใจของการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทั้งหมด
นิยามของกฎของโอห์ม
กฎของโอห์มกล่าวไว้ว่า:
“ในวงจรไฟฟ้าใดๆ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำ จะมีค่าแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำนั้น และแปรผกผันกับความต้านทานของตัวนำ โดยที่อุณหภูมิของตัวนำคงที่”
จากนิยามนี้ เราสามารถสรุปออกมาเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ที่เรียบง่ายและทรงพลังได้ว่า:V=I×R
ทำความเข้าใจ 3 ตัวแปรสำคัญ
เพื่อให้เข้าใจกฎของโอห์มอย่างลึกซึ้ง เราต้องรู้จักองค์ประกอบทั้งสามในสมการ:
- ความต่างศักย์ (Voltage – V)
- หน้าที่: เป็นแรงผลักดันทางไฟฟ้าที่ทำให้ประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) เคลื่อนที่ไปในวงจร เปรียบเสมือนแรงดันน้ำในท่อที่คอยดันให้น้ำไหล
- หน่วย: โวลต์ (Volt) ใช้อักษรย่อ “V”
- กระแสไฟฟ้า (Current – I)
- หน้าที่: คือปริมาณการไหลของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในวงจรในหนึ่งหน่วยเวลา เปรียบเสมือนปริมาณหรืออัตราการไหลของน้ำในท่อ
- หน่วย: แอมแปร์ (Ampere) ใช้อักษรย่อ “A”
- ความต้านทาน (Resistance – R)
- หน้าที่: คือสมบัติของวัสดุที่ต้านทานหรือขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้า เปรียบเสมือนขนาดของท่อที่เล็กลงหรือมีสิ่งกีดขวาง ทำให้น้ำไหลผ่านได้ยากขึ้น
- หน่วย: โอห์ม (Ohm) ใช้สัญลักษณ์ “Ω”
ตัวอย่าง
ลองจินตนาการถึงระบบท่อน้ำประปา:
- ความต่างศักย์ (V) คือ แรงดันของปั๊มน้ำ ยิ่งแรงดันมาก น้ำก็ยิ่งถูกผลักไปได้แรง
- กระแสไฟฟ้า (I) คือ ปริมาณน้ำที่ไหลผ่านท่อ ณ จุดใดจุดหนึ่ง
- ความต้านทาน (R) คือ ขนาดของท่อน้ำ หรือ ตะกรันที่อุดตันท่อ
- ถ้าเรา เพิ่มแรงดันปั๊ม (V) โดยที่ท่อขนาดเท่าเดิม (R คงที่) น้ำจะไหลแรงขึ้น (I เพิ่มขึ้น)
- ถ้าเราใช้ ท่อที่เล็กลง (R เพิ่มขึ้น) โดยใช้แรงดันปั๊มเท่าเดิม (V คงที่) น้ำจะไหลได้น้อยลง (I ลดลง)
สามเหลี่ยมช่วยจำกฎของโอห์ม
เพื่อความสะดวกในการจดจำและนำไปใช้งาน เราสามารถใช้สามเหลี่ยมช่วยจำได้:
- หากต้องการหา V (โวลต์): ให้ปิดตัว V จะเหลือ I อยู่ข้าง R ( V=ItimesR )
- หากต้องการหา I (แอมแปร์): ให้ปิดตัว I จะเหลือ V อยู่บน R ( I=fracVR )
- หากต้องการหา R (โอห์ม): ให้ปิดตัว R จะเหลือ V อยู่บน I ( R=fracVI )