พลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้า

         เราทราบมาแล้วว่า กระแสไฟฟ้าเกิดเพราะอิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุเคลื่อนที่ไป ซึ่งในการเคลื่อนที่นี้ต้องมีการเสียพลังงานไป พลังงานที่เสียไปนั้นอาจจะเสียไปในรูปของพลังงานความร้อนพลังงานแสงหรือพลังงานกล และจากความรู้เรื่อง ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด 2 จุด มาแล้วจะมีกระแสไหลผ่านได้จด 2 จุด ต้องมีความต่างศักย์ ถ้าประจุ 1 คูลอมบ์ เคลื่อนที่ระหว่าง 2 จุด เสียพลังงานเป็นจูลไปเท่าใด คือค่าความต่างศักย์ระหว่าง 2 จุดนั้น มีหน่วยเป็นจูลต่อคูลอมบ์ หรือโวลต์

         ถ้าเราให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด x  และ y = V  โวลต์

และถ้าจุด x มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า y

         ถ้าประจ 1 คูลอมบ์ จาก x ไป y เกิดพลังงานไฟฟ้า V  จูล

ประจุ Q คูลอมบ์ จาก x ไป y เกิดพลังงานไฟฟ้า QV  จูล

         ถ้าให้ W = พลังงานไฟฟ้าทั้งหมด

ดังนั้น  W =QV

         W  เท่ากับ พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่เสียไปในการเคลื่อนที่ หรือพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น จูล

         Q เท่ากับ  ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ มีหน่วยเป็น คูลอมบ์

         V เท่ากับ ความต่างศักย์ระหว่าง2 จุด ที่ประจุเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็น โวลต์

ภาพการใช้พลังงานไฟฟ้า
ที่มา: http://storybyth.blogspot.com/

สิ่งที่ควรทราบ

1. ถ้าประจุบวก เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังศักย์ไฟฟ้าต่ำ จะเกิดพลังงานออกมา

2. ถ้าประจุลบ เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปศักย์ไฟฟ้าสูง จะเกิดพลังงานออกมา

3. ถ้าประจุบวก เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปศักย์ไฟฟ้าสูงจะเสียงาน (งานที่เสียไปสะสมในรูปพลังงานศักย์ ซึ่งจะปล่อยออกมาเป็นพลังงานภายหลัง)

4. ถ้าประจุลบ เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าสูงไปศักย์ไฟฟ้าต่ำ จะเสียงาน

กำลังไฟฟ้า

         กำลังไฟฟ้า หมายถึง พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปใน 1 หน่วยเวลา

                   กำลัง = งาน/เวลา

                       P = W/t   หน่วยของกำลัง = จูล/วินาที หรือวัตต์

                   กำลังไฟฟ้า = พลังงานไฟฟ้า/เวลา

เครื่องหมายบนเครื่องใช้ไฟฟ้า

         เครื่องหมายบนเครื่องใช้ไฟฟ้ามักจะบอกค่าความต่างศักย์ที่ใช้(V)  และกำลังที่เกิดขึ้นเป็นวัตต์ (W) แต่บางชนิดก็กำหนดค่าความต่างศักย์ (V) กับกระแสที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นเป็นแอมแปร์ (A) เช่น

         เตารีด 110 V  750 W หมายความว่าเตารีดจะเกิดกำลังไฟฟ้า 750  วัตต์ เมื่อใช้กับไฟฟ้าความต่างศักย์ 110 โวลต์ และควรใช้กับไฟความต่างศักย์ 110 โวลต์เท่านั้น ถ้าใช้กับความต่างศักย์ 220 V เตารีดจะไหม้และเกิดอันตราย แต่ถ้าใช้กับความต่างศักย์ต่ำกว่า 110 V  จะเกิดกำลังน้อยกว่า 750 W ทำให้เกิดความร้อนน้อยลง

         เตารีดไฟฟ้า 220 V 3 A  หมายความว่า เมื่อใช้เตารีดไฟฟ้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 โวลต์ จะมีกระแสไฟฟ้าผ่าน 3 แอมแปร์ หรือเกิดกำลังไฟฟ้า เท่ากับ 220 x3 = 660  วัตต์

         การต่อวงจรไฟฟ้าในบ้าน เครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น หลอดไฟฟ้า เตารีด พัดลม จะต่อวงจรกันแบบขนานทั้งสิ้น ทั้งนี้เนื่องจากต้องการให้เครื่องมือเหล่านั้นรับความต่างศักย์เท่ากัน และเท่ากับที่กำหนดไว้บนเครื่องหมายจึงจะเกิดกำลังตามที่กำหนด และถ้าเครื่องมือใดชำรุดเสียหาย เช่น หลอดไฟฟ้าขาดก็จะดับเฉพาะดวงนั้นไม่เกี่ยวข้องกับดวงอื่น

การคำนวณหากระแสและความต้านทานของเครื่องใช้ไฟฟ้า

         จากจำนวนวัตต์ (W)  หรือ กำลังไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า (V) ที่กำหนดไว้บนเครื่องใช้ไฟฟ้าเราอาจคำนวณหา I  ที่ไหลผ่าน และ R  ของเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นได้ดังนี้

         จาก P = IV

          ดังนั้น I = P/V

         แต่ต้องไม่ลืมว่าค่า กระแสไฟฟ้าที่คำนวณได้นี้จะเป็นค่ากระแสไฟฟ้าเมื่อใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าตามความต่างศักย์ที่กำหนดไว้เท่านั้น เช่น หลอดไฟฟ้า 220 V 100 W มีกระแสไหลผ่านหลอด เท่ากับ 100/220 = 0.45  แอมแปร์ เมื่อใช้กับความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 V  ถ้าเปลี่ยนความต่างศักย์เป็น 110 V  กระแสไฟฟ้าที่ไหลจะลดน้อยลงซึ่งอาจคำนวณได้โดยใช้กฎของโอห์ม แต่ต้องคำนวณหา R ของเครื่องใช้ไฟฟ้าเสียก่อน เพราะ R ของเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นค่าคงที่ ไม่เปลี่ยนแปลง คำนวณได้จากสมการ

                         R = V² /P

         เช่น เตาไฟฟ้า 100 V 1000 W  จะมีความต้านทาน R = V² /P = (110)²/1000 = 12.1 1 โอห์ม ความต้านทานอันนี้ ถือว่าเป็นความต้านทานประจำตัวของเตาไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากความร้อนในขดลวด ในการคำนวณเราถือว่า R เป็นค่าคงที่ตลอดเวลา

สรุปหลักการคิดกำลังไฟฟ้า

1. ถ้าเดิมหลอดไฟทุกหลอดมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน เมื่อต่อกันแบบขนาน และต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าเดิม

                   I_รวม = I₁ + I₂ + I₃+…

                   P_รวม/V = P₁/V + P₂/V+ P₃/V+…

            ดังนั้น P_รวม = P₁ + P₂ + P₃ +…  ถ้า V  เท่ากัน

2. ถ้าเดิมทุกหลอดมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน เมื่อต่ออนุกรมกันแล้ว ต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเท่าเดิม

หา R  แต่ละหลอดก่อน เพราะ R คงที่เสมอ

            R₁ =V²/P₁

             R₂ =V²/P₂

             R₃ =V²/P₃

     ดังนั้น R_รวม = R₁ + R₂ + R₃+…

             V²/P_รวม = V²/P₁ + V²/P₂ + V²/P₃ +…

     ดังนั้น  1/P_รวม = 1/P₁+1/P₂+1/P₃+…  เมื่อ V  เท่ากัน

         แต่ถ้าหลอดไฟแต่ละหลอดใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าไม่เท่ากัน หรือพ่วงแล้วไม่ต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าเดิมจะต้องหา R ก่อน

                       R = V²/P (แต่ละตัว)

         แล้วหา I จาก V = IR_รวม

         เมื่อทราบ I  แล้ว นำมาหา P ใหม่ได้จากสมการ

                       P = I²R (แต่ละตัว)

ตัวอย่างที่ 1 หลอดไฟฟ้าขนาด 10 วัตต์ 20 โวลต์ ข้อใดกล่าวถูกต้อง

1. เมื่อต่อหลอดไฟกับความต่างศักย์ 20 โวลต์ จะได้กำลังสูงสุด 10 วัตต์

2. เมื่อต่อหลอดไฟกับความต่างศักย์น้อยกว่า 20 โวลต์ กำลังสูงสุดที่ได้จะน้อยกว่า 10 วัตต์

3. เมื่อต่อกับหลอดไฟกับความต่างศักย์มากกว่า 20 โวลต์ ไส้หลอดไฟจะขาด

4. ถูกทุกข้อ

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 4 คือ ถูกทุกข้อที่กล่าวมา

แหล่งที่มา

ช่วง  ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 5  ม.6. กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

พงษ์ศักดิ์  ชินนาบุญ. (2556). ฟิสิกส์ เล่ม 4 ม. 4-6. กรุงเทพฯ: วิทยพัฒน์.

icethanarat. (2559). พลังงานไฟฟ้า. สืบค้นเมื่อ 9 ธันวาคม  2562, จาก http://storybyth.blogspot.com/