2

ความต้านทานไฟฟ้า  ตัวนำไฟฟ้า  และฉนวนไฟฟ้า

2.1 ความต้านทานไฟฟ้า (Resistance)

            ความต้านทานไฟฟ้า  คือคุณสมบัติของวัตถุ  ที่ต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า  วัตถุทุกชนิดจะต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า  วัตถุบางชนิดต้านได้มาก  บางชนิดต้านได้น้อย  ดังนั้น  คุณสมบัติความต้านทานไฟฟ้า  คือทำให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง  ถ้าในวงจรไฟฟ้า  ค่าความต้านทานมีมากกระแสไฟฟ้าไหลได้น้อย  แต่ถ้าในวงจรไฟฟ้า  ค่าความต้านทานน้อย  กระแสไฟฟ้าไหลได้มาก

            ตัวต้านทานไฟฟ้า  เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ประดิษฐ์ขึ้นมา  เพื่อใช้ต่อร่วมกับวงจรไฟฟ้า  เพื่อบังคับให้กระแสไฟฟ้าในวงจรเปลี่ยนแปลงไปตามต้องการ  ทำจากวัตถุที่ปล่อยอิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรได้น้อย

2.2           ตัวนำไฟฟ้า  (Conductor)

ตัวนำไฟฟ้า  คือวัตถุที่มีความต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าน้อยมาก  คุณสมบัติของวัตถุชนิดนี้จะนำกระแสไฟฟ้าได้ดี  สารที่เป็นโลหะจะนำไฟฟ้าได้ดี  เช่น  เงิน  ทองแดง  อะลูมิเนียม  ฯลฯ

2.3           ฉนวนไฟฟ้า  (Insulator)

ฉนวนไฟฟ้า  คือวัตถุที่มีความต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าสูงมากหลายเมก-โอห์ม  กันไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำได้  วัตถุชนิดที่จะเป็นฉนวนไฟฟ้าได้ดี  เช่น  แก้ว  ไม้  กระดาษ  พลาสติก  ฯลฯ

2.4           หน่วยของความต้านทาน

ความต้านทานมีหน่วยเป็นโอห์ม (Ohm)  ใช้สัญลักษณ์ของหน่วย โอห์ม เขียนเป็น

            1 กิโล-โอห์ม  (kilo-ohm), k           =                   1,000   โอห์ม ( )

            1 เมกะ-โอห์ม  (Mega-ohm), M     =                   1,000   กิโล-โอห์ม  (k )

                                                                   =            1,000,000    โอห์ม( )

สัญลักษณ์ของความต้านทาน

2.5           ความต้านทานของสารตัวนำ

ขนาดและชนิดของสสารที่นำมาใช้ทำเป็นสายไฟในวงจรนั้น  จะต้องทำให้มีความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้าต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่ายๆ  ในวงจรไฟฟ้านั้นความต้านทานของสายไฟฟ้าที่ใช้เป็นตัวนำนั้น  จะมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามกฎของความต้านทาน (Law of Resistance) ซึ่งกล่าวไว้ดังนี้

1)      ความต้านทานของตัวนำจะเปลี่ยนแปลงไปตามความยาวของตัวนำโดยตรง เช่น ถ้าสายตัวนำทองแดงยาว 1 เมตร มีความต้านทาน 0.004 โอห์ม ถ้าสายยาวเพิ่มขึ้น 2 เมตร ความต้านทานก็จะเพิ่มขึ้นอีกเป็น 0.08 โอห์ม

2)      ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนค่าเป็นสัดส่วนกับพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ หมายความว่า ถ้าพื้นที่หน้าตัดมีมากขึ้น ความต้านทานก็จะมีค่าลดลง และถ้าพื้นที่หน้าตัดมีน้อยลง ความต้านทานก็จะมีมากขึ้น

3)      ความต้านทานของตัวนำต่างๆ จะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะตัวของมันตามธรรมชาติ

4)      อุณหภูมิทำให้ความต้านทานเปลี่ยนแปลงตามความสัมพันธ์

             =  ความต้านทานเมื่ออุณหภูมิเป็น t องศา

             =  ความต้านทานของตัวนำเมื่ออุณหภูมิเป็น 0 C

t                 =  อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

              =  (Alpha)  สัมประสิทธิ์ – ความต้านทาน

                โลหะ   อุณหภูมิสูง จะมีความต้านทานเพิ่มขึ้น

                อโลหะ  อุณหภูมิสูง จะมีความต้านทานลดลง

2.6           ความต้านทานจำเพราะ  (Specific  Resistance or Resistivity)

ความต้านทานจำเพาะของลวดตัวนำใดๆ หมายถึง ความต้านทานจำเพาะของวัสดุตัวนำและลวดตัวนำชนิดนั้นที่จะบอกความต้านทานของสายที่มีขนาดตามกำหนด

ในระบบอังกฤษ วัดเส้นผ่าศูนย์กลางของสาย โตเป็นมิล(1มิล=1/1,000นิ้ว) และวัดพื้นที่หน้าตัดเป็นเซอร์คูลาร์มิล และยาว 1 ฟุต ณ อุณหภูมิที่กำหนด จะมีความต้านทานจำเพาะจำนวนหนึ่ง เช่น สายทองแดงขนาด 1 เซอร์คูลาร์มิล – ฟุต ที่อุณหภูมิ 20 C จะมีความต้านทาน 10.4 โอห์ม

ในระบบเมตริก วัดเส้นผ่าศูนย์กลางหน่วยเป็น เซนติเมตร และวัดพื้นที่หน้าตัดเป็นตารางเซนติเมตร และยาว 1 เซนติเมตร ณ อุณหภูมิที่กำหนดจะมีความต้านทานจำนวนหนึ่ง เช่น สายทองแดงขนาน 1 ตร.ซม. จะยาว 1 เมตร ที่อุณหภูมิ 20 C จะมีความต้านทาน 1.72 10 โอห์ม

หรือความต้านทานจำเพาะของตัวนำใดๆ หมายถึง ความต้านทานของวัตถุชนิดนั้นมีความยาว 1 เมตร พื้นที่หน้าตัด 1   มม. ที่อุณหภูมิ 20 C

ตารางที่ 2.1 แสดงความต้านทานจำเพาะที่อุณหภูมิ 20 C และสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ

สูตรหา  ความต้านทานของสาย

R =

เมื่อ  R =  ค่าความต้านทานหน่วยเป็นโอห์ม

                   =  ค่าความต้านทานจำเพาะ

         หน่วย - โอห์มต่อเซอร์คูลาร์มิล – ฟุต

-         โอห์มต่อลูกบาศก์เซนติเมตร

-         โอห์มต่อลูกบาศก์เมตร

              =  ความยาวหน่วยเป็น ฟุต เชนติเมตร หรือ เมตร

             A  =  พื้นที่หน้าตัดของลวดตัวนำ หน่วยเป็น เซอร์คูลาร์มิล, ตารางมิลลิเมตร หรือ ตารางเซนติเมตร

ตัวอย่างที่ 2.1

จงหาความต้านทานของสายทองแดงที่มีพื้นที่หน้าตัด 750,000 เซอร์คูลาร์มิล ยาว 2,500 ฟุต

วิธีทำ    จากสูตร  R =

ความต้านทานจำเพาะของลวดทองแดง     =  10.4  เซอร์คูลาร์มิล – ฟุต

                                                                =   2,500 ฟุต

                                                             A    =   750,000  เซอร์คูลาร์มิล

                                               แทน       R     =   10.4 ( 2,500/750,000)

                                                                    =    0.035                 โอห์ม

                          ความต้านทานทองแดง         =   0.035                  โอห์ม

2.7           ผลของอุณหภูมิต่อค่าความต้านทาน

สารตัวนำส่วนใหญ่  ค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น  และถ้าอุณหภูมิต่ำลง  ค่าความต้านทานของสารจะลดต่ำลงด้วย  เพราะเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน  การปล่อยอิเล็กตรอนจากปรมาณูของสารก็เปลี่ยนตามไปด้วย

สารหนึ่งๆ จะเปลี่ยนแปลงความต้านทานไปเป็นกี่เท่าของความต้านทานเดิมเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 1 C เรียกว่า  สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน (Temperature Coefficient of Resistance)

2.8           ค่าอุณหภูมิสมบูรณ์ (Absolute  Temperature)

คือค่าของอุณหภูมิที่ทำให้วัสดุตัวนำนั้นๆ มีค่าความต้านทานเท่ากับ ศูนย์

ตารางที่2.2 ค่าอุณหภูมิสมบูรณ์ของวัสดุบางชนิด

2.9           ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ

คือ ค่าความต้านทานที่เพิ่มขึ้น เมื่อความต้านทานท1 โอห์ม ร้อนขึ้น 1 C

ตาราง 2.3  ตารางค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานของวัสดุตัวนำบางชนิด  เมื่ออุณหภูมิ 20 C

ความต้านทานจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตามความสัมพันธ์  ดังนี้

จากสูตร  R       =     R (1+a (t   -  t   ) )

เมื่อ         R       =      ความต้านทานเมื่ออุณหภูมิครั้งแรก

               R      =       ความต้านทานเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป

                t       =       อุณหภูมิครั้งแรก

               t        =       อุณหภูมิเปลี่ยนไป

               a       =        ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน

2.10     ความนำ  (Conductance)

ความนำเป็นส่วนกลับของความต้านทาน ซึ่งหมายถึง คุณสมบัติของสารที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านง่ายๆ นั้นคือความสามารถในการนำไฟฟ้าของตัวนำ  ใช้สัญลักษณ์คือ G มีหน่วยเป็นซีเมนส์ (Siemens) ใช้ตัวย่อ S

G       =   1/R   ซีเมนส์

R       =   1/G   โอห์ม (ohm)