ไฟฟ้าเป็นส่วนพื้นฐานของชีวิตประจำวันของเรา โดยจ่ายพลังงานให้กับทุกสิ่งตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่น สมาร์ทโฟน ไปจนถึงระบบขนาดใหญ่ เช่น โครงข่ายไฟฟ้าในเมือง เมื่อเราพูดถึง กระแสไฟฟ้า เราหมายถึงการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านตัวนำ เช่น ลวดโลหะ เนื่องจากความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้าที่พาดผ่าน กระแสนี้เป็นสิ่งที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์ไฟฟ้าของเรา
เพื่อให้เข้าใจถึงกระแสไฟฟ้า เราเริ่มต้นด้วยหน่วยประจุพื้นฐานที่เรียกว่า อิเล็กตรอน กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ ทิศทางที่พิจารณาตามอัตภาพสำหรับการไหลของกระแสไฟฟ้าจะตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน จากขั้วบวกไปยังขั้วลบของแหล่งพลังงาน
ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านส่วนของตัวนำในช่วงเวลาที่กำหนดเรียกว่า กระแสไฟฟ้า และมีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์ (A) ในทางคณิตศาสตร์จะแสดงเป็น:
\(I = \frac{Q}{t}\)โดยที่ \(I\) คือกระแสในหน่วยแอมแปร์ \(Q\) คือประจุในหน่วยคูลอมบ์ และ \(t\) คือเวลาเป็นวินาทีที่ประจุไหล
แรงดันไฟฟ้า หรือความต่างศักย์ไฟฟ้า คือแรงผลักดันที่ผลักประจุไฟฟ้าผ่านตัวนำ มีหน่วยวัดเป็นโวลต์ (V) และถือได้ว่าเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่
ความต้านทาน คือการต่อต้านที่วัสดุเสนอต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุตลอดจนความยาวและพื้นที่หน้าตัด ความต้านทานวัดเป็นโอห์ม ( \(\Omega\) ) ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน (V) กระแส (I) และความต้านทาน (R) กำหนดโดยกฎของโอห์ม:
\(V = I \times R\)สมการนี้แสดงให้เห็นว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวนำระหว่างจุดสองจุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมจุดทั้งสอง และเป็นสัดส่วนผกผันกับความต้านทานระหว่างจุดทั้งสอง
ใน วงจรอนุกรม ส่วนประกอบต่างๆ จะเชื่อมต่อกันตั้งแต่ต้นจนจบ ดังนั้นจึงมีเพียงเส้นทางเดียวเท่านั้นที่กระแสจะไหล หากส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรขาด วงจรทั้งหมดจะหยุดทำงาน ความต้านทานรวมของวงจรอนุกรมคือผลรวมของความต้านทานแต่ละตัว:
\(R_{total} = R_1 + R_2 + R_3 + \ ... \)ใน วงจรขนาน ส่วนประกอบจะเชื่อมต่อกันผ่านจุดหรือทางแยกร่วม ทำให้กระแสไหลได้หลายเส้นทาง แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมส่วนประกอบแต่ละส่วนในวงจรขนานจะเท่ากัน ส่วนกลับของความต้านทานรวมในวงจรขนานจะเท่ากับผลรวมของส่วนกลับของความต้านทานแต่ละอัน:
\(\frac{1}{R_{total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} + \ ... \)กำลัง ของวงจรไฟฟ้าคืออัตราที่พลังงานไฟฟ้าถูกถ่ายโอนโดยวงจรไฟฟ้า หน่วย SI ของกำลังคือวัตต์ (W) กำลังสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร:
\(P = V \times I\)สูตรนี้ระบุว่ากำลัง (เป็นวัตต์) เป็นผลคูณของแรงดันไฟฟ้า (เป็นโวลต์) และกระแส (เป็นแอมแปร์)
วัสดุที่ช่วยให้ประจุไฟฟ้าไหลได้ง่ายเรียกว่า ตัวนำ โลหะส่วนใหญ่ เช่น ทองแดง และอะลูมิเนียม เป็นตัวนำที่ดีและมักใช้ในการเดินสายไฟฟ้า ในทางกลับกัน ฉนวน เป็นวัสดุที่ไม่อนุญาตให้ประจุไฟฟ้าไหลได้อย่างอิสระ ตัวอย่างได้แก่ ยาง แก้ว และพลาสติก วัสดุเหล่านี้ใช้ในการเคลือบหรือล้อมรอบตัวนำเพื่อป้องกันการไหลของไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ทำให้มั่นใจในความปลอดภัย
วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายสามารถสาธิตหลักการของกระแสไฟฟ้าได้ พิจารณาวงจรที่ประกอบด้วยแบตเตอรี่ ตัวต้านทาน และหลอดไฟที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกัน เมื่อวงจรปิด แบตเตอรี่จะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ผลักอิเล็กตรอนผ่านวงจร ตัวต้านทานจะจำกัดการไหลของอิเล็กตรอน จึงควบคุมกระแส หลอดไฟแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสง ซึ่งแสดงให้เห็นการใช้พลังงานไฟฟ้า
ในการทดลองตรวจสอบกฎของโอห์ม คุณสามารถสร้างวงจรที่มีแหล่งจ่ายไฟแบบแปรผัน แอมมิเตอร์สำหรับวัดกระแส และโวลต์มิเตอร์สำหรับวัดแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวต้านทาน การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าและบันทึกกระแสไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน จะพบว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวต้านทานเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสที่ไหลผ่าน ซึ่งสอดคล้องกับกฎของโอห์ม
ไฟฟ้าในปัจจุบันเป็นสาขาที่กว้างใหญ่ที่ครอบคลุมแนวคิดพื้นฐานหลายประการ รวมถึงกระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า ความต้านทาน วงจร และพลังงานไฟฟ้า การทำความเข้าใจแนวคิดเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าทำงานอย่างไร และเพื่อการใช้ไฟฟ้าอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ด้วยการใช้หลักการต่างๆ เช่น กฎของโอห์ม และการทำความเข้าใจพฤติกรรมของวงจรอนุกรมและวงจรขนาน เราสามารถคาดการณ์และควบคุมการไหลของไฟฟ้าในการตั้งค่าต่างๆ ได้
