กระแสไฟฟ้าและวงจร

ในสายมีอิเล็กตรอนแม้หลอดไฟดับ เมื่อปิดสวิตช์ให้วงจรครบ อะไรเปลี่ยน? แบตเตอรี่ไม่ต้องนำอิเล็กตรอนใหม่มา แต่ทำให้ประจุที่มีอยู่แล้วเคลื่อนอย่างมีทิศทาง

หากไม่มีสนามนำทิศ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ในโลหะเคลื่อนสุ่ม โดยเฉลี่ยมีประจุผ่านหน้าตัดสมมติเท่ากันทั้งสองทิศ สนามไฟฟ้าเพิ่มองค์ประกอบการเคลื่อนที่มีทิศทาง จึงเกิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งคือการเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบของอนุภาคมีประจุ การเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนยังดำเนินต่อ ดังนั้นต้องมีประจุเคลื่อนที่ได้ แต่มีประจุเหล่านี้อย่างเดียวยังไม่เกิดกระแส

เหตุใดกระแสไม่หมดทันทีหลังประจุกระจายใหม่เล็กน้อย? แหล่งจ่ายใช้พลังงานรูปอื่นแยกประจุและรักษาเงื่อนไขให้มีสนามไฟฟ้าในวงจร แบตเตอรี่ใช้พลังงานเคมี เครื่องกำเนิดใช้พลังงานกล สายเป็นทางให้พาหะ ส่วนหลอดไฟหรือโหลดอื่นเปลี่ยนรูปพลังงานที่ส่งมา แหล่งจ่ายให้พลังงาน ไม่ได้สร้างอิเล็กตรอนใหม่อย่างต่อเนื่องเพื่อแทนตัวที่เข้าใจผิดว่าหายไปในหลอด

กระแสคงตัวในวงจรแบตเตอรี่อย่างง่ายต้องมีทางครบผ่านแหล่งจ่าย สาย และโหลด หากตัดสาย พาหะจะกระจายใหม่เล็กน้อยใกล้ช่องขาดก่อน ผลไฟฟ้าที่เกิดจะหยุดการเคลื่อนที่มีทิศทางต่อไป กระแสหยุดหลังช่วงเปลี่ยนผ่านสั้น ๆ สายเส้นเดียวจากขั้วหนึ่งถึงหลอดจึงไม่พอ ข้อความนี้กล่าวถึงกระแสคงตัวในวงจรง่าย ไม่ได้หมายความว่าประจุเคลื่อนช่วงสั้น ๆ ไม่ได้เลย

กำหนดทิศกระแสเป็นทิศที่พาหะบวกจะเคลื่อน ในวงจรภายนอกแบตเตอรี่จึงเป็นจากบวกไปลบ แต่อิเล็กตรอนในโลหะมีประจุลบ สนามจึงทำให้เคลื่อนมีทิศทางตรงข้าม จากลบไปบวก ภายในแหล่งจ่าย การทำงานของแหล่งจ่ายทำให้ทางครบ ลูกศรกระแสจึงไม่จำเป็นต้องตรงกับลูกศรการเคลื่อนที่ของพาหะจริง

เปรียบเทียบกระแสน้อยกับมากโดยไม่ต้องนับตลอดสายอย่างไร? สมมติตัดขวางสายแล้วนับประจุสุทธิ q ที่ผ่านหน้าตัดในเวลา t โดย q วัดเป็นคูลอมบ์ t เป็นวินาที นี่ไม่ใช่ประจุรวมของอิเล็กตรอนทุกตัวในสาย เพราะประจุบวกในสสารหักล้างเป็นส่วนใหญ่ สายที่เป็นกลางโดยรวมยังถ่ายประจุผ่านหน้าตัดและมีกระแสได้

เพื่อให้เปรียบเทียบได้โดยไม่ขึ้นกับเวลาสังเกต ให้นำประจุที่ผ่านหารเวลา กระแสเฉลี่ย I = q/t เมื่อ t > 0 หน่วยคือแอมแปร์: 1 А = 1 Кл/с ประจุสองเท่าในเวลาเดิมให้ I สองเท่า ประจุเท่าเดิมในเวลาสองเท่าให้ I ครึ่งหนึ่ง หากไม่มีการถ่ายโอนสุทธิ กระแสเฉลี่ยเป็นศูนย์ สำหรับกระแสคงตัว เมื่อเวลาเพิ่ม q เพิ่มตามสัดส่วน อัตราส่วนจึงคงเดิม

ตรวจการเคลื่อนที่มีทิศทางของประจุได้จากผล เช่น สายร้อนขึ้น เกิดสนามแม่เหล็กใกล้สาย หรือเกิดการเปลี่ยนแปลงเคมีในตัวกลางที่เหมาะสม หลอดไฟและอุปกรณ์แสดงการเปลี่ยนรูปพลังงาน ไม่ใช่ประจุหายไป ห้ามใช้ร่างกายตรวจว่ามีกระแส เพราะกระแสมีผลต่อเนื้อเยื่อจริง การทดลองเรียนใช้แหล่งจ่ายแรงดันต่ำที่เหมาะสมและต่อวงจรถูกต้อง

ประจุ 12 C ผ่านหน้าตัดใน 4 s จงหากระแสเฉลี่ย

หาประจุที่ผ่านเฉลี่ยต่อหนึ่งวินาที จึงใช้ I = q/t ไม่ใช่ผลคูณประจุกับเวลา

I = 12/4 = 3 Кл/с = 3 А ตรวจสอบ: ใน 4 s ที่กระแสเฉลี่ยนี้ ประจุที่ผ่านคือ 3·4 = 12 Кл

ค่าเฉลี่ย 3 A ไม่ได้พิสูจน์ว่าทุกวินาทีมีกระแสเท่ากัน ต้องทราบก่อนว่ากระแสคงตัว อิเล็กตรอนไม่ได้ถูกใช้หมดในหลอด แต่พลังงานเปลี่ยนรูป

กระแสเฉลี่ย 3 A ในช่วงเวลาที่ระบุ มีประจุผ่านเฉลี่ย 3 C ต่อวินาที

สนามเพิ่มการเคลื่อนที่มีทิศทางให้การเคลื่อนที่สุ่มเดิมของพาหะ

แหล่งจ่ายรักษาการถ่ายโอนพลังงาน วงจรง่ายที่ครบเป็นทางให้กระแสคงตัว

I = q/t วัดประจุที่ผ่านต่อเวลา ทิศกระแสตามข้อตกลงในโลหะตรงข้ามการเคลื่อนอิเล็กตรอน

ต่อไปวัดกระแสด้วยแอมมิเตอร์และอธิบายว่าแรงดันไฟฟ้าวัดอะไร