กระแส แรงดัน และเครื่องมือวัด

ประจุที่ผ่านอุปกรณ์สองชิ้นในแต่ละวินาทีอาจเท่ากัน แต่ชิ้นหนึ่งได้รับพลังงานมากกว่า เราจะแยกปริมาณประจุที่ผ่านกับงานต่อคูลอมบ์ได้อย่างไร และวัดแต่ละอย่างด้วยอะไร?

ลองนึกถึงเครื่องนับประจุที่ผ่านสายไฟ หากต้องการวัดกระแส I ของหลอดไฟเป็นแอมแปร์ ประจุที่ผ่านเครื่องนับต้องเป็นกระแสเดียวกับที่ผ่านหลอด จึงแทรกแอมมิเตอร์ในทางเดินของสาขานั้น โดยต่ออนุกรมกับหลอด หากไม่มีจุดแยกระหว่างกันและกระแสอยู่ในสภาวะคงตัว ประจุจะไม่สะสม หน้าตัดทั้งสองจึงมีประจุผ่านเท่ากันในเวลาเดียวกัน การต่อขนานจะสร้างเส้นทางอีกทางและวัดกระแสในเส้นทางนั้น

กระแสเท่ากันยังไม่บอกว่าส่วนของวงจรได้รับพลังงานเท่าใด สนามไฟฟ้าทำงาน A เมื่อประจุ q เคลื่อนระหว่างปลายทั้งสอง เพื่อเปรียบเทียบโดยไม่ขึ้นกับจำนวนคูลอมบ์ที่ผ่าน เราหางานต่อหนึ่งหน่วยประจุ ปริมาณนี้เรียกว่าแรงดันไฟฟ้า U ซึ่งอ้างถึงจุดคู่หนึ่ง คำว่า ‘แรงดันที่จุดหนึ่ง’ จึงยังขาดจุดอ้างอิงอีกจุด งาน A วัดเป็นจูล

นำงานทั้งหมดหารด้วยประจุที่ผ่าน: U = A/q ในการคำนวณอย่างง่าย ใช้ขนาดบวกที่สอดคล้องกัน โดย 1 В = 1 Дж/Кл เมื่อ U = 6 В สนามทำงาน 6 J ต่อคูลอมบ์ หากประจุผ่านมากขึ้นเป็นสองเท่าโดย U เท่าเดิม งานจะเพิ่มสองเท่า แต่อัตราส่วนไม่เปลี่ยน หากงานเป็นศูนย์ทั้งที่มีประจุผ่าน แรงดันจะเป็นศูนย์ จำนวนคูลอมบ์ที่มากขึ้นเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้แรงดันเพิ่ม

โวลต์มิเตอร์ต้องเปรียบเทียบปลายทั้งสองของหลอดไฟ จึงต่อสายกับขั้วทั้งสองแบบขนาน เราต้องการให้มีกระแสเพิ่มเติมผ่านเครื่องให้น้อยที่สุด เพื่อไม่เปลี่ยนวงจรที่ศึกษา เครื่องจึงต้านการไหลของกระแสมาก กล่าวได้ว่ามีความต้านทานสูง ในแบบจำลองอุดมคติ ความต้านทานเป็นอนันต์และไม่มีกระแสผ่านเครื่อง โวลต์มิเตอร์จริงเพียงเข้าใกล้เงื่อนไขนี้

แอมมิเตอร์มีหน้าที่ตรงข้าม เมื่อต่ออยู่ในเส้นทางเดียวกัน เครื่องควรขัดขวางกระแสน้อยมาก จึงมีความต้านทานต่ำ หากต่อเข้ากับขั้วแหล่งจ่ายโดยตรง จะเกิดทางลัดที่ผ่านง่ายโดยไม่ผ่านอุปกรณ์ใช้ไฟฟ้าที่ตั้งใจไว้ และกระแสอาจสูงจนเป็นอันตราย การต่อจึงต่างกันเพราะแอมมิเตอร์ให้กระแสที่วัดไหลผ่าน ส่วนโวลต์มิเตอร์เปรียบเทียบปลายสองด้านโดยดึงกระแสเพิ่มให้น้อยที่สุด

ก่อนเปิดวงจรทดลอง ตรวจว่าเลือกโหมดกระแสหรือแรงดันได้ตรงกับสิ่งที่วัด และเลือกพิสัยรองรับค่าที่คาดไว้ สำหรับไฟฟ้ากระแสตรง ให้ต่อขั้วถูกต้อง หากใช้เครื่องแบบเข็ม ให้ตรวจตำแหน่งศูนย์และค่าต่อช่องสเกล โหมดที่ผิดอาจเปลี่ยนวงจรและทำให้เครื่องเสียหาย ต่อวงจรขณะปิดแหล่งจ่ายแรงดันต่ำสำหรับการเรียน จากนั้นตรวจวงจรแล้วจึงวัด

สนามทำงาน 24 J เมื่อประจุ 4 C ผ่านหลอดไฟ จงหาแรงดันคร่อมหลอด

ต้องการงานของสนามต่อคูลอมบ์ระหว่างขั้วหลอด จึงใช้ U = A/q งาน 24 J ที่กำหนดเป็นงานในการเคลื่อนประจุ 4 C

U = 24/4 = 6 Дж/Кл = 6 В ตรวจความหมาย: ประจุสี่ส่วน ส่วนละหนึ่งคูลอมบ์ สอดคล้องกับงานสี่ส่วน ส่วนละ 6 J

เมื่อต้องการวัดแรงดัน 6 V นี้ ให้ต่อโวลต์มิเตอร์กับขั้วทั้งสองแบบขนานกับหลอด ค่า A และ q เพียงอย่างเดียวโดยไม่มีเวลา ไม่พอหากระแส

แรงดันเท่ากับ 6 V เมื่อประจุแต่ละคูลอมบ์ผ่านหลอด สนามจะทำงาน 6 J

กระแสบอกว่ามีประจุกี่คูลอมบ์ผ่านในแต่ละวินาที แรงดันบอกว่ามีงานกี่จูลต่อคูลอมบ์

แอมมิเตอร์ต้องอยู่ในเส้นทางเดียวกับประจุที่ต้องการวัด ส่วนโวลต์มิเตอร์ต้องต่อกับปลายสองด้านของส่วนที่เปรียบเทียบ

โหมดและการต่อที่ถูกต้องทำให้ผลวัดตรงกับความหมาย ต้องตรวจทั้งสองอย่างก่อนเปิดวงจร

อัตราส่วนแรงดันต่อกระแสให้ค่าความต้านทานของส่วนวงจร ต่อไปเราจะตรวจสอบกฎของโอห์ม