ความสัมพันธ์ระหว่างความนำไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้า ข้อใด ถูก ต้อง ที่สุด

รูป 7 การนำกระแสไฟฟ้าในลวด และกราฟกระแส-ความต่างศักย์ตามกฎของโอห์ม

เมื่อมีความต่างศักย์ตกคร่อมตัวนำ จะทำให้อิเล็กตรอนไหลด้วยความเร็วลอยเลื่อน  เนื่องจากอิทธิพลของสนามไฟฟ้าจากการทดลอง เมื่อเพิ่ม ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมลวดตัวนำ พบว่ากระแส จะเพิ่มขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรง ซึ่งหมายความว่า กราฟเป็นเส้นตรงมีความชันที่คงที่ตลอดการ ทดลอง ส่วนกลับของความชันนี้เรียกว่า  ความต้านทานไฟฟ้า (R)  ของตัวนำนั้น ทำให้โอห์ม (คศ. 1787-1854) ซึ่งเป็นผู้แรกที่ทำการ ทดลองเกี่ยวกับเรื่องความต้านทานอย่างเป็นระบบ ตั้งเป็นกฎของโอห์มขึ้น ดังนี้ 

ดังนั้น

เมื่อ k เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน

ถ้าให้

จะได้

เมื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในตัวนำไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ ได้แก่ โลหะ หลอดไดโอด อิเล็กโทรไลต์ และสารกึ่งตัวนำ ที่อุณหภูมิคงตัว จะได้ดังรูป 8

รูป 8 กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ของตัวนำไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ

จากกราฟข้างต้น จะเห็นได้ว่า ตัวนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะจะมีความต้านทานคงตัว เป็นไปตามกฎของโอห์ม ส่วนตัวนำไฟฟ้าอื่น ความต้านทานไม่คงตัว และไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม

ตัวต้านทาน

ในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็ก ๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า ตัวต้านทานค่าคงตัว เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์  และใช้แถบสีบอกความต้านทาน ดังรูป 9 

รูป 9 ตัวต้านทานค่าคงตัวและสัญลักษณ์

การอ่านความต้านทานจากแถบสีบนตัวต้านทาน

โดยทั่วไป แถบสีบนตัวต้านทาน จะมี 4 แถบ แต่ละแถบสีใช้แทนตัวเลข มีความหมายดังนี้

    ตัวต้านทานข้างต้น ซึ่งมีแถบสีน้ำตาล เขียว ส้มและทอง มีความต้านทาน ดังนี้ 15 x 103 โอห์ม และมีความคลานเคลื่อน 5% หรือเท่ากับ 15 000 โอห์ม ± 750 โอห์ม หรือมีค่าระหว่าง 14 250 โอห์ม และ 15 750 โอห์ม

    พิจารณาวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานที่ทราบค่ากับแบตเตอรี่ และวัดกระแสไฟฟ้าในวงจร เปลี่ยนตัวต้านทานเป็นค่าอื่น บันทึกกระแสไฟฟ้าทุกครั้ง จะพบว่าเมื่อตัวต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้มีค่าลดลง จึงสามารถกำหนดกระแสไฟฟ้าในวงจรได้โดยใช้ตัวต้านทานที่เหมาะสม หรือกล่าวได้ว่า ตัวต้านทานทำหน้าที่จำกัดค่าของกระแสไฟฟ้าในวงจร

    แอลดีอาร์
แอลดีอาร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นกับความสว่างของแสงที่ตกกระทบ แอลดีอาร์มีความต้านทานสูงในที่มืด แต่มีความต้านทานต่ำในที่สว่าง จึงเป็นตัวรับรู้ความสว่างในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับควบคุมการปิด - เปิดสวิตซ์ด้วยแสง

รูป 10 แอลดีอาร์

เทอร์มีสเตอร์
เทอร์มีสเตอร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม เทอร์มีสเตอร์แบบ NTC มีความต้านทานสูงเมื่ออุณหภูมิต่ำ แต่มีความต้านทานต่ำเมื่ออุณหภูมิสูง เทอร์มีสเตอร์จึงเป็นตัวรับรู้อุณหภูมิในเทอร์มีสเตอร์บางชนิด

รูป 11 เทอร์มีสเตอร์

ไดโอด
ไดโอดทำจากสารกึ่งตัวนำ มีลักษณะและสัญลักษณ์ ดังรูป 10 ไดโอดมีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ เมื่อนำไดโอด แบตเตอรี่และแอมมิเตอร์มาต่อเป็นวงจรโดยต่อขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่กับขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบของไดโอดตามลำดับ จะพบว่า มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสตรง เมื่อสลับขั้วของไดโอด จะพบว่า ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสกลับ ดังรูป 11

รูป 12 ไดโอดและสัญลักษณ์

รูป 13 การต่อไดโอดในวงจรไฟฟ้า

จะเห็นว่าขณะไบแอสตรง มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานน้อย แต่ขณะไบแอสกลับ ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานสูงมาก ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า ไดโอดยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทิศเดียว จากสมบัตินี้จึงใช้ไดโอดแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

เมื่อต่อแบตเตอรี่กับลวดโลหะ แล้ววัดความต่างศักย์ V ระหว่างปลายลวด และกระแสไฟฟ้า I ที่ผ่านลวดนั้น โดยใช้ลวดที่ทำจากโลหะชนิดเดียวกัน มีความยาว l ต่าง ๆ กัน และมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง Vและ I แปรผันตรงกับ l ของลวดนั้น

            หรือ

ถ้าใช้ลวดที่มีความยาวเท่ากัน แต่มีพื้นที่หน้าตัด A ต่าง ๆ กัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V  และ l  แปรผกผันกับ 

หรือ

โดยอาศัยกฎของโอห์มในสมการ (2) สามารถสรุปความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทาน R ความยาว l  และพื้นที่หน้าตัด A  ของลวดโลหะได้ดังนี้

ดังนั้น

ถ้าทดลองโดยใช้ลวดที่ทำด้วยโลหะต่างชนิดกัน พบว่าค่าคงตัวในสมการ (3) จะไม่เท่ากัน ขึ้นกับชนิดของสาร ค่าคงตัว P นี้เรียกว่า สภาพต้านทานไฟฟ้า ซึ่งมีหน่วยเป็นโอห์ม เมตร

สภาพต้านทานไฟฟ้าของสารชนิดเดียวกันมีค่าเท่ากัน ส่วนความต้านทานของสารชนิดเดียวกันอาจต่างกัน เพราะขึ้นกับความยาวและพื้นที่หน้าตัดของสารนั้น สารที่มีความต้านทานมากจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านน้อย จึงกล่าวว่าสารนั้นมีความนำไฟฟ้าน้อย ดังนั้นความนำไฟฟ้าจึงเป็นส่วนกลับของความต้านทานไฟฟ้า และมีหน่วย (โอห์ม)-1 หรือซีเมนส์ แทนด้วยสัญลักษณ์ S สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานไฟฟ้ามากจะมีสภาพนำไฟฟ้าน้อย สภาพนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทานไฟฟ้า มีหน่วย (โอห์ม เมตร)-1 หรือซีเมนส์ต่อเมตร

ฉนวนเป็นสารที่มีสภาพต้านทานสูง ตัวอย่างของฉนวน ได้แก่ แก้ว ไมกา พีวีซี ยาง กระเบื้อง เป็นต้น การศึกษาสภาพต้านทานของฉนวนที่อุณหภูมิสูง ๆ พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อย และถ้านำฉนวนไปต่อกับความต่างศักย์ที่สูงมาก ฉนวนจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้

สารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำมีสภาพต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน แต่มีค่าสูงกว่าสภาพต้านทานของตัวนำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว แสดงว่าการนำไฟฟ้าจะดีขึ้น ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำประกอบอยู่ในวงจร จึงทำงานเป็นปกติเฉพาะในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้

ตัวนำ ตัวนำเป็นสารที่มีสภาพต้านทานต่ำ เมื่อวัดความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ เช่น แพลทินัม ทองแดง เงิน เป็นต้น ที่อุณหภูมิต่าง ๆ พบว่าโดยประมาณแล้ว ความต้านทานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์

ตัวนำยวดยิ่ง  นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ชื่อ ออนเนส ได้ทดลองวัดความต้านทานของปรอทบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน พบว่า ความต้านทานของปรอทลดลงเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ดังรูป 14 อุณหภูมินี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต ปรอทจะอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า สภาพนำยวดยิ่ง กล่าวคือ ปรอทจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือมีการนำไฟฟ้าดีที่สุด วัสดุที่มีความต้านทานเป็นศูนย์หรืออยู่ในสภาพนำยวดยิ่ง เรียกว่า ตัวนำยวดยิ่ง

รูป 14 กราฟแสดงอุณหภูมิวิกฤติของปรอท 

ความสัมพันธ์ระหว่างความนำไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้าข้อใด

ข้อใดคือหน่วยของกำลังไฟฟ้าและความนำไฟฟ้า

ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อความต้านทานของตัวนำไฟฟ้า

ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเป็นไปตามข้อใด