ความต้านทานไฟฟ้า ตัวนำไฟฟ้า และฉนวนไฟฟ้า

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
ตัวต้านทานไฟฟ้า บางชนิดทำจากอโลหะ เช่น ตัวต้านทานไฟฟ้าที่ชื่อว่า คาร์บอนรีซีสเตอร์ (Carbon Resistor) ที่ใช้ประกอบในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ โดยมีลักษณะทรงกระบอกตัน มีหางทั้งสองข้าง ค่าความต้านทานมีแถบสีแสดง
ตัวต้านทานไฟฟ้าอีกชนิดหนึ่งทำจากโลหะ เช่น ตัวต้านทานที่เรียกว่า ไวร์วาล์วรีซีสเตอร์ มีลักษณะเป็นเส้นลวด ( ลวดนิโครม หรือ ลวดแมงกานีส ) พันรอบแท่งกระเบื่องหรือพอซเลน และมีขั้วสำหรับต่อสายไฟ ตัวต้านทานชนิดนี้โตกว่าชนิดคาร์บอน
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
ชนิดของวัตถุ
โอห์ม – ฟุต หรือ
เซอร์คูลาร์มิล – ฟุต
โอห์ม – ซม. หรือ
โอห์ม/ลูกบาศก์เมตร
โอห์ม – เมตร หรือ
โอห์ม/ลูกบาศก์เมตร
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ
ทองแดง
เงิน
อะลูมิเนียม
เหล็ก
ทองเหลือง
ทังสเตน
แพลทินัม
นิโครม
10.4
8.85
16.9
60 – 84
42
33
66.2
600
1.72
1.47
2.63
10 – 14
6 – 8
5.5
11
100
1.72
1.47
2.63
10 – 14
6 – 8
5.5
11
100
0.00393
0.0038
0.0039
0.0055
-
0.0045
-
-
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

ชนิดของวัสดุ
ค่าอุณหภูมิสมบูรณ์
นิกเกิล
เหล็ก
ทังสเตน
ทองแดง
อะลูมิเนียม
เงิน
ทอง
-147
-180
-202
-235
-236
-243
-274
2.9 ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ
คือ ค่าความต้านทานที่เพิ่มขึ้น เมื่อความต้านทานท1 โอห์ม ร้อนขึ้น 1 C
ตาราง 2.3 ตารางค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานของวัสดุตัวนำบางชนิด เมื่ออุณหภูมิ 20 C
ชนิดของวัสดุ
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ
นิกเกิล
เหล็ก
ทังสเตน
ทองแดง
อะลูมิเนียม
เงิน
ทอง
0.006
0.0055
0.0045
0.00393
0.0039
0.0038
0.0034
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)

geovisit();