ตัวแปลงกระแสไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้า — จากเซลล์ประสาทสู่สายฟ้า
เชี่ยวชาญหน่วยกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ระบบไฟฟ้า และฟิสิกส์ ตั้งแต่ไมโครแอมแปร์ถึงเมกะแอมแปร์ ทำความเข้าใจการไหลของกระแสไฟฟ้าตลอด 30 อันดับของขนาด — ตั้งแต่การทะลุผ่านของอิเล็กตรอนเดี่ยวไปจนถึงฟ้าผ่า สำรวจการนิยามแอมแปร์ใหม่เชิงควอนตัมปี 2019 และการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง
พื้นฐานของกระแสไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้าคืออะไร
กระแสไฟฟ้าคือการไหลของประจุ เหมือนน้ำที่ไหลผ่านท่อ กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น = ประจุต่อวินาทีมากขึ้น วัดเป็นแอมแปร์ (A) ทิศทาง: จากบวกไปลบ (ตามแบบแผน) หรือการไหลของอิเล็กตรอน (จากลบไปบวก)
- 1 แอมแปร์ = 1 คูลอมบ์ต่อวินาที (1 A = 1 C/s)
- กระแสไฟฟ้าคืออัตราการไหล ไม่ใช่ปริมาณ
- กระแสตรง (DC): ทิศทางคงที่ (แบตเตอรี่)
- กระแสสลับ (AC): ทิศทางสลับกัน (ปลั๊กไฟบ้าน)
กระแสไฟฟ้า vs แรงดันไฟฟ้า vs ประจุไฟฟ้า
ประจุ (Q) = ปริมาณของไฟฟ้า (คูลอมบ์) กระแส (I) = อัตราการไหลของประจุ (แอมแปร์) แรงดัน (V) = ความดันที่ผลักประจุ กำลังไฟฟ้า (P) = V × I (วัตต์) ทั้งหมดเชื่อมต่อกันแต่แตกต่างกัน!
- ประจุ Q = ปริมาณ (คูลอมบ์)
- กระแส I = อัตราการไหล (แอมแปร์ = C/s)
- แรงดัน V = ความดันไฟฟ้า (โวลต์)
- กระแสไฟฟ้าไหลจากแรงดันสูงไปแรงดันต่ำ
กระแสไฟฟ้าตามแบบแผน vs การไหลของอิเล็กตรอน
กระแสไฟฟ้าตามแบบแผน: จากบวกไปลบ (ตามประวัติศาสตร์) การไหลของอิเล็กตรอน: จากลบไปบวก (ตามความเป็นจริง) ทั้งสองแบบใช้งานได้! อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จริงๆ แต่เราใช้ทิศทางตามแบบแผน ซึ่งไม่ส่งผลต่อการคำนวณ
- ตามแบบแผน: + ไป - (มาตรฐานในแผนภาพ)
- การไหลของอิเล็กตรอน: - ไป + (ความเป็นจริงทางฟิสิกส์)
- ทั้งสองให้คำตอบเดียวกัน
- ใช้กระแสไฟฟ้าตามแบบแผนสำหรับการวิเคราะห์วงจร
- กระแสไฟฟ้า = อัตราการไหลของประจุ (1 A = 1 C/s)
- แรงดันไฟฟ้าทำให้กระแสไฟฟ้าไหล (เหมือนความดัน)
- กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น = ประจุต่อวินาทีมากขึ้น
- กำลังไฟฟ้า = แรงดันไฟฟ้า × กระแสไฟฟ้า (P = VI)
วิวัฒนาการทางประวัติศาสตร์ของการวัดกระแสไฟฟ้า
การค้นพบทางไฟฟ้าในยุคแรก (1600-1830)
ก่อนที่จะเข้าใจว่ากระแสไฟฟ้าคือการไหลของประจุ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาไฟฟ้าสถิตและ 'ของเหลวไฟฟ้า' ที่ลึกลับ การปฏิวัติแบตเตอรี่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องเป็นครั้งแรก
- 1600: วิลเลียม กิลเบิร์ต แยกแยะไฟฟ้าระหว่างแม่เหล็ก และบัญญัติศัพท์คำว่า 'electric'
- 1745: ประดิษฐ์ขวดไลเดน — ตัวเก็บประจุตัวแรก เก็บประจุไฟฟ้าสถิต
- 1800: อาเลสซานโดร โวลตา ประดิษฐ์เสาไฟฟ้าโวลตาอิก — แบตเตอรี่ตัวแรก แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องตัวแรก
- 1820: ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด ค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็ก — เชื่อมโยงไฟฟ้าและแม่เหล็ก
- 1826: เกออร์ก โอห์ม เผยแพร่ V = IR — ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์แรกสำหรับกระแสไฟฟ้า
- 1831: ไมเคิล ฟาราเดย์ ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า — สนามที่เปลี่ยนแปลงสร้างกระแสไฟฟ้า
วิวัฒนาการของนิยามแอมแปร์ (1881-2019)
นิยามของแอมแปร์ได้พัฒนาจากการประนีประนอมในทางปฏิบัติไปสู่ค่าคงที่พื้นฐาน ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นของเราเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าและฟิสิกส์ควอนตัม
- 1881: การประชุมไฟฟ้าระหว่างประเทศครั้งแรกกำหนด 'แอมแปร์เชิงปฏิบัติ' สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์
- 1893: งานแสดงสินค้าระดับโลกที่ชิคาโก — กำหนดมาตรฐานแอมแปร์สำหรับการวัด AC/DC
- 1948: CGPM กำหนดนิยามแอมแปร์จากแรงระหว่างตัวนำขนาน: แรง 2×10⁻⁷ นิวตัน/เมตร ที่ระยะห่าง 1 เมตร
- ปัญหา: ต้องการสายไฟที่ขนานกันอย่างสมบูรณ์ ซึ่งยากต่อการทำให้เป็นจริงในทางปฏิบัติ
- ทศวรรษ 1990: ปรากฏการณ์ฮอลล์เชิงควอนตัมและรอยต่อโจเซฟสันทำให้การวัดมีความแม่นยำมากขึ้น
- 2018: CGPM ลงมติให้นิยามแอมแปร์ใหม่จากประจุมูลฐาน
การปฏิวัติควอนตัมปี 2019 — นิยามประจุมูลฐาน
เมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม 2019 แอมแปร์ได้รับการนิยามใหม่โดยยึดตามประจุมูลฐาน (e) ทำให้สามารถทำซ้ำได้ทุกที่ด้วยอุปกรณ์ควอนตัมที่เหมาะสม ซึ่งเป็นการสิ้นสุดนิยามที่อิงตามแรงซึ่งใช้มานาน 71 ปี
- นิยามใหม่: 1 A = (e / 1.602176634×10⁻¹⁹) อิเล็กตรอนต่อวินาที
- ประจุมูลฐาน e ในปัจจุบันมีความแม่นยำตามนิยาม (ไม่มีความไม่แน่นอน)
- 1 แอมแปร์ = การไหลของประจุมูลฐาน 6.241509074×10¹⁸ หน่วยต่อวินาที
- มาตรฐานกระแสไฟฟ้าควอนตัม: อุปกรณ์ทะลุผ่านของอิเล็กตรอนเดี่ยวนับอิเล็กตรอนทีละตัว
- รอยต่อโจเซฟสัน: สร้างกระแสไฟฟ้า AC ที่แม่นยำจากค่าคงที่พื้นฐาน
- ผลลัพธ์: ห้องปฏิบัติการใดๆ ที่มีอุปกรณ์ควอนตัมสามารถสร้างแอมแปร์ได้อย่างอิสระ
การนิยามใหม่ในปี 2019 แสดงถึงความก้าวหน้า 138 ปีจากการประนีประนอมในทางปฏิบัติไปสู่ความแม่นยำระดับควอนตัม ซึ่งช่วยให้เกิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวิทยาการการวัดแห่งยุคอนาคต
- นาโนเทคโนโลยี: การควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนอย่างแม่นยำในคอมพิวเตอร์ควอนตัม ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว
- มาตรวิทยา: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติสามารถสร้างแอมแปร์ได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้วัตถุอ้างอิง
- อิเล็กทรอนิกส์: มาตรฐานการสอบเทียบที่ดีขึ้นสำหรับสารกึ่งตัวนำ เซ็นเซอร์ ระบบไฟฟ้า
- การแพทย์: การวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับอุปกรณ์ปลูกฝัง อินเทอร์เฟซสมอง-คอมพิวเตอร์ อุปกรณ์วินิจฉัยโรค
- ฟิสิกส์พื้นฐาน: หน่วย SI ทั้งหมดในปัจจุบันถูกกำหนดจากค่าคงที่ของธรรมชาติ — ไม่มีวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้น
เครื่องช่วยจำและเทคนิคการแปลงอย่างรวดเร็ว
คิดเลขในใจง่ายๆ
- กฎยกกำลัง 1000: แต่ละคำอุปสรรค SI = ×1000 หรือ ÷1000 (kA → A → mA → µA → nA)
- ทางลัด mA เป็น A: หารด้วย 1000 → 250 mA = 0.25 A (เลื่อนจุดทศนิยมไปทางซ้าย 3 ตำแหน่ง)
- ทางลัด A เป็น mA: คูณด้วย 1000 → 1.5 A = 1500 mA (เลื่อนจุดทศนิยมไปทางขวา 3 ตำแหน่ง)
- กระแสจากกำลังไฟฟ้า: I = P / V → หลอดไฟ 60W ที่ 120V = 0.5 A
- เทคนิคกฎของโอห์ม: I = V / R → 12V ÷ 4Ω = 3 A (แรงดันหารด้วยความต้านทาน)
- การแปลงเอกลักษณ์: 1 A = 1 C/s = 1 W/V (ทั้งหมดเทียบเท่ากันทุกประการ)
เครื่องช่วยจำเพื่อความปลอดภัยที่สำคัญ
กระแสไฟฟ้าฆ่าคน ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า เกณฑ์ความปลอดภัยเหล่านี้สามารถช่วยชีวิตคุณได้ — ท่องจำให้ขึ้นใจ
- 1 mA (60 Hz AC): รู้สึกเหมือนโดนทิ่มแทง, เกณฑ์การรับรู้
- 5 mA: กระแสไฟฟ้า 'ปลอดภัย' สูงสุด, เข้าใกล้เกณฑ์ที่ไม่สามารถปล่อยมือได้
- 10-20 mA: สูญเสียการควบคุมกล้ามเนื้อ, ไม่สามารถปล่อยมือได้ (การเกร็งค้าง)
- 50 mA: เจ็บปวดอย่างรุนแรง, อาจทำให้หยุดหายใจ
- 100-200 mA: ภาวะหัวใจห้องล่างสั่นพลิ้ว (หัวใจหยุดเต้น), มักเป็นอันตรายถึงชีวิต
- 1-5 A: ภาวะหัวใจสั่นพลิ้วต่อเนื่อง, แผลไหม้อย่างรุนแรง, หัวใจหยุดเต้น
- จำไว้ว่า: AC อันตรายกว่า DC 3-5 เท่าที่ระดับกระแสไฟฟ้าเท่ากัน
สูตรวงจรที่ใช้งานได้จริง
- กฎของโอห์ม: I = V / R (หากระแสไฟฟ้าจากแรงดันและความต้านทาน)
- สูตรกำลังไฟฟ้า: I = P / V (หากระแสไฟฟ้าจากกำลังและแรงดัน)
- วงจรอนุกรม: กระแสไฟฟ้าเท่ากันทุกที่ (I₁ = I₂ = I₃)
- วงจรขนาน: กระแสไฟฟ้ารวมกันที่จุดเชื่อมต่อ (I_รวม = I₁ + I₂ + I₃)
- การจำกัดกระแส LED: R = (V_แหล่งจ่าย - V_LED) / I_LED
- กฎขนาดสายไฟ: 15A ต้องการขนาด 14 AWG ขั้นต่ำ, 20A ต้องการขนาด 12 AWG ขั้นต่ำ
- สับสนระหว่างกระแสไฟฟ้ากับแรงดันไฟฟ้า: แรงดันคือความดัน, กระแสคืออัตราการไหล — แนวคิดต่างกัน!
- เกินพิกัดของสายไฟ: สายไฟเส้นเล็กจะร้อนเกินไป, ฉนวนละลาย, ทำให้เกิดไฟไหม้ — ตรวจสอบตาราง AWG
- วัดกระแสไฟฟ้าผิดวิธี: แอมมิเตอร์ต่ออนุกรม (ตัดวงจร), โวลต์มิเตอร์ต่อขนาน (คร่อม)
- ละเลยค่า AC RMS กับค่าสูงสุด: 120V AC RMS ≠ 120V ค่าสูงสุด (จริงๆ คือ 170V) ใช้ RMS ในการคำนวณ
- การลัดวงจร: ความต้านทานเป็นศูนย์ = กระแสไฟฟ้าอนันต์ตามทฤษฎี = ไฟไหม้/ระเบิด/เสียหาย
- สมมติว่าแรงดัน LED กำหนดกระแสไฟฟ้า: LED ต้องการตัวต้านทานจำกัดกระแสหรือไดรเวอร์กระแสคงที่
มาตราส่วนกระแสไฟฟ้า: จากอิเล็กตรอนเดี่ยวถึงสายฟ้า
| มาตราส่วน / กระแสไฟฟ้า | หน่วยตัวแทน | การใช้งานทั่วไป | ตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง |
|---|---|---|---|
| 0.16 aA | อัตโตแอมแปร์ (aA) | การทะลุผ่านของอิเล็กตรอนเดี่ยว ขีดจำกัดทางควอนตัมเชิงทฤษฎี | 1 อิเล็กตรอนต่อวินาที ≈ 0.16 aA |
| 1-10 pA | พิโกแอมแปร์ (pA) | ช่องไอออน กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดทะลุผ่าน อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล | กระแสไฟฟ้าของช่องไอออนในเยื่อหุ้มเซลล์ชีวภาพ |
| ~10 nA | นาโนแอมแปร์ (nA) | กระแสประสาท เซ็นเซอร์กำลังต่ำพิเศษ การรั่วไหลของแบตเตอรี่ | ค่าสูงสุดของศักยะทำงานในเซลล์ประสาท |
| 10-100 µA | ไมโครแอมแปร์ (µA) | แบตเตอรี่นาฬิกา เครื่องมือวัดความแม่นยำ สัญญาณชีวภาพ | ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่นาฬิกาทั่วไปใช้ |
| 2-20 mA | มิลลิแอมแปร์ (mA) | LED เซ็นเซอร์ วงจรกำลังต่ำ โปรเจกต์ Arduino | ไฟ LED แสดงสถานะมาตรฐาน (20 mA) |
| 0.5-5 A | แอมแปร์ (A) | เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภค การชาร์จ USB อุปกรณ์ในครัวเรือน | การชาร์จเร็วด้วย USB-C (3 A) แหล่งจ่ายไฟของแล็ปท็อป (4 A) |
| 15-30 A | แอมแปร์ (A) | วงจรไฟฟ้าในบ้าน เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่ การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า | เบรกเกอร์วงจรมาตรฐาน (15 A) ที่ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ระดับ 2 (32 A) |
| 100-400 A | แอมแปร์ (A) | การเชื่อมด้วยอาร์ค สตาร์ทเตอร์รถยนต์ มอเตอร์อุตสาหกรรม | การเชื่อมด้วยธูป (100-400 A) มอเตอร์สตาร์ทรถยนต์ (200-400 A) |
| 1-100 kA | กิโลแอมแปร์ (kA) | ฟ้าผ่า การเชื่อมแบบจุด มอเตอร์ขนาดใหญ่ ระบบรางรถไฟ | ฟ้าผ่าโดยเฉลี่ย (20-30 kA) พัลส์การเชื่อมแบบจุด |
| 1-3 MA | เมกะแอมแปร์ (MA) | ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ฟิสิกส์สุดขั้ว | การเร่งความเร็วของกระสุนปืนแม่เหล็กไฟฟ้า (1-3 MA เป็นเวลาไมโครวินาที) |
คำอธิบายระบบหน่วย
หน่วย SI — แอมแปร์
แอมแปร์ (A) เป็นหน่วยฐานของ SI สำหรับกระแสไฟฟ้า เป็นหนึ่งในเจ็ดหน่วยพื้นฐานของ SI กำหนดจากประจุมูลฐานตั้งแต่ปี 2019 คำอุปสรรคจากอัตโตถึงเมกะครอบคลุมทุกช่วง
- 1 A = 1 C/s (นิยามที่แน่นอน)
- kA สำหรับกำลังสูง (การเชื่อม, ฟ้าผ่า)
- mA, µA สำหรับอิเล็กทรอนิกส์, เซ็นเซอร์
- fA, aA สำหรับอุปกรณ์ควอนตัม, อุปกรณ์อิเล็กตรอนเดี่ยว
หน่วยนิยาม
C/s และ W/V เทียบเท่ากับแอมแปร์ตามนิยาม C/s แสดงการไหลของประจุ W/V แสดงกระแสไฟฟ้าจากกำลัง/แรงดัน ทั้งสามอย่างเหมือนกันทุกประการ
- 1 A = 1 C/s (นิยาม)
- 1 A = 1 W/V (จาก P = VI)
- ทั้งสามอย่างเหมือนกันทุกประการ
- มุมมองที่แตกต่างกันเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้า
หน่วย CGS แบบดั้งเดิม
แอบแอมแปร์ (EMU) และสแตตแอมแปร์ (ESU) มาจากระบบ CGS แบบเก่า ไบโอต์ = แอบแอมแปร์ ปัจจุบันหาได้ยากแต่ปรากฏในตำราฟิสิกส์เก่าๆ 1 abA = 10 A; 1 statA ≈ 3.34×10⁻¹⁰ A
- 1 แอบแอมแปร์ = 10 A (EMU)
- 1 ไบโอต์ = 10 A (เหมือนกับแอบแอมแปร์)
- 1 สแตตแอมแปร์ ≈ 3.34×10⁻¹⁰ A (ESU)
- ล้าสมัยแล้ว; แอมแปร์ SI เป็นมาตรฐาน
ฟิสิกส์ของกระแสไฟฟ้า
กฎของโอห์ม
I = V / R (กระแสไฟฟ้า = แรงดันไฟฟ้า ÷ ความต้านทาน) รู้แรงดันและความต้านทาน ก็จะหากระแสไฟฟ้าได้ เป็นรากฐานของการวิเคราะห์วงจรทั้งหมด เป็นเชิงเส้นสำหรับตัวต้านทาน
- I = V / R (กระแสไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้า)
- V = I × R (แรงดันไฟฟ้าจากกระแสไฟฟ้า)
- R = V / I (ความต้านทานจากการวัด)
- การกระจายกำลังไฟฟ้า: P = I²R
กฎกระแสไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์
ที่จุดเชื่อมต่อใดๆ กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้า = กระแสไฟฟ้าที่ไหลออก Σ I = 0 (ผลรวมของกระแสไฟฟ้า = ศูนย์) ประจุถูกอนุรักษ์ไว้ จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์วงจรขนาน
- ΣI = 0 ที่โหนดใดๆ
- กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้า = กระแสไฟฟ้าที่ไหลออก
- การอนุรักษ์ประจุ
- ใช้ในการแก้ปัญหาวงจรที่ซับซ้อน
ภาพระดับจุลภาค
กระแสไฟฟ้า = ความเร็วลอยเลื่อนของตัวพาประจุ ในโลหะ: อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้า (~มม./วินาที) แต่สัญญาณแพร่กระจายด้วยความเร็วแสง จำนวนตัวพา × ความเร็ว = กระแสไฟฟ้า
- I = n × q × v × A (ระดับจุลภาค)
- n = ความหนาแน่นของตัวพา, v = ความเร็วลอยเลื่อน
- อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้า สัญญาณเร็ว
- ในสารกึ่งตัวนำ: อิเล็กตรอน + โฮล
เกณฑ์มาตรฐานกระแสไฟฟ้า
| บริบท | กระแสไฟฟ้า | หมายเหตุ |
|---|---|---|
| อิเล็กตรอนเดี่ยว | ~0.16 aA | 1 อิเล็กตรอนต่อวินาที |
| ช่องไอออน | ~1-10 pA | เยื่อหุ้มเซลล์ชีวภาพ |
| กระแสประสาท | ~10 nA | ค่าสูงสุดของศักยะทำงาน |
| ไฟ LED แสดงสถานะ | 2-20 mA | LED กำลังต่ำ |
| USB 2.0 | 0.5 A | แหล่งจ่ายไฟ USB มาตรฐาน |
| การชาร์จโทรศัพท์ | 1-3 A | การชาร์จเร็วทั่วไป |
| วงจรไฟฟ้าในบ้าน | 15 A | เบรกเกอร์มาตรฐาน (สหรัฐฯ) |
| การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า | 32-80 A | ที่ชาร์จที่บ้านระดับ 2 |
| การเชื่อมด้วยอาร์ค | 100-400 A | การเชื่อมด้วยธูปทั่วไป |
| มอเตอร์สตาร์ทรถยนต์ | 100-400 A | กระแสไฟฟ้าสูงสุดขณะสตาร์ท |
| ฟ้าผ่า | 20-30 kA | สายฟ้าโดยเฉลี่ย |
| การเชื่อมแบบจุด | 1-100 kA | พัลส์สั้น |
| ค่าสูงสุดตามทฤษฎี | >1 MA | ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า ฟิสิกส์สุดขั้ว |
ระดับกระแสไฟฟ้าทั่วไป
| อุปกรณ์ / บริบท | กระแสไฟฟ้าทั่วไป | แรงดันไฟฟ้า | กำลังไฟฟ้า |
|---|---|---|---|
| แบตเตอรี่นาฬิกา | 10-50 µA | 3V | ~0.1 mW |
| ไฟ LED แสดงสถานะ | 10-20 mA | 2V | 20-40 mW |
| Arduino/MCU | 20-100 mA | 5V | 0.1-0.5 W |
| เมาส์/คีย์บอร์ด USB | 50-100 mA | 5V | 0.25-0.5 W |
| การชาร์จโทรศัพท์ (ช้า) | 1 A | 5V | 5 W |
| การชาร์จโทรศัพท์ (เร็ว) | 3 A | 9V | 27 W |
| แล็ปท็อป | 3-5 A | 19V | 60-100 W |
| คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ | 5-10 A | 12V | 60-120 W |
| ไมโครเวฟ | 10-15 A | 120V | 1200-1800 W |
| การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า | 32 A | 240V | 7.7 kW |
การใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง
เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภค
USB: 0.5-3 A (มาตรฐานถึงการชาร์จเร็ว) การชาร์จโทรศัพท์: ทั่วไป 1-3 A แล็ปท็อป: 3-5 A LED: ทั่วไป 20 mA อุปกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ช่วง mA ถึง A
- USB 2.0: สูงสุด 0.5 A
- USB 3.0: สูงสุด 0.9 A
- USB-C PD: สูงสุด 5 A (100W @ 20V)
- การชาร์จเร็วของโทรศัพท์: ทั่วไป 2-3 A
ครัวเรือนและพลังงาน
วงจรไฟฟ้าในบ้าน: เบรกเกอร์ 15-20 A (สหรัฐฯ) หลอดไฟ: 0.5-1 A ไมโครเวฟ: 10-15 A เครื่องปรับอากาศ: 15-30 A การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า: 30-80 A (ระดับ 2)
- เต้ารับมาตรฐาน: วงจร 15 A
- เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่: 20-50 A
- รถยนต์ไฟฟ้า: 30-80 A (ระดับ 2)
- บ้านทั้งหลัง: บริการ 100-200 A
อุตสาหกรรมและระดับสุดขั้ว
การเชื่อม: 100-400 A (ธูป), 1000+ A (จุด) ฟ้าผ่า: เฉลี่ย 20-30 kA, สูงสุด 200 kA ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า: เมกะแอมแปร์ แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด: 10+ kA คงที่
- การเชื่อมด้วยอาร์ค: 100-400 A
- การเชื่อมแบบจุด: พัลส์ 1-100 kA
- ฟ้าผ่า: ทั่วไป 20-30 kA
- การทดลอง: ช่วง MA (ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า)
การคำนวณการแปลงอย่างรวดเร็ว
การแปลงคำอุปสรรค SI อย่างรวดเร็ว
แต่ละขั้นของคำอุปสรรค = ×1000 หรือ ÷1000 kA → A: ×1000 A → mA: ×1000 mA → µA: ×1000
- kA → A: คูณด้วย 1,000
- A → mA: คูณด้วย 1,000
- mA → µA: คูณด้วย 1,000
- กลับกัน: หารด้วย 1,000
กระแสไฟฟ้าจากกำลังไฟฟ้า
I = P / V (กระแสไฟฟ้า = กำลังไฟฟ้า ÷ แรงดันไฟฟ้า) หลอดไฟ 60W ที่ 120V = 0.5 A ไมโครเวฟ 1200W ที่ 120V = 10 A
- I = P / V (แอมแปร์ = วัตต์ ÷ โวลต์)
- 60W ÷ 120V = 0.5 A
- P = V × I (กำลังไฟฟ้าจากกระแสไฟฟ้า)
- V = P / I (แรงดันไฟฟ้าจากกำลังไฟฟ้า)
การตรวจสอบอย่างรวดเร็วด้วยกฎของโอห์ม
I = V / R รู้แรงดันและความต้านทาน ก็จะหากระแสไฟฟ้าได้ 12V คร่อม 4Ω = 3 A 5V คร่อม 1kΩ = 5 mA
- I = V / R (แอมแปร์ = โวลต์ ÷ โอห์ม)
- 12V ÷ 4Ω = 3 A
- 5V ÷ 1000Ω = 5 mA (= 0.005 A)
- จำไว้ว่า: หารเพื่อหากระแสไฟฟ้า
วิธีการทำงานของการแปลง
- ขั้นตอนที่ 1: แปลงจากต้นทาง → แอมแปร์ โดยใช้ตัวคูณ toBase
- ขั้นตอนที่ 2: แปลงจากแอมแปร์ → เป้าหมาย โดยใช้ตัวคูณ toBase ของเป้าหมาย
- ทางเลือก: ใช้ตัวคูณโดยตรง (kA → A: คูณด้วย 1000)
- การตรวจสอบความสมเหตุสมผล: 1 kA = 1000 A, 1 mA = 0.001 A
- จำไว้ว่า: C/s และ W/V เหมือนกับ A
ข้อมูลอ้างอิงการแปลงทั่วไป
| จาก | เป็น | คูณด้วย | ตัวอย่าง |
|---|---|---|---|
| A | kA | 0.001 | 1000 A = 1 kA |
| kA | A | 1000 | 1 kA = 1000 A |
| A | mA | 1000 | 1 A = 1000 mA |
| mA | A | 0.001 | 1000 mA = 1 A |
| mA | µA | 1000 | 1 mA = 1000 µA |
| µA | mA | 0.001 | 1000 µA = 1 mA |
| A | C/s | 1 | 5 A = 5 C/s (เอกลักษณ์) |
| A | W/V | 1 | 10 A = 10 W/V (เอกลักษณ์) |
| kA | MA | 0.001 | 1000 kA = 1 MA |
| abampere | A | 10 | 1 abA = 10 A |
ตัวอย่างด่วน
โจทย์ปัญหาพร้อมวิธีทำ
การคำนวณกำลังไฟฟ้าของ USB
พอร์ต USB จ่ายไฟ 5V อุปกรณ์ใช้กระแส 500 mA กำลังไฟฟ้าคือเท่าใด
P = V × I = 5V × 0.5A = 2.5W (มาตรฐาน USB 2.0)
การจำกัดกระแสของ LED
แหล่งจ่ายไฟ 5V, LED ต้องการกระแส 20 mA และแรงดัน 2V ต้องใช้ตัวต้านทานค่าเท่าใด
แรงดันตกคร่อม = 5V - 2V = 3V R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω ใช้ 150Ω หรือ 180Ω
การเลือกขนาดเบรกเกอร์วงจร
อุปกรณ์สามชิ้น: 5A, 8A, 3A ในวงจรเดียวกัน ต้องใช้เบรกเกอร์ขนาดเท่าใด
รวม = 5 + 8 + 3 = 16A ใช้เบรกเกอร์ 20A (ขนาดมาตรฐานถัดไปที่ใหญ่ขึ้นเพื่อเผื่อความปลอดภัย)
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่ควรหลีกเลี่ยง
- **กระแสไฟฟ้าฆ่าคน ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า**: 100 mA ผ่านหัวใจอาจเป็นอันตรายถึงชีวิต แรงดันสูงเป็นอันตรายเพราะสามารถบังคับให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ แต่ตัวกระแสไฟฟ้าเองที่สร้างความเสียหาย
- **กระแส AC vs DC**: 60 Hz AC อันตรายกว่า DC ประมาณ 3-5 เท่าในระดับเดียวกัน AC ทำให้กล้ามเนื้อเกร็งค้าง ค่า RMS ของกระแสไฟฟ้าใช้สำหรับการคำนวณ AC
- **ความหนาของสายไฟมีความสำคัญ**: สายไฟเส้นเล็กไม่สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าสูงได้ (เสี่ยงต่อความร้อน, ไฟไหม้) ใช้ตารางขนาดสายไฟ 15A ต้องการขนาด 14 AWG ขั้นต่ำ
- **อย่าเกินพิกัด**: ส่วนประกอบต่างๆ มีพิกัดกระแสไฟฟ้าสูงสุด LED จะไหม้, สายไฟจะละลาย, ฟิวส์จะขาด, ทรานซิสเตอร์จะเสีย ควรตรวจสอบเอกสารข้อมูลจำเพาะเสมอ
- **กระแสไฟฟ้าในวงจรอนุกรมเท่ากัน**: ในวงจรอนุกรม กระแสไฟฟ้าจะเท่ากันทุกที่ ในวงจรขนาน กระแสไฟฟ้าจะรวมกันที่จุดเชื่อมต่อ (เคอร์ชอฟฟ์)
- **การลัดวงจร**: ความต้านทานเป็นศูนย์ = กระแสไฟฟ้าอนันต์ (ตามทฤษฎี) ในความเป็นจริง: ถูกจำกัดโดยแหล่งจ่าย, ทำให้เกิดความเสียหาย/ไฟไหม้ ควรป้องกันวงจรเสมอ
ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้า
ร่างกายของคุณนำไฟฟ้าได้ประมาณ 100 µA
เมื่อยืนอยู่บนพื้น ร่างกายของคุณมีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลสู่พื้นดินประมาณ 100 µA ตลอดเวลา จากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ประจุสถิต คลื่นวิทยุ ปลอดภัยและเป็นเรื่องปกติโดยสิ้นเชิง เราเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีไฟฟ้า!
ฟ้าผ่ามีกระแสไฟฟ้า 20,000-200,000 แอมแปร์
ฟ้าผ่าโดยเฉลี่ย: 20-30 kA (20,000 A) ค่าสูงสุดสามารถสูงถึง 200 kA แต่มีระยะเวลาน้อยกว่า 1 มิลลิวินาที ประจุทั้งหมด: เพียงประมาณ 15 คูลอมบ์ กระแสไฟฟ้าสูง, เวลาน้อย = สามารถรอดชีวิตได้ (บางครั้ง)
เกณฑ์ความเจ็บปวดของมนุษย์: 1 mA
1 mA 60 Hz AC: รู้สึกเหมือนโดนทิ่มแทง 10 mA: สูญเสียการควบคุมกล้ามเนื้อ 100 mA: ภาวะหัวใจห้องล่างสั่นพลิ้ว (อันตรายถึงชีวิต) 1 A: แผลไหม้อย่างรุนแรง, หัวใจหยุดเต้น เส้นทางของกระแสไฟฟ้ามีความสำคัญ—การผ่านหัวใจเป็นสิ่งที่เลวร้ายที่สุด
ตัวนำยิ่งยวด: กระแสไฟฟ้าอนันต์?
ความต้านทานเป็นศูนย์ = กระแสไฟฟ้าอนันต์? ไม่เชิง ตัวนำยิ่งยวดมี 'กระแสวิกฤต'—ถ้าเกินค่านั้น, สภาพการนำยิ่งยวดจะหายไป เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ITER: 68 kA ในขดลวดตัวนำยิ่งยวด ไม่มีความร้อน, ไม่มีการสูญเสีย!
กระแสไฟฟ้าของ LED มีความสำคัญอย่างยิ่ง
LED ทำงานด้วยกระแสไฟฟ้า ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า แรงดันเท่ากัน, กระแสต่างกัน = ความสว่างต่างกัน กระแสมากเกินไป? LED จะเสียทันที ควรใช้ตัวต้านทานจำกัดกระแสหรือไดรเวอร์กระแสคงที่เสมอ
ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าต้องการเมกะแอมแปร์
ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า: 1-3 MA (ล้านแอมแปร์) เป็นเวลาไมโครวินาที แรงลอเรนซ์เร่งความเร็วกระสุนให้ถึงมัค 7+ ต้องการชุดตัวเก็บประจุขนาดมหึมา เป็นอาวุธของกองทัพเรือในอนาคต
วิวัฒนาการทางประวัติศาสตร์
1800
โวลตาประดิษฐ์แบตเตอรี่ แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องแห่งแรก ช่วยให้เกิดการทดลองทางไฟฟ้าในยุคแรก
1820
เออร์สเตดค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็ก เชื่อมโยงไฟฟ้าและแม่เหล็ก เป็นรากฐานของแม่เหล็กไฟฟ้า
1826
โอห์มเผยแพร่ V = IR กฎของโอห์มอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน, กระแส, และความต้านทาน ถูกปฏิเสธในตอนแรก, ปัจจุบันเป็นพื้นฐาน
1831
ฟาราเดย์ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงสร้างกระแสไฟฟ้า ช่วยให้เกิดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลง
1881
การประชุมไฟฟ้าระหว่างประเทศครั้งแรกกำหนดแอมแปร์เป็น 'หน่วยเชิงปฏิบัติ' ของกระแสไฟฟ้า
1893
ระบบ AC ของเทสลาชนะ 'สงครามกระแสไฟฟ้า' ที่งานแสดงสินค้าระดับโลก กระแส AC สามารถแปลงได้, แต่ DC ทำไม่ได้ (ในตอนนั้น)
1948
CGPM กำหนดนิยามแอมแปร์: 'กระแสคงที่ซึ่งสร้างแรง 2×10⁻⁷ นิวตัน/เมตร ระหว่างตัวนำขนาน'
2019
การนิยามใหม่ของ SI: แอมแปร์ในปัจจุบันถูกกำหนดจากประจุมูลฐาน (e) 1 A = (e/1.602×10⁻¹⁹) อิเล็กตรอนต่อวินาที แม่นยำตามนิยาม
เคล็ดลับระดับโปร
- **mA เป็น A อย่างรวดเร็ว**: หารด้วย 1000 250 mA = 0.25 A
- **กระแสไฟฟ้าในวงจรขนานจะรวมกัน**: สองสาขา 5A = รวม 10A อนุกรม: กระแสไฟฟ้าเท่ากันทุกที่
- **ตรวจสอบขนาดสายไฟ**: 15A ต้องการขนาด 14 AWG ขั้นต่ำ 20A ต้องการ 12 AWG อย่าเสี่ยงกับไฟไหม้
- **วัดกระแสไฟฟ้าแบบอนุกรม**: แอมมิเตอร์ต่อเข้าไปในเส้นทางของกระแส (ตัดวงจร) โวลต์มิเตอร์ต่อขนาน (คร่อม)
- **AC RMS vs ค่าสูงสุด**: 120V AC RMS → 170V ค่าสูงสุด กระแสไฟฟ้าก็เช่นกัน: ใช้ RMS ในการคำนวณ
- **การป้องกันด้วยฟิวส์**: พิกัดของฟิวส์ควรเป็น 125% ของกระแสปกติ ป้องกันการลัดวงจร
- **สัญกรณ์วิทยาศาสตร์อัตโนมัติ**: ค่าที่น้อยกว่า 1 µA หรือมากกว่า 1 GA จะแสดงเป็นสัญกรณ์วิทยาศาสตร์เพื่อให้อ่านง่ายขึ้น
ข้อมูลอ้างอิงหน่วยฉบับสมบูรณ์
หน่วย SI
| ชื่อหน่วย | สัญลักษณ์ | ค่าเทียบเท่าแอมแปร์ | หมายเหตุการใช้งาน |
|---|---|---|---|
| แอมแปร์ | A | 1 A (base) | หน่วยฐานของ SI; 1 A = 1 C/s = 1 W/V (แน่นอน) |
| เมกะแอมแปร์ | MA | 1.0 MA | ฟ้าผ่า (~20-30 kA), ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า, ระบบอุตสาหกรรมสุดขั้ว |
| กิโลแอมแปร์ | kA | 1.0 kA | การเชื่อม (100-400 A), มอเตอร์ขนาดใหญ่, ระบบไฟฟ้าอุตสาหกรรม |
| มิลลิแอมแปร์ | mA | 1.0000 mA | LED (20 mA), วงจรกำลังต่ำ, กระแสไฟฟ้าของเซ็นเซอร์ |
| ไมโครแอมแปร์ | µA | 1.0000 µA | สัญญาณชีวภาพ, เครื่องมือวัดความแม่นยำ, การรั่วไหลของแบตเตอรี่ |
| นาโนแอมแปร์ | nA | 1.000e-9 A | กระแสประสาท, ช่องไอออน, อุปกรณ์กำลังต่ำพิเศษ |
| พิโกแอมแปร์ | pA | 1.000e-12 A | การวัดระดับโมเลกุลเดี่ยว, กล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดทะลุผ่าน |
| เฟมโตแอมแปร์ | fA | 1.000e-15 A | การศึกษาช่องไอออน, อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล, อุปกรณ์ควอนตัม |
| อัตโตแอมแปร์ | aA | 1.000e-18 A | การทะลุผ่านของอิเล็กตรอนเดี่ยว, ขีดจำกัดทางควอนตัมเชิงทฤษฎี |
หน่วยทั่วไป
| ชื่อหน่วย | สัญลักษณ์ | ค่าเทียบเท่าแอมแปร์ | หมายเหตุการใช้งาน |
|---|---|---|---|
| คูลอมบ์ต่อวินาที | C/s | 1 A (base) | เทียบเท่ากับแอมแปร์: 1 A = 1 C/s แสดงนิยามการไหลของประจุ |
| วัตต์ต่อโวลต์ | W/V | 1 A (base) | เทียบเท่ากับแอมแปร์: 1 A = 1 W/V จาก P = VI ความสัมพันธ์ของกำลังไฟฟ้า |
ดั้งเดิมและทางวิทยาศาสตร์
| ชื่อหน่วย | สัญลักษณ์ | ค่าเทียบเท่าแอมแปร์ | หมายเหตุการใช้งาน |
|---|---|---|---|
| แอบแอมแปร์ (EMU) | abA | 10.0 A | หน่วย CGS-EMU = 10 A หน่วยแม่เหล็กไฟฟ้าที่ล้าสมัย |
| สแตทแอมแปร์ (ESU) | statA | 3.336e-10 A | หน่วย CGS-ESU ≈ 3.34×10⁻¹⁰ A หน่วยไฟฟ้าสถิตที่ล้าสมัย |
| ไบโอต | Bi | 10.0 A | ชื่ออื่นของแอบแอมแปร์ = 10 A หน่วยแม่เหล็กไฟฟ้า CGS |
คำถามที่พบบ่อย
กระแสไฟฟ้ากับแรงดันไฟฟ้าต่างกันอย่างไร
แรงดันไฟฟ้าคือความดันไฟฟ้า (เหมือนแรงดันน้ำ) กระแสไฟฟ้าคืออัตราการไหล (เหมือนการไหลของน้ำ) แรงดันสูงไม่ได้หมายความว่ากระแสสูง คุณอาจมี 10,000V ที่มี 1 mA (ไฟฟ้าสถิตช็อต), หรือ 12V ที่มี 100 A (สตาร์ทเตอร์รถยนต์) แรงดันผลัก, กระแสไหล
อันไหนอันตรายกว่ากัน: แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า
กระแสไฟฟ้าฆ่าคน ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า 100 mA ผ่านหัวใจของคุณอาจเป็นอันตรายถึงชีวิต แต่แรงดันสูงสามารถบังคับให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกายของคุณได้ (V = IR) นั่นคือเหตุผลที่แรงดันสูงอันตราย—มันเอาชนะความต้านทานของร่างกายคุณ กระแสไฟฟ้าคือนักฆ่า, แรงดันไฟฟ้าคือผู้สนับสนุน
ทำไมกระแส AC ถึงรู้สึกแตกต่างจาก DC
60 Hz AC ทำให้กล้ามเนื้อหดตัวตามความถี่ของระบบไฟฟ้า ไม่สามารถปล่อยมือได้ (กล้ามเนื้อเกร็งค้าง) DC ทำให้เกิดการกระตุกครั้งเดียว AC อันตรายกว่า DC 3-5 เท่าที่ระดับกระแสเดียวกัน นอกจากนี้: ค่า AC RMS = ค่า DC ที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่า (120V AC RMS ≈ 170V ค่าสูงสุด)
ครัวเรือนทั่วไปใช้กระแสไฟฟ้าเท่าไหร่
บ้านทั้งหลัง: แผงบริการ 100-200 A เต้ารับเดียว: วงจร 15 A หลอดไฟ: 0.5 A ไมโครเวฟ: 10-15 A เครื่องปรับอากาศ: 15-30 A ที่ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า: 30-80 A ปริมาณรวมแตกต่างกันไป, แต่แผงควบคุมจะจำกัดค่าสูงสุด
จะมีกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีแรงดันไฟฟ้าได้หรือไม่
ในตัวนำยิ่งยวด, ใช่! ความต้านทานเป็นศูนย์หมายความว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้โดยไม่มีแรงดันไฟฟ้า (V = IR = 0) กระแสไฟฟ้าต่อเนื่องสามารถไหลได้ตลอดไป ในตัวนำปกติ, ไม่—คุณต้องการแรงดันไฟฟ้าเพื่อผลักกระแสไฟฟ้า แรงดันตกคร่อม = กระแสไฟฟ้า × ความต้านทาน
ทำไม USB ถึงถูกจำกัดไว้ที่ 0.5-5 A
สาย USB บาง (ความต้านทานสูง) กระแสไฟฟ้ามากเกินไป = ความร้อนสูงเกินไป USB 2.0: 0.5 A (2.5W) USB 3.0: 0.9 A USB-C PD: สูงสุด 5 A (100W) สายไฟที่หนาขึ้น, การระบายความร้อนที่ดีขึ้น, และการเจรจาต่อรองที่ใช้งานอยู่ช่วยให้สามารถส่งกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้อย่างปลอดภัย
ไดเรกทอรีเครื่องมือฉบับสมบูรณ์
เครื่องมือทั้งหมด 71 รายการที่มีอยู่ใน UNITS