การนำไฟฟ้า

การนำไฟฟ้า

    เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า  ซึ่งประจุไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้ในตัวกลางหลายๆ 
  ชนิด เรียกสมบัติของตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้ว่า “ตัวนำไฟฟ้า” ขณะที่มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำ  
  แสดงว่า “มีการนำไฟฟ้า” 

  การนำกระแสไฟฟ้าในโลหะ

       โลหะทุกชนิดเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี   เนื่องจากมี  “อิเล็กตรอนอิสระ” (Free electron)   โดยอิเล็กตรอน
  เหล่านี้จะเคลื่อนที่โดยเสรีไม่เป็นระเบียบ    ไม่มีทิศทางแน่นอน    เรียก  “การเคลื่อนที่แบบ Brownian”  ดังนั้น
  ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระทุกตัวจึงเป็นศูนย์     แต่เมื่อทำให้ปลายทั้งสองของแท่งโลหะมีความต่างศักย์
  ไฟฟ้า   เช่น    ต่อไว้กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า   จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายในแท่งโลหะ    แรงจากสนามไฟฟ้า   จะ
  ทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ   โดยมีความเร็วเฉลี่ยไม่เป็นศูนย์   เรียกว่า“ความเร็วลอยเลื่อน” 
  (drift   velocity)    จึงมีกระแสไฟฟ้าในแท่งโลหะ    ดังนั้น   กระแสไฟฟ้าในโลหะจึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของ
   อิเล็กตรอนอิสระ

ลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในแท่งโลหะ

ลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแท่งโลหะ เมื่อปลายทั้งสองมีความต่างศักย์

  การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ

     หลอดสุญญากาศ   เป็นหลอดแก้วที่สูบอากาศภายในออกเกือบหมด  ภายในหลอดมีขั้วสำหรับให้อิเล็กตรอน เรียกว่า  แคโทด  (cathode)  ส่วนขั้วสำหรับรับอิเล็กตรอน   เรียกว่า  แอโนด  (anode)   โดยปกติมักมีรูปร่างเป็นแผ่นโลหะธรรมดา   เรียกว่า   เพลต  (plate)   การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ   ทำได้โดยการทำให้ศักย์ไฟฟ้าของแอโนดสูงกว่า แคโทด

        การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ   ทำได้โดยการทำให้ศักย์ไฟฟ้าของแอโนดสูงกว่าแคโทดอิเล็กตรอนก็จะถูกเร่งจากแคโทดผ่านบริเวณสุญญากาศมายังแคโทด  จึงมีกระแสไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ แต่ถ้าทำให้แคโทดมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าแอโนด   ก็จะไม่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนดเลย   เรียกหลอดสุญญากาศนี้ว่า   “หลอดไดโอด” (diode tube)  ดังนั้น  กระแสไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศจึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

   การนำกระแสไฟฟ้าในสารละลายอิเล็กโทรไลต์

             ลักษณะเด่นของการนำไฟฟ้าอิเล็กโทรไลต์
                    1.  อิเล็กโทรไลต์  เป็นสารละลายที่สามารถนำไฟฟ้าได้
                    2.  อิเล็กโทรไลต์  เป็นสารละลายของกรด  เบส  หรอเกลือ
                    3.  การนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์  ทำให้เกิดได้โดยการจุ่มแผ่นโลหะ  2  แผ่น  ลงในอิเล็กโทรไลต์  แล้ว
ต่อเข้ากับขั้วของแบตเตอรี่  พบว่า
                         แผ่นโลหะทั้งสองจะทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าบวก  และขั้วไฟฟ้าลบ
                         สนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าบวก  และขั้วไฟฟ้าลบ  จะมีผลทำให้อิเล็กโทรไลต์  แตกตัวเป็น
ไอออนบวก  และไอออนลบ
                         ไอออนบวกเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าลบ และไอออนลบเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าบวก

           แสดงว่า  กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์  จะเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวก (ไอออนบวก)  และประจุไฟฟ้าลบ  (ไอออนลบ)

  การนำกระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส

         หลอดบรรจุแก๊ส  (gas - filled  tube)  เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้อากาศหรือแก๊สนำไฟฟ้าได้กระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส  เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก
 

             ลักษณะเด่นของการนำไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส
                    1.  หลอดบรรจุแก๊ส  เป็นอุปกรณ์ที่สามารถทำให้แก๊ส  ซึ่งปกติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีนำไฟฟ้าได้
                    2.  หลอดบรรจุแก๊ส   เป็นหลอดแก้วที่สูบอากาศภายในออก    และบรรจุแก๊สบางชนิดเข้าไป     เช่น 
  ไฮโดรเจน  นีออน   อาร์กอนหรือไอปรอท  ลงไปในปริมาณเล็กน้อย  ทำให้ความดันของแก๊สในหลอดแก้วต่ำกว่า
  ความดันบรรยากาศมาก ทำให้โมเลกุลของแก๊สสามารถแตกตัวได้ง่าย  เมื่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองของหลอดบรรจุแก๊ส
  ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงความต่างศักย์สูง
                    3.  ถ้าต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองของหลอดบรรจุแก๊สกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงความต่างศักย์สูง  จะ
  เกิดสนามไฟฟ้าที่ทำให้โมเลกุลของแก๊สแตกตัวเป็นไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระ  โดยที่ไอออนบวกจะเคลื่อนที่
  ไปยังขั้วไฟฟ้าลบ  เพื่อรับอิเล็กตรอน  และอิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าบวก

           แสดงว่า  กระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส จะเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก

          หมายเหตุ   การเกิดแสงสีขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สที่บรรจุในหลอดแก้ว

  การนำกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

             ลักษณะเด่นของการนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ  มีดังนี้
                    1.  โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์   เช่น   ซิลิคอนบริสุทธิ์   พบว่า   เวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมจะมีพันธะกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง  จึงไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ  ดังรูป

                    2.  ถ้าให้สนามไฟฟ้าที่มีความเข้มสูงมากพอแก่สารกึ่งตัวนำบริสุทธ์       จะทำให้อิเล็กตรอนบางตัวใน 
  พันธะหลุดออกมากลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ  และเกิดที่ว่าง เรียกว่า 'โฮล (Hole)' โดยที่โฮลจะมีพฤติกรรมคล้าย
  กับอนุภาคที่มีประจุบวก

                    3.  แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า    ทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า   และโฮล เคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า   

           แสดงว่า  การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ   เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล