จุ่มประมาณนี้ครับ

สอนวิทย์มัธยม 1: ความร้อนจากกระแสไฟฟ้า และเรียนรู้เรื่องแบตเตอรี่กัน

สัปดาห์นี้ม.1 ทำกิจกรรมวิทย์กันสองเรื่องครับ คือคำนวณพลังงานความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า และเรียนรู้เรื่องแบตเตอรี่

เด็กๆรู้จักคำนวณกำลังไฟฟ้า P ที่มีหน่วยเป็นวัตต์ เมื่อมีกระแสไฟฟ้า I แอมแปร์วิ่งผ่านความต้านทาน R โอห์ม จะได้ความสัมพันธ์ P =  I2R  = V2/R  = VI ถ้ากระแสไฟฟ้าวิ่งอยู่นาน t วินาที พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะเท่ากับ P t จูล

เราลองคำนวณแรงดัน V ที่จะทำให้ตัวต้านทาน R พังกันครับ  ตัวต้านทานที่เรามีถูกออกแบบให้รับกำลังไฟฟ้าไม่เกิน 1/4 วัตต์ ดังนั้นถ้า P > 1/4 วัตต์ ตัวต้านทานจะมีความต้านทานเปลี่ยนแปลงไปจากสเป็ค และถ้า P มากกว่า 1/4 วัตต์ไปเยอะๆ ตัวต้านทานจะไหม้ได้ครับ ในวิดีโอข้างล่าง เราใส่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 2.9 โวลท์และมีกระแสไหลผ่านตัวต้านทานขนาด 1 โอห์มถึงประมาณ 2.2 แอมป์ คิดเป็นกำลังไฟฟ้าประมาณ (2.9 โวลท์) x (2.2 แอมป์) = 6.4 วัตต์ เกินกำลังที่ตัวต้านทานจะทนได้ มันจึงไหม้ไปครับ:

เราลองเอาไฟป้อนเข้า LED ตรงๆ มันเริ่มสว่างตอน 1.5 โวลท์ สว่างมากขึ้นประมาณ 2 โวลท์ และสว่างน้อยลงเมื่อโวลท์มากกว่า 3 โวลท์ พบว่ากระแสวิ่งผ่านมันมากไป ให้เด็กๆคิดว่าทำอย่างไรให้จำกัดกระแสให้น้อยๆไม่เกินไม่กี่สิบมิลลิแอมป์ เด็กๆคิดกันอยู่สักพักแล้วตกลงกันว่าเอาตัวต้านทานพ่วงเข้าไปน่าจะได้ เราจึงลองเอาตัวต้านทาน 1 กิโลโอห์มต่ออนุกรมกับ LED ครับ คราวนี้ป้อนไฟถึง 5 โวลท์ 10 โวลท์ ก็ไม่ทำให้ LED สว่างน้อยลง

วิธีคำนวณต่างๆครับ
วิธีคำนวณต่างๆครับ

ผมเล่าเรื่องให้เด็กๆฟังว่าแหล่งกำเนิดไฟฟ้าต่างๆของเรามาจากไหน เช่นโซล่าเซลล์เปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้า ไดนาโมหรืออัลเตอร์เนเตอร์เอาขดลวดกับแม่เหล็กมาเคลื่อนที่ผ่านกันใกล้ๆเหนี่ยวนำให้เกิดไฟฟ้า แบตเตอรี่ใช้การเปลี่ยนแปลงทางเคมีจากแบบหนึ่งไปเป็นอีกแบบแล้วปล่อยไฟฟ้าออกมา Thermoelectric generator เปลี่ยนความร้อนให้เป็นไฟฟ้า (เช่นในยานอวกาศไปไกลๆไม่มีแสงอาทิตย์ ใช้สารกัมมันตภาพรังสีแตกตัวให้ความร้อนแล้วแปลงเป็นไฟฟ้า, ดูส่วน Power ในลิงก์นี้ครับสำหรับยาน New Horizons)

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าถ้าเราเอาตัวนำไฟฟ้าสองชนิดไปจุ่มในสารละลายที่นำไฟฟ้าได้ ตัวนำไฟฟ้าทั้งสองจะกลายเป็นขั้วไฟฟ้า ถ้าเอาลวดไปต่อก็จะมีไฟฟ้าไหลระหว่างขั้วได้ สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วได้

IMG_9703

ได้ทดลองทำหลายแบบเหมือนกันดังนี้ครับ:

ขั้วบวก   (Cathode) ขั้วลบ (Anode) สารละลาย (Electrolyte) แรงดันไฟฟ้า (โวลท์)
ทองแดง สังกะสี น้ำกรอง 0.83
ทองแดง สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.0
ไส้ดินสอสีจาง (คาร์บอนน้อย) สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.0
ไส้ดินสอสีเข้ม (คาร์บอนมาก) สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.2
หัวคลิปโลหะ (เหล็กเคลือบ) สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 0.6
สังกะสี สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 0.0
เหรียญ 50 สตางค์ สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.0
เหรียญ 2 บาท สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.0
เหรียญ 1 บาท สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.0
เหรียญ 5 บาท สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 1.0
เหรียญ 10 บาท สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 0.9
เหรียญ 2 บาทเก่า สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 0.6
ฟอยล์อลูมิเนียม สังกะสี น้ำส้มสายชู 5% 0.5
ฟอยล์อลูมิเนียม ทองแดง น้ำส้มสายชู 5% – 0.5
ไส้ดินสอสีเข้ม (คาร์บอนมาก) ทองแดง น้ำส้มสายชู 5% 0.2

เข้าไปดูอัลบั้มภาพการทดลองได้ที่นี่นะครับ

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *