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