กระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้า () คือการไหลของประจุไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในประจุยังสามารถถูกนำพาโดยไอออนได้เช่นกันในสารอิเล็กโทรไลต์ หรือโดยทั้งไอออนและอิเล็กตรอนเช่นใน พลาสมา

กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัด SI เป็น แอมแปร์ ซึ่งเป็นการไหลของประจุไฟฟ้าที่ไหลข้ามพื้นผิวหนึ่งด้วยอัตราหนึ่ง คูลอมบ์ ต่อวินาที กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้ แอมป์มิเตอร์

กระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดผลหลายอย่าง เช่น ความร้อน (Joule heating) ซึ่งผลิต แสงสว่าง ในหลอดไฟ และยังก่อให้เกิด สนามแม่เหล็ก อีกด้วย ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายใน มอเตอร์, ตัวเหนี่ยวนำ, และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 

อนุภาคที่นำพาประจุถูกเรียกว่า พาหะของประจุไฟฟ้า ในโลหะตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจากแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวอยู่กับอะตอมอย่างหลวม ๆ และพวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอยู่ภายในโลหะนั้นภายใต้สภาวะการณ์หนึ่ง อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่า อิเล็กตรอนนำกระแส () พวกมันเป็นพาหะของประจุในโลหะตัวนำนั้น

กระแสไฟฟ้า  (I)  เกิดขึ้นจากการไหลของอิเล็กตรอนผ่านวัสดุชนิดหนึ่ง นั่นคือการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า  อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ถ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าซึ่งสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองบริเวณ เพราะฉะนั้นความต่างศักย์ไฟฟ้าจึงจำเป็นในการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าเป็นวงจรปิด ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

ประกายไฟฟ้า 
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง สร้างประกายไฟฟ้าขึ้น  โดยประกายไฟฟ้าเกิดขึ้นจากโดมตัวใหญ่จะวิ่งเข้าหาทรงกลมอันเล็ก ที่ต่อกับสายดินไว้

ประกายไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น  เมื่อความต่างศักย์ของโดมมากพอที่จะทำให้อากาศโดยรอบเกิดการแตกตัวเป็นอิออน  ทำให้อากาศเปลี่ยนจากฉนวนเป็นตัวนำไฟฟ้า  ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเร็วมากประมาณ  1  ใน  1000  วินาที

สภาพการนำไฟฟ้า 
ความสามารถในการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนในการนำไฟฟ้าจะบอกถึงลักษณะของตัวกลาง 

– ตัวนำไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะเคลื่อนผ่านได้ดี เช่น โลหะ 

– ฉนวนไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลผ่านได้ 

– ข้อแตกต่างระหว่าง ตัวนำและฉนวนไฟฟ้าคือจำนวนอิเล็กตรอนอิสระที่ไม่ได้อยู่ภายใต้อิทธิพลของศักย์ไฟฟ้าของนิวเคลียส

สัญลักษณ์ 

สัญลักษณ์ตามธรรมเนียมปฏิบัติสำหรับกระแสไฟฟ้าคือ  ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากวลีภาษาฝรั่งเศสว่า intensité de courant หมายถึงความเข้มของกระแส () 
ความเข้มของกระแสนี้มักจะหมายถึงง่าย ๆ ว่า กระแส.  สัญลักษณ์  ถูกใช้โดย อ็องเดร-มารี อ็องแปร์ หลังจากที่ชื่อของเขาถูกตั้งให้เป็นหน่วยของกระแสไฟฟ้าในการจัดตั้ง กฏของแอมแปร์ ที่ถูกค้นพบในปี 1820.  ชื่อเสียงของเขาเดินทางจากฝรั่งเศสไปยังอังกฤษจนกลายเป็นมาตรฐานที่นั่น ทั้ง ๆ ที่มีอย่างน้อยหนึ่งสิ่งพิมพ์ที่ไม่ยอมเปลี่ยนจากการใช้  ไปเป็น  จนกระทั่งปี 1896

ธรรมเนียมปฏิบัติ 

การไหลของประจุบวกจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหมือนกันและมีผลเช่นเดียวกันกับกระแสที่เกิดจากประจุลบที่ไหลในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าอาจเกิดจากการไหลของประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งสองอย่าง ความเข้าใจในทิศทางการไหลของกระแสจึงขึ้นอยู่ว่าประจุชนิดไหนที่ทำให้เกิดกระแส ทิศทางของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ () ถูกกำหนดให้เป็นทิศทางของการไหลของประจุบวก

ในโลหะที่ใช้ทำสายไฟและตัวนำอื่น ๆ ในวงจรไฟฟ้าส่วนใหญ่ นิวเคลียสของอะตอมจะมีประจุบวกที่จะถูกจับเอาไว้ในตำแหน่งที่คงที่ และมีอิเล็กตรอนที่จะมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ ที่สามารถนำพาประจุของพวกมันจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ในวัสดุอื่น ๆ เช่นสารกึ่งตัวนำ พาหะของประจุสามารถนำพาประจุบวกหรือประจุลบก็ได้ขึ้นอยู่กับสารเจือปน () ที่สารกึ่งตัวนำใช้ พาหะของประจุอาจนำพาทั้งประจุบวกและประจุลบในเวลาเดียวกันก็ได้ เช่นที่เกิดขึ้นใน เซลล์ไฟฟ้าเคมี

การไหลของประจุบวกสามารถให้กระแสไฟฟ้าได้เช่นเดียวกันและให้ผลในวงจรไฟฟ้าเป็นการไหลที่เหมือนกับของประจุลบแต่ในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสอาจเป็นการไหลของประจุบวกหรือประจุลบอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง ธรรมเนียมปฏิบัติจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับชนิดของ พาหะของประจุ ทิศทางของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ ได้ถูกกำหนดตามอำเภอใจให้เป็นทิศทางเดียวกันกับการไหลของประจุบวก

ผลที่ตามมาของธรรมเนียมปฏิบัตินี้ก็คือ อิเล็กตรอนซึ่งเป็นพาหะของประจุในลวดโลหะและชิ้นส่วนอื่น ๆ ส่วนใหญ่ของวงจรไฟฟ้า จะไหลในทิศทางตรงข้ามกับการไหลของกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ () ในวงจรไฟฟ้า

ทิศทางอ้างอิง 

เนื่องจากกระแสในเส้นลวดหรือส่วนประกอบสามารถไหลไปในทิศทางใดก็ได้ เมื่อตัวแปร  ถูกกำหนดให้เป็นตัวแทนของกระแส ทิศทางที่เป็นตัวแทนของกระแสบวกจะต้องมีการระบุซึ่งมักจะเป็นลูกศรในวงจรแผนภาพ นี้เรียกว่าทิศทางอ้างอิงของกระแส   ถ้ากระแสไหลในทิศทางตรงกันข้าม ตัวแปร  จะมีค่าติดลบ

เมื่อทำการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า ทิศทางที่เกิดขึ้นจริงของกระแสที่ไหลผ่านองค์ประกอบของวงจรเฉพาะมักจะไม่เป็นที่รู้จัก ผลที่ตามมาก็คือ ทิศทางอ้างอิงของกระแสมักจะถูกกำหนดตามอำเภอใจ เมื่อวงจรได้รับการแก้ปัญหาแล้ว ค่าลบสำหรับตัวแปรต่าง ๆ จะหมายความว่าทิศทางที่เกิดขึ้นจริงของกระแสผ่านองค์ประกอบวงจรจะเป็นตรงกันข้ามกับทิศทางอ้างอิงที่ถูกกำหนดไว้ก่อน ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทิศทางกระแสอ้างอิงมักจะถูกกำหนดให้ทุกจุดมีกระแสไหลลงกราวด์ วิธีนี้มักจะสอดคล้องกับทิศทางชองกระแสที่เกิดขึ้นจริง เพราะในหลายวงจรแรงดันไฟฟ้าจาก แหล่งจ่ายไฟ จะเป็นบวกเมื่อเทียบกับกราวด์

กฎของโอห์ม

ในวงจรไฟฟ้าใด ๆ จะประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วนคือ แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าและตัวต้านทานหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่จะใส่เข้าไปในวงจรไฟฟ้านั้น ๆ เพราะฉะนั้น ความสำคัญของวงจรที่จะต้องคำนึงถึงเมื่อมีการต่อวงจรไฟฟ้าใด ๆ ก็คือทำอย่างไรจึงจะไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในวงจรมากเกินไปซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าชำรุดเสียหายหรือวงจรไหม้เสียหายได้ เกออร์ค ซีม็อน โอห์ม นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ให้ความสำคัญของวงจรไฟฟ้าตามสมการ

เมื่อ I เป็นกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์, V คือค่าความต่างศักย์มีหน่วยของโวลต์และ R คือความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม

DC และ AC 

กระแสแบ่งออกเป็นกระแสตรง () และกระแสสลับ ()

กระแสตรง 

กระแสตรง (DC) คือการไหลทิศทางเดียวของประจุไฟฟ้า กระแสตรงเกิดจากแหล่งที่มาเช่นแบตเตอรี่ เทอร์โมคัปเปิล เซลล์แสงอาทิตย์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงอื่นๆ กระแสตรงอาจไหลในตัวนำเช่นลวด แต่ยังสามารถไหลผ่านเซมิคอนดักเตอร์ ฉนวนหรือแม้กระทั่งผ่านสุญญากาศเช่นในลำแสงไอออน ประจุไฟฟ้าไหลในทิศทางที่คงที่แตกต่างไปจากกระแสสลับ (AC) กระแสตรงแทบไม่มีอันตราย ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็คโทรนิคส์ขนาดเล็ก ใช้กระแสต่ำ สามารถผลิตได้จากการนำกระแสสลับมาเปลี่ยนเป็นกระแสตรง เช่นที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือ

กระแสสลับ
ในกระแสสลับ (AC) เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ากลับไป-กลับมาอย่างรวดเร็ว เช่นไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านหรืออาคารทั่วไป รูปร่างเป็น sine wave ในบางอย่างอาจเป็นรูปสามเหลี่ยมหรือรูปสี่เหลี่ยม ส่วนใหญ่มีกระแสสูง อันตรายมาก สามารถผลิตจากไฟ DC ได้ แต่ในขนาดเล็ก เช่นเปลี่ยนจากไฟเซลล์แสงอาทิตย์มาเป็น AC เพื่อให้แสงสว่างหรือเปิดทีวีในพื้นที่ห่างไกล ระบบไฟฟ้ากระแสสลับแบ่งออกได้เป็น 2 ระบบ ดังนี้

1. ระบบไฟฟ้า 1 เฟส คือระบบไฟฟ้าที่มีสายไฟฟ้าจำนวน 2 เส้น เส้นที่มีไฟเรียกว่าสายไฟ หรือสายเฟส หรือสายไลน์ เขียนแทนด้วยตัวอักษร L (Line) เส้นที่ไม่มีไฟเรียกว่าสายนิวทรอล หรือสายศูนย์ เขียนแทนด้วยตัวอักษร N (Neutral) ทดสอบได้โดยใช้ไขควงวัดไฟ เมื่อใช้ไขควงวัดไฟแตะสายเฟส หรือสายไฟ หรือสายไลน์ หลอดไฟเรืองแสงที่อยู่ภายไขควงจะติด สำหรับสายนิวทรอล หรือสายศูนย์ จะไม่ติด แรงดันไฟฟ้าที่ใช้มีขนาด 220 โวลท์ (Volt) ใช้สำหรับบ้านพักอาศัยทั่วไปที่มีการใช้ไฟฟ้าไม่มากนัก 

2. ระบบไฟฟ้า 3 เฟส คือระบบไฟฟ้าที่มีสายเส้นไฟจำนวน 3 เส้น และสายนิวทรอล 1 เส้น จึงมีสายรวม 4 เส้น ระบบไฟฟ้า 3 เฟส สามารถต่อใช้งานเป็นระบบไฟฟ้า 1 เฟส ได้ โดยการต่อจากเฟสใดเฟสหนึ่งและสายนิวทรอลอีกเส้นหนึ่ง แรงดันไฟฟ้าระหว่างสายเฟสเส้นใดเส้นหนึ่งกับสายนิวทรอลมีค่า 220 โวลท์ (Volt) และแรงดันไฟฟ้าระหว่างสายเฟสด้วยกันมีค่า 380 โวลท์ (Volt) ระบบนี้จึงเรียกว่าระบบไฟฟ้า 3 เฟส 4 สาย 220/380 โวลท์ (Volt) ระบบนี้มีข้อดีคือสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าระบบ 1 เฟส ถึง 3 เท่า จึงเหมาะสมกับสถานที่ที่ต้องการใช้ไฟฟ้ามาก ๆ เช่น อาคารพาณิชย์ โรงงานอุตสาหกรรม​ เป็นต้น

แม่เหล็กไฟฟ้า

ตามรูป กระแสไฟฟ้าสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ ในทางกลับกัน ถ้าสนามแม่เหล็กถูกรบกวน ก็สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าบนเส้นลวดได้เช่นเดียวกัน

กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยตรงด้วยกัลวาโนมิเตอร์ แต่จะต้องตัดวงจรแล้วแทรกมิเตอร์เข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของวงจร ซึ่งไม่สะดวกในการปฏิบัติ  ปัจจุบันสามารถวัดได้โดยไม่ต้องตัดวงจรโดยการตรวจสอบสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการนี้รวมถึงเซ็นเซอร์แบบฮอลล์เอฟเฟค หรือใช้ที่หนีบ (current clamp) หรือใช้หม้อแปลงกระแส หรือใช้ขดลวดของ Rogowski

นิยามของกระแสไฟฟ้า 
กระแสไฟฟ้าคือ ปริมาณประจุไฟฟ้าที่เลื่อนไหลในวงจรไฟฟ้าต่อหน่วยวินาที เรียกว่า ปริมาณกระแสไฟฟ้าไหล
แอมแปร์ คือประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์ เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดของขดลวดในเวลา 1 วินาที และหน่วยของกระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์ เพื่อให้เป็นเกียรติแก่ อ็องเดร-มารี อ็องแปร์ () นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า กับประจุไฟฟ้า 

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาณกระแสไฟฟ้า (ปริมาณประจุไฟฟ้า Q ที่ไหลต่อหน่วยเวลา T) คือ I
ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางใดๆ (เช่น ภาคตัดขวางในลวดทองแดง) นิยามจาก ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ผิวในหน่วยเวลา
 
โดยที่  เป็นปริมาณประจุที่ผ่านพื้นที่ผิวหนึ่งในช่วงเวลา  ในสมการข้างบนเป็นค่ากระแสไฟฟ้าเฉลี่ย  ถ้าเวลา  เข้าใกล้ศูนย์ สามารถเขียนความสัมพันธ์อีกแบบในรูปกระแสไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่ง (instantaneous current)
  หรือผันกลับได้ 
หน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบ SI คือ แอมแปร์ (ampere, A)

ดูเพิ่ม 

Current 3-vector
Direct current
Electric shock
Electrical measurements
History of electrical engineering
Hydraulic analogy
SI electromagnetism units

อ้างอิง

ไฟฟ้า
หน่วยวัด