ในการทดลองวิชาวิทยาศาสตร์ไม่ว่าจะเป็นระดับประถมศึกษา มัธยมต้น และ มัธยมปลาย อุปกรณ์สำคัญชิ้นหนึ่งที่ต้องใช้ประกอบเสมอ คือถ่านไฟฉาย เพราะว่าถ่านไฟฉายเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานง่าย สามารถนำไปใช้กับมอเตอร์ไฟฟ้า หลอดไฟ การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ฯลฯ เมื่อเป็นเช่นนี้ถ่านไฟฉายจึงเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญและมีการใช้บ่อยมาก ทำให้พลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่ในถ่านไฟฉายลดลง ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เมื่อนำถ่านที่มีพลังงานน้อย (เริ่มเก่า) มาใช้ จะทำให้การทดลองนั้นไม่ได้ผลตามต้องการ หรือในบางครั้งก็ทำการทดลองไม่ได้ ปัญหานี้ทั้งครูและนักเรียนอาจจะมองข้ามไป เพราะสภาพภายนอกของตัวถ่านนั้นดูใหม่ และเมื่อใช้โวลต์มิเตอร์วัดค่าความต่างศักย์แต่ละก้อนก็อ่านได้ 1.5 โวลต์

ก่อนที่จะกล่าวถึงการตรวจสภาพถ่านไฟฉาย จะขอกล่าวถึงการวัดค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของถ่านไฟฉาย โดยปกติการวัดค่าความต่างศักย์โดยใช้โวลต์มิเตอร์จะได้ค่าที่เกือบเท่าค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งก็คือ 1.5 โวลต์ ไม่ว่าถ่านไฟฉายนั้นจะเก่าหรือใหม่ก็ตามเพราะกระแสไฟฟ้าที่ออกจากตัวถ่านมีค่าน้อยมาก สามารถพิจารณาได้จากสมการ และดูวงจรไฟฟ้ารูป 1 ประกอบ


รูปที่ 1

E    =    V + Ir หรือ E    =    IR + Ir E    =    I(R + r) เมื่อ    E    เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า เมื่อ    V    เป็นความต่างศักดิ์ไฟฟ้า มีค่าเท่ากับ IR เมื่อ    I     เป็นกระแสไฟฟ้า เมื่อ    R    เป็นความต้านภายในของถ่านไฟฉาย เมื่อ    r     เป็นความต้านภายในของถ่านไฟฉาย

เนื่องจากโวลต์มิเตอร์ดึงกระแสไฟฟ้าออกจากถ่านไฟฉายน้อยมาก ดังนั้นค่า Ir จึงมีค่าน้อย ทำให้ค่า V ที่อ่านได้จากโวลต์มิเตอร์ใกล้เคียงกับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า E (ประมาณ 1.5 โวลต์) แต่เมื่อมีการใช้กระแสไฟฟ้ามากขึ้นเช่นต่อกับหลอดไฟฟ้า หรือมอเตอร์ไฟฟ้า ค่าของกระแสไฟฟ้า I ที่ออกจากถ่านไฟฉายจะมากขึ้น เป็นเหตุให้ค่า Ir มีค่ามากกว่าเดิม ทำให้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของถ่านไฟฉายมีค่าลดลง (น้อยกว่า 1.5 โวลต์)

สำหรับถ่านไฟฉายที่ใหม่ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ลดลงจะไม่มากนัก เพราะว่าค่าความต้านทานภายใน r มีค่าไม่มาก แต่เมื่อถ่านนั้นมีการใช้พลังงานไฟฟ้าไปบ้างแล้ว ค่าความต้านทานภายใน r จะมีค่ามากขึ้น ทำให้ค่า Ir มีค่ามาก จึงทำให้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของถ่านไฟฉายลดลงมาก เป็นเหตุให้อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น หลอดไฟฟ้า หรือมอเตอร์ไฟฟ้าไม่ทำงาน

เมื่อเป็นเช่นนี้ เราจะทำอย่างไรจึงจะทราบว่าถ่านไฟฉายที่ต้องการทดสอบว่ามีพลังงานเพียงพอที่จะใช้งานหรือไม่ เพราะว่าใช้โวลต์มิเตอร์วัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าก็ไม่อาจจะบอกความแตกต่างได้ ปัญหานี้แก้ไม่ยากครับ ให้ต่อวงจรไฟฟ้าดังรูป 2


รูปที่ 2

สภาพของถ่านไฟฉาย ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่วัดได้ (โวลต์)

ใหม่	1.48
เริ่มเก่า	1.46
เก่า	1.44
เก่ามาก (ทิ้งได้)	1.40 และน้อยกว่า

การทดสอบสภาพของถ่านไฟฉายนี้ใช้ได้เฉพาะถ่านไฟฉายประเภทก้อนใหญ่ (แบบ D ) เพราะมีการดึงกระแสไฟฟ้าออกจากถ่านไฟฉายมาก การวัดจะต้องกระทำในเวลาที่เร็ว มิฉะนั้นจะสูญเสียพลังงานมาก สำหรับถ่านไฟฉายก้อนเล็ก (แบบ AA) นั้นต้องใช้ตัวต้านทานที่มีมากกว่า ดังวงจรในรูป 3


รูปที่ 3

การทำงานของวงจรไฟฟ้า

ตัวต้านทาน 50 โอห์ม จะทำหน้าที่ดึงกระแสไฟฟ้าออกจากถ่านไฟฉาย สำหรับถ่านไฟฉายที่ใหม่ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่คร่อมตัวต้านทาน 50 โอห์ม จะมีค่ามากพอที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงาน เป็นผลให้ LED สว่าง ส่วนถ่านไฟฉายที่เก่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่คร่อมตัวต้านทาน 50 โอห์ม จะมีค่าไม่มากพอที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงาน เป็นผลให้ LED ไม่สว่าง

การตรวจสอบสภาพถ่านไฟฉายนี้ ผู้สอนอาจจะให้นักเรียนช่วยในการวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า เพราะนอกจากจะเป็นการตรวจสอบทั่วไปแล้ว ยังทำให้นักเรียนเข้าใจเรื่องความต่างศักย์ไฟฟ้าและแรงเคลื่อนไฟฟ้าได้ดีขึ้น

นอกจากนั้นถ่านไฟฉายที่ซื้อมาจากร้านอาจจะเป็นของเก่า ก็ได้ เพราะว่าถ่านไฟฉายนั้นอาจจะวางอยู่บนหิ้งมานานแล้ว โดยเฉพาะร้านค้าที่มีลูกค้าในแต่ละวันไม่มากนักโอกาสจะได้ถ่านไฟฉายมาใช้จึงมีมาก การทดสอบสภาพถ่านไฟฉายก่อนทำการทดลองจึงเป็นสิ่งที่ควรจะน่าไปปฏิบัติเพราะว่าจะลดความวุ่นวายในการทดลองได้ บางทีอาจารย์ผู้สอนเองก็เสียดาย นำถ่านไฟฉายที่ใช้แล้วมาจากกลุ่มอื่น มาให้กลุ่มใหม่ใช้ ปัญหาเรื่องพลังงานของถ่านไฟฉายไม่เพียงพอก็อาจเกิดขึ้นได้

---

ที่มา : ไชยยันต์ ศิริโชติ สาขาวิชาฟิสิกส์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี