เนื้อหา

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          ธรรมชาติของ “แสง” แสดงความประพฤติเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) ซึ่งประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทำมุมตั้งฉาก ดังที่แสดงในภาพที่ 1 แสงเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติของอนุภาค เราเรียกว่า “โฟตอน” (Photon) เป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล 

ภาพที่ 1 คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

          แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร (1 เมตร = 10⁹ นาโนเมตร หรือ 100 ล้านนาโนเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึมมาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปกตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ดังที่แสดงในภาพที่ 2 ได้แก่

           • รังสีแกมมา (Gamma ray) ความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 nm
           • รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 nm
           • รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 nm
           • แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 nm
           • รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 nm – 1 mm
           • คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm
           • คลื่นวิทยุ (Radio wave) ความยาวคลื่นมากกว่า 10 cm
                                                 คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

หมายเหตุ
          • ตำราดาราศาสตร์ส่วนใหญ่กำหนดให้ คลื่นไมโครเวฟเป็นส่วนหนึ่งของคลื่นวิทยุ
          • บางแห่งใช้หน่วยความยาวคลื่นเป็น อังสตรอม ()     โดยที่ 1 เมตร = 10¹⁰
     หรือ 10,000,000,000  หรือ 1 nm = 10  

ภาพที่ 2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทต่างๆ

สเปกตรัม

          นักดาราศาสตร์ทำการศึกษาวัตถุท้องฟ้า โดยการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุแผ่รังสีออกมา สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เราทราบถึงคุณสมบัติทางกายภาพของดวงดาว อันได้แก่ อุณหภูมิ และพลังงาน นอกจากนั้นยังบอกถึง ธาตุ องค์ประกอบทางเคมี และทิศทางการเคลื่อนที่ของเทห์วัตถุด้วย

ภาพที่ 3 สเปกตรัมของแสงอาทิตย์

          สเปกตรัมของแสงอาทิตย์ในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นถึงระดับความเข้มของพลังงานในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ จะเห็นได้ว่า ดวงอาทิตย์มีความเข้มของพลังงานมากที่สุดที่ความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร เส้นสีเข้มบนแถบสเปกตรัม หรือ รอยหยักบนเส้นกราฟแสดงให้เห็นว่า มีธาตุไฮโดรเจนอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ดาวแต่ละดวงมีสเปกตรัมไม่เหมือนกัน ฉะนั้นสเปกตรัมจึงมีคุณสมบัติเปรียบได้กับเส้นลายมือของดาว

ความสัมพันธ์ระหว่าง ความยาวคลื่น (Wavelength) และ ความถี่ (Frequency)

          วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) มีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ มิใช่มีเพียงสิ่งที่มีอุณหภูมิสูง ดังเช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟฟ้า จึงมีการแผ่รังสี หากแต่สิ่งที่มีอุณหภูมิต่ำดังเช่น ร่างกายมนุษย์ และน้ำแข็ง ก็มีการแผ่รังสีเช่นกัน เพียงแต่ตาของเรามองไม่เห็น
          พิจารณาภาพที่ 4 เมื่อเราให้พลังงานความความร้อนแก่แท่งโลหะ เมื่อมันเริ่มร้อน มันจะเปล่งแสงสีแดง (สามารถเห็นได้จากขดลวดของเตาไฟฟ้า) เมื่อมันร้อนมากขึ้น มันจะเปล่งแสงสีเหลือง และในที่สุดมันจะเปล่งแสงสีขาวอมน้ำเงิน

          พิจารณาเส้นกราฟ จะเห็นว่า

•	เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 3,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 1000 nm (นาโนเมตร) ซึ่งตรงกับย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีแดง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่ต่ำที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้
•	เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 5,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 580 nm เราจึงมองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีเหลือง
•	เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 10,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 290 nm ซึ่งตรงกับย่านรังสี อุลตราไวโอเล็ก ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีม่วง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่สูงที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้

ภาพที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับอุณหภูมิ

          ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น ส่วนวัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว

กฎของเวน (Wien’s Law): ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น และอุณหภูมิ

           วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) ย่อมมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ (วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น, วัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว) ในปี ค.ศ.1893 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม เวน (Wilhelm Wien) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อน

max = 0.0029 / T

                 _max      = ความยาวคลื่นเข้มสุด มีหน่วยเป็นเมตร (m)
              T           = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

           ตัวอย่างที่ 1 แสดงให้เห็นว่า เราสามารถคำนวณหาอุณหภูมิพื้นผิวของดาวได้ ถ้าเราทราบความยาวคลื่นเข้มสุด ที่ดาวนั้นแผ่รังสีออกมา

ตัวอย่างที่ 1: ดวงอาทิตย์แผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด 500 นาโนเมตร อยากทราบว่า ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวเท่าไร          max   = 0.0029 / T            T      = 0.0029 / max                   = 0.0029 / 500 x 10-9 m                   = 5,800 K

กฎของแพลงก์ (Plank’s Law)

          โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว

E = hf E = hc/

          พลังงานของโฟตอน    = h x ความถี่
                                       = h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น

     ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
     ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
     ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10^-34 จูล วินาที (J.s)

          ตัวอย่างที่ 3 แสดงให้เห็นว่า โฟตอนของแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดงซึ่งมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร ถึง 1.75 เท่า

ตัวอย่างที่ 2: โฟตอนของแสงสีม่วงมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนทั้งสองมีพลังงานต่างกันอย่างไร Eviolet = hc / = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1M / 400 x 10-9 nm        = 4.95 x 10-19 จูล Ered   = hc /  = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1] / 700 x 10-9 nm        = 2.83 x 10-19 จูล โฟตอนของแสงสีม่วง มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 1.75 เท่า

กฎของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์ (Stefan-Boltzmann’s Law)

          ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร

F    =     T4

          F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ / ตารางเมตร (W m^-2)
           = 5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4 (W m^-2 K^-4)
          T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)

          ถ้าเราทราบว่า ความยาวคลื่นเข้มสุดที่ดาวแผ่รังสีออกมา เราก็จะทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว (ดังตัวอย่างที่ 1) และเมื่อเราทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว เราก็จะทราบว่า พลังงานที่ดาวแผ่ออกมานั้นมีความเข้มเท่าไร (ดังตัวอย่างที่ 3)

ตัวอย่างที่ 3: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร     F = T4        = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4) (5800 K)4        = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 1015)        = 64,164,532 วัตต์ / ตารางเมตร

ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและระยะทาง
          ในการแผ่รังสี คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากจุดกำเนิดทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทางยกกำลังสอง ดังที่แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 กฏของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์

กฎระยะทางผกผันกำลังสอง

F1 / F2 = (D2 / D1)2

          F₁ = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 1
          F₂ = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 2
          D₁ = ระยะทางจากจุดกำเนิดถึงระยะทางที่ 1
          D₂ = ระยะทางจากจุดกำเนิด ถึงระยะทางที่ 2

          ตัวอย่างที่ 4  แสดงให้เห็นว่า ดวงอาทิตย์มีรัศมี 694 ล้านเมตร พื้นผิวของดวงอาทิตย์แผ่รังสีด้วยความเข้ม 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร แสงอาทิตย์เดินทางมายังโลกเป็นระยะทาง 149.6 ล้านกิโลเมตร ซึ่งมีระยะห่างมากกว่ารัศมีของดาวอาทิตย์ 216 เท่า ทำให้แสงอาทิตย์มีความเข้มน้อยลง (216)² เท่า ดังนั้น แสงอาทิตย์ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลกด้วยความเข้มเพียง 1,370 วัตต์/ตารางเมตร

ตัวอย่างที่ 4: พลังงานที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีความเข้ม 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร อยากทราบว่า พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร     F1 = ความเข้มของพลังงาน ณ บรรยากาศโลกชั้นบน     F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ผิวดวงอาทิตย์     = 64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร     D1 = รัศมีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์         = 149.6 x 109 เมตร     D2 = รัศมีของดวงอาทิตย์                      = 694,000,000 เมตร     F1 = F2 (D2/D1)2     F1 = (64 x 106 วัตต์/ตารางเมตร) (694 x 106 เมตร / 149.6 x 109 เมตร)2        = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร

สรุปกฎการแผ่รังสี

	1.	คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตร/วินาที
	2.	คลื่นสั้นมีความถี่สูง คลื่นยาวมีความถี่ต่ำ
	3.	วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 K (-273°C) ล้วนมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
	4.	วัตถุที่มีอุณหภูมิสูง ย่อมมีการแผ่พลังงาน (อัตราการไหลของพลังงาน) มากกว่าวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ
	5.	พลังงานของโฟตอนแปรผันโดยตรงกับความถี่ (E = h)
	6.	พลังงานของโฟตอนแปรผกผันกับความยาวคลื่น (E = hc /)
	7.	วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว (max    = 0.0029 / T)
	8.	ความเข้มของพลังงานแปรผกผันกับหน่วยของระยะทางยกกำลังสอง (F1/F2 = (D2/D1)2)

การคำนวณหาพลังงานจากดวงอาทิตย์

	1.	Spectrum จากดวงอาทิตย์ มีความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุดmax   = 500 นาโนเมตร กฎของเวน T = 0.0029 / max ทำให้ทราบค่าอุณหภูมิพื้นผิว = 5,800 K ........(ตัวอย่างที่ 1)
	2.	กฎสเตฟาน-โบลทซ์มานน์ F =    T4 ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่พื้นผิว = 64 ล้านวัตต์/ตารางเมตร ........(ตัวอย่างที่ 3)
	3.	กฎระยะทางผกผันกำลังสอง F1 / F2 = (D2 / D1)2 ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่ตกกระทบบรรยากาศของโลก = 1,370 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร ........(ตัวอย่างที่ 4) 1. กระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า  (I)  เกิดขึ้นจากการไหลของอิเล็กตรอน   ผ่านวัสดุชนิดหนึ่งนั่นคือการถ่ายโอนประจุไฟฟ้า  อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ถ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าซึ่งสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองบริเวณ  เพราะฉะนั้น  ความต่างศักย์ไฟฟ้า  จึงจำเป็นในการทำให้เกิดกระแสไฟฟวงจรไฟฟ้า  เป็นวงจรปิดประกอบด้วยแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ  ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน                                       แรงเคลื่อนไฟฟ้า  (Electromotive force(e.m.f.))   หมายถึงความ ต่างศักย์ไฟฟ้าที่สร้างขึ้น   โดยเซลล์ไฟฟ้าแบตเตอรี่  หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งเป็นสาเหตูให้เกิดกระแสไฟฟ้า  ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจร แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ามี 2 ขั้วซึ่งใช้สำหรับต่อกับสายไฟ  แรงเคลื่อนไฟฟ้า-ย้อนกลับ  เป้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์ที่เป็นส่วนของวงจรนั้น  โดยให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าตรงกันข้ามกับแหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าหนักของวงจร คูลอมบ์  (Coulomb)  เป็นหน่วยของประจุไฟฟ้าในระบบ  เอสไอ  มีค่าเท่ากับกับประจุไฟฟ้่า                  ซึ่งผ่านจุดใดในตัวนำ  ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์  ไหลผ่านตัวนำนั้นใน 1 วินาที                                               กระแสตรง  (Direct current(d.c.))  เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลทิศทางเดียว  โดยปกติแล้วกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มี ศักย์ไฟฟ้า สูงกว่าไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าตำ่๋๋๋๋่่่่่่่่่กว่า   แต่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้า                                         แอมแปร์  (Ampere) (A) ในหน่วย เอสไอ  นิยามกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์คือ  กระแสที่ไหลผ่านสายไฟ 2 เส้นยาวมากห่างกัน 1 เมตร  และมีแรงกระทำกับสายไฟนี้ในสุญญากาศ สองคูนสิบยกกำลังลบเจ็ดนิวตัน ต่อความยาว 1 เมตร  เราสามารถวัดกระแสไฟฟ้าอย่างละเอียดได้โดยใช้ เครื่องชั่งกระแส ซึ่งเป็นการวัดแรงระหว่างขดลวด 2 ขด  ที่มีกระแสไหลผ่าน เครื่องชั่งกระแสใช้สำหรับเทียบมาตรฐานแอมมิเตอร์                                           กระแสสลับ  (Alternating  current(a.c.))  หมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ไหลกลับไปกลับมา เกิดจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับ  เมื่อเขียนกราฟของกระแสไฟฟ้ากับเวลาจะได้รูปคลื่นของกระแสไฟฟ้่า  โดยทั่วไปค่ากระแสสลับและแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับเป็นค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง          การส่งไฟฟ้า(Electricity  supply)  ไฟฟ้าสำหรับใช้ตามบ้านเรือนและโรงงานอุตสาหกรรม                 ผลิตที่โรงไฟฟ้าโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ขนาดใหญ่ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าสลับ  ความถี่ 50 หรือ 60 เฮิรตซ์(Hz)                 ไฟฟ้ากระแสสลับ (ไม่เหมือนกับไฟฟ้ากระแสตรง)สามารถแปลงได้ง่าย เพื่อให้ได้ความต่างศักย์ไฟฟ้า ที่มาก                 ขึ้นหรือน้อยลง  แสดงว่าเมื่อโวลเตจสูงกระแสไฟฟ้าจะต่ำ  เมื่อส่งออกไปจะลดการสูญเสียพลังงานในสายส่ง                  ได้มาก  ไฟฟ้าถูกส่งไปยังบ้่านเรือนโดยสายไฟอย่างน้อย 2 เส้น จากสถานีจ่ายไฟย่อย  ในบางกรณีสายไฟสาย                 หนึ่งจะถูกเชื่อมต่อลงดินที่สถานีจ่ายไฟย่อยดังนั้นจะมีเพียงสายเดียวที่มี ศักย์ไฟฟ้า สูงกว่าดิน  ในบางประเทศ                 จะมีสายไฟเพิ่มอีก 1 สายต่อกับดินเพื่อความปลอดภัย    ไฟฟ้า แม่เหล็ก 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 กระแสไฟฟ้าในตัวนำ “กระแสไฟฟ้า  คือ  ปริมาณของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางของตัวนำในเวลา 1 วินาที”     ถ้า …     Q       =     จำนวนประจุที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดไปในเวลา  t วินาที   (คูลอมบ์ ; C)         t        =      เวลาที่ประจุผ่านไป  (วินาที ; s)       I        =     กระแสไฟฟ้าที่ไหลในตัวนำนั้น  (แอมแปร์ ; A หรือ  คูลอมบ์ต่อวินาที)   จะได้ว่า …                                                       ดังนั้น …                                       ทิศของกระแสไฟฟ้า           1.  กระแสไฟฟ้า  จะมีทิศเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก หรือมีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ           2.  กระแสไฟฟ้า  มีทิศจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า   หมายเหตุ...การกำหนดทิศทางของกระแสไฟฟ้า   ไม่ได้หมายความว่า      กระแสไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์   แต่กำหนดขึ้น  เพื่อทำให้สะดวกต่อการบอกความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้า