การใช้กล้องถ่ายภาพความร้อนเพื่อเรียนรู้และศึกษาวงจรไฟฟ้า

          Petr Kácovský ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง Electric Circuits as Seen by Thermal Imaging Cameras ลงในวารสารวิชาการ The Physics Teacher เมื่อวันที่ 26 พฤศจิกายน ปี ค.ศ. 2019 เขาได้นำกล้องถ่ายภาพความร้อนเพื่อมาประยุกต์ใช้ในการศึกษาวงจรไฟฟ้า โดยทำให้นักเรียนสามารถเข้าใจแนวคิดเรื่องกฎของโอห์ม (Ohm's Law) กฎของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchoff's Law) และความร้อนแบบจูล (Joule heating) ทำให้สามารถเห็นภาพได้อย่างชัดเจน นับว่าเป็นประโยชน์อย่างมากในการเรียน


          ความร้อนแบบจูลตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อดังเจมส์ จูล (James P. Joule มีชีวิตอยู่ระหว่างปี ค.ศ. 1818-1889) เขามีผลงานการวิจัยด้านความร้อนและความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานที่สำคัญมากในวิชาอุณหพลศาสตร์ ความร้อนแบบจูลนั้นหมายถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำไฟฟ้าสร้างให้เกิดความร้อน(และแสงสว่าง) โดยสามารถเขียนเป็นสมการได้เป็น

            โดยจูลเป็นคนค้นพบสมการความสัมพันธ์นี้และตีพิมพ์ลงในวารสาร Proceedings of the Royal Society เมื่อปี ค.ศ. 1840 สิ่งนี้มีความสำคัญมาก ความเข้าใจนี้ช่วยให้มนุษย์สามารถประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าสร้างเป็นความร้อนและแสงสว่างให้แก่มนุษย์เราเป็นประโยชน์มหาศาล เช่น เตาปิ้งขนมปัง อุปกรณ์ทำความร้อน เครื่องทำน้ำร้อน โดยเฉพาะเครื่องทำน้ำอุ่นถ้าปราศจากมันแล้วในฤดูหนาวหลายคนคงไม่อาบน้ำก่อนไปทำงานแน่ รวมถึงหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดา ทั้งหมดต่างก็ใช้หลักการความร้อนแบบจูลทั้งสิ้น

            ในงานวิจัยของ Kácovský นำกล้องถ่ายภาพความร้อนถ่ายวงจรไฟฟ้าเพื่อศึกษาเรื่องความจุความร้อนที่ต่างกันของตัวต้านไฟฟ้าส่งผลอย่างไร โดยเมื่อลองต่อตัวต้านทานไฟฟ้าที่มีความต้านทานไฟฟ้าเท่ากัน 2 อันโดยใช้การต่อวงจรไฟฟ้าแบบขนานเข้ากับแหล่งจ่ายพลังงาน จะพบว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานทั้ง 2 อันเท่ากันและความร้อนก็จะเท่ากัน โดยสามารถสังเกตได้จากกล้องถ่ายภาพความร้อน Kácovský ได้ศึกษาต่อและพบสิ่งที่น่าสนใจเกิดขึ้นคือ จากภาพวงจรไฟฟ้าที่ 1 เมื่อลองใช้ตัวต้านทานทั้ง 2 อัน R₁,R₂ มีค่าความต้านทานไฟฟ้าเท่ากันคือ 22 โอห์ม แต่ R₂ มีขนาดใหญ่กว่า R₁และถ่ายภาพจากกล้องถ่ายภาพความร้อนหลังจากต่อวงจรเสร็จ 10 และ 20 วินาทีตามลำดับพบว่า อุณหภูมิของตัวต้านทานความร้อน R₁,R₂  มีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นผลมาจาก R₂ มีค่าความจุความร้อนสูงกว่าทำให้มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิช้ากว่า R₁


          การใช้กล้องถ่ายภาพความร้อนเพื่อเรียนรู้และศึกษาวงจรไฟฟ้ายังสามารถช่วยให้เราเข้าใจกฎของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchoff's Law) ได้อย่างชัดเจนมากยิ่งขึ้น กฎของเคอร์ชอฟฟ์สามารถสรุปได้เป็นกฎที่สำคัญ 2 ข้อคือกฎกระแสไฟฟ้า (Kirchhoff's current law) สรุปได้ว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าจุดใดจุดหนึ่งใน วงจรไฟฟ้าจะเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากจุดนั้น และกฎแรงดันไฟฟ้า (Kirchhoff's voltage law) สรุปได้ว่าผลบวกของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ในวงจรไฟฟ้าปิดจะมีค่าเท่ากับผลบวกของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานในวงจรไฟฟ้าปิดนั้น 

       งานวิจัยชิ้นนี้แม้ไม่ได้มีอะไรใหม่มาก แต่เหมาะสำหรับครูและอาจารย์ระดับมัธยมศึกษาและระดับอุดมศึกษานำไอเดียจากงานวิจัยชิ้นนี้นำไปสร้างเป็นชุดการทดลอง เพราะจะทำให้ผู้เรียนได้ศึกษาได้อย่างเห็นภาพชัดเจน ทำให้ผู้เรียนสามารถเข้าใจแนวคิดเรื่องกฎของเคอร์ชอฟฟ์และความร้อนแบบจูลผ่านทางกล้องถ่ายภาพความร้อน เป็นการทดลองที่น่าสนุกน่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง นับว่าเป็นการนำเทคโนโลยีสมัยใหม่ (สมาทโฟนและกล้องถ่ายภาพความร้อน ในงานวิจัยนี้ใช้รุ่น FLIR i7) มาสร้างประโยชน์ในการเรียนการสอน

 

อ้างอิง

• Kácovský, P. (2019). Electric Circuits as Seen by Thermal Imaging Cameras. The Physics Teacher, 57(9), 597-599.
• Resnick, R., Walker, J. and Halliday, D. (2014). Fundamentals of physics. Hoboken, N.J.: Wiley.  
• https://ienergyguru.com/2015/11/the-heat-resistance/
• https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7235-kirchoff-s-law/