กฎของโอห์มและความต้านทาน

กฎของโอห์มและความต้านทาน

เมื่อต่อปลายของลวดนิโครม ซึ่งเป็นลวดโลหะผสมระหว่างนิกเกิลและโครเมียมกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดนิโครม ถ้าความต่างศักย์ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยน กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร จะได้ศึกษาจากการทดลอง 16.1 ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์

จากการทดลองสรุปได้ว่า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดนิโครมแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของลวดนิโครม จึงเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้           \displaystyle I \propto V
               ดังนั้น  I = kV
               เมื่อ k เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน
               \displaystyle \frac{I}{V} = k หรือ  \displaystyle \frac{V}{I} = \frac{1}{k}
                ถ้าให้ \displaystyle \frac{1}{k} = R
 

 จะได้ \displaystyle \frac{V}{I} = R   ....(16.3)
 

                ค่าคงตัว R นี้เรียกว่า ความต้านทาน (resistance)  ของลวดนิโครมที่ใช้ในการทดลองความต้านทานมีหน่วยโวลต์ต่อแอมแปร์ (V/A) หรือเรียกว่า โอห์ม (ohm)  แทนด้วยสัญลักษณ์ \displaystyle \Omega

                โอห์มได้ค้นพบความสัมพันธ์ตามสมการ (16.3) เมื่อ พ.ศ. 2369  ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของโอห์ม (ohm’s Law)  มีใจความว่า ถ้าอุณหภูมิคงตัว กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำจะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำนั้น 

รูป 16.9 โอห์ม 

                George Simon Ohm (พ.ศ.2330 - 2397) เป็นนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า คามต่างศักย์และความต้านทาน ซึ่งถือว่าเป็นกฎพื้นฐานสำคัญของไฟฟ้ากระแสตรง

                เมื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในตัวนำไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ได้แก่ โลหะ หลอดไดโอด อิเล็กโทรไลต์ และสารกึ่งตัวนำ ที่อุณหภูมิคงตัว จะได้ดังรูป 16.10 จะเห็นว่า ตัวนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะจะมีความต้านทานคงตัว และเป็นไปตามกฎของโอห์ม ส่วนตัวนำไฟฟ้าอื่น ความต้านทานไม่คงตัวและไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม

 

รูป 16.10 กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ของตัวนำไฟฟ้าชนิดต่างๆ

 

                ตามปกติวงจรไฟฟ้าทั่วไปมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดที่ต่างกันก็มีความต้านทาน เช่น ตัวต้านทาน แอลอีอาร์ เทอร์มีสเตอร์ และไดโอด เป็นต้น ความต้านทานของชิ้นส่วนเหล่านี้ขึ้นกับปัจจัยอะไร และมีผลต่อวงจรไฟฟ้าอย่างไร

 

                ตัวต้านทาน (resistor) 

                การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าในการทดลอง 16.1 ใช้ลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานค่าหนึ่ง จึงถือได้ว่าลวดนิโครมเป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่ง ในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า ตัวต้านทานค่าคงตัว (fixed resistor) ขียนแทนด้วยสัญลักษณ์และใช้แถบสีบอกความต้านทาน  ดังรูป 16.11

 

รูป 16.11 ตัวต้านทานค่าคงตัวและสัญลักษณ์

 

             การอ่านความต้านทานจากแถบสีบนตัวต้านทาน 
                                             

โดยทั่วไป แถบสีบนตัวต้านทาน จะมี 4 แถบ แต่ละแถบสีใช้แทนตัวเลข มีความหมายดังนี้

แถบที่ 1 บอกเลขตัวแรก

แถบที่ 2 บอกเลขตัวที่สอง

แถบที่ 3 บอกเลขยกกำลังที่ต้องไปคูณกับเลขสองตัวแรก

แถบที่ 4 บอกความคลาดเคลื่อนเป็นร้อยละ

ตัวต้านทานซ้ายมือซึ่งมีแถบสีน้ำตาล เขียว ส้มและทอง มีความต้านทานดังนี้\displaystyle 15x10^3โอห์ม และมีความคลาดเคลื่อน 5 % หรือเท่ากับ 15 000 โอห์ม\displaystyle \pm 750 โอห์ม หรือมีค่าระหว่าง 14 250 โอห์ม และ 15 750 โอห์ม

 

                - ตัวต้านทานค่าคงตัวในวงจรมีอิทธิพลอย่างไรต่อกระแสไฟฟ้าในวงจร

                พิจารณาวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานที่ทราบค่ากับแบตเตอรี่ และวัดกระแสไฟฟ้าในวงจรเปลี่ยนตัวต้านทานเป็นค่าอื่น บันทึกกระแสไฟฟ้าทุกครั้ง จะพบว่าเมื่อตัวต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้มีค่าลดลง เราจึงสามารถกำหนดกระแสไฟฟ้าในวงจรได้โดยใช้ตัวต้านทานที่เหมาะสม หรือกล่าวได้ว่า ตัวต้านทานทำหน้าที่จำกัดค่าของกระแสไฟฟ้าในวงจร 

 

รูป 16.12 วงจรไฟฟ้าที่มีตัวต้านทาน

 

                นอกจากนี้ยังมีตัวต้านทานี่เปลี่ยนค่าได้  เรียกว่า ตัวต้านทานแปรค่า (variable resistor) ดังรูป 16.13    ตัวต้านทานแปรค่าที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วย แถบความต้านทานซึ่งอาจทำด้วยแกรไฟต์หรือลวดพันต่อกับขา 1  และ  3  และหน้าสัมผัสต่อกับขา 2 การปรับเปลี่ยนความต้านทานทำได้โดนการเลื่อนหน้าสัมผัสไปบนแถบความต้านทาน การนำตัวต้านทานแปรค่าไปใช้ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจรทำได้โดยการต่อขา 1 หรือ ขา 3 ขาใดขาหนึ่งและขา 2 กับวงจร ดังรูป 16.13  ข.

 

รูป 16.13 ตัวต้านทานแปรค่า

 

                เมื่อเลื่อนหน้าสัมผัสของตัวต้านทานแปรค่าในวงจรรูป 16.13 ข. จากตำแหน่งที่ 1 ไปยังตำแหน่งที่ 3 ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในวงจรจะลดลง ถ้าเลื่อนหน้าสัมผัสในทิศตรงข้าม ทำให้ความต้านทานลดลงและกระแสไฟฟ้าจะสูงขึ้น ตัวต้านทานแปรค่าที่ทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจร เรียกว่า ตัวควบคุมกระแส 

                ตัวต้านทานแปรค่านิยมใช้ควบคุมกระแสไฟฟ้า วงจรในรูป 16.14 ใช้ตัวต้านทานแปรค่าควบคุมความสว่างของหลอดไฟ และใช้ปรับความดังของเสียงในเครื่องเสียงต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องวัดบางชนิด เช่น โอห์มมิเตอร์และเครื่องวัดปริมาณน้ำมันในรถยนต์ เป็นต้น

 

รูป 16.14 การเลื่อนปุ่มบนตัวต้านทานปรับค่าได้ไปทางขวาทำให้ความยาวของความต้านทานเพิ่มขึ้น

กระแสไฟฟ้าในวงจรจะลดลงและหลอดไฟจะหรี่

 

              แอลดีอาร์ (light dependent resistor , LDR)

                แอลดีอาร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นกับความสว่างของแสงที่ตกกระทบแอลดีอาร์มีความต้านทานสูงในที่มืด แต่มีความต้านทานต่ำในที่สว่าง จึงเป็นตัวรับรู้ความสว่าง (light sensor) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับควบคุมการปิด-เปิดสวิตซ์ด้วยแสง

 

รูป 16.15 แอลดีอาร์ 

               เทอร์มีสเตอร์ (themistor)

เทอร์มีสเตอร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมเทอร์มีสเตอร์แบบ NTC (negative temperature coefficient) มีความต้านทานสูงเมื่ออุณหภูมิต่ำ แต่มีความต้านทานต่ำเมื่ออุณหภูมิสูง เทอร์มีสเตอร์จึงเป็นตัวรับรู้อุณหภูมิ (temperature sensor) ในเทอร์มอมิเตอร์บางชนิด

 

รูป 16.16 เทอร์มีสเตอร์

 

               ไดโอด (diode) 
             ไดโอดทำจากสารกึ่งตัวนำ มีลักษณะและสัญลักษณ์ ดังรูป 16.17 ไดโอดมีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ เมื่อนำไดโอด แบตเตอรี่และแอมมิเตอร์มาต่อเป็นวงจรโดยต่อขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่กับขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบของไดโอดตามลำดับ ดังรูป 16.18 ก  จะพบว่ามีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า  ไบแอสตรง เมื่อสลับขั้วของไดโอดจะพบว่า ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสกลับ ดังรูป 16.18 

รูป 16.17 ไดโอดและสัญลักษณ์

รูป 16.18 การต่อไดโอดในวงจรไฟฟ้า

 

                - ความต้านทานของไดโอดกรณีไบแอสตรงและไบแอสกลับ มีค่าเท่ากันหรือไม่

 

                จะเห็นว่าขณะไบแอสตรง มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานน้อย แต่ขณะไบแอสกลับ ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานสูงมาก ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า ไดโอดยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทิศเดียว จากสมบัตินี้จึงใช้ไดโอดแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

 

           สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า

            เมื่อต่อแบตเตอรี่กับลวดโลหะ แล้ววัดความต่างศักย์ V  ระหว่างปลายลวด และกระแสไฟฟ้า  I  ที่ผ่านลวดนั้น  โดยใช้ลวดที่ทำจากโลหะชนิดเดียวกัน มีความยาว l ต่างๆกัน และมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V และ I แปลผันตรงกับ l ของลวดนั้น

หรือ        \displaystyle \frac{V}{I} \propto I
        
ถ้าใช้ลวดที่มีความยาวเท่ากัน  แต่มีพื้นที่หน้าตัด A ต่างๆ กัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V และ I แปรผกผันกับ A

                หรือ  \displaystyle \frac{V}{I} \propto \frac{l}{A}     
                      
โดยอาศัยกฎของโอห์มในสมการ (16.3) สามารถสรุปความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทาน R  ความยาว l และพื้นที่หน้าตัด A ของลวดโลหะได้ดังนี้

 \displaystyle \frac R \propto \frac{l}{A} 
                 ดังนั้น \displaystyle R = \rho \frac{l}{A}    เมื่อ  \displaystyle \rho 
เป็นค่าคงตัว          (16.4)

ถ้าทดลองโดยใช้ลวดที่ทำด้วยโลหะต่างชนิดกัน พบว่าค่าคงตัวในสมการ 16.4 จะไม่เท่ากัน ขึ้นกับชนิดของสาร ค่าคงตัว p นี้เรียกว่า สภาพต้านทานไฟฟ้า (electrical resistivity)  ซึ่งมีหน่วยโอห์ม เมตรา ตาราง 16.1 แสดงสภาพต้านทานไฟฟ้าของสารต่างๆ ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส

 

ตาราง 16.1  สภาพต้านทานไฟฟ้าของสารบางชนิดที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส

สาร

สภาพต้านทานไฟฟ้า
\displaystyle (\Omega m)

สาร

สภาพต้านทานไฟฟ้า
\displaystyle (\Omega m)

เงิน

ทองแดง

อะลูมิเนียม

แพลทินัม

แมงกานิน

คอนสแตนแตน

\displaystyle 1.6x10^{ - 8}

\displaystyle 1.7x10^{ - 8}

\displaystyle 2.7x10^{ - 8}

\displaystyle 10.6x10^{ - 8}
\displaystyle 4.4x10^{ - 7}

\displaystyle 4.8x10^{ - 7}

นิโครม

เจอร์เมเนียม

ซิลิคอน

แก้ว

ไมกา

พีวีซี

 \displaystyle 9.8x10^{ - 7}

0.46

\displaystyle 2.5x10^3

\displaystyle 10^10 - 10^{ -14}
\displaystyle 10^11 - 10^{ -15}

\displaystyle 10^14 - 10^18

 

           ตัวอย่าง 16.2   ลวดทองแดงขนาดสม่ำเสมอสองเส้น ยาวเส้นละ 10 เมตร เส้นหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.20 มิลลิเมตร อีกเส้นหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.10 มิลลิเมตร ความต้านทานของลวดแต่ละเส้นเป็นเท่าใด และเปรียบเทียบความต้านทานของลวดทั้งสองเส้น

            วิธีทำ  หาความต้านทานของลวดจากสมการ  \displaystyle R = \rho \frac{l}{A}

     จากตารางสภาพต้านทานไฟฟ้าของทองแดง \displaystyle \rho  = 1.7x10^{ - 8} \Omega m

     ลวดทองแดงเส้นที่หนึ่งมีความยาว \displaystyle l_1 =   10  m        และเส้นผ่านศูนย์กลาง \displaystyle d_1 = 0.20x10{ -3}

    จะมีพื้นที่หน้าตัด[Unparseable or potentially dangerous latex formula. Error 1 ]

    ลวดทองแดงเส้นที่สองมีความยาว \displaystyle l_2  = 10m และเส้นผ่านศูนย์กลาง \displaystyle d_2  = 0.1x10^{ - 3} m
    จะมีพื้นที่หน้าตัด [Unparseable or potentially dangerous latex formula. Error 1 ]             

              คำตอบ   ลวดทองแดงเส้นที่หนึ่งและเส้นที่สองมีความต้านทาน 5.4 โอห์มและ  21.6 โอห์ม ตามลำดับ  และลวดทองแดงเส้นที่สองมีความต้านทานเป็น 4 เท่าของเส้นแรก

               

                จากตัวอย่างจะเห็นว่าลวดโลหะชนิดเดียวกันซึ่งยาวเท่ากัน ลวดเส้นเล็กกว่าจะมีความต้านทานมากกว่า

                -  สภาพต้านทานไฟฟ้าและความต้านทานต่างกันอย่างไร

               สภาพต้านทานไฟฟ้าของสารชนิดเดียวกันมีค่าเท่ากัน ส่วนความต้านทานของสารชนิดเดียวกันอาจต่างกัน เพราะขึ้นกับความยาวและพื้นที่หน้าตัดของสารนั้น จึงกล่าวได้ว่าสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นสมบัติเฉพาะของสารชนิดหนึ่งๆ ส่วนความต้านทานขึ้นกับขนาดสารแต่ละชิ้น สารที่มีความต้านทานมากจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านน้อย จึงกล่าวว่าสารนั้นมี ความนำไฟฟ้า (electrical conductance)  น้อย ดังนั้น ความนำไฟฟ้าจึงเป็นส่วนกลับของความต้านทานไฟฟ้า และมีหน่วย (โอห์ม)-1  หรือ  ซีเมนส์ (siemens)  แทนด้วยสัญลักษณ์ S สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานไฟฟ้ามากจะมี สภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity) น้อย สภาพนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทานไฟฟ้า มีหน่วย (โอห์ม)-1 หรือ ซีเมนส์ต่อเมตร

ความรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่าง  R    \displaystyle \rho   l  และ  A  ถูกนำไปใช้สร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า สเตรนเกจ  (strain gauge) ซึ่งใช้หาขนาดของแรงที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุบิดหรืองอ  สเตรนเกจประกอบด้วยลวดโลหะขนาดเล็กที่ขดไว้ ดังรูป 16.19     ในการใช้  นำสเตรนเกจต่อในวงจรไฟฟ้า  วัดความต้านทาน  \displaystyle R_1 ของสเตรนเกจ  ต่อไปนำสเตรนเกจไปติดกับวัตถุที่ต้องการวัด  ออกแรงกระทำต่อวัตถุ  ทำให้วัตถุบิดหรืองอไปจากสภาพเดิม  เป็นผลให้สเตรนเกจบิดงอด้วย ดังรูป 16.19     จะเห็นความต้านทานขณะนั้นเท่ากับ \displaystyle R_2  จึงได้ว่าความต้านทานของสเตรนเกจเปลี่ยนไป การเทียบค่าจากตารางที่ใช้งานของสเตรนเกจ จะทำให้ทราบแรงที่ทำให้วัตถุบิดงอได้

รูป 16.19 สเตรนเกจ 

               อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทาน 

การศึกษาความต้านทานของสารชนิดต่างๆ ที่กล่าวมานี้เป็นการศึกษากรณีที่อุณหภูมิคงตัวค่าหนึ่ง ถ้าอุณหภูมิของสารเปลี่ยนไป ความต้านทานจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร จะได้ศึกษาโดยแยกพิจารณาตามประเภทของสารดังต่อไปนี้

ฉนวน  ฉนวนเป็นสารที่สภาพต้านทานสูง ตัวอย่างของฉนวน  ได้แก่  แก้ว  ไมกา  พีวีซี ยาง กระเบื้อง เป็นต้น การศึกษาสภาพต้านทานของฉนวนที่อุณหภูมิสูงๆ พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อย และถ้านำฉนวนไปต่อกับความต่างศักย์ที่สูงมาก ฉนวนจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้

สารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำมีสภาพต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน แต่มีค่าสูงกว่าสภาพต้านทานของตัวนำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว แสดงว่าการนำไฟฟ้าจะดีขึ้น ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำประกอบอยู่ในวงจรจึงทำงานเป็นปกติเฉพาะในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้

ตัวนำ ตัวนำเป็นสารที่มีสภาพต้านทานต่ำ เมื่อวัดความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ เช่น แพลทินัม ทองแดง เงิน เป็นต้น ที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่าโดยประมาณแล้ว ความต้านทานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความรู้นี้จึงนำไปใช้สร้าง เทอร์มอมิเตอร์ชนิดความต้านทาน ส่วนตัวนำที่เป็นโลหะผสมบางชนิด พบว่า  เมื่อมีอุณหภูมิเปลี่ยน ความต้านทานจะเปลี่ยนน้อยมาก ความรู้นี้นำไปใช้สร้าง ตัวต้านทานมาตรฐาน   ซึ่งมีความต้านทานคงตัว เช่น ตัวต้านทานที่ทำด้วยแมงกานิน เป็นต้น

ตัวนำยิ่งยวด  เมื่อ พ.ศ. 2454  นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ชื่อ ออนเนส ได้ทดลองวัดความต้านทานของปรอทบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน พบว่าความต้านทานของปรอทลดลงเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ดังรูป 16.20 อุณหภูมินี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต ปรอทจะอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า <b>สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity)  กล่าวคือ ปรอทจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือมีการนำไฟฟ้าดีที่สุด

 

รูป 16.20 กราฟแสดงอุณหภูมิวิกฤติของปรอท

 

                ปัจจุบันนักฟิสิกส์พบว่า โลหะ โลหะผสม สารประกอบหลายชนิดและเซรามิกก็สามารถแสดงภาพนำยวดยิ่งได้ที่อุณหภูมิวิกฤตต่างๆ กัน ดังตัวอย่างในตาราง 16.2 วัสดุที่มีความต้านทานเป็นศูนย์หรืออยู่ในสภาพนำยวดยิ่งเรียกว่า ตัวนำยิ่งยวด  (superconductor)

 

                ตาราง 16.2  อุณหภูมิวิกฤตของสารบางชนิด

วัสดุ

อุณหภูมิวิกฤต (K) 

วัสดุ

อุณหภูมิวิกฤต (K) 

Zn

Al

Pb

Nb

0.9

1.2

7.2

9.5

\displaystyle Nb{}_3Ge

\displaystyle YBa{}_2Cu_3 O_7

Bi-Sr-Ca-Cu-O
Tl-Ba-Ca-Cu-O

 

23.2

92

105

125

 

ความรู้เกี่ยวกับสภาพนำยวดยิ่งนำไปสร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น

 

เครื่องเร่งอนุภาคกำลังสูง เป็นเครื่องมือสำหรับทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีพลังงานจลน์สูงมาก เพื่อใช้ในการวิจัยทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งมีหลักการ คือ ใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในตัวนำยวดยิ่ง เมื่อจะเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้มีพลังงานสูง ต้องให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงกลมซ้ำๆกัน การจะทำได้เช่นนี้ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงมาก  ถ้าใช้ลวดตัวนำธรรมดา การจะสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูง ลวดจะร้อนจนหลอมเหลว แต่ถ้าใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่งซึ่งมีความต้านทานเป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะไม่ทำให้ลวดร้อนแต่ประการใด กระแสไฟฟ้าที่สูงจึงสามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้

 

รถไฟแมกเลฟ   (Magnetic Levitation Train)  เป็นรถไฟอัตราเร็วสูง ขณะเคลื่อนที่ตัวรถจะลอยเหนือรางเล็กน้อย เนื่องจากสนามแม่เหล็กของรางและสนามแม่เหล็กของตัวรถที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งผลักกัน ทำให้เกิดแรงยกตัวรถขึ้น รถจึงลอยเหนือรางเป็นการลดแรงเสียดทาน ที่มีผลทำให้รถไฟเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงถึง 513 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

 

รูป 16.21 รถไฟแมกเลฟต้นแบบสร้างโดยสถาบันวิจัยรถไฟของญี่ปุ่น 

เนื่องจากอุณหภูมิวิกฤตของสารต่างๆ มีค่าต่ำมาก การทำให้สารแสดงสภาพนำยวดยิ่งจึงต้องใช้ฮีเลียมเหลว (ที่อุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส) ซึ่งมีราคาแพง ดังนั้นการนำตัวนำยวดยิ่งไปใช้ประโยชน์จึงไม่แพร่หลาย จนกระทั่ง พ.ศ. 2530 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบ  ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง  ซึ่งเป็นสารประกอบของอิตเทรียม (Y) แบเรียม (Ba) ทองแดง (Cu) และออกซิเจน (O) สารใหม่นี้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงถึง 90 เคลวิน จึงสามารถใช้  ไนโตรเจนเหลว  ซึ่งมีอุณหภูมิ 196 องศาเซลเซียส หรือ 77 เคลวิน) ซึ่งมีราคาถูกกว่าแทนฮีเลียมเหลวได้ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้กระตุ้นให้มีการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำตัวนำยวดยิ่งมาใช้ประโยชน์ให้กว้างขวางมากขึ้น

ประเทศไทยมีนักฟิสิกส์ที่วิจัยเรื่องตัวนำยวดยิ่งทั้งด้านปฏิบัติและทฤษฎี นักฟิสิกส์ ทฤษฎีไทยที่เป็นที่ยอมรับในวงการนานาชาติ คือ ศ.ดร.สุทัศน์  ยกส้าน

ศ.ดร.สุทัศน์   ยกส้าน (พ.ศ. 2488 - )  ทำงานวิจัยฟิสิกส์เชิงทฤษฎีด้านสภาพนำยวดยิ่ง ได้รับรางวัลนักวิทยาศาสตร์ดีเด่นประจำปี พ.ศ. 2530 สาขาฟิสิกส์ทฤษฎี ปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

 

             รูป 16.22 ศ.ดร.สุทัศน์  ยกส้าน