บทเรียนฟิสิกส์

เรียนรู้แบบออนไลน์(วีดีโอ)

ไฟฟ้ากระแสตรง


        ไฟฟ้ากระแสตรง หมายถึง "กระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางไหลไปในทิศทางเดียวเสมอคือไหลจากขั้วบวกไปสู่ขั้วลบ (กระแสสมมุติ) กระแสจะไหลจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าผ่านตัวนำเข้าไปทำงานยังอุปกรณ์ไฟฟ้าแล้วไหลกลับแหล่งกำเนิดโดยไม่มีการไหลกลับขั้วจากลบไปบวก" 

 

    แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

              แหล่งกำเนิดไฟฟ้า คือ แหล่งกำเนิดที่ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำอยู่ตลอดเวลาและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำอยู่ตลอดเวลา ได้แก่ ถ่านไฟฉาย  แบตเตอรี่  เครื่องกำเนิดไฟฟ้า  เป็นต้น  แหล่งกำเนิดไฟฟ้า  ที่ควรทราบมีดังนี้ 

1. เซลล์ไฟฟ้าฟ้าเคมี  

  เซลล์ไฟฟ้าเคมี ประกอบด้วย  ขั้วไฟฟ้าบวก  ขั้วไฟฟ้าลบและสารเคมีภายในเซลล์  เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์จะทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วเซลล์    เมื่อต่อเซลล์ไฟฟ้าเคมีเข้ากับวงจรไฟฟ้า    จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจได้ เซลล์ไฟฟ้าเคมี แบ่งออกได้  2  ประเภท  ได้แก่      

1. เซลล์ปฐมภูมิ   (primary  cell)    โดยลักษณะของ เซลล์ไฟฟ้าปฐมภูมิ เมื่อใช้ไปนานๆ ความต่างศักย์ไฟฟ้าจะลดลงจนกระทั่งใช้ต่อไปไม่ได้ เช่น ถ่านไฟฉายทั่วๆ ไป  

2.  เซลล์ทุติยภูมิ   (secondary  cell)   เมื่อใช้ไฟฟ้าลดลงแล้วสามารถทำให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นได้โดยการอัดไฟหรือประจุไฟ (charge) เช่นแบตเตอรี่รถยนต์


เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นไดนาไม หลักการทำงานเมื่อทำให้แกนไดนาโมหมุน  จะเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วทั้งสองของไดนาโม

คู่ควบความร้อน (thermocouple)     

  คู่ควบความร้อน  เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่ประกอบด้วยโลหะ  2  ชนิด  โลหะหนึ่งพร้อมที่จะให้อิเล็กตรอนอิสระ มากกว่าอีกโลหะหนึ่ง  เช่น  เมื่อนำทองแดงและเหล็ก  มาต่อปลายทั้งสองข้างเข้าด้วยกัน  ดังรูป  ทำให้ปลายทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกัน   ปลายข้างหนึ่งเย็นปลายอีกข้างหนึ่งร้อน   จึงเป็นเหตุให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น   ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Thermoelectric  effect   ทำให้มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเล็กน้อย   คู่ควบความร้อนสามารถนำไปสร้างเป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิที่เรียกว่า  เทอร์มอมิเตอร์คู่ควบความร้อน  ซึ่งใช้วัดในที่ที่มีอุณหภูมิ  เช่น  ในเตาอบ  เป็นต้น

เซลล์สุริยะ (solar  cell)

  เซลล์สุริยะ  เป็นเซลล์ไฟฟ้าที่สามารถแปลงรูปพลังงานจากแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง  โดยทั่วไปเซลล์สุริยะ ประกอบด้วยแผ่นกึ่งตัวนำ  ชั้น    ดังรูป    ชั้นบนทำด้วยซิลิคอนผสมฟอสฟอรัสและชั้นล่างเซลล์สุริยะถูกนำมาใช้งานในหลายด้าน เช่น เครื่องคำนวณ  นาฬิกา และแม้กระทั่งดาวเทียม  ได้แก่  ดาวเทียมไทยคม   เป็นต้น


แหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากสิ่งมีชีวิต

         สัตว์บางชนิด   เช่น  ปลาไหลไฟฟ้า  สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้  เมื่อมันตกใจศัตรู  ของมัน   ซึ่งบางครั้งอาจมีความต่างศักย์สูงเป็นร้อยๆ โวลต์  นอกจากปลาไหลไฟฟ้าแล้ว  นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่ามีความต่างศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นในสัตว์อื่นๆ อีก รวมทั้งในร่างกายของมนุษย์ด้วย ถ้าวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดบนร่างกายของมนุษย์  เช่น ที่แขนและขา  จะพบว่า มีความต่างศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นทุกครั้งที่หัวใจเต้น จากความรู้นี้ได้นำมาพัฒนาสร้างเครื่องช่วยหัวใจที่เรียกว่า   “อิเล็กโทรคาร์ดิโอกราฟ”  (electrocardiograph)  ซึ่งช่วยให้แพทย์สามารถวิจัยโรคหัวใจได้อย่างถูกต้อง

    การนำไฟฟ้า  

            การนำกระแสไฟฟ้าในโลหะโลหะทุกชนิดเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี   เนื่องจากมี  “อิเล็กตรอนอิสระ” (Free electron)   โดยอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่โดยเสรีไม่เป็นระเบียบ  ไม่มีทิศทางแน่นอน    เรียก  การเคลื่อนที่แบบ  Brownian”  ดังนั้นความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนอิสระทุกตัวจึงเป็นศูนย์     แต่เมื่อทำให้ปลายทั้งสองของแท่งโลหะมีความต่างศักย์ไฟฟ้า   เช่น    ต่อไว้กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า   จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายในแท่งโลหะ    แรงจากสนามไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ   โดยมีความเร็วเฉลี่ยไม่เป็นศูนย์   เรียกว่า ความเร็วลอยเลื่อน” (drift   velocity)    จึงมีกระแสไฟฟ้าในแท่งโลหะ    ดังนั้น   กระแสไฟฟ้าในโลหะจึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ

ลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในแท่งโลหะ

ลักษณะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแท่งโลหะ เมื่อปลายทั้งสองมีความต่างศักย์

    การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ

        หลอดสุญญากาศ    เป็นหลอดแก้วที่สูบอากาศภายในออกเกือบหมด  ภายในหลอดมีขั้วสำหรับให้อิเล็กตรอนเรียกว่า  แคโทด (Cathode)  ส่วนขั้วสำหรับรับอิเล็กตรอน เรียกว่า แอโนด (anode)   โดยปกติมักมีรูปร่างเป็นแผ่นโลหะธรรมดา   เรียกว่า  เพลต  (plate) การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ ทำได้โดยการทำให้ศักย์ไฟฟ้าของแอโนดสูงกว่า แคโทดอิเล็กตรอนก็จะถูกเร่งจากแคโทดผ่านบริเวณสุญญากาศมายังแคโทด  จึงมีกระแสไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ แต่ถ้าทำให้แคโทดมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าแอโนด   ก็จะไม่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนดเลย   เรียกหลอดสุญญากาศนี้ว่า   หลอดไดโอด” (diode   tube)    ดังนั้น  กระแสไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศจึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน


    




       การนำกระแสไฟฟ้าในสารละลายอิเล็กโทรไลต์


ลักษณะเด่นของการนำไฟฟ้าอิเล็กโทรไลต์

                    1.  อิเล็กโทรไลต์  เป็นสารละลายที่สามารถนำไฟฟ้าได้
                    2.  อิเล็กโทรไลต์  เป็นสารละลายของกรด  เบส  หรอเกลือ
                    3.  การนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์  ทำให้เกิดได้โดยการจุ่มแผ่นโลหะ  แผ่น  ลงในอิเล็กโทรไล
ต์  แล้ว   แสดงว่า  กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์  จะเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวก (ไอออนบวก)  และประจุไฟฟ้าลบ  (ไอออนลบ)

        การนำกระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส

  หลอดบรรจุแก๊ส  (gas - filled  tube)  เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้อากาศหรือแก๊สนำไฟฟ้าได้กระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส  เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก

 

การนำกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ

 1.  โครงสร้างของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์   เช่น   ซิลิคอนบริสุทธิ์   พบว่า   เวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมจะมีพันธะกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง  จึงไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ  ดังรูป

2.  แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า    ทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า   และโฮล เคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า  

   แสดงว่า  การนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ   เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล

        กระแสไฟฟ้าในตัวนำใดๆ          

                    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

กระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะ

        พิจารณาจากรูป

                        เมื่อ

                                        I      =     กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ  (A)
                                        n     =    
จำนวนอิเล็กตรอนใน 1 หน่วยปริมาตร  (อนุภาค/m3)
                                        e     =     
ประจุของอิเล็กตรอน  =  1.6 x 10-19  คูลอมบ์
                                        v     =     ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอน  (m/s)
                                        A     =    
พื้นที่ภาคตัดขวางของลวดตัวนำ  (m2)

                จะได้ว่า … 

การหาปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำ
       เมื่อกระแสไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ

                                    พิจารณาจาก ...
                                                                                        I  =  Q/t
        ดังนั้น...

กฎของโอห์มและความต้านทาน

           ของโอห์ม George  Simon  Ohm   นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน พบว่า   เมื่อทำให้ปลายทั้งสองของลวดโลหะมีความต่างศักย์ไฟฟ้าจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดโลหะนี้ ซึ่งจากการทดลองจะได้ความสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า

           กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดโลหะมีค่าแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้า ระหว่างปลายทั้งสองของลวดโลหะ                 

            เขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้

                                                                        I               µ           V

                

                ดังนั้น

              I               =              kV    (k เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน)

            จะได้ว่า


                    กฎของโอห์ม   "เมื่ออุณหภูมิคงที่  ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านโลหะตัวนำหนึ่งจะมีค่าแปรผัน ตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำนั้นโดยอัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าย่อมมีค่าคงที่   เรียกว่า  ความต้านทาน" 

เมื่ออุณหภูมิคงตัวกฎของโอห์มใช้ได้กับตัวนำที่เป็นโลหะเท่านั้น  


ความต้านทาน  (Resistance ; R)  มีหน่วยเป็น  โวลต์ต่อแอมแปร์  หรือ โอห์ม 

                                            แทนด้วยสัญลักษณ์    

                          ซึ่งความต้านทาน  1 โอห์ม  คือ  ความต้านทานของตัวนำ  ซึ่งเมื่อต่อปลายทั้งสองของ ตัวนำนั้นเข้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้า  1 โวลต์  จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำนั้น 1 แอมแปร์

ความต้านทานไฟฟ้า (electrical  resistance)
        ความต้านทานไฟฟ้า  เป็นการบอกคุณสมบัติของสารในการต้านกระแสไฟฟ้าที่จะผ่านได้ มากน้อยเพียงใด  โดยสารที่มีความต้านทานมากกระแสผ่านได้น้อย   ส่วนสารที่มีความต้านทานน้อยกระแสผ่านได้มาก
      
ตัวต้านทาน (resistor)  เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยปรับความต้านทานให้กับวงจร  เพื่อช่วยปรับให้กระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ไฟฟ้าพอเหมาะกับวงจรนั้นๆ  ชนิดของตัวต้านทาน  แบ่งออกได้  2  ชนิด
   1.  ตัวต้านทานค่าคงตัว (fixed  resistor)  เป็นตัวต้านทานที่มีค่าตัวต้านทานคงตัว  พบในวงจรไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป

   2.  ตัวต้านทานแปรค่า  (variable  resistor)  เป็นตัวต้านทานที่สามารถปรับค่าความต้านทานได้



แถบสีที่คาดไว้บนตัวต้านทานมีความหมายดังนี้
          แถบสีที่บอกเลขตัวแรก
          แถบสีที่บอกเลขตัวที่สอง
          แถบสีที่บอกเลขยกกำลังของสิบ
          แถบสีที่บอกความคาดเคลื่อนของค่าความต้านทานที่อ่านได้จากสามแถบแรกโดยบอกเป็นร้อยละ









                 สภาพต้านทานและสภาพนำไฟฟ้า

ความสัมพันธ์ของความต่างศักย์ไฟฟ้า (V)  และกระแสไฟฟ้า ( I )   เพื่อหาความต้านทานของลวดโลหะตามกฎของโอห์ม  

                     จะได้ว่า ...         

  1.  ความต้านทาน (R) ของลวดโลหะแปรผันกับความยาว (    ) ของลวดโลหะ  เมื่อภาคตัดขวาง (A) มีค่าคงตัว

  2.  ความต้านทาน (R) ของลวดโลหะจะแปรผกผันกับภาคตัดขวาง(A)ของลวดโลหะ  เมื่อความยาว (   ) ของลวดคงที่
เขียนความสัมพันธ์ได้ว่า

            สภาพต้านทานเป็นสมบัติเฉพาะของสารหนึ่งๆ  ส่วนความต้านทาน  เป็นสมบัติของสารแต่ละชิ้น   สารใดมีความต้านทานมาก แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าผ่านน้อยหรือกล่าวว่ามีความนำไฟฟ้า (electrical conductance) น้อย ความนำไฟฟ้า    เป็นสมบัติทางไฟฟ้าที่ตรงข้ามกับความต้านทานไฟฟ้าของสาร   หรือกล่าวได้ว่า   ความนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของความต้านทาน  สัญลักษณ์  ความนำไฟฟ้า  แทนด้วย  "G“

  จะได้ว่า…….  

 มีหน่วยเป็น  โอห์ม –1  หรือ  ซีเมนส์  (S)


        สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานมาก   จะมีสภาพนำไฟฟ้า  (electrical  conductivity) น้อย  สภาพนำไฟฟ้า

จึงเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทาน  สัญลักษณ์  สภาพนำไฟฟ้า  แทนด้วย   s


การคำนวณหาความต้านทานเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

  

        ถ้ากำหนดให้

                                                                        R0    = ความต้านทานของโลหะตัวนำที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส

                                                                        Rt     = ความต้านทานของโลหะตัวนำที่อุณหภูมิ t องศาเซลเซียส

                                                                        t        อุณหภูมิของโลหะตัวนำในหน่วยองศาเซลเซียส

                                    a  = สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป  1  องศาเซลเซียส มีหน่วยเป็น (0C)-1

        จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้



            ไดโอด

                   ไดโอด   เป็นอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วๆ ไป ที่จำกัดทิศทางการไหลของประจุไฟฟ้ามันจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียว  และกั้นการไหลในทิศทางตรงกันข้าม    เช่น ใช้เป็นอุปกรณ์กรองแรงดันไฟฟ้าในวงจรภาคจ่ายไฟ  เป็นต้น

                    ไดโอดประกอบด้วยขั้ว 2 ขั้ว คือ แอโนด (Anode ; A) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด p และ แคโทด (Cathode; K)  ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด n




                ชนิดของสารกึ่งตัวนำ  เนื่องจากสารกึ่งตัวนำที่บริสุทธิ์  จะมีอิเล็กตรอนอิสระน้อย กระแสไฟฟ้าที่ผ่านจึงมีน้อยถ้าต้องการให้มีกระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนมาก   ต้องทำการเจือปนอะตอมของธาตุอื่นลงไปในสารเหล่านั้น   เรียกว่า สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์ นอกจากนี้ยังมีสารกึ่งตัวนำแบบสารประกอบ
               
สารกึ่งตัวนำไม่บริสุทธิ์  แบ่งออกเป็น  2  ประเภท
                  1.  สารกึ่งตัวนำประเภท  N - type    เป็นสารกึ่งตัวนำ     ที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของสารหนูทำให้มีอิเล็กตรอนอิสระขึ้นมาหนึ่งตัวซึ่งสามารถเคลื่อนที่ในผลึกจึงยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้

                 2.  สารกึ่งตัวนำประเภท  P - type     เป็นสารกึ่งตัวนำ   ที่เกิดจากการจับตัวของอะตอมซิลิกอนกับอะตอมของ
อะลูมิเนียม
  ทำให้เกิดที่ว่างเรียกว่า  Hole  ขึ้น  อิเล็กตรอนที่อยู่ข้าง  Hole จะเคลื่อนที่ไปอยู่ใน  Hole ทำให้ดูคล้ายว่า  Hole  เคลื่อนที่ได้ในทิศทางตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน  จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้


            แรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า

        วงจรไฟฟ้า

                        วงจรไฟฟ้า ประกอบด้วย ความต้านทานหลายตัวต่อเข้าด้วยกันแบบต่างๆ เซลล์ไฟฟ้าหลายๆ เซลล์ต่อเข้าด้วยกัน  มีการใช้แอมมิเตอร์    โวลต์มิเตอร์วัดในจุดต่างๆ     ซึ่งเมื่อต่อตัวนำหรือตัวต้านทานเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทานและแหล่งกำเนิดไฟฟ้านั้น      กระแสไฟฟ้าที่เกิดก็เนื่องจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า โดยประจุไฟฟ้าได้รับพลังงานจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

        แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive  force ; e.m.f.)        

              แรงเคลื่อนไฟฟ้า หรือ electromotive force (emf ; E) ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าใดๆ นิยามว่า  เป็นพลังงานที่แหล่งกำเนิดนั้นจะสามารถให้ได้ต่อหน่วยประจุไฟฟ้า  ตัวอย่างเช่นถ่านไฟฉายก้อนหนึ่งมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า 1.5 โวลต์ (V) หรือจูลต่อคูลอมบ์ (J/C) หมายความว่า  ให้พลังงานได้  1.5  จูลต่อประจุไฟฟ้าทุกๆ  1  คูลอมบ์    ที่เคลื่อนที่ระหว่างขั้วไฟฟ้า
             

จากรูป  

                                                                                                สัญลักษณ์ 

             หมายถึง  เซลล์ไฟฟ้า นำโวลต์มิเตอร์ (เครื่องมือวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า) V  มาวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วของถ่านไฟฉาย   ปรากฏว่า   วัดได้ค่า  V1   ตามความหมายของแรงเคลื่อนไฟฟ้า 

                  จะได้ ...

                                                                  V1          =          E           =            1.5          โวลต์

  


                    ถ้าวงจรเปลี่ยนไปเป็นรูป (ข)   โวลต์มิเตอร์อ่านได้  V2    ตอนนี้   V2    จะเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ตกคร่อมความต้านทาน R    และเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วของเซลล์ไฟฟ้า   เมื่อมีความต้านทาน  ต่อรวมอยู่  พบว่า V2  น้อยกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า E  อธิบายได้ว่า  เพราะเซลล์ไฟฟ้ามีความต้านทานภายใน  ทำให้พลังงานไฟฟ้าบางส่วนสูญเสียไป   โดยการอาศัยกฎของโอห์ม   และความหมายของแรงเคลื่อนไฟฟ้า  และความต่างศักย์ไฟฟ้า 

              จะได้ ...

                                                                      E          =          IR  +  Ir

               หรือ...

                                    I     =     E/R+r

มื่อ ...   I   เป็นกระแสไฟฟ้า

สรุปนิยาม

            แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive   force “e.m.f.”) หมายถึง พลังงานไฟฟ้าที่แหล่งกำเนิด (เซลล์ไฟฟ้า) ใช้ในการเคลื่อนประจุ +1 คูลอมบ์  ครบวงจรพอดี  จากขั้วบวกไปยังขั้วลบผ่านตัวต้านทาน (R)  ภายนอกเซลล์และจากขั้วลบไปยังขั้วบวก  ผ่านเซลล์ไฟฟ้าภายใน  มีหน่วยเป็น  จูลต่อคูลอมบ์ หรือ โวลต์

            ความต่างศักย์ไฟฟ้าภายนอกเซลล์  (VR)  หมายถึง พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการเคลื่อนประจุ +1 คูลอมบ์  จากขั้วบวกไปยังขั้วลบของเซลล์  โดยผ่านตัวต้านทานภายนอกเซลล์ (R)  มีหน่วยเป็น  จูลต่อคูลอมบ์  หรือ  โวลต์

          ความต่างศักย์ไฟฟ้าภายในเซลล์  (Vr  หมายถึง  พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการเคลื่อนประจุ  +1 คูลอมบ์   จากขั้วลบไปยังขั้วบวกของเซลล์   โดยผ่านภายในเซลล์ไฟฟ้า  มีหน่วย เป็น  จูลต่อคูลอมบ์ หรือ  โวลต์

          ความต้านทานภายใน  (r) หมายถึง ความต้านทานภายในเซลล์ไฟฟ้า  มีหน่วย เป็น  โวลต์ต่อแอมแปร์  หรือ โอห์ม


ความต่างศักย์ไฟฟ้า  (electrical potential difference)

                

          ความต่างศักย์ (Potential difference)  คือ ปริมาณในฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานในการย้าย วัตถุจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุด     โดยต้านแรงที่มากระทำ   คำนี้มักใช้เป็นคำย่อของคำว่า   ความต่างศักย์ไฟฟ้า  (electrical potential difference) กล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า ความต่างศักย์ คือ ความแตกต่างของปริมาณหนึ่งระหว่างจุดสองจุดในสนามเวกเตอร์อนุรักษ์


          ตัวอย่างเช่น ...


              ในวิศวกรรมไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า  คือ  พลังงานในการย้ายประจุไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดภายใต้สนามไฟฟ้าสถิต  มีหน่วยเป็นจูลต่อคูลอมบ์ หรือ โวลต์

              ในระบบของไหล  ความต่างศักย์ คือ ความแตกต่างของความดัน มีหน่วยเป็น พาสคัล
              ในระบบอุณหภูมิ  ความต่างศักย์ คือ ความแตกต่างของอุณหภูมิ  มีหน่วยเป็น เคลวิน

                    จากนิยามของแรงเคลื่อนไฟฟ้า  ความต่างศักย์ภายนอกเซลล์  และความต่างศักย์ภายในเซลล์


          กำหนดให้

                             R       =        
ความต้านทานที่ต่อกับเซลล์ไฟฟ้า(โอห์ม)
                             r         =        
ความต้านทานภายในของเซลล์ไฟฟ้า(โอห์ม)
                             E       =        
แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์ไฟฟ้า(โวลต์)
                            V
R     =         ความต่างศักย์ไฟฟ้าภายนอกเซลล์(โวลต์)
                          
Vr       =         ความต่างศักย์ภายในเซลล์(โวลต์)
 
           จะได้ว่า
                                      E             =              V
R   +   Vr   (เมื่อ  V   =   IR)
                                      E             =              IR   +  
Ir
                                      E             =              I(R  +  r)

ดังนั้น

ถ้ามีเซลล์ไฟฟ้า (E) หลายเซลล์  มีตัวต้านทานหลายตัว  เขียนสมการได้ดังนี้


เมื่อ….

                                    Se     =    แรงเคลื่อนไฟฟฟ้ารวม

                                           S(R+r)    =        ความต้านทานภายนอกและภายในรวม

                                                                        I               =         กระแสไฟฟ้าในวงจร

ข้อสังเกต   กระแสไฟฟ้า (I) ที่ผ่านในวงจรไฟฟ้า ทิศทางของกระแสไฟฟ้าจากเซลล์ไฟฟ้า จะมีทิศทางออกจากขั้วบวกของเซลล์ไฟฟ้าและเข้าสู่ขั้วลบของเซลล์ไฟฟ้า


    ค่าความต่างศักย์ระหว่างขั้วเซลล์  เมื่อวงจรเปิดและวงจรปิด

           เมื่อวงจรปิด  ดังรูป (ก)  กระแสไฟฟ้าจะผ่านครบวงจร  เมื่อนำโวลต์มิเตอร์มาวัดระหว่างปลายทั้งสองของตัวต้านทาน     และวัดระหว่างขั้วเซลล์ทั้งสองค่าที่อ่านได้จะมีค่าเท่ากัน      สรุปได้ว่า     “เมื่อวงจรปิด   ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วเซลล์ไฟฟ้า   มีค่าเท่ากับความต่างศักย์ไฟฟ้าภายนอกเซลล์ไฟฟ้า  (VR)”  


การวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วเซลล์ไฟฟ้า

                 เมื่อวงจรเปิด   ดังรูป  (ข)   วัดความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองของตัวต้านทาน     ค่าที่อ่านได้เป็นศูนย์  เพราะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทาน  R    แต่เมื่อวัดที่ขั้วเซลล์ไฟฟ้าทั้งสอง    ค่าที่อ่านได้    คือ   ค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้า สรุปได้ว่า เมื่อวงจรเปิด  ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วเซลล์ไฟฟ้ามีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้า "

  การต่อเซลล์ไฟฟ้า

              การต่อเซลล์ไฟฟ้า  คือ  การนำเอาเซลล์ไฟฟ้ามากกว่า  เซลล์ มาต่อร่วมกัน เพื่อให้ได้ขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า  หรือกระแสไฟฟ้าตามต้องการ  ดังนี้
                 1.  การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม
       
          2.  การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน

    

        การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม

              การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม  คือ  การนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อเรียงเป็นเส้นเดียวกัน

        การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน
                       การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน   คือ    การนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อกัน   โดยการนำเซลล์ไฟฟ้าซึ่งเหมือนกันทุกประการมาต่อกัน  รวมขั้วลบเข้าด้วยกัน  แรงเคลื่อนไฟฟ้ารวมของวงจรจะมีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์ใดเซลล์หนึ่ง  ความต้านทานภายในรวมของวงจรคิดรวมแบบต่อตัวต้านทานแบบขนาน 

 

                                                                เมื่อให้เซลล์ไฟฟ้า  ทุกเซลล์มีแรงเคลื่อนไฟฟ้า (E)  และความต้านทานภายใน (r)  ตามลำดับ

        การต่อเซลล์ไฟฟ้าให้ได้กระแสไฟฟ้าผ่านวงจรมากที่สุด

              พิจารณาจากการต่อเซลล์แบบผสม  (โดยที่แต่ละเซลล์มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต้านทานภายในเท่ากันทั้งหมด)

มีหลักการดังนี้



           1. ถ้าผลรวมของความต้านทานภายนอกเท่ากับผลรวมของความต้านทานภายในแล้ว  กระแสไฟฟ้าในวงจรจะมีค่ามากที่สุด

         ถ้า                     R =  xr/y                   แล้ว I  มากที่สุด

          หรือ...                 R/x  =  r/y   แล้ว I มากที่สุด

      เมื่อ...

                          xy     =     จำนวนเซลล์ไฟฟ้าทั้งหมด

            2.   กระแสไฟฟ้าในวงจรจะมีค่ามากที่สุด 

                                หาได้จาก

                                หรือ
                                                        

        วงจรและวิธีการวิเคราะห์วงจร

                 
วงจรไฟฟ้า  ประกอบด้วย  ความต้านทานหลายตัวต่อเข้าด้วยกันแบบต่างๆ  เซลล์ไฟฟ้าหลายๆ เซลล์ต่อเข้าด้วยกัน มีการใช้แอมมิเตอร์   โวลต์มิเตอร์วัดในจุดต่างๆ  ซึ่งเมื่อต่อตัวนำหรือตัวต้านทานเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า  จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทาน  และแหล่งกำเนิดไฟฟ้านั้น   กระแสไฟฟ้าที่เกิดก็เนื่องจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า  โดยประจุไฟฟ้าได้รับพลังงานจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

การหาค่าความต้านทานรวม เมื่อต่อวงจรในรูปแบบต่างๆ

1.การต่อความต้านทานแบบอนุกรม

2.การต่อความต้านทานแบขนาน

3. การต่อความต้านทานที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

4.การต่อความต้านทานแบบWheatstone  Bridge

5.การต่อความต้านทานแบบสมมาตร

6. การต่อความต้านทานแบบ  Y  และ  D

        

                        1. การต่อความต้านทานแบบอนุกรม
                       การต่อตัวต้านทานแบบอนุกรมหรืออันดับ (series)   เป็นการต่อที่นำตัวต้านทานหลายๆ ตัว มาต่อเรียงกันให้อยู่ในสายเดียวกัน     โดยใช้ปลายหนึ่งของตัวต้านทานตัวที่ 1   ต่อกับปลายหนึ่งของตัวต้านทานตัวที่ 2   นำปลายที่เหลือของตัวต้านทานตัวที่ต่อกับปลายอีกข้างหนึ่งของตัวต้านทานตัวที่ 3   เรียงลำดับไปเรื่อยๆ

        กำหนดให้มีตัวต้านทานอยู่  3  ตัว    คือ   R1 ,  R2  และ   R3   ต่อกันแบบอนุกรมกับเซลล์ไฟฟ้า  และมีกระแสไหลในวงจรเท่ากับ  I   ต้องการหาความต้านทานรวมของ  R1 , R2  และ  R3

ผลของการต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม         

    1. กระแสไฟฟ้า (Iผ่านตัวต้านทานทุกตัวเท่ากัน    

           SI    =     I1     =     I2     =     I3


    2.   ความต่างศักย์ไฟฟ้ารวมเท่ากับผลรวมของความต่างศักย์ไฟฟ้าย่อย

         SV    =     V1  +   V2  +   V3  

การหาความต้านทานรวม

SR    =     R1  +  R2  +  R3  

        

                        2.การต่อความต้านทานแบขนาน

                        การต่อตัวต้านทานแบบขนาน   (parllel)    เป็นการต่อที่นำตัวต้านทานหลายๆ ตัว มาต่อรวมกันเป็นกลุ่มเดียว  โดยนำปลายทั้งสองข้างของความต้านทานแต่ละตัวมารวมกัน    

            กำหนดให้มีตัวต้านทานอยู่  3  ตัว  คือ  R, Rและ Rต่อกันแบบขนานกับเซลล์ไฟฟ้า   และมีกระแสไฟฟ้าไหลออกจากเซลล์ไฟฟ้า  I   แยกเข้าสู่ตัวต้านทาน  R1 , R2 และ R3  เท่ากับ  I1 , I2  และ  I3   ตามลำดับ ต้องการหาความต้านทานรวมของ  R1 , R2  และ  R3

 ผลของการต่อตัวต้านทานแบบขนาน

    1.   ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวเท่ากันเท่ากับความต่างศักย์ไฟฟ้ารวมเพราะตัวต้านทานทุกตัวอยู่ระหว่าง  2  จุดเดียวกัน 

        SV    =     V1  +   V2  +   V3  

     2.   กระแสไฟฟ้าที่ผ่านทั้งหมดเท่ากับผลรวมของกระแสไฟฟ้าของแต่ละตัว

                
SI    =     I1    +     I2  +     I3
การหาความต้านทานรวม


การต่อความต้านทานที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

การต่อความต้านทานที่ไม่มีกระแสไหลผ่าน  มี  2  วิธี  คือ

      

            1.  ความต้านทานต่อไม่ครบวงจร

จากวงจร……..

  ต้องการหาความต้านทานรวมระหว่างจุด  A  กับจุด B  และระหว่างจุด C  กับจุด  D


การหาความต้านทานRAB
         ให้ถือว่าเซลล์ไฟฟ้าต่อระหว่างและจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน  R2  และ  R5 

           RAB      =        R1  +  R3  +  R4

การหาความต้านทานRCD
         ให้ถือว่าเซลล์ไฟฟ้าต่อระหว่าง
และจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน  R1  และ  R4 

  RCD      =        R2  +  R3  +  R5      


2.  ความต้านทานต่อลัดวงจร

  ความต้านทานต่อลัดวงจร คือ การต่อความต้านทานที่มีลวดต่อระหว่างปลายทั้งสองของความต้านทาน

จากวงจร …     สมมติให้กระแสไหลออกจากเซลล์ไฟฟ้าเท่ากับ   I
          และ  … แยกไหลในลวด   XY   =  I1   ,  ลวด     =     I2  , ลวดXCDY = I2


     

จากวงจรรูป (a)

                            จะได้…

VXCDY      =        I2(R2  +  R3  +  R4)            .....…  (1)

VXY         =        I1R                                       .....…(2)

                                                                                        แต่ลวด  XY   มีความต้านทาน   R   =   0

                                                                                        จาก (2) ;

VXY         =        I1R      =      0    .....…(3)

                                                                   และ …
                                                                            VXCDY      =        VXY   เพราะเป็นความต่างศักย์ระหว่างจุดคู่เดียวกัน
                                                                            ดังนั้น  (1) =  (2)

                                                                                                จะได้ว่า……

                                                                                                            I2(R2  +  R3  +  R4)        =        0

                                                                                       I2                             =        0

            สดงว่าไม่มีกระแสผ่านความต้านทาน  R2, R3  และ R4   ดังนั้น  ให้ตัดความต้านทาน R2, R3  และ R4  ทิ้ง  จะได้วงจรใหม่  ดังรูป (b)

               จากรูป  (b)

                    จะได้ว่า…...

  RAB           =        R1  +  R5

 การหาความต้านทานรวมของวงจรที่มีเส้นลวดต่ออยู่ด้วย   ให้กำหนดจุดที่ปลายทั้งสองของลวด    แล้วทำการยุบวงจรใหม่   โดยถือว่าจุดปลายทั้งสองของลวดเป็นจุดเดียวกัน (เพราะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน)   แล้วจึงหาความต้านทาน
 จากวงจร
…  จะได้จุด  x  และ  y  เป็นจุดเดียวกัน  เขียนวงจรใหม่ได้ดังนี้

จากวงจร  เป็นวิทสโตนบริดจ์   ดังนั้น  ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านความต้านทาน  R5   

          จากกฎของโอห์ม

                                                  V          =       IR

จะได้

                                                  
Vax      =       Va   -   Vx        =         I1R1                  .....… ( 1 )

                                                  
Vay      =       Va   -   Vy        =         I2R4                  .....… ( 2 )

          และ

                                                  
Vxy      =       Vx   -   Vy        =         IR5        =       0

                                                  
Vx       =       Vy 

    ดังนั้น สมการ   (1) = (2) ;

               Va  -  Vx         =        Va   -   Vy

                                             I
1R1          =        I2R4                  .....… ( 3 )
          และ
                                               I
1R2          =        I2R3                  .....… ( 4 )

สมการ  ( 3 ) / ( 4 )  จะได้

                                                 R1 /R2      =             R4 /R3 

                                                 R1R3        =             R2R4 


               3.การต่อความต้านทานแบบสมมาตร

               ความต้านทานที่ต่อแบบสมมาตร   คือ   การต่อความต้านทานที่มีลักษณะสมมาตรกับแกนการไหลของกระแสไฟฟ้า   ทั้งขนาดและรูปร่างของความต้านทาน    การหาความต้านทานรวมในลักษณะนี้ ให้พับความต้านทานรอบแกนกระแสไหล  จุดที่ซ้อนกัน  จะเป็นจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน

หลักการ

          1.   ผ่าวงจรตามแกนสมมาตร   ซึ่งเมื่อผ่าแล้ววงจรจะแยกออกเป็น  2  ส่วน  ซึ่งมีรูปร่างเหมือนกันทั้งสอง
   วงจรและขนานกันอยู่
          2.   ให้หาความต้านทานรวมเฉพาะสายใดสายหนึ่งมาก่อน  ซึ่งอีกสายหนึ่ง  จะมีความต้านทานรวมเท่ากันด้วย   แล้วนำความต้านทานรวมของทั้ง  2  สาย    มาขนานกันอีกครั้งหนึ่งจะเป็นความต้านทานรวมของทั้งหมด
          3.   สำหรับความต้านทานตัวที่ถูกผ่า (เมื่อผ่าแล้ว  ถ้ารวมกันอยู่  2 วงจร ให้คูณด้วย  2) จึงค่อยทำการรวมความต้านทาน  เพราะถ้าผ่า  R  เป็น  2  เส้น  ขนานกัน   แต่ละเส้นจะเป็น  2R


            เครื่องมือวัดทางไฟฟ้า

          แอมมิเตอร์  โวลต์มิเตอร์  และโอห์มมิเตอร์   เป็นเครื่องวัดทางไฟฟ้า   เพื่อใช้วัดปริมาณต่างๆ ทางไฟฟ้า เครื่องวัดทางไฟฟ้าต่างๆ นี้  สามารถสร้างขึ้น  โดยดัดแปลงมาจาก แกลแวนอมิเตอร์  (Galvanometer)  ชนิดขดลวดเคลื่อนที่  ซึ่งประกอบด้วยขดลวดวางระหว่างขั้วแม่เหล็ก

                

            แกลแวนอมิเตอร์  (Galvanometer)   คือ   เครื่องมือวัดพื้นฐานทางไฟฟ้าที่สามารถวัดได้ทั้งกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า   แต่จะวัดได้ปริมาณน้อยๆ ดังนั้น

จึงนิยมนำไปดัดแปลงใช้วัดกระแสไฟฟ้า   ความต่างศักย์ไฟฟ้า  และความต้านทานเมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวด     จะทำให้ขดลวดหมุนได้     เนื่องจากเกิดแรงกระทำระหว่างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบๆ  ขดลวดกับสนามแม่เหล็กจากขั้วแม่เหล็ก และถ้ามีเข็มติดกับขดลวดเข็มก็จะเบนไปด้วย  การเบนของเข็มจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านเข้าไปในขดลวด  กระแสไฟฟ้าที่ทำให้เข็มของ แกลแวนอมิเตอร์เบนได้สูงสุด  จะมีค่าจำกัดค่าหนึ่ง  เรียกว่า  "กระแสสูงสุดของแกลแวนอมิเตอร์"  ถ้ากระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในแกลแวนอมิเตอร์มากกว่าค่าจำกัดดังกล่าวนี้    จะทำให้แกลแวนอมิเตอร์เสียหายได้  

ดังนั้น  การที่จะนำแกลแวนนอมิเตอร์ไปใช้วัดค่ากระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า  จึงต้องทำการดัดแปลงเสียก่อน


               
         สัญลักษณ์ของแกลแวนอมิเตอร์คือ     



                แอมมิเตอร์  (Ammeter)

                    แอมมิเตอร์    ป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดกระแสไฟฟ้า    ซึ่งดัดแปลงจากการนำความต้านทาน (ชันต์)  ที่มีค่าน้อยๆ มาต่อขนานกัลแกลแวนอมิเตอร์  เพื่อแบ่งกระแสไม่ให้

ไหลผ่านแกลแวนอมิเตอร์มากเกินไป  จนทำให้แกลแวนอมิเตอร์พังได้เมื่อเราต้องการวัดกระแสที่มีค่ามากๆ
          
            1.  นำชันต์ต่อขนานกับแกลแวนอมิเตอร์
            
            2.  ชันต์ต้องมีค่าน้อยๆ เพื่อให้กระแสแยกไหลผ่านชันต์มากๆ เพื่อช่วยลดกระแสที่จะไหลผ่านแกลแวนอมิเตอร์

คุณสมบัติของแอมมิเตอร์ที่ดี

         1.  มีความแม่นยำสูง    ซึ่งเกิดจากการนำชันต์ที่มีความต้านทานน้อยๆ   มาต่อ เพื่อว่าเมื่อนำแอมมิเตอร์ไปต่ออนุกรมในวงจรแล้ว   จะไม่ทำให้ความต้านทานรวมของว

จรเปลี่ยนแปลง  ทำให้กระแสที่วัดได้มีความแม่นยำสูง  หรือมีความผิดพลาดจากการวัดน้อย
        
        2.  มีความไว  (Sensitivity)  สูง    เมื่อชันต์มีค่าน้อยๆ  กระแสที่ไหลผ่านชันต์   จะมีค่ามาก   ทำให้กระแสที่ไหลผ่านแกลแวนอมิเตอร์  มีค่าน้อย    นั่นคือ  แอมมิเตอร์ที่ดีจะ

สามารถตรวจวัดค่ากระแสน้อยๆ ได้  กล่าวคือ  แม้วงจรจะมีกระแสไหลเพียงเล็กน้อย  แอมมิเตอร์ก็สามารถวัดค่าได้

การนำไปใช้วัด

     ใช้แอมมิเตอร์ไปต่ออนุกรมในวงจรในสายที่ต้องการทราบค่ากระแสที่ไหลผ่าน  เหมือนกับการวัดกระแสน้ำก็ต้องนำเครื่องมือวัดไปจุ่มลงน้ำด้วย  ดังนี้

                โวลต์มิเตอร์ (Voltmeter)

                    -โวลต์มิเตอร์  เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดแรงดันไฟฟ้า  หรือความต่างศักย์ตกคร่อมจุดสองจุดใดๆ เมื่อนำไปวัดจึงต้องนำไปต่อคร่อมจุดที่ต้องการวัด

                   -โวลต์มิเตอร์    ดัดแปลงจากการนำความต้านทานที่มีค่าสูงมาต่ออนุกรมกับแกลแวนอมิเตอร์

การนำไปใช้วัด

         นำโวลต์มิเตอร์ไปต่อขนาน  หรือต่อคร่อมจุดที่ต้องการวัดแรงดันในวงจร  ดังนี้ 

คุณสมบัติของโวลต์มิเตอร์ที่ดี

        1.  มีความแม่นยำสูง   ซึ่งเกิดจากการนำความต้านทาน r   ที่มีค่าสูงมากๆ  ต่ออนุกรมกับแกลแวนอมิเตอร์   เพื่อป้องกันมิให้มีกระแสแยกไหลผ่านโวลต์มิเตอร์ ทำให้กระแส

ไหลผ่านจุดที่ต้องการวัดทั้งหมด ค่าแรงดันที่วัดได้ จึงมีความผิดพลาดน้อย

       2.  มีความไวสูง  แม้ค่าแรงดันมีค่าต่ำมากก็สามารถตรวจวัดได้ 


        

        พลังงานไฟฟ้า


                มื่อต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า  ประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนที่   ทำให้มีกระแสไฟฟ้าผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้า   พลังงานไฟฟ้าจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นตาม


ชนิดของเครื่องใช้ไฟฟ้า     เช่น   เมื่อต่อหลอดไฟกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า    จะได้พลังงานแสงสว่าง    ถ้าต่อเตาไฟฟ้าเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า  จะได้พลังงานความร้อน    ถ้าต่อแหล่ง


กำเนิดไฟฟ้าเข้ากับเครื่องซักผ้า  พัดลม  และสว่านไฟฟ้า   ก็จะได้พลังงานกล   เป็นต้น


        พลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้า



           กำลังไฟฟ้า


                กำลังไฟฟ้า  คือ  พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปในหนึ่งหน่วยเวลา  มีหน่วยเป็น  จูลต่อวินาทีหรือวัตต์  เขียนสมการ
ได้ดังนี้



เมื่อ...

                     P        =         กำลังไฟฟ้า         มีหน่วยเป็นจูลต่อวินาทีหรือวัตต์
                    W        =        พลังงานไฟฟ้า    มีหน่วยเป็นจูล
                      t         =         
เวลา                  มีหน่วยเป็นวินาที


พิจารณาวงจรไฟฟ้า


                วงจรไฟฟ้า  ซึ่งประกอบด้วย  แหล่งจ่ายไฟฟ้า  (เซลล์ไฟฟ้า)  ต่อเข้ากับเครื่องใช้ไฟฟ้า  (ตัวต้านทาน)  ดังรูป

                               

                                




                                                                    



                             จากวงจรไฟฟ้าที่กำหนดให้   เมื่อต่อวงจรครบวงจร   เซลล์ไฟฟ้าจะให้ประจุ +Q  คูลอมบ์  ในเวลา วินาที ประจุไฟฟ้า Q   เคลื่อนที่ไปได้      เนื่องจากพลังงาน

ของเซลล์ไฟฟ้าที่ให้ออกมา   และขณะประจุ Q   เคลื่อนที่ผ่าน ความต้านทาน (R)   ย่อมสูญเสียพลังงานไปส่วนหนึ่ง  แยกพิจารณาได้  ดังนีh

                            1.   พลังงานไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

                            2.   พลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียให้แก่ตัวต้านทาน (เครื่องใช้ไฟฟ้า)


          


        พลังงานไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า


จากนิยามของแรงเคลื่อนไฟฟ้า

                   
แรงเคลื่อนไฟฟ้า (E) คือ พลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนที่ประจุ +1 C ครบวงจรพอดี

          ดังนั้น

                    ในการเคลื่อนประจุ   +1  C   ครบวงจร    ต้องใช้พลังงาน  E
                    ถ้าเคลื่อนประจุ        +Q  C   ครบวงจร    ต้องใช้พลังงาน  QE

          เมื่อ
                    W
E       =     พลังงานไฟฟ้าที่เซลล์ไฟฟ้าจ่ายออกมา ... (J ; จูล)
                     Q         =    
ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่  ... (C ; คูลอมบ์)
                     E         =     แรงเคลื่อนไฟฟ้า  ... (V ; โวลต์)

จะได้ว่า ... 
                                                                           WE              =             QE

        จาก ….
                                                                              Q               =             It

        ดังนั้น ….
                                                                           WE              =             ItE

 

        ถ้าให้   PE   คือ  กำลังไฟฟ้าของเซลล์ไฟฟ้า

        จาก...


                           

        จะได้ ...                                                                                                        PE  =   ItE/t
                                              

        หรือ ...
                              



การคำนวณค่าไฟฟ้า

          เมื่อมีการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้า     ต้องเสียค่าไฟฟ้าให้กับการไฟฟ้า      โดยคิดจากจำนวนพลังงานไฟฟ้าที่
เครื่องใช้ไฟฟ้านั้นๆ ใช้ไป

         

             จาก...



        จะได้
                                                                                                                 W           =             P.
t



เมื่อ
                              P         =       กำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้า ... (Watt ; W วัตต์)
                              t           =       เวลาที่ใช้ไฟฟ้า ... (s ; วินาที)

                             W        =       พลังงานไฟฟ้าที่เครื่องใช้ไฟฟ้าใช้ไป ... (J ; จูล)


          โดยปกติหน่วยของพลังงานไฟฟ้า   เป็นวัตต์.วินาที    ถ้านำมาใช้กับพลังงานที่ใช้  จะไม่เหมาะสม เพราะเป็นหน่วยเล็ก  ในทางปฏิบัติจึงคิดพลังงานไฟฟ้าเป็นกิโล


วัตต์.ชั่วโมง  หรือ  ที่เรียกกันว่า  “หน่วย  หรือ  ยูนิต  (Unit)”

                           1  หน่วย (Unit)          =           1  กิโลวัตต์.ชั่วโมง

          หาค่าพลังงานที่เครื่องใช้ไฟฟ้าใช้ไปได้จาก

                                                                W                    =          P (กิโลวัตต์)  x  t (ชั่วโมง)

          จำนวนยูนิต  หาได้จาก




    เครื่องหมายบนไฟฟ้า

                        เครื่องใช้ไฟฟ้า    จะมีตัวเลขบอกความต่างศักย์ที่ใช้ (V)   และกำลังไฟฟ้า (P)  ที่เกิดขึ้นเป็นวัตต์ (W)   แต่บางชนิดก็กำหนดค่าความต่างศักย์ (V)  กับกระแสที่ผ่าน


เครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นแอมแปร์
  (A)   เช่น
เตารีด 110 V  750 W   หมายความว่า  “เตารีดจะเกิดกำลัง  750  วัตต์   เมื่อใช้กับไฟฟ้าความต่างศักย์
110  โวลต์

          

                จำ…   ควรใช้กับไฟความต่างศักย์  110  โวลต์  เท่านั้น    ถ้าใช้กับความต่างศักย์  220  โวลต์  เตารีดจะไหม้และเกิดอันตราย    แต่ถ้าใช้กับความต่างศักย์ต่ำกว่า    จะเกิด


กำลังน้อยกว่า  750  วัตต์  ทำให้เกิดความร้อนน้อยลง


เตาไฟฟ้า 220 V  3 A  หมายความว่า  เมื่อใช้เตาไฟฟ้ากับความต่างศักย์  220  โวลต์  จะมีกระแสผ่านแอมแปร์   หรือเกิดกำลัง  (P)  =  IV   ดังนั้น   P  =  220 x 3  =  660  วัตต์


    การต่อวงจรไฟฟ้าในบ้าน

            เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ    เช่น   หลอดไฟฟ้า   เตารีด   พัดลม   จะต่อวงจรแบบขนานทั้งสิ้น   เนื่องจากต้องการให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้น    ได้รับความต่างศักย์เท่ากันและ

เครื่องมือใดชำรุดเสียหายเท่ากับที่กำหนดไว้บนเครื่องใช้ไฟฟ้า    จึงจะเกิดกำลังตามที่กำหนด และถ้าเครื่องมือใดชำรุดเสียหาย ก็จะเสียหายเฉพาะเครื่องใช้ไฟฟ้าเครื่องนั้น ไม่เกี่ยว

กับเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดอื่น   

 

            วงจรไฟฟ้าและเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน

                วงจรไฟฟ้าในบ้าน  ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ  มีความต่างศักย์ไฟฟ้าเฉลี่ย  220  โวลต์  สายไฟที่เข้ามาในบ้านจะมี  2  สาย     ต่อจากสายหลักที่เสาไฟฟ้าผ่านมาตรกิโล

วัตต์-ชั่วโมง    แล้วเข้าไปในบ้าน    โดยสาย  สายนั้น  สายหนึ่งจะเป็นสายกลาง (N)   และอีกสายจะเป็นสายมีศักย์  (L)   สายมีศักย์จะผ่านฟิวส์     ซึ่งจะเป็นตัวป้องกันอันตรายที่

เกิดจากไฟฟ้าช็อต      หรือการใช้กระแสไฟฟ้าเกินขนาดที่ฟิวส์จะทนได้     เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านจะต่อกันแบบขนาน  หลังจากผ่านสะพานไฟรวมไปแล้ว  ดังรูป


  

                อุปกรณ์และเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน   ได้แก่   หลอดไฟ   หม้อหุงข้าว    เตารีด    พัดลม    โทรทัศน์ เครื่องปรับอากาศ    อุปกรณ์เหล่านี้ทุกชิ้น  จะมีตัวเลขบอกความ

ต่างศักย์ (V)   และกำลังไฟฟ้า (P)  ที่เกิดขึ้นเป็นวัตต์ (W)     แต่บางชนิดก็กำหนดค่าความต่างศักย์ (V)    กับกระแสที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นแอมแปร์  (A)  เครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชิ้น

ควรต่อสายดิน เพื่อป้องกันไฟดูดสายดินทำด้วยลวดทองแดงความต้านทานต่ำมากต่อกับตัวถังของเครื่องใช้ไฟฟ้าปลายหนึ่ง   อีกปลายหนึ่งต่อกับแท่งโลหะยาวประมาณ  1.5  เมตร 


ฝังดินไว้ ดังรูป เมื่อมีไฟรั่วเข้าตัวถังของเครื่องใช้ไฟฟ้า  กระแสไฟฟ้าจะไม่ไหลผ่านตัวเราลงดิน     เพราะตัวเรามีความต้านทานสูง     กระแสไฟที่รั่วจะเลือกไหลลงดินผ่านทาง


สายดิน    ทำให้เราปลอดภัยจากไฟฟ้าดูด


    แสดงตัวอย่างของเครื่องใช้ไฟฟ้า

         


        เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ เช่น หลอดไฟฟ้า  เตารีด  พัดลม จะต่อวงจรแบบขนานทั้งสิ้น เนื่องจากต้องการให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้น  ได้รับความต่างศักย์เท่ากันและเท่ากับที่กำหนด

ไว้ บนเครื่องใช้ไฟฟ้า จึงจะเกิดกำลังตามที่กำหนดและ ถ้าเครื่องมือใดชำรุดเสียหาย ก็จะเสียหาย เฉพาะเครื่องใช้ไฟฟ้าเครื่องนั้น    ไม่เกี่ยวกับเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดอื่น


แหล่งที่มา:   http://www.thaigoodview.com/library/studentshow/2549/khonkhan/electric/content/12_1.htm



Comments