ไฟฟาเบ องตน

ดร.ณฐดนย สงหคลวรรณ

ไฟฟา คออะไร

พลงงานรปแบบหน ง ท างานโดยอาศยหลกการเคล อนท ของประจไฟฟาหรออเลกตรอน

ไฟฟา (ELECTRIC)

ไฟฟาแบงออกเปน

ไฟฟาสถต

ไฟฟากระแส

ไฟฟาสถต เปนปรากฏการณทปรมาณประจไฟฟาข วบวกและข วลบบนผววสดมไมเทากน และไม

เคล อนทจง เรยกวา สถต จนกระท งมการถายเทประจไฟฟา หรอเกดการไหลของ

อเลกตรอน จงกลายเปนไฟฟากระแส ปกตจะแสดงในรปการดงดดหรอการผลกกน แต

ไมเกดประกายไฟ

ไฟฟาทเกดจากกลมของประจไฟฟาทอยน ง โดยกลมของประจไฟฟาเหลาน สามารถแสดง

อ านาจทางไฟฟาออกมาได

เชน สามารถดดวตถเลก ๆ ได

ไฟฟาสถตเกดไดจาก การขดถกนของวตถ

ทาลส (Thales) นกปราชญชาวกรก คนพบปรากฏการณ

ไฟฟาสถตจากการถแทงอ าพนกบผาขนสตว และเม อน าแทง

อ าพนน นไปใกลกบวตถช นเลกๆ เชน เศษไม จะท าใหเศษไมน น

เคล อนท เขาหาแทงอ าพนได

ตวการทท าใหเกดอ านาจแรงดงดดทางไฟฟา คอ ประจไฟฟา

สาเหตทท าใหวตถเกดประจไฟฟาอสระ จากการขดสกนของวตถทเหมาะสม 2 ชนด โดยประจไฟฟาทเกดข นบนผววตถคน น ๆ จะเปนประจไฟฟาตางชนดกนเสมอ

สาเหตทท าใหวตถเกดประจไฟฟาอสระ การเหนยวน า ท าไดโดยการน าวตถซงมประจไฟฟาอสระมาเขาใกลวตถท เปนกลาง จะท า

ใหเกดการเหน ยวน าประจไฟฟาในวตถท เปนกลางจนเกดการจดเรยงตวใหม เน องจากแรง

ทางคลอมบ จงเปนผลท าใหวตถท เปนกลางมประจไฟฟาเกดข น

สาเหตทท าใหวตถเกดประจไฟฟาอสระ การสมผส หรอ การถายเทประจ คอ การถายเทประจไฟฟาระหวางวตถ 2 ชนด ท

มประจไฟฟาบนพ นผวไมเทากน ซงจะเกดข นอยางรวดเรว

การใชประโยชนจากไฟฟาสถตย

เครองถายเอกสาร เครองพมพเลเซอร เครองกรองอากาศแบบไฟฟา

ทมา : http://www.atom.rmutphysics.com/charud/specialnews/5/Zerox/Zerox1.htm

ทมา : https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_printing

ทมา : http://www.plentyair.com/electrostatic-ionic-uv/

ไฟฟากระแส

ไฟฟาทเกดจากกลมของประจไฟฟาทสามารถเคล อนท ไปตามตวน าไฟฟาไดและเกดข น

อยางตอเน อง

แบงออกเปน

ไฟฟากระแสตรง (Direct Current : DC) ไฟฟากระแสสลบ (Alternative Current : AC)

เบนจามน แฟรงคลน (พ.ศ.2295) ท าการ

ทดลองโดยการปลอยวาวซงผกลกกญแจโลหะไว

ทหางวาวข นบนทองฟาในวนท มลมพายรนแรง

พบวาเกดประกายไฟกระโดดจากลกกญแจโลหะเขา

สมอของเขา จงถอวาน เปนการคนพบไฟฟาใน

ธรรมชาต

ไฟฟากระแสตรง (Direct Current : DC) กระแสไฟฟาทไหลในทศทางเดยว

มข วแนนอน เวลาใชงานตองตอใหถกตอง (+และ-)

ผคดคนแบตเตอร

อเลสซานโดร โวลตา นกฟสกสชาวลอมบารด

1788 ประดษฐเครองก าเนดไฟฟาช อวา โวลตาอคไพล (Voltaic Pile) หรอทรจกกนดในช อของ แบตเตอรไฟฟา (Battery) ซงถอไดวาเปนเครองก าเนดไฟฟาชนดแรกของโลกทเกดจากปฏกรยาทางเคม

ผประดษฐเครองก าเนดไฟฟากระแสตรง

Thomas Alva Edison ในป ค.ศ. 1882 สรางโรงไฟฟาและระบบจายไฟฟากระแสตรงแหงแรกสรางเสรจ

สมบรณบนถนน Pearl Street

Humongous Edison dynamo,

circa 1884.

แหลงก าเนดไฟฟากระแสตรง 1. แหลงก าเนดไฟฟาจากปฏกรยาเคม

2. แหลงก าเนดไฟฟาจากการแปลงไฟฟากระแสสลบ

ไฟฟากระแสสลบ (Alternative Current : AC) ไฟฟาทสามารถเคล อนทไดท งสองทศทาง ท งดานบวกและลบไมมข วแนนอน

ไดจากโรงไฟฟา เครองก าเนดไฟฟา

ผประดษฐเครองก าเนดไฟฟา

ป 1831-1832, ไมเคล ฟาราเดย คนพบหลกการท างานของเครองก าเนดไฟฟา

จากแมเหลกไฟฟา ตอมาเรยกวา กฎของฟาราเดย

ทมา https://sites.google.com/site/piccescancer/phaph-

thi-snci-dinamo

เครองก าเนดไฟฟากระแสสลบ

อาศยหลกการหมนขดลวดตดผานสนามแมเหลก เชน เครองก าเนดไฟฟา

นโคลา เทสลา ประดษฐระบบจายไฟฟากระแสสลบ และเปดตวเรองไฟฟากระแสสลบในป

ค.ศ. 1887 ในงาน The Chicago World ท าใหหลอดไฟนบแสนดวงสวางไสวท วท งงาน และสงผลใหผผลตอปกรณไฟฟามากกวารอยละ 80 ใน

สหรฐอเมรกาหนมามองระบบไฟฟากระแสสลบแทน

เขอน แหลงก าเนดไฟฟากระแสสลบ

พลงงานลม

พลงงานแสงอาทตย เชน โซลารเซล

แหลงก าเนดพลงงานไฟฟาในปจจบน

โรงไฟฟานวเคลยร

ไฟฟาเคล อนท ไปไดอยางไร ?

ศกยไฟฟาและความตางศกย

ศกยไฟฟา(Potential) เปนพลงงานทเก ยวของกบประจไฟฟาทจดหน งในสนามไฟฟา เน องจากแรงทกระท ากบประจไฟฟาน น พลงงานของประจไฟฟาข นอยกบ

ขนาดของประจและศกยไฟฟาทจดน น

ประจไฟฟาบวกจะมแนวโนมเคล อนท เขาสจดทมศกยไฟฟาต ากวาน นคอ เคล อนลงตามเกร

เดยนรของศกยไฟฟา

เราไมสามารถวดศกยไฟฟาได แตสามารถวดความตางศกยไฟฟาระหวางจดสองจดได

ความตางศกยไฟฟา( Potential difference) ความตางศกยของศกยไฟฟาระหวางจด 2 จด มคาเทากบการเปล ยนแปลงพลงงานเม อประจไฟฟา

บวกหน งหนวยเคล อนทจากจดหน ง ไปยงอกจดหน งในสนามไฟฟาหนวยของความตาง

ศกยไฟฟาคอ Volt บางทเรยกความตางศกยไฟฟาวา Voltage

พลงงานไฟฟาจะเปล ยนไป 1 จล เม อประจไฟฟา 1 คลอมบ เคล อนทระหวางจดสองจด

ทมความตางศกย 1 โวลต ท มการก าหนดจดอางองจดหน งใหมศกยไฟฟาเปนศนย

โวลต

1.5 V

3 V

ตวน าและฉนวนไฟฟา

ตวน าไฟฟา (Conductor) คอ วสดสารตาง ๆ ท สามารถใหอเลกตรอนอสระออกมาไดโดยงายและมจ านวนมาก จง

ท าใหมความตานทานกระแสไฟฟาต า ดงน นมนจงยนยอมใหกระแสไฟฟาไหลผานได

โดยงาย เชน เหลก ทองแดง เงน

ฉนวนไฟฟา (Insulator) คอ วสดสารทไมยนยอมใหกระแสไฟฟาผานไดโดยงาย เน องจากใหอเลกตรอนอสระได

ยากมาก ๆ ดงน นจงมคาความตานทานกระแสไฟฟาสงมาก ๆ

เชน พลาสตก ไมแหง กระจก ถงมอหนง

ความตานทานไฟฟา (Resistance) คอ หนวยวดปรมาณความตานทานกระแสไฟฟาของวตถแตละชนด ซงมคาไม

เทากนตามแตคณสมบตของสารแตละชนด ซงเราสามารถหาคาความตานทาน

ไฟฟาไดจาก

R = L/A

R คอ คาความตานทานไฟฟา มหนวยเปน Ohm () คอ คาความตานทานไฟฟาจ าเพาะ (Ohm – Meter : -M) L คอ ความยาว มหนวยเปนเมตร A คอ พ นท หนาตด มหนวยเปนตารางเมตร

การเปรยบเทยบคาความตานทานไฟฟา

ในการเปรยบเทยบคาความตานทานไฟฟาน น จะเปรยบกนไดกตอเม อเปนสารหรอวสด

ชนดเดยวกน

แตสารตางชนดกนกสามารถหาคาไดดวยการค านวณตามตวอยางทผานมา

1. เมอมขนาดพนทหนาตดเทากน A1 = A2

2. เมอมความยาวเทากน L1 = L2

ตวตานทานไฟฟา (RESISTOR)

คอ อปกรณทนกวทยาศาสตรประดษฐข นมาเพ อตอรวมกบวงจรเพ อบงคบให

กระแสไฟฟาในวงจรเปล ยนแปลงตามตองการ ท าจากสารกงตวน า

ตวตานทานไฟฟามหนวยเปน โอหม ( Ohm : ) ซงเปนนามของ George Simon Ohm

ตวตานทานหรอ รซสเตอร แบงตามลกษณะการใชงานได 2 ชนด 1. ชนดคาคงท ( Fixed Resistor ) เปนตวตานทานทมความตานทาน

คงท โดยจะก าหนดคาความตานทานเปนรหส เชน ตวเลขโคดส จะพบเหนไดใน

วงจรท วไป

2. ชนดเปล ยนแปลงคาได (Variable Resistor) เปนตวตานทานทสามารถปรบคาความตานทานไดอยางตอเน องในชวงคาความตานทานทก าหนดไว

จะใชในงานทตองการปรบคาความตานทานบอยๆ ตวตานทานชนดน จะมหนาคอน

แทคส าหรบใชในการหมนเล อนหนาคอนแทค

การอานคาตวตานทานชนดคาคงท สามารถอานคาไดจากแถบส ซงแถบสนอกจากจะบอกคาความตานทานแลว ยงมไวเพอบอกเปอรเซนตความคลาดเคลอนของคาความตานทานในตวตานทานดวย โดยตวตานทานทระบคาความตานทานแบบรหสสนจะสามารถแบงออกเปน 3 แบบ คอ

การอานคาตวตานทาน

ตวตานทานแบบ 4 แถบส

ตวตานทานแบบ 4 แถบส

ตวตานทานแบบ 5 แถบส

ตวตานทานแบบ 5 แถบส

ตวอยาง

แทนคาส แดง = 2 เหลอง = 4 น าตาล = 101

รวมคา 24 x 10 = 240 มความผดพลาด 5 %

แทนคาส • เขยว = 5 • เทา= 8 • เหลอง = 104

รวมคา 58 x 104 = 580,000 หรอ 580 k มความผดพลาด 5 %

จบภาค 1

Gray-chinned Minivet (Pericrocotus solaris), Taiwan. by John & Fish

การบาน

1. ไฟฟาแบงออกเปนกประเภท อะไรบาง และเราใชสงใดในการแยกประเภทของไฟฟา

2. สนามไฟฟาคออะไร สามารถเกดขนไดจากอะไรบาง และจงอธบายวาเราสามารถน าสนามไฟฟามาใชประโยชนในชวตประจ าวนไดหรอไมอยางไร

3. จงอธบายวา เหตใดประจไฟฟาทตางกนจงดงดดซงกนและกน และประจไฟฟาทเหมอนกนจงผลกซงกนและกน

24,000 = 24 k 73,000,000 = 73 M 5,100,000 = 5.1 M 950 = 950 2,100,000 = 2.1 M 89 = 89 1 = 1 0.76 = 0.76

4. จงอานคาความตานทานตอไปน

แดง เหลอง สม มวง สม น าเงน เขยว น าตาล เขยว ขาว เขยว น าตาล แดง น าตาล เขยว เทา ขาว ด า น าตาล ด า ทอง

มวง น าเงน เงน

พนฐานวงจรไฟฟา

วงจรไฟฟาคออะไร วงจรไฟฟา (Electric Circuit) คอการเช อมตอกนของอปกรณไฟฟา

ในทางฟสกสแลว รปแบบทเกดข นในวงจรไฟฟาจะเปนการสงผานพลงงานจากจดหน งไปยงจดหน งโดยทวงจรไฟฟาจะมรปแบบของการเช อมตอกนของอปกรณไฟฟา

(Electric Element)

54

ตวอยางวงจรไฟฟาอยางงาย

55

คาและหนวยทางไฟฟา

แรงเคลอนไฟฟา (Volt : V) แรงดนไฟฟา คอพลงงานทใชในการเคล อนท ประจ 1 คลอมบ ผานอปกรณไฟฟาหรอสวนหน งของวงจรจากจด a ไปยงจด b ซงมหนวยวดเปนหนวย Volts (V)

กระแสไฟฟา (Ampere : I) กระแสไฟฟาคออตราการเปล ยนแปลงของประจตอเวลา โดยมหนวย แอมแปร

(Ampere)

ความตานทานไฟฟา (Ohm : ) วสดตางๆจะมคณสมบตในการตานทานการเคล อนท ของประจไฟฟา ซงเราเรยกคณสมบตน วา “ความตานทานไฟฟา” (Resistance) เขยนเปนสญลกษณไดคอ R มหนวยเปนโอหม (, Ohms)

ในท น คอคาของ ตวตานทานไฟฟา (Resistor)

กฎของโอหม (Ohm’s Law) กลาววา “ในวงจรไฟฟา คากระแสไฟฟาจะแปรโดยตรงกบคาความตางศกยไฟฟา และจะแปรผกผนหรอแปรผนกลบกบคาความตานทานไฟฟา”

เขยนเปนสมการไดเปน V = R I โดยทศทางของกระแสและแรงดนเปนดงรป

59

vi R

ถาจะใหมกระแสไหลผานความตานทาน จะตองมแรงดน

ครอมตวตานทาน กฎของโอหมแสดงความสมพนธระหวางแรงดน(V) กระแส (I) และความตานทาน (R) สามารถเขยนแสดงความสมพนธได 3 อยางคอ:

V = I × R หรอ I = V / R หรอ R = V / I

60

V R I

เมอ: V = แรงดน หนวยเปนโวลท (V) I = กระแสหนวยเปนแอมป(A) R = ความตานทานหนวยเปนโอหม ( )

61

การค านวณกฎของโอหม

เขยนคาลงไป หากจ าเปนกแปลงหนวย เลอกสมการตามทตองการ(โดยใชสามเหล ยม VIR ) แทนตวเลขในสมการและค านวณหาค าตอบ

62

V

R I

V R I

ตวอยาง

63

จากวงจรจงหาคากระแสไฟฟาในวงจร

10V 10

I คา: V = 10 V, I = ?, R = 10

ใชสมการ: I = V/R แทนคาในสมการ

จะไดกระแส I = 10V/ 10

= 1 A

ตวอยาง

64

จากวงจรจงหาคากระแสไฟฟาในวงจร

คา: V = 10V I = ? A, R = 1,000 ใชสมการ: I = V / R แทนคาในสมการ

จะไดไดกระแส I = 10V/ 1,000

= 0.01 A = 10 mA

10V 1,000

I

ตวอยาง

65

จากวงจรจงหาคาแรงดนไฟฟาตกครอมตวตานทาน

คา: V = ? I = 1A, R = 10 ใชสมการ: V = I * R แทนคาในสมการ

จะไดแรงดน V = 1A * 10

= 10 V

+ V

-

10 1 A

ตวอยาง

66

จากวงจรจงหาคาแรงดนไฟฟาตกครอมตวตานทาน

คา: V = ? I = 10 mA, R = 1,000 ใชสมการ: V = I * R แทนคาในสมการ

จะไดแรงดน V = 0.01A * 1,000

= 10 V

1000

10 mA

ตวอยาง

67

จากวงจรจงหาคาความตานทานไฟฟา

10V 1 A

คา: V = 10 V, I = 1 A, R = ? ใชสมการ: R = V / I แทนคาในสมการ

จะไดความตานทาน R = 10V/ 1 A

= 10

ตวอยาง

68

จากวงจรจงหาคาความตานทานไฟฟา

10V 10 mA

คา: V = 10 V, I = 1 A, R = ? ใชสมการ: R = V / I แทนคาในสมการ

จะไดความตานทาน R = 10V/ 10 mA

= 10V/ 0.01 A

= 1,000

วงจรอนกรมและวงจรขนาน

วงจรอนกรม อปกรณ 2 ตว หรอมากกวา 2 ตวจะอนกรมกน เม ออปกรณเหลาน นตอกนเรยงตามล าดบไปเรอยๆ ดงน นอปกรณทกตวจะมกระแสไหลผานเทากน แตแรงดนตกครอมไมเทากน

69

i

ตวตานทานตออนกรมและการแบงแรงดน

ตวตานทานตออนกรม

70

วงจรสมมล วงจรตวตานทานตออนกรม

v1 v2

R1 R2v RNvN

i

v RS

i

ตวตานทานตออนกรมกนจะไดความตานทานสมมลคอ

N

1nnN21eq RR...RRR

ตวอยาง

จงค านวณคาความตานทานรวม

Req = 2 + 6 + 1 = 9 Ohm Ans.

71

ตวอยาง

จงค านวณคาความตานทานรวม

Req = 125 + 350 + 15

= 490 Ohm Ans.

72

125

350

15

การแบงแรงดน แรงดนทตกครอมตวตานทานตวท m จะมคาเปน

73

vR...RR

Rv

N21

mm

v1 v2

R1 R2v RNvN

i

V = V1 + V2 + … + Vn

ตวอยาง

จงค านวณหาแรงดนตกครอม R 6 Ohm

จาก

VR6 = 18 V x (6 / (2+6+1))

= 12 V Ans.

74

18 V

+

-

vR...RR

Rv

N21

mm

จงหากระแสไฟฟาทไหลในวงจร

I = E / R

R = R2 + R6 + R1 = 2+6+1 = 9

I = 18 V / 9

I = 2 A

ตวอยาง

จงค านวณหาแรงดนตกครอม R 152

จาก

VR6 = 118 V x (152 /

(152+350+15))

= 29.4 V Ans.

77

152

350

15

118 V

+

-

vR...RR

Rv

N21

mm

จงหากระแสไฟฟาทไหลในวงจร

I = E / R

R = R152 + R350 + R15 = 152+350+15 = 517

I = 118 V / 517

I = 0.23 A

วงจรขนาน อปกรณ 2 ตว หรอมากกวา 2 ตวจะขนานกน เม อข ว

ท งสองของอปกรณเหลาน นตออยท โนด 2 โนดเดยวกน ดงน นอปกรณ

ทกตวจะมแรงดนตกครอมเทากนแตกระแสไหลผานแตกตางกน

80

v

สรปในวงจรอนกรม

กระแสไฟฟาไหลเทากนท งวงจร

แรงดนตกครอมตวตานทานแตละตวจะแตกตางกนไปตามคาความตานทานทม โดย ตวท

มคาความตานทานมากจะมแรงดนตกครอมมาก

ผมรวมของแรงดนตกครอมตวตานทานทกตวจะเทากบแรงดนทจายใหกบวงจร

81

วงจรไฟฟาแบบขนาน

เปนวงจรไฟฟาทน าโหลดมาตอพวงกน

I1

I2

I3

In

It

V

กระแสไฟฟาทไหลในวงจรจะมคาแตกตางกนไปตามคาความตานทานของโหลด แตเม อ

รวมกนแลวจะตองมคาเทากบแหลงจายกระแสไฟฟาน น

It = I1 + I2 + I3 + … + In

แรงดนไฟฟาทตกครอมโหลดแตละตวในวงจรจะเทากนท งวงจร

คาความตานทานของวงจรเทากบ

1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + … + 1/Rn

ตวอยาง

จงค านวณคาความตานทานรวม

1/Req = 1/3 + 1/5 + 1/17

= 151/255 = 0.592

Req = 1.69 Ohm Ans. 3 Ω 17 Ω 5 Ω

ตวอยาง

จงค านวณคาความตานทานรวม

1/Req = 1/150 + 1/450 + 1/15

= 34/450 = 0.076

Req = 13.16 Ohm Ans. 150 Ω 15 Ω 450 Ω

การแบงกระแส กระแสทไหลผานตวตานทานตวท n จะมคาเปน

Rn

V

R

V

R

V ...

21i

v R1

i

R2 RN

i1 i2 i N

iRn

Rnn

1ni

ตวอยาง

จงหากระแสทไหลผาน R 17 Ω

จาก

I R17 = (1.69 / 17) x 3

= 0.29 A Ans. 3 Ω 17 Ω 5 Ω

3 A

n1

mi iRm

Rnn

หาคาแรงดนไฟฟาตกครอมวงจร

V = I * R

V = 3 A * 1.69

V = 5.07 V

ตวอยาง

จงหากระแสทไหลผาน R 150 Ω

จาก

I R17 = (13.16 / 150) x 3

= 0.62 A Ans. 150 Ω 15 Ω 450 Ω

7 A

n1

mi iRm

Rnn

หาคาแรงดนไฟฟาตกครอมวงจร

V = I * R

V = 7 A * 13.16

V = 92.60 V

สรปในวงจรขนาน

แรงดนไฟฟาตกครอมตวตานทานเทากนท งวงจร

กระแสไฟฟาทไหลผานตวตานทานแตละตวจะแตกตางกนไปตามคาความตานทานทม โดย

ตวท มคาความตานทานมากจะมกระแสไฟฟาไหลนอย

ผมรวมของกระแสไฟฟาทไหลผานตวตานทานทกตวจะเทากบกระแสไฟฟาทจายใหกบ

วงจร

93

เครองมอวดทางไฟฟา

โอหมมเตอร

โวลตมเตอร

แอมปมเตอร

โวลตมเตอร

เครองมอใชวดความตางศกยระหวางจด 2 จด ในวงจรไฟฟา โวลตมเตอรท ดตองมความตานทานภายในมากๆ

ในการใชโวลตมเตอรตองตอโวลตมเตอรแบบขนานกบจดคท ตองการวดความตางศกย

แอมปมเตอร

เครองมอท ใชวดปรมาณกระแสไฟฟา

แอมมเตอรท ดตองมความตานทานภายในนอยๆ

การใชแอมมเตอรตองตอแอมมเตอรอนกรมกบวงจรไฟฟา

Bommm

โอหมมเตอร

ใชวดความตานทานของอปกรณอเลกทรอนกสในวงจรไฟฟา

การใชโอหมมเตอรตองตอแบบขนานกบอปกรณทตองการวดความตานทานน น

การบาน

1. จงหาคาแรงดนไฟฟาตกครอมตวตานทาน 10,000 ถามกระแสไฟฟา

23 mA ไหลผาน

2. จงหาคาความตานทานไฟฟา เม อ ตอแหลงจายแรงดนไฟฟา 56 โวลตและม

กระแสไฟฟา 1 แอมแปรไหลผาน

3. จงหาคากระแสไฟฟาทไหลผานตวตานทานไฟฟา 32 k เม อตอแหลงจาย

แรงดนไฟฟา 100 โวลต