บทที่ 14 ไฟฟ้ากระแส

บทที่ 14 ไฟฟ้ากระแส

บทที่ 14 ไฟฟ้ากระแส

ไฟฟ้ากระแส คือ การไหลของอิเล็กตรอนภายใน ตัวนำไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งเช่น ไหลจาก แหล่งกำเนิดไฟฟ้าไปสู่แหล่ง ที่ต้องการใช้กระ แสไฟฟ้า ซึ่งก่อให้เกิด แสงสว่าง เมื่อกระแส ไฟฟ้าไหลผ่านลวด ความต้านทานสูงจะก่อให้ เกิดความร้อน เราใช้หลักการเกิดความร้อน เช่นนี้มาประดิษฐ์อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น เตาหุงต้ม เตารีดไฟฟ้า เป็นต้น

แบ่งเป็น 2 ชนิด
- ไฟฟ้ากระแสตรง ( Direct Current หรือ D .C )
- ไฟฟ้ากระแสสลับ ( Alternating Current หรือ A.C. )

ไฟฟ้ากระแสตรง ( Direct Current หรือ D .C )
          เป็นไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลไปทางเดียว ตลอดระยะเวลาที่วงจรไฟฟ้าปิดกล่าว คือ กระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วบวก ภายในแหล่งกำเนิด ผ่านจากขั้วบวกจะไหลผ่านตัวต้านหรือโหลดผ่านตัวนำไฟฟ้าแล้ว ย้อนกลับเข้าแหล่งกำเนิดที่ขั้วลบ วนเวียนเป็นทางเดียวเช่นนี้ตลอดเวลา การไหลของไฟฟ้ากระแสตรงเช่นนี้ แหล่งกำเนิดที่เรารู้จักกันดีคือ ถ่าน-ไฟฉาย ไดนาโม ดีซี เยนเนอเรเตอร์ เป็นต้น


            แบ่งออกเป็น 2 ประเภท
 - ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทสม่ำเสมอ (Steady D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง อันแท้จริง คือ เป็นไฟฟ้ากระแสตรง ที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดไปไฟฟ้ากระแสตรงประเภทนี้ได้มาจากแบตเตอรี่หรือ ถ่านไฟฉาย
- ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทไม่สม่ำเสมอ ( Pulsating D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นช่วงคลื่นไม่สม่ำเสมอ ไฟฟ้ากระแสตรงชนิดนี้ได้มาจากเครื่องไดนาโมหรือ วงจรเรียงกระแส (เรคติไฟ )
  - คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสตรง
กระแสไฟฟ้าไหลไปทิศทางเดียวกันตลอด
มีค่าแรงดันหรือแรงเคลื่อนเป็นบวกอยู่เสมอ
สามารถเก็บประจุไว้ในเซลล์ หรือแบตเตอรี่ได้

ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสตรง

• ใช้ในการชุบโลหะต่างๆ
• ใช้ในการทดลองทางเคมี
• ใช้เชื่อมโลหะและตัดแผ่นเหล็ก
• ทำให้เหล็กมีอำนาจแม่เหล็ก
• ใช้ในการประจุกระแสไฟฟ้าเข้าแบตเตอรี่
• ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์
• ใช้เป็นไฟฟ้าเดินทาง เช่น ไฟฉาย

ไฟฟ้ากระแสสลับ ( Alternating Current หรือ A.C. )

  เป็นไฟฟ้าที่มีการไหลกลับไป กลับมา ทั้งขนาดของกระแสและแรงดันไม่คงที่ เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ คือ กระแสจะไหลไปทางหนึ่งก่อน ต่อมาก็จะไหลสวนกลับแล้ว ก็เริ่มไหลเหมือนครั้งแรก          ครั้งแรกกระแสไฟฟ้าจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปตามลูกศรเส้นหนัก เริ่มต้นจากศูนย์ แล้วค่อยๆเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจนถึงขีดสุด แล้วมันจะค่อยๆลดลงมาเป็นศูนย์อีกต่อจากนั้นกระแสไฟฟ้าจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปตามลูกศรเส้นปะลดลงเรื่อยๆจนถึงขีด ต่ำสุด แล้วค่อยๆ เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึงศูนย์ตามเดิมอีก เมื่อเป็นศูนย์แล้วกระแสไฟฟ้าจะไหลไปทางลูกศรเส้นหนักอีกเป็นดังนี้ เรื่อยๆไปการที่กระแสไฟฟ้าไหลไปตามลูกศร เส้นหนักด้านบนครั้งหนึ่งและไหลไปตามเส้นประด้านล่างอีกครั้งหนึ่ง เวียน กว่า 1 รอบ ( Cycle )

ความถี่
          หมายถึง จำนวนลูกคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับที่เปลี่ยนแปลงใน 1 วินาที กระแสไฟฟ้าสลับในเมืองไทยใช้ไฟฟ้าที่มี ความถี่ 50 เฮิรตซ์ ซึ่งหมายถึง จำนวนลูกคลื่นไฟฟ้าสลับที่เปลี่ยนแปลง 50 รอบ ในเวลา 1 วินาที                                                                          คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสสลับ

• สามารถส่งไปในที่ไกลๆได้ดี กำลังไม่ตก
• สามารถแปลงแรงดันให้สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ตามต้องการโดยการใช้หม้อแปลง(Transformer)

ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ

• ใช้กับระบบแสงสว่างได้ดี
• ประหยัดค่าใช้จ่าย และผลิตได้ง่าย
• ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมากๆ
• ใช้กับเครื่องเชื่อม
• ใช้กับเครื่องอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ไฟฟ้าได้เกือบทุกชนิด

การนำไฟฟ้า
          ตัวนำไฟฟ้า เป็นตัวกลางให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน การนำไฟฟ้า เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนอิสระ ไอออนบวก ไอออนลบ

14.1 กระแสไฟฟ้า

เมื่อ    Q  คือ ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดตัวนำ ณ จุดหนึ่งๆ (C)

           t   คือ  เวลาที่ประจุไฟฟ้าไหลผ่านจุดนั้นๆ (s)

           I   คือ  กระแสไฟฟ้าที่เกิด (A)

Q = ne

เมื่อ    Q  คือ ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดตัวนำ ณ จุดหนึ่งๆ (C)
           n   คือ  จำนวนอนุภาคไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดตัวนำ ณ จุดนั้น
           e   คือ  ประจุไฟฟ้าของอนุภาคแต่ละตัว (C)        

I = Nev A

เมื่อ   N  คือ ความหนาแน่นอิเล็กตรอน
         e    = 1.6 * 10^-19 (C)
         v  คือ  ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอน (m/s) (ความเร็วอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในตัวนำ)
         A  คือ พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ (ตร.ม.)




ควรทราบเพิ่มเติม

 พื้นที่ใต้กราฟกระแสไฟฟ้า กับ เวลา มีขนาดเท่ากับ ปริมาณประจุไฟฟ้า  

14.2 ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์
14.2.1 กฎของโอห์มและความต้านทาน

กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดนิโครมแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของลวดนิโครม”
จึงเขียนเป็นสมการความสัมพันธ์ ได้ดังนี้

เมื่อ   V  คือ ความต่างศักย์ (V)
          I   คือ  ปริมาณกระแสไฟฟ้า (A)
          R  คือ  ความต้านทาน (โอห์ม)

14.2.2 สภาพต้านทานไฟฟ้า และสภาพนำไฟฟ้า

  ความสัมพันธ์ของความต่างศักย์ไฟฟ้า (V)  และกระแสไฟฟ้า ()  เพื่อหาความต้านทานของลวดโลหะตามกฎของโอห์ม  จะได้ว่า ...         1.  ความต้านทาน (R) ของลวดโลหะแปรผันกับความยาว () ของลวดโลหะ  เมื่อภาคตัดขวาง (A)มีค่าคงตัว
         2.  ความต้านทาน (R) ของลวดโลหะจะแปรผกผันกับภาคตัดขวาง(A)ของลวดโลหะ  เมื่อความยาว() ของลวดคงที่
         เขียนความสัมพันธ์ได้ว่า …
                                               
                                               
         เมื่อ …
                  r         =         ค่าคงตัว เรียกว่า สภาพต้านทาน (resistivity)  มีหน่วยเป็น โอห์ม.เมตร (W.m)

             ค่าสภาพต้านทานเป็นค่าเฉพาะของสารหนึ่งๆ  ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิคงตัวหนึ่ง

จากสมการ ...
                                               

         พบว่า ... สภาพต้านทานของสารมีค่าเท่ากับความต้านทานของสารที่มีภาคตัดขวาง 1 m²  และมีความยาว 1 m

14.3 พลังงานไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้า

14.3.1 พลังงานไฟฟ้า

เมื่อ  W คือ พลังงานไฟฟ้า (J)
         Q คือ ประจุไฟฟ้า (C)
         V  คือ ความต่างศักย์ (V)

14.3.2 กำลังไฟฟ้า

เมื่อ   P  คือ กำลังไฟฟ้า (J/s,W)
          W คือ พลังงานไฟฟ้า (J)
          t   คือ เวลา (s)

การคำนวณหาจำนวนหน่วยไฟฟ้าที่ใช้ไปและเงินค่าไฟ

 Unit =  (P/1000) t

ค่าไฟฟ้า = (Unit) (ราคาต่อหน่วย)

เมื่อ  unit คือ จำนวนหน่วยไฟฟ้าที่ใช้ (kW.Hr)
        P  คือ กำลังไฟฟ้า (J/s,W)
        t   คือ  เวลา (ชั่วโมง)

14.4 การต่อตัวต้านทาน

14.4.1 การต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม



Iรวม = I1 = I2

V1 ไม่เท่ากับ V2 ไม่เท่ากับ ...

Vรวม = V1+V2+...

Rรวม = R1+R2+...

14.4.2 การต่อตัวต้านทานแบบขนาน

I1 ไม่เท่ากับ I2 ไม่เท่ากับ ....

Iรวม = I1+I2+...

Vรวม = V1 = V2 =...

1/Rรวม = 1/R1 + 1/R2 + ...

14.5 แรงเคลื่อนไฟฟ้า และการต่อแบตเตอรี่

14.5.1 แรงเคลื่อนไฟฟ้า

แรงเคลื่อนไฟฟ้า  เป็นพลังงานที่แหล่งกำเนิดนั้นจะสามารถให้ได้ต่อหน่วยประจุไฟฟ้า

E = I (R+r)

เมื่อ  E  คือ  แรงเคลื่อนไฟฟ้า (V)

         I    คือ  ปริมาณกระแสไฟฟ้า (A)

         R   คือ  ความต้านทานภายนอกเซลล์ไฟฟ้า (โอห์ม)

         r   คือ  ความต้านทานภายในเซลล์ไฟฟ้า (โอห์ม)

14.5.2 การต่อแบตเตอรี

ก. การต่อแบตเตอรีแบบอนุกรม





1.ต่อถูกทิศ (หันขั้วบวกของแบตเตอรี่ไปทางเดียวกัน)

Eรวม = E1 + E2

2.ถ้าต่อกลับทิศ (คือหันขั้วบวกของแบตเตอรี่ไปคนละทาง)

Eรวม = E1-E2


ความต้าน

rรวม = r1+ r2




ข.การต่อแบตเตอรีแบบขนาน





แบตเตอรี่แต่ละตัวมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่ากัน และหันขั้วบวกไปทางเดียวกัน

Eรวม = E แบตเตอรี่ตัวเดียว

1/rรวม = 1/r1 + 1/r2 + ...

14.6 เครื่องวัดไฟฟ้า

14.6.1 แอมมิเตอร์

14.6.2 โวลต์มิเตอร์

14.6.3 โอห์มมิเตอร์