หนวยท1 ความรเบองตนเกยวกบไฟฟา

สาระส าคญ

ในสมยโบราณมนษยมความรเกยวกบเรองของไฟฟานอยมาก ถงแมจะไดพบปรากฏการณทเกดจากไฟฟาอยางสม าเสมอกตาม โดยเฉพาะปรากฏการณทเกดขนทางธรรมชาต เชน ฟาแลบ,ฟารอง, ฟาผา ตอมามนษยเรมคนพบประจไฟฟา จากการน าเอาแทงอ าพนมาถกบขนสตว ท าใหเกดประกายไฟ นอกจากนเร มมการสงเกตจากการหวผม ซงขณะทหวผมนนเกดการดดเสนผม เสมอนมประจไฟฟาเกดขน มนษยเรมคนเคยและรจกการน าไฟฟามาใชประโยชนเมอราวป พ.ศ. 2397 โดยนกวทยาศาสตรชอ ไฮนรส เกอบเบลไดคนพบหลอดไฟฟาชนดมไส ซงในปจจบนกยงมใชกนอย หลงจากนนไดมการน าไฟฟา มาใชงานดานตาง ๆ เพมข น เชน ใหแสงสวาง, ใหความรอน, ใชในงานดานมอเตอร, วทย, โทรทศน ฯลฯ เปนตน โดยสรปชวตประจ าวนของมนษยจะตองมความเกยวของกบไฟฟาเสมอ

จดประสงคเชงพฤตกรรม

1. อธบายโครงสรางของอะตอมได 2. แบงสารทางไฟฟาได 3. อธบายวธการท าใหเกดประจดวยวธตาง ๆ ได 4. เขยนความสมพนธของแรงดน กระแส และความตานทานได 5. น าแหลงจายไฟฟาแบบตาง ๆ ไปประยกตใชงานได 6. เขยนกฎของโอหมได 7. ค านวณคาใชจายไฟฟาตามหลกการของการไฟฟาได

โครงสรางของอะตอม

ทกสงทกอยางทเรามองเหนบนโลกนลวนเปนสสาร (Matters) ทงส น สสารเปนสงทมน าหนก ตองการทอยอาศย โดยทวไปจะมอย 3 สถานะคอ ของแขง, ของเหลว และ กาซ

ธาต (Elements) ประกอบจากสสาร จนกลายเปนธาตชนดตาง ๆ เชน ทองแดง, อลมเนยม, เงน,

ทองค า, ปรอท เปนตน

อะตอม (Atom) คออนภาคทเลกทสดของธาต ไมสามารถอยตามล าพงได ตองอยรวมกน เปน

โมเลกล (Molegul) ภายในอะตอมจะประกอบไปดวยทอยแกนกลางคอนวเครยส (Neucleus) ภายในนวเครยสประกอบดวยโปรตรอน ซงมศกยไฟฟาเปนบวก (Positive Charge) และนวตรอน (Neutron) มสภาพเปนกลางทางไฟฟา สวนทอยรอบนอกมวงโคจรความเรวสง อาจมวงเดยวหรอหลายวงกได วงนอกสดนนเรยกวาอเลกตรอน (Electron) ซงมคณสมบตทางไฟฟาเปนลบ (Negative Charge)

2

โครงสรางอะตอม

การแบงสารทางไฟฟา

การแบงสารทางไฟฟาสามารถแบงออกไดเปน 3 ชนดคอ

1. ตวน า เปนสารทอยวงนอกสดประมาณ 1-3 ตว เมอใหพลงงานเพยงเลกนอย จะท าใหอเลกตรอน

หลดออกจากวงโคจรเคลอนทไปในชนสารไดงาย มผลท าใหสารนนเปนตวน าได เชน ทองแดง, อลมเนยม ฯลฯ เปนตน

2. ฉนวน เปนสารอเลกตรอนวงนอกสด ทยดเกยวกบอะตอมอน ๆ ท าใหอเลกตรอนอสระนอย จงไม

เกดการน ากระแส เชน ไมกา, เซรามค ฯลฯ เปนตน

3. สารกงตวน า เปนสารทมอเลกตรอนวงนอกสด 4 ตว เมอไดรบอณหภมสงขนจะเปลยนสภาพเปน

สภาวะตวน า ทน ามาท าเปนสารกงตวน า ไดแก ซลกอน และเยอรมนเนยม เปนตน

ประจไฟฟา (Charge of Electricity)

ประจไฟฟา หมายถง ปรมาณของกระแสไฟฟาทไหลไปในตวน าไฟฟา การขดสระหวางวตถ 2 ชนด เชน การเอาแทงแกวถกบผาไหม แทงแกวจะถายทอดอเลกตรอนใหแกผาไหม ท าใหแทงแกวเกดประจบวก และผาไหมเกดประจลบ

เมอมการน าเอาวตถ 2 ชนดทมประจไฟฟาไมเทากนมาวางใกล ๆ กนจะไมเกดการถายเทอเลกตรอน ซงไมสามารถท าใหประจไฟฟาถายเทเขาหากนได ซงมผลท าใหไมมกระแสไฟฟาไหล เรยกวา ไฟฟาสถตย (Static Electricity)

3

ทศทางสนามไฟฟาของประจบวกและประจลบ

แสดงการดดและผลกของประจไฟฟาบวกและประจไฟฟาลบ

ประจไฟฟาใชสญลกษ Q มหนวยวดเปนแอมแปร-วนาท (Ampere-Second) ใชตวยอของหนวยวดเปน As หรอ C

4

การเกดประจไฟฟา

การทท าใหอเลกตรอนหลดออกจากวงโคจรจะมผลท าใหเกดประจไฟฟามหลายวธ ไดแก

1. การขดส (Friction) เกดจากการน าเอาวตถตางชนดมาถกน

แสดงการน าเอาวตถตางชนดมาถกกน

2. ความรอน (Heat) การใหความรอนทจดตอของโลหะตางชนดกน

แสดงการใหความรอนทจดตอของโลหะตางชนดกน

5

3. แรงกดดน (Pressure) เกดโดยการกดดนของผลกในสารบางชนด เชน ผลกควอทช (Quartz)

แสดงการกดดนของผลกในสารบางชนด

4. แสงสวาง (Light) เกดจากการใหแสงสวางมาตกกระทบกบสารทมความไวตอแสง เชน โฟโต

เซล

แสดงการใหแสงสวางมาตกกระทบกบสารทมความไวตอแสง

5. แมเหลก (Magnetism) เกดจากตวน าเคลอนทผานสนามแมเหลก

แสดงตวน าเคลอนทผานสนามแมเหลก

6

6. ปฏกรยาเคม (Chemical Action) เกดจากปฏกรยาเคมในเซลไฟฟา

แสดงการเกดปฏกรยาเคมในเซลไฟฟา

แรงดนไฟฟา (Electrical Voltage)

แรงดนไฟฟาเกดจากการแยกประจบวกและประจลบออกจากกนเพอท าใหประจทงสองเปนกลาง ซงมผลท าใหเกดความตางศกยทางไฟฟา แรงดน 1 โวลท คอแรงดนทท าใหกระแส 1 แอมแปรไหลผานเขาไปในความตานทาน 1 โอหม

หนวยของแรงดนไฟฟา

7

ชนดของแรงดนไฟฟา

1. แรงดนไฟฟากระแสตรง (Direct Voltage) ขนาดของขวแรงดนไฟฟาจะคงทตลอด ไมม

การเปลยนแปลงสญลกษณ (-)

2. แรงดนไฟฟากระแสสลบ (Alternating Voltage) ขนาดและขวของแรงดนไฟฟา จะมการ

เปลยนแปลงตลอดเวลา มลกษณะเปน Sine Wave (~ )

แสดงลกษณะของแรงดนไฟฟา

8

แหลงก าเนดไฟฟา

แหลงก าเนดไฟฟาหรอแหลงจายไฟฟา หมายถงแหลงพลงงานทสามารถจายพลงงานไฟฟาออกมาใช

กบอปกรณไฟฟาทว ๆ ไปได มดงตอไปนคอ

1. แบตเตอร (Battery) เปนแหลงก าเนดไฟฟา อาศยการเปลยนแปลงทางดานเคมท

บรรจ ภายใน ซงเซลลแตละเซลล ของแบตเตอรจะตอเปนอนกรม ขนาน หรอแบบผสมขนอยกบขนาดของแรงดนและกระแสทตองการ

แสดงแบตเตอรและโครงสรางภายใน

แรงดนไฟฟาชนดตาง ๆ ทไดจากเซลลแบตเตอรข นอยกบวสดทใชในการสราง สามารถแบงออกไดเปน 2 กลมคอ

1. แบตเตอรแบบปฐมภม (Primary Cell) 2. แบตเตอรแบบทตยภม (Secondary Cell)

แบตเตอรแบบปฐมภม คอแบตเตอรทใชแลวเกดการท าปฏกรยาเคมภายใน ไมสามารถน ามาใช

ใหม เชน ถานไฟฉาย, ถานนาฬกา, ถานในรโมทคอนโทรล อปกรณตาง ๆ เปนตน

9

แสดงแบตเตอรแบบปฐมภมประเภทตางๆ

แบตเตอรแบบทตยภม คอแบตเตอรทใชแลวสามารถน ามาชารจไฟเขาไปใหมได

แสดงแบตเตอรแบบทตยภมขนาดตางๆ

10

การน าแบตเตอรไปใชงาน

ใชส าหรบขบเคลอนเครองยนตใหแสงสวางในรถยนต, เรอและใชในการสอสารตาง ๆ เปนตน แบตเตอรจ าพวกนสวนมากเปนชนดแบตเตอรตะกวกรด (Lead-Acid )

แบตเตอรชนดนเกล-เหลก (Nickel-Iron) เปนแบตเตอรทบรรจในกลองเหลกกลาชบนเกล สามารถจายกระแสไฟไดสงมาก ขวบวกท ามาจากนเกลไฮดรอกไซด ใชโปรแตสเซยมไฮดรอกไซดเปนน ายาอเลกโตรไลตทนยมใชคอในเครองไฟฉกเฉน (Emergency Lighting) ในรถโฟคลฟ (Electric Forklifts) แตไมนยมใชในการสตารทรถยนตแกสโซลนและดเซล

แบตเตอรชนดนเกล-แคดเมยม (Nickel-Cadmium : Ni-Cad) โครงสรางคลายแบตเตอรนเกล-เหลก ขวบวกเปนชนดนเกลไฮดรอกไซด ขวลบจะเปนแคดเมยมและเหลกละเอยด น ายาอเลกโตรไลต ทใชภายในคอโปรแตสเซยมไฮดรอกไซดแบตเตอรชนดนทนตอการใชงาน เสยหายยาก ใชงานไดนาน ใหแรงดนตอเซลลประมาณ 1.2 โวลท เมอใชไฟหมดแลวสามารถประจไฟใหมได นยมใชในนาฬกา,เครองคดเลข, แฟลชของกลองถายรป อปกรณอเลกทรอนกสตาง ๆ เปนตน

แสดงการตอแบตเตอรแบบอนกรม เพอใหแรงดนเพมขนแตกระแสเทาเดม

แสดงการตอแบตเตอรแบบขนาน เพอใหคากระแสเพมขนแตแรงดนเทาเดม

11

เซลลแสงอาทตย (Solar Cells)

เซลลแสงอาทตยเปนอปกรณสงประดษฐทางวศวกรรม โดยประยกตใหมคณสมบตทางดานสารกงตวน า เมอมแสงมากระทบจะท าใหเกดการเปลยนแปลงจากพลงงานแสงอาทตย ใหเปนพลงงานไฟฟา เซลลแสงอาทตยในปจจบนท ามาจากธาตซลกอน (Silicon) ซงเปนธาตทพบมากทสดบนโลก สามารถแบงออกไดเปน 2 ชนดใหญ ๆ คอ แบบผลกและแบบอะมอรพส

แสดงโครงสรางและรายละเอยดของเซลลแสงอาทตย

การสรางจะท าไดโดยใช P-N Junction ประกอบขนเปนพนฐานโดยใหแรงดนไฟฟาประมาณ 0.5 โวลท สวนกระแสจะแปรผนตามแสงบนพนทของเซลล ในการรบแสงของซลกอนแบบผลกเดยว ใหกระแสไดประมาณ 2 แอมแปรตอพนท 1 ตารางเมตร เมอตองการแรงดนไฟฟาสงขน ตองน าเซลลแสงอาทตยมาตอเพมแบบอนกรมเพอใหไดแรงดนตามตองการ ถาตองการกระแสเพมสงขน ใหน าเซลลแสงอาทตยมาตอขนานกน การตอแบบนมลกษณะเปนโมดล เมอเอาโมดลมาประกอบเพอตดตงใชงานจะเรยกวาแผง (Array) แผงทตดตงในปจจบนจะมอายการใชงานประมาณ 20-25 ป แตในขณะนไดมการพยายามคดคนและพฒนา เพอใหมอายการใชงานมากกวา 30 ป

จดเดนของไฟฟาจากเซลลแสงอาทตย

1. แหลงพลงงานคอดวงอาทตย เพราะฉะนนจะใชไดตลอดไปและไมเสยคาใชจาย แหลงพลงงานอน ๆ ทเอามาใชกนเชน น ามน, ถานหน, กาซธรรมชาต ซงแหลงพลงงานเหลานจะหมดไปได

2. ไฟฟาทไดจากเซลลแสงอาทตยเกดจากการเปลยนพลงงานแสงเปนพลงงานไฟฟาโดยตรง ไมใช น ามน, ถานหน หรอกาซเปนเชอเพลง ซงท าใหเกดมลภาวะตอสงแวดลอม

3. สามารถสรางไฟฟาไดทกขนาด ตงแตขนาดเลกทสามารถน าไปใชกบเครองคดเลขจนถงระบบโรงงานไฟฟาขนาดใหญระดบ 100 KW ซงเซลลแสงอาทตยสามารถใหประสทธภาพเทากน ปจจบนน าไปใชกบเครองคดเลข, ปมน า, รถยนตไฟฟา, เรอไฟฟา, ระบบไฟฟาตามบาน เปนตน

4. มการประยกตน าเซลลแสงอาทตยไปใชเปนแหลงจายไฟส าหรบอปกรณไฟฟาบางประเภทเชน เครองหมายสญญาณจราจร, ไฟฟาบรเวณถนนตาง ๆ, เครองทวนสญญาณวทยและโทรศพท และใชตดบนหลงคารถยนต

12

แสดงการน าแผงโซลาเซลลไปประยกตในงานดานตางๆ

แหลงจายไฟแบบอเลกทรอนกส

แหลงจายไฟแบบอเลกทรอนกส ( Electronic Power Supplies ) ทใชในปจจบนไดน าไปประยกตใชกบ วทย, โทรทศน, วดโอเทป, คอมพวเตอร, โทรศพท, ระบบสอสารตางๆ เปนตน แหลงจายไฟแบบนเปนแหลงจายไฟทท าหนาทแปลงไฟฟากระแสสลบจากไฟบาน 220 โวลทเปนไฟฟากระแสตรงแรงดนต า เพอจายใหแกวงจรอเลกทรอนกสใหสามารถท างานได

แสดงแหลงจายไฟฟาระบบสวตชช งเพาเวอรซพพลาย

13

แสดงแหลงจายไฟฟาแบบอเลกทรอนกสปรบคาแรงดนและกระแส

เจนเนอเรเตอร (Generators)

เจนเนอเรเตอร เปนอปกรณทท าหนาทเปลยนพลงงานกลใหเปนพลงงานไฟฟา โดยใชหลกการเหนยวน าของสนามแมเหลกตดผานขดลวดเหนยวน า ท าใหเกดแรงเคลอนไฟฟาผานลวดตวน าขณะหมน ท าใหเกดแรงดนไฟฟาออกมา

แสดงการเกดแรงดนไฟฟาจากลวดตวน าตดผานแมเหลกไฟฟา

แสดงการเกดไฟฟาสลบจากการตดผานขดลวดเหนยวน าในรปแบบของคลน

14

กฎของโอหม (Ohm‘s Law)

กระแสไฟฟา แรงดนและความตานทาน จะมความสมพนธกนคอ ในวงจรไฟฟาทว ๆ ไป ในกรณทความตานทานคงท กระแสไฟฟาทไหลผานในวงจร จะมการเปลยนแปลงตามแรงดนทปอนใหกบวงจร ถาแรงดนในวงจรไฟฟาเพมขน กระแสทไหลในวงจรกจะมคาเพมข นตามไปดวย

ในกรณทแหลงจายไฟฟาจายแรงดนใหกบวงจรคงท ปรมาณของกระแสทไหลในวงจรมการเปลยนแปลง ในลกษณะผกผนกบคาความตานทาน กลาวคอ ถาคาความตานทานสง จะท าใหกระแส ไฟฟาไหลในวงจรไดนอย แตถาคาความตานทานต า กระแสไฟฟาจะไหลไดมาก

กลาวโดยสรป คอ กระแสไฟฟาทไหลในวงจรจะแปรผนโดยตรงกบแรงดนไฟฟาและแปร ผกผนกบคาความตานทานไฟฟานนเอง

แสดงการหาคาแรงดน กระแส และความตานทานจากกฎของโอหม

15

แสดงการหาคาแรงดน กระแส และความตานทานจากกฎของโอหม

16

ก าลงไฟฟา (Power in Electrical)

ก าลงไฟฟาหมายถง การปอนแรงดนไฟฟาเขาไปในโหลดเพอท าใหเกดพลงงานในรปตาง ๆ เชนพลงงานแสงสวาง, พลงงานความรอน, พลงงานกล เปนตน ก าลงไฟฟามหนวยเปนวตต (Watt:W) มสตรทใชในการค านวณดงน โดย

P = EI (Watt:W)

P = ก าลงไฟฟา

E = แรงดนไฟฟา

I = กระแสไฟฟา

แสดงการน าก าลงไฟฟาไปใชในงานตางๆ

17

ความสมพนธของการหาคาทางไฟฟา

การหาคากระแสไฟฟา แรงดน ความตานทาน และก าลงทางไฟฟามความสมพนธกน การค านวณเพอหาคาจะตองทราบคาอยางนอย 2 คาจงจะหาคาทตองการได ตวอยางเชน ตองการทราบคาความตานทาน จะตองทราบคาแรงดนและกระแส หรอตองการทราบคาก าลงทางไฟฟา จะตองทราบคาของแรงดนและกระแส เปนตน จากความสมพนธดงกลาวสามารถสรปเปนสตรเพอใชในการหาคา ตาง ๆไดดงน

แสดงสตรทใชในการหาคาแรงดน กระแส ความตานทานปละก าลงไฟฟา

18

กโลวตต - ช วโมง

ไฟฟาทใชตามบาน ในทกครวเรอนจะมมเตอรตดตงอยเพอแจงใหเจาของบานทราบวาในแตละเดอนไดใชพลงงานไฟฟาไปเทาใด มเตอรทตดตงไวคดคาหนวยของการใชงานเปนกโลวตต-ชวโมง ซงหมายถง การใชไฟฟา 1,000 วตต ใน 1 ชวโมง เครองมอวดชนดนเรยกวา กโลวตต-ชวโมงมเตอร(Kilowatt-Hour Meter)โดยมการหาคาดงน

แสดงเครองมอวดกโลวตต – ชวโมงมเตอร

19