ไฟฟ้าเบื้องต้น

ไฟฟ้าเบื้องต้น

โครงสร้างของสสาร

สสาร ต่างๆที่อยู่บนโลกนี้และอยู่ในอากาศรอบๆโลก สามารถแบ่งออกได้เป็น ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ สสารเหล่านี้จะสามารถแบ่งเป็นธาตุต่างๆตามธรรมชาติ ซึ่งธาตุนั้นก็หมายถึง สารประกอบที่มีอะตอมหลายๆตัวรวมกันและในธาตุแต่ละชนิดจะมีอะตอมที่แตกต่างกันออกไป

อะตอม

อะตอม หมายถึง หน่วยที่เล็กที่สุดของธาตุเมื่อทำการแบ่งแยกแล้วจะทำให้คุณสมบัติของธาตุนั้นเปลี่ยนไป ในปัจจุบันนี้เรายังไม่สามารถที่จะดูอะตอมของธาตุต่างๆ ได้อย่างชัดเจนนัก โดยเราสามาถใช้กล้องไมโครสโคป ส่องดูอะตอมของธาตุแต่อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์และนักวิจัยต่างๆ ก็คงพยายามที่จะบันทึกภาพของอะตอมที่ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางยาวประมาณ 12 ล้านล้าน ส่วนของนิ้วและได้ตั้งสมมติฐานว่าอะตอมนั้นมีลักษณะเป็นละอองฝอยคล้ายลูกบอลสีขาว
ในปี ค.ศ. 1913 นักฟิสิกส์ชื่อ Danish Neils Bohr ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับอะตอมว่า อะตอมประกอบด้วยอนุภาคสำคัญ 3 ส่วนคือ โปรตอน มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก นิวตรอนมีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้า และอิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ โดยมีส่วนที่เป็นใจกลางของอะตอมเรียกว่า นิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วย โปรตรอนและนิวตรอน ส่วนอิเล็กตรอนนั้นจะโคจรอยู่รอบๆ นิวเคลียส

โมเลกุล

โมเลกุล คือ หน่วยที่เล็กที่สุดของธาตุตามธรรมชาติ โดยธาตุต่างๆจะประกอบด้วยอะตอมมากมายหลายล้านอะตอม เมื่อเรานำสารต่างชนิดกันเราเรียกว่าสารประกอบ หน่วยที่เล็กของสารประกอบเรียกว่า โมเลกุล ซึ่งอะตอมที่เป็นประกอบธาตุและโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นสารประกอบ เช่น น้ำ ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 โมเลกุล และ ออกซิเจน 1 โมเลกุล

แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

แหล่งกำเนิดไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายไฟฟ้า คือ แหล่งที่จ่ายพลังงานศักย์ไฟฟ้า หรืออาจเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า ออกมาใช้งานกับอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วๆไปสามารถแบ่งออกเป็น 4ชนิดใหญ่ๆคือ
1. แบตเตอรี่
2. เซลล์แสงอาทิตย์
3. เจอเนอเรเตอร์
4. แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์

แบตเตอรี่ เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์ไฟฟ้าตั้งแต่ 1 เซลล์ หรือมากกว่า โดยเซลล์นี้จะเชื่อมต่อเข้าด้วยกันทางไฟฟ้าซึ่งจะประกอบด้วยอุปกรณ์พื้นฐาน 4 ส่วน
1. ขั้วบวก (Positive Electrode)
2. ขั้วลบ (Negative Electrode)
3. อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte)
4. ตัวขั้นเซลล์ (Seperator)

           ขั้วบวกเป็นส่วนที่สูญเสียอิเล็กตรอนเนื่องจากการทำปฏิกิริยาทางเคมี ส่วนลบจะเป็นตัวรับอิเล็กตรอนภายหลังที่เกิดการทำปฏิกิริยาทางเคมีขึ้น สำหรับอิเล็กโตรไลต์จะเป็นตัวกลางให้อิเล็กตรอนไหลผ่านระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ ส่วนตัวขั้นเซลล์จะใช้แยกส่วนของขั้วบวกและขั้วลบออกจากกันทางไฟฟ้า
         สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากเซลแบตเตอรี่จะถูกกำหนดโดยวัสดุที่ใช้สร้าง ซึ่งแรงปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นแต่ละขั้วอิเล็กโทรดจะให้ค่าศักย์ทางไฟฟ้าค่าหนึ่ง เช่น เซลล์แบตเตอรี่แบบตะกั่ว - กรด ที่ขั้วบวกจะให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ - 1.685 โวลต์ ส่วที่ขั้วลบจะให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ + 0.365 โวลต์ จากศักย์ไฟฟ้าที่ได้จากขั้วอิเล็กโทรดทั้งสองทำให้ได้ผลรวมของแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 2.05 โวลต์ ซึ่งค่าแรงดันทางไฟฟ้านี้จะเป็นศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์แบตเตอรี่แบบตะกั่ว - กรด
          นอกจากศักย์ไฟฟ้าที่ได้จากแต่ละขั้วอิเล็กโทรดแล้ว ความเข้มข้นของกรดภายในแบตเตอรี่ก็จะมีผลต่อค่าแรงดันไฟฟ้าที่จะเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปที่ได้จากแบตเตอรี่แบบตะกั่ว - กรด จะประมาณ 2.15 โวลต์ สำหรับเซลล์นิเกิล - แคดเมียม จะให้แรงดันไฟฟ้าประมาณ 1.2 โวลต์ ส่วนเซลล์ลิเทียม จะให้แรงดันไฟฟ้าออกมาสูงถึง 4 โวลต์
          โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่จะประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ที่มีการเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าอยู่ภายใน ซึ่งวิธีการต่อของแต่ละเซลล์และชนิดของวัสดุที่นำมาใช้เป็นเซลล์ จะเป็นปัจจัยที่กำหนดขนาดของแรงดันไฟฟ้าและความจุไฟของแบตเตอรี่ โดยการต่อถ้าให้ขั้วบวกของเซลล์หนึ่งต่อกับขั้วลบของเซลล์ถัดไป และต่อกันเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จะทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ได้เท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์รวมกัน เรียกการต่อแบบนี้ว่า การต่อแบบอนุกรมหรือการต่อแบบอันดับ ส่วนวิธีการเพิ่มความจุไฟฟ้าให้กับแบตเตอรี่นั้น จะต้องต่อให้ขั้วบวกของทุกเซลล์เข้าด้วยกันและขั้วลบของทุกเซลล์เข้าด้วยกัน เรียกการต่อแบบนี้ว่า การต่อแบบขนาน

สำหรับการแบ่งกลุ่มของแบตเตอรี่ สามารถแบ่งได้ 2 กลุ่มหลักดังนี้
1. แบตเตอรี่แบบปฐมภูมิ (Primary Battery)
2. แบตเตอรี่แบบทุติยภูมิ (Secondary Battery)
แบตเตอรี่แบบปฐมภูมิ หมายถึง แบตเตอรี่ที่ใช้งานได้เพียงครั้งเดียวและเมื่อประจุไฟหมดแล้วจะต้องทิ้งไป ทั้งนี้เนื่องจากไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีแบบย้อนกลับใหม่ได้ ส่วนแบตเตอรี่ทุติยภูมิสามารถจะทำปฏิกิริยาทางเคมีแบบย้อนกลับได้ ดังนั้น จึงสามารถทำการเก็บประจุไฟใหม่และนำกลับมาใช้งานได้อีก

เซลล์แสงอาทิตย์

เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้าที่อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด เชื่อมกันเพื่อให้เกิดรอยต่อ เมื่อผิวของสารกึ่งตัวนำด้านหนึ่งถูกแสงจะทำให้อิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพียงพอจะทำให้อะตอมเคลื่อนที่ข้ามรอยต่อทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า

เจนเนอเรเตอร์

เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการทำงานโดยการทำให้ตัวนำหมุนตัดผ่านสนามแม่เหล็กซึ่งการจัดการทำงานลักษณะเช่นนี้ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำผ่านตัวนำที่หมุนอยู่ และสามารถต่อแรงดันไฟฟ้านี้ออกไปใช้งานภายนอกได้

แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์

เป็นแหล่งจ่ายที่ไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานในรูปแบบใดให้เป็นพลังงานไฟฟ้า แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจากระบบไฟฟ้าที่ใช้กันตามบ้านเรือนทั่วไปให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีค่าความคงที่ การต่อออกไปใช้งานเพียงต่อออกจากขั้วไฟที่เตรียมไว้

หน่วยวัดทางไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้า Electrical Current เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งภายในตัวนำไฟฟ้าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเกิดจากการนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าต่างกันนำมาวางไว้ใกล้กันโดยจะใช้ตัวนำทางไฟฟ้าคือ ทองแดง การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าบวกไปยังวัตถุ ที่มีประจุไฟฟ้าลบมีหน่วยเป็น Ampere อักษรย่อคือ " A "

กระแสไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด

1. ไฟฟ้ากระแสตรง Direct Current เป็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆได้เพียงทิศทางเดียว สำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้านั้น มาจากเซลล์ปฐมภูมิคือถ่านไฟฉาย หรือเซลล์ทุติยภูมิคือ แบตเตอรี่ หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

2. ไฟฟ้ากระแสสลับ Alternating Current เป็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายไฟไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆโดยมีการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาตลอดเวลา สำหรับแหล่งจ่ายไฟนั้นมาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดหนึ่งเฟสหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับชนิดสามเฟส

แรงดันไฟฟ้า Voltage

เป็นแรงที่ทำให้อิเล็กตรอนเกิดการเคลื่อนที่ หรือแรงที่ทำให้เกิดการไหลของไฟฟ้าโดยแรงดันไฟฟ้าที่มีระดับต่างกันจะมีปริมาณไฟฟ้าสูงเนื่องจากปริมาณประจุไฟฟ้าทั้งสองด้านมีความแตกต่างกัน ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน โดยทั่วๆไปแล้วแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละตัวภายในวงจรไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟฟ้า จะใช้หน่วยของแรงดันไฟฟ้าจะใช้ตัวอักษร V ตัวใหญ่ธรรมดา จะแทนคำว่า Volt ซึ่งเป็นหน่วยวัดของแรงดันไฟฟ้า

ความต้านทานไฟฟ้า

ความต้านทานไฟฟ้า Resistance เป็นการต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าของวัตถุซึ่งจะมีค่ามากหรือค่าน้อยจะขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุนั้นๆ ความต้านทานจะมีหน่วยวัดเป็น โอห์ม และจะใช้สัญลักษณ์เป็น ( Ohms)

ตัวนำไฟฟ้า
ตัวนำไฟฟ้า Conductors วัตถุที่กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้โดยง่ายหรือวัตถุที่มีความต้านทานต่ำ เช่นทองแดง อลูมิเนียม ทอง และเงิน ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด ค่าความนำไฟฟ้าจะมีสัญลักษณ์เป็น G และมีหน่วยเป็น ซีเมนส์ (S) โดยมีสูตรการคำนวนดังนี้

G = 1/R

ตัวอย่าง
วัตถุชนิดหนึ่งมีค่าความต้านทานไฟฟ้า 25 โอห์ม จงคำนวนหาค่าความนำไฟฟ้าของวัตถุชนิดนี้มีค่าเป็นเท่าไร

จากสูตร
G = 1/R

แทนค่า
G = 1/25
คำตอบ
G = 40 mS

ฉนวนไฟฟ้า

ฉนวนไฟฟ้า Insulators วัตถุที่ซึ่งไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปได้ หรือวัตถุที่มีความต้านทานไฟฟ้าสูง ซึ่งสามารถต้านทานการไหลของกระแสได้ เช่น ไมก้า แก้ว และพลาสติก

การเปลี่ยนหน่วยทางไฟฟ้า

หน่วยวัดพื้นฐานทางไฟฟ้า ได้แก่ แอมแปร์ A โวลต์ V และโอห์ม W ซึ่งจะใช้ในการแสดงปริมาณกระแสไฟฟ้า ขนาดของแรงดัน และค่าความต้านทาน เพื่อให้เกิดความสะดวกจึงมีการใช้ตัวคูณมาใช้ในการแสดงค่า

เปลี่ยนหน่วยทางไฟฟ้า

หน่วยทางไฟฟ้า	สัญลักษณ์	หน่วยเทียบ
Mega	M	1,000,000
Kilo	K	1,000
Milli	m	0.001
Micro	u	0.000001

กฎของโอห์ม

กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรไฟฟ้าได้นั้น เกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับวงจรและปริมาณกระแสไฟฟ้าภายในวงจรจะถูกจำกัดโดยความต้านทานไฟฟ้าภายในวงจรไฟฟ้านั้นๆ ดังนั้นปริมาณกระแสไฟฟ้าภายในวงจรจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและค่าความต้านทานของวงจร ซึ่งวงจรนี้ถูกค้นพบด้วย George Simon Ohm เป็นนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันและนำออกมาเผยแพร่ในปี ค.ศ.1826 ซึ่งวงจรนี้เรียกว่า กฎของโอห์ม กล่าวว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรจะแปรผันตรงกับแรงดันไฟฟ้าและแปรผกผันกับค่าความต้านทานไฟฟ้า โดยเขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้

ตัวอย่าง

จงคำนวนหาค่าปริมาณกระแสไฟฟ้าของวงจรไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้าขนาด 50 โวลต์ และมีค่าความต้านทานของวงจรเท่ากับ 5 โอห์ม

วิธีทำ

กำลังไฟฟ้า

กำลังไฟฟ้า Electrical Power เป็นกำลังไฟฟ้าที่ใช้ไปในการทำให้เกิดพลังงานในรูปต่างๆ เช่น พลังงานความร้อน พลังงานแสงสว่าง พลังงานกล มีหน่วยเป็น วัตต์ Watt ใช้สัญลักษณ์เป็น " W " ตามชื่อของ James Watt ซึ่งกำลังไฟฟ้ามีสูตรการคำนวนดังนี้

ตัวอย่าง
จงคำนวนหากำลังไฟฟ้าของโหลดของวงจรไฟฟ้าที่มีแรงดัน 200 โวลต์ ตกคร่อมอยู่และมีกระแสไฟฟ้า 1.5 แอมแปร์ ไหลผ่านโหลด

วิธีทำ

การวัดกำลังไฟฟ้า

วัตต์มิเตอร์ Wattmeter เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยการวัดจะต้องต่อขั้วไฟให้ถูกต้อง ซึ่งเราจะอ่านค่าของกำลังไฟฟ้าได้โดยตรงจากวัตต์มิเตอร์

การวัดกำลังไฟฟ้าของเครื่องรับวิทยุ ต่อโดยให้ขั้วเสียบของช่องกระแสไฟฟ้าของเครื่องวัดวัตต์มิเตอร์ต่อในลักษณะที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเครื่องวัดวัตต์มิเตอร์ก่อนที่จะไหลไปยังเครื่องรับวิทยุ ในขณะที่ขั้วเสียบของเสียบของช่องแรงดันไฟฟ้าให้ต่อคร่อมแหล่งจ่ายไที่จ่ายแรงดันไฟฟ้าให้แก่เครื่องรับวิทยุ ดังนั้น วัตต์มิเตอร์จึงเป็นทั้งแอมมิเตอร์ และโวลต์มิเตอร์ในตัวเดียวกันและทำการแสดงผลคูณของ P = I x V ซึ่งเราสามารถอ่านค่ากำลังไฟฟ้าของเครื่องรับวิทยุได้โดยตรงจากมิเตอร์

กิโลวัตต์ - ชั่วโมง

การที่เราจะต้องจ่ายค่าไฟฟ้าทุกๆเดือนเป็นการแสดงค่าใช้จ่ายของพลังงานไฟฟ้าที่ถูกใช้ไปในแต่ละเดือนจะวัดในหน่วยที่เรียกว่า กิโลวัตต์ - ชั่วโมง ซึ่งจะมีค่าเท่ากับ 1000 วัตต์ ใน 1 ชั่วโมง และอุปกรณ์ที่วัดนี้มีชื่อเรียกว่า Kilowatt - Hour meter จึงสามารถนำค่าพลังงานที่วัดมาได้มาใช้ในการคำนวนเรียกเก็บค่าใช้จ่ายไฟฟ้าในแต่ละเดือน สามารถคำนวนหาค่าพลังงานที่ถูกใช้ไปได้จากสูตรดังต่อไปนี้

พลังงานที่ถูกใช้ไป = กำลังไฟฟ้า x เวลา

ตัวอย่าง
ถ้าหลอดไฟขนาด 100 วัตต์ ถูกเปิดไว้นาน 10 ชั่วโมง จงคำนวนหาค่าพลังงานไฟฟ้าที่ถูกใช้ไป

วิธีทำ