บทที่ 15 ทฤษฎีการส่งถ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุด

บทที่ 14 ทฤษฎีนอร์ตัน

บทที่ 13 ทฤษฎีเทวินิน

บทที่ 12 ทฤษฎีการวงซ้อน

บทที่ 11 โนดโวลต์เตจ

บทที่ 10 เมชเคอร์เรนต์

บทที่ 9 กฏเคอร์ชอฟฟ์

บทที่ 8 ดีเทอร์มิแนนต์ และเมตริกซ์

บทที่ 7 วงจรบริดจ์

บทที่ 6 การแปลงวงจรความต้านทานเดลตา – สตาร์

บทที่ 5 วงจรแบ่งแรงดัน และวงจรแบ่งกระแส

บทที่ 4 วงจรไฟฟ้าอนุกรม ขนาน ผสม

บทที่ 3 เซลล์ไฟฟ้าและการต่อวงจร

บทที่ 2 หน่วยวัดไฟฟ้าและปริมาณไฟฟ้า

1.ทฤษฎีอิเล็กตรอน

 สสารทุกชนิดประกอบขึ้นด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม จุดศูนย์กลางของแต่ละอะตอมเรียกว่า นิวเคลียส ภายในนิวเคลียสจะประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอนรอบๆ นิวเคลียสมีอิเล็กตรอนวิ่งวนอยู่ โปรตอนมีอำนาจไฟฟ้าบวก อิเล็กตรอนมีอำนาจไฟฟ้าลบ สำหรับนิวตรอนมีอนุภาคที่เป็นกลาง จึงไม่มีความสำคัญที่จะกล่าวถึงต่อไป นิวเคลียสครอบครองเนื้อที่ในอะตอมเพียงส่วนน้อย เนื้อที่ที่เหลือมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่หมุนรอบตัวเองและโคจรไปรอบนิวเคลียส ตามธรรมชาติแล้วจะเกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางซึ่งอิเล็กตรอนน่าจะหลุดออกจากโคจร แต่ที่ไม่หลุดออกไปเพราะมีโปรตอนดึงดูดไว้ แต่เมื่อใดที่มีพลังงานภายนอกที่มากกว่ามากระทำก็จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรได้

   

รูปที่ 1.1 โครงสร้างอะตอมของฮีเลียมและทองแดง

      ในตารางธาตุจะเป็นตัวบอกจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมของธาตุนั้นๆ เช่น ธาตุที่ 2 คือ ฮีเลียมจะมีโปรตอน 2 ตัวและอิเล็กตรอน 2 ตัว ธาตุที่ 29 คือทองแดงจะมีโปรตอน 29 ตัวและอิเล็กตรอน 29 ตัว เป็นต้น ดังแสดงในตารางที่ 1.1

 ตารางที่ 1.1 ตารางธาตุและชั้นวางของวงจรโคจรของอะตอม

 1.1 วงเวเลนซ์และเวเลนซ์อิเล็กตรอน 

 ถ้าพิจารณาจากการบรรจุจำนวนอิเล็กตรอนของธาตุต่างๆ จะพบว่าชั้นนอกสุดว่าธาตุใดๆ จะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 ตัว วงที่อยู่นอกสุดนี้เรียกว่า วงเวเลนซ์ และเล็กตอนที่อยู่ในชั้นนี้เรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตอน ดังแดงในรูปที่ 1.2 ซึ่งแสดงเวเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมของทองแดง

 รูปที่ 1.2 แสดงวงเวเลนซ์และเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมทองแดง

        โลหะมีคุณสมบัติตัวนำไฟฟ้าที่ดี กล่าวคือ เมื่อให้พลังงานกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงเล็กน้อย ก็สามารถทำให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรได้ เป็นผลทำให้โลหะสามารถนำไฟฟ้าได้ ในกรณีที่เวเลนซ์อิเล็กตรอนได้รับพลังงานเป็นจำนวนมากแล้วยังไม่สามารถหลุดออกจากวงโคจรได้ คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารชนิดนั้นจะแสดงออกในรูปของฉนวนคือ ไม่นำไฟฟ้าสำหรับสารกึ่งตัวนำนั้นโดยความหมายในตัวมันก็คือ จะนำไฟฟ้าได้ในบางโอกาส และอาจจะเป็นฉนวนได้ในบางโอกาส

         ฉนวน ธาตุใดที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 5 ถึง 8 ตัว จะเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี เพราะพลังงานภายในยากที่จะดึงให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดหลุดออกไปได้ ถ้าจะให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปจริงๆ ก็ต้องเฉลี่ยพลังงานให้อิเล็กตรอนเท่ากัน จึงจะดึงให้หลุดออกไปได้ ดังนั้นจึงต้องใช้แรงดันไฟฟ้ามากๆ จึงจะทำให้ไฟฟ้าไหลผ่านได้ วัตถุนั้นก็จะถูกเรียกว่า ฉนวน

 1.1.1 อิเล็กตรอนอิสระ 

        อิเล็กตรอนส่วนที่วิ่งอยู่ในวงโคจรรอบนอกสุดเรียกได้ว่า เป็นส่วนประกอบของจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในอะตอมนั้นๆ แต่อิเล็กตรอนรอบนอกเหล่านี้จะถูกดูดโดยแรงจากนิวเคลียสแค่เพียงเล็กน้อย มันจึงพยายามที่จะหนีออกจากวงโคจรอยู่ตลอดเวลา โดยผลักดันตัวมันเองไปยังอะตอมอีกตัวหนึ่งที่อยู่ข้างเคียง เช่น ในทองแดง เงิน หรือโลหะอื่นๆ จะมีอิเล็กตรอนซึ่งสามารเคลื่อนที่ออกจากอะตอมได้อย่างอิสระ เราจึงเรียกอิเล็กตรอนนี้ว่า อิเล็กตรอนอิสระ
        ไฟฟ้ามีคุณสมบัติหลายประการ เช่น ประกายไฟฟ้าซึ่งเกิดจากไฟฟ้า ปฏิกิริยาทางความร้อน ปฏิกิริยาทางเคมี หรือปฏิกิริยาทางแม่เหล็ก ซึ่งเกิดขึ้นจากการไหลของกระแสไฟฟ้า สาเหตุเหล่านี้เกิดขึ้นโดยอิเล็กตรอนอิสระทั้งสิ้น
        เมื่ออิเล็กตรอนหลุดออกไปจากวงโคจรก็จะมีที่ว่างเกิดขึ้น เราเรียกที่ว่างที่เกิดขึ้นนี้ว่า โฮล(Hole) ซึ่งแปลว่าหลุดหรือบ่อ บางคนเปรียบเทียบโฮลเหมือนรอยเท้า และอิเล็กตรอนคือเท้า ขณะที่เท้าวิ่งไปข้างหน้า รอยเท้าก็วิ่งไปข้างหลัง คล้ายกับเรานั่งบนรถไฟฟ้า
        ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนวิ่งก็ดูเหมือนว่าโฮลเคลื่อนที่ด้วยเหมือนกัน ทั้งๆ ที่โฮลนั้นอยู่กับที่ การที่อิเล็กตรอนวิ่งเราจึงกำหนดว่า เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลจากขั้วลบไปหาขั้วบอก และการที่กระแสไฟไหลจากขั้วบอกไปหาขั้วลบ ก็สมมติว่าโฮลเป็นตัวเคลื่อนที่ด้วยเหมือนกัน
        โฮล 1 ตัวที่เกิดจากอิเล็กตรอนอิสระหลุดจากวงโคจร 1 ตัว มีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 1.3
\

              รูปที่ 1.3 อิเล็กตรอนอิสระจากอะตอมหนึ่งเคลื่อนที่ไปยังอีกอะตอมหนึ่ง 


ทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า

 1.2 กระแสไฟฟ้า

 1.2.1 กระแสไฟฟ้าคืออะไร

        เมื่อต่อแบตเตอรี่และหลอดไฟเข้าด้วยกันโดยใช้ลวดทองแดง ดังแสดงในรูปที่ 1.4 หลอดไฟจะส่องแสงออกมา สาเหตุนี้เป็นเพราะเมื่อทำการต่อวงจร อิเล็กตรอนอิสระ (ประจุไฟฟ้าลบ) ภายในลวดทองแดงถูกดึงดูดให้เคลื่อนตัวไปทางด้วยขั้วบอกของแบตเตอรี่ เมื่ออิเล็กตรอนอิสระถูกจ่ายออกจากขั้วลบของแบตเตอรี่ตัวแล้วตัวเล่า มันจะทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนติดต่อกันภายในเส้นลวดทองแดง การไหลของอิเล็กตรอนนี้เรียกว่า กระแสไฟฟ้า หรือเรียกง่ายๆ ว่า กระแส

 รูปที่ 1.4 การไหลของอิเล็กตรอนในลวดทองแดง

 1.2.2 ปริมาณและหน่วยของกระแส 

       ปริมาณการไหลผ่านของกระแสภายในตัวนำนั้น เท่ากับจำนวนของอิเล็กตรอนอิสระไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดของตัวนำต่อวินาที

        ขนาดหรือปริมาณของกระแสนี้วัดในรูปของแอมแปร์ มีสัญลักษณ์คือ A ในขณะที่การแสดงถึงตัวกระแสใช้สัญลักษณ์ I 

        1 แอมแปร์มีค่าเท่ากับอิเล็กตรอนอิสระจำนวน 6.25 x 1018 ตัว เคลื่อนที่ผ่านตัวนำต่อวินาที ดังแสดงในรูปที่ 1.5

 รูปที่ 1.5 กระแส 1 แอมแปร์คือการไหลของอิเล็กตรอนอิสระจำนวน 6.25 x 1018 ตัวต่อวินาที 

 หมายเหตุ :

          1. 1018 เป็นวิธีการง่ายๆ ที่เขียนแทน 1 ตามด้วยศูนย์อีก 18 ตัว หรือ 1,000,000,000,000,000,000 ซึ่งคล้ายกับ 6.25 x 1018 เท่ากับ 6,250,000,000,000,000,000

          2. อิเล็กตรอน 6.25 x 1018 ตัว ถูกเรียกว่า 1 คูลอมบ์ของประจุไฟฟ้า ดังนั้น 1 แอมแปร์จึงหมายถึง 1 คูลอมบ์ต่อวินาที 

          3. ธาตุใดที่จำนวนอิเล็กตรอนมาก และชั้นนอกสุดมีจำนวนอิเล็กตรอน 1 ถึง 2 ตัว ส่วนมากจะเป็นตัวนำไฟฟ้า

บทที่ 1 แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

หน่วยที่ 1 แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current Source)

สาระสำคัญ 

ไฟฟ้าเป็นสิ่งที่จำเป็นต่อการในการดำเนินชีวิตประจำวันของมนุษย์   ทั้งที่อยู่อาศัย  โรงงาน อุตสาหกรรม  สถาบันการศึกษา  สำนักงาน ฯลฯ  ปัจจุบันไฟฟ้ำมีแหล่งกำเนิดมาจากหลายแหล่ง  เช่น      โรงไฟฟ้าถ่านหิน   โรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติ  โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ  แบตเตอรี่  พลังงานจากลม พลังงานแสงอาทิตย์  ถ่านไฟฉาย  โดยเราสามารถแบ่งแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเป็น 2 ประเภท  คือ แหล่งกำเนิดไฟฟ้ำกระแสตรงและแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ    โดยในหน่วยนี้จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับ แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

บทที่ 1  แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

แหล่งกำเนิดไฟฟ้าเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้าที่ถูกนำไปใช้ประโยชน์มากมาย ใช้เปลี่ยนพลังงานรูปหนึ่งไปอีกพลังงานอื่น ๆ  เช่น เครื่องดูดฝุ่น  เครื่องปั่น และเครื่องทำความเย็น เป็นต้น ไฟฟ้านั้นสามารถกำเนิดขึ้นมาได้หลายวิธี  เราจึงต้องการเลือกวิธีกำเนิดไฟฟ้ามาใช้งานนั้นจะต้อง เลือกให้เหมาะสม

1.1 ชนิดของไฟฟ้า ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีอยู่ 2 ชนิด คือ ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองโดยตามธรรมชาติ เราเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า  ไฟฟ้าสถิตกับไฟฟ้าที่มนุษย์ผลิตขึ้นมา  เรียกว่า ไฟฟ้ากระแส   

  1.1.1  ไฟฟ้าสถิต  ( Static Electricity )     ไฟฟ้าสถิต คือ ปรากฏการณ์ที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากัน และไม่เคลื่อนที่ (จึงเรียกว่า สถิต) จนกระทั่งมีกำรถ่ายเทประจุหรือเกิดการไหลของอิเล็กตรอน กลายเป็นไฟฟ้ากระแส ปกติจะอยู่ในรูปการดึงดูดหรือการผลักกันและเกิดประกายไฟ  เช่น  การเสียดสีของวัตถุ ฟ้าร้อง ฟ้าผ่า เป็นต้น

  1.1.2  ไฟฟ้ากระแส ( Current Electricity )       ไฟฟ้ากระแส คือ แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มนุษย์ผลิตขึ้นมา  โดยการส่งกระแสไฟฟ้าให้เคลื่อนที่ ไปในลวดตัวนำ  ไฟฟ้ากระแสมี  2 ชนิด  คือ        

- ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current , DC) คือ มีการใช้งานจะมีขั้วบวกและขั้วลบที่ แน่นอน   ด้วยเหตุนี้จึงมีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ำมีความคงที่แน่นอน เช่น ถ่านไฟฉาย  แบตเตอรี่   เซลล์สุริยะ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เป็นต้น

รูปที่ 1.2 ไฟฟ้ากระแสตรง

-  ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current , AC)  คือ มีทิศทางการไหลทางเดียว                แต่สลับทิศซ้ำๆ กันอย่างต่อเนื่อง    แรงดันกระแสสลับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องระหว่างบวก(+) และลบ (-) อัตราการเปลี่ยนทิศทาง เรียกว่า ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ มีหน่วยวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) ซึ่งก็คือ จำนวนรอบคลื่นต่อหนึ่งวินาที  สำหรับประเทศไทยใช้ความถี่ 50Hz  เช่น ไฟตามบ้านเรือน  มีขนาด แรงดันไฟฟ้า 220 VAC และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ  เป็นต้น

รูปที่ 1.3 แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

สรุป ไฟฟ้าแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ  ได้แก่ ไฟฟ้าสถิตย์ (Static Electricity) และ ไฟฟ้ากระแส ( Current Electricity) ไฟฟ้าทั้งสองประเภทยังแบ่งวิธีการกำเนิดออกได้เป็น 6 วิธีการ ดังนี้ เกิดจากการเสียดสี เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมี เกิดจากความร้อน เกิดจากแรงกดดัน เกิดจากแสงสว่าง และเกิดจากสนามแม่เหล็ก

แหล่งกำเนิดไฟฟ้าเกิดจากการเสียดสี

     เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่ถูกค้นพบมานานกว่า 2,000 ปีแล้ว เกิดขึ้นได้จากการนำวัตถุ ต่างกัน 2 ชนิดมาขัดสีกัน เช่น  แท่งยางกับผ้าขนสัตว์  แท่งแก้วกับผ้าแพร  แผ่นพลาสติกกับผ้า  และ หวีกับผม เป็นต้น  ผลของการเสียดสีดังกล่าวทำให้เกิดความไม่สมดุลขึ้นของประจุไฟฟ้าในวัตถุทั้งสอง  เนื่องจากเกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้า  วัตถุทั้งสองจะแสดงศักย์ไฟฟ้าออกมาต่างกัน  วัตถุชนิดหนึ่งแสดงศักย์ไฟฟ้าบวก ( + ) ออกมา  วัตถุอีกชนิดหนึ่งแสดงศักย์ไฟฟ้าลบ (-) ออกมา แหล่งกำเนิดไฟฟ้าเกิดจากการเสียดสี แสดงดังรูปที่ 1.4 

รูปที่ 1.4 แหล่งกำเนิดไฟฟ้าเกิดจากการเสียดสี

ที่มา : พันธ์ศักดิ์   พุฒิมานิตพงศ์. 2555 : 23

ไฟฟ้าเกิดจากการเสียดสีนี้ จะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุทั้ง 2 ชนิด ต้องแห้งสนิท การตรวจสอบไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้น โดยนำไปดูดเศษวัสดุชิ้นเล็กๆเบาๆ เช่น กระดาษชิ้นเล็กๆ หรือ ลูกพิธบอลล์ ที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก ถ้าลูกพิธบอลล์ถูกดูดแสดงว่าศักย์ไฟฟ้าต่างกัน แต่ถ้าลูกพิธบอลล์ถูกพลักแสดงว่าศักย์ไฟฟ้าเหมือนกัน 

ไฟฟ้าเกิดจากปฏิกิริยาเคมี

ไฟฟ้าเกิดจากปฏิกิริยาเคมี การนำวัตถุต่างกัน 2 ชนิด เช่น  แผ่นสังกะสีกับแผ่นทองแดงจุ่มลงในสารละลายของกรด กำมะถันอย่างเจือจาง (H2SO4) ที่บรรจุลงในภาชนะ  ซึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์    จะทำ ให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วเซลล์ ประจุไฟฟ้าลบ (-) ไปรวมตัวอยู่ด้านแผ่นสังกะสี  ทำให้ แผ่นสังกะสีศักย์ไฟฟ้าลบ (-) ออกมา  ประจุไฟฟ้าบวก (+) ไปรวมตัวอยู่ด้านแผ่นทองแดง  ทำให้แผ่น ทองแดงศักย์ไฟฟ้าบวก (+) ออกมา  การตรวจสอบแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเกิดจากการปฏิกิริยาเคมี    โดยวัดคร่อมที่แผ่นโลหะทั้งสอง   โวลต์มิเตอร์จะแสดงค่าแรงดันไฟฟ้าออกมา   แหล่งกำเนิดไฟฟ้าเกิดจากการปฏิกิริยาเคมีแบบพื้นฐานมีชื่อ  เรียกว่า โวลตาอิกเซลล์ (Voltaic Cell) แสดงดังรูปที่ 1.5

ไฟฟ้าเกิดจากการทำปฏิกิริยาทางเคมี ที่ผลิตขึ้นมาใช้งานจริงนั้น ได้นำเอากลักการของ โวลตาอิกเซลล์ไปใช้งาน โดยการสร้างเซลล์ไฟฟ้าที่ให้ศักย์ไฟฟ้าสูงมากขึ้นคือให้แรงดันเพิ่มขึ้นตัวอย่างเช่นแบตเตอร์รี่ และถ่านไฟฉาย เป็นต้น 

Cr. http://electricity-basic.blogspot.com/2012/10/blog-post_27.html