บทที่14

ไฟฟ้ากระแส

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

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

     ไฟฟ้ากระแสตรง ( Direct Current หรือ D .C )
             เป็นไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลไปทางเดียวตลอดระยะเวลาที่วงจรไฟฟ้าปิดกล่าวคือกระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วบวก
ภายในแหล่งกำเนิด ผ่านจากขั้วบวกจะไหลผ่านตัวต้านหรือโหลดผ่านตัวนำไฟฟ้าแล้ว ย้อนกลับเข้าแหล่งกำเนิดที่ขั้วลบ วนเวียนเป็นทางเดียวเช่นนี้ตลอดเวลา การไหลของไฟฟ้ากระแสตรงเช่นนี้ แหล่งกำเนิดที่เรารู้จักกันดีคือ ถ่าน-ไฟฉาย ไดนาโม ดีซี เยนเนอเรเตอร์ เป็นต้น 
    ไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกเป็น 2 ประเภท 

    ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทสม่ำเสมอ (Steady D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง อันแท้จริง คือ เป็นไฟฟ้ากระแสตรง
ที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดไปไฟฟ้ากระแสตรงประเภทนี้ได้มาจากแบตเตอรี่หรือ ถ่านไฟฉาย

     ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทไม่สม่ำเสมอ ( Pulsating D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นช่วงคลื่นไม่สม่ำเสมอ
ไฟฟ้ากระแสตรงชนิดนี้ได้มาจากเครื่องไดนาโมหรือ วงจรเรียงกระแส (เรคติไฟ )

    คุณสมบัติของไฟฟ้ากระแสตรง 
(1) กระแสไฟฟ้าไหลไปทิศทางเดียวกันตลอด
(2) มีค่าแรงดันหรือแรงเคลื่อนเป็นบวกอยู่เสมอ
(3) สามารถเก็บประจุไว้ในเซลล์ หรือแบตเตอรี่ได้  

  ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสตรง 
(1) ใช้ในการชุบโลหะต่างๆ
(2) ใช้ในการทดลองทางเคมี
(3) ใช้เชื่อมโลหะและตัดแผ่นเหล็ก
(4) ทำให้เหล็กมีอำนาจแม่เหล็ก
(5) ใช้ในการประจุกระแสไฟฟ้าเข้าแบตเตอรี่
(6) ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์
(7) 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 

(1) สามารถส่งไปในที่ไกลๆได้ดี กำลังไม่ตก
(2) สามารถแปลงแรงดันให้สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ตามต้องการโดยการใช้หม้อแปลง(Transformer)

 

 

    ประโยชน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ 

(1) ใช้กับระบบแสงสว่างได้ดี
(2) ประหยัดค่าใช้จ่าย และผลิตได้ง่าย
(3) ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมากๆ
(4) ใช้กับเครื่องเชื่อม
(5) ใช้กับเครื่องอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ไฟฟ้าได้เกือบทุกชนิด

 

 การนำไฟฟ้า

ตัวนำไฟฟ้า เป็นตัวกลางให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

การนำไฟฟ้า เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนอิสระ

ไอออนบวก ไอออนลบ

กระแสไฟฟ้าในตัวนำ

I = กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A)

Q = จำนวนประจุทั้งหมด มีหน่วยเป็นคูลอมบ์
t = เวลาที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน มีหน่วยเป็นวินาที
n = จำนวนอิเลคตรอนอิสระในหนึ่งหน่วยปริมาตร
ของตัวนำ

e = ประจุไฟฟ้าของอิเลคตรอน = 1.6x10-19 คูลอมบ์

v = ความเร็วของอิเลคตรอนในตัวนำ หน่วยเป็น
เมตร/วินาที
A = พื้นที่ภาคตัดขวางของตัวนำ หน่วยเป็น
ตารางเมตร
ทิศของกระแสไฟฟ้าจะมีทิศทางไปทางเดียวกับสนามไฟฟ้า
หรือจากจุด ที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ
แต่จะมีทิศทางตรงข้ามกับกระแสอิเลคตรอน(ประจุลบ)
กฎของโอห์ม
"เมื่ออุณหภูมิคงที่ ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน
ในตัวนำ จะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่าง
ปลายทั้งสองของตัวนำนั้น"
V = IR
V = ความต่างศักย์ มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)
I = กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A)

R = ความต่านทาน มีหน่วยเป็นโอห์ม 

ความต้านทานและสภาพต้านทาน

R = ความต้านทาน

= สภาพต้านทาน มีหน่วยเป็นโอห์ม-เมตร

= เป็นความยาว มีหน่วยเป็นเมตร (m)

A = พื้นที่หน้าตัด มีหน่วยเป็นตารางเมตร (m2)

ค่าสภาพต้านทานของโลหะแต่ละชนิดจะมีค่าไม่เท่ากัน
แต่ชนิดเดียวกันจะเท่ากันเสมอ

ความนำไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า

สารใดที่มีความต้านทานมากจะยอมให้กระแสไฟฟ้า
ไหลผ่านได้น้อย แสดงว่าสารนั้นมีความนำไฟฟ้าน้อย
ความนำไฟฟ้าจะเป็นส่วนกลับของความต้านทาน

ความนำไฟฟ้า  มีหน่วยเป็นซีเมนต์ (S)

สภาพนำไฟฟ้า โดยสารใดที่มีสภาพต้านทานมาก
จะมีสภาพนำไฟฟ้าน้อย จะเป็นส่วนกลับของสภาพต้าน
ทาน มีหน่วยเป็นซีเมนต์ต่อ เมตร

สภาพนำไฟฟ้า 

อุณหภูมิกับความต้านทาน
อุณหภูมิยิ่งสูงความต้านทานก็จะมากขึ้น ซึ่งจะเป็น
ไปตามความ สัมพันธ์

R = ความต้านทานที่อุณหภูมิ t oC

R0 = ความต้านทานที่อุณหภูมิ 0 oC

t = อุณหภูมิ oC

= สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน

การต่อตัวต้านทาน

การต่อตัวต้านทาน แบ่งออกเป็น 3 วิธีคือ

1. การต่อแบบอนุกรม เป็นการนำเอาตัวต้านทานมา

ต่อกันตามยาว

R1 , R2 , R3 - ความต้านทานที่นำมาต่อแบบอนุกรม

V1 , V2 , V3 - ความต่างศักย์ที่วัดได้บน R1 , R2 , R3

I1 , I2 , I3 - กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน R1 , R2 , R3

สรุปได้ดังนี้

1. Rรวม หรือ RAB = R1 , R2 , R3

2. Iรวม หรือ IAB = I1 = I2 = I3

3. Vรวม หรือ VAB = V1 + V2 + V3 = I1R1 + I2R2 + I3R3

2. การต่อแบบขนาน เป็นการนำความต้านทานแต่ละ

ตัวมาเรียงซ้อนกัน โดยจะไปรวมกันที่ปลายแต่ละข้าง

R1 , R2 , R3 = ความต้านทานที่นำมาต่อแบบขนาน

I = กระแสรวมที่ไหลเข้า

VAB = ความต่างศักย์รวม

สรุปได้ดังนี้

2. Iรวม = IAB = I1 + I2 + I3

3. Vรวม = VAB = V1 = V2 = V3

ดังนั้น I1R1 = I2R2 = I3R3

3. การต่อแบบ Wheatstone Bridge ประกอบด้วยความ

ต้านทาน 5 ตัว ถ้าวงจรสมดุล จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล

ผ่าน R5

 
แรงเคลื่อนไฟฟ้า
แรงเคลื่อนไฟฟ้า เป็นแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่จะดัน
ให้กระแสไฟ ฟ้าไหลได้ครบวงจร

E = VR + Vr และ V = IR

E = I (R + r)

E = แรงเคลื่อนไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)

I = กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจร มีหน่วย

เป็นแอมแปร์

R = ความต้านทานภายนอก มีหน่วยเป็นโอห์ม

r = ความต้านทานภายใน มีหน่วยเป็นโอห์ม

การต่อเซลไฟฟ้ากระแสตรง

1. ต่อแบบอนุกรม

Eรวม = E1 + E2 + E3 + E4

rรวม = r1 + r2 + r3 + r4

E = แรงเคลื่อนไฟฟ้า (ถ้ามีเซลต่อกลับขั้วต้องคิดเครื่อง
หมายเป็นลบ(-)
r = ความต้านทานภายใน
n = จำนวนเซล
R = ความต้านทานภายนอก

2. ต่อแบบขนาน

Eรวม = E1 = E2 = E3

rรวม = 

กฎของเคอร์ชอฟฟ์
1. ในวงจรกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าทั้ง
หมด ณ จุดหนึ่ง = กระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากจุดนั้น

I = I1 + I2 + I3

2. ในวงจรไฟฟ้าที่ครบวงจร ผลบวกทางพีชคณิตของ
ผลคูณ ระหว่างกระแสไฟฟ้า กับความต้านทานในวงจรนั้น
= แรงเคลื่อนไฟฟ้า รวมตลอดทั้งวงจรนั้น

อุปกรณ์วัดทางไฟฟ้า

1. แอมมิเตอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ถูกดัดแปลงมาจากแกล

แวนอมิเตอร์ จะมีความต้านทานน้อน เพื่อวัดกระแสได้
มาก ๆ ใช้วัดกระแสไฟฟ้าโดยการต่อแบบอนุกรม

2. โวลต์มิเตอร์ ใช้วัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า โดยนำ

ไปต่อแบบ ขนานกับวงจรโวลต์มิเตอร์ที่ดีจะต้องมีความ
ต้านทานมากเพื่อกระแสไฟ ฟ้าผ่านได้น้อย

Iรวม = IS = Ig

Vรวม = VS + Vg

= ISRS + IgRg

V = I (RS + Rg)

พลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้า

W = พลังงานไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล

Q = ประจุไฟฟ้าที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้า
V = ความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของเครื่องใช้
ไฟฟ้า
I = กระแสไฟฟ้าที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้าในเวลา t
วินาที
R = ความต้านทาน
t = เวลา

กำลังไฟฟ้า คือ พลังงานไฟฟ้าที่ถูกเปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วย

เวลา มีหน่วยเป็นวัตต์หรือจูล/วินาที

P = กำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้า