ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 1

1. ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 1 อ. วัฒนะ รัมมะเอ็ด

2. กระแสไฟฟ้า(Elecric current) ถ้าเรานำตัวนำที่มีประจุและมีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน มาวางติดกันหรือใช้ลวดโลหะตัวนำเชื่อมต่อกัน ตัวนำที่มีประจุทั้งสองก็จะเกิดการถ่ายเทประจุระหว่างตัวนำทั้งสองผ่านลวดโลหะตัวนำ เรากล่าวว่ามี กระแสไฟฟ้า ในลวดตัวนำนั้น

3. แหล่งกำเนิดไฟฟ้า (Source of electromotive force) คือ แหล่งกำเนิดที่ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำอยู่ตลอดเวลาทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำได้ตลอดเวลา ซึ่งได้แก่ ถ่านไฟฉาย แบตเตอรี่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เป็นต้น

4. เซลล์ไฟฟ้าเคมี (electrochemical cell) เซลล์ไฟฟ้าเคมีประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าบวกขั้วไฟฟ้าลบ และสารเคมีภายในเซลล์ เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์จะทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วเซลล์ เมื่อต่อเซลล์ไฟฟ้าเคมีเข้ากับวงจรไฟฟ้าจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรได้ เซลล์ไฟฟ้าอาจแบ่งออกเป็น 2 ประเภท -เซลล์ปฐมภูมิ (primary cell ) - เซลล์ทุติยภูมิ (secondary cell )

5. เช่น ถ่ายไฟฉายทั่วๆไป เมื่อใช้ไปนานๆ ความต่างศักย์ไฟฟ้าจะลดลง จนกระทั่งใช้ต่อไปไม่ได้ เซลล์ไฟฟ้าปฐมภูมิ

6. เซลล์ไฟฟ้าทุติยภูมิ เช่น พวกแบตเตอรี่รถยนต์ ซึ่งเมื่อใช้จนความต่างศักย์ไฟฟ้าลดลงแล้ว เราสามารถทำให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นได้โดยการอัด ไฟ หรือ ประจุไฟ (charge) เซลล์ไฟฟ้าเคมีในปัจจุบันมีชนิดรูปร่างและขนาดต่างๆกัน

8. โฟโตเซล (Photoelectric cell) ประกอบด้วยหลอดสูญญากาศ ผิวด้านในข้างหนึ่งฉาบด้วยสารไวแสง เช่น เซลลิเนียม มีขาหลอดต่อวงจรกับขั้วลบของแบตเตอรี่ ส่วนขั้วโลหะอีกข้างหนึ่งต่อวงจรกับขั้วบวก ถ้าหลอดโฟโตเซลล์ได้รับแสงจะมีอิเล็กตรอนหลุดมาสู่ขั้วบวกทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรได้ และกระแสไฟฟ้านี้จะแปรผันตามความเข้มของแสง ใช้ประโยชน์ในการฉายภาพยนต์เสียงในฟิล์ม หรือทำสวิตซ์อัตโนมัติและป้องกันการโจรกรรมตู้นิรภัย

10. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น ไดนาโม การทำงานเมื่อทำให้แกนของไดนาโมหมุนจะเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วทั้งสองของไดนาโม

12. คู่ควบความร้อน(thermocouple) คู่ควบความร้อนความแตกต่างอุณหภูมิระหว่างรอยต่อทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างโลหะทั้งสอง จึงเรียกแหล่งกำเนิดไฟฟ้าชนิดนี้ว่าคู่ควบความร้อน

13. เซลล์สุริยะ (solar cell ) เซลล์สุริยะ เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานแสง ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า นำไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิด เช่น นาฬิกา , เครื่องคิดเลข, วิทยุ เป็นต้น และมีความพยายามนำไปใช้เป็นพลังงานในการขับเคลื่อน รถยนต์ เรียกว่า รถยนต์พลังงานแสงอาทิตย์ และยังมีการนำเซลล์สุริยะผลิตพลังงานไฟฟ้าสำหรับใช้ในชุมชนที่อยู่ห่างไกลบางแห่งอีกด้วย

16. แหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากสิ่งมีชีวิต จากการศึกษาพบว่าสัตว์บางชนิด เช่น ปลาไหลไฟฟ้า สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ เมื่อมัน ตกใจต่อศัตรู โดยมีเซลล์พิเศษสามารถทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างหัวกับหางของมัน ซึ่งบางครั้งอาจมีความต่างศักย์สู.เป็นร้อยๆโวลต์ นอกจากนั้นยังพบว่า ถ้าวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุด 2 จุด บนร่างกายมนุษย์ เช่น ที่แขนและขา จะพบว่ามีความต่างศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นทุกครั้งที่หัวใจเต้นจากความรู้นี้ได้ถูกนำมาพัฒนาในการสร้างเครื่องช่วยตรวจหัวใจที่เรียกว่า อิเล็กโทรคาร์ดิโอกราฟ(eletrocardiograph) ซึ่งช่วยให้แพทย์สามารถวินิจฉัยโรคหัวใจได้อย่างถูกต้อง

18. การนำไฟฟ้า ตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้ว่า เราเรียกว่า ตัวนำไฟฟ้า ขณะที่มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำเรากล่าวว่า มีการนำไฟฟ้า ในหัวข้อนี้เราจะศึกษาการนำไฟฟ้าในตัวนำชนิดต่างๆ เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุชนิดใด

19. การนำไฟฟ้าในโลหะ โดยปกติโลหะทุกชนิดเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระ (Free electron) ซึ่งมิได้ถูกยึดไว้กับอะตอมใดอะตอมหนึ่ง โดยอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่โดยเสรีไม่เป็นระเบียบ ไม่มีทิศทางแน่นอน การเคลื่อนที่แบบนี้เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownianmovement) ดังรูป 6

20. แต่เมื่อทำให้ปลายทั้งสองของแท่งโลหะมีความต่างศักย์ไฟฟ้า เช่นไวต่อไว้กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายแท่งโลหะ แรงจากสนามไฟฟ้า จะทำให้อิเล็กตรอน เคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ ความเร็วเฉลี่ยของ อิเล็กตรอนอิสระจะไม่เป็นศูนย์เรียกว่า ความเร็วลอยเลื่อน ( drife velocity) จึงมีกระแสไฟฟ้าในแท่งโลหะดังนั้น กระแสไฟฟ้าในโลหะจึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ

21. การนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศการนำไฟฟ้าในหลอดสุญญากาศ หลอดสุญญากาศเป็นหลอดแก้วซึ่งสูบอากาศภายในออกเกือบหมดภายในหลอดมีขั้วสำหรับให้อิเล็กตรอน เรียกว่า แคโทด (cathode )การให้อิเล็กตรอนทำได้โดยการให้ความร้อนแก่แคโทด โดยการต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเข้าไส้หลอด ซึ่งอยู่ภายในแคโทด ทำให้ไส้หลอดและแคโทดร้อน อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากแคโทด เป็นอิเล็กตรอนอิสระ ส่วนขั้วสำหรับรับอิเล็กตรอนอิสระ เรียกว่า แอโนด( anode) โดยปกติมักมีรูปร่างเป็นแผ่นธรรมดา บางที่เรียกว่า แพลต ( plate ) ดังรูป

23. การทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากแคโทดของหลอดสุญญากาศนอกจากใช้ความร้อนแล้วยังอาจทำได้โดยใช้โลหะบางชนิด ซึ่งมีสมบัติเมื่อได้รับแสงจะให้อิเล็กตรอนหลุดเป็นอิสระออกมา เรียกหลอดสุญญากาศที่ทำงานอาศัยหลักการนี้ว่าหลอดโฟโตอิเล็กทริก ( photoelectric tube) ดังรูป

24. การนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์การนำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ ( electrolyte ) เป็นสารละลายที่สามารถนำไฟฟ้าได้ ซึ่งอาจเป็น สารละลายของกรดเบสหรือเกลือ เช่น สารละลายกำมะถัน สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์และสารละลายเกลือเงินไนเตรด หลักการนำไฟฟ้าของสารละลายอิเล็กโทรไลต์เมื่อจุ่มแท่งโลหะ 2 แท่งที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า โดยต่อเข้ากับขั้ว แบตเตอรีลงไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ จะมีผลทำให้สารละลายแตกตัวเป็นไอออนโดย ไอออนบวกเคลื่อนที่ไปขั้วไฟฟ้าลบ ส่วนไอออนลบเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าบวก ดังรูป ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์จึงเกิดจากการเคลื่อนที่ของไอออนบวกและไอออนลบ

26. การนำไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สการนำไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊ส • หลอดบรจุแก๊ส (gas-filled tube) เป็นอุปกรณ์ที่ทำให้อากาศหรือแก๊สนำไฟฟ้าได้ มีลักษณะเป็นหลอดแก้ว ซึ่งสูบอากาศภายในออกและบรรจุแก๊สบางชนิด เช่น ไฮโดรเจน นีออน อาร์กอน หรือไอปรอทลงไปในปริมาณเล็กน้อย ความดันของแก๊สในหลอดแก้วต่ำกว่าความดันบรรยากาศมาก ที่ปลายทั้งสองของหลอดมีขั้วไฟฟ้า ถ้าให้ความตางศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสองสูงเพียงพอ จะทำให้โมเลกุลของแก๊ส แตกตัวเป็นไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระ แล้วเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สดังรูป ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในหลอดบรรจุแก๊สจะเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก

28. การนำกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำการนำกระแสไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำ( semiconductor) เป็นสารที่มีสมบัติทางไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน เมื่อพิจารณาโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ ( intrinsic semiconductor ) เช่น ซิลิกอน จะพบว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมมีพันธะกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนข้างเคียงดังรูป 12 จึงไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่จะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าได้ แต่ถ้ามีสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มมากพอผ่านเข้าไป จะทำให้มีอิเล็กตรอนบางตัวในพันธะหลุดออกมากลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ และเกิดที่ว่างเรียกว่า โฮล (Hole ) ดังรูป

30. เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในตัวกลางต่างๆเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ได้แก่ ไอออนบวก ไอออนลบ และอิเล็กตรอนจึงมีการกำหนดขนาดและทิศทางของกระแสไฟฟ้าไว้ดังนี้ ขนาดของกระแสไฟฟ้าในตัวกลางใดๆ เท่ากับปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางของตัวกลางในหนึ่งหน่วยเวลา ทิศทางของกระแสไฟฟ้า กำหนดให้มีทิศตามการเคลื่อนที่ของประจุบวกและตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของประจุลบ

32. จากรูป กำหนดให้ Q เป็นปริมาณประจุทั้งหมด ( บวกและลบ ) ที่ผ่านภาคตัดขวาง ของตัวกลางหน่วย เป็นคูลอมบ์ ( C ) t เป็นเวลาที่ประจุเคลื่อนที่ผ่านภาคตัดขวางหน่วยเป็นวินาที (s) I เป็นกระแสไฟฟ้าในตัวกลาง จากนิยาม จะได้ว่า หน่วยของกระแสไฟฟ้า เป็นคูลอมบ์ต่อวินาที หรือเรียกว่า แอมแปร์ ( A )

33. โดยพิจารณาจาก

34. สมมติให้อิเล็กตรอนทุกตัวเคลื่อนที่ด้วยขนาดความเร็วลอยเลื่อน v ในช่วงเวลา t อิเล็กตรอนอยู่ในส่วนของตัวนำยาว vt ถ้าพื้นที่ภาคตัดขวางของลวดคือ A ดังนั้นในช่วงเวลา t อิเล็กตรอนอยู่ในส่วนของลวดปริมาตร vtA ให้ปริมาตรของลวด 1 หน่วย มีจำนวนอิเล็กตรอน n ตัว ดังนั้นลวดปริมาตร vtA หน่วยมีจำนวนอิเล็กตรอน nvtA ตัว ให้อิเล็กตรอน 1 ตัวมีประจุ e ดังนั้นอิเล็กตรอน nvtA ตัวมีประจุ nevtA

35. ดังนั้น Q = nevtA จาก I = จะได้ว่า I =

36. โดย I คือ กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ (A) n คือ จำนวนอิเล็กตรอนในหนึ่งหน่วย ปริมาตร ( อนุภาค / m 3 ) e คือ ประจุของอิเล็กตรอน (1.6 x 10 - 19 ) v คือ ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอน ( m/s) A คือ พื้นที่ภาคตัดขวางของลวดตัวนำ ( m 2 )

37. 1.เมื่อกระแสไฟฟ้าสม่ำเสมอ1.เมื่อกระแสไฟฟ้าสม่ำเสมอ จาก ดังนั้น

38. 2.เมื่อกระแสไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ2.เมื่อกระแสไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ พิจารณาจากกราฟระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเวลา ก. เมื่อกระแสไฟฟ้า เปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอ จาก เมื่อ I ไม่คงที่ อาจหาปริมาณประจุไฟฟ้าได้ จาก Q = I เฉลี่ย × t เนื่องจาก I เปลี่ยนแปลงสม่ำเสมอ

39. I เฉลี่ย = I ต้น + I ปลาย 2 ดังนั้นQ = ( 0 + I ) t 2 … ( 2 ) จากพื้นที่ใต้กราฟ

40. ข. เมื่อกระแสไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ ทำนองเดียวกัน อาจหาประจุไฟฟ้าได้จากพื้นที่ใต้กราฟในช่วงเวลาที่ต้อง สรุป จากกราฟระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเวลา ค่าพื้นที่ใต้กราฟ คือ ปริมาณประจุที่ผ่านตัวนำนั้น

41. การหาจำนวนอิเล็กตรอน (N) เมื่อรู้ ปริมาณประจุทั้งหมด (Q) และประจุอิเล็กตรอน (e) ได้ว่า

42. กฎของโอห์มและความต้านทานกฎของโอห์มและความต้านทาน George Simon Ohm นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน พบว่าเมื่อทำให้ปลายทั้งสองของลวดโลหะมีความต่างศักย์ไฟฟ้า จะมีกระแสไฟฟ้าโลหะนี้ ซึ่งจากการทดลองจะได้ความสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ดังกราฟรูป กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ของลวดโลหะ

43. จากกราฟ จะได้ว่า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดโลหะมีค่าแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของลวดโลหะ จึงเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า ดังนั้น ( k เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน ) หรือ ถ้าให้

44. จะได้ว่า เรียกว่า กฎของโอห์ม โดยกฎของโอห์มมีใจความว่า ที่อุณหภูมิคงตัว กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำหนึ่งจะมีค่าแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำนั้น

45. จากกฎของโอห์ม เมื่อ R เป็นค่าคงตัวเรียกว่า ความต้านทาน จาก ความต้านทานมีหน่วยเป็นโวลต์ต่อแอมแปร์ หรือ เรียกว่า โอห์ม ซึ่งแทนด้วย สัญลักษณ์ “ ” และเราสามารถนิยามได้ว่า ความต้านทาน 1 โอห์ม คือความต้านทานของ ตัวนำ ซึ่งเมื่อต่อปลายทั้งสองของตัวนำนั้นเข้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้า 1 โวลต์ จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำ นั้น 1 แอมแปร์

46. เมื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวนำชนิดต่างๆ ที่กล่าวมาแล้ว โดยให้อุณหภูมิคงตัวจะได้ความสัมพันธ์ ดังรูป กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวนำชนิดต่างๆ สรุป เมื่ออุณหภูมิคงตัวกฎของโอห์มใช้ได้กับตัวนำที่เป็นโลหะเท่านั้น

47. ความต้านทานไฟฟ้า( electrical resistance ) ความต้านทานไฟฟ้า เป็นการบอกคุณสมบัติของสารในการต้านกระแสไฟฟ้าที่ ผ่านได้มากหรือน้อยเพียงใด โดยสารที่ความต้านทานมาก กระแสผ่านได้น้อย ส่วนที่มีความต้านทานน้อย กระแสผ่านไปได้มาก

48. ตัวต้านทาน เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยปรับความต้านทานให้กับวงจร เพื่อช่วยปรับให้กระแสไฟฟ้า หรือ ความต่างศักย์ไฟฟ้า พอเหมาะกับวงจรนั้นๆ ชนิดของตัวต้านทานแบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ 1. ตัวต้านทานค่าคงตัว ( fixed resistor) 2. ตัวต้านทานแปรค่า (variable resistor )

49. 1. ตัวต้านทานค่าคงตัว ( fixed resistor) เป็นตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานคงตัว มักพบในวงจรไฟฟ้าและในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ซึ่งตัวต้านทานประเภทนี้ทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ สัญลักษณ์ที่ใช้แทนตัวต้านทานค่าคงตัวในวงจรไฟฟ้า คือ... โดยค่าความต้านทาน จะบอกด้วยแถบสีที่เขียนไว้บนตัวต้านทาน ดังรูป

50. โดยแถบสีที่คาดไว้บนตัวต้านทานมีความหมายดังนี้ โดยแถบสีที่คาดไว้บนตัวต้านทานมีความหมายดังนี้ แถบสีที่ 1 ซึ่งอยู่ใกล้ขาข้างใดข้างหนึ่งมากที่สุด บอกเลขตัวแรก แถบสีที่ 2 บอกเลขตัวที่ 2 แถบสีที่ 3 บอกเลขยกกำลังของสิบที่ต้องนำไปคูณกับเลขสองตัวแรก แถบสีที่ 4 บอกความคาดเคลื่อนของค่าความต้านทานที่อ่านได้จากสามแถบแรกโดยบอกเป็นร้อยละ