วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น

1. บทที่ 12 วงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น 1. กฎของโอห์ม 2. วงจรไฟฟ้ากระแสตรง 3. กฎของเคอร์ชอฟฟ์ 4. วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ 5. อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นและการประยุกต์

2. 12.1 กฏของโอห์ม • แบตเตอรี่ (Battery) • ตัวต้านทานไฟฟ้า (Resistors) • กฎของโอห์ม (Ohm’s Law) • กำลังไฟฟ้า (Electric Power) • วงจรไฟฟ้าในบ้านพักอาศัย • ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Current) ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับไฟฟ้า

3. Direct Current Alternating Current 220V ไฟฟ้าจาก กฟภ. ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านเรือน

4. อิเล็กตรอนต้นกำเนิดมาจากภาษากรีก “elektron” • ซึ่งหมายถึง “อำพัน (amber)” • ไฟฟ้ามีอยู่ 2 ชนิด คือ: • ไฟฟ้าสถิตย์(Static Electricity )- ไม่มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าอิสระ • ไฟฟ้ากระแส(Current Electricity) - มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าอิสระ แบ่งเป็น • ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current หรือ DC) • ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current หรือ AC) André-Marie Ampère' (1775-1836)

5. zinc Q D = I acid D t + – สัญลักษณ์ V – + หรือ copper กระแสไฟฟ้า (Electric Current) • ถ้าทำการต่อขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่เข้ากับ วงจรไฟฟ้า • เกิดการไหลของประจุไฟฟ้า : กระแสไฟฟ้า • หน่วย : 1 Coulomb/second = 1 Ampere (A) • ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.6 x 10 -19 C • ในตัวนำไฟฟ้าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะถูกกำหนดให้ไหลจากขั้วไฟฟ้าบวก(positive)ไปยังขั้วไฟฟ้าลบ(negative) ของแบตเตอรี่

6. กระแสไฟฟ้า (Electric Current) เมื่อพิจารณาการไหลของสิ่งใดเรามักพิจารณาถึงประมาณการไหลของสิ่งนั้นผ่านพื้นที่หน้าตัดในหนึ่งหน่วยวินาที สำหรับกรณีของกระแสไฟฟ้า เราจะ พิจาณาที่การไหลของประจุไฟฟ้าผ่านสายไฟในเวลา 1 วินาที

7. ภายในสายไฟ : อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างช้าๆ ด้วยความเร็วลอยเลื่อน (drift) ประมาณ0.05 mm/s. หรือเคลื่อนที่ได้ระยะ 1 เมตร ใช้เวลาประมาณ 5 ชั่วโมง !! ความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้า • เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้า แต่ทำไมหลอดไฟจึงติดทันที เมื่อสับสวิทช์ไฟ? การที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้เร็วเนื่องจากสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่เร็วมาก

8. เมื่อมีศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมเส้นลวดตัวนำไฟฟ้าจะทำให้เกิดสนาม E ขึ้นทำให้อิเล็กตรอนเกิดการเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าด้วยความเร็ว Vd (Drift Velocity) ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่ไหล (Current Density, J) หรือ กระแสไฟฟ้าต่อหน่วยพื้นที่ (J = I / A) คำนวณได้จากสมการ n คือ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน หรือ จำนวน อิเล็กตรอนต่อหน่วยปริมาตร J = neVd

9. ตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้าตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้า • ตัวนำไฟฟ้า (Conductor) • วัสดุที่มีอิเล็กตรอนอิสระ • ได้แก่ ทองแดง, อลูมิเนียม, ทองคำ, โลหะทุกชนิด • ฉนวน (Insulator) • วัสดุที่ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ • ได้แก่ แก้ว, พลาสติก, เซรามิก, ไม้

10. วงจรไฟฟ้า วงจรน้ำ แหล่งพลังงาน แบตเตอรี่ ปั๊มน้ำ ตัวต้านทาน หลอดไฟ กังหันน้ำ กระแสไฟฟ้า กระแสที่ไหล กระแสน้ำ การเปรียบเทียบวงจรไฟฟ้ากับน้ำ

11. I วงจรไฟฟ้า • อุปกรณ์ต่างๆ ของวงจรไฟฟ้าประกอบด้วย: • แบตเตอรี่ (แหล่งกำเนิดพลังงาน) • สายไฟสำหรับต่ออุปกรณ์ • ตัวต้านทานไฟฟ้า (สายไฟ, หลอดไฟ, อุปกรณ์ เป็นต้น) • สวิทซ์ไฟ ไดอะแกรมของวงจรไฟฟ้า ดูแตกต่างจาก วงจรไฟฟ้าจริงแต่วัตถุประสงค์ของการแสดงทั้งสองแบบเพื่อ แดสงการต่อวงจรไฟฟ้า! นั่นเอง

12. + - วงจรไฟฟ้าอย่างง่าย ข้อตกลงทิศการไหลของกระแสไฟฟ้าจะมีทิศเหมือนกับทิศการไหลของประจุไฟฟ้าบวกคือ เคลื่อนที่จากขั้วไฟฟ้าบวกของแบตเตอรี่ ผ่านอุปกรณ์ภายนอกไปยังขั้วไฟฟ้าลบของแบตเตอรี่!

13. กฎของโอห์ม : Ohm’s Law ลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างค่าแรงดันไฟฟ้า (V) ที่จ่ายให้กับวงจรไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า (I) ที่ไหลผ่านวงจรไฟฟ้า และความต้านทานของวงจรไฟฟ้า (R) มีรูปแบบเป็นอย่างไร ? I มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A) V มีหน่วยเป็น โวลต์ (V) R มีหน่วยเป็น โอห์ม () Georg Simon Ohm (1789-1854)

14. R I I ค่าความต้านทานไฟฟ้า units:W (ohm) V สัญลักษณ์ ตัวต้านทานไฟฟ้าและค่าความต้านทานไฟฟ้า • การเกิดกระแสไฟฟ้า จะต้องมีความต่างศักย์ V เกิดขึ้นเสียก่อน • ตัวนำไฟฟ้าทุกชนิด : ถ้ามี V ค่าสูง จะทำให้เกิด Iค่าสูงด้วย • กฎของโอห์ม (Ohm’s law) : V = I R

15. A I L สภาพต้านทานไฟฟ้า (Resistivity) • ความต้านทานไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับรูปทรงทางเรขาคณิตของตัวนำไฟฟ้านั้น ? สภาพต้านทานไฟฟ้า:r(หน่วยWm) (หาได้จากตาราง) • ความยาว (L) มาก ขัดขวาง การไหลของอิเล็กตรอน • พื้นที่หน้าตัด (A) มาก อิเล็กตรอนไหลได้ สะดวก

16. Sample Problem ค่าความต้านทานไฟฟ้า (Resistance) • สายไฟเส้นหนึ่งยาว 10 เมตร ประกอบด้วยสายไฟที่ทำจากทองแดงยาว 5 เมตรและอลูมิเนียมยาว 5 เมตร เส้นผ่าศูนย์กลางของสายไฟทั้งหมดเท่ากับ 1 เมตร ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่คร่อมสายไฟมีค่าเท่ากับ 80 โวลท์ . • ให้หาค่าความต้านทานไฟฟ้ารวมของสายไฟ ? • ให้หากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟ ?

17. rT= ro [ 1 + a (T - T0 )] สภาพต้านทานไฟฟ้า (Resistivity) • สภาพต้านทานไฟฟ้าของวัสดุจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัสดุนั้น • สำหรับตัวนำไฟฟ้า (conductors), อุณหภูมิสูงกว่า สภาพต้านทานไฟฟ้าจะมีค่า มากกว่า • aคือ สัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่อสภาพต้านทานไฟฟ้า (temperature coefficient of resistivity) • บวก สำหรับตัวนำไฟฟ้า (conductors) • ลบสำหรับสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า (semiconductors)

18. แรงดันไฟฟ้า 120 V V = ความต้านทานไฟฟ้าของร่างกาย I R R = 0.5 x 106W(สำหรับมือแห้ง)I = 0.24 mA R = 0.5 x 104W(สำหรับมือเปียก)I = 24 mA อันตรายที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน • ถ้าเราสัมผัสกับตัวนำไฟฟ้าที่มีประจุไฟฟ้า จะเกิดอันตรายเนื่องจาก : • ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างตัวนำไฟฟ้ากับกราวด์ (ground) • เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านร่างกายเรา ! • ความรุนแรงจะขึ้นอยู่กับ ปริมาณกระแสไฟฟ้า ที่ไหลผ่านร่างกายของเรา

19. อย่าใช้ไดย์เป่าผมในอ่างน้ำอย่าใช้ไดย์เป่าผมในอ่างน้ำ อันตรายจากกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ผลกระทบอันตราย ? 1 mA ทำให้สะดุ้ง ไม่ตาย 5 mA รู้สึกเจ็บ ไม่ตาย 10 mA กล้ามเนื้อหยุดทำงาน ไม่ตาย 20 mA หยุดหายใจ เป็นนาทีตาย 100 mA หัวใจหยุดทำงาน เป็นวินาทีตาย 1000 mA ไหม้เกรียม ตายทันที