slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
บทที่ 21 PowerPoint Presentation
Download Presentation
บทที่ 21

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 84

บทที่ 21 - PowerPoint PPT Presentation


  • 129 Views
  • Uploaded on

บทที่ 21. กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง. กระแสไฟฟ้า( Electric Current). กระแสไฟฟ้า คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านพื้นที่อันหนึ่ง หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ แอมแปร์( ampere : A) 1 A = 1 C / s สัญลักษณ์ของกระแสไฟฟ้าคือ I. กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'บทที่ 21' - neal


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

บทที่ 21

กระแส

และ

วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

electric current
กระแสไฟฟ้า(Electric Current)
  • กระแสไฟฟ้าคืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านพื้นที่อันหนึ่ง
  • หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ แอมแปร์(ampere : A)
    • 1 A = 1 C / s
  • สัญลักษณ์ของกระแสไฟฟ้าคือ I
slide3
กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย
  • ให้ถือว่าประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านผิวพื้นที่Aอย่างตั้งฉาก
  • ถ้า Qเป็นปริมาณประจุที่ผ่านพื้นที่Aในช่วงเวลาtกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยมีค่าเป็น
slide4
กระแสไฟฟ้าในขณะใดใด
  • ถ้าอัตราการไหลของประจุไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลาสามารถหากระแสไฟฟ้า ณ เวลาใดใดได้จาก
slide5
ทิศทางของกระแสไฟฟ้า
  • ประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านพื้นที่หนึ่งอาจเป็นประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งสองอย่างก็ได้
  • เพื่อความสะดวกก็จะนิยามทิศของกระแสไฟฟ้าจากการไหลของประจุบวก
  • ทิศของกระแสไฟฟ้าตรงข้ามกับการไหลของกระแสอิเล็กตรอน
  • โดยทั่วไป เรียกประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ว่า ตัวพาประจุ(charge carrier)
slide6
กระแสไฟฟ้า และ ความเร็วลอยเลื่อน
  • อนุภาคไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดA
  • nแทนจำนวนอนุภาคที่พาประจุไปต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร
  • nAxแทนจำนวนอนุภาคที่พาประจุทั้งหมด
current and drift velocity cont
Current and Drift velocity, cont
  • ประจุไฟฟ้าทั้งหมด เท่ากับจำนวนอนุภาคที่พาประจุ คูณกับ ค่าประจุบนหนึ่งอนุภาคq
    • Q = (nAx) q
  • ความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity) vdคือความเร็วเฉลี่ยที่อนุภาคที่พาประจุเคลื่อนที่
    • vd = x/t
  • จึงเขียนได้เป็น : Q = (nAvdt) q
  • จะได้กระแสไฟฟ้าI = Q/t = nqvdA
charge carrier motion in a conductor
Charge Carrier Motion in a Conductor
  • ลูกศรสีดำในภาพแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่พาประจุเคลื่อนที่ในตัวนำอย่าง zig-zag
    • ทำให้ความเร็วลอยเลื่อนมีค่าน้อย
  • การเปลี่ยนแปลงอย่างกระทันหันแสดงถึงการชนกัน
  • การเคลื่อนที่สุทธิของอิเล็กตรอนตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า
motion of charge carriers cont
Motion of Charge Carriers , cont
  • เมื่อให้ความต่างศักย์กับตัวนำ ทำให้ในตัวนำมีสนามไฟฟ้า
  • สนามไฟฟ้าออกแรงกระทำกับอิเล็กตรอน
  • แรงกระทำให้เกิดความเร่งและสร้างกระแสไฟฟ้า
motion of charge carriers final
Motion of Charge Carriers, final
  • สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงผลักดันให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเกือบเท่าแสง
    • ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อสับสวิตช์ ก็จะมีกระแสไฟฟ้าทันที
  • อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่จากสวิตช์ไปยังหลอดไฟฟ้าเพื่อทำให้ไฟสว่าง
  • แต่ในไส้หลอดไฟฟ้ามีอิเล็กตรอนอยู่เรียบร้อยแล้ว
  • อิเล็กตรอนตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแบตเตอรี
slide11
ตัวอย่าง เรื่องความเร็วลอยเลื่อน(ทำเป็นการบ้าน)
  • ถือเสียว่า ลวดทองแดงมีอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ 1 อิเล็กตรอนทุก 1 อะตอม
  • ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนในลวดทองแดงเบอร์ 12 ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 10 A คือ 2.2210-4 m/s
    • ค่านี้เป็นระดับขนาดของความเร็วลอยเลื่อนทั่ว ๆ ไป
current density
ความหนาแน่นกระแส(Current Density)
  • J แทนค่าความหนาแน่นกระแสในตัวนำ
  • ถูกกำหนดโดยกระแสไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่
    • J = I / A = nqvd
    • สูตรนี้จะใช้ได้เฉพาะเมื่อความหนาแน่นกระแสมีค่าสม่ำเสมอ และ A ตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า
  • หน่วยของ Jในระบบ SI คือ A / m2
  • ความหนาแน่นกระแสมีทิศทางเหมือนกับทิศการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุไฟฟ้าที่เป็นบวก
resistance
ความต้านทาน(Resistance)
  • ในตัวนำ ความต่างศักย์ที่คร่อมปลายทั้งสองของตัวนำเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำนั้น
  • อัตราส่วนที่เป็นค่าคงตัวนี้เรียกว่า ความต้านทาน ของตัวนำ
resistance cont
Resistance, cont
  • หน่วยของความต้านทานในระบบ SI คือ โอห์ม(ohms : )
    • 1  = 1 V / A
  • ความต้านทานในตัวนำเกิดขึ้นเนื่องจากการชนกันของอิเล็กตรอนที่เป็นตัวพากระแสไฟฟ้ากับอะตอมที่อยู่กับที่ในตัวนำนั่นเอง
ohm s law
กฎของโอห์ม(Ohm’s Law)
  • กฎของโอห์ม กล่าวว่าสารมากมายหลายชนิดมีความต้านทานเป็นค่าคงตัวในช่วงกว้างของความต่างศักย์ที่ใส่ให้
    • โลหะส่วนใหญ่ เป็นไปตามกฎของโอห์ม
    • วัสดุที่ทำตัวตามกฎของโอห์มเรียกว่า “โอห์มิก” (ohmic)
ohm s law cont
Ohm’s Law, cont
  • แต่ก็ไม่ใช่วัสดุทุกอย่างจะเป็นไปตามกฎของโอห์ม
    • วัสดุที่ไม่เป็นไปตามกฎของโอห์มเรียกว่า “นอนโอห์มิก” (nonohmic)
  • กฎของโอห์มไม่ใช่กฎพื้นฐานในธรรมชาติ
  • กฎของโอห์มเป็นความสัมพันธ์แบบเอ็มไพริกัล(empirical) ที่ใช้ได้กับวัสดุบางชนิด
slide17
กราฟของวัสดุที่เป็นโอห์มิกกราฟของวัสดุที่เป็นโอห์มิก
  • อุปกรณ์ที่เป็นโอห์มิก
  • ความต้านทานเป็นค่าคงตัวในช่วงความต่างศักย์ที่กว้าง
  • ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและความต่างศักย์เป็นเชิงเส้น
  • ความชันมีความสัมพันธ์กับความต้านทาน
slide18
กราฟของวัสดุที่เป็น ไม่เป็นโอห์มิก
  • วัสดุที่ไม่เป็นโอห์มิกคือเหล่าวัสดุที่ความต้านทานเปลี่ยนค่าไปเมื่อกระแสหรือความต่างศักย์เปลี่ยน
  • ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและความต่างศักย์ไม่เป็นเชิงเส้น
  • ไดโอดเป็นตัวอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ที่ไม่เป็นโอห์มิก
resistivity
สภาพต้านทาน(Resistivity)
  • ความต้านทานมีความสัมพันธ์กับรูปทรงของอุปกรณ์ :
    •  เขียนแทนสภาพต้านทานของวัสดุ
  • ส่วนกลับของสภาพต้านทานคือสภาพนำ :
    •  = 1/และR = /A
  • สภาพต้านทานในหน่วย SI คือโอห์ม เมตร (ohm-meters : .m)
conductivity
สภาพนำไฟฟ้า(Conductivity)
  • ความหนาแน่นกระแสJ และสนามไฟฟ้าEถูกทำให้เกิดขึ้นในตัวนำเมื่อมีความต่างศักย์บนตัวนำ
  • J =  E
  •  เป็นอัตราส่วนที่เป็นค่าคงตัวที่เรียกว่า สภาพนำไฟฟ้าของตัวนำ
resistance and resistivity summary
Resistance and Resistivity, Summary
  • สภาพต้านทานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของสสาร
  • ความต้านทานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของวัตถุ
  • ความต้านทานของวัสดุขึ้นกับรูปร่างและสภาพต้านทาน
  • ตัวนำอุดมคติ(สมบูรณ์)จะมีความต้านทานเป็นศูนย์
  • ฉนวนอุดมคติจะมีความต้านทานเป็นอนันต์
slide23

ตัวต้านทาน

  • องค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าส่วนใหญ่ เรียกว่า ตัวต้านทาน
  • ตัวต้านทานมีหน้าที่ควบคุมระดับของกระแสไฟฟ้าในส่วนของวงจร
  • ตัวต้านทานอาจจะทำด้วยสารประกอบ หรือเอาลวดมาพันกัน
slide24
ค่าของตัวต้านทาน
  • ค่าความต้านทานของตัวต้านทานมักจะใช้เป็นแถบสี
slide25
สภาพต้านทานและอุณหภูมิสภาพต้านทานและอุณหภูมิ
  • ภายใต้ขอบเขตอุณหภูมิช่วงหนึ่ง สภาพต้านทานของตัวนำแปรผันตามอุณหภูมิอย่างเป็นเส้นตรง(โดยประมาณ)
    • oแทนสภาพต้านทานที่อุณหภูมิTo
      • To นั้น โดยทั่วไปจะใช้ที่ 20° C
      • แทนสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ-สภาพต้านทาน(temperature coefficient of resistivity) มีหน่วยในระบบ SI เป็นoC-1
slide26
การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไปตามอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไปตามอุณหภูมิ
  • เนื่องจากความต้านทานของตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดสม่ำเสมอนั้น เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสภาพต้านทาน จึงสามารถแสดงผลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทานได้เป็น
slide27
กราฟระหว่างสภาพต้านทานกับอุณหภูมิกราฟระหว่างสภาพต้านทานกับอุณหภูมิ
  • สำหรับโลหะ สภาพต้านทานเกือบจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ
  • ช่วงที่กราฟไม่เป็นเส้นตรงมักเป็นช่วงที่อุณหภูมิต่ำมาก
  • สภาพต้านทานจะมีค่าเข้าสู่ค่าที่แน่นอนค่าหนึ่งในขณะที่อุณหภูมิเข้าสู่ศูนย์สัมบูรณ์
slide28
สภาพต้านทานที่หลงเหลืออยู่สภาพต้านทานที่หลงเหลืออยู่
  • ในขณะที่อุณหภูมิลดลงสู่ศูนย์สัมบูรณ์ยังมีสภาพต้านทานเหลืออยู่เพราะอิเล็กตรอนมีการชนกันกับสารแปลกปลอมที่ปนอยู่ในเนื้อโลหะและความไม่สมบูรณ์ในโลหะ
  • เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สภาพต้านทานได้รับอิทธิพลหลักมาจากการชนระหว่างอิเล็กตรอนกับอะตอมของโลหะนั้นเอง
    • ซึ่งเป็นช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรง
superconductors
ตัวนำยิ่งยวด(Superconductors)
  • เป็นสถานะของโลหะและสารประกอบที่ความต้านทานมีค่าเข้าสู่ศูนย์ในขณะที่อุณหภูมิต่ำกว่าค่าที่แน่นอน, TC
    • TCถูกเรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติ(critical temperature)
  • ตอนที่อุณหภูมิสูงกว่า TC, กราฟเหมือนกับโลหะทั่วไป แต่จะตกลงสู่ศูนย์อย่างทันใดเมื่ออุณหภูมิถึงTC
superconductors cont
Superconductors, cont
  • TCเป็นค่าที่เปลี่ยนแปลงได้ง่าย ขึ้นอยู่กับ
    • ส่วนประกอบทางเคมี
    • ความดัน
    • โครงสร้างผลึก
  • เมื่อทำให้มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำยิ่งยวดแล้ว กระแสไฟฟ้ายังคงไหลอยู่ในตัวนำได้โดยไม่ต้องมีความต่างศักย์
    • เนื่องจากความต้านทานR = 0
slide31
การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวด
  • การประยุกต์ที่สำคัญของตัวนำยิ่งยวดคือการเป็นแม่เหล็กจากการนำยิ่งยวด
  • ขนาดของสนามแม่เหล็กจะแรงกว่าแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไปถึง 10 เท่า
slide32
แบบจำลองการนำไฟฟ้า
  • อิเล็กตรอนอิสระในตัวนำเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเฉลี่ยประมาณ 106 m/s
    • ที่จริงแล้วก็ไม่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์เพราะจะต้องอยู่ภายในตัวนำ ออกไปไม่ได้
  • การเคลื่อนที่เป็นไปอย่างสะเปะสะปะ
  • อิเล็กตรอนผ่านการชนมากมาย
  • ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนเป็นศูนย์
    • ในตัวนำมีกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์
conduction model 2
Conduction Model, 2
  • เมื่อให้สนามไฟฟ้ากับตัวนำ
  • สนามไฟฟ้าปรับกระบวนการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ
  • อิเล็กตรอนไหลเลื่อนไปสวนทางกับสนามไฟฟ้า
    • ความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity) มีค่าเฉลี่ยเป็น10-4 m/s, ซึ่งน้อยกว่าความเร็วที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ชนกันมาก
conduction model 3
Conduction Model, 3
  • ข้อสมมติ :
    • พลังงานส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนที่ได้รับจากสนามไฟฟ้าได้สูญเสียให้กับอะตอมของตัวนำในระหว่างการชนกัน
    • พลังงานที่อะตอมได้รับจากการชนทำให้อะตอมสั่นและเพิ่มอุณหภูมิให้กับตัวนำ
    • การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหลังชนไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ก่อนชน
conduction model 4
Conduction Model, 4
  • แรงที่อิเล็กตรอนได้รับ
  • จากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน ความเร่งมีค่าเป็น
  • ประยุกต์กับสมการการเคลื่อนที่
  • เนื่องจากความเร็วเริ่มต้นของอิเล็กตรอนะเปะสะปะทำให้ความเร็วเฉลี่ยเป็นศูนย์
conduction model 5
Conduction Model, 5
  • ให้ แทนช่วงเวลาเฉลี่ยระหว่างการชนกัน
  • ความเร็วเฉลี่ยของความเร็วปลายเรียกว่าความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity)
  • ซึ่งมีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้า :

I = n e vd A = (n e2 E / me ) A

conduction model final
Conduction Model, final
  • เมื่อใช้กฎของโอห์ม สภาพต้านทานของตัวนำเขียนได้เป็น :
    • บันทึก, สภาพต้านทานเป็นค่าที่ไม่ขึ้นกับความแรงของสนามไฟฟ้า
  • เวลาเฉลี่ยมีความสัมพันธ์กับระยะทางอิสระเฉลี่ย : = avg /vavg
slide38
การปรับปรุงแบบจำลองการนำไฟฟ้าการปรับปรุงแบบจำลองการนำไฟฟ้า
  • จะต้องใช้แบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบายคำทำนายที่ผิดพลาดของแบบจำลองดั้งเดิม
  • โดยจะต้องพิจารณาว่าอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนกับคลื่น
    • ส่งผลให้คำทำนายสภาพต้านทานสอดคล้องกับค่าที่ได้จากการวัด
slide39
กำลังไฟฟ้า
  • พิจารณาวงจรในภาพ
  • ประจุไฟฟ้า Qเคลื่อนที่จาก a ไป b ผ่านแบตเตอรี่พลังงานศักย์ไฟฟ้าของระบบเพิ่มขึ้นQV
    • พลังงานเคมีภายในของแบตเตอรี่ก็ลดลงในปริมาณที่เท่ากัน
electrical power 2
Electrical Power, 2
  • ขณะที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่านตัวต้านทาน (c ไป d) ระบบสูญเสียพลังงานศักย์ไฟฟ้าไปในการชนกันของอิเล็กตรอนกับอะตอมของตัวต้านทาน
  • พลังงานนี้เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานภายในของตัวต้านทาน(ความร้อน)
    • สัมพันธ์กันกับการสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้นของอะตอมในตัวต้านทาน
electric power 3
Electric Power, 3
  • ตามปกติ ตัวต้านทานสัมผัสอยู่กับอากาศ ดังนั้นอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของมันจึงทำให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนไปสู่อากาศ
  • และตัวต้านทานก็ยังแผ่รังสีความร้อนไปด้วย
  • เมื่อเวลาผ่านไป อุณหภูมิของตัวต้านทานก็เข้าสู่สภาวะคงตัว
    • พลังงานที่ตัวต้านทานได้รับสมดุลกันกับพลังงานที่ถ่ายโอนออกไปเป็นความร้อนและการแผ่รังสี
electric power 4
Electric Power, 4
  • ระบบสูญเสียพลังงานศักย์ขณะที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวต้านทานในอัตราเดียวกันกับตัวต้านทานได้รับพลังงานภายในเพิ่มขึ้น
  • กำลัง คือ อัตราที่พลังงานถูกนำส่งไปยังตัวต้านทาน
electric power final
Electric Power, final
  • กำลังหาได้จากสมการ : P= IV
  • ประยุกต์ใช้กฎของโอห์มจะได้สูตร :
  • I มีหน่วยเป็น A, R มีหน่วยเป็น, V มีหน่วยเป็น V, และP มีหน่วยเป็น W
slide44
การส่งกำลังไฟฟ้า
  • ในทางปฏิบัติแล้ว สายส่งกำลังไฟฟ้ามีความต้านทาน
  • บริษัทผลิตพลังงานไฟฟ้าส่งกำลังไฟฟ้าด้วยความต่างศักย์ที่สูงและกระแสไฟฟ้าต่ำเพื่อให้การสูญเสียกำลังในสายส่งให้น้อยที่สุด
electromotive force emf
แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force : emf)
  • แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าคืออุปกรณ์ที่สร้างความต่างศักย์ให้กับวงจรไฟฟ้า
    • แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นตัวจ่ายพลังงาน ไม่ได้จ่ายแรงให้แก่วงจร
  • แบตเตอรี่เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานให้แก่วงจรไฟฟ้า รวมถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่าง ๆ
slide46
ตัวอย่างวงจร
  • เราถือว่าเส้นลวดหรือสายไฟฟ้า ไม่มีความต้านทาน
  • ขั้วบวกของแบตเตอรี่มีศักย์สูงกว่าขั้วลบ
  • ในแบตเตอรี่ไม่มีความต้านทานภายใน
slide47
ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ความต้านทานภายในแบตเตอรี่
  • ถ้าความต้านทานภายในแบตเตอรี่เป็นศูนย์ ความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้า
  • แบตเตอรี่จริงมีความต้านทานภายในr
  • ความต่างศักย์ที่ขั้วV =  - Ir
emf cont
emf, cont
  • แรงเคลื่อนไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เมื่อวงจรเปิด
    • ความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร
    • ค่านี้ เขียนติดไว้ข้างแบตเตอรี่
  • ความต่างศักย์ที่แท้จริงที่คร่อมขั้วแบตเตอรี่ขึ้นกับกระแสไฟฟ้าในวงจร
load resistance
ภาระความต้านทาน(Load Resistance)
  • ความต่างศักย์คร่อมขั้วเซล เท่ากับ ความต่างศักย์คร่อมความต้านทานภายนอก
    • ตัวต้านทานภายนอกเรียกว่า ภาระความต้านทาน
    • จากตัวอย่างที่ผ่านมา ภาระความต้านทานคือตัวต้านทานภายนอก
    • โดยทั่วไป ภาระความต้านทานอาจเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าใดใดก็ได้ในวงจร
slide50
กำลัง
  • กำลังทั้งหมดที่ส่งออกไปจากแบตเตอรี่ คือ P = IV =I
  • กำลังถูกส่งไปยังตัวต้านทานภายนอก (I 2R) และตัวต้านทานภายใน (I2r)
  • P =I = I 2R + I 2r
    • กระแสไฟฟ้าขึ้นกับค่าความต้านทานภายนอกและความต้านทานภายใน
slide51
ต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรมต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรม
  • เมื่อตัวต้านทานตั้งแต่สองตัวขึ้นไปเอาปลายมาต่อปลายเรียกว่าเป็นการต่ออย่างอนุกรม(series )
  • การรวมกันของตัวต้านทานอย่างอนุกรม กระแสไฟฟ้าเป็นค่าเดียวกันทุกตัว เพราะปริมาณประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนผ่านตัวต้านทานตัวหนึ่งจะต้องเคลื่อนที่ผ่านตัวต้านทานตัวถัดไปในช่วงเวลาเดียวกัน
  • ความต่างศักย์จะถูกแบ่งไปตามตัวต้านทาน ซึ่งทำให้ผลบวกของความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทาน เท่ากับความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทานทั้งหมดที่ต่ออนุกรมกัน
resistors in series cont
Resistors in Series, cont
  • ศักย์ไฟฟ้าบวกกัน
    • V = IR1 + IR2

= I (R1+R2)

    • เป็นไปตามหลักอนุรักษ์พลังงาน
  • ความต้านทานสมมูลมีผลต่อวงจรไฟฟ้าเช่นเดียวกับความต้านทานเดิมที่ต่อรวมกัน
slide53
ความต้านทานสมมูลย์ของการต่ออย่างอนุกรมความต้านทานสมมูลย์ของการต่ออย่างอนุกรม
  • Req = R1 + R2 + R3 + …
  • ความต้านทานสมมูลย์ของการต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรม เท่ากับผลบวกทางคณิตศาสตร์ของความต้านทานแต่ละตัว และมีค่ามากกว่าความต้านทานของแต่ละตัวเสมอ
  • หากอุปกรณ์ตัวใดที่อนุกรมกันอยู่ในสภาวะที่ทำให้วงจรเปิด อุปกรณ์ทุกชิ้นในวงจรจะไม่ทำงาน
equivalent resistance series an example
Equivalent Resistance – Series – An Example
  • ตัวต้านทานสองตัวถูกแทนที่ด้วยตัวต้านทานหนึ่งตัวที่มีค่าสมมูลย์ของสองตัวนั้น
slide55
การต่อตัวต้านทานแบบขนานการต่อตัวต้านทานแบบขนาน
  • ความต่างศักย์คร่อมความต้านทานแต่ละตัวที่ขนานกันมีค่าเดียวกันเพราะทุกตัวต่อกับขั้วแบตเตอรี่โดยตรงเหมือนกัน
  • กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าที่จุดใดต้องเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากจุดนั้น
    • I = I1 + I2
    • โดยทั่วไป กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวไม่เท่ากัน
    • เป็นไปตามกฎอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
slide56
ความต้านทานสมมูลย์เมื่อต่ออย่างขนานความต้านทานสมมูลย์เมื่อต่ออย่างขนาน
  • หาความต้านทานสมมูลย์ Req ได้จาก
  • ส่วนกลับของความต้านทานสมมูลย์ของตัวต้านทานที่ต่อขนานกันหลายตัว มีค่าเท่ากับผลบวกทางเลขคณิตของส่วนกลับของความต้านทานแต่ละตัว
    • ความต้านทานสมมูลย์มีค่าน้อยกว่าความต้านทานตัวที่มีค่าน้อยที่สุดในกลุ่มที่นำมาต่อขนานกัน
slide57
ตัวอย่างความต้านทานสมมูลย์ที่ต่อกันอย่างขนานตัวอย่างความต้านทานสมมูลย์ที่ต่อกันอย่างขนาน
  • ความต้านทานสมมูลย์แทนที่ความต้านทานตัวเดิม
  • เครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านต่อกันอย่างขนาน
    • หากอุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งขาดออกจากวงจรอุปกรณ์ตัวอื่นยังคงสามารถทำงานได้ต่อไป
resistors in parallel final
Resistors in Parallel, Final
  • ในการต่ออย่างขนาน ทำให้อุปกรณ์แต่ละชิ้นทำงานแยกกันอย่างอิสระ เมื่อตัดไฟฟ้าของอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งออกไป ชิ้นอื่นก็ยังคงสามารถทำงานได้
  • อุปกรณ์ทุกตัวที่ต่อกันอย่างขนานจะมีความต่างศักย์ค่าเดียวกัน
  • กระแสไฟฟ้าที่เข้าไปยังแต่ละส่วน
    • ตัวที่มีความต้านทานน้อยที่สุดจะมีกระแสไหลผ่านมากที่สุด
    • แม้ตัวที่มีความต้านทานสูงสูงก็จะมีกระแสไหลผ่านได้บ้าง
slide59
การยุบวงจร
  • วงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานหลายตัว สามารถเขียนเป็นวงจรอย่างง่ายที่มีตัวต้านทานเพียงตัวเดียวได้
    • พิจารณาส่วนของวงจรที่มีตัวต้านทานต่อกันอย่างอนุกรม แล้วแทนด้วยความต้านทานสมมูลย์ของส่วนนั้น และส่วนของวงจรที่ต่อกันอย่างขนานก็แทนด้วยความต้านทานสมมูลย์ของมัน
    • วาดวงจรใหม่
    • พิจารณาวงจร แล้วแทนที่ส่วนความต้านทานที่อนุกรมหรือขนานด้วยความต้านทานสมมูลย์ของแต่ละส่วน และวาดวงจรใหม่
    • ทำต่อไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะเหลือความต้านทานสมมูลย์เพียงตัวเดียวในวงจร
slide60
ตัวอย่าง การยุบวงจร
  • ตัวต้านทาน 8.0 และ 4.0 ต่อกันอย่างอนุกรม แทนที่ด้วยตัวต้านทานสมมูลย์ค่า 12.0 
  • ตัวต้านทาน 6.0 และ 3.0 ต่อกันอย่างขนาน แทนที่ด้วยตัวต้านทานสมมูลย์ค่า 2.0 
  • ตัวต้านทานสมมูลย์ทั้งสองตัวต่อกันอย่างอนุกรม แทนด้วยความต้านทานสมมูลย์ของมันค่า 14.0 
kirchhoff s rules
กฎของเคอร์ชอฟฟ์(Kirchhoff’s Rules)
  • มีวิธีต่อตัวต้านทานหลายตัวเข้าในวงจรมากมาย ทำให้รูปวงจร บางทีก็ไม่สามารถแทนด้วยความต้านทานสมมูลย์เพียงตัวเดียวได้
  • กฎของเคอร์ชาฟฟ์มีสองข้อ สามารถใช้แทนการหาความต้านทานสมมูลย์ได้
slide62
แถลงกฎของเคอร์ชอฟฟ์
  • กฎของจุดประสาน(Junction Rule)
    • ที่จุดประสานใดใด ผลบวกของกระแสไฟฟ้าจะต้องเป็นศูนย์
      • เป็นถ้อยแถลงของการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
  • กฎของวง(Loop Rule)
    • ผลบวกของความต่างศักย์คร่อมทุกชิ้นส่วนรอบวงบรรจบใดใดของวงจรไฟฟ้าต้องเป็นศูนย์
      • เป็นถ้อยแถลงของกฎอนุรักษ์พลังงาน
slide63
ถ้อยแถลงทางคณิตศาสตร์ของกฎของเคอร์ชอฟฟ์ถ้อยแถลงทางคณิตศาสตร์ของกฎของเคอร์ชอฟฟ์
  • กฎของจุดประสาน : Iin = Iout
  • กฎของวง :
more about the junction rule
More About the Junction Rule
  • I1 - I2 - I3 = 0
    • ใช้ +Iสำหรับกระแสที่วิ่งเข้ามาที่จุดประสาน
    • ใช้Iสำหรับกระแสที่วิ่งออกจากจุดประสาน
  • เป็นไปตามการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
  • รูป b เป็นการแสดงเปรียบเทียบกับทางกลศาสตร์
more about the loop rule
More About the Loop Rule
  • เคลื่อนที่ตามวงจาก aไปb
  • รูป (a), ตัวต้านทานวางตัวในทิศทางของกระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทานเป็น –IR
  • รูป (b), ตัวต้านทานวางตัวในทิศทางตรงข้ามกระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทานเป็น +IR
loop rule final
Loop Rule, final
  • เคลื่อนที่ตามวงจาก aไปb
  • รูป (c) แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าวางตัวในทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้า (จาก – ไป +), การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าเป็น +
  • รูป (d) แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าวางตัวในทิศทางตรงข้ามแรงเคลื่อนไฟฟ้า (จาก + ไป –), การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าเป็น –
slide67
สมการจุดประสานตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์สมการจุดประสานตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์
  • ใช้สมการกฎของจุดประสานเท่าที่เมื่อเขียนสมการออกมาได้รวมกระแสที่ยังไม่ได้ปรากฎในสมการที่ใช้กฎของจุดประสานมาก่อน
  • โดยทั่วไปแล้ว จำนวนครั้งของการใช้กฎของจุดประสานจะน้อยกว่าจำนวนจุดประสานที่ปรากฏในวงจรอยู่หนึ่ง
slide68
สมการตามวงที่ใช้ตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์สมการตามวงที่ใช้ตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์
  • ใช้สมการกฎของวงเท่าที่เมื่อส่วนประกอบย่อยของวงจร(ตัวต้านทานหรือแบตเตอรี่) หรือกระแสไฟฟ้าตัวใหม่ ได้ปรากฎในสมการที่เขียนขึ้นใหม่
  • จะต้องตั้งจำนวนสมการที่ไม่เกี่ยวกันมากเท่ากับจำนวนตัวแปรที่ไม่ทราบค่า
kirchhoff s rules equations final
Kirchhoff’s Rules’ Equations, final
  • ในการแก้ปัญหาวงจรพิเศษวงจรหนึ่ง จำนวนสมการที่ไม่ขึ้นแก่กันที่สร้างจากกฎทั้งสองของเคอร์ชอฟฟ์ เท่ากับ จำนวนกระแสไฟฟ้าที่ไม่ทราบค่า
slide70
ตัวช่วยในการใช้กฎเคอร์ชอฟฟ์แก้ปัญหาตัวช่วยในการใช้กฎเคอร์ชอฟฟ์แก้ปัญหา
  • สร้างมโนคติ
    • ศึกษารูปวงจร
    • ระบุส่วนประกอบทุกชิ้นในวงจร
    • ระบุขั้วของแบตเตอรี่ทุกตัว และจินตนาการถึงทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่จะปรากฏผ่านแบตเตอรี่
  • จัดหมวดหมู่
    • ยุบรวมวงจรที่เห็นว่าเป็นการต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรมหรือขนาน
    • เมื่อยุบไม่ได้ ให้ประยุกต์ใช้กฎของเคอร์ชอฟฟ์
problem solving hints kirchhoff s rules cont
Problem-Solving Hints – Kirchhoff’s Rules, cont
  • วิเคราะห์
    • เขียนวงจร เขียนชื่อ สัญลักษณ์ กับปริมาณที่ทั้งทราบค่าแล้ว และไม่ทราบค่าทั้งหมด กำหนดทิศทางของกระแสไฟฟ้า
      • ทิศทางแม้กำหนดได้ตามใจชอบ แต่เวลาใช้กฎของเคอร์ชอฟฟ์ จะต้องระมัดระวังเวลาใช้เครื่องหมาย
    • ใช้กฎของจุดประสานบนจุดประสานใดใดในวงจรเพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสต่าง ๆ ในวงจร
problem solving hints cont
Problem-Solving Hints, cont
  • วิเคราะห์ต่อ
    • ประยุกต์ใช้กฎของวงให้มีจำนวนวงมากเท่าที่ต้องใช้เพื่อการแก้ปัญหาหาตัวไม่ทราบค่า
      • การใช้กฎของวง คุณจะต้องกำหนดทิศการวนและกำหนดความต่างศักย์คร่อมองค์ประกอบแต่ละส่วนอย่างถูกต้อง
    • แก้สมการเพื่อหาค่าตัวแปรไม่ทราบค่าอย่างทันที
      • ถ้าหาค่ากระแสไฟฟ้าได้ออกมาเป็นลบ ขนาดของกระแสไฟฟ้ายังคงใช้ได้ แต่จะมีทิศกลับกับที่กำหนดไว้ในตอนแรก
  • ท้ายที่สุด
    • ตรวจสอบคำตอบที่ได้ว่าเหมาะสมหรือไม่
slide73
วงจร RC
  • ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงอาจมีองค์ประกอบหลายอย่าง เช่นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงตามเวลา
  • เมื่อครบวงจร จะเริ่มประจุตัวเก็บประจุ
  • การประจุ จะประจุไปจนกว่าจะถึงค่าสูงสุดที่จะประจุได้ (Q = C)
  • ขณะที่ตัวเก็บประจุเต็มแล้ว กระแสไฟฟ้าในวงจรเป็นศูนย์
slide74
การประจุในวงจร RC
  • ขณะที่แผ่นโลหะได้รับประจุไฟฟ้า ความต่างศักย์ของตัวเก็บประจุก็เพิ่มขึ้น
  • ในทันทีที่เริ่มสวิตช์ปิด(ครบวงจร) ประจุไฟฟ้าในตัวเก็บประจุเป็นศูนย์
  • ทันที่ที่ประจุไฟฟ้าถึงค่าสูงสุด กระแสไฟฟ้าในวงจรเป็นศูนย์
    • ความต่างศักย์คร่อมตัวเก็บประจุเท่ากับความต่างศักย์ของแบตเตอรี่
charging capacitor in an rc circuit
Charging Capacitor in an RC Circuit
  • ประจุในตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงตามเวลา
    • q = C(1 – e-t/RC) = Q(1 – e-t/RC)
    • แทนค่าคงตัวเวลาของวงจร RC(RCtime constant)
      • =RC
  • และกระแสเปลี่ยนแปลงตามเวลา
slide76
ค่าคงตัวเวลาสำหรับการประจุค่าคงตัวเวลาสำหรับการประจุ
  • ค่าคงตัวเวลา เป็น เวลาที่ใช้ในการประจุจนมีประจุจากศูนย์จนมีค่าถึง 63.2% ของค่าสูงสุด
  • มีหน่วยเป็นเวลา
  • เมื่อประจุสูงสูดมีพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุเป็น ½ Q = ½ C2
slide77
การคายประจุของตัวเก็บประจะในวงจร RC
  • เมื่อนำตัวเก็บประจุที่มีประจุแล้ว Qวางไว้ในวงจรที่มีความต้านทาน Rจะคายประจุตามสมการ
    • q = Qe-t/RC
  • ประจุไฟฟ้าลดลงอย่างเอ็กซ์โปเนนเทียล
discharging capacitor
Discharging Capacitor
  • ที่เวลาt =  = RC, ประจุไฟฟ้าลดลงสู่ 0.368Qmax
    • หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ เมื่อเวลาผ่านไปหนึ่งช่วง  จะสูญเสียประจุไป 63.2% ของประจุในตอนแรก
  • สามารถตรวจพบกระแสไฟฟ้าด้วย
  • ทั้งประจุและกระแสไฟฟ้าจะลดลงแบบเอ็กซ์โปเนนเทียลด้วยอัตราที่กำหนดโดย = RC
slide79
บรรยากาศเป็นตัวนำ
  • ฟ้าผ่าและสปาร์ค(Lightning and spark) เป็นตัวอย่างของกระแสไฟฟ้าในอากาศ
    • การพิจารณาว่าอากาศเป็นฉนวนไฟฟ้านับเป็นการใช้แบบจำลองอย่างง่ายของอากาศ
  • เมื่อใดก็ตามที่มีสนามไฟฟ้าแรง ๆ ในอากาศ ก็เป็นไปได้ที่อากาศจะทนสนามไฟฟ้าไม่ไหวและทำให้ความต้านทานของอากาศลดต่ำลงจนกระทั่งอากาศกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าไปได้
spark
การเกิดประกายไฟฟ้า(spark)การเกิดประกายไฟฟ้า(spark)
  • (a) บางโมเลกุลของอากาศบังเอิญกลายเป็นไอออน
    • รังสีคอสมิก(Cosmic rays) และอาจมีเหตุอื่นที่ทำให้โมเลกุลกลายเป็นไอออนได้
  • (b) ไอออนบวกถูกเร่งอย่างช้า ๆ เทียบกับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งอย่างเร็วเนื่องจากแรงของสนามไฟฟ้า
    • เหตุการดังกล่าวเกิดเมื่อมีสนามไฟฟ้าแรง ๆ
    • ในกรณีที่สนามไฟฟ้าอ่อน ทั้งสองตัวจะถูกเร่งอย่างช้า ๆ แล้วก็กลับมารวมกันแล้วกลายเป็นกลาง
creating a spark cont
Creating a Spark, cont
  • (c) อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจะเคลื่อนที่เข้าชนโมเลกุลอื่น ๆ ด้วยความเร็วที่สูงมาก
  • (d) ถ้าสนามไฟฟ้าแรงมากพอ อิเล็กตรอนก็จะชนโมเลกุลอื่นแรงพอที่จะทำให้โมเลกุลที่ถูกชนกลายเป็นไอออนได้อีก
creating a spark final
Creating a Spark, final
  • (e) มาถึงตอนนี้ก็จะมีอิเล็กตรอนเพิ่มเป็นสองตัวที่จะถูกเร่งในสนามไฟฟ้า
    • อิเล็กตรอนเหล่านี้ต่างก็สามารถถูกเร่งแล้วไปชนกับโมเลกุลอื่น ๆ ได้ต่อไปเรื่อย ๆ
  • การเพิ่มจำนวนของตัวพาประจุเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนทำให้ความต้านทานของอากาศลดต่ำลง
lightning
ฟ้าผ่า(Lightning)
  • ฟ้าผ่าเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าจำนวนมากทำให้ประจุไฟฟ้าที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าในอากาศกลายเป็นกลางทางไฟฟ้า
  • โดยทั่วไปแล้วกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากฟ้าผ่านมีค่าสูงมากมาก
    • ในตอนเริ่มต้น กระแสจะมีค่าอยู่ระหว่าง 200 – 300 A
    • ค่าสูงสุดของกระแสไฟฟ้าอยู่ที่ 5 x 104 A
      • กำลังอยู่ในระดับพันล้านวัตต์
slide84
กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศที่แจ่มใสกระแสไฟฟ้าในบรรยากาศที่แจ่มใส
  • ในวันที่อากาศดี ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟฟ้าในบรรยากาศอยู่ที่ราว ๆ 1000 A
    • ค่านี้เป็นค่ารวมทั้งโลก
  • เมื่ออากาศดี ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยอยู่ที่210-12 A / m2
    • ระหว่างที่ฟ้ากำลังฟาดลง, J ~ 105 A/m2
  • กระแสไฟฟ้าขณะอากาศดีมีทิศตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้าจากฟ้าผ่า