บทที่16 ไฟฟ้าและแม่เหล็ก 1

16.1 กระแสไฟฟ้า
            อิเล็กโทรสโคปซึ่งเดิมเป็นกลางมีประจุไฟฟ้าโดยรับปรำจุไฟฟ้าจากอิเล็กโทรสโคปที่มีประจุไฟฟ้าให้ผ่านทางลวดโลหะ เรียกการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าผ่านลวดโลหะนี้ว่า กระแสไฟฟ้า
            แหล่งพลังงานที่จะทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำตลอดเวลา แหล่งพลังงานนี้เรียกว่า แหล่งกำเนิดไฟฟ้า ได้แก่ เซลล์ไฟฟ้าเคมี เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เซลล์สุริยะ และเซลล์เชื้อเพลิง เป็นต้น
       16.1.1 การนำไฟฟ้า
          ตัวนำไฟฟ้า เป็นตัวกลางให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านการนำไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระไอออนบวก ไอออนลบ
            อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมง่ายและเคลื่อนที่โดยไม่อยู่ประจำอะตอมหนึ่งอะตอมใด จึงเรียกว่า อิเล็กตรอนอิสระ ตามปกติการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำเป็นการเคลื่อนที่อย่างไร้ระเบียบคือไม่มีทิศแน่นอน เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์
16.1.2 กระแสไฟฟ้าในตัวนำไฟฟ้า
            เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในตัวกลางเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า จึงได้มีการกำหนดว่า กระแสไฟฟ้าในตัวกลางใดๆ คือประไฟฟ้าที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวกลางนั้นในหนึ่งหน่วยเวลา
            เนื่องจากสนามไฟฟ้าทำให้อนุภาคมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เป็นกระแสไฟฟ้า จึงมีการกำหนดให้ กระแสไฟฟ้าในตัวกลางมีทิศเดียวกับทิศของสนามไฟฟ้า
            ตัวนำโลหะที่ต่อกับแบตเตอรี่จะเกิดสนามไฟฟ้ามีทิศจากปลายที่ต่อกับขั้วบวกซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าสูง ไปยังปลายที่ต่อกับขั้วลบซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในทิศตรงกันข้ามกับสนามไฟฟ้า ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะ จึงมีทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระหรือทิศของกระอิเล็กตรอน
I = กระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นแอมแปร์
Q = จำนวนประจุทั้งหมด มีหน่วยเป็นคูลอมบ์
t = เวลาที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน มีหน่วยเป็นวินาที
n = จำนวนอิเล็กตรอนอิสระในหนึ่งหน่วยปริมาตรของตัวนำ
e = ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน = 1.6x10-19 คูลอมบ์
v = ความเร็วของอิเล็กตรอนในตัวนำ หน่วยเป็นเมตร/วินาที
A = พื้นที่ภาคตัดขวางของตัวนำ หน่วยเป็นตารางเมตร
16.2 ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์
       16.2.1 กฎของโอห์มและความต้านทาน
16.2.1.1 กฏของโอห์ม 
"เมื่ออุณหภูมิคงที่ ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในตัวนำ จะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำนั้น"
V = IR
V = ความต่างศักย์ มีหน่วยเป็นโวลต์
I = กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์
R = ความต้านทาน มีหน่วยเป็นโอห์ม
          16.2.1.2 ความต้านทานและสภาพความต้านทาน
R = ความต้านทาน
สภาพต้านทานมีหน่วยเป็นโอห์ม-เมตร
เป็นความยาว มีหน่วยเป็นเมตร
A = พื้นที่หน้าตัด มีหน่วยเป็นตารางเมตร
*ค่าสภาพต้านทานของโลหะแต่ละชนิดจะมีค่าไม่เท่ากันแต่ชนิดเดียวกันจะเท่ากันเสมอ
ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระเล็กๆตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า ตัวต้านทานค่าคงตัว ตัวต้านทานทำหน้าที่จำกัดค่าของกระแสไฟฟ้าในวงจรนอกจากนี้ยังมีตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้ เรียกว่า ตัวต้านทานแปรค่า ตัวต้านทานแปรค่าที่ทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจร เรียกว่า ตัวควบคุมกระแส
แอลดีอาร์ เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับความสว่างของแสงที่ตกกระทบแอลดีอาร์มีความต้านทานสูงในที่มืด
            เทอร์มีสเตอร์ เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมเทอร์มีสเตอร์แบบ NTC มีความต้านทานสูงเมื่ออุณหภูมิต่ำ
            ไอโอด มีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ โดยมีกระแสไฟฟ้าในวงจร เรียกว่า ไบแอสตรง และไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร เรียกว่า ไบแอสกลับ ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า ไดโอดยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทิศเดียว
       16.2.2 สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า
สารใดที่มีความต้านทานมากจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อย แสดงว่าสารนั้นมีความนำไฟฟ้าน้อยความนำไฟฟ้าจะเป็นส่วนกลับของความต้านทาน
ความนำไฟฟ้า มีหน่วยเป็นซีเมนต์ (S) สภาพนำไฟฟ้า โดยสารใดที่มีสภาพต้านทานมากจะมีสภาพนำไฟฟ้าน้อย จะเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทาน มีหน่วยเป็นซีเมนต์ต่อเมตรสภาพนำไฟฟ้า 
16.2.3 อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทาน
อุณหภูมิยิ่งสูงความต้านทานก็จะมากขึ้น ซึ่งจะเป็นไปตามความสัมพันธ์
R = ความต้านทานที่อุณหภูมิ
R0 = ความต้านทานที่อุณหภูมิ
t = อุณหภูมิ
สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน
 16.2.4 การต่อความต้านทาน
การต่อตัวต้านทาน แบ่งออกเป็น วิธีคือ
1. การต่อแบบอนุกรมเป็นการนำเอาตัวต้านทานมาต่อกันตามยาว
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. การต่อแบบขนานเป็นการนำความต้านทานแต่ละตัวมาเรียงซ้อนกัน 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 Bridgeประกอบด้วยความต้านทาน ตัว ถ้าวงจรสมดุล จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน R5
  
16.3 พลังงานในวงจรไฟฟ้า
       16.3.1 แรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต่างศักย์
            พลังงานไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านแหล่งกำเนิดไฟฟ้า คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้า
                                                            E = VR + Vrและ V = IR
                                                            E = I (R + r)
E = แรงเคลื่อนไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโวลต์
I = กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรมีหน่วยเป็นแอมแปร์
R = ความต้านทานภายนอกมีหน่วยเป็นโอห์ม
r = ความต้านทานภายในมีหน่วยเป็นโอห์ม
            *ความต่างศักย์ระหว่างขั้วแบตเตอรี่มีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้า
       16.3.2 พลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้า
            พลังงานไฟฟ้าที่ถูกใช้หรือเปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลาหรืออัตราการใช้พลังงานไฟฟ้าว่า กำลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็นวัตต์ ถ้าเราใช้เครื่องใช้ไฟฟ้ากับความต่างศักย์ไม่ตรงกับที่ระบุไว้ เครื่องใช้ไฟฟ้าจะเสียได้
            
W = พลังงานไฟฟ้ามีหน่วยเป็นจูล
Q = ประจุไฟฟ้าที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้า
V = ความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของเครื่องใช้ไฟฟ้า
I = กระแสไฟฟ้าที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้าในเวลา วินาที
R = ความต้านทาน
t = เวลา
กำลังไฟฟ้าคือ พลังงานไฟฟ้าที่ถูกเปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็นวัตต์หรือจูล/วินาที
 
P = กำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้า
16.4 การต่อตัวต้านทานและแบตเตอรี่
       16.4.1 การต่อตัวต้านทาน
            1. ต่อแบบอนุกรม
Eรวม = E1 + E2 + E3 + E4
rรวม = r1 + r2 + r3 + r4
E = แรงเคลื่อนไฟฟ้า (ถ้ามีเซลต่อกลับขั้วต้องคิดเครื่องหมายเป็นลบ(-)
r = ความต้านทานภายใน
n = จำนวนเซล
R = ความต้านทานภายนอก
2. ต่อแบบขนาน
Eรวม = E1 = E2 = E3
rรวม = 
            
            ซึ่งนอกจากจะต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนานแล้วอาจนำการต่อทั้งสองรูปแบบมาต่อปนกันได้อีก ซึ่งเรียกว่า การต่อแบบผสม
            ความรู้เรื่องการต่อตัวต้านทานแบบอนุกรมนำไปใช้ในการแบ่งความต่างศักย์ในวงจรตัวต้านทานที่ทำหน้าที่นี้เรียกว่า ตัวแบ่งศักย์
            ในวงจรที่มีตัวต้านทานต่อกันแบบขนาน กระแสไฟฟ้าในวงจรจะถูกแบ่งผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว ตัวต่านทานที่ทำหน้าที่นี้เรียกว่า ตัวแบ่งกระแส
       16.4.2 การต่อแบตเตอรี่
            1. การต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรม
            เป็นการนำขั้วตรงข้ามของแบตเตอรี่แต่ละก้อนต่อเรียงกันไป ถ้าต่อขั้วชนิดเดียวกันเข้าด้วยกัน จะทำให้แรงเคลื่อนที่ไฟฟ้ารวมลดลง
            2. การต่อแบตเตอรี่แบบขนาน
            เป็นการนำขั้วชนิดเดียวกันของแบตเตอรี่แต่ละก้อนมาต่อกัน ถ้านำแบตเตอรี่หลายก้อนที่แต่ละก้อนมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต้านทานภายในเท่ากัน มาต่อแบบขนาน แรงไฟฟ้ารวมเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแบตเตอรี่ก้อนเดียวและความต้านทานภายในรวมเท่ากับความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ก้อนเดียวหารด้วยจำนวนแบตเตอรี่
16.5 กฎของเคอร์ชอฟฟ์
1. ในวงจรกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าทั้งหมด ณ จุดหนึ่ง = กระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากจุดนั้น
I = I1 + I2 + I3
2. ในวงจรไฟฟ้าที่ครบวงจร ผลบวกทางพีชคณิตของผลคูณ ระหว่างกระแสไฟฟ้า กับความต้านทานในวงจรนั้น = แรงเคลื่อนไฟฟ้า รวมตลอดทั้งวงจรนั้น
16.6 เครื่องวัดไฟฟ้า
1. แอมมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ถูกดัดแปลงมาจากแกลแวนอมิเตอร์ จะมีความต้านทานน้อย เพื่อวัดกระแสได้มากๆ ใช้วัดกระแสไฟฟ้าโดยการต่อแบบอนุกรม
 
2. โวลต์มิเตอร์ใช้วัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า โดยนำไปต่อแบบขนานกับวงจรโวลต์มิเตอร์ที่ดีจะต้องมีความต้านทานมากเพื่อกระแสไฟ ฟ้าผ่านได้น้อย
Iรวม = IS = Ig
Vรวม = VS + Vg
v= ISRS + IgRg
V = I (RS + Rg)
16.7 ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็ก
       16.7.1 แม่เหล็ก
            ประมาณ 2000 ปีมาแล้ว ชาวกรีกที่อาศัยในเมืองแมกนีเซียได้พบว่าแร่ชนิดหนึ่งสามารถดูดเหล็กได้ จึงเรียกแร่ชนิดนี่ว่า แมกนีไทต์ และเรียกวัตถุที่ดูดเหล็กได้ว่า แม่เหล็ก ส่วนวัตถุที่แม่เหล็กออกแรงกระทำ รียกว่า สารแม่เหล็ก ปลายแท่งแม่เหล็กมีผงมีเหล็กหนาแน่นกว่าบริเวณอื่น จึงเรียกบริเวณนี้ว่าขั้วแม่เหล็ก ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียก ขั้วเหนือขั้วที่ชี้ไปทางทิศใต้ เรียก ขั้วใต้ เรียกบริเวณที่มีแรงกระทำต่อสารแม่เหล็กและเข็มทิศว่า สนามแม่เหล็ก เรียกตำแหน่งที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ว่า จุดสะเทิน โลกมีสนามแม่เหล็ก เรียกว่า สนามแม่เหล็กโลก สนามแม่เหล็กโลกด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์ลู่ไปคล้ายหางของดาวหาง ซึ่งเรียกว่า แมกนีโตสเฟียร์ ในบรรยากาศที่ระดับ 100 – 300 กิโลเมตร โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ก็จะปล่อยแสงในช่วงที่ตาเห็นออกมา เรียกว่า ออโรรา ออโรราที่เกิดบริเวณขั้วโลกเหนือ เรียกว่า แสงเหนือออโรราที่เกิดบริเวณขั้วโลกใต้ เรียกว่า แสงใต้ เรียกเส้นสนามไฟฟ้าแม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็ก
       16.7.2 กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก
            1. สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรง
            2. สนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์ เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลายๆวง เรียงซ้อนกันเป็นรูปทรงกระบอก ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า โซเลนอยด์
            3. สนามแม่เหล็กของทอรอยด์ เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลายๆรอบ เรียงกันเป็นรูปทรงกระบอกแล้วขดเป็นวงกลม ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า ทอรอยด์
       16.7.3 แรงกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
       16.7.4 แรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน
       16.7.5 แรงกระทำต่อลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
16.8 การประยุกต์ผลของสนามแม่เหล็กต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน
            - แกลแวนอมิเตอร์ เป็นเครื่องวัดไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดที่หมุนได้รอบแกน
            - มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลประกอบด้วยขดลวดทองแดงเคลือบน้ำยา

ไม่มีความคิดเห็น:

ค้นหาบทเรียนฟิสิกส์

Custom Search