20105-2002-1-บทที่1

หน่วยท่ี 1 ตวั แปรวงจรไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า กระแส แรงดนั กาลังไฟฟ้า และกฎของโอหม์ ครูนันทณ์ รัตน์ อยสู่ มบรู ณ์

จุดประสงคก์ ารเรียนรู้ 1. บอกชนิดตวั แปรใช้งานในวงจรไฟฟ้าได้ 2. บอกความหมายประจุไฟฟ้าได้ 3. บอกความหมายกระแสไฟฟ้าได้ 4. บอกความหมายแรงดนั ไฟฟ้าได้ 5. บอกคุณสมบตั กิ าลงั ไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้าได้ 6. บอกนิยาม โนด กง่ิ ลูปได้ 7. อธิบายการคานวณคา่ ดว้ ยการใชก้ ฎของโอหม์ ได้ 8. บอกวธิ ีนากาลังไฟฟ้าไปใช้งานร่วมกับกฎของโอหม์ ได้

สมรรถนะการเรียนรู้ 1. บอกความหมายตวั แปรชนิดตา่ งๆ ทใี่ ช้งานในวงจรไฟฟ้า อย่างกระชับถกู ตอ้ ง 2. อธบิ ายการคานวณคา่ ปริมาณไฟฟ้าดว้ ยกฎของโอหม์ อย่างชดั เจนเป็ นลาดบั 3. นาความรู้ทไี่ ดใ้ นบทเรียนไปใช้งานอย่างมเี หตุผลตามหลกั ปรัชญาเศรษฐกจิ พอเพยี ง

ผังความคดิ 1.ตัวแปรในวงจรไฟฟ้า 5.กาลงั ไฟฟ้าและพลงั งานไฟฟ้า 2.ประจุไฟฟ้า 6.นิยาม โนด กง่ิ ลปู ตวั แปรวงจรไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า กระแส แรงดัน กาลังไฟฟ้า และกฎของโอหม์ 3.กระแสไฟฟ้า 7.กฎของโอหม์ 4.แรงดนั ไฟฟ้า 8.กาลังไฟฟ้ากบั กฎของโอหม์

1.1 ตัวแปรในวงจรไฟฟ้า หน่วยระบบนานาชาติ (System International Units : SI Units) ปริมาณ หน่วยวัด สญั ลกั ษณ์ ความยาว (Length) เมตร (Meter) m มวล (Mass) กิโลกรัม (Kilogram) kg เวลา (Time) วินาที (Second) s กระแส (Current) แอมแปร์ (Ampere) A อณุ หภมู ิ (Temperature) เคลวนิ (Kelvin) K ปริมาณของสาร (Amount of Substance) โมล (Mole) mol ปริมาณสอ่ งสวา่ ง (Luminous Intensity) แคนเดลา (Candela) cd มุมระนาบ (Plane Angle) เรเดียน (Radian) rad มมุ ตัน (Solid Angle) สตเี รเดยี น (Steradian) sr

หน่วยวัดใช้ในงานดา้ นทฤษฎใี นวงจรไฟฟ้า ปริมาณ หน่วยวัด สญั ลักษณ์ C ประจไุ ฟฟ้า (Electric Charge) คูลอมบ์ (Coulomb) V ศกั ย์ไฟฟา้ (Electric Potential) โวลท์ (Volt)  S ความต้านทาน (Resistance) โอห์ม (Ohm) H F ความนาไฟฟ้า (Conductance) ซเี มนท์ (Siemens) Hz N ความเหน่ยี วนา (Inductance) เฮนร่ี (Henry) J W ความจุ (Capacitance) ฟาราด (Farad) Wb T ความถี่ (Frequency) เฮิรตซ์ (Hertz) แรง (Force) นิวตนั (Newton) พลังงาน (Energy) , งาน (Work) จลู (Joule) กาลัง (Power) วัตต์ (Watt) เสน้ แรงแมเ่ หล็ก (Magnetic Flux) เวเบอร์ (Weber) ความหนาแนน่ เสน้ แรงแมเ่ หล็ก (Magnetic Flux Density) เทสลา (Tesla)

1.2 ประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า (Electric Charge) และ ศักยไ์ ฟฟ้า (Electric Potential) ประจุไฟฟ้า และ ศักยไ์ ฟฟ้า เป็ นปริมาณไฟฟ้าทเ่ี กดิ ขนึ้ มาในเวลาพร้อมกนั ปรมิ าณไฟฟ้าทงั้ สองเป็ นตัวแสดงใหท้ ราบถงึ จานวนไฟฟ้าทก่ี าเนิดขึน้ มาว่ามมี าก น้อยเพยี งใด ประจุไฟฟ้า (Electric Charge) เป็ นขัว้ ไฟฟ้าทแี่ ตกต่างกัน แบง่ ออกเป็ น 2 ขัว้ คอื ขัว้ บวก(+) หรอื ประจุบวก (Positive Charge) และขั้วลบ (-) หรอื ประจุลบ (Negative Charge) ในทกุ อะตอม จะต้องประกอบด้วยประจุบวกหรอื โปรตอน และประจุลบหรืออเิ ลก็ ตรอน รวม กนั อยู่ และสภาวะปกตปิ ระจุไฟฟ้าทงั้ สองจะมคี า่ สมดุลหรอื เทา่ กัน

ประจุไฟฟ้า มหี น่วยเป็ น คลู อมบ์ (C) ประจุไฟฟ้า 1 คลู อมบ์ คอื ประจุไฟฟ้าทมี่ อี เิ ลก็ ตรอนจานวน 6.241 x 1018 ตวั เคลอ่ื นทผ่ี ่านจุด ๆ หน่ึงไป 1 คูลอมบ์ = 6.241 x 1018 อเิ ลก็ ตรอน หรือ 1 อเิ ลก็ ตรอน = 1.602 x 10-19 คูลอมบ์

ศักยไ์ ฟฟ้า (Electric Potential) ศักยไ์ ฟฟ้า เป็ นค่าไฟฟ้า หรือปริมาณไฟฟ้าทแี่ สดงออกมาในขณะเกดิ ความไม่ สมดุลของประจุไฟฟ้า แบง่ ออกได้ 2 คา่ คอื ศักยบ์ วก (Positive Potential) หมายถงึ การมปี ระจุไฟฟ้าบวกมากกว่าประจุไฟฟ้าลบ และ ศักยล์ บ (Negative Potential) หมายถงึ การมปี ระจุไฟฟ้าลบ มากกวา่ ประจุไฟฟ้าบวก อานาจไฟฟ้าทแ่ี ผ่ออกรอบตวั ประจุไฟฟ้าและศักยไ์ ฟฟ้าในรูปของเส้นแรง (Line of Force) เรยี กวา่ เส้นแรงสนามไฟฟ้า (Electric Field Lines) มผี ลต่อพลงั งาน หรือแรงทเี่ กดิ ขึน้ เกดิ เป็ นแรงดดู หรือแรงตา้ น มคี ุณสมบตั ดิ ังนี้ - ประจุไฟฟ้าและศักยไ์ ฟฟ้า มคี ่าเหมอื นกันจะต้านกัน - ประจุไฟฟ้าและศักยไ์ ฟฟ้า มคี า่ ตา่ งกันจะดงึ ดดู กัน - เส้นแรงสนามไฟฟ้า ประจุบวกเคลอ่ื นออก ประจุลบเคลอ่ื นเข้าหา

1.3 กระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า คอื การเคลอ่ื นทข่ี องประจุไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า ปรมิ าณการไหล ของกระแสไฟฟ้าวัดออกมาในหน่วยของ แอมแปร์ (A) กระแสไฟฟ้า (I) 1 แอมแปร์ หมายถงึ ประจุไฟฟ้า 1 คลู อมบ์ ไหลเข้าไปใน ขดลวดตัวนา โดยเคลอ่ื นทผ่ี ่านจุด ๆ หน่ึงภายในเวลา (t) 1 วนิ าที I = ������ 1.1 ������ โดย ...... I คอื กระแสไฟฟา้ หนว่ ย แอมแปร์ (A) Q คือ ประจไุ ฟฟา้ หน่วย คลู อมบ์ (C) t คือ เวลา หน่วย วินาที (s)

1.4 แรงดนั ไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า คอื ความต่างศักยข์ องประจุไฟฟ้าทจ่ี ุดสองจุด เกดิ ขนึ้ จากการ สะสมประจุไฟฟ้าของจุดสองจุดทแี่ ตกต่างกนั ความตา่ งศักยท์ แี่ ตกต่างกนั ทาให้ เกดิ แรงเคลอื่ นไฟฟ้า (Electromotive Force : emf) หรอื แรงดันไฟฟ้าออกมา แรงดันไฟฟ้ามหี น่วยเป็ นโวลต์ (Volt : V) แรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ หมายถงึ ประจุไฟฟ้า 1 คลู อมบ์ ทม่ี พี ลังงาน 1 จูล (J) V = ������ 1.2 ������ โดย ...... V คอื แรงดนั ไฟฟ้า หนว่ ย โวลต์ (V) W คือ พลงั งานไฟฟา้ หนว่ ย จลู (J) Q คอื ประจไุ ฟฟา้ หน่วย คลู อมบ์ (C)

1.5 กาลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า กาลังไฟฟ้า (Electric Power) คอื อตั ราการใช้พลังงานไฟฟ้ามหี น่วนเป็ นจูล (J) ทาใหอ้ เิ ลก็ ตรอนเคลอ่ื นทจี่ ากจุดหนึ่งไปยงั อกี จุดหนงึ่ ในเวลาหนึ่งหน่วยเป็ นวนิ าที P = ������ 1.3 ������ โดย ...... P คือ กาลงั ไฟฟ้า หนว่ ย วตั ต์ (W) W คอื พลงั งานไฟฟ้า หน่วย จลู (J) t คอื เวลา หนว่ ย วินาที (s)

พลงั งานไฟฟ้า (Electrical Energy) คอื พลังงานทถี่ กู ใช้ไป หรือถกู สร้างขึน้ ใหม่ จากกาลงั ไฟฟ้าทสี่ ่งเข้ามาหรอื สง่ ออกไป โดยสัมพันธก์ บั เวลา W = Pt 1.4 โดย ...... P คือ กาลงั ไฟฟ้า หนว่ ย วตั ต์ (W) W คือ พลงั งานไฟฟ้า หน่วย จลู (J) t คือ เวลา หน่วย วินาที (s)

1.6 นิยาม โนด กงิ่ ลูป โนด (Node) หรือ จุดตอ่ เป็ นจุดเชื่อมต่อทเ่ี กดิ ขึน้ ในสว่ นต่าง ๆ ของวงจร ไฟฟ้า ซง่ึ จะตอ้ งเกดิ การเช่ือมต่อกนั ของวงจรตงั้ แต่ 2 สาขาหรอื 2 กง่ิ ขึน้ ไป กง่ิ (Brance) หรือ สาขา เป็ นส่วนสาขาย่อยของวงจรไฟฟ้าทต่ี ่อแยกออกไป สง่ ผลต่อคา่ กระแสไฟฟ้าทไี่ หลผ่านเข้าไปในแตล่ ะสาขาแตกตา่ งกนั ลปู (Loop) หรือ วงรอบ เป็ นส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้าทต่ี ่อครบวงจร ส่งผลให้ เกดิ กระแสไฟฟ้าไหลในวงจรไฟฟ้านั้น ในวงจรไฟฟ้าหน่ึงอาจมลี ปู มากกวา่ หนึ่ง ลูปและคา่ กระแสไฟฟ้าในแตะ่ ลปู อาจแตกต่างกัน

1.7 กฎของโอหม์ กฎของโอหม์ เป็ นกฎทก่ี าหดขึน้ มาจากความสมั พันธข์ องปริมาณไฟฟ้า 3 สว่ น ได้แก่ แรงดนั ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน ปรมิ าณของกระแสไฟฟ้าทไ่ี หลในวงจร เปลยี่ นแปลงตามคา่ แรงดนั ไฟฟ้าที่ จ่ายใหว้ งจร แตเ่ ปลย่ี นแปลงเป็ นสว่ นผกผันกบั ค่าความตา้ นทานในวงจร I  V เมอื่ R คงที่ 1.5 I  1 เมอ่ื V คงท่ี 1.6 ������

สมการกฎของโอหม์ I = ������ 1.7 ������ I คอื กระแสไฟฟ้า หน่วย แอมแปร์ (A) V คอื แรงดนั ไฟฟา้ หน่วย โวลต์ (V) R คือ ความตา้ นทาน หนว่ ย โอหม์ ()

สมการกฎของโอหม์

Example 1.1 แตรรถยนตใ์ ช้แรงดนั ไฟฟ้า 24 V มคี วามตา้ นทาน 6  ขณะบบี แตรจะมกี ระแสไฟฟ้าไหลในวงจรเทา่ ไร วธิ ีทา จาก I = ������ ������ เมอ่ื I = ? V = 24 V R = 6 แทนคา่ I = 24 ������ = 4A 6 ตอบ กระแสไฟฟ้าทไี่ หลในวงจรเทา่ กบั 4 แอมแปร์

Example 1.2 หลอดไฟรถยนตม์ คี วามตา้ นทาน 8  ขณะทางาน มกี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ น 3 A จะเกดิ แรงดนั ไฟฟ้า วธิ ที า ตกคร่อมหลอดไฟหลอดนเี้ ทา่ ไร จาก V = IR เมอ่ื V = ? R = 8 I = 3A แทนค่า V = 3A x 8 = 24 V ตอบ แรงดนั ไฟฟ้าตกคร่อมหลอดไฟเทา่ กบั 24 โวลต์

1.8 กาลังไฟฟ้ากับกฎของโอหม์ กาลังไฟฟ้า สามารถนามาใช้งานร่วมกับกฎของโอหม์ ได้ สรุปได้ดังนี้ กาลงั ไฟฟ้า (P) 1 วตั ต์ คอื อตั ราของงานทถ่ี กู กระทาในวงจรซง่ึ เกดิ กระแสไฟฟ้า (I) 1 แอมแปร์ เมอ่ื มแี รงดันไฟฟ้า (V) จ่ายใหว้ งจร 1 โวลต์ P = Vt 8 โดย ...... P คือ กาลงั ไฟฟา้ หนว่ ย วตั ต์ (W) V คอื แรงดนั ไฟฟ้า หน่วย โวลต์ (V) t คอื เวลา หนว่ ย วินาที (s)

สมการกาลังไฟฟ้ากฎของโอหม์

สมการกาลังไฟฟ้ากฎของโอหม์

เตาไฟฟ้าขนาด 240 W เมอ่ื ตอ่ วงจรวัดกระแสไฟฟ้า Example 1.3 ไหลผา่ นได้ 10 A จงหาแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรงทไ่ี หล ใหว้ งจร และค่าความตา้ นทานของเตาไฟฟ้า วธิ ที า V = ������ 1. หาแรงดันไฟฟ้าทจี่ า่ ยใหว้ งจรจากสูตร ������ เมอ่ื V = ? P = 240 W I = 10 A แทนคา่ V = 240 ������ = 24 V 10 ������ ตอบ แรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรงทไ่ี หลใหว้ งจรเทา่ กบั 24 โวลต์

เตาไฟฟ้าขนาด 240 W เมอื่ ตอ่ วงจรวดั กระแสไฟฟ้า Example 1.3 ไหลผ่านได้ 10 A จงหาแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรงทไี่ หล ใหว้ งจร และคา่ ความตา้ นทานของเตาไฟฟ้า วธิ ีทา R = ������ 2. หาคา่ ความต้านทานของเตาไฟฟ้าจากสตู ร ������2 เมอื่ R = ? P = 240 W I = 10 A แทนคา่ R = =240 ������ 240 ������ = 2.4  (10)2������ 100 ������ ตอบ ค่าความตา้ นทานของเตาไฟฟ้าเทา่ กับ 2.4 โอหม์